316L不銹鋼管色帶成因及解決 方案

供稿|王哨兵 ，高亞龍，朱建平 / WANG Shao-bing, GAO Ya-long, ZHU Jian-ping

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章詳細(xì)分析了316L不銹鋼管表面出現(xiàn)“黑帶”和“白帶”的成因。從生產(chǎn)實(shí)踐中可能造成色帶的3個(gè)方面進(jìn)行分析，排除了色帶是由化學(xué)成分、晶粒度、粗糙度等因素引起的原因，確定色帶主要的形成原因是連鑄坯的滲碳造成的晶間腐蝕。晶間腐蝕的嚴(yán)重程度從視覺上呈現(xiàn)“黑帶”和“白帶”的差異。根據(jù)色帶的產(chǎn)生原因，在生產(chǎn)中通過更換保護(hù)渣方案進(jìn)行實(shí)踐論證。實(shí)踐表明，采用新型的無碳保護(hù)渣能夠從根本上解決色帶問題，對(duì)316L不銹鋼生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

316L(00Cr17Ni12Mo2)是低碳奧氏體不銹鋼，具有較好的耐晶間腐蝕和抗點(diǎn)腐蝕性能，主要用于制造化肥生產(chǎn)、石油化工、船艦等工業(yè)設(shè)備的管道，因此要求316L鋼不僅要有較好室溫性能，又要有較好的高溫性能，對(duì)管壁、表面質(zhì)量要求極為嚴(yán)格。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，316L荒管表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)螺旋狀的黑色或白色的條紋，簡(jiǎn)稱為“黑帶”或“白帶”，其缺陷形貌如圖1所示。本文對(duì)生產(chǎn)過程可能造成色帶的環(huán)節(jié)進(jìn)行排查，利用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)分析方法，確定了316L不銹鋼管“黑帶”和“白帶”的形成原因，并提出解決方法，進(jìn)一步在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行了論證，對(duì)后續(xù)316L不銹鋼管的生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義[1-4]。

工藝流程

φ32 mm×3.0 mm 規(guī)格的316L不銹鋼無縫鋼管以黑皮圓鋼作為原材料，其荒管生產(chǎn)工藝流程為：黑皮棒剝皮—加熱—穿孔—酸洗(φ65 mm×5.5 mm)—冷軋—去油—退火—矯直—酸洗—潤(rùn)滑—烘烤—冷拔(φ32 mm×3.0 mm)—切管—去油—退火—矯直—切頭—酸洗—檢驗(yàn)。

按照該工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)中間品荒管(φ65 mm×5.5 mm)酸洗后存在嚴(yán)重的“黑帶”和“白帶”缺陷，后續(xù)的冷拔成品管上也存在類似的缺陷，因此要想改善后續(xù)成品管的質(zhì)量問題，解決中間品的色帶問題是重中之重。

圖1 316L不銹鋼荒管酸洗表面缺陷：(a) 黑帶；(b) 白帶

成因探究

由于316L不銹鋼管中間管表面酸洗后的色帶呈現(xiàn)螺旋狀分布，并且沿著荒管的縱向向前延伸，為了探究色帶的具體成因，主要從316L不銹鋼管生產(chǎn)過程的3個(gè)方面進(jìn)行探究[5-7]。

(1) 連鑄坯的角部滲碳：316L不銹鋼管表面出現(xiàn)螺旋狀的色帶缺陷是由于在色帶區(qū)域晶界析出了Cr23C6型碳化物，產(chǎn)生了貪鉻區(qū)造成晶界腐蝕所致，文獻(xiàn)研究表明，這可能是連鑄坯表面滲碳造成的，特別是在連鑄坯的角部，在澆鑄的過程中液渣層過薄造成的鋼液與含碳的保護(hù)渣或富碳層接觸而滲碳。

(2) 黑皮棒材的矯直：316L圓棒材經(jīng)過熱軋生產(chǎn)后，棒材存在彎曲的現(xiàn)象，采用矯直設(shè)備，通過軋輥的旋轉(zhuǎn)，在黑皮棒材的表面產(chǎn)生螺旋狀的壓痕，特別是在較大的矯直壓力作用下，矯直壓痕深度更深，造成了部分晶粒破碎的現(xiàn)象，并且產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，后續(xù)穿孔準(zhǔn)備前，黑皮棒材的剝皮量不夠，對(duì)于產(chǎn)生應(yīng)力變形的區(qū)域還沒有去除干凈，在后續(xù)的荒管表面出現(xiàn)細(xì)晶?，F(xiàn)象，可能是引起中間品荒管酸洗后呈現(xiàn)出色帶現(xiàn)象的原因。

(3) 穿孔過程：目前大部分的鋼管廠家均采用二輥斜軋式穿孔設(shè)備，在穿孔的過程中，在穿孔前期是加速的，中后期穿孔線速度不斷的降低；并且在穿孔過程中與正常軋輥的接觸部位受力和變形是不均勻的，再配合穿孔導(dǎo)板與荒管表面的摩擦，容易造成穿孔荒管表面呈現(xiàn)螺旋狀條紋，其表面的粗糙度和晶粒大小可能是產(chǎn)生色帶缺陷。

綜上所述，316L荒管的3個(gè)生產(chǎn)過程都有可能造成荒管色帶，由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，不可能對(duì)每個(gè)過程進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)證，只能從每個(gè)生產(chǎn)過程造成色帶的表征方面進(jìn)行探究。黑皮棒材的矯直和穿孔容易造成荒管表面的表面粗糙度和晶粒度有所差異，而連鑄坯的角部滲碳與晶間腐蝕有關(guān)，針對(duì)這些生產(chǎn)過程中可能造成色帶的原因，需要對(duì)316L成品荒管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

原因分析

對(duì)316L不銹鋼中間荒管進(jìn)行取樣，分析316L不銹鋼管表面產(chǎn)生螺旋狀色帶的原因：

(1) 化學(xué)成分：借助于掃描電子顯微鏡等儀器，對(duì)“黑帶”、“白帶”和正常區(qū)域組織進(jìn)行能譜分析，確定這3個(gè)區(qū)域的C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等化學(xué)成分的含量，且對(duì)3個(gè)區(qū)域的成分差異進(jìn)行對(duì)比。

(2) 粗糙度：對(duì)不銹鋼管表面的“黑帶”、“白帶”和正常區(qū)域做粗糙度檢測(cè)，確定3個(gè)區(qū)域的粗糙度的差異情況[8]。

(3) 晶粒度：對(duì)比“黑帶”、“白帶”和正常區(qū)域的晶粒度大小是否存在異常的情況，晶粒度越大，晶粒越細(xì)小，在荒管表面的視覺觀看上的呈現(xiàn)形式存在著差異，并且在不同區(qū)域上，其敏化處理(650 ℃/2 h)后的金相組織也存在著一定的差異。

實(shí)驗(yàn)表明，“黑帶”、“白帶”和正常區(qū)域的化學(xué)成分都在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，沒有明顯的差異；表面的粗糙度測(cè)量后也具有相同的數(shù)值；3個(gè)區(qū)域的晶粒度基本上在6.0級(jí)左右，沒有出現(xiàn)超過0.5級(jí)的極差現(xiàn)象。因此基本可以排除316L不銹鋼管表面色帶區(qū)域的缺陷是由化學(xué)成分、晶粒度、表面粗糙度等原因引起的。通過敏化處理后缺陷處的金相表征表明“黑帶”區(qū)域呈現(xiàn)凹下狀，晶界處存在大量的碳化物聚集，晶粒以晶間腐蝕形式脫落，進(jìn)而在視覺上呈現(xiàn)“黑帶”缺陷，“白帶”處的晶間腐蝕程度較弱，只有個(gè)別晶界處存在碳化物析出嚴(yán)重；而正常區(qū)域的金相組織均勻，沒有發(fā)現(xiàn)晶粒脫落的現(xiàn)象，如圖2所示。這一現(xiàn)象也從側(cè)面反映了色帶形成主要是由煉鋼連鑄過程中的滲碳造成的。

圖2金相微觀組織顯示，不管是“黑帶”或“白帶”，其本質(zhì)特征都是晶間腐蝕，但是由于晶間腐蝕的嚴(yán)重程度不同，再加上光線的影響，造成了2種缺陷的產(chǎn)生。由此可以得出，造成不銹鋼表面“黑帶”、“白帶”不同的原因是由于不銹鋼表面存在不同程度的晶間腐蝕，與表面的粗糙度、化學(xué)成分、晶粒度大小沒有直接的關(guān)系。

圖2 316L不銹鋼管黑帶和白帶的金相微觀組織：(a) 黑帶；(b) 白帶

不銹鋼表面條帶狀色差缺陷與晶間腐蝕有關(guān)，不同程度腐蝕的表面粗糙度與其光學(xué)性質(zhì)也不同，從而在視覺上表現(xiàn)為色差，其原因有2點(diǎn)：

(1) C在奧氏體中的飽和溶解度小于0.02%，一般不銹鋼的含C量都高于這個(gè)數(shù)值。當(dāng)不銹鋼從固溶溫度冷卻下來時(shí)，C處于過飽和狀態(tài)，當(dāng)受到敏化處理時(shí)(427～816 ℃)，過飽和的C就要部分或全部從奧氏體中析出，形成C和Cr的碳化物(主要是Cr23C6型)在晶界析出。由于析出的Cr23C6含Cr量比奧氏體中的Cr含量高得多，而且在析出過程中C的擴(kuò)散阻力小，并能較快到達(dá)晶界，而Cr在奧氏體中擴(kuò)散速率很低，所以形成碳化物時(shí)必定要消耗晶界附近的Cr，從而在晶界兩側(cè)形成貧Cr區(qū)，其含Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于12%，因而鈍化性能與晶粒不同，即晶界區(qū)和晶粒本體有了明顯的差異，晶粒與晶界構(gòu)成活態(tài)-鈍態(tài)的微電偶結(jié)構(gòu)，造成晶界腐蝕。

(2) 在連鑄過程中，結(jié)晶器保護(hù)渣中未熔融的碳粒子進(jìn)入鋼液，在連鑄鑄坯內(nèi)部形成夾雜，經(jīng)過熱軋、穿孔之后，游離碳夾雜沿軋向伸長(zhǎng)、呈螺旋狀分布，在基體材料的晶界上偏聚，造成晶粒邊界的成分不均勻，荒管表面存在碳偏聚現(xiàn)象的晶界，經(jīng)過酸洗發(fā)生晶間腐蝕之后從而呈現(xiàn)螺旋狀分布的 缺陷。

解決方案

分析得出316L荒管的色帶形成原因是連鑄坯表面滲碳引起的，在色帶區(qū)域晶界析出了Cr23C6型碳化物，產(chǎn)生貪鉻區(qū)造成晶界腐蝕所致。為了解決316L中間管的色帶問題，采用無碳保護(hù)渣可以減少或者避免鑄坯角部的增碳現(xiàn)象，但是過多的降低碳含量容易導(dǎo)致保護(hù)渣的熔化速度過快，造成鑄坯表面質(zhì)量問題。因此，聯(lián)合保護(hù)渣生產(chǎn)廠家對(duì)保護(hù)渣的成分進(jìn)行了合理優(yōu)化，開發(fā)出一種新型的無碳保護(hù)渣。新型保護(hù)渣較原保護(hù)渣不僅有較好的溶解、吸附夾雜物的能力和良好的絕熱性能，還可以在碳含量較低的情況下仍然有合適的熔化速度，以保證足夠的熔渣層厚度，進(jìn)而有效避免連鑄坯出現(xiàn)增碳現(xiàn)象。保護(hù)渣相關(guān)參數(shù)見表1所示。

對(duì)比2種保護(hù)渣的化學(xué)成分：新型的無碳保護(hù)渣中Al2O3和C含量明顯的下降，造成無碳保護(hù)渣的密度升高，黏度下降。其主要的影響特性有：(1)保護(hù)渣中的Al2O3含量增大，保護(hù)渣的結(jié)晶溫度降低；(2)無碳保護(hù)渣中的C含量降低，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)渣的融化速度加快，液渣層和原渣層不穩(wěn)定，容易造成連鑄坯的表面問題，如結(jié)疤等。

現(xiàn)場(chǎng)安排2爐采用不同的保護(hù)渣冶煉生產(chǎn)316L，軋制成相同斷面規(guī)格的棒材后在某廠進(jìn)行穿孔生產(chǎn)，采用相同的穿孔工藝，生產(chǎn)前要更換新的穿孔錐、導(dǎo)板等設(shè)備。采用原保護(hù)渣的棒材穿孔生產(chǎn)荒管230支，采用新型無碳保護(hù)渣的棒材穿孔生產(chǎn)荒管361支。進(jìn)行固溶處理和酸洗后，采用原保護(hù)渣生產(chǎn)的荒管共發(fā)現(xiàn)“白帶”70支，“白帶”出現(xiàn)的比例為30.43%；采用新型無碳保護(hù)渣生產(chǎn)的荒管共發(fā)現(xiàn)“白帶”7支，“白帶”出現(xiàn)的比例為1.94%。對(duì)比兩種情況，采用新型無碳保護(hù)渣可以減少“白帶”出現(xiàn)的概率，有效改善316L不銹鋼荒管的表面質(zhì)量問題。

表1 原保護(hù)渣與新型無碳保護(hù)渣的成分與性能對(duì)比

結(jié)束語

本文通過對(duì)316L不銹鋼管表面色帶產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)踐跟蹤處理，得出 結(jié)論：

(1) 針對(duì)色帶在生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生缺陷的工藝環(huán)節(jié)提出猜測(cè)，借用實(shí)驗(yàn)方法，排除化學(xué)成分、晶粒度、表面粗糙度等缺陷原因。

(2) 不銹鋼不同色帶產(chǎn)生的機(jī)理都是缺陷處有大量碳化物聚集，存在晶間腐蝕；根據(jù)碳化物聚集的程度不同和光線的不同，缺陷顏色也不同；缺陷處碳化物聚集最多的，即晶間腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域，酸洗后呈現(xiàn)的為“黑帶”，缺陷處碳化物聚集較少的，即晶間腐蝕輕微的區(qū)域，酸洗后呈現(xiàn)的為“白帶”。

(3) 針對(duì)316L不銹鋼管的表面色帶問題，提出了更換新型保護(hù)渣的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)際生產(chǎn)論證表明，采用新型無碳保護(hù)渣生產(chǎn)的316L不銹鋼管色帶出現(xiàn)缺陷的比例明顯下降。

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