冷却速度对SA106C 锅炉用碳素无缝钢管带状组织的影响

冉 旭，陈绍林

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）

钢中带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与以珠光体或贝氏体、马氏体为主的带彼此堆叠而成的组织形态。当带状组织严重，钢管的力学性能出现明显的各向异性，使钢管横向断面收缩率降低较多，纵向冲击功与横向冲击功相差较大，钢管的塑性或韧性达不到技术标准的要求［1］，一些锅炉用无缝钢管用户明确要求钢管中的带状组织的级别不得大于3 级。

改善钢中C、Mn 等元素的偏析是消除或减轻带状组织的根本途径［2-3］。在钢的轧制过程中，优化轧制比、终轧温度及轧后的冷却速度，可以改善成分偏析、细化晶粒，并且减少带状组织［4］。轧后冷却速度越快，带状程度越轻。其中，轧制压缩比与冷却速度对带状组织的带宽影响比较明显，空气中冷却的带宽明显窄于缓慢冷却的带宽；带间距随着轧制时总压下率的增大而变小［5］。除了通过控制轧制工艺参数来消除或减少带状组织外，还可以通过热处理来改善组织。徐玉松等［6］采用综合十字镦拔锻造与1 050 ℃×2 h+820 ℃×1 h 的高温固溶热处理优化制度，极大地改善材料带状偏析，最终消除带状组织。李国忠等［7］的研究表明，经等温退火的试样带状组织的级别比普通退火处理的试样低。孙进等［8］发现采用高温扩散退火＋正火热处理可以消除22CrMoH 齿轮钢中的带状组织。刘宗昌等［9］采用1 250～1 300 ℃扩散退火保温5 h 左右即可消除枝晶偏析，从而消除带状组织。孔祥华等［10］提出，正火热处理的冷却过程中，只要在奥氏体和铁素体两相区严格控制冷却速度，可以避免出现明显的带状组织。王平吉等［11］发现，钢在热处理后的冷却过程中，随冷却速度的增大，铁素体相变的实际转变温度逐渐降低，并对带状组织生成的机理进行了更深一步的理论研究。

在生产20G、SA106B、SA106C 等锅炉用碳素无缝钢管时，由于连铸坯存在Mn 的枝晶偏析，经常会发现带状组织，严重时达到4～5 级，观察钢管全壁厚的金相组织发现，一般钢管外表面带状组织较轻，壁厚中部带状组织明显，内表面带状组织严重。目前针对钢板生产中的带状组织的影响因素和工艺控制已有了较深入的研究，但对钢管生产中的带状组织的解决措施报道较少。本文主要研究正火后不同冷却速度对SA106C 碳锰无缝钢管带状组织的影响，通过观察分析显微组织，为减轻或消除带状组织生产工艺提供依据。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验钢管的工艺流程为：连铸坯冶炼（电弧炉EAF+钢包精炼炉LF+真空脱气VD）→穿孔→轧管（Assel 轧管机）→热处理（正火）→理化检验→无损检测（涡流+超声波）→人工检验→包装入库。

连铸坯原料为优质废钢+生铁，控制钢中残余有害元素含量。采用EAF（45 t）+LF+VD+连铸CC的生产工艺，电弧炉冶炼采用全程泡沫渣工艺，冶炼前期熔氧结合，提前造渣脱磷，降低钢中磷含量；后期快速升温脱碳，高温氧化沸腾去气去夹杂。精炼采用全程吹氩工艺，有利于脱氧、脱硫、去除非金属夹杂物、均匀钢液成分及温度。控制LF 精炼时间≥50 min，VD 处理时间≥25 min（其中VD 高真空度67 Pa 的保持时间≥15 min）。浇铸前对钢液喂钙线进行钙处理，以改变夹杂物形态，通过合理的软吹氩搅拌促进变性夹杂物的充分上浮去除。

试验钢管是经Assel 轧管机生产的SA106C 钢管，规格为Φ114 mm×20 mm，试验钢管长度为150 mm，将钢管沿纵向方向剖开均分成2 块，取其中的1 块做热处理试验。采用直读光谱对钢管化学成分进行测定，结果见表1。

表1 SA106C 试验钢管的化学成分（质量分数） %

1.2 试验方法

首先对SA106C 无缝钢管的原始组织进行观察，然后对试验钢管采用正火处理，正火温度（910±5）℃，保温时间30 min，为了获得不同的冷却速度对带状组织的影响，采用了对钢管端部浸入水中的冷却方式，钢管从下至上形成有梯度由快到慢的冷却速度，正火后冷却方式如图1 所示，水深20 mm。冷却至室温后，沿管体方向切取5 个金相试样，标号为1～5 号，分别对组织进行观察。

图1 正火后冷却方式示意

2 试验结果

SA106C 无缝钢管的原始组织形貌如图2 所示，不同冷却速度对应的金相组织（1~5 号）如图3 所示，其中1 号金相试样的观察位置为钢管底端至离钢管底端3 cm 处，2 号金相试样的观察位置为离钢管底端3~6 cm，3 号金相试样的观察位置为离钢管底端6~9 cm，4 号金相试样的观察位置为离钢管底端9~12 cm，5 号金相试样的观察位置为离钢管底端12~15 cm。

带状组织级别按GB/T 13299—1991《钢的显微组织评定方法》进行评级，由图2 中可见：SA106C无缝钢管从内表面到中部均存在带状组织，带状组织级别由5 级向2 级逐渐减轻，内表面附近的带状组织最严重，到壁厚中部逐渐减轻，而外表面附近无带状组织。

图2 SA106C 无缝钢管的原始组织形貌

图3 不同冷却速度对应的金相组织

从图3 可以看出，试验钢的显微组织由铁素体和珠光体组成，组织的形貌由冷却速度决定，从试样最底端向上，冷却速度由快至慢，冷却速度较慢时，得到呈条带状分布的铁素体+珠光体，随着冷却速度增大，晶粒逐渐细化，条带状组织逐渐消失，取而代之的是均匀分布的铁素体和珠光体，珠光体条带中铁素体数量增多，使得珠光体变得不连续，随着冷却速度的进一步增大，珠光体条带先变细，条带数量减少，冷却速度增大至一定程度时，出现贝氏体组织。钢管壁厚中部的组织变化与内表呈同样的规律，而壁厚中部原始组织相比于内表面而言，带状组织较轻微，因此壁厚中部的带状组织级别均降低至2 级以下。带状组织级别变化趋势如图4 所示，金相组织类型和带状组织级别满足标准及用户要求的范围是离底端3～9 cm。SA106C 钢管靠近内表面处的硬度分布如图5 所示。

图4 带状组织级别变化趋势

图5 SA106C 钢管靠近内表面处的硬度变化趋势

3 带状组织分析

3.1 带状组织的形成原因

带状组织的形成是连铸坯在凝固过程中形成的枝晶偏析导致的，其中认为主要是Mn 偏析的影响［4］。凝固枝晶组织中，枝晶间Mn 含量较高，枝干处Mn 含量相对较低。连铸坯加热时，C 作为间隙固溶原子容易在奥氏体内部扩散分布均匀化，而置换式固溶原子Mn、Si、Cu、Cr 等均匀化比较困难，仍然处于枝晶偏析状态。在热轧过程中枝晶组织因变形而发生扭转、破碎和延伸拉长，轧后Mn偏析保留下来或没有完全消除，在冷却相变前的奥氏体中形成贫Mn 带和富Mn 带。Mn 是奥氏体稳定元素，降低了Ar3温度，由于Mn 元素的带状偏析将导致不同部位Ar3温度的差异，导致先共析铁素体产生不同时性［12］。Mn 含量高的带状区域Ar3低，不易产生铁素体，而Mn 含量相对较低的区域首先析出铁素体组织。因此轧后冷却时奥氏体中的贫Mn 带将先发生铁素体转变，形成铁素体带，并使得过饱和析出的C 原子向富Mn 带扩散，进一步抑制了富Mn 带铁素体的析出，最终使得富Mn 带奥氏体转变成珠光体带。因此，产生带状组织的先决条件是各带状区域内化学成分不均匀引起的Ar3温度的差异，成分带状分布的结果造成了相变后得到铁素体+珠光体带状组织。

3.2 冷却速度对试验钢带状组织的影响

加快冷却速度会使铁素体转变温度降低，减小了成分偏析带的相变开始温度的差异，降低了铁素体产生的不同时性，有利于减轻带状组织。加快冷却导致Ar3温度降低，造成较大的过冷度，增加了铁素体的形核率，同时较低的相变温度降低了铁素体的长大速率，对C 在钢中的扩散起到抑制作用，阻碍了铁素体晶粒的各向同性长大，形成的铁素体不再为等轴状，这种铁素体形态的改变“切开”奥氏体晶粒，使珠光体无法成为连续的带状，进而减弱带状组织［13］。但如果冷却速度过大，以至于形成魏氏组织或者贝氏体组织，对钢管综合性能不利［14-15］。

为了确定冷却速度对带状组织的影响，获得最佳的冷却速度范围，保证生产既能减轻带状组织，又能保证钢管组织避免出现魏氏或者贝氏体等不合格组织，绘制SA106C 钢管的CCT 曲线，如图6 所示，根据硬度值和冷却速度的对应关系（表2），对冷却速度和钢管硬度进行回归分析，找出两者之间的关系。回归分析结果如图7 所示。

维氏硬度与冷却速度的回归方程为：

式中 y —— 冷却速度，℃/s；

x —— 维氏硬度，HV。

离底端3～9 cm 的维氏硬度是163～182 HV，带入公式（1）计算得到冷却速度为1.40～3.89 ℃/s，这说明控制冷却速度在1.40～3.89 ℃/s，可以控制带状组织级别在0～3 级，满足标准及用户的要求。

图6 SA106C 钢的CCT 曲线

表2 CCT 曲线中硬度与冷却速度的对应值

图7 硬度与冷却速度回归分析结果

4 生产应用情况

衡阳华菱钢管有限公司采用钢管旋转内喷外淋冷却方式，对正火后的20G、SA106B、SA106C 等碳素高压锅炉管进行快速冷却，规格跨度为Ф76.2～720 mm×10～120 mm，针对不同规格设计了相应的控制冷却速度方案，钢管的带状组织级别控制在3 级以下，每年向国内的锅炉厂家批量供货超过万吨，用户反映良好。

5 结 论

（1） Mn 元素的显微偏析是导致带状组织的主要原因，SA106C 钢管内表面附近带状组织最为严重，到壁厚中部逐渐减轻，外表面附近无带状组织。

（2） 加快正火后的冷却速度，使铁素体转变温度降低，减小了成分偏析带的相变开始温度的差异，降低了铁素体产生的不同时性，增加了铁素体的形核率，降低了铁素体的长大速率，阻碍了铁素体晶粒的各向同性长大，形成的铁素体不再为等轴状，这种铁素体形态的改变“切开”奥氏体晶粒，使珠光体无法成为连续的带状，进而减弱带状组织。

（3） SA106C 钢管的冷却速度控制在1.40～3.89℃/s 时，带状组织0～3 级，保证生产既能减轻带状组织，又能避免出现魏氏或贝氏体等不合格组织。