搪玻璃压力容器用热轧中厚Q245R钢板的性能_孙全社.pdf

第 卷 第 期上 海 金 属，年 月，作者简介：孙全社，男，教授级高级工程师，主要从事钢铁材料及加工工艺研究，：搪玻璃压力容器用热轧中厚 钢板的性能孙全社 魏 娇 王双成（宝山钢铁股份有限公司 中央研究院，上海）【摘要】采用箱式炉模拟热轧正火态 厚 钢板的高温烧成。检测了钢板的微观组织、拉伸性能、冲击性能和氢穿透时间（）。结果表明：模拟高温烧成的钢板表层、和 厚度处的微观组织与正火态类似，由带状珠光体和铁素体组成，烧成前后钢板的铁素体晶粒尺寸无明显变化；模拟高温烧成前后钢板的屈服强度、抗拉强度没有明显变化，断后伸长率升高，冲击韧性下降，但均满足标准要求；正火态钢板表层、和 厚度处的 为 ，远低于钢板双面或全表面涂搪玻璃要求的 临界值，且从钢板表面至中心的 值有明显差异；随着钢中碳质量分数的降低和珠光体体积分数的减少，玻璃层中气泡的数量和直径减小，有利于提高玻璃层质量。【关键词】搪玻璃，中厚钢板，氢穿透时间，拉伸性能，冲击性能中图分类号：；文章编号：（）（，）【】，（）（），；（），；（），；（），【】，第 期孙全社等：搪玻璃压力容器用热轧中厚 钢板的性能 搪玻璃压力容器是将钢板和玻璃质釉料通过高温烧结而成，与不锈钢和有色金属压力容器相比，搪玻璃压力容器不仅制造成本显著降低，而且兼具金属的高强度和玻璃层的高化学稳定性、优良的热稳定性、耐磨和耐蚀性及绝缘性、不沾性和隔离性等优点，被广泛应用于石油化工、医药及食品加工等行业，。目前我国是世界最大的搪玻璃设备制造国。钢板是制作搪玻璃压力容器的关键材料，既决定整体结构的强度和韧性，还在很大程度上决定搪玻璃容器的质量和设备的使用寿命。发达国家有搪玻璃的专用钢板并建立和执行相应的标准。我国的搪玻璃钢板主要是普通的、等压力容器钢板。搪玻璃钢板的性能要求除强韧性、塑性和焊接性外，还要求有良好的抗鳞爆性能和抑制气泡性能等。据统计，玻璃层爆裂或剥落导致的搪玻璃压力容器失效占 以上。由于 钢板并非搪玻璃专用钢板，其设计和生产没有考虑搪玻璃和烧成工艺要求，需根据搪玻璃工艺和设备的使用特点研究钢板的微观组织、拉伸性能和抗鳞爆性能等。试验材料与方法试验用材料为 厚热轧正火态 钢板，其化学成分如表 所示，符合国标要求。表 试验用 钢板的化学成分（质量分数）（）元素质量分数 国标 元素质量分数 国标 将正火态钢板加工成尺寸为 的试样在箱式炉中按以下工艺模拟搪玻璃的高温烧成过程：空冷 空冷 空冷 空冷 空冷。从正火态钢板的 厚度处及模拟高温烧成的钢板表层、和 厚度处取样制备金相试样，用（体积分数，下同）硝酸酒精溶液腐蚀，采用 光学显微镜进行金相检验。按 金属材料 室温拉伸试验方法要求沿钢板横向取样并加工成 标准圆棒拉伸试样，其标距段直径为 、总长度为 ，每 根试样为一组。室温拉伸试验在 型电子拉伸试验机上进行。按 金属夏比缺口冲击试验方法要求沿钢板横向取样制备夏比 形缺口冲击试样，尺寸为 ，每组 个。冲击试验在 型电子冲击试验机上进行。对正火态钢板试样采用电化学法进行渗氢试验，测定钢板的氢穿透时间（），据此评定钢板的抗鳞爆性能。目前，国内外均主要根据 玻化搪瓷用冷轧低碳钢平板产品：技术交货条件测定钢板的氢穿透时间，但该标准仅适用于厚度为 的钢板。由于本文试验用钢板的厚度为 ，不能直接用全厚度钢板测试。为此，从钢板的表层、和 厚度处切取厚度约 的试样。由于中厚钢板沿厚度方向的轧制变形量和轧后冷却速率不同，可能导致其微观组织及性能不均匀。由于氢穿透时间与钢板厚度的平方成反比，并且冷加工变形对钢板的氢穿透时间有显著影响，因此对试验和加工的要求非常严格。线切割试样要求试样的上、下面平行且平行于钢板表面，剖面尺寸为（长 宽）。用 目（）砂纸对试样上下表面进行除锈、打磨光洁后进行脱脂处理，即先用 盐酸洗涤 ，然后清水冲洗 。再碱洗，即将酸洗的试样置于 硅酸钠溶液中浸泡，取出用清水冲洗 ，然后再置于 硅酸钠溶液中浸泡 。取出试样置于 清水中 后用清水冲洗 并吹干。按 对试样进行渗氢试验并计算氢穿透时间。上 海 金 属第 卷 试验结果 显微组织正火态及模拟高温烧成后钢板表层、和 厚度处的显微组织如图 所示。正火态钢板的微观组织主要为带状珠光体和铁素体，模拟高温烧成的钢板表层珠光体明显减少、铁素体增多，说明搪烧后钢板表层发生了明显的脱碳，脱碳层深度约 。模拟高温烧成的钢板 厚度处和中心的微观组织无明显差异，均为带状珠光体和铁素体，铁素体晶粒尺寸也无明显变化。图 正火态（）及模拟高温烧成后钢板表层（）、（）和（）厚度处的显微组织 （）（），（）和（）拉伸和冲击性能表 为模拟高温烧成前后 钢板的拉伸性能和冲击韧性。表表明，正火态和模拟高温表 正火态和模拟高温烧成钢板的力学性能和冲击韧性 热处理状态屈服强度抗拉强度断后伸长率冲击吸收能量 正火（）模拟高温烧成（）（）（）国标 烧成钢板的屈服强度分别为 和 ，两者差异很小，而抗拉强度分别为 和 ，后者下降了 ，但断后伸长率分别为 和，后者明显提高。这说明钢板即使经受多次高温搪烧，对其屈服强度和抗拉强度的影响也很小。模拟高温烧成的 钢板的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率及冲击韧性均满足国标要求。另外，模拟高温烧成的钢板 和 冲击韧性良好，但 冲击韧性很差。氢穿透时间按 测定的钢板氢穿透时间如表 所示。由表 可见，钢板不同厚度处的 值均远小于 。大量试验表明，值越小钢板的抗鳞爆性能越差，只有 值不小于第 期孙全社等：搪玻璃压力容器用热轧中厚 钢板的性能 的钢板双面或全表面涂搪时才不发生鳞爆。此外还发现，钢板 厚度处的 值最小、表层的最大，即 值随着与钢板表面距离的增加而减小，表明较厚钢板厚度方向的氢穿透时间和抗鳞爆性能可能有明显差异，不能简单地以表层或 厚度处的氢穿透时间来表征整个钢板。表 钢板的渗氢试验结果 钢板部位试验温度 电流 试样厚度 氢穿透时间 （）表层 厚度处 厚度处 讨论 焊接性能 钢板的屈服强度和碳当量均较低，有利于钢板焊接。但由于 锅炉和压力容器用钢板中 钢的碳、硅和锰含量范围较宽，特别是碳和硅含量仅有上限而无下限。生产中碳、硅和锰质量分数的控制范围分别为 、和 。可用焊接开裂敏感系数 来评定钢板的焊接开裂敏感性：（）分别根据表 钢板的化学成分和 中碳、硅和锰含量的上限值计算 值，得出为 和 ，两者差异较大，即当主要元素碳、硅、锰从正常值增加到上限值时，明显增大。在实际生产中，搪玻璃容器的焊接不仅受罐体、管口等部位，钢种，焊材及焊接工艺等因素的影响，还受气候的影响，特别是碳当量较高的钢板，焊接开裂的概率更大。预防焊接开裂、提高钢板可焊性的措施主要为降低碳、硅和锰含量从而降低 值，但由于碳、硅和锰是钢的主要元素，为确保钢板有足够的强度，调整其含量的余地很小。另外，添加少量的钛对提高钢板的可焊性非常有益。总之，普通压力容器用 钢板用于搪玻璃有很大的局限性，有待开发适合搪玻璃的专用钢板。钢板塑性对玻璃层性能的影响与其他搪瓷制品一样，搪玻璃容器在服役过程中失效的主要原因是玻璃层崩落、爆裂或腐蚀，而不是普通容器的开裂或断裂等。钢板产生塑性变形即永久变形是导致玻璃层剥落的主要原因。因为钢板的塑性好而玻璃层的弹性和塑性很差，钢板产生较小的塑性变形时玻璃层就会开裂甚至剥落。屈服强度是评定交货态特别是经过高温烧成的钢板在使用中是否易产生塑性变形的重要指标。表 数据显示，正火态钢板和模拟高温烧成的钢板的屈服强度十分接近，说明钢板受多次高温烧成的影响很小，屈服强度变化不大。氢穿透时间和抗鳞爆性能抗鳞爆性是搪玻璃用钢最关键的性能之一，鳞爆是搪玻璃过程中最易产生的缺陷。涂搪工艺分为单面涂搪和双面涂搪或全表面涂搪，通常采用单面涂搪即仅限于内表面涂搪，有些零件要采用双面涂搪。较厚的钢板也进行全表面涂搪，即所有表面均涂搪。采用两种工艺涂搪的钢板发生鳞爆的程度也不同。单面涂搪时，烧成过程中钢板底坯与玻璃釉料之间界面产生的氢会在钢中扩散从另一面逸出，因而发生鳞爆的概率较小，而全表面涂搪则不同。氢穿透时间是定量评定钢板抗鳞爆性能的指标，氢穿透时间越长则钢板抗鳞爆性能越好。由表 可知，钢板的 值（）远小于国际公认的满足双面或全面涂搪所要求的 值（不小于 ），因此不满足双面或全面涂搪的抗鳞爆要求。目前，虽没有明确的单面涂搪的氢穿透时间临界值，但大量的试验表明，值至少应大于 。影响鳞爆的因素很多，除了钢板外还有玻璃釉料的组分、钢板的焊接性能及高温烧成工艺等。为避免鳞爆，需在钢中增加贮氢陷阱。已有的研究表明，钢中添加质量分数 以上的钛，会形成大量的氮化钛、碳化钛等含钛化合物作为不可逆氢陷阱，能保证钢板在双面或全面涂搪时不发生鳞爆。成分和微观组织对涂搪性能的影响 含碳量对玻璃层气泡形态的影响对含碳量差异较大的两种钢板进行搪玻璃试 上 海 金 属第 卷验，以研究含碳量对玻璃层气泡形态的影响。钢板的碳质量分数分别为 和 ，玻璃釉料的 质量分数大于，金相试样用 硝酸酒精溶液腐蚀，玻璃层的气泡形貌如图 所示。图 含质量分数 （）和 （）钢板玻璃层中气泡 （）（）图 表明，含碳量不同的钢板玻璃层中的气泡直径和密度有很大差异，即随着钢板含碳量的降低，涂搪的玻璃层气泡数量减少、直径减小。研究表明，涂搪制坯高温烧成时，釉料中的水会与钢板表面或表层的铁、碳或渗碳体等发生反应生成 和 原子等，主要反应式为：（）（）反应产生的 气体导致玻璃层产生气泡，而氢主要使玻璃层发生鳞爆。可见，钢中固溶碳、渗碳体或珠光体是玻璃层产生气泡的主要原因。大量大尺寸的气泡不仅影响玻璃釉面的质量，而且会严重降低玻璃层的耐蚀性和耐磨性，因此减少气泡数量、减小气泡尺寸对提高搪玻璃质量至关重要。提高搪玻璃质量的措施通常，为保证有足够的强度，钢板的碳质量分数应高于 ，可以预见，涂搪和烧成后玻璃层中气泡的尺寸和数量均高于上述含质量分数 的钢板。因此，选择含碳量较低的钢种或者在钢中添加钛、铌等强碳化物形成元素有利于减少玻璃层中的气泡，改善玻璃层和釉面质量。如果采用 或 等钢板制作搪玻璃容器，由于其成分均以碳、锰为主，很少或不添加钛、铌和钒等合金元素，其组织为珠光体和铁素体，珠光体体积分数为 ，并沿轧制方向呈带状分布。在制作搪玻璃容器的过程中，钢板加工成形和焊接后要经过 次涂搪和在 烧成。在烧成过程中，钢板与釉料的界面会发生式（）和（）的反应，并形成过渡层。釉料中的水或结晶水、钢板表面或表层的铁、固溶碳均参与反应，产生 和氢等气体。研究表明，玻璃层中的气泡主要是由 气体集聚而成。烧成温度越高或时间越长，玻璃层中产生的气泡越多，且极易形成过大或不均匀的气泡，降低玻璃层的耐蚀和耐磨性能。因此，降低钢的含碳量或添加钛、铌等强碳化物形成元素能减少气泡，改善气泡分布，从而提高玻璃层的内在和表面质量。总之，有待研发既具有较高的强度又具有优异的涂搪性能的搪玻璃专用钢板。结论（）模拟高温烧成的 钢板表层、和 厚度处的微观组织与正火态的类似，均为带状珠光体和铁素体，晶粒尺寸无明显变化；模拟高温烧成的钢板有深约 的脱碳层。（）模拟高温烧成前后钢板的屈服强度和抗拉强度无明显变化，但断后伸长率提高，冲击性能下降，但均满足国标要求；模拟高温烧成的钢板 冲击韧性很差。（）模拟高温烧成的钢板表层及 和 厚度处的 值为 ，虽基本满足单面涂搪的抗鳞爆要求，但远低于双面涂搪或全表面涂搪要求的 。随着与钢板表面距离的增加 值减小，表明钢板厚度方向的氢穿透时间和抗鳞爆性能也有明显差异。（）随着钢中含碳量的降低，玻璃层中气泡的数量减少、直径减小，既影响釉面质量也影响玻璃层的耐蚀和耐磨性能，亟待开发专用的搪玻璃钢板。（下转第 页）上 海 金 属第 卷 ，：，：，（）：，（）：（），：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：柴祎迪 （，）体系相图及扩散试验研究 上海：上海大学，修回日期：（上接第 页）参考文献 卢玉秀，李强，曹永峰 搪玻璃反应釜检验过程中常见问题的探讨 特种设备安全技术，（）：许金沙，童壮根，宋有立 搪玻璃压力容器失效及预防化工装备技术，（）：吕正豪，宋志峰，张红阳，等 搪玻璃增韧方法的研究进展 玻璃搪瓷与眼镜，（）：，毛燕斌 压力容器典型材料失效分析及安全评估 南昌：南昌大学，陈海云，邢璐，丁无极，等 搪玻璃压力容器爆瓷失效影响因素 化工机械，（）：，徐春，曹红，饶德怀，等 种测试溶液对搪瓷用钢抗鳞爆性能评价指标的影响 玻璃与搪瓷，（）：徐春，赵曼羚，曹红 搪瓷用钢抗鳞爆性能研究进展 上海应用技术学院学报（自然科学版），（）：孙全社，金蕾，张庆安，等 冷轧搪瓷钢板的抗鳞爆性能的研究 钢铁，（）：孙全社，徐春，魏娇，等 搪玻璃用热轧中厚板氢穿透时间及贮氢性能 钢铁，（）：孙全社，金蕾，吕锋 冷轧超低碳搪瓷钢板的开发 宝钢技术，（）：修回日期：