大型不锈钢带光亮退火马弗材料研制及应用

叶乃威，吕晓兵，孙朝阳

(1.宁波宝新不锈钢有限公司，浙江 宁波 315807;2.北京科技大学，北京 100083)

0 前言

某不锈钢带光亮退火生产线可处理宽度600～1250 mm，厚度0.2～3.0 mm 的不锈钢板带。高质量、宽规格的光亮板一般都通过立式马弗进行退火生产。马弗内部填充100%H2作保护气体，外壁由数十个按照一定规律排列的燃气烧嘴加热，该马弗尺寸为1820 mm ×285000 mm，度量为20 t，其正常工作温度为1150℃，最高工作温度可以达到1200℃。立式马弗的母体材料为一种铬镍铁高温合金(如Inconel 601H 合金)，其中镍含量高达60%以上，具有极优良的抗高温蠕变性能和持久强度.但由于马弗的制作要求相当苛刻，价格昂贵、制造周期长。这种材料国内尚没有生产和应用过，一般都从国外进口，同等材料在德国克虏伯公司、荷兰Thermertec 公司、日本日新公司等都有生产。

1 使用中出现的问题

某不锈钢公司一种马弗结构示意图如图1所示，通过对其实际使用情况进行研究，发现多种缺陷，主要表现形式有:马弗整体纵向呈香蕉状弯曲;横截面变形，由整圆截面变为椭圆形截面;环形焊缝发生裂纹，甚至发生开裂;近烧嘴处筒壁鼓包;管壁烧穿现象等［1］，如图2 所示。

图1 马弗炉结构示意图Fig.1 Structure diagram of Muffle

由于马弗多种缺陷的存在，只能进行局部减缓报废的方法进行修复，长期来看也无法进行正常生产;同时进口马弗的制造周期长，造价高，因而在消化吸收国外马弗设计和制造经验的基础上，开发用于不锈钢带光亮退火的国内替换材料，并制造适用的马弗应用于不锈钢带光亮退火炉将有长远经济意义。

图2 实际生产过程中马弗的缺陷Fig.2 Main defects of muffle during actual production process

2 马弗材料的性能要求

2.1 材料性能

本文中进口马弗材料为欧洲某知名钢铁公司生产，ASTM 和DIN 两类标准对该类合金材料在成分、性能等各方面都有详细的规定。

2.1.1 化学成分

原体样本分析结果表明，该公司提供的原料在各方面性能明显是高于ASTM 标准，如表1 所示，其中有较高的Al 含量加强了它的抗氧化能力。

表1 Inconel 601H 合金的化学成分Tab.1 Chemical components of Inconel 601H alloy %

2.1.2 常温机械性能

取三件样品进行拉伸性能测试，常温性能也优于标准所规定，如表2 所示。

表2 样本常温性能与标准Tab.2 Mechanical properties and standards of sample at room temperature %

2.2 高温蠕变断裂寿命及蠕变速率

国外公开文献表明［2］，这种材料也应当具有优良的高温蠕变断裂寿命及极低的高温蠕变速率如图3、图4 所示，在技术措施上要求进行1150℃固溶处理。

图3 1150℃固溶处理Inconel 601H 合金典型高温蠕变断裂寿命Fig.3 Inconel 601H alloy typical high-temperature creep life of solid solution treatment for Inconel 601 alloy at 1150℃

图4 Inconel 601 H 合金蠕变速率Fig.4 Creep rate of Inconel 601H alloy

如图3 所示，材料的蠕变数据不能反映与时间的关系，因此采用双曲正弦本构模型。

进行相关计算后，所得本构参数如表3所示。

表3 BS* 601 合金双曲正弦本构参数表Tab.3 Hyperbolic sine constitutive parameters of BS* 601 alloy

3 国内马弗材料的研制

3.1 研制过程

马弗材料的化学成分控制是极其重要的，熔炼分析的金属化学成分不允许有超过ASTM B880－03 所规定的成分偏差，严格按照表1 所示限定化学成分控制。同时必须进行固溶处理，平均晶粒度5 级以上。该种材料在国内尚没有相应牌号或规模生产，此次为首次提出，作为具有特征性的一次新产品研制，暂时确定牌号为BS* 601。

材料的常温机械性能要求应略高于ASTM 所规定标准进行控制，如表4 所示。

表4 BS* 601 合金的室温拉伸性能Tab.4 Tensile property for BS* 601 alloy at room temperature

3.2 材料性能实验

3.2.1 高温条件下的蠕变性能

高温蠕变实验选取了3 个温度点，每个温度点测出3 个不同应力水平的典型蠕变曲线，通过拉伸蠕变实验，得到合金在1095℃(5.7～7.7 MPa)，980℃(12.4～14.4 MPa)，870℃(20～40 MPa)下的蠕变曲线，如图5 所示。

图5 BS* 601 合金高温蠕变真应变－时间曲线Fig.5 Creep true strain vs time for BS* 601 alloy at high temperature

由图5 可知，BS* 601 合金蠕变曲线表现出明显的三个阶段，蠕变第一阶段——减速蠕变阶段，蠕变速率逐渐减小;蠕变第二阶段——稳态蠕变阶段，蠕变曲线趋近线性，蠕变速率最小;蠕变第三阶段——加速蠕变阶段，蠕变速率逐渐增加。在同一温度下，应力较小时蠕变曲线变化缓慢，蠕变第二阶段较长;应力增加时，蠕曲线变化加快，蠕变曲线第二阶段较短，甚至消失，蠕变曲线由第一阶段很快过度到第三阶段。

通过线性拟合或本构拟合求导可以得到BS* 601 H 合金的隐态蠕变速率，与参考资料给出的Incone1601 合金材料的高温蠕变性能进行了对比，并对蠕变后的试样进行金相分析。

通过拟合对比，找到适合BS* 601 合金的蠕变本构方程

本构拟合结果与实验测得结果相差很小，特别是1095℃拟合结果最好，如表5 所示，相关系数大于0.99。

表5 1095℃不同应力下本构方程参数Tab.5 Mechanical properties of welded joint made from BS* 601 alloy at room temperature

BS* 601 H 合金的稳态蠕变速率在1095℃时较小，低应力下达到10－6s－1，说明该合金在高温低应力下的蠕变性能较好。不同温度应力下稳态蠕变速率对比显示，同一蠕变速率，高温所需的应力较小;同一温度，应力高的蠕变速率大。

通过与进口马弗材料Inconel601H 合金进行对比，发现BS* 601 合金高温低应力下的稳态蠕变速率与Inconel601H 合金很接近。通过稳态蠕变速率与应力的关系求得蠕变应力因子，每个温度下的应力因子都接近5，说明BS* 601 合金的蠕变变形主要是通过位错攀移。进行金相组织观察分析后，发现高温下蠕变后晶粒明显增大，出现偏析，晶内出现挛晶和亚晶界，蠕变主要是位错攀移控制;蠕变断裂后，断裂处附近晶粒变小，碳化物增多，并出现蜂窝状空洞。

3.2.2 高温条件下的蠕变持久强度

通过持久拉伸实验得到国产马弗材料BS* 601合金的蠕变断裂寿命图(图6)与国外马弗材料Incomd106 H 蠕变断裂寿命图(图3)对比可以看出，相同条件下国产马弗材料的持久寿命更长。

从图6 可以预测不同应力情况下马弗的寿命，从而可以预测马弗实际使用寿命。从应力与蠕变断裂寿命半对数关系图得到不同温度下的应力与蠕变断裂寿命的方程，1095℃误差较小，可大致预测现场马弗使用寿命。

图6 BS* 601 合金的持久断裂寿命图Fig.6 Fracture life of BS* 601 alloy

3.3 国产马弗材料焊接性能研究

对国产马弗合金材料的焊接评定主要内容有:国产BS* 601 本身的焊接性能、BS* 601 与进口马弗材料Inconel 601 之间的焊接性能、BS* 601 与使用3 年的马弗取样材料之间的焊接性能、BS* 601 材料与安装法兰材料(16MnR)之间的焊接性能、BS* 601 与310S 材料焊接性能以及在950℃高温条件下的焊缝强度测试。

3.3.1 焊接接头室温性能分析

试验结果表明，BS* 601 板材同种材料焊接，以及BS* 601 板材与310S 不锈钢、16MnR碳钢异种合金焊接接头焊缝成形良好，无表面缺陷。

BS* 601 板材焊接评定接头室温力学检测结果如表6 所示。BS* 601 同种材料焊接接头具有最高抗拉强度，焊缝及热影响区冲击韧性较好。

表6 BS* 601 板材焊接接头室温力学性能Tab.6 Mechanical properties of welded joint of BS* 601 plate at room temperature

作为对标分析的进口Inconel 601H 板材焊接接头室温抗拉强度检测结果如表7 所示，其室温抗拉强度与国产BS* 601 板材焊接接头室温强度(表6)接近，略高于国产BS* 601 板材。

表7 进口Inconel601H 板材焊接接头室温力学性能Tab.7 High-temperature mechanical properties of welded joint Inconel 601H alloy obroad

3.3.2 焊接接头高温性能分析

针对BS* 601 合金高温使用情况，进行了焊接接头高温性能检测，试验温度950℃，试验结果如表8 所示。

表8 国产BS* 601 板材焊接接头高温力学性能Tab.8 High temperature mechanical properties of welded joint of home-made BS* 601

3.3.3 焊接结果评定

根据BS* 601 合金板材同种合金、异种合金焊接评定试验结果，通过对焊接接头宏观组织形貌、微观组织特征、硬度分布特征、常温力学性能、高温力学性能的研究可以得出以下结论:

(1)国产BS* 601 合金具有良好的可焊性;板材焊缝常温抗拉强度与母材强度接近，并与进口Inconel 601H 合金板材焊接接头常温强度相当;

(2)国产BS* 601 合金板材焊接接头950℃高温抗拉强度与美国SMC 公司产品手册中提供的母材高温强度相当，焊接接头能够达到高温条件下的等强匹配。

4 结论

国产马弗材料BS* 601 常温条件下机械性能满足ASTM B168－08 并与国外同类产品实物水平相当，同时也达到了研制技术要求。BS* 601合金高温(1095℃)低应力下的稳态蠕变速率与文献提供的Inconel601H 合金很接近，但略微偏大。与国外马弗材料蠕变断裂寿命图对比可以看出，相同条件下国产马弗材料的材料及马弗蠕变断裂寿命更长。

该特种材料的研制成功代表着马弗材料及马弗国产化的可能性完全实现;同时就性能而言，国产马弗材料应用于该光亮退火炉基本不存在风险。

［1］叶乃威，杨安，孙朝阳.不锈钢带钢光亮退火马弗缺陷分析及修复［J］.冶金设备，2010，(1):40－45.

［2］冶军.美国镍基高温合金［M］.北京:冶金工业出版社，1978.