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    Q345R鋼正火工藝優(yōu)化研究

    2019-10-26 09:20:50何書亮
    設(shè)備管理與維修 2019年12期
    關(guān)鍵詞:熱處理爐火熱晶粒

    王 偉,何書亮

    (蕪湖市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心,安徽蕪湖 241002)

    0 引言

    Q345R 鋼屬低合金高強度鋼,是生產(chǎn)壓力容器的主要材料,廣泛應(yīng)用于儲氣罐、氣瓶、反應(yīng)器、換熱器等壓力容器的制造。這種鋼具有高強度、高韌性、良好的耐蝕性及良好的焊接性能和冷成型能力,在0 ℃下的沖擊功達到41 J[1,2]。

    Q345R 鋼的生產(chǎn)過程主要有冶煉、模鑄、熱軋3 個過程,高質(zhì)量的Q345R 鋼板還需要進行正火熱處理[3,4]。某壓力容器材料制造單位正火熱處理生產(chǎn)線采用輥底式熱處理爐加熱,該種熱處理爐可進行分段控制加熱。鋼板從室溫狀態(tài)進入爐溫750 ℃爐內(nèi),然后分段加熱至910 ℃,進行910 ℃正火熱處理,允許有±5 ℃偏差。Q345R 鋼正火熱處理工藝參數(shù)見表1。其中,H 為鋼板厚度,單位為mm。

    根據(jù)對該材料制造單位熱處理生產(chǎn)情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn),制約產(chǎn)能的主要問題是現(xiàn)有的正火工藝雖能保證產(chǎn)品合格率,但工藝能力過剩,熱處理周期較長。在保證材料組織及性能滿足要求的前提下,如果能縮短熱處理在爐時間,不僅可以提高生產(chǎn)效率,而且可以節(jié)約大量能源,具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

    表1 Q345R 鋼正火工藝參數(shù)

    1 實驗材料

    正火工藝實驗材料取自該單位Q345R 鋼熱軋鋼板,化學成分滿足GB 713—2014 要求,如表2 所示。

    表2 Q345R 鋼化學成分(質(zhì)量百分比/%)

    2 試驗內(nèi)容與方法

    2.1 保溫時間的優(yōu)化

    Q345R 通常在控制軋制后進行正火熱處理,正火前成分與組織的均勻性較好。熱處理的主要目的是細化晶粒與組織,同時利用重結(jié)晶過程消除熱軋中產(chǎn)生的某些缺陷,基本不考慮成分均勻問題,而奧氏體形核與長大過程通常很短。原正火工藝的保溫時間為(1×H)min,優(yōu)化實驗選擇(0.9×H)min 和(0.8×H)min 兩個保溫時間進行短時保溫實驗,根據(jù)實驗結(jié)果,選擇合適的保溫時間對正火工藝進行優(yōu)化。

    2.2 大升溫速率試驗

    利用大型熱處理試驗爐模擬大升溫速率加熱,對Q345R 鋼板在快速升溫時表面與內(nèi)部質(zhì)量、尤其是裂紋狀況進行研究,最終對提高Q345R 升溫速率的可行性進行判斷。重點研究:①大升溫速率對顯微裂紋形成的影響;②大升溫速率對熱處理組織的影響;③大升溫速率對力學性能的影響。

    2.3 正火工藝試驗過程

    試樣選用38 mm 厚Q345R 熱軋態(tài)試樣。取4 塊試樣,按1~4 編號,然后按照表3 所示工藝進行910 ℃正火熱處理試驗。

    表3 優(yōu)化前后的正火工藝

    其中,1 號試樣不做正火處理,用作觀察正火前顯微組織。2號試樣按原工藝從室溫狀態(tài)進入爐溫750 ℃熱處理爐內(nèi),分段加熱至910 ℃進行正火熱處理。3 號、4 號在縮短了升溫時間和保溫時間后,為獲得大升溫速率,直接進入910 ℃熱處理爐內(nèi)進行正火處理。

    2.4 顯微組織比較

    圖1 為1~4 號試樣心部顯微組織照片,圖2 為4 號試樣不同位置顯微組織照片。從圖1 可知:正火前和正火后均出現(xiàn)鐵素體-珠光體帶狀組織。從圖2 可知:4 號試樣從表面和心部各個方向(橫向、軋向、縱向)觀察均無顯微裂紋產(chǎn)生,表明試樣直接進入910 ℃溫度場正火熱處理不會因大升溫速率而造成顯微裂紋的產(chǎn)生。

    圖1 1~4 號試樣心部顯微組織

    根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》測定各試樣晶粒度如表4 所示。

    圖2 4 號試樣不同位置顯微組織

    從表4 可知,試樣正火前,晶粒度為9 級。按3 種不同工藝正火后試樣晶粒度均為9.5 級。3 種工藝正火后鐵素體晶粒與珠光體晶團尺寸明顯小于正火前,組織的均勻性也得到顯著改善。

    表4 1~4 號試樣不同位置晶粒度

    2.5 力學性能比較

    按表3 所示工藝正火后,根據(jù)GB/T 228.1—2010 及GB/T 229—2007要求,在1~4 號鋼板上分別制取標準拉伸試樣和沖擊試樣,在萬能試驗機上進行力學性能測試,在擺錘試驗機上測定0 ℃溫度下鋼板的沖擊性能。結(jié)果如表5 所示。其中,a 是試樣厚度,mm;d 是彎心直徑,mm。

    力學性能數(shù)據(jù)顯示,3 號試樣與1 號試樣相比,屈服強度降低了60 MPa;抗拉強度降低了20 MPa;斷后伸長率提高了5.5%;0 ℃沖擊性能提高了36 J;180°彎曲試驗結(jié)果合格。正火后的材料擁有良好的強韌性匹配。

    4 號試樣和1 號試樣相比,屈服強度降低了65 MPa;抗拉強度降低了25 MPa;斷后伸長率提高了5.5%;0 ℃沖擊性能提高了30 J;180°彎曲試驗結(jié)果合格。正火后的材料擁有良好的強韌性匹配。

    表5 Q345R 試樣力學性能

    3、4 號試樣和2 號試樣相比,各項力學性能波動幅度很小,可以認為2,3,4 號試樣的綜合力學性能無明顯差異。

    通過試樣綜合力學性能比較可知:正火工藝優(yōu)化后,試樣各項力學性能均能滿足要求,說明優(yōu)化后的熱處理工藝完全滿足試樣的力學性能要求,其中優(yōu)化后工藝2 的熱處理在爐時間更短,生產(chǎn)效率更高。

    2.6 應(yīng)用

    該材料制造單位在完成熱處理生產(chǎn)實驗測試后,現(xiàn)已按照優(yōu)化后工藝2 方案生產(chǎn)38 mm 厚該規(guī)格產(chǎn)品,Q345R 鋼采用優(yōu)化后的工藝進行910 ℃正火熱處理時,鋼板直接進入爐溫910 ℃輥底式熱處理爐,升溫時間統(tǒng)一由(1.45×H)min 降低到(0.9×H)min,保溫時間由(1×H)min 降低到(0.8×H)min,鋼板正火后無顯微裂紋產(chǎn)生,顯微組織及各項力學性能均能滿足生產(chǎn)要求,在爐加熱時間縮短了30.6%。不僅提高了生產(chǎn)效率,而且達到了節(jié)能減排的效果。

    3 結(jié)論

    (1)試驗結(jié)果表明,優(yōu)化后的兩種正火工藝均能滿足Q345R 鋼的顯微組織及力學性能要求。

    (2)按優(yōu)化后工藝2 進行正火熱處理,Q345R 鋼在爐加熱時間縮短了30.6%,不僅提高了生產(chǎn)效率,而且達到了節(jié)能減排的效果。

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