09CrCuSb無縫鋼管表面缺陷成因分析

田志鵬，張 勇

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

0 引言

09CrCuSb是典型的耐硫酸低溫露點腐蝕用鋼。其因優異的耐腐蝕性能以及良好的強度、塑性等力學性能，廣泛用于高含硫煙氣環境中的省煤器、空氣預熱器、熱交換器和蒸發器等裝置設備，主要用于抵御含硫煙氣結露點腐蝕[1]。09CrCuSb無縫鋼管在生產中時常出現質量問題，使得成本增加，造成了極大損失。

09CrCuSb鋼管生產工藝流程為：圓鋼切定尺→加熱→穿管→酸洗、磷化、皂化→拉拔→退火→矯直→檢驗→打捆→入庫。本文通對外表面存在集中缺陷的鋼管進行取樣，同時對同批次的母材進行相應的取樣，進行金相組織分析、掃描電鏡分析、能譜分析等，對09CrCuSb鋼管外表面存在的缺陷進行系統性的分析研究，找到了缺陷產生的原因，同時提出了相應的解決辦法。

1 檢測與分析

1.1 鋼管表面缺陷宏觀形貌觀察

穿管之后外表面存在的缺陷（見圖1）以一定角度，沿著穿管方向呈螺旋狀分布在鋼管外表面，鋼管外表面整體質量較差，宏觀形貌如圖1所示。

圖1 鋼管外表面缺陷宏觀形貌

1.2 鋼管化學成分分析

對試樣進行光譜化學成分檢測，結果如表1所示。通過表1可以看出，該鋼管的化學成分均滿足09CrCuSb耐腐蝕鋼的技術要求。

表1 09CrCuSb鋼管化學成分 /wt%

1.3 鋼管缺陷微觀分析

對管材缺陷樣品進行金相檢測，可以明顯看出試樣裂紋整體以一定角度向基體內部延伸擴展，其長度為 5 800 μm，深度為 959 μm，如圖 2（a）所示；且裂紋內部及末端存在灰色物質，裂紋兩側及末端處可以清晰地觀察到存在二次氧化物顆粒，如圖2（b）所示。裂紋的周圍存在輕微脫碳現象，如圖2（a）、（b）所示。裂紋附近金相組織均為鐵素體+珠光體，整體組織比較均勻，無異常組織。利用掃描電鏡對裂紋內部及末端處灰色物質進行觀察分析，其裂紋內部及末端處灰色物質均為氧化鐵。對裂紋附近及裂紋末端的二次氧化物顆粒進行能譜分析之后，其主要成分為 C、O、Si、Mn、Fe等元素，如圖 2（c）所示。這些二次氧化物為氧化圓點，主要是裂紋在高溫加熱時形成的氧化產物。

圖2 裂紋微觀形貌及能譜分析

氧化圓點的形成是由于缺陷在一定的溫度條件下受到空氣中氧原子的氧化，形成一定厚度的脫碳層；其次氧原子穿過脫碳層與強氧化元素Si、Mn結合生成富集Si、Mn的氧化物顆粒，即為氧化圓點。鋼管表面裂紋處存在脫碳現象是由于在高溫環境中（一般為800℃以上），且在高溫環境中停留一定時間，碳與氧結合形成氣體（CO或CO2）脫離基體，從而造成裂紋兩側存在較薄的脫碳層；裂紋兩側及裂紋末端存在氧化圓點，而氧化圓點的形成需要在960～1 200℃的高溫下，保溫時間至少為30 min[2-4]。在實際生產的過程中，假如是在穿管過程中被設備所剮蹭、劃傷造成的裂紋，裂紋附近產生氧化圓點的概率相對來講很小。由穿管工藝可知，母材加熱的溫度為1 200℃，保溫時間為2 h，所以該溫度、保溫條件下都足以產生氧化圓點。依據裂紋處的脫碳及氧化圓點可以推斷出該裂紋在母材加熱時就已經存在，后續穿管過程中裂紋擴展延伸，最終在鋼管表面產生缺陷。因此就要追溯到母材環節，判斷其母材表面是否存在質量缺陷，需要對未進行加熱、穿管的母材進行檢測分析。

1.4 圓鋼表面缺陷分析

取前道次的09CrCuSb圓鋼，未酸洗前肉眼觀察表面未發現存在缺陷，經過熱酸腐蝕后發現圓鋼表面存在無規律分布的縱向裂紋，如圖3箭頭所指處。同時，對缺陷存在處取樣進行N、O氣體含量檢測，N：36×10-6、O：14×10-6，結果表明該缺陷處的氣體含量均在規定的技術要求范圍內。

圖3 酸洗后圓鋼表面裂紋

對典型缺陷集中處進行取樣并進行金相檢測和分析，由分析結果可知，所取試樣基體的金相組織為珠光體+鐵素體，無異常組織。裂紋微觀形貌如圖4所示。圖4（a）中裂紋以一定角度向基體內部延伸擴展，深度為397 μm，同時裂紋內部存在灰色的氧化鐵；裂紋存在分叉，且分叉裂紋末端處呈圓鈍形貌；在裂紋附近及末端處可清晰觀察到存在二次氧化物顆粒—氧化圓點，如圖4（b）所示；裂紋周圍存在輕微脫碳情況。此外近圓鋼表面位置還存在類似球形的缺陷如圖4（c）所示。該缺陷內部灰色填充物為氧化鐵，與表面之間的連通為一細小通道，且缺陷整體呈圓鈍形狀，無擴展趨勢，缺陷附近有輕微脫碳現象。

分析結果表明，裂紋附近存在氧化圓點，裂紋周圍有輕微脫碳現象，判斷該裂紋缺陷不是在軋制過程中產生的，而是在軋制之前加熱過程中產生的。一般情況下，若鑄坯表面的原始缺陷是裂紋，經軋制后圓鋼表面缺陷的微觀形貌應該是具有多維性的，裂紋整體形貌比較粗糙，裂紋深入基體的末端處為尖銳型的，與本文研究的缺陷特征不符合。本文研究的缺陷特征表現為：存在分叉的裂紋，其末端處無擴展趨勢，見圖 4（a）；圓鈍的缺陷無延伸，見圖 4（c）；缺陷附近有大量的氧化圓點；缺陷內部有氧化鐵；裂紋邊緣存在脫碳。所以，該缺陷特征與鑄坯皮下存在氣泡經軋制后形成的缺陷形貌相符合[5-6]。

鑄坯皮下存在氣泡缺陷時，在加熱爐加熱的過程中，近表面的氣泡缺陷會在高溫加熱環境下被燒穿而暴露在加熱爐中，被加熱爐環境中的高溫氧化氣氛所氧化，在暴露出來的氣泡缺陷周圍開始出現氧化圓點及脫碳層，后續軋制過程中不能被壓合。由于該處存在氣體缺陷，和基體存在不結合處，當表面在軋制過程中延展時，不能與基體同步變形，最終在圓鋼表面形成縱向細小的裂紋缺陷。由凝固機理可知，皮下氣泡的產生是由于在凝固界面鋼中的 H、N、O、C 等元素富集，生成的 H2、N2、CO 的氣體總壓力之和大于鋼液中靜壓力與大氣壓力之和，就會產生氣泡[7]。同時，在鋼液澆鑄時，澆鑄保護不合理以及大包套管吹氬也會使氣體溶解在鋼中，使得鋼中氣體含量增加，當氣體不能從鋼中及時的逸出，在鑄坯皮下或表面就會形成氣泡缺陷。

圖4 圓鋼裂紋微形貌

2 改進措施

通過對脫氧工藝的優化，增加軟吹及真空時間，提高鋼水純凈度；對大包套管吹氬進行合理優化；選用合理的中間包覆蓋劑及合理的加熱量，以達到更好的保護效果；避免敞開澆鑄；在結晶器位置可以采用自動加渣機，起到對保護渣烘烤作用，在一定程度上去除保護渣中的水分，從而控制進入鋼中的氣體含量，減少鑄坯皮下氣泡的產生。

3 結論

09CrCuSb鋼管外表面裂紋缺陷來源于09Cr－CuSb圓鋼表面裂紋。09CrCuSb圓鋼表面裂紋缺陷是由于鑄坯存在皮下氣泡缺陷，在軋制前經加熱爐加熱后軋制發生破裂及擴展，在鋼管表面形成的缺陷。通過對煉鋼脫氧工藝的優化，凈化鋼水質量，以及對連鑄工藝的改進，控制進入鋼中的氣體含量，可以減少鑄坯皮下氣泡的產生。