高壓鍋爐管用鋼低溫沖擊韌性改進(jìn)

翟萬里， 左 輝， 印傳磊

(江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司， 江蘇 淮安 223002)

高壓鍋爐管用鋼低溫沖擊韌性改進(jìn)

翟萬里， 左 輝， 印傳磊

(江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司， 江蘇 淮安 223002)

摘要：對(duì)高壓鍋爐管用鋼低溫沖擊韌性不穩(wěn)定的原因進(jìn)行分析，開展工藝試驗(yàn)提高鋼水純凈度并對(duì)夾雜物改性，顯著提高低溫沖擊功穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論：1)SA106C鋼中多邊形大顆粒夾雜物附近應(yīng)力集中是引起低溫沖擊脆性斷裂的主要原因。2)鋼中多邊形夾雜物數(shù)量多、密度大且20 μm以上夾雜物占比高是導(dǎo)致低溫沖擊韌性不穩(wěn)定的主要因素。3)經(jīng)鋼水純凈度及夾雜物形貌控制工藝優(yōu)化之后，鋼中夾雜物數(shù)量及大顆粒夾雜物比例顯著減少，夾雜物形貌由多邊形改性為球狀，低溫沖擊功穩(wěn)定性顯著提高。

關(guān)鍵詞：鍋爐管； 低溫沖擊功； 鋼水純凈度； 夾雜物改性

引 言

鍋爐管是無縫鋼管的一種，對(duì)制造鋼管所用的鋼材質(zhì)量有嚴(yán)格的要求；其中高壓鍋爐管主要用于制造高壓和超高壓鍋爐的過熱器管、再熱器管、導(dǎo)氣管、主蒸汽管等。鋼管使用時(shí)經(jīng)常處于高壓條件，管子在煙氣和蒸汽的作用下會(huì)發(fā)生氧化和腐蝕，因此要求鋼管具有高的持久強(qiáng)度，高的抗氧化腐蝕性能，并有良好的組織穩(wěn)定性。對(duì)于在高寒地區(qū)使用的高壓鍋爐管，其低溫韌性尤其重要，直接關(guān)系到人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。本文針對(duì)某鋼廠生產(chǎn)的高壓鍋爐管用SA106C連鑄圓坯經(jīng)軋管加工成成品管后，低溫沖擊韌性穩(wěn)定性差的情況，進(jìn)行原因分析并通過工藝試驗(yàn)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，保證了低溫沖擊功穩(wěn)定控制。

1 影響因素分析

1.1 生產(chǎn)工藝

某鋼廠SA106C圓坯的化學(xué)成分如表1所示，冶煉工藝流程為：轉(zhuǎn)爐吹煉→LF爐外精煉→RH爐真空處理→少量鈣處理→連鑄。

圓坯軋管加工工藝為：坯料→熱軋管→整體正火處理(或調(diào)質(zhì)處理)→熱處理后成品管。

表1SA106C化學(xué)成分/%

w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Al)0.19～0.220.20～0.300.90～1.00≤0.015≤0.0060.015～0.040

1.2 取樣檢驗(yàn)

在熱處理后的成品管上壁厚1/2處取橫向試樣測試低溫沖擊功，每組3個(gè)，要求沖擊功Akv(-46 ℃)≥18 J。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，超過10%的試樣Akv(-46℃)數(shù)值在18 J以下，沖擊韌性波動(dòng)大，無法保證完全達(dá)到客戶要求。

1.3 金相分析

對(duì)低溫沖擊功18 J以下的樣品斷口進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，斷口呈脆性斷裂形貌，可觀察到明顯的河流狀花樣(如圖1所示)，基本無塑性區(qū)，同時(shí)在斷口起裂位置觀察到大尺寸的夾雜物存在的痕跡(圖中箭頭所示)。眾多研究表明[1-2]，鋼中夾雜物形態(tài)及尺寸嚴(yán)重影響鋼材低溫沖擊韌性。非金屬夾雜破壞了組織的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，鋼材受外力時(shí)微裂紋優(yōu)先在夾雜物周圍形核、聚集、長大、擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂產(chǎn)生[3]。Al2O3夾雜物在受力時(shí)無形變，通常沿軋制方向排成一行，且?guī)Ю饨牵菍?dǎo)致應(yīng)力集中程度最高的夾雜物。對(duì)沖擊功不穩(wěn)定的試樣內(nèi)夾雜物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，非金屬夾雜物主要以Al2O3為主(如圖2所示)，且對(duì)沖擊功影響最為顯著的尺寸20 μm以上的夾雜物比例高達(dá)4.38%。 因此， SA106C 鋼中存在大量大顆粒多邊形的Al2O3夾雜物且尺寸偏大是引起低溫沖擊韌性不穩(wěn)定的主要原因。

圖1 沖擊斷口形貌

圖2 SA106C低溫沖擊功不穩(wěn)定鋼中典型大顆粒夾雜物

2 改進(jìn)措施

為改進(jìn)低溫沖擊功穩(wěn)定性，開展了工藝優(yōu)化試驗(yàn)，以提高鋼水純凈度，減小夾雜物尺寸并對(duì)夾雜物形態(tài)進(jìn)行改性。于Φ500 mm連鑄坯生產(chǎn)時(shí)共試驗(yàn)4爐，試驗(yàn)工藝措施包括：提高轉(zhuǎn)爐出鋼C含量，降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧化性；控制轉(zhuǎn)爐回磷量，減少額外氧源；冶煉前期采用鋁質(zhì)脫氧劑強(qiáng)脫氧；采用高鈣處理，保證鋼中夾雜物變性充分；做好保護(hù)澆注工作，預(yù)防Al2O3夾雜物再次產(chǎn)生。對(duì)煉鋼工藝優(yōu)化前、后連鑄坯所軋鋼管各取120個(gè)(每爐30個(gè))試樣檢驗(yàn)低溫沖擊功Akv(-46℃)，對(duì)比分析低溫沖擊功穩(wěn)定性，取樣方法同上所述。

3 結(jié)果與討論

工藝改進(jìn)前、后低溫沖擊功檢驗(yàn)情況如圖3所示，改進(jìn)前Akv(-46 ℃)在18 J以下的試樣占比10%，在40 J以下的試樣占比20%以上，在100 J以上的試樣占比近40%，呈現(xiàn)兩極分化，非常不穩(wěn)定；改進(jìn)后低溫沖擊功均在40 J以上，80～99 J的試樣占比近50%，比較穩(wěn)定，很好地滿足了客戶需求。對(duì)改進(jìn)后沖擊試驗(yàn)斷口進(jìn)行分析可以看出，斷口形貌(如圖4所示)與之前性能不合樣品(如圖1所示)有所不同，斷口中均存在一定比例的韌性斷裂形貌，斷裂處留有較淺的韌窩，顯著提高了低溫沖擊韌性，避免脆性斷裂的發(fā)生。

圖3 改進(jìn)前、后低溫沖擊功檢驗(yàn)情況

對(duì)工藝改進(jìn)前、后鋼材純凈度控制情況進(jìn)行分析，各分析視場數(shù)450，夾雜物分布情況如圖5所示。改進(jìn)前氧化物夾雜物總數(shù)644，其中20 μm以上夾雜物占比4.38%，30 μm以上夾雜物占比1.55%；改進(jìn)后夾雜物總數(shù)330個(gè)，其中20 μm以上夾雜物占比1.41%，30 μm以上夾雜物占比0.5%。工藝改進(jìn)后夾雜物總數(shù)與對(duì)低溫沖擊韌性影響較大的大尺寸夾雜物數(shù)量均明顯減少。工藝改進(jìn)后的典型夾雜物形貌及成分分析結(jié)果如圖6所示，經(jīng)鈣處理后夾雜物已由原來的多邊形Al2O3改性為球形的心部為(Mg，Al)O、外層則包裹著CaS的復(fù)合夾雜物。

圖4 改進(jìn)后試樣典型斷口形貌

圖5 工藝改進(jìn)前、后非金屬夾雜物控制情況

圖6 工藝改進(jìn)后典型夾雜物形貌及成分

通過采取一系列提高鋼水純凈度與夾雜物改性方面的工藝措施，顯著降低夾雜物數(shù)量并減小尺寸，夾雜物形貌也由原來的多邊形夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙願(yuàn)A雜物，減少了因夾雜物尖角引起的應(yīng)力集中[4]，大幅降低非金屬夾雜物因素引起的脆性斷裂，顯著改善了產(chǎn)品的低溫沖擊韌性[5]。

4 結(jié) 論

(1)SA106C鋼中多邊形大顆粒夾雜物附近應(yīng)力集中是引起低溫沖擊脆性斷裂的主要原因。

(2)鋼中多邊形夾雜物數(shù)量多、密度大且20 μm以上夾雜物占比高是導(dǎo)致低溫沖擊韌性不穩(wěn)定的主要因素。

(3)經(jīng)鋼水純凈度及夾雜物形貌控制工藝優(yōu)化之后，鋼中夾雜物數(shù)量及大顆粒夾雜物比例顯著減少，夾雜物形貌由多邊形改性為球狀，低溫沖擊功穩(wěn)定性顯著提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 岳 峰，包燕平，崔 衡，等. BOF-LF/VD-CC工藝生產(chǎn)高級(jí)船板鋼純凈度的研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(S1)：1—5.

[2] 錢 江，江海濤. X65熱軋管線鋼板的沖擊韌性研究[J].寬厚板，2006，12(6)：9—13.

[3] Ray A， Paul S K， Jha S. Effect of inclusions and microstructure characteristics on the mechanical properties and fracture behavior of a high-strength low-alloy steel[J]. Journal of Materials Engineering and Performance，1995，4 (6)：679—688.

[4] Tomita Yoshiyuki. Effect of morphology of nonmetallic inclusions on tensile properties of quenched and tempered 0.4C-Cr-Mo-Ni steel [J]．Metal Science Journal, 1995，11(5)：508—513.

[5] 王睿之，楊 健，祝 凱，等. 鈣脫氧和鎂脫氧的氧化物冶金工藝效果對(duì)比[J].煉鋼，2016，32(3)：50—54.

收稿日期：2017-12-15

作者簡介：翟萬里(1984—)，男，工程師。電話：(0517)83033300；E-mail:ter-zhai@126.com

中圖分類號(hào)：TG335.71； TG113.25+4