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隧道消磁穿线钢管上海常寒冷地区特殊工作系统
发表时间:2018-7-29     阅读次数: 600      字体:【

隧道消磁穿线钢管上海常寒冷地区特殊工作系统


通常寒冷地区或石油化工领域的一些特殊工作系统,例如天然气管道上的控制阀门,主要承担着油气输送过程中的开启、关闭、压力调节等主要功能,因此该材料不仅要有良好的低温抗冲击性能,以避免在低温环境运行时发生脆性断裂;还要有高的抗拉强度和屈服强度,来满足阀门的使用要求。相关文献采用三维有限元法分析得出阀门破裂主要是由于受到轴向拉伸作用时其强度不足而断裂[1]。本文研究了铌对低温钢组织及性能的影响,优化了化学成分和热处理工艺,获得了综合性能优良的低温阀门用钢。


隧道消磁穿线钢管化学成分设计


研究表明在强度和硬度相同的条件下,具有回火索氏体组织钢的低温冲击韧性最好[2]。为了使铸钢具有优良的综合室温力学性能和低温冲击韧性,本研究的化学成分设计原则是通过优化主要合金元素,进行铌微合金化和适当的热处理来改善钢的基体组织,确保材质经调质处理后能够得到回火索氏体。普通碳钢每增加0.01%的碳,约使冷脆性转变温度提高2℃[3],因此在保证低温钢具有一定强度的前提下,碳含量要控制在较低的范围,本试验钢中的碳的质量分数为0.17%~0.22%。锰和镍能增加钢中奥氏体的稳定性,细化珠光体,提高淬透性,降低钢的韧-脆转变温度。钢中锰的质量分数不超过1.50%时,



能提高钢的强度和硬度而不降低塑性,同时硅与锰配合能提高淬透性。铬镍配合能使钢具有极高的冲击韧性,隧道消磁穿线钢管钢中只要加入0.3%~0.5%的纯镍,低温冲击功就有较大幅度的提高,为了使低温钢在具有高的低温韧性的同时具有高的强度,同时考虑到成本问题,镍的质量分数设计为0.6%~1.1%。钼主要是抑制钢的回火脆性,使钢在回火时析出的碳化物更细小、均匀、稳定,并使马氏体的细小晶粒及高密度位错保留到较高温度。稀土元素在钢中的基本作用是净化及夹杂物变质作用,在晶界的富集以及与钢中杂质的交互作用,能有效地改善低合金钢的低温韧性和回火脆性。铌在钢中可以形成NbC或NbN等间隙中间相,对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止,抑制奥氏体晶粒长大,从而达到细化晶粒的目的,而低温钢的强度增量主要靠晶粒细化,且质量分数在0.04%以下增加很快[4],因此铌的质量分数要控制在0.1%以下。


熔炼及热处理工艺


采用中频感应炉熔炼,冶炼时废钢必须经抛丸处理,其中锰钢、硅铁、铬铁、钼铁和铌铁在加入前要烘干。加料顺序为:废钢、镍板、铬铁、钼铁、硅铁、锰钢,最后加铝进行终脱氧,脱氧后加入稀土硅铁和铌铁。出炉温度要控制在1550~1570℃,采用水玻璃砂造型浇注成Y型标准试块。调质处理前先进行正火预处理,正火作为预先热处理可以细化晶粒和消除应力,为得到更加均匀细化的索氏体组织提供合适的组织状态。相关文献指出,正火+调质工艺后钢的各项力学性能较好,低温冲击功稳定,能达到美国ASTM规定的指标。综合考虑低温钢中合金元素的影响,正火温度为(930±10)℃,淬火温度为(890±10)℃,回火温度为(630±10)℃。




成分分析结果分别在浇注的Y型试块上切取10mm×10mm×10mm立方体,将表面打磨平整,利用直读光谱仪进行成分分析,经检测试验材料的成分见表1。


铌对低温钢组织的影响添加铌之后试样的铸态组织为片状珠光体+块状铁素体,随着试样中铌含量的增加,试样铸态组织中珠光体的片间距逐渐减小,组织更加细化。图1为不同铌含量低温钢热处理后的金相组织图。试样经正火+调质处理后的金相组织为回火索氏体,索氏体中铁素体为多边形和板条状。试样1索氏体中多边形铁素体晶粒较大,板条状铁素体板条较粗,试样2、试样3索氏体中多边形铁素体晶粒细小,板条状铁素体板条细化,试样4、试样5索氏体中多边形铁素体减少,板条状铁素体增加,随着铌加入量的增加,组织均匀细化。这是由于在奥氏体化过程中未固溶铌形成的碳氮化合物在奥氏体晶界析出,阻碍了晶界的移动和晶粒的长大,细化了奥氏体的晶粒[6],正火后得到更细的珠光体组织,经调质处理后,马氏体位向趋于模糊,回火索氏体组织更加均匀细化。


铌对低温钢低温冲击韧性的影响不同铌含量试样正火+调质后-2

 
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