高壓鍋爐管用鋼低溫沖擊韌性改進

翟萬里， 左 輝， 印傳磊

(江蘇沙鋼集團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

翟萬里， 左 輝， 印傳磊

(江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司， 江蘇 淮安 223002)

摘要：對高壓鍋爐管用鋼低溫沖擊韌性不穩定的原因進行分析，開展工藝試驗提高鋼水純凈度并對夾雜物改性，顯著提高低溫沖擊功穩定性，得出如下結論：1)SA106C鋼中多邊形大顆粒夾雜物附近應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量多、密度大且20 μm以上夾雜物占比高是導致低溫沖擊韌性不穩定的主要因素。3)經鋼水純凈度及夾雜物形貌控制工藝優化之后，鋼中夾雜物數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，低溫沖擊功穩定性顯著提高。

關鍵詞：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，對制造鋼管所用的鋼材質量有嚴格的要求；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、導氣管、主蒸汽管等。鋼管使用時經常處于高壓條件，管子在煙氣和蒸汽的作用下會發生氧化和腐蝕，因此要求鋼管具有高的持久強度，高的抗氧化腐蝕性能，并有良好的組織穩定性。對于在高寒地區使用的高壓鍋爐管，其低溫韌性尤其重要，直接關系到人們的生命、財產安全。本文針對某鋼廠生產的高壓鍋爐管用SA106C連鑄圓坯經軋管加工成成品管后，低溫沖擊韌性穩定性差的情況，進行原因分析并通過工藝試驗改進生產工藝，保證了低溫沖擊功穩定控制。

1 影響因素分析

1.1 生產工藝

某鋼廠SA106C圓坯的化學成分如表1所示，冶煉工藝流程為：轉爐吹煉→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(或調質處理)→熱處理后成品管。

表1SA106C化學成分/%

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

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，要求沖擊功Akv(-46 ℃)≥18 J。檢驗結果顯示，超過10%的試樣Akv(-46℃)數值在18 J以下，沖擊韌性波動大，無法保證完全達到客戶要求。

1.3 金相分析

對低溫沖擊功18 J以下的樣品斷口進行分析發現，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，同時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]，鋼中夾雜物形態及尺寸嚴重影響鋼材低溫沖擊韌性。非金屬夾雜破壞了組織的連續性，引起應力集中，鋼材受外力時微裂紋優先在夾雜物周圍形核、聚集、長大、擴展，導致斷裂產生[3]。Al2O3夾雜物在受力時無形變，通常沿軋制方向排成一行，且帶棱角，是導致應力集中程度最高的夾雜物。對沖擊功不穩定的試樣內夾雜物進行分析發現，非金屬夾雜物主要以Al2O3為主(如圖2所示)，且對沖擊功影響最為顯著的尺寸20 μm以上的夾雜物比例高達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定的主要原因。

圖1 沖擊斷口形貌

圖2 SA106C低溫沖擊功不穩定鋼中典型大顆粒夾雜物

2 改進措施

為改進低溫沖擊功穩定性，開展了工藝優化試驗，以提高鋼水純凈度，減小夾雜物尺寸并對夾雜物形態進行改性。于Φ500 mm連鑄坯生產時共試驗4爐，試驗工藝措施包括：提高轉爐出鋼C含量，降低轉爐終點氧化性；控制轉爐回磷量，減少額外氧源；冶煉前期采用鋁質脫氧劑強脫氧；采用高鈣處理，保證鋼中夾雜物變性充分；做好保護澆注工作，預防Al2O3夾雜物再次產生。對煉鋼工藝優化前、后連鑄坯所軋鋼管各取120個(每爐30個)試樣檢驗低溫沖擊功Akv(-46℃)，對比分析低溫沖擊功穩定性，取樣方法同上所述。

3 結果與討論

工藝改進前、后低溫沖擊功檢驗情況如圖3所示，改進前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%，呈現兩極分化，非常不穩定；改進后低溫沖擊功均在40 J以上，80～99 J的試樣占比近50%，比較穩定，很好地滿足了客戶需求。對改進后沖擊試驗斷口進行分析可以看出，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，避免脆性斷裂的發生。

圖3 改進前、后低溫沖擊功檢驗情況

對工藝改進前、后鋼材純凈度控制情況進行分析，各分析視場數450，夾雜物分布情況如圖5所示。改進前氧化物夾雜物總數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%；改進后夾雜物總數330個，其中20 μm以上夾雜物占比1.41%，30 μm以上夾雜物占比0.5%。工藝改進后夾雜物總數與對低溫沖擊韌性影響較大的大尺寸夾雜物數量均明顯減少。工藝改進后的典型夾雜物形貌及成分分析結果如圖6所示，經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的復合夾雜物。

圖4 改進后試樣典型斷口形貌

圖5 工藝改進前、后非金屬夾雜物控制情況

圖6 工藝改進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，顯著降低夾雜物數量并減小尺寸，夾雜物形貌也由原來的多邊形夾雜物轉變為球狀夾雜物，減少了因夾雜物尖角引起的應力集中[4]，大幅降低非金屬夾雜物因素引起的脆性斷裂，顯著改善了產品的低溫沖擊韌性[5]。

4 結 論

(1)SA106C鋼中多邊形大顆粒夾雜物附近應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量多、密度大且20 μm以上夾雜物占比高是導致低溫沖擊韌性不穩定的主要因素。

(3)經鋼水純凈度及夾雜物形貌控制工藝優化之后，鋼中夾雜物數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，低溫沖擊功穩定性顯著提高。

參考文獻：

[1] 岳 峰，包燕平，崔 衡，等. BOF-LF/VD-CC工藝生產高級船板鋼純凈度的研究[J].北京科技大學學報，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：TG335.71； TG113.25+4