研究了鍋爐和過熱器用低、中碳合金鋼無縫鋼管帶狀組織形成原因。研究結(jié)果表明，帶狀組織形成主要是軋制工藝溫度不當(dāng)引起的。經(jīng)過進一步試驗研究分析原因，提出工藝改進和正火熱處理消除帶狀組織的新工藝。關(guān)鍵詞：鍋爐和過熱器，帶狀組織，火熱處理，軋制工藝
概述低、中碳鋼中的帶狀組織是指沿鋼材軋制方向形成的，以先共析鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此堆疊而形成的組織形態(tài)，金屬材料在冶煉澆注后絕大部分要經(jīng)過壓力加工
方可成為型材 ,但是，熱軋加工后的材料容易得到沿著變形方向珠光體和鐵素體呈帶狀分布的組織[7-3]。帶狀組織形成的原因歸納起來大致有 2種：
① 由于成分偏析引起的帶狀組織。鋼種除碳以外的合金元素和磷等有害雜質(zhì)的在壓延時，雜質(zhì)沿壓延方向伸長。當(dāng)鋼材冷至 Ar3以下時，這些雜質(zhì)就成為鐵素體的核心使鐵素體形態(tài)呈帶狀分布，隨后珠光體也呈帶狀分布。由于成分偏析而形成的帶狀組織很難用熱處理的方法消除。
②由于熱加工溫度不當(dāng)引起的帶狀組織，即熱加工停鍛或熱軋溫度在二相區(qū)時（ Ar1和 Ar3之間），鐵素體沿著金屬流動方向從奧氏體中呈帶狀析出珠光體，這種組織可以通過正火或退火加以消除。
20G、15CrMo、12Cr1Mo及 SA-210系列鋼為低合金耐熱鋼，屬于易出現(xiàn)帶狀組織的鋼種。作為高壓鍋爐管和過濾器用鋼時對其帶狀組織有限制 ,蘇聯(lián) TY14-3-460-75中規(guī)定這幾種鋼管中的帶狀組織不得超過 3級。我國高壓鍋爐管和過濾器管標準 GB5310-85中未提及帶狀組織 [4]，但我國各大鍋爐廠一般采用帶狀組織不超過 3級做為定貨標準。
2. 高壓鍋爐管理化檢驗檢驗所用鋼管為兩種工藝制備而成。一是管坯經(jīng)熱軋 ---再加熱爐---張減---成品工藝，另
一種是管坯經(jīng) PQF連軋---旁通---張減---成品工藝。兩種工藝制備的鋼管最終規(guī)格均為 Φ76mm×9mm，爐號分別為 052480和 053012。
2.1材料成分分析
對爐號為 052480和 05301，鋼種為 ASME SA-210C（美標）的鋼管進行化學(xué)成分分析，其結(jié)果如表 1所示。
2.2鋼管的常規(guī)力學(xué)、工藝性能檢驗
對不同制備工藝的 SA210-C鋼管進行縱向力學(xué)性能檢驗和工藝性能檢驗，結(jié)果見表 2。從表 2可以看出，經(jīng)兩種不同制備工藝的鋼管常規(guī)力學(xué)、工藝性能均滿足 ASME SA-210標準要求，二者無明顯差別。
2.3帶狀組織觀察試樣取于不同軋制工藝的鋼管 (爐號分別為 052480和 05301)和鋼管的不同部位。將鋼管縱向切片，制成金相試樣，沿著軋制方向磨光，拋光，硫酸酒精浸蝕，觀察帶狀組織，按照國標 GB13299-91進行評定級別 ,之后選擇部分試樣進行微觀組織拍照。圖 1-3為經(jīng)軋制工藝一，爐號為 082480的帶狀組織。可見，鐵素體、珠光體呈現(xiàn)帶狀分布，并且鋼管從外到內(nèi)帶狀組織依次加重。內(nèi)壁最嚴重，評定級別為 4級，外壁最輕，評定級別為 1級。圖 4為經(jīng)軋制工藝二，爐號為 053012的帶狀組織，其帶狀不明顯，內(nèi)壁帶狀組織的評定級別為 1級，中部和外壁未發(fā)現(xiàn)有帶狀組織。經(jīng)兩種軋制工藝所產(chǎn)生的帶狀組織檢驗結(jié)果如表 3所示。
圖 1鋼管外壁 F+P組織形貌 100×圖 2鋼管中部帶狀組織形貌 100× Fig.1 Microstructure of steel tube external Fig.2 Band structure of steel tube middle
2.4帶狀組織消除工藝試驗對經(jīng)兩種制備工藝生產(chǎn)的具有帶狀組織的鋼管進行正火處理。正火溫度910oC，保溫 30
分鐘。正火處理后取樣做金相檢驗 ,結(jié)果見圖 5-6。從圖 5-6可以看出，經(jīng)正火處理后，帶狀組織消失，呈均勻細小的等軸晶。
圖 5鋼管外中內(nèi)部無帶狀組織 100×圖 6鋼管外中內(nèi)部無帶狀組織形 100× Fig.5 Microstructure of steel tube Fig.6 Microstructure of steel tube
3.結(jié)果分析
1通過以上不同軋制工藝生產(chǎn)的 SA-210C高壓鍋爐管帶狀組織分析可知 ,經(jīng)再加熱爐處理工藝生產(chǎn)的鋼管帶狀組織比旁通工藝生產(chǎn)的鋼管帶狀組織嚴重 ,在鋼管內(nèi)部前者比后者平均要高 2～3級。但按兩種工藝生產(chǎn)的鋼管的常規(guī)（縱向）性能無明顯差異。據(jù)資料研究 [5-7]，由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不用 ,它們的橫 /縱向機械性能有明顯差異 ,在外力作用下強弱帶之間會產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而造成總體力學(xué)性能的降低，并且有明顯的各項異性。從表 3可以看出，兩種軋制工藝所制備的鋼管的力學(xué)、工藝性能雖滿足標準要求 ,但由于鋼管個別
部位帶狀組織嚴重 ,造成該部位沖擊功已接近標準下限 ,在長時使用環(huán)境中，帶狀組織易成為微裂紋源，造成爆管 [8]。
2為了探求形成帶狀組織的真正原因，對經(jīng)再加熱爐處理的鋼管進行恢復(fù)熱處理工藝試驗，正火溫度910℃，保溫 30分鐘后空冷。試驗結(jié)果由圖 5、6可見,帶狀組織完全消除，得到均勻細小的 F+P組織。通過試驗證明正火可消除帶狀組織，說明該帶狀組織是再加熱爐溫度設(shè)置不合理造成的，而不是因為化學(xué)成分偏析引起的。由于再加熱爐溫度設(shè)置不合理，張減使鋼管在兩相區(qū) (Ar1～Ar3)軋制，鐵素體沿著金屬流動方向從奧氏體中呈帶狀析出，尚未分解的奧氏體被分割成帶狀，當(dāng)冷卻到 Ar1時，帶狀奧氏體轉(zhuǎn)化為珠光體，這種組織可通過正火或退火的方法消除。
4結(jié)論
1兩種工藝生產(chǎn)的鋼管有嚴重的帶狀組織，是由于終軋溫度低于 Ar3，而又沒有進行軋后熱處理造成的，可以通過 910oC正火熱處理工藝消除帶狀組織。
2嚴重帶狀組織的鋼管常溫力學(xué)性能呈明顯的各向異性，對具有帶狀組織的鋼管常規(guī)力學(xué)等檢驗，結(jié)果仍符合產(chǎn)品標準要求，可以安全運行，但仍需加強監(jiān)督管理。
3為節(jié)約生產(chǎn)成本，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，可采取控軋技術(shù)，來抑制帶狀組織的產(chǎn)生 ,但要嚴格控制終軋溫度和冷卻速度 [9][10]，以代替正火處理。
4為防止有異常組織鋼管出廠，避免造成不必要的事故，應(yīng)嚴格檢驗，在產(chǎn)品制造工藝文件中明確顯微組織檢驗標準等相關(guān)條款。
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Reason of Formation and Removal of Band Structure in Boiler and Filer Seamless Steel Tube
Zhao Qingquan1,2, Xiao Gongye1, Yang Ruicheng2, Wang Guoliang1 1.State Key Lab of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials, Lanzhou Univ. of Tech , Lanzhou , China (730050) 2. Tianjin Steel Pipe Co., Ltd., technology center, Tianjin, China (300301)
Abstract
Experimental studies on reason of formation and removal means of band structure in boiler and filter seamless steel tube and low carbon alloy seamless steel tube are discussed in this paper. The results show that the formation of band structure is not the composition segregation of steel, but the error of rolling temperature. Through study and analysis, a new process, which can remove band structure by recovered heat treatment, has been raised. Keywords: boiler and filter tube; band structure; recovered heat treatment; rolling process;
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