厚壁無縫鋼管晶間裂紋缺陷分析

付乃民，高建學，王慶偉

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

0 引言

天津鋼管制造有限公司460PQF連軋管機組（簡稱460機組）生產的部分厚壁接箍料在探傷檢查時，發現局部存在內部缺陷（如圖1所示）。在探傷定位處取樣觀察，發現一種平行于鋼管內外表面的弧形或環形且有一定寬度的裂紋[1]，即晶間裂紋（如圖2所示），造成大量的廢品產生，不僅影響了合同完成率，而且造成了嚴重的經濟損失。通過對我廠生產的有晶間裂紋缺陷的鋼管進行統計分析，發現存在該缺陷的規格主要集中在369和451孔型，典型的規格有 Φ303×29 mm、Φ396×31.5 mm（33.5 mm）和 Φ394×41 mm，且鋼種比較單一，基本上為26CrMo48V和27CrMo47Vs/1等難變形鋼種。

圖1 接箍缺陷部位

圖2 晶間裂紋局部放大形貌

1 影響晶間裂紋缺陷產生的因素及控制措施

1.1 管坯質量的影響

460機組穿孔機所使用的坯料為自煉鑄坯，鑄坯最常見的缺陷有中心疏松、縮孔、中心裂紋和偏析。鑄坯質量不僅與鋼水過熱度和拉坯速度有關，還與鋼種、鑄坯規格有關。而含Cr、Mo元素的合金鋼熱容量大，導熱性差，尤其對于大規格鑄坯（直徑大于350 mm），鑄造時容易形成中心疏松和晶粒粗大的柱狀晶，而柱狀晶與等軸晶相比結合力明顯較弱[2]，在斜軋穿孔過程中，鑄坯受拉應力和壓應力作用，極易產生晶間裂紋缺陷，嚴重時甚至出現毛管分層。因此為保證難變形鋼種鑄坯質量，要避免高溫澆注，保證鋼液具有良好的順序結晶，提高鋼水的純凈度，減少鋼中夾雜物含量，增加連鑄坯等軸晶比例，減少中心偏析和中心疏松[3-4]；采用合理的冷卻制度，降低鑄造溫度，減少鑄坯內的熱應力和組織應力，增加鑄坯中心等軸區，同時要降低鋼中易偏析元素C、S、P的含量。

1.2 加熱制度影響

較高的加熱溫度、不合理的加熱制度會降低管坯的塑性，使管坯截面溫度不均勻。當管坯截面的溫度不均勻時，在加上斜軋穿孔軋制過程中產生的“溫升”，會使管坯各層之間變形抗力和塑性不同，導致各層之間變形不一致，從而形成附加拉應力和切應力，從而產生晶間裂紋甚至分層缺陷。對管坯加熱的溫度、速度、和時間合理設計和控制，可以改善管坯的組織性能，并保證管坯截面的溫度均勻性，提高穿孔毛管的質量[5-6]。因此我們重新優化了管坯加熱制度，通過降低整體的加熱溫度，放慢生產節奏來提高管坯的加熱均勻性，表1為優化前后的加熱制度對比。

表1 .1 優化前后的加熱制度

1.3 穿孔機軋輥轉速的影響

晶間裂紋形成的根本原因就是難變形鋼經過穿孔時變形抗力大，變形不深透，軋輥轉速越高，表層金屬變形越激烈，而表層金屬必然會向橫向、縱向和切向流動，同時發生扭轉，金屬趨向于周長的增大和鼓脹，從而在外表層變形區和壁厚中間過渡變形區產生附加拉應力和剪切應力[7-9]，使管坯橫截面上存在很大的不均勻變形。當其超過金屬所能承受的塑性極限時，就會形成晶間裂紋甚至分層缺陷。因此，晶間裂紋缺陷就是毛管表層變形區和中心變形區“區域”間的不均勻變形產生的附加拉應力和切應力所致[10-11]。也就是說，軋輥轉速越高，晶間裂紋越嚴重，降低軋輥轉速，可以消除晶間裂紋，效果顯著。在二輥斜軋穿孔機上穿出合格高溫合金毛管的主要工藝措施，就是降低軋輥轉速[12]。降低軋輥轉速可以增大軋輥作用在管坯上的曳入摩擦力，有利于管坯的一次咬入和二次咬入，同時還有利于變形深透，減少晶間裂紋的產生。460機組穿孔機受電機功率所限（電機功率6500 kW，均小于國內同尺寸機組），在軋制Ф400 mm管坯時軋機負荷一直較高，穿孔速度過慢，即純軋時間較長時，很容易出現電機跳停事故，因此在生產合金品種時一直采取高轉速軋制。為便于穿孔機降速軋制，通過理論推導可知，電機扭矩=變形軋制力×軋制力臂/減速機的減速比（軋制力臂為軋輥直徑的1/2），在其他條件無法改變的情況下，通過選取較小輥徑的穿孔輥有效地減小了力臂，最終使電機扭矩得到控制，這樣便可采取低轉速軋制。

1.4 穿孔變形區橢圓度的影響

穿孔過程中沿管坯橫截面存在著不均勻變形，而橢圓度越大，不均勻變形也會越大。當導板磨損嚴重時，會使變形區橢圓度變大，橫向不均勻變形也會增大，從而導致橫向拉應力和切應力的增加，加劇了晶間裂紋形成的趨勢。實踐證明，選擇軋支數較少的導板或者新導板，能夠減少晶間裂紋產生的幾率。

1.5 連軋機減壁量的影響

經統計發現，易出現晶間裂紋缺陷的幾個規格不僅鋼種單一，而且還具有其它的相同點，即連軋機減壁率都小于30%，實踐證明無論是連鑄坯質量影響，還是穿孔輥轉速影響，晶間裂紋缺陷都是在穿孔過程中形成。筆者認為過小的連軋減壁量不易將毛管內部的裂紋軋合。對此，460機組針對幾種典型規格的厚壁鋼管，重新選取穿孔頂頭規格，在原有的基礎上增加毛管壁厚，達到了增加連軋減壁量的目的，最終提高了連軋將裂紋軋合的幾率。表2為更改前后毛管壁厚和連軋減壁率對比。

表1 .2 更改前后毛管壁厚和連軋減壁率對比

2 工藝改進情況跟蹤

2.1 工藝改進前后鑄坯微觀組織觀察

為驗證工藝改進效果，我們選取了工藝改進前后的鑄坯進行低倍形貌的對比，如圖3、圖4所示。

對比兩個試樣低倍形貌，發現工藝改進后的鑄坯粗大柱狀晶幾乎消除，宏觀表現為相對細小的等軸晶，改進后鑄坯中心疏松區相對不明顯，試樣組織相對均勻，晶粒細化。改進前鑄坯晶粒粗大，中心疏松區較為明顯。

圖3 工藝改進前鑄坯低倍形貌

圖4 工藝改進后鑄坯低倍形貌

從生產工藝調整前后所軋制的鋼管中，各取一塊試樣，并對試樣進行磨光、拋光，觀察其低倍形貌，如圖5、圖6所示。

圖5 工藝改進前鋼管低倍形貌

圖6 工藝改進后鋼管低倍形貌

從圖中可以看出，調整之前的試樣中發現大量的平行于表面的裂紋，而調整后的試樣中未發現裂紋。

2.2 接箍料軋制情況跟蹤表

為驗證采取的措施是否有效，長期跟蹤了經常出現晶間裂紋品種的軋制情況。表3為工藝改進后，2019年軋制的典型規格質量情況跟蹤表。

3 結論

為消除晶間裂紋缺陷，應盡量遵循以下的工藝原則：確保管坯的質量，準確控制其化學成分，盡量降低其中易偏析元素C、P、S等，合理的制定加熱制度，盡量提高管坯的塑性，從而提高其抵抗不均勻變形的能力。

重新選取穿孔頂頭規格，在原有的基礎上增加毛管壁厚，增加連軋機減壁量，對穿孔軋制參數進行合理的調整，降低輥速，保證變形的深透。在保證管坯咬入順利的前提下，盡量減小穿孔機變形區橢圓度系數。其中，降低軋輥轉速是最有效的辦法，可使管坯變形深透,消除晶間裂紋，穿出合格的毛管[13-15]。當受到軋機負荷影響時，可以用小直徑軋輥來達到降低軋制速度的目的。

表2 .1 質量情況跟蹤表