40Cr无缝钢管裂纹分析和控制

吕世霞（天津天铁冶金集团炼钢厂，河北涉县 056404）

40Cr无缝钢管裂纹分析和控制

吕世霞（天津天铁冶金集团炼钢厂，河北涉县 056404）

对40Cr无缝钢管主要质量缺陷——裂纹进行了综合分析，查出裂纹产生的原因，斜裂纹是由管坯带来的；纵裂纹产生是钢管生产工艺和热处理工艺的温度控制不合理造成。通过采取降低钢水中夹杂物、优化连铸工艺、优化管坯生产热工制度等控制措施，调整生产工艺，有效地控制了40Cr无缝钢管裂纹继续产生，提高了钢管质量。

无缝钢管 裂纹 管坯 热处理 温度 控制

1 前言

天铁炼钢厂2#连铸机生产的ø1 502 mm断面的40Cr圆管坯，销往轧管厂生产无缝钢管。随着生产工艺水平的不断提高，40Cr管坯的质量不断提高，无缝钢管的质量也不断改善，产品的适用范围也在不断扩大，但钢管裂纹缺陷却时有发生，制约着钢管质量的进一步提高，产生了一批质量异议。为了解决40Cr钢管裂纹问题，我公司同轧管厂共同组织人员，对这些裂纹缺陷进行详细分析，从裂纹形态入手，借助各种分析仪器，结合生产记录，查找裂纹产生原因，改进生产工艺，控制裂纹缺陷，提高40Cr钢管质量。

240 Cr无缝钢管生产工艺流程

铁水→转炉冶炼→炉外精炼→连铸圆管坯加热炉加热→穿孔机穿孔→三辊斜轧（脱管）→定径（减径）→冷却→调质处理→矫直→探伤（打压）检验→标识入库。

3 裂纹原因分析

3.1 裂纹形态

40Cr无缝钢管裂纹主要可分为两类：（1）斜裂纹（外折）。该缺陷出现在热处理前的钢管上，部分裂纹呈螺旋状分布，如图1所示。该裂纹与钢管轴线呈一定角度螺旋状延伸，裂纹一般比较粗大，裂纹中有严重氧化现象。（2）纵裂纹。它经常出现在热处理后的钢管上，该裂纹沿钢管轴向延伸分布，如图2所示。其中打压过程中出现的裂纹集中在钢管的加工连接部位，如钢管端部或钢管的钻孔加工部位，裂纹细长，呈撕裂状分布，能清楚地看到裂纹的起始部位。热处理过程中发现的纵裂纹非常纤细，有细小尾巴，裂纹内部非常干净。以上两种裂纹单独产生，很少发现两种裂纹同时出现。

3.2 裂纹产生原因分析

图1 斜裂纹

图2 纵裂纹

3.2.1 斜裂纹一般出现在穿孔和轧制后的钢管上，裂纹的一边向另一边压靠，部分呈螺旋状分布，裂纹的分布形态与钢管穿孔轧制时的金属流变方向基本一致。这说明钢管斜裂纹形成时金属在做钢管圆周切线方向的流动，而切向的金属流变只在穿孔工序出现，其余工序钢管是纵向延伸变形，切向变形量很小，不足以形成螺旋状斜裂纹。因此，斜裂纹是在穿孔前或穿孔的过程中产生的。

从斜裂纹上取样做金相分析，晶粒度大小和组织均正常，但裂纹间有块状灰色的氧化铁皮存在，裂纹周围有明显的脱碳现象，裂纹氧化现象非常明显，这些特征只有在管坯加热的过程中才会出现，这说明裂纹在穿孔之前钢坯加热的过程中就已经存在了，应该是连铸坯带来的裂纹。另外，能谱分析发现裂纹处有一定的硫化物夹杂。

根据以上情况，核查管坯的生产检验记录，发现部分裂纹钢管所用管坯有表面裂纹和凹陷而修磨的记录，而其它管坯这种缺陷非常少，这进一步说明40Cr无缝钢管的斜裂纹与管坯质量有直接联系。因为管坯裂纹在加热的过程中，裂纹间会发生氧化，穿孔轧制时，裂纹如果不能焊合，在切应力的作用下，就会延伸变形而形成螺旋状的斜裂纹。

3.2.2 纵裂纹通常出现在热处理、打压或车削加工后的钢管上，从裂纹分布形态可以判断裂纹是在穿孔轧制后的工序中产生的。核查该批钢管所用管坯的生产检验记录，发现生产工艺稳定，管坯质量非常好，裂纹等缺陷极少，初步排除管坯质量问题。

从热处理前的钢管上取样做金相分析，发现纵裂纹钢管的晶粒非常粗大，在钢管的表面有脱碳和少量魏氏组织，夹杂物很少，均小于1级，如图3所示。因此可以判定该批钢管的轧制生产工艺不合理，管坯加热温度过高，存在过热现象，晶粒粗大导致晶间结合力减小，塑性变差，不利于钢管进一步加工处理。

从热处理后的纵裂纹钢管上取样做金相分析，如图4所示，发现裂纹以穿晶为主，少量沿晶分布，裂纹中间没有大块状氧化铁皮，裂纹周围没有脱碳，无氧化现象，夹杂物很少，但组织中有一定量的马氏体，与调质处理后40Cr钢的组织不符，另外该批钢管的硬度偏高。

图3 热处理前

图4 热处理后

根据以上分析可以判定，这些纵裂纹产生的原因不是坯料质量问题，而是钢管生产工艺和热处理工艺的温度控制不合理造成。由于管坯加热温度过高，晶粒粗大，晶间结合力减小，另外调质处理的淬火加热温度过高，冷却温度太低，冷却速度过快，导致较多马氏体出现，使钢管的韧性和塑性降低，硬度增加，在热应力或外加压力的作用下，钢管在胀缩的过程中，应力集中的部位就会产生纵向裂纹。

4 裂纹控制

根据以上分析，要想提高40Cr无缝钢管的质量，控制裂纹缺陷，就必须从提高管坯质量，优化轧管工艺等方面着手，控制钢中夹杂物、减少管坯裂纹，优化加热制度、稳定轧制温度和热处理温度，完善生产工艺。

4.1 提高管坯质量

提高管坯质量首先要减少管坯裂纹，防止裂纹在轧管过程中不能焊合而扩张成钢管裂纹。另外，还要减少钢中的杂质，控制夹杂物含量。因为在轧管的过程中，夹杂物沿轧制方向呈线、带状分布，这样导致钢管各个方向断裂抗力大小不同，其中横向（切向）断裂抗力最小，在切应力的作用下就会形成裂纹。具体控制措施如下。

4.1.1 降低钢中夹杂物，提高钢水纯净度

降低钢水中有害元素P、S含量，控制在0.015%以下，减少对裂纹敏感性较大的夹杂物（硫化物、磷化物）生成；完善出钢双挡渣工艺，尽量减少下渣量；充分发挥LF、VD等炉外精炼功能，祛除钢中夹杂物，提高钢水纯净度。

4.1.2 优化连铸工艺

（1）改进中包结构，增大熔池并增加挡渣墙，优化中包内的钢水流场，增加钢水在中包内的停留时间，使钢水中夹杂物尽量上浮，并被清除。

（2）根据断面大小和40Cr钢的凝固结晶特点，控制合理的连铸拉钢速度，控制结晶器液面波动幅度，避免浇钢卷渣。如：将ø150 mm断面管坯的拉速降低了0.2 m/min后，卷渣得到有效控制。

（3）根据40Cr钢浇注所需的传热、润滑、吸收夹杂物等特性，调整保护渣的配方，改善保护渣的熔点、熔速、黏度和结晶温度，研制出了40Cr钢浇注专用保护渣，增强保护渣的渗透性，提高保护渣的润滑效果，有效地减少了40Cr管坯的渣坑和裂纹缺陷。

（4）及时检修二冷系统，更换喷嘴，保证了二次冷却的均匀，气雾喷嘴畅通无堵，水压力均匀，喷淋架周正无偏差，解决了管坯冷却不均问题，减少了管坯热应力裂纹。

4.1.3 加大管坯的检查力度

加强管坯检验力度，发现裂纹、凹陷、夹渣等质量缺陷，要及时修磨、清理，不能修磨的部位要及时切除，提高入炉管坯质量，确保无缺陷管坯入炉加热。

4.2 优化钢管生产的热工制度

4.2.1 优化管坯加热工艺

降低管坯加热速度，尤其是控制预热段的加热速度。因为合金钢的导热性差，在快速加热时会形成较大的热应力，容易在管坯内产生应力裂纹。控制加热段温度不高于1 220℃，一旦出现生产故障，停产时间较长时，要及时降低加热温度，防止管坯过热导致的晶粒粗大，降低金属间结合力，不利于后期加工。

4.2.2 优化钢管调质热处理温度

将钢管的淬火温度由900℃降低到850℃左右，回火温度由450℃提高到500℃。这样避免了高温淬火，奥氏体晶粒粗大，产生裂纹。同时消除了马氏体，保证了回火索氏体生成。

5 控制效果

工艺改进后，40Cr管坯和钢管的质量明显提高，裂纹得到了有效控制，管坯的合格率提高了1.05%，达到了99.95%，40Cr钢管裂纹问题也得到了解决，再未出现40Cr钢管裂纹质量异议，钢管热处理后的各项性能也到达了使用要求。

6 结论

6.1 钢管斜裂纹（螺旋状裂纹）的分布形态和裂纹周围氧化现象严重等特征都说明该裂纹在管坯加热轧制前就已经存在，因此钢管斜裂纹多为管坯质量缺陷造成的。

6.2 钢管直裂纹周围夹杂物非常少，没有明显氧化现象，组织异常等特征则说明钢管直裂纹多为轧管及热处理工艺不合理造成。

6.3 通过优化炼钢、连铸工艺，提高管坯质量，调整轧管和热处理工艺，解决了钢管裂纹问题。

[1]樊东黎，潘键生，徐跃明，等.热处理技术手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]黄振东.钢铁金相图谱[M].北京：中国科技文化出版社，2005.

Analysis and Control of 40Cr Seamless Pipe Crack

Lu Shixia

Crack,the main quality defect of 40Cr seamless pipe, is analyzed on a comprehensive base and its causes are found out:oblique crack is brought about by billet;longitudinal crack forms due to unreasonable temperature control over the process and heat treatment of pipe production.Measures of reducing inclusions in molten steel and optimizing casting process and billet heating system were adopted to adjust the production process so that 40Cr seamless pipe crack was effectively curbed and production was continued with improved pipe quality.

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（收稿 2011-10-12责编赵实鸣）

吕世霞，女，2000年毕业于东北大学金属压力加工专业，工程师，现在天铁集团炼钢厂从事技术管理工作。