高压锅炉管用钢低温冲击韧性改进

翟万里， 左 辉， 印传磊

(江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司， 江苏 淮安 223002)

高压锅炉管用钢低温冲击韧性改进

翟万里， 左 辉， 印传磊

(江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司， 江苏 淮安 223002)

摘要：对高压锅炉管用钢低温冲击韧性不稳定的原因进行分析，开展工艺试验提高钢水纯净度并对夹杂物改性，显著提高低温冲击功稳定性，得出如下结论：1)SA106C钢中多边形大颗粒夹杂物附近应力集中是引起低温冲击脆性断裂的主要原因。2)钢中多边形夹杂物数量多、密度大且20 μm以上夹杂物占比高是导致低温冲击韧性不稳定的主要因素。3)经钢水纯净度及夹杂物形貌控制工艺优化之后，钢中夹杂物数量及大颗粒夹杂物比例显著减少，夹杂物形貌由多边形改性为球状，低温冲击功稳定性显著提高。

关键词：锅炉管； 低温冲击功； 钢水纯净度； 夹杂物改性

引 言

锅炉管是无缝钢管的一种，对制造钢管所用的钢材质量有严格的要求；其中高压锅炉管主要用于制造高压和超高压锅炉的过热器管、再热器管、导气管、主蒸汽管等。钢管使用时经常处于高压条件，管子在烟气和蒸汽的作用下会发生氧化和腐蚀，因此要求钢管具有高的持久强度，高的抗氧化腐蚀性能，并有良好的组织稳定性。对于在高寒地区使用的高压锅炉管，其低温韧性尤其重要，直接关系到人们的生命、财产安全。本文针对某钢厂生产的高压锅炉管用SA106C连铸圆坯经轧管加工成成品管后，低温冲击韧性稳定性差的情况，进行原因分析并通过工艺试验改进生产工艺，保证了低温冲击功稳定控制。

1 影响因素分析

1.1 生产工艺

某钢厂SA106C圆坯的化学成分如表1所示，冶炼工艺流程为：转炉吹炼→LF炉外精炼→RH炉真空处理→少量钙处理→连铸。

圆坯轧管加工工艺为：坯料→热轧管→整体正火处理(或调质处理)→热处理后成品管。

表1SA106C化学成分/%

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 取样检验

在热处理后的成品管上壁厚1/2处取横向试样测试低温冲击功，每组3个，要求冲击功Akv(-46 ℃)≥18 J。检验结果显示，超过10%的试样Akv(-46℃)数值在18 J以下，冲击韧性波动大，无法保证完全达到客户要求。

1.3 金相分析

对低温冲击功18 J以下的样品断口进行分析发现，断口呈脆性断裂形貌，可观察到明显的河流状花样(如图1所示)，基本无塑性区，同时在断口起裂位置观察到大尺寸的夹杂物存在的痕迹(图中箭头所示)。众多研究表明[1-2]，钢中夹杂物形态及尺寸严重影响钢材低温冲击韧性。非金属夹杂破坏了组织的连续性，引起应力集中，钢材受外力时微裂纹优先在夹杂物周围形核、聚集、长大、扩展，导致断裂产生[3]。Al2O3夹杂物在受力时无形变，通常沿轧制方向排成一行，且带棱角，是导致应力集中程度最高的夹杂物。对冲击功不稳定的试样内夹杂物进行分析发现，非金属夹杂物主要以Al2O3为主(如图2所示)，且对冲击功影响最为显著的尺寸20 μm以上的夹杂物比例高达4.38%。 因此， SA106C 钢中存在大量大颗粒多边形的Al2O3夹杂物且尺寸偏大是引起低温冲击韧性不稳定的主要原因。

图1 冲击断口形貌

图2 SA106C低温冲击功不稳定钢中典型大颗粒夹杂物

2 改进措施

为改进低温冲击功稳定性，开展了工艺优化试验，以提高钢水纯净度，减小夹杂物尺寸并对夹杂物形态进行改性。于Φ500 mm连铸坯生产时共试验4炉，试验工艺措施包括：提高转炉出钢C含量，降低转炉终点氧化性；控制转炉回磷量，减少额外氧源；冶炼前期采用铝质脱氧剂强脱氧；采用高钙处理，保证钢中夹杂物变性充分；做好保护浇注工作，预防Al2O3夹杂物再次产生。对炼钢工艺优化前、后连铸坯所轧钢管各取120个(每炉30个)试样检验低温冲击功Akv(-46℃)，对比分析低温冲击功稳定性，取样方法同上所述。

3 结果与讨论

工艺改进前、后低温冲击功检验情况如图3所示，改进前Akv(-46 ℃)在18 J以下的试样占比10%，在40 J以下的试样占比20%以上，在100 J以上的试样占比近40%，呈现两极分化，非常不稳定；改进后低温冲击功均在40 J以上，80～99 J的试样占比近50%，比较稳定，很好地满足了客户需求。对改进后冲击试验断口进行分析可以看出，断口形貌(如图4所示)与之前性能不合样品(如图1所示)有所不同，断口中均存在一定比例的韧性断裂形貌，断裂处留有较浅的韧窝，显著提高了低温冲击韧性，避免脆性断裂的发生。

图3 改进前、后低温冲击功检验情况

对工艺改进前、后钢材纯净度控制情况进行分析，各分析视场数450，夹杂物分布情况如图5所示。改进前氧化物夹杂物总数644，其中20 μm以上夹杂物占比4.38%，30 μm以上夹杂物占比1.55%；改进后夹杂物总数330个，其中20 μm以上夹杂物占比1.41%，30 μm以上夹杂物占比0.5%。工艺改进后夹杂物总数与对低温冲击韧性影响较大的大尺寸夹杂物数量均明显减少。工艺改进后的典型夹杂物形貌及成分分析结果如图6所示，经钙处理后夹杂物已由原来的多边形Al2O3改性为球形的心部为(Mg，Al)O、外层则包裹着CaS的复合夹杂物。

图4 改进后试样典型断口形貌

图5 工艺改进前、后非金属夹杂物控制情况

图6 工艺改进后典型夹杂物形貌及成分

通过采取一系列提高钢水纯净度与夹杂物改性方面的工艺措施，显著降低夹杂物数量并减小尺寸，夹杂物形貌也由原来的多边形夹杂物转变为球状夹杂物，减少了因夹杂物尖角引起的应力集中[4]，大幅降低非金属夹杂物因素引起的脆性断裂，显著改善了产品的低温冲击韧性[5]。

4 结 论

(1)SA106C钢中多边形大颗粒夹杂物附近应力集中是引起低温冲击脆性断裂的主要原因。

(2)钢中多边形夹杂物数量多、密度大且20 μm以上夹杂物占比高是导致低温冲击韧性不稳定的主要因素。

(3)经钢水纯净度及夹杂物形貌控制工艺优化之后，钢中夹杂物数量及大颗粒夹杂物比例显著减少，夹杂物形貌由多边形改性为球状，低温冲击功稳定性显著提高。

参考文献：

[1] 岳 峰，包燕平，崔 衡，等. BOF-LF/VD-CC工艺生产高级船板钢纯净度的研究[J].北京科技大学学报，2007，29(S1)：1—5.

[2] 钱 江，江海涛. X65热轧管线钢板的冲击韧性研究[J].宽厚板，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，杨 健，祝 凯，等. 钙脱氧和镁脱氧的氧化物冶金工艺效果对比[J].炼钢，2016，32(3)：50—54.

收稿日期：2017-12-15

作者简介：翟万里(1984—)，男，工程师。电话：(0517)83033300；E-mail:ter-zhai@126.com

中图分类号：TG335.71； TG113.25+4