何 彪，孫 宇，肖功業，張俊萍，趙慶權，秦利波
（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）
摘 要：簡述碳鋼帶狀組織的形成機理，分析不同煉鋼工藝對熱軋 SA210Gr.C、20G 碳鋼高壓鍋爐管帶狀組織的影響，研究軋制過程中帶狀組織的變化情況，以及帶狀組織對鋼管持久強度的影響。分析認為：采用小規格管坯軋制及模鑄鍛造工藝，降低 Mn 含量，能夠在一定程度上減輕軋制后鋼管的帶狀組織；在軋制過程中，即使終軋溫度在 1 000 ℃以上，帶狀組織依然明顯；帶狀組織對持久強度略有影響，但即使存在較嚴重帶狀組織的鋼管，其持久強度依然能夠滿足相關標準要求，且有較大富余量。
關鍵詞：鋼管；碳鋼；SA210Gr.C；20G；熱軋；帶狀組織；持久強度
碳鋼鋼管主要用于鍋爐水冷壁等溫度、壓力不太高的部位，但其用量大，若產品質量出現問題，也會造成電廠停機等事故的發生。帶狀組織是碳鋼鋼管在生產過程中不可避免的。由于煉鋼過程中的成分偏析以及軋制方式影響，必然造成小直徑碳鋼鋼管產生比較嚴重的帶狀組織，即使國外產品也不例外［ 1 ］。對于碳鋼和低合金鋼的帶狀組織形成機理，有研究認為連鑄坯在凝固過程中合金元素熔點和比重不一致，從而導致坯料中產生枝晶，形成了成分偏析［ 2 ］。在軋制過程中，枝晶會沿著軋制方向被拉長，在隨后的冷卻過程中，由于枝晶成分偏析，會形成鐵素體-珠光體條帶，即帶狀組織［ 3-4 ］。同時，有研究還表明，如果在兩相區對鋼材進行軋制，由于先共析鐵素體硬度小，會被拉長，在隨后的冷卻過程中奧氏體轉變成珠光體，因此也會形成帶狀組織，不過由于兩相區軋制而引起的帶狀組織通過高溫相變能夠消除［ 5 ］。但對于無縫鋼管在軋制過程中帶狀組織的變化，并未發現有人進行研究。
關于帶狀組織的危害，文獻［ 6 ］進行了一定研究，發現帶狀組織對鋼板的延伸率有影響，同時嚴重的帶狀組織也會造成鋼板的低溫沖擊韌性變差。文獻［ 7 ］則較深入地研究了帶狀組織對20G鍋爐管橫向性能的影響，認為帶狀組織嚴重的鋼管，其橫向拉伸強度比縱向拉伸強度低40~50 MPa，但塑性基本相同。同時，帶狀組織也對鋼鐵的抗腐蝕性能有一定影響［ 8 ］。但這些研究均未分析帶狀組織對鋼管持久強度的影響。
對于帶狀組織的消除，進行了多次研究［ 5，9-11 ］，但這些消除工藝比較復雜，成本也高，同時多數帶狀組織消除工藝針對的是帶材，不適合 SA210Gr.C鋼管。文獻［ 12-13 ］對帶狀組織消除工藝進行了研究，通過控制鋼管熱軋后的冷卻速度，能夠減輕鋼管帶狀組織，但需要對設備進行改進或精確控制鋼管冷卻過程。
綜上所述，針對碳鋼鋼管的生產工藝，有必要研究不同煉鋼工藝對熱軋后鋼管帶狀組織變化的影響；同時研究軋制過程中帶狀組織的變化，從而評估熱處理工藝對消除帶狀組織的作用；另外，也有必要研究帶狀組織對持久強度的影響，進而評估帶狀組織對產品性能的影響。
1 試驗方法
研究碳鋼高壓鍋爐管的帶狀組織，鋼種采用典型的鍋爐管鋼種，包括 SA210Gr.C 和 20G，其化學成分見表 1。
正常碳鋼鋼管生產工藝流程為：EAF 電弧爐冶煉+LF 精煉+VD 精煉+連鑄→環形爐加熱+穿孔+Φ168 mm PQF 連軋+再加熱+張力減徑+探傷+人工檢驗+入庫。
1.1 煉鋼工藝對帶狀組織的影響
采用 Φ210 mm 和 Φ150 mm 管坯分別軋制規格為 Φ57 mm×4.5 mm 的 SA210Gr.C 鋼管，研究不同管坯尺寸對鋼管帶狀組織的影響。
另外，采用模鑄鍛造代替連鑄工藝，軋制規格為 Φ89 mm×5 mm 的 20G 鋼管，研究管坯生產工藝對軋制鋼管帶狀組織的影響。
1.2 軋制過程中帶狀組織的變化
取沒有完全進行張力減徑的鋼管，分段進行解剖，研究張力減徑過程中帶狀組織的變化，不同軋制過程取樣如圖 1 所示。其中，試樣 1 在 PQF 熱軋后、張力減徑前取樣，試樣 2 在張力減徑過程中取樣，試樣 3 在接近張力減徑終了取樣。
1.3 帶狀組織對持久性能的影響
研究表明，由于成分偏析形成帶狀組織，很難通過常規手段進行消除［ 9 ， 13 ］ 。因此，有必要深入研究帶狀組織對性能的影響，尤其是帶狀組織對鋼管持久強度的影響。
取帶狀組織評級為 4.5 級的 Φ57 mm×6 mm 規格 SA210Gr.C 鋼管，進行持久強度掛機試驗，以研究帶狀組織對鋼管持久性能的影響。
2 試驗結果及分析
2.1 煉鋼工藝對鋼管帶狀組織的影響
澆注 Φ150 mm 與 Φ210 mm 斷面連鑄坯，Φ150 mm 規格可以縮短鑄坯凝固時間，降低枝晶間距，減少 C、Mn 元素在枝晶間偏析程度，改善鑄坯偏析引起的內部質量。Φ150 mm 斷面經 Φ168mm PQF 連軋管機組軋制后，其帶狀組織評級為 3.0~3.5 級，而 Φ210 mm 斷面軋制后的管坯帶狀評級為 4.0~4.5 級。由此可見，Φ150 mm 斷面鑄坯相對要好。但由于采用 Φ150 mm 管坯代替 Φ210 mm管坯會導致軋管作業率大幅度下降，因此雖然該措施能夠減輕帶狀組織，但也很難實施。
采用模鑄鍛造工藝生產的 20G 鋼管，其帶狀組織級別為 2.0 級；而采用連鑄工藝生產的 20G 鋼管，其帶狀組織級別為 3.5 級。這是由于采用管坯模鑄后，在鍛造前要先加熱到 1 000 ℃以上，同時鍛造后進行長時間爐冷退火，此時 C 和 Mn 元素進行了一定程度擴散，從而減輕成分偏析。同時，通過鍛造，能夠打碎枝晶，從而減輕成分偏析。但是，鍛造工藝無法完全消除成分偏析，熱軋后鋼管仍然存在帶狀組織。另外，相對于連鑄，模鑄鍛造工藝成本會增加 70%以上，在成本壓力下，很難實施。
研究表明［ 2，14 ］，元素偏析是造成鋼管出現帶狀組織的一個重要因素。對比 20G 鋼管和 SA210Gr.C鋼管的帶狀組織級別時發現，由于 20G 鋼管的 C和 Mn 含量低，偏析也相對要少；因此，熱軋后20G 鋼管的帶狀組織要輕。所以在保證性能的前提下，為減輕帶狀組織級別，可以考慮降低 C、Mn含量（Mn 原子更大，擴散更困難，偏析更嚴重［ 14 ］，因此優先考慮降低 Mn 含量）。
2.2 軋制過程中帶狀組織的變化
按圖 1 進行取樣，不同 SA210Gr.C 鋼管試樣的帶狀組織如圖 2 所示。可以看出，隨著變形量的增加和軋制溫度的降低，鋼管帶狀組織級別逐漸增大。
圖 2（a）所示為連軋后的組織，未進入張力定（減）徑機，此時帶狀組織級別為 3.5 級。連軋終了鋼管溫度一般在 1 000 ℃左右，此時溫度在奧氏體化轉變終了溫度 A C3 以上；因此，不存在兩相區軋制問題。所以此時 SA210Gr.C 鋼管的帶狀組織與軋制關系不大，基本是由管坯成分偏析造成的。
圖 2（b）所示為張力減徑過程中的組織，此時帶狀組織級別為 4.5 級。此時 SA210Gr.C 鋼管的原奧氏體被進一步拉長，由于成分偏析，鋼管在冷卻后的帶狀組織進一步加劇。
圖 2（c）所示為張力減徑后的成品組織，此時帶狀組織級別為 5.0 級。通過最后幾機架時，SA210Gr.C 鋼管的溫度已經進入兩相區。奧氏體化的組織在冷卻過程中，首先析出鐵素體，再析出珠光體組織。如果最終變形是在組織轉變過程中進行，先析出的鐵素體會沿軋制方向被軋長，最后析出的珠光體組織也會沿軋制方向被軋長，從而形成帶狀。因此，試樣 3 的帶狀組織相對更為嚴重。
對于終軋溫度過低而引起的帶狀組織，文獻［ 5 ］認為可以通過熱軋后的 900 ℃離線正火進行消除。但 SA210Gr.C 鋼管試樣經過熱處理后，其帶狀組織級別依然較高，在 3.0 級左右，且若正火溫度控制不好，容易出現魏氏組織。SA210Gr.C 鋼管試樣正火后的組織如圖 3 所示。可見，對于研究的SA210Gr.C 鋼管，其帶狀組織主要是由管坯成分偏析引起的。
2.3 帶狀組織對持久性能的影響
持久強度是衡量帶狀組織對鋼管性能影響的最為重要的指標。對帶狀組織評級為 3.0 級和 4.5 級的軋態 SA210Gr.C 鋼管在 450 ℃下進行持久強度試驗，規格均為 Φ57 mm×6 mm。SA210Gr.C 鋼管試樣在不同加載應力下的斷裂時間見表 2，持久強度外推曲線如圖 4 所示。
用 Origin 分析軟件進行線性擬合，計算出SA210Gr.C 鋼管外推 10 5 h 的持久強度，分別為116.2 MPa（3.0 級帶狀）和 109.1 MPa（4.5 級帶狀），均大于 GB/T 5310—2008 推薦的 88 MPa（參考 GB/T 5310—2008 中 25MnG）。
由此可見，雖然帶狀組織級別對 SA210Gr.C鋼管持久強度略有影響，但即使帶狀組織為 4.5級，SA210Gr.C 鋼管的持久強度依然能夠滿足相關標準要求，且富余量大。該研究結論與文獻［15］中的數據趨勢一致。文獻［15］中提供的供貨狀態 20G規格為 Φ38 mm×4 mm，帶狀組織 3~4 級，其 450℃的 10 5 h 持久強度為 82 MPa，雖然比沒有帶狀組織鋼管的持久強度低（91 MPa），但仍然遠能夠滿足GB/T 5310—2008 對 20G 鋼管的要求（≥74 MPa）。
3 結 論
（ 1 ） 小規格管坯相對成分偏析要輕，能夠在一定程度上減輕軋制后鋼管的帶狀組織，但會導致軋制作業率下降。
（ 2 ） 采用模鑄鍛造工藝能夠減輕成分偏析，從而減輕帶狀組織，但成本增加明顯。
（ 3 ） 降低碳鋼中的 C、Mn 含量能夠比較有效地減輕鋼管帶狀組織，但需要注意產品性能。
（ 4 ） 隨著軋制變形及終軋溫度的降低，帶狀組織更加嚴重。但即使終軋溫度在 1 000 ℃以上，帶狀組織依然明顯。因此，影響帶狀組織級別的因素中管坯成分偏析的影響比重更大。
（ 5 ） 對不同級別帶狀組織的鋼管進行持久強度試驗，發現帶狀組織級別對鋼管持久強度略有影響。但即使存在較嚴重的帶狀組織，鋼管的持久強度依然能夠滿足相關標準要求，且有較大富余量。
因此，帶狀組織是熱軋碳鋼鋼管所固有的狀態，很難通過常規手段消除，但即使存在較嚴重的帶狀組織，鋼管的持久性能依然能夠滿足要求。因此，無縫鋼管中帶狀組織不是很嚴重時，可認為是合格組織。
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