厚壁無縫鋼管晶間裂紋缺陷分析

付乃民，高建學(xué)，王慶偉

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

0 引言

天津鋼管制造有限公司460PQF連軋管機(jī)組（簡稱460機(jī)組）生產(chǎn)的部分厚壁接箍料在探傷檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)局部存在內(nèi)部缺陷（如圖1所示）。在探傷定位處取樣觀察，發(fā)現(xiàn)一種平行于鋼管內(nèi)外表面的弧形或環(huán)形且有一定寬度的裂紋[1]，即晶間裂紋（如圖2所示），造成大量的廢品產(chǎn)生，不僅影響了合同完成率，而且造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。通過對(duì)我廠生產(chǎn)的有晶間裂紋缺陷的鋼管進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)存在該缺陷的規(guī)格主要集中在369和451孔型，典型的規(guī)格有 Φ303×29 mm、Φ396×31.5 mm（33.5 mm）和 Φ394×41 mm，且鋼種比較單一，基本上為26CrMo48V和27CrMo47Vs/1等難變形鋼種。

圖1 接箍缺陷部位

圖2 晶間裂紋局部放大形貌

1 影響晶間裂紋缺陷產(chǎn)生的因素及控制措施

1.1 管坯質(zhì)量的影響

460機(jī)組穿孔機(jī)所使用的坯料為自煉鑄坯，鑄坯最常見的缺陷有中心疏松、縮孔、中心裂紋和偏析。鑄坯質(zhì)量不僅與鋼水過熱度和拉坯速度有關(guān)，還與鋼種、鑄坯規(guī)格有關(guān)。而含Cr、Mo元素的合金鋼熱容量大，導(dǎo)熱性差，尤其對(duì)于大規(guī)格鑄坯（直徑大于350 mm），鑄造時(shí)容易形成中心疏松和晶粒粗大的柱狀晶，而柱狀晶與等軸晶相比結(jié)合力明顯較弱[2]，在斜軋穿孔過程中，鑄坯受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用，極易產(chǎn)生晶間裂紋缺陷，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)毛管分層。因此為保證難變形鋼種鑄坯質(zhì)量，要避免高溫澆注，保證鋼液具有良好的順序結(jié)晶，提高鋼水的純凈度，減少鋼中夾雜物含量，增加連鑄坯等軸晶比例，減少中心偏析和中心疏松[3-4]；采用合理的冷卻制度，降低鑄造溫度，減少鑄坯內(nèi)的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，增加鑄坯中心等軸區(qū)，同時(shí)要降低鋼中易偏析元素C、S、P的含量。

1.2 加熱制度影響

較高的加熱溫度、不合理的加熱制度會(huì)降低管坯的塑性，使管坯截面溫度不均勻。當(dāng)管坯截面的溫度不均勻時(shí)，在加上斜軋穿孔軋制過程中產(chǎn)生的“溫升”，會(huì)使管坯各層之間變形抗力和塑性不同，導(dǎo)致各層之間變形不一致，從而形成附加拉應(yīng)力和切應(yīng)力，從而產(chǎn)生晶間裂紋甚至分層缺陷。對(duì)管坯加熱的溫度、速度、和時(shí)間合理設(shè)計(jì)和控制，可以改善管坯的組織性能，并保證管坯截面的溫度均勻性，提高穿孔毛管的質(zhì)量[5-6]。因此我們重新優(yōu)化了管坯加熱制度，通過降低整體的加熱溫度，放慢生產(chǎn)節(jié)奏來提高管坯的加熱均勻性，表1為優(yōu)化前后的加熱制度對(duì)比。

表1 .1 優(yōu)化前后的加熱制度

1.3 穿孔機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速的影響

晶間裂紋形成的根本原因就是難變形鋼經(jīng)過穿孔時(shí)變形抗力大，變形不深透，軋輥轉(zhuǎn)速越高，表層金屬變形越激烈，而表層金屬必然會(huì)向橫向、縱向和切向流動(dòng)，同時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，金屬趨向于周長的增大和鼓脹，從而在外表層變形區(qū)和壁厚中間過渡變形區(qū)產(chǎn)生附加拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力[7-9]，使管坯橫截面上存在很大的不均勻變形。當(dāng)其超過金屬所能承受的塑性極限時(shí)，就會(huì)形成晶間裂紋甚至分層缺陷。因此，晶間裂紋缺陷就是毛管表層變形區(qū)和中心變形區(qū)“區(qū)域”間的不均勻變形產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力和切應(yīng)力所致[10-11]。也就是說，軋輥轉(zhuǎn)速越高，晶間裂紋越嚴(yán)重，降低軋輥轉(zhuǎn)速，可以消除晶間裂紋，效果顯著。在二輥斜軋穿孔機(jī)上穿出合格高溫合金毛管的主要工藝措施，就是降低軋輥轉(zhuǎn)速[12]。降低軋輥轉(zhuǎn)速可以增大軋輥?zhàn)饔迷诠芘魃系囊啡肽Σ亮?，有利于管坯的一次咬入和二次咬入，同時(shí)還有利于變形深透，減少晶間裂紋的產(chǎn)生。460機(jī)組穿孔機(jī)受電機(jī)功率所限（電機(jī)功率6500 kW，均小于國內(nèi)同尺寸機(jī)組），在軋制Ф400 mm管坯時(shí)軋機(jī)負(fù)荷一直較高，穿孔速度過慢，即純軋時(shí)間較長時(shí)，很容易出現(xiàn)電機(jī)跳停事故，因此在生產(chǎn)合金品種時(shí)一直采取高轉(zhuǎn)速軋制。為便于穿孔機(jī)降速軋制，通過理論推導(dǎo)可知，電機(jī)扭矩=變形軋制力×軋制力臂/減速機(jī)的減速比（軋制力臂為軋輥直徑的1/2），在其他條件無法改變的情況下，通過選取較小輥徑的穿孔輥有效地減小了力臂，最終使電機(jī)扭矩得到控制，這樣便可采取低轉(zhuǎn)速軋制。

1.4 穿孔變形區(qū)橢圓度的影響

穿孔過程中沿管坯橫截面存在著不均勻變形，而橢圓度越大，不均勻變形也會(huì)越大。當(dāng)導(dǎo)板磨損嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使變形區(qū)橢圓度變大，橫向不均勻變形也會(huì)增大，從而導(dǎo)致橫向拉應(yīng)力和切應(yīng)力的增加，加劇了晶間裂紋形成的趨勢(shì)。實(shí)踐證明，選擇軋支數(shù)較少的導(dǎo)板或者新導(dǎo)板，能夠減少晶間裂紋產(chǎn)生的幾率。

1.5 連軋機(jī)減壁量的影響

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，易出現(xiàn)晶間裂紋缺陷的幾個(gè)規(guī)格不僅鋼種單一，而且還具有其它的相同點(diǎn)，即連軋機(jī)減壁率都小于30%，實(shí)踐證明無論是連鑄坯質(zhì)量影響，還是穿孔輥轉(zhuǎn)速影響，晶間裂紋缺陷都是在穿孔過程中形成。筆者認(rèn)為過小的連軋減壁量不易將毛管內(nèi)部的裂紋軋合。對(duì)此，460機(jī)組針對(duì)幾種典型規(guī)格的厚壁鋼管，重新選取穿孔頂頭規(guī)格，在原有的基礎(chǔ)上增加毛管壁厚，達(dá)到了增加連軋減壁量的目的，最終提高了連軋將裂紋軋合的幾率。表2為更改前后毛管壁厚和連軋減壁率對(duì)比。

表1 .2 更改前后毛管壁厚和連軋減壁率對(duì)比

2 工藝改進(jìn)情況跟蹤

2.1 工藝改進(jìn)前后鑄坯微觀組織觀察

為驗(yàn)證工藝改進(jìn)效果，我們選取了工藝改進(jìn)前后的鑄坯進(jìn)行低倍形貌的對(duì)比，如圖3、圖4所示。

對(duì)比兩個(gè)試樣低倍形貌，發(fā)現(xiàn)工藝改進(jìn)后的鑄坯粗大柱狀晶幾乎消除，宏觀表現(xiàn)為相對(duì)細(xì)小的等軸晶，改進(jìn)后鑄坯中心疏松區(qū)相對(duì)不明顯，試樣組織相對(duì)均勻，晶粒細(xì)化。改進(jìn)前鑄坯晶粒粗大，中心疏松區(qū)較為明顯。

圖3 工藝改進(jìn)前鑄坯低倍形貌

圖4 工藝改進(jìn)后鑄坯低倍形貌

從生產(chǎn)工藝調(diào)整前后所軋制的鋼管中，各取一塊試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行磨光、拋光，觀察其低倍形貌，如圖5、圖6所示。

圖5 工藝改進(jìn)前鋼管低倍形貌

圖6 工藝改進(jìn)后鋼管低倍形貌

從圖中可以看出，調(diào)整之前的試樣中發(fā)現(xiàn)大量的平行于表面的裂紋，而調(diào)整后的試樣中未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.2 接箍料軋制情況跟蹤表

為驗(yàn)證采取的措施是否有效，長期跟蹤了經(jīng)常出現(xiàn)晶間裂紋品種的軋制情況。表3為工藝改進(jìn)后，2019年軋制的典型規(guī)格質(zhì)量情況跟蹤表。

3 結(jié)論

為消除晶間裂紋缺陷，應(yīng)盡量遵循以下的工藝原則：確保管坯的質(zhì)量，準(zhǔn)確控制其化學(xué)成分，盡量降低其中易偏析元素C、P、S等，合理的制定加熱制度，盡量提高管坯的塑性，從而提高其抵抗不均勻變形的能力。

重新選取穿孔頂頭規(guī)格，在原有的基礎(chǔ)上增加毛管壁厚，增加連軋機(jī)減壁量，對(duì)穿孔軋制參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整，降低輥速，保證變形的深透。在保證管坯咬入順利的前提下，盡量減小穿孔機(jī)變形區(qū)橢圓度系數(shù)。其中，降低軋輥轉(zhuǎn)速是最有效的辦法，可使管坯變形深透,消除晶間裂紋，穿出合格的毛管[13-15]。當(dāng)受到軋機(jī)負(fù)荷影響時(shí)，可以用小直徑軋輥來達(dá)到降低軋制速度的目的。

表2 .1 質(zhì)量情況跟蹤表