化工换热器用UNSN08031合金无缝钢管的研发

2020-09-03王连华刘富强邵海丽

钢管 2020年3期

王连华，郭玲，刘富强，邵海丽

（新兴铸管股份有限公司，河北邯郸 056300）

新型哈氏合金UNSN08031是德国蒂森克虏伯VDM公司专门为抗卤化物介质腐蚀而研发的一种含氮Fe-Ni-Cr-Mo系合金（美国牌号UNS N08031），其性能介于超级奥氏体不锈钢和已有的镍基合金之间。该合金为面心立方晶格结构，合金化程度较高，Ni含量30.0%～32.0%，Cr含量26.0%～28.0%，Mo含量达到6.0%～7.0%，同时还添加了0.15%～0.25%的N。高的Ni-Cr成分设计，增加了合金的耐蚀性、抗氧化性和抗挥发性［1］。高Mo的设计不仅细化晶粒，同时也显著地提高了钢的高温强度［2］，N元素的添加起到了稳定奥氏体相、降低金属间沉淀析出的倾向。这种化学成分的设计将UNS N08031的临界点蚀温度提高了85℃［3-5］，同时也兼顾了高温下抗氧化性、抗腐蚀性、抗高温蠕变的特性［6-9］。高Cr、Mo的设计，很容易使材料在加工过程中析出大量的富Mo相，导致合金在热加工变形及冷加工成型过程中具有较大的难度。目前用于二氧化氯等强腐蚀性介质换热器用管主要由德国、美国、日本等国制造，国内关于UNSN08031合金无缝钢管的研究和制造报道几乎没有；因此，为了满足我国高端换热装备的国产化的需要，务必大力开展对UNSN08031合金无缝钢管的研制工作。

1 产品的技术要求

新兴铸管股份有限公司针对国内知名厂商的使用要求，2019年开发了用于化工行业中以二氧化氯为介质的UNSN08031合金换热器管。ASME SB 622—2019 规范［10］对 UNSN08031 合金管的化学成分、力学性能要求见表1～2。

表1 UNSN08031合金管的化学成分（质量分数）要求 %

表2 UNSN08031合金管力学性能要求

2 UNS N08031合金炼钢工艺

UNS N08031中的 Ni含量 30.0%～32.0%，Cr含量26.0%～28.0%，Mo含量达到6.0%～7.0%，如此高的合金元素含量对炼钢提出了较高的要求，Mo是一种正偏析元素，如果冶炼工艺不当会进一步影响合金的加工性能和使用性能。为了得到成分、组织均匀及纯净度高的坯料，采用真空感应熔炼（VIM）+真空自耗电弧熔炼（VAR）的双真空冶炼方式，钢锭经过均匀化后开坯锻造成Φ225 mm的圆棒管坯，管坯的化学成分符合表1中的要求。因管坯的纯净度要求较高，故要求夹杂物控制在标准范围内。

3 UNS N08031合金挤压工艺

UNSN08031合金管挤压工艺路线主要为：坯料加工清洗→环形加热炉预热→一次感应加热→润滑→扩孔→二次感应加热→润滑→挤压→入水→检验。挤压荒管规格为Φ135 mm×13 mm，挤压采用玻璃粉润滑剂，其中内润滑玻璃粉润滑剂为国外进口润滑剂HNK-2，外润滑玻璃粉润滑剂采用844-7，玻璃垫玻璃粉润滑剂为HDK-5，预热温度900～980℃，预热时间为2.5 h。扩孔温度1 160～1 200℃，扩孔扩延系数1.23，扩孔速度140～220 mm/s，挤压温度为1 180～1 230℃，挤压速度100～200 mm/s，挤压力30～36 MN，工模具预热温度范围300～400 ℃。

挤压制管的优点是坯料在挤压过程中受到三向压应力，即使材料的热塑性较低，也不一定产生裂纹［11-13］。由于UNSN08031中具有高的Mo含量，固溶强化效果显著，因此造成管坯的热变形环节难度较大。由于挤压变形通常会导致挤压荒管头、中、尾部的晶粒尺寸存在差异，如果组织差异性过大，将会导致后续冷轧变形的不均匀，最终导致管材轧裂。因此必须合理调整挤压工艺，尽可能降低挤压管的组织差异。故针对UNSN08031合金的挤压特点，将挤压比设计为7.68，并将二次感应炉温度提高到1 180～1 230℃，大挤压比、高温短时操作，是充分考虑到坯料经过挤压后尽可能使晶粒均匀一致。UNSN08031合金挤压管头、中、尾部的组织形貌如图1所示。可以看出，管材在挤压过程中已经发生了充分的动态再结晶及晶粒长大，呈现尺寸分布均匀的等轴晶，管材头、中、尾部的晶粒度级差在1级左右，组织均匀，管坯的纵向组织和析出相如图2所示。可以看出，基体中存在较多沿锻造方向呈条带状分布的析出相。结合平衡相图和能谱分析可知，其为富Mo的σ相。

图1 UNSN08031热挤压管不同部位的组织形貌

4 UNS N08031合金冷轧工艺

图2 UNSN08031管坯纵向组织和析出相

UNSN08031合金管冷轧工艺路线主要为：挤压荒管修磨→冷轧→去油→固溶→矫直→平头→探伤→检验。因换热管规格为Φ50.8 mm×4 mm，荒管规格Φ135 mm×13 mm，设计经过三道次冷轧成型，平均分配每道次变形量，并将每道次变形量控制在50%以下，冷轧在皮尔格两辊轧管机LG110、LG60上进行处理。冷变形后需要进行1 150～1 200℃的中间固溶，使变形组织发生静态再结晶及晶粒长大，以消除加工硬化，便于下一道次的冷轧变形［14］。

通过三道次的冷轧，最终成功轧制出Φ50.8 mm×4 mm规格的成品管。冷轧态组织形貌如图3所示，可见UNSN08031合金经过冷轧后等轴晶沿轧制方向被拉长，管坯沿轧制方向存在较多呈现条带状分布的σ相，该析出相的存在会影响合金的加工性能，进而影响使用性能。因此无论是热加工还是冷加工，都应该尽量降低合金中的析出相σ，以提高合金的热塑性和冷加工性，从而提高单道次的变形量，实现较高的成材率及经济效益。

图3 冷轧后合金的微观组织

5 UNS N08031合金热处理工艺

UNSN08031合金在高温下显示出了优异的耐蚀和力学性能，这主要得益于其高的合金化程度，尤其是高达6.0%～7.0%的Mo含量。UNS N08031合金管在制造过程中极易产生大量富Mo的σ相，因此为了保证合金具有良好的加工性能，必须采取合理的热处理制度，使合金中的析出相回溶或尽可能地降低析出数量。因此，为了能制订出合理的中间品及成品的固溶工艺，需要分析UNSN08031合金相的析出规律。

采用JMatPro软件对UNSN08031合金的析出相进行热力学平衡计算，UNSN08031合金平衡相图如图4所示。由析出相图可知，σ相为该合金在凝固过程中主要金属间析出相，析出的温度为450～1 120℃，合金的析出相为富Mo的σ相，随着温度的降低析出含量增加。在550～700℃析出含量最大，为0.28%。根据热力学平衡计算，固溶温度需要大于1 120℃才能保证σ相开始回溶。

图4 UNSN08031合金平衡相图

通过相关固溶试验发现，不同固溶温度下UNSN08031合金的微观组织如图5所示。1 120℃固溶时基体中仍然存在较多的σ相，1 150℃固溶时合金中还有少部分σ相没有回溶充分，1 180℃固溶时合金中析出相基本完全回溶。成品管经1 180℃固溶后，组织发生了充分的静态再结晶和晶粒长大，为均匀的等轴晶，平均晶粒度为6级，晶界和晶粒内第二相析出基本完全回溶。

同时对成品管按照ASTM E 8/E 8M—2016a《金属材料拉伸试验方法》进行室温拉伸，成品性能情况见表3。从表3可以看出，UNSN08031各个批次性能稳定，合金的平均抗拉强度高达783.6 MPa，屈服强度达379.4 MPa，伸长率达到54.9%，硬度平均值83.31 HRB；所有性能完全符合ASME SB 622—2019 规范［10］要求。