何 彪，孙 宇，肖功业，张俊萍，赵庆权，秦利波
（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）
摘 要：简述碳钢带状组织的形成机理，分析不同炼钢工艺对热轧 SA210Gr.C、20G 碳钢高压锅炉管带状组织的影响，研究轧制过程中带状组织的变化情况，以及带状组织对钢管持久强度的影响。分析认为：采用小规格管坯轧制及模铸锻造工艺，降低 Mn 含量，能够在一定程度上减轻轧制后钢管的带状组织；在轧制过程中，即使终轧温度在 1 000 ℃以上，带状组织依然明显；带状组织对持久强度略有影响，但即使存在较严重带状组织的钢管，其持久强度依然能够满足相关标准要求，且有较大富余量。
关键词：钢管；碳钢；SA210Gr.C；20G；热轧；带状组织；持久强度
碳钢钢管主要用于锅炉水冷壁等温度、压力不太高的部位，但其用量大，若产品质量出现问题，也会造成电厂停机等事故的发生。带状组织是碳钢钢管在生产过程中不可避免的。由于炼钢过程中的成分偏析以及轧制方式影响，必然造成小直径碳钢钢管产生比较严重的带状组织，即使国外产品也不例外［ 1 ］。对于碳钢和低合金钢的带状组织形成机理，有研究认为连铸坯在凝固过程中合金元素熔点和比重不一致，从而导致坯料中产生枝晶，形成了成分偏析［ 2 ］。在轧制过程中，枝晶会沿着轧制方向被拉长，在随后的冷却过程中，由于枝晶成分偏析，会形成铁素体-珠光体条带，即带状组织［ 3-4 ］。同时，有研究还表明，如果在两相区对钢材进行轧制，由于先共析铁素体硬度小，会被拉长，在随后的冷却过程中奥氏体转变成珠光体，因此也会形成带状组织，不过由于两相区轧制而引起的带状组织通过高温相变能够消除［ 5 ］。但对于无缝钢管在轧制过程中带状组织的变化，并未发现有人进行研究。
关于带状组织的危害，文献［ 6 ］进行了一定研究，发现带状组织对钢板的延伸率有影响，同时严重的带状组织也会造成钢板的低温冲击韧性变差。文献［ 7 ］则较深入地研究了带状组织对20G锅炉管横向性能的影响，认为带状组织严重的钢管，其横向拉伸强度比纵向拉伸强度低40~50 MPa，但塑性基本相同。同时，带状组织也对钢铁的抗腐蚀性能有一定影响［ 8 ］。但这些研究均未分析带状组织对钢管持久强度的影响。
对于带状组织的消除，进行了多次研究［ 5，9-11 ］，但这些消除工艺比较复杂，成本也高，同时多数带状组织消除工艺针对的是带材，不适合 SA210Gr.C钢管。文献［ 12-13 ］对带状组织消除工艺进行了研究，通过控制钢管热轧后的冷却速度，能够减轻钢管带状组织，但需要对设备进行改进或精确控制钢管冷却过程。
综上所述，针对碳钢钢管的生产工艺，有必要研究不同炼钢工艺对热轧后钢管带状组织变化的影响；同时研究轧制过程中带状组织的变化，从而评估热处理工艺对消除带状组织的作用；另外，也有必要研究带状组织对持久强度的影响，进而评估带状组织对产品性能的影响。
1 试验方法
研究碳钢高压锅炉管的带状组织，钢种采用典型的锅炉管钢种，包括 SA210Gr.C 和 20G，其化学成分见表 1。
正常碳钢钢管生产工艺流程为：EAF 电弧炉冶炼+LF 精炼+VD 精炼+连铸→环形炉加热+穿孔+Φ168 mm PQF 连轧+再加热+张力减径+探伤+人工检验+入库。
1.1 炼钢工艺对带状组织的影响
采用 Φ210 mm 和 Φ150 mm 管坯分别轧制规格为 Φ57 mm×4.5 mm 的 SA210Gr.C 钢管，研究不同管坯尺寸对钢管带状组织的影响。
另外，采用模铸锻造代替连铸工艺，轧制规格为 Φ89 mm×5 mm 的 20G 钢管，研究管坯生产工艺对轧制钢管带状组织的影响。
1.2 轧制过程中带状组织的变化
取没有完全进行张力减径的钢管，分段进行解剖，研究张力减径过程中带状组织的变化，不同轧制过程取样如图 1 所示。其中，试样 1 在 PQF 热轧后、张力减径前取样，试样 2 在张力减径过程中取样，试样 3 在接近张力减径终了取样。
1.3 带状组织对持久性能的影响
研究表明，由于成分偏析形成带状组织，很难通过常规手段进行消除［ 9 ， 13 ］ 。因此，有必要深入研究带状组织对性能的影响，尤其是带状组织对钢管持久强度的影响。
取带状组织评级为 4.5 级的 Φ57 mm×6 mm 规格 SA210Gr.C 钢管，进行持久强度挂机试验，以研究带状组织对钢管持久性能的影响。
2 试验结果及分析
2.1 炼钢工艺对钢管带状组织的影响
浇注 Φ150 mm 与 Φ210 mm 断面连铸坯，Φ150 mm 规格可以缩短铸坯凝固时间，降低枝晶间距，减少 C、Mn 元素在枝晶间偏析程度，改善铸坯偏析引起的内部质量。Φ150 mm 断面经 Φ168mm PQF 连轧管机组轧制后，其带状组织评级为 3.0~3.5 级，而 Φ210 mm 断面轧制后的管坯带状评级为 4.0~4.5 级。由此可见，Φ150 mm 断面铸坯相对要好。但由于采用 Φ150 mm 管坯代替 Φ210 mm管坯会导致轧管作业率大幅度下降，因此虽然该措施能够减轻带状组织，但也很难实施。
采用模铸锻造工艺生产的 20G 钢管，其带状组织级别为 2.0 级；而采用连铸工艺生产的 20G 钢管，其带状组织级别为 3.5 级。这是由于采用管坯模铸后，在锻造前要先加热到 1 000 ℃以上，同时锻造后进行长时间炉冷退火，此时 C 和 Mn 元素进行了一定程度扩散，从而减轻成分偏析。同时，通过锻造，能够打碎枝晶，从而减轻成分偏析。但是，锻造工艺无法完全消除成分偏析，热轧后钢管仍然存在带状组织。另外，相对于连铸，模铸锻造工艺成本会增加 70%以上，在成本压力下，很难实施。
研究表明［ 2，14 ］，元素偏析是造成钢管出现带状组织的一个重要因素。对比 20G 钢管和 SA210Gr.C钢管的带状组织级别时发现，由于 20G 钢管的 C和 Mn 含量低，偏析也相对要少；因此，热轧后20G 钢管的带状组织要轻。所以在保证性能的前提下，为减轻带状组织级别，可以考虑降低 C、Mn含量（Mn 原子更大，扩散更困难，偏析更严重［ 14 ］，因此优先考虑降低 Mn 含量）。
2.2 轧制过程中带状组织的变化
按图 1 进行取样，不同 SA210Gr.C 钢管试样的带状组织如图 2 所示。可以看出，随着变形量的增加和轧制温度的降低，钢管带状组织级别逐渐增大。
图 2（a）所示为连轧后的组织，未进入张力定（减）径机，此时带状组织级别为 3.5 级。连轧终了钢管温度一般在 1 000 ℃左右，此时温度在奥氏体化转变终了温度 A C3 以上；因此，不存在两相区轧制问题。所以此时 SA210Gr.C 钢管的带状组织与轧制关系不大，基本是由管坯成分偏析造成的。
图 2（b）所示为张力减径过程中的组织，此时带状组织级别为 4.5 级。此时 SA210Gr.C 钢管的原奥氏体被进一步拉长，由于成分偏析，钢管在冷却后的带状组织进一步加剧。
图 2（c）所示为张力减径后的成品组织，此时带状组织级别为 5.0 级。通过最后几机架时，SA210Gr.C 钢管的温度已经进入两相区。奥氏体化的组织在冷却过程中，首先析出铁素体，再析出珠光体组织。如果最终变形是在组织转变过程中进行，先析出的铁素体会沿轧制方向被轧长，最后析出的珠光体组织也会沿轧制方向被轧长，从而形成带状。因此，试样 3 的带状组织相对更为严重。
对于终轧温度过低而引起的带状组织，文献［ 5 ］认为可以通过热轧后的 900 ℃离线正火进行消除。但 SA210Gr.C 钢管试样经过热处理后，其带状组织级别依然较高，在 3.0 级左右，且若正火温度控制不好，容易出现魏氏组织。SA210Gr.C 钢管试样正火后的组织如图 3 所示。可见，对于研究的SA210Gr.C 钢管，其带状组织主要是由管坯成分偏析引起的。
2.3 带状组织对持久性能的影响
持久强度是衡量带状组织对钢管性能影响的最为重要的指标。对带状组织评级为 3.0 级和 4.5 级的轧态 SA210Gr.C 钢管在 450 ℃下进行持久强度试验，规格均为 Φ57 mm×6 mm。SA210Gr.C 钢管试样在不同加载应力下的断裂时间见表 2，持久强度外推曲线如图 4 所示。
用 Origin 分析软件进行线性拟合，计算出SA210Gr.C 钢管外推 10 5 h 的持久强度，分别为116.2 MPa（3.0 级带状）和 109.1 MPa（4.5 级带状），均大于 GB/T 5310—2008 推荐的 88 MPa（参考 GB/T 5310—2008 中 25MnG）。
由此可见，虽然带状组织级别对 SA210Gr.C钢管持久强度略有影响，但即使带状组织为 4.5级，SA210Gr.C 钢管的持久强度依然能够满足相关标准要求，且富余量大。该研究结论与文献［15］中的数据趋势一致。文献［15］中提供的供货状态 20G规格为 Φ38 mm×4 mm，带状组织 3~4 级，其 450℃的 10 5 h 持久强度为 82 MPa，虽然比没有带状组织钢管的持久强度低（91 MPa），但仍然远能够满足GB/T 5310—2008 对 20G 钢管的要求（≥74 MPa）。
3 结 论
（ 1 ） 小规格管坯相对成分偏析要轻，能够在一定程度上减轻轧制后钢管的带状组织，但会导致轧制作业率下降。
（ 2 ） 采用模铸锻造工艺能够减轻成分偏析，从而减轻带状组织，但成本增加明显。
（ 3 ） 降低碳钢中的 C、Mn 含量能够比较有效地减轻钢管带状组织，但需要注意产品性能。
（ 4 ） 随着轧制变形及终轧温度的降低，带状组织更加严重。但即使终轧温度在 1 000 ℃以上，带状组织依然明显。因此，影响带状组织级别的因素中管坯成分偏析的影响比重更大。
（ 5 ） 对不同级别带状组织的钢管进行持久强度试验，发现带状组织级别对钢管持久强度略有影响。但即使存在较严重的带状组织，钢管的持久强度依然能够满足相关标准要求，且有较大富余量。
因此，带状组织是热轧碳钢钢管所固有的状态，很难通过常规手段消除，但即使存在较严重的带状组织，钢管的持久性能依然能够满足要求。因此，无缝钢管中带状组织不是很严重时，可认为是合格组织。
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