10Cr17鐵素體熱交換器用無縫鋼管的試制

劉 宇， 侯利鋒

（1.山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司， 山西 太原 030003；2.太原理工大學材料工程學院， 山西 太原 030024）

10Cr17鐵素體熱交換器用無縫鋼管的試制

劉 宇1， 侯利鋒2

（1.山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司， 山西 太原 030003；2.太原理工大學材料工程學院， 山西 太原 030024）

闡述了10Cr17熱交換器用無縫鋼管的試制工藝及工藝難點。通過調(diào)整熱軋、冷軋、熱處理工藝參數(shù)，提高表面質(zhì)量，降低廢品率，為打通冷軋鐵素體不銹鋼無縫管的工藝路線打下基礎(chǔ)。

鐵素體不銹鋼 無縫鋼管 熱穿孔 熱處理

隨著鐵素體不銹鋼焊接難題的逐漸解決[1]，在大部分的應用領(lǐng)域，鐵素體不銹鋼替代奧氏體不銹鋼已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢。鐵素體不銹鋼導熱系數(shù)約為奧氏體不銹鋼的1.5倍[2]，因此在熱交換器領(lǐng)域，鐵素體不銹鋼相對于奧氏體不銹鋼具有很大的優(yōu)勢。鐵素體不銹鋼無縫管市場需求龐大[3]，打通鐵素體不銹鋼無縫管工藝路線，是冷軋鋼管企業(yè)適應市場環(huán)境的必要選擇。作為以奧氏體不銹鋼無縫管為主要產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)，在技術(shù)、裝備上對鐵素體不銹鋼無縫管是否有很高的兼容性，需要進行一系列的探索。

1 試制工藝設計

1.1 化學成分

采用的10Cr17原料鋼棒，化學成分見表1。

表1 原料實際化學成分 %

1.2 試制工藝

Φ82 mm鋼棒—熱穿孔Φ85 mm×7 mm荒管—淬火—酸洗—冷軋Φ67 mm×5 mm半成品管—淬火—酸洗—冷軋Φ38 mm×3 mm半成品管—淬火—酸洗—冷軋Φ25mm×2mm成品管—淬火—酸洗

1.2.1 熱穿孔

使用斜底爐使鋼棒加熱到1 050℃±10℃后，送入Φ89mm斜軋穿孔機，熱穿孔為Φ85mm×7mm荒管。荒管穿出后，進入水池急冷。

1.2.2 冷軋

使用皮爾格往復式冷軋管機對荒管、半成品進行冷軋。冷軋送進量為4～5 mm，軋制次數(shù)按照規(guī)格選擇，范圍為60～80次/min，小規(guī)格略快。

1.2.3 熱處理

在冷軋前與成品態(tài)均進行脫脂、熱處理。熱處理工藝見表2。

表2 冷軋前熱處理工藝

熱處理后進行矯直酸洗。

1.2.4 酸洗

由于10Cr17材質(zhì)屬于中鉻不銹鋼，基體耐氧化性酸能力較好。同時熱處理產(chǎn)生的氧化皮成分比奧氏體不銹鋼的氧化皮更加單純（主要是FexOy以及少量尖晶石形態(tài)的鐵鉻混合氧化物）[5]，故可直接使用HNO3+HF混酸酸洗荒管、半成品和成品，無需重新配酸，節(jié)約時間成本。

2 試制結(jié)果及技術(shù)分析

2.1 熱軋

根據(jù)Thermo-Calc軟件計算出的相圖（如下頁圖1所示），10Cr17鋼種在900℃以下加熱會產(chǎn)生碳化物沉淀；而考慮溫度對鐵素體晶粒長大的影響，因此將熱軋加熱目標溫度定為1 050℃。

結(jié)果表明，在此溫度下穿出的荒管外表面粗糙（如下頁圖2所示）；金相觀測晶粒大小不均勻（如下頁圖3所示），且存在馬氏體組織（如下頁圖4所示）；延伸率較低（見表3）。

圖1 材料計算相圖

圖2 1 050℃穿孔荒管表面

圖3 1 050℃穿孔荒管晶粒不均勻

圖4 1 050℃穿孔荒管存在馬氏體組織

表3 1 050℃穿孔荒管拉伸性能

根據(jù)以上試驗結(jié)果，并結(jié)合圖1可見，熱穿孔溫度1 050℃偏低，在此溫度下鋼的組織中會出現(xiàn)部分γ相（約15%），在兩相區(qū)熱加工導致表面質(zhì)量不良。同時γ相水冷后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，影響鋼管塑性以及后續(xù)冷軋質(zhì)量。因此熱穿孔溫度應進一步提高到1 130℃以上。

2.2 冷軋前的熱處理

10Cr17為純鐵素體鋼，但由于鐵素體中C、N的溶解度比奧氏體要小得多，實際上在加熱的過程中仍然會有一定的相變以及析出相存在，其均是影響冷軋的重要因素。所以在每道次冷軋前均要對半成品管進行熱處理，主要目的是回復晶粒、消除析出物。一般來講10Cr17組織中影響冷軋的因素主要有以下幾種。

2.2.1 馬氏體

根據(jù)表1計算出鋼的Cr當量為17.355、Ni當量為2.241，在舍弗勒組織圖[6]上找出對應點（如圖5所示，彩色線交叉點處），可以看出平衡態(tài)下本鋼種落在馬氏體+鐵素體區(qū)，這也與金相觀察結(jié)論一致。

圖5 10Cr17在舍弗勒組織圖上的位置

2.2.2 脆性相

相關(guān)研究指出[7]，鐵素體不銹鋼在400～550℃范圍內(nèi)停留會析出α'相，導致塑性、韌性顯著下降。在500～800℃范圍內(nèi)停留，會析出σ相，引起耐蝕性嚴重降低的同時，塑性、韌性也顯著下降。在高于950℃加熱并快速冷卻后，鐵素體不銹鋼組織中會出現(xiàn)Cr23C6等Cr的C、N化物沉淀，同時晶粒粗化，兩方面共同因素導致鋼材脆性增大、晶間腐蝕敏感性增強。

綜合以上因素，制定熱處理溫度為850℃，水冷以防止有害相析出。熱處理后檢驗力學性能見表4。

冷軋、熱處理、酸洗后鋼管表面見下頁圖6，金相組織見下頁圖7。

表4 850℃熱處理后成品鋼管的力學性能

3 結(jié)論

1）10Cr17鋼管熱穿孔溫度應為1 130～1 150℃。

2）通過合理的熱處理工藝，消除馬氏體以及析出相，是10Cr17鋼管冷軋成功的關(guān)鍵。

3）經(jīng)過850℃熱處理，馬氏體雖然基本分解，晶?；貜腿圆痪鶆颉Ｒ虼藷崽幚砉に嚾匀恍枰倪M。

圖6 成品鋼管表面質(zhì)量

圖7 10Cr17鋼管經(jīng)850℃熱處理后的組織

[1] 余存燁.現(xiàn)代鐵素體不銹鋼應用綜述[J].石油化工腐蝕與防護，2010，27（4）：1-3.

[2] 陸世英.現(xiàn)代鐵素體不銹鋼發(fā)展概貌[J].不銹，2004（2）：1-8.

[3] 劉亞丕，牛振標，周焊峰，等.現(xiàn)代不銹鋼材料：結(jié)構(gòu)、性能、特點和應用[J].磁性材料及器件，2016（2）：72-79.

[4] 國家標準化管理委員會.鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管：GB/T13296—2013[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2013.

[5] 趙利勇，胡明輔，楊貞妮.鐵素體不銹鋼常溫快速酸洗[J].腐蝕與防護，2007，28（12）：655-656.

[6] 王笑天.金屬材料學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[7] 陸世英.現(xiàn)代鐵素體不銹鋼[J].不銹，2005（4）：6-18.

（編輯：王瑾）

Trial Production of Seamless Steel Tubes for 10Cr17 Ferritic Heat Exchangers

Liu Yu1,Hou Lifeng2
(1.Shanxi TISCO Stainless Steel Tube Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003；2.School of Materials Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

The trial production process and technical difficulties of seamless steel tubes for 10Cr17 heat exchangers are expounded.By adjusting the technological parameters of hot rolling,cold rolling and heat treatment,the surface quality is improved and the rejection rate is reduced,laying foundation for the process of cold rolled ferritic stainless steel seamless tube.

ferritic stainless steel,seamless steel tube,hot piercing,heat treatment

TG142.23

A

1672-1152（2017）04-0015-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.06

2017-04-18

劉宇（1983—），男，本科，畢業(yè)于西安石油大學，助理工程師，主要從事無縫鋼管的研發(fā)。