冷卻速度對鍋爐用不銹鋼無縫鋼管帶狀組織的影響

 浙江至德鋼業有限公司介紹鍋爐用不銹鋼無縫鋼管端部冷卻試驗的過程和結果，分析正火后冷卻速度對不銹鋼管帶狀組織的影響，以及帶狀組織的產生機理；通過對CCT曲線中的硬度與冷卻速度的回歸分析，發現冷卻速度與帶狀組織的關系。試驗結果表明，鍋爐用不銹鋼無縫鋼管冷卻速度達到1.40~3.89℃/s時，可以得到鐵素體+珠光體組織，同時帶狀組織級別為0-3級，可以滿足標準及用戶的要求。鋼中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或貝氏體、馬氏體為主的帶彼此堆疊而成的組織形態。當帶狀組織嚴重，鋼管的力學性能出現明顯的各向異性，使鋼管橫向斷面收縮率降低較多，縱向沖擊功與橫向沖擊功相差較大，鋼管的塑性或韌性達不到技術標準的要求，一些鍋爐用無縫鋼管用戶明確要求鋼管中的帶狀組織的級別不得大于3級。

  改善鋼中碳、錳等元素的偏析是消除或減輕帶狀組織的根本途徑。在鋼的軋制過程中，優化軋制比、終軋溫度及軋后的冷卻速度，可以改善成分偏析、細化晶粒，并且減少帶狀組織4。軋后冷卻速度越快，帶狀程度越輕。其中，軋制壓縮比與冷卻速度對帶狀組織的帶寬影響比較明顯，空氣中冷卻的帶寬明顯窄于緩慢冷卻的帶寬；帶間距隨著軋制時總壓下率的增大而變小。除了通過控制軋制工藝參數來消除或減少帶狀組織外，還可以通過熱處理來改善組織。至德鋼業回采用綜合十字鐓拔鍛造與1050℃×2h+820℃×1h的高溫固溶熱處理優化制度，極大地改善材料帶狀偏析，最終消除帶狀組織。研究表明，經等溫退火的試樣帶狀組織的級別比普通退火處理的試樣低。發現采用高溫擴散退火+正火熱處理可以消除不銹鋼無縫鋼管中的帶狀組織。采用1250~1300℃擴散退火保溫5小時左右即可消除枝晶偏析，從而消除帶狀組織。正火熱處理的冷卻過程中，只要在奧氏體和鐵素體兩相區嚴格控制冷卻速度，可以避免出現明顯的帶狀組織。發現不銹鋼無縫鋼管在熱處理后的冷卻過程中，隨冷卻速度的增大，鐵素體相變的實際轉變溫度逐漸降低，并對帶狀組織生成的機理進行了更深一步的理論研究。

工廠在生產鍋爐用不銹鋼無縫鋼管時，由于連鑄坯存在錳的枝晶偏析，經常會發現帶狀組織，嚴重時達到4~5級，觀察鋼管全壁厚的金相組織發現，一般鋼管外表面帶狀組織較輕，壁厚中部帶狀組織明顯，內表面帶狀組織嚴重。目前針對不銹鋼無縫鋼管生產中的帶狀組織的影響因素和工藝控制已有了較深入的研究，但對鋼管生產中的帶狀組織的解決措施報道較少。至德鋼業主要研究正火后不同冷卻速度對不銹鋼無縫鋼管帶狀組織的影響，通過觀察分析顯微組織，為減輕或消除帶狀組織生產工藝提供依據。

一、試驗材料和試驗方法

1. 試驗材料

 試驗不銹鋼無縫鋼管的工藝流程為：連鑄坯冶煉（電弧爐EAF+鋼包精煉爐LF+真空脫氣VD）→穿孔→軋管（Assel軋管機）→熱處理（正火）→理化檢驗→無損檢測（渦流+超聲波）→人工檢驗一包裝入庫。連鑄坯原料為優質廢鋼+生鐵，控制鋼中殘余有害元素含量。采用EAF（45t）+LF+VD+連鑄CC的生產工藝，電弧爐冶煉采用全程泡沫渣工藝，冶煉前期熔氧結合，提前造渣脫磷，降低鋼中磷含量；后期快速升溫脫碳，高溫氧化沸騰去氣去夾雜。精煉采用全程吹氬工藝，有利于脫氧、脫硫、去除非金屬夾雜物、均勻鋼液成分及溫度?？刂芁F精煉時間≥50min，VD處理時間≥25min（其中VD高真空度67Pa的保持時間≥15min）。澆鑄前對鋼液喂鈣線進行鈣處理，以改變夾雜物形態，通過合理的軟吹氬攪拌促進變性夾雜物的充分上浮去除。

 試驗不銹鋼無縫鋼管是經Assel軋管機生產的304不銹鋼無縫管，規格為114mm×20mm，試驗鋼管長度為150mm，將鋼管沿縱向方向剖開均分成2塊，取其中的1塊做熱處理試驗。采用直讀光譜對鋼管化學成分進行測定，結果見表。

2. 試驗方法

 首先對不銹鋼無縫鋼管的原始組織進行觀察，然后對試驗鋼管采用正火處理，正火溫度（910±5）℃，保溫時間30min，為了獲得不同的冷卻速度對帶狀組織的影響，采用了對鋼管端部浸入水中的冷卻方式，鋼管從下至上形成有梯度由快到慢的冷卻速度，正火后冷卻方式如圖1所示，水深20mm。冷卻至室溫后，沿管體方向切取5個金相試樣，標號為1~5號，分別對組織進行觀察。

二、試驗結果

 不銹鋼無縫鋼管的原始組織形貌如圖所示，不同冷卻速度對應的金相組織（1~5號）如圖所示，其中1號金相試樣的觀察位置為鋼管底端至離鋼管底端3cm處，2號金相試樣的觀察位置為離鋼管底端3~6cm，3號金相試樣的觀察位置為離鋼管底端6~9cm，4號金相試樣的觀察位置為離鋼管底端9~12cm，5號金相試樣的觀察位置為離鋼管底端12~15cm。

 帶狀組織級別按GB/T13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》進行評級，由圖2中可見：不銹鋼無縫鋼管從內表面到中部均存在帶狀組織，帶狀組織級別由5級向2級逐漸減輕，內表面附近的帶狀組織最嚴重，到壁厚中部逐漸減輕，而外表面附近無帶狀組織。

 從圖可以看出，試驗鋼的顯微組織由鐵素體和珠光體組成，組織的形貌由冷卻速度決定，從試樣最底端向上，冷卻速度由快至慢，冷卻速度較慢時，得到呈條帶狀分布的鐵素體+珠光體，隨著冷卻速度增大，晶粒逐漸細化，條帶狀組織逐漸消失，取而代之的是均勻分布的鐵素體和珠光體，珠光體條帶中鐵素體數量增多，使得珠光體變得不連續，隨著冷卻速度的進一步增大，珠光體條帶先變細，條帶數量減少，冷卻速度增大至一定程度時，出現貝氏體組織。鋼管壁厚中部的組織變化與內表呈同樣的規律，而壁厚中部原始組織相比于內表面而言，帶狀組織較輕微，因此壁厚中部的帶狀組織級別均降低至2級以下。帶狀組織級別變化趨勢如圖4所示，金相組織類型和帶狀組織級別滿足標準及用戶要求的范圍是離底端3~9cm。不銹鋼無縫鋼管靠近內表面處的硬度分布如圖所示。

三、帶狀組織分析

 1. 帶狀組織的形成原因

  帶狀組織的形成是連鑄坯在凝固過程中形成的枝晶偏析導致的，其中認為主要是Mn偏析的影響。凝固枝晶組織中，枝晶間Mn含量較高，枝干處Mn含量相對較低。連鑄坯加熱時，C作為間隙固溶原子容易在奧氏體內部擴散分布均勻化，而置換式固溶原子Mn、Si、Cu、Cr等均勻化比較困難，仍然處于枝晶偏析狀態。在熱軋過程中枝晶組織因變形而發生扭轉、破碎和延伸拉長，軋后Mn偏析保留下來或沒有完全消除，在冷卻相變前的奧氏體中形成貧Mn帶和富Mn帶。Mn是奧氏體穩定元素，降低了Aa溫度，由于Mn元素的帶狀偏析將導致不同部位Aa溫度的差異，導致先共析鐵素體產生不同時性。Mn含量高的帶狀區域Aa低，不易產生鐵素體，而Mn含量相對較低的區域首先析出鐵素體組織。因此軋后冷卻時奧氏體中的貧Mn帶將先發生鐵素體轉變，形成鐵素體帶，并使得過飽和析出的C原子向富Mn帶擴散，進一步抑制了富Mn帶鐵素體的析出，最終使得富Mn帶奧氏體轉變成珠光體帶。因此，產生帶狀組織的先決條件是各帶狀區域內化學成分不均勻引起的Aa溫度的差異，成分帶狀分布的結果造成了相變后得到鐵素體+珠光體帶狀組織。

 2. 冷卻速度對試驗鋼帶狀組織的影響

  加快冷卻速度會使鐵素體轉變溫度降低，減小了成分偏析帶的相變開始溫度的差異，降低了鐵素體產生的不同時性，有利于減輕帶狀組織。加快冷卻導致Aa溫度降低，造成較大的過冷度，增加了鐵素體的形核率，同時較低的相變溫度降低了鐵素體的長大速率，對C在鋼中的擴散起到抑制作用，阻礙了鐵素體晶粒的各向同性長大，形成的鐵素體不再為等軸狀，這種鐵素體形態的改變“切開”奧氏體晶粒，使珠光體無法成為連續的帶狀，進而減弱帶狀組織。但如果冷卻速度過大，以至于形成魏氏組織或者貝氏體組織，對鋼管綜合性能不利。

四、生產應用情況

 浙江至德鋼業有限公司采用鋼管旋轉內噴外淋冷卻方式，對正火后的不銹鋼無縫鋼管進行快速冷卻，規格跨度為076.2~720mm x 10~120mm，針對不同規格設計了相應的控制冷卻速度方案，鋼管的帶狀組織級別控制在3級以下，每年向國內的鍋爐廠家批量供貨超過萬噸，用戶反映良好。

五、結論

 1. Mn元素的顯微偏析是導致帶狀組織的主要原因，不銹鋼無縫鋼管內表面附近帶狀組織最為嚴重，到壁厚中部逐漸減輕，外表面附近無帶狀組織。

 2. 加快正火后的冷卻速度，使鐵素體轉變溫度降低，減小了成分偏析帶的相變開始溫度的差異，降低了鐵素體產生的不同時性，增加了鐵素體的形核率，降低了鐵素體的長大速率，阻礙了鐵素體晶粒的各向同性長大，形成的鐵素體不再為等軸狀，這種鐵素體形態的改變“切開”奧氏體晶粒，使珠光體無法成為連續的帶狀，進而減弱帶狀組織。

 3. 不銹鋼無縫鋼管的冷卻速度控制在1.40～3.89C/s時，帶狀組織0~3級，保證生產既能減輕帶狀組織，又能避免出現魏氏或貝氏體等不合格組織。