P91鋼連鑄圓坯熱軋鋼管表面開裂的原因分析

宋景凌 田漢蒲 陳代兵

(衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001)

P91鋼是20世紀70年代美國國立橡樹嶺實驗室和美國燃燒工程公司冶金材料實驗室合作研制的新型馬氏體耐熱鋼，是在9Cr1Mo鋼的基礎上添加V、Nb、N等元素進行合金化，從而在晶界及晶內生成大量能有效阻礙位錯運動的Nb(C,N)、V(C,N)等碳氮化合物[1- 3]。P91鋼具有高的許用應力、持久強度、蠕變抗力、疲勞強度以及熱導率，良好的焊接性及耐蝕性等，且價格適中[4]，因此被廣泛應用于蒸汽管道、高溫管道等重要高溫承壓部件上。當今美、歐、日等先進國家的火力發電廠已普遍使用P91鋼，并取得了良好的經濟效益。我國于“十五”期間引進了該鋼種，并進行了國產化研究與生產[5]。

1 鋼管及連鑄坯缺陷分析

1.1 鋼管缺陷及分析

2016年2月某廠采用φ500 mm的P91鋼連鑄坯軋制生產φ559 mm×35 mm鋼管，該批次共投料14支。穿孔后，有3支毛管出現“魚尾”，未進入周期連軋機軋制。剩余11支鋼管經周軋后再進行熱處理，其中4支成品鋼管修磨后表面出現裂紋。為此，對鋼管產生裂紋的原因進行了檢測和分析。

首先對毛管及成品管進行取樣分析。圖1(a)是毛管裂紋宏觀照片，可見毛管裂紋呈縱向分布，深度0.5～1 mm，傾斜擴展；圖1(b)是毛管裂紋顯微組織，可見在裂紋兩側存在氧化和脫碳現象。

圖1 毛管裂紋照片Fig.1 Photos of crack on semi- finished pipe

圖2(a)是成品管裂紋宏觀照片，可見裂紋也呈縱向分布，深度3～5 mm，傾斜擴展；圖2(b)是成品管裂紋顯微組織，可見裂紋兩側也存在氧化和脫碳現象。

圖2 成品管裂紋照片Fig.2 Photos of crack on finished pipe

圖3(a)和3(b)分別是成品管裂紋內表面在掃描電鏡下的微觀形貌和能譜分析結果，可見裂紋內表面主要成分為Cr的氧化物，Cr的質量分數高達25%～50%，據此推斷此處為δ鐵素體(高溫鐵素體)[6]。

從毛管和成品管的裂紋分析來看，兩者裂紋的分布和走向都非常相似，因此判斷，成品管的裂紋起源于毛管。

1.2 連鑄坯缺陷分析

進一步檢驗該澆次未投料的P91鋼連鑄坯，發現連鑄坯表面沒有明顯的裂紋，但存在凹陷。將凹陷處打磨，發現有細小的裂紋。裂紋在一個方向上多處出現，呈直線狀分布，如圖4(a)所示。取連鑄坯橫截面試樣，進行低倍熱酸蝕檢驗，結果如圖4(b)所示，可見鑄坯內表面裂紋，裂紋傾斜擴展，深度約2.5 mm。該裂紋的分布和走向，與毛管、成品管的裂紋非常相似，據此判斷毛管、成品管的裂紋可能主要來源于連鑄坯的表面裂紋。

對連鑄坯裂紋的微觀組織特征進行分析，結果如圖5所示。可見，裂紋沿柱狀晶根部裂開，裂紋兩側與端部都存在明顯的δ鐵素體，見圖5(a)。裂紋及周圍組織及δ鐵素體內均發現有較多的顆粒狀氮化物，見圖5(b)。

在連鑄坯橫截面上沿直徑方向取樣， 并進行顯微組織分析，取樣位置如圖6所示。圖中，1點為中心裂紋(鑄坯中心位置)附近，4點為表面裂紋附近，5點為沒有表面裂紋且與4點位置相對稱處。各取樣點的顯微組織分析結果見表1。

由表1可見，連鑄坯橫截面的中心、距中心1/4半徑處都存在δ鐵素體，外表面的裂紋處也存在δ鐵素體，且鐵素體內有碳氮化物析出。圖7是鐵素體中碳氮化物在掃描電鏡下的微觀形貌和能譜分析結果，表2是裂紋周圍不同位置的碳氮化物的能譜分析結果。

圖3 成品管裂紋內表面氧化物的微觀形貌和能譜分析結果Fig.3 Microstructure and EDX analysis of oxides on inner surface of crack in finished pipe

圖4 連鑄坯表面凹陷處的細小裂紋Fig.4 Small cracks on concave surface of continuously cast billet

圖5 連鑄坯裂紋微觀形貌Fig.5 Micrographs of crack in continuously cast billet

圖6 連鑄坯橫截面直徑方向取樣位置Fig.6 Sampling positions on cross section in diameter direction of continuously cast billet

2 分析與討論

P91耐熱鋼在熱加工(熱處理、焊接)過程中出現的δ鐵素體會影響材料的性能[5- 6]。由前述的顯微組織分析可見，在P91鋼毛管和成品管的裂紋附近都發現了δ鐵素體，且毛管和成品管中的鐵素體與連鑄坯中鐵素體的形貌相似，能譜分析成分也相同，由此可以推測，鋼管裂紋處的鐵素體來源于連鑄坯。前述分析的毛管、成品管裂紋與連鑄坯裂紋具有相似性，也進一步確認了毛管、成品管的裂紋來源于連鑄坯。

表1 連鑄坯橫截面直徑方向各取樣點的組織Table 1 Microstructures of sampling points at cross section in diameter direction of continuously cast billets

圖7 鐵素體中碳氮化物的微觀形貌和能譜分析結果Fig.7 Microstructure and EDX analysis of carbonitrides in ferrite

表2 裂紋周圍不同部位的碳氮化物的能譜分析結果(質量分數)Table 2 EDX analysis results of carbides in different positions around cracks(mass fraction) %

δ鐵素體的形成需要一定的條件：一是溫度要足夠高，接近液相線；二是存在成分偏析(富鉻)，使相圖中的δ鐵素體線右移；三是存在誘發形核因素，如氮化物質點的存在。從連鑄坯組織分布情況可知，橫截面的中心、距中心1/4半徑和表面裂紋處都存在δ鐵素體。連鑄坯中心為最后凝固位置，存在偏析和氮化物質點，以及接近液相線的溫度，符合形成δ鐵素體的條件。距中心1/4半徑處是柱狀晶與等軸晶的交界處，由于柱狀晶選擇性結晶的特點，必然在柱狀晶前端即與等軸晶交界處形成偏析區，也符合形成δ鐵素體的條件。連鑄坯外表面是連鑄時鋼水與結晶器銅管接觸所形成的激冷層，為很薄的一層等軸晶；由于溫度的徑向傳遞梯度，激冷層內圈會形成多個粗大的柱狀晶沿徑向快速生長，同樣由于選擇結晶的原理，在兩個柱狀晶交界處的根部，即連鑄坯的近表面也會產生一個偏析區，這里也符合形成δ鐵素體的條件。

連鑄坯表面存在凹陷，說明結晶器內冷卻不均，從而使得連鑄坯周向產生不均勻變形，部分凝固坯殼提前脫離結晶器壁。一旦脫離結晶器，由于熱傳導功能大大減弱，該處會發生回溫，即溫度將快速回升。若溫度超過A1相變點，將造成P91鋼中形成塊狀鐵素體[7]；若溫度超出液相線，部分晶體組織將重熔，在冷卻凝固時再形成δ鐵素體。塊狀鐵素體的形成或者δ鐵素體的再形成，都會使連鑄坯表面形成巨大的拉應力。有研究表明，δ鐵素體主要集中在原奧氏體晶界生成，且與馬氏體基體界面位置會聚集大量富Nb碳化物[8]，再加上該處周圍已結晶完成的部位存在的溫差，也會產生熱應力。在組織應力與熱應力的共同作用下，連鑄坯表面被拉開，并形成包圍在δ鐵素體中的裂紋。前述在打磨連鑄坯表面凹陷處發現的細裂紋，也驗證了上述分析。

另外，δ鐵素體的存在，使得連鑄坯的熱加工變形處于奧氏體與鐵素體兩相共存的狀態。由于兩相變形的不協調，易在相界產生裂紋，導致毛管和成品管開裂。

3 結論

(1)采用P91鋼連鑄圓坯軋制高壓鍋爐用鋼管時，鋼管外表面出現裂紋，該裂紋是由連鑄坯中的表面裂紋所致。

(2)連鑄坯中的表面裂紋是由于連鑄時冷卻不均，造成凝固坯殼提前脫離結晶器壁而形成δ鐵素體所致。

(3)δ鐵素體的存在也增大了鋼管加工變形時產生裂紋的傾向。