熱處理燃氣加熱爐輻射管開裂原因

石麗麗,董登超,麻 晗,張繼明,喻智晨

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院,張家港 215625)

熱處理線輻射管是加熱爐的關鍵部件之一,其作用是將燃料燃燒釋放的熱能輻射給被加熱物體,由于其內(nèi)表面直接或通過陶瓷管與燃燒火焰、高溫煙氣接觸,工作環(huán)境惡劣,局部容易被灼燒、氧化,沿管體長度方向或管壁厚度方向可能存在溫差,進而產(chǎn)生熱應力。因此,輻射管材料一般采用耐熱合金鋼。ZG40Cr25Ni20鋼是一種鉻鎳奧氏體耐熱鋼,具有良好的導熱性、耐高溫性能及耐蝕性,被廣泛應用于加熱爐輻射管和航天高溫管等領域。

某廠熱處理車間燃氣加熱爐采用輻射管加熱方式,加熱溫度為 920℃,輻射管材料為ZG40Cr25Ni20鋼,制造方式為離心鑄造,管內(nèi)放置有陶瓷管,陶瓷管內(nèi)為天然氣和壓縮空氣,通過燃燒天然氣,對輻射管進行加熱,陶瓷管外為氮氣和甲醇保護氣。服役時間不到2 a,該加熱爐多根輻射管發(fā)生開裂,從而導致加熱鋼材脫碳而產(chǎn)生次品,增加了產(chǎn)線停爐檢修的維護次數(shù),進一步影響鋼材的生產(chǎn)及交貨時間。

為查明該輻射管開裂的原因,本工作進行了一系列檢驗,以期避免該類問題的再次發(fā)生。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀觀察

如圖1所示,在現(xiàn)場取得開裂輻射管的一段,采用半自動立柱臥式帶鋸床沿輻射管徑向將其切割成4塊,位置1為起裂位置,位置3為最終開裂位置,位置2和4均為起裂位置與最終開裂位置之間的過渡區(qū)。

圖1 燃氣加熱爐輻射管開裂位置的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracking position of gas heating furnace radiation tube

1.2 化學成分分析

采用島津PDA-7000型直讀光譜儀對輻射管進行化學成分分析。由表1可見,開裂輻射管的碳元素含量遠遠超出標準值,磷元素含量超過標準值上限,鉻元素含量低于標準值下限,表明該開裂輻射管的化學成分不符合GB/T8492-1987《耐熱鋼鑄件》標準中對ZG40Cr25Ni20鋼化學成分的技術要求。

表1 開裂輻射管的化學成分Tab.1 Chemical composition of cracked radiant tube%

1.3 金相檢驗

在開裂輻射管起裂位置截取試樣,采用蔡司Axio Imager Z1m 型金相顯微鏡對其截面進行顯微組織觀察。由圖2可見:在輻射管內(nèi)壁多處分布有較為嚴重的氧化區(qū),且有沿晶界繼續(xù)擴展的趨勢,氧化區(qū)存在明顯的裂紋,表明材料的塑性極低;靠近輻射管內(nèi)壁存在鑄造疏松缺陷,有些疏松缺陷已相互連接形成裂紋。

圖2 開裂輻射管截面的微觀形貌Fig.2 Micro morphology of cross-section of cracked radiant tube

由圖3可見:輻射管內(nèi)壁附近的組織,碳化物主要在晶界析出,晶內(nèi)有少量的碳化物;輻射管外壁附近的組織,碳化物在晶界和晶內(nèi)均存在大量析出,這主要是長期高溫滲碳氣氛造成的;輻射管外壁的碳化物明顯多于內(nèi)壁的。

圖3 輻射管內(nèi)、外壁附近的顯微組織Fig.3 Microstructure near inner(a)and outer(b)walls of radiant tube

1.4 物相分析

采用日本理學D/max-2500/PC 型X 射線衍射儀(XRD),分別對開裂輻射管基體和高溫氧化腐蝕產(chǎn)物進行物相分析。如圖4所示,輻射管基體組織為奧氏體,晶界和晶內(nèi)的碳化物為Cr23C6,Cr3C2,晶界處Cr23C6的存在會明顯降低輻射管的耐蝕性;輻射管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要由Fe3O4、Cr2O3和FeO 構成。

圖4 開裂輻射管基體及內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的XRD 譜Fig.4 XRD patterns of matrix and corrosion products in inner wall of cracked radiant tube

1.5 斷口分析

在開裂輻射管最終開裂位置的斷口截取試樣,采用蔡司EVO18型掃描電鏡(SEM)進行對其進行微觀形貌觀察。如圖5所示:輻射管內(nèi)壁附近的斷口存在疏松缺陷,這與圖2中的金相檢驗結果一致;輻射管壁厚中心位置的斷口呈解理斷裂的形貌特征,屬于脆性斷裂;輻射管外壁附近存在自外壁凸起處向內(nèi)部的輻射花樣,斷裂源位置如圖5(c)中黑色箭頭所示。

圖5 開裂輻射管不同位置處的斷口SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of fracture at different positions of cracked radiant tube:(a)near inner wall;(b)center position of wall thickness;(c)near outer wall

在開裂輻射管起裂位置處截取試樣,采用牛津X-Max型能譜儀(EDS),對其不同厚度處組織的化學成分進行分析。由圖6和表2可見:輻射管壁厚不同位置處的碳元素含量均遠遠超過標準值;由輻射管內(nèi)壁至外壁,鉻元素含量逐漸減小;位置2、位置4、位置7為晶界處,均存在碳和鉻元素,還有少量氮元素,推測晶界處為碳氮化物。

表2 開裂輻射管不同位置處的EDS分析結果Tab.2 EDS analysis results of different positions of cracked radiant tube %

圖6 開裂輻射管不同位置處的EDS分析位置Fig.6 EDS analysis positions at different positions of cracked radiant tube:(a)near inner wall;(b)center position of wall thickness;(c)near outer wall

2 失效原因分析

由化學成分分析結果可知,開裂輻射的化學成分不符合GB/T8492-1987標準對ZG40Cr25Ni20鋼的技術要求,其碳元素含量遠遠超過標準值。碳元素含量過高會使碳化物過量析出,消耗基體中的鉻元素[1],從而減緩保護性氧化膜的形成,降低了鋼的抗高溫氧化性能。由EDS分析結果可知,沿輻射管內(nèi)壁向外壁方向,基體中的碳元素含量逐漸升高,均超過標準規(guī)定的上限值,晶界處碳含量更高。考慮到輻射管內(nèi)部是燃燒的天然氣和壓縮空氣,管外是甲醇和氮氣保護氣,通過控制保護氣體碳勢,抑制鋼材的脫碳趨勢。該開裂輻射管的碳含量高達1.64%,保護氣體碳勢過高,在長期高溫條件下,會導致輻射管外壁附近發(fā)生嚴重滲碳,形成增碳組織,該組織塑性低、韌性差,進而使輻射管的塑性和韌性降低[2-3]。耐熱鋼中的磷元素容易在晶界處聚集,與基體金屬形成易熔共晶,在高溫和較大應力共同作用下,易產(chǎn)生紅脆[4]。該開裂輻射管晶界處未發(fā)生磷元素的偏聚,表明磷元素超標不是引起輻射管開裂的主要因素。

鉻元素可提高ZG40Cr25Ni20鋼的抗氧化性能和高溫蠕變性能[5]。輻射管基體組織為奧氏體和鉻的碳化物,在輻射管內(nèi)壁附近,鉻的碳化物主要分布在晶界處,在輻射管外壁附近,鉻的碳化物含量增多,在晶界和晶內(nèi)均有大量分布,主要原因是外壁附近碳元素含量較高,其向奧氏體晶粒內(nèi)部擴散的速率大于鉻元素向晶界的擴散速率,當碳元素含量高于奧氏體基體中碳的固溶度極限時,碳元素就會與鉻元素結合,在晶內(nèi)析出鉻的碳化物[6],從而使基體中鉻元素的含量降低,進而降低輻射管的耐高溫氧化腐蝕性能和抗高溫蠕變性能[7]。

此外,輻射管內(nèi)壁附近存在疏松的鑄造缺陷,這是鑄造工藝不當導致的[8]。輻射管采用離心鑄造工藝制備,其鉻和鎳含量較高,鑄造難度較大,在離心鑄造工藝控制不當?shù)那闆r下,容易產(chǎn)生鑄造缺陷,在高溫下服役一段時間后,輻射管內(nèi)部鑄造缺陷處會優(yōu)先被氧化、腐蝕,從而降低了輻射管的力學性能。

在輻射管內(nèi)部加熱過程中,在熱應力作用下,外壁附近組織會產(chǎn)生應力集中,進而產(chǎn)生裂紋,裂紋逐漸向內(nèi)壁擴展,輻射管內(nèi)部鑄造缺陷和腐蝕區(qū)域會加速裂紋擴展,最終導致輻射管開裂。

3 結論

輻射管外保護氣體碳勢控制不當,輻射管自外壁向內(nèi)壁大量滲碳,晶界和晶內(nèi)析出大量粗大的Cr23C6,使輻射管脆性升高,在熱應力作用下,輻射管自外壁起裂,并向內(nèi)壁擴展。由于碳化物的大量析出,固溶在輻射管基體中的鉻元素含量降低,這使得輻射管抗氧化性能降低,在管內(nèi)高溫氧化氣氛環(huán)境中,輻射管發(fā)生氧化、腐蝕,輻射管內(nèi)部鑄造缺陷加速裂紋擴展,最終導致輻射管開裂。