何 彪，孫 宇，肖功業(yè)，張俊萍，趙慶權(quán)，秦利波

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

摘 要：簡(jiǎn)述碳鋼帶狀組織的形成機(jī)理，分析不同煉鋼工藝對(duì)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(duì)鋼管持久強(qiáng)度的影響。分析認(rèn)為：采用小規(guī)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(duì)持久強(qiáng)度略有影響，但即使存在較嚴(yán)重帶狀組織的鋼管，其持久強(qiáng)度依然能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且有較大富余量。

關(guān)鍵詞：鋼管；碳鋼；SA210Gr.C；20G；熱軋；帶狀組織；持久強(qiáng)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(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題，也會(huì)造成電廠停機(jī)等事故的發(fā)生。帶狀組織是碳鋼鋼管在生產(chǎn)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(chǎn)生比較嚴(yán)重的帶狀組織，即使國(guó)外產(chǎn)品也不例外^{［ 1 ］}。對(duì)于碳鋼和低合金鋼的帶狀組織形成機(jī)理，有研究認(rèn)為連鑄坯在凝固過程中合金元素熔點(diǎn)和比重不一致，從而導(dǎo)致坯料中產(chǎn)生枝晶，形成了成分偏析^{［ 2 ］}。在軋制過程中，枝晶會(huì)沿著軋制方向被拉長(zhǎng)，在隨后的冷卻過程中，由于枝晶成分偏析，會(huì)形成鐵素體-珠光體條帶，即帶狀組織^{［ 3-4 ］}。同時(shí)，有研究還表明，如果在兩相區(qū)對(duì)鋼材進(jìn)行軋制，由于先共析鐵素體硬度小，會(huì)被拉長(zhǎng)，在隨后的冷卻過程中奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，因此也會(huì)形成帶狀組織，不過由于兩相區(qū)軋制而引起的帶狀組織通過高溫相變能夠消除^{［ 5 ］}。但對(duì)于無(wú)縫鋼管在軋制過程中帶狀組織的變化，并未發(fā)現(xiàn)有人進(jìn)行研究。

關(guān)于帶狀組織的危害，文獻(xiàn)^{［ 6 ］}進(jìn)行了一定研究，發(fā)現(xiàn)帶狀組織對(duì)鋼板的延伸率有影響，同時(shí)嚴(yán)重的帶狀組織也會(huì)造成鋼板的低溫沖擊韌性變差。文獻(xiàn)^{［ 7 ］}則較深入地研究了帶狀組織對(duì)20G鍋爐管橫向性能的影響，認(rèn)為帶狀組織嚴(yán)重的鋼管，其橫向拉伸強(qiáng)度比縱向拉伸強(qiáng)度低40~50 MPa，但塑性基本相同。同時(shí)，帶狀組織也對(duì)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(duì)鋼管持久強(qiáng)度的影響。

對(duì)于帶狀組織的消除，進(jìn)行了多次研究^{［ 5，9-11 ］}，但這些消除工藝比較復(fù)雜，成本也高，同時(shí)多數(shù)帶狀組織消除工藝針對(duì)的是帶材，不適合 SA210Gr.C鋼管。文獻(xiàn)^{［ 12-13 ］}對(duì)帶狀組織消除工藝進(jìn)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(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)或精確控制鋼管冷卻過程。

綜上所述，針對(duì)碳鋼鋼管的生產(chǎn)工藝，有必要研究不同煉鋼工藝對(duì)熱軋后鋼管帶狀組織變化的影響；同時(shí)研究軋制過程中帶狀組織的變化，從而評(píng)估熱處理工藝對(duì)消除帶狀組織的作用；另外，也有必要研究帶狀組織對(duì)持久強(qiáng)度的影響，進(jìn)而評(píng)估帶狀組織對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

1 試驗(yàn)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(xué)成分見表 1。

正常碳鋼鋼管生產(chǎn)工藝流程為：EAF 電弧爐冶煉+LF 精煉+VD 精煉+連鑄→環(huán)形爐加熱+穿孔+Φ168 mm PQF 連軋+再加熱+張力減徑+探傷+人工檢驗(yàn)+入庫(kù)。

1.1 煉鋼工藝對(duì)帶狀組織的影響

采用 Φ210 mm 和 Φ150 mm 管坯分別軋制規(guī)格為 Φ57 mm×4.5 mm 的 SA210Gr.C 鋼管，研究不同管坯尺寸對(duì)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(guī)格為 Φ89 mm×5 mm 的 20G 鋼管，研究管坯生產(chǎn)工藝對(duì)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(jìn)行張力減徑的鋼管，分段進(jìn)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(duì)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(guī)手段進(jìn)行消除^{［ 9 ， 13 ］} 。因此，有必要深入研究帶狀組織對(duì)性能的影響，尤其是帶狀組織對(duì)鋼管持久強(qiáng)度的影響。

取帶狀組織評(píng)級(jí)為 4.5 級(jí)的 Φ57 mm×6 mm 規(guī)格 SA210Gr.C 鋼管，進(jìn)行持久強(qiáng)度掛機(jī)試驗(yàn)，以研究帶狀組織對(duì)鋼管持久性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煉鋼工藝對(duì)鋼管帶狀組織的影響

澆注 Φ150 mm 與 Φ210 mm 斷面連鑄坯，Φ150 mm 規(guī)格可以縮短鑄坯凝固時(shí)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(nèi)部質(zhì)量。Φ150 mm 斷面經(jīng) Φ168mm PQF 連軋管機(jī)組軋制后，其帶狀組織評(píng)級(jí)為 3.0~3.5 級(jí)，而 Φ210 mm 斷面軋制后的管坯帶狀評(píng)級(jí)為 4.0~4.5 級(jí)。由此可見，Φ150 mm 斷面鑄坯相對(duì)要好。但由于采用 Φ150 mm 管坯代替 Φ210 mm管坯會(huì)導(dǎo)致軋管作業(yè)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(shí)施。

采用模鑄鍛造工藝生產(chǎn)的 20G 鋼管，其帶狀組織級(jí)別為 2.0 級(jí)；而采用連鑄工藝生產(chǎn)的 20G 鋼管，其帶狀組織級(jí)別為 3.5 級(jí)。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(shí)鍛造后進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間爐冷退火，此時(shí) C 和 Mn 元素進(jìn)行了一定程度擴(kuò)散，從而減輕成分偏析。同時(shí)，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(wú)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(duì)于連鑄，模鑄鍛造工藝成本會(huì)增加 70%以上，在成本壓力下，很難實(shí)施。

研究表明^{［ 2，14 ］}，元素偏析是造成鋼管出現(xiàn)帶狀組織的一個(gè)重要因素。對(duì)比 20G 鋼管和 SA210Gr.C鋼管的帶狀組織級(jí)別時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于 20G 鋼管的 C和 Mn 含量低，偏析也相對(duì)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(jí)別，可以考慮降低 C、Mn含量（Mn 原子更大，擴(kuò)散更困難，偏析更嚴(yán)重^{［ 14 ］}，因此優(yōu)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(jìn)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(jí)別逐漸增大。

圖 2（a）所示為連軋后的組織，未進(jìn)入張力定（減）徑機(jī)，此時(shí)帶狀組織級(jí)別為 3.5 級(jí)。連軋終了鋼管溫度一般在 1 000 ℃左右，此時(shí)溫度在奧氏體化轉(zhuǎn)變終了溫度 A _C3 以上；因此，不存在兩相區(qū)軋制問題。所以此時(shí) SA210Gr.C 鋼管的帶狀組織與軋制關(guān)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(shí)帶狀組織級(jí)別為 4.5 級(jí)。此時(shí) SA210Gr.C 鋼管的原奧氏體被進(jìn)一步拉長(zhǎng)，由于成分偏析，鋼管在冷卻后的帶狀組織進(jìn)一步加劇。

圖 2（c）所示為張力減徑后的成品組織，此時(shí)帶狀組織級(jí)別為 5.0 級(jí)。通過最后幾機(jī)架時(shí)，SA210Gr.C 鋼管的溫度已經(jīng)進(jìn)入兩相區(qū)。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(zhuǎn)變過程中進(jìn)行，先析出的鐵素體會(huì)沿軋制方向被軋長(zhǎng)，最后析出的珠光體組織也會(huì)沿軋制方向被軋長(zhǎng)，從而形成帶狀。因此，試樣 3 的帶狀組織相對(duì)更為嚴(yán)重。

對(duì)于終軋溫度過低而引起的帶狀組織，文獻(xiàn)_{［ 5 ］}認(rèn)為可以通過熱軋后的 900 ℃離線正火進(jìn)行消除。但 SA210Gr.C 鋼管試樣經(jīng)過熱處理后，其帶狀組織級(jí)別依然較高，在 3.0 級(jí)左右，且若正火溫度控制不好，容易出現(xiàn)魏氏組織。SA210Gr.C 鋼管試樣正火后的組織如圖 3 所示。可見，對(duì)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(duì)持久性能的影響

持久強(qiáng)度是衡量帶狀組織對(duì)鋼管性能影響的最為重要的指標(biāo)。對(duì)帶狀組織評(píng)級(jí)為 3.0 級(jí)和 4.5 級(jí)的軋態(tài) SA210Gr.C 鋼管在 450 ℃下進(jìn)行持久強(qiáng)度試驗(yàn)，規(guī)格均為 Φ57 mm×6 mm。SA210Gr.C 鋼管試樣在不同加載應(yīng)力下的斷裂時(shí)間見表 2，持久強(qiáng)度外推曲線如圖 4 所示。

用 Origin 分析軟件進(jìn)行線性擬合，計(jì)算出SA210Gr.C 鋼管外推 10 5 h 的持久強(qiáng)度，分別為116.2 MPa（3.0 級(jí)帶狀）和 109.1 MPa（4.5 級(jí)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(jí)別對(duì) SA210Gr.C鋼管持久強(qiáng)度略有影響，但即使帶狀組織為 4.5級(jí)，SA210Gr.C 鋼管的持久強(qiáng)度依然能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且富余量大。該研究結(jié)論與文獻(xiàn)^［15］中的數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致。文獻(xiàn)^［15］中提供的供貨狀態(tài) 20G規(guī)格為 Φ38 mm×4 mm，帶狀組織 3~4 級(jí)，其 450℃的 10 5 h 持久強(qiáng)度為 82 MPa，雖然比沒有帶狀組織鋼管的持久強(qiáng)度低（91 MPa），但仍然遠(yuǎn)能夠滿足GB/T 5310—2008 對(duì) 20G 鋼管的要求（≥74 MPa）。

3 結(jié) 論

（ 1 ） 小規(guī)格管坯相對(duì)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(huì)導(dǎo)致軋制作業(yè)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(chǎn)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(yán)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(jí)別的因素中管坯成分偏析的影響比重更大。

（ 5 ） 對(duì)不同級(jí)別帶狀組織的鋼管進(jìn)行持久強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)帶狀組織級(jí)別對(duì)鋼管持久強(qiáng)度略有影響。但即使存在較嚴(yán)重的帶狀組織，鋼管的持久強(qiáng)度依然能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且有較大富余量。

因此，帶狀組織是熱軋?zhí)间撲摴芩逃械臓顟B(tài)，很難通過常規(guī)手段消除，但即使存在較嚴(yán)重的帶狀組織，鋼管的持久性能依然能夠滿足要求。因此，無(wú)縫鋼管中帶狀組織不是很嚴(yán)重時(shí)，可認(rèn)為是合格組織。

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