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搪玻璃反应釜专用钢板的成分研究及工艺设计

发布日期:[ 2016年3月10日 ] 共阅[ 2409 ]次

搪玻璃钢板是制造搪玻璃反应釜的主要材料,其性能的好坏直接影响搪玻璃反应釜的质量和使用寿命。一些发达国家对搪玻璃钢板已有系统研究,并制定了相应的材料标准。我国是搪玻璃反应釜的生产大国,用于制造各种搪玻璃反应釜所消耗的钢材总量已很过15万t,但由于制造搪玻璃反应釜材料基本用Q235B及20g等钢种替代,致使搪玻璃反应釜生产存在能耗大、产品质量不稳定以及使用寿命短等缺点,削弱了产品的市场竞争力,制约了我国搪玻璃反应釜制造业的发展。

为满足搪玻璃反应釜制造需求,本文根据搪玻璃反应釜专用钢板的特性,通过工业试制(成分及工艺设计),并结合组织与性能分析,确定了生产搪玻璃反应釜用钢的工艺制度,为搪玻璃反应釜专用钢板的规模生产奠定了基础。

1成分及工艺设计

1.1成分设计

根据搪玻璃专用钢板的强度指标要求、搪瓷性能、冲压加工性能及焊接性能要求,确定了试验钢的冶炼成分,见表1所示。
表1  冶炼化学成分(质量分数)

由于搪玻璃反应釜的特殊生产过程,在制品上无法保留组织强化、细晶强化等的作用效果,所以强度方面主要需要依靠C、Mn等元素的固溶强化来保障。过高含量的C会导致搪瓷气泡缺陷发生,影响搪瓷质量。所以对碳含量范围做了严格的限定,同时通过控制Mn含量,来补偿固溶强化的幅度。

搪瓷性能包括抗鳞爆性能,抗气孔性能以及密着性能。对于抗鳞爆性能,选择了Ti作为氢陷阱的主要形成元素,规定了Ti/C≥l。同时控制Ti含量在合适的水平,避免Ti元素过高对连铸坯造成的质量缺陷,以保证钢板的表面质量。搪瓷气孔缺陷的发生取决于钢材表面的C在搪烧过程中与釉层内的氧的反应。已有的研究表明,C含量控制在0.12%以下,可以避免气孔缺陷的发生。钢中加入1:1以上比例的Ti,可以使部分C以TiC的形式被固定,这部分被固定的C不易被氧化,这将进一步降低气孔缺陷的发生率。钢中Si、Al等元素在搪烧过程中会先行生成氧化物膜,阻碍密着层的生成,因此对这些元素的含量进行了限定。

1.2工艺设计

搪玻璃钢板的工艺流程为:铁水预处理一转炉冶炼-炉外精炼-连铸-板坯加热-轧制-矫直一剪切一热处理一检查入库。

采用铁水预处理进行深脱硫、转炉顶底复合吹炼、钢水RH真空处理等炉外精炼工艺。精炼脱气后加入钛铁进行合金化处理。钢水经过喂SiCa线处理并充分镇静后,连铸成板坯,连铸坯厚度为230mm。为保证连铸坯质量,中间包钢水采用低过热度,全程保护浇铸。在中厚板生产线采用两阶段控制轧制。阶段轧制温度≥1050℃,中间坯厚度为成品板的2.5倍以上;第二阶段轧制终轧温度≥900℃,累计变形率≥50010,钢板厚度规格为8—40mm。热轧后经过在线矫直、切尺后,进行正火处理,以保障钢板质量。

2试验的材料和方法

试样取自鞍钢厚板厂生产的钢板,在板宽1/4处取样。拉伸试样采用φ10mm横向标准圆试样;冲击试样为横向,加工成10mm×10mm×55mm的标准V型缺口试样。在Olympus光学显微镜下进行微观组织观察,在TecnaiG2透射电子显微镜下进行析出物观察。利用电炉进行反复搪烧处理,用弯曲法和拉伸法两种方法测试钢板与其釉层的密着强度。

3微观组织与性熊分析

3.1微观组织

在金相显微镜下观察,正火处理后钢板的显微组织为铁素体+少量珠光体,晶粒度9级,如图1所示。在透射电镜下观察,铁素体基体上分布有大量的弥散析出的TiC第二相粒子,如图2所示。
图l  试样的组织照片图2试样中的二相粒子电镜照片

钢板经反复搪烧处理后的金相组织为铁素体+少量珠光体,晶粒度仍保持9级,见图3。由图4可见,二相粒子TiC析出更充分,分布均匀并趋于球化。钢板正火处理后,组织更加均匀和细化,TiC粒子析出充分,提高了钢板的强度和韧性。
图3搪烧后钢板组织照片
图4搪烧后二相粒子电镜照片

3.2力学性能

钢板的拉伸和冷弯性能结果见表2,冲击韧性见表3。可以看出性能达到指标要求,并且冲击韧性余量很大。这主要是由于其细小的铁素体晶粒组织,不易产生应力集中和解理断裂,促使韧性提高,韧脆转变温度下降。
表2钢板的拉伸和冷弯性能
表3钢板的冲击韧性

3.3焊接性能

采用埋弧自动焊,焊丝为H08MnA、规格φ3.2mm,焊剂为SJ101。钢板厚度为16mm,焊接坡口300,按JB4708-2000对焊接接头进行了拉伸、冷弯试验和冲击试验,见表4、表5。结果表明,钢板具有良好的焊接性能。
表4焊接接头的力学性能和冷弯性能
表5  焊接接头的冲击试验

3.4搪烧后钢板的强度稳定性

模拟搪烧后的性能见图5、图6。从图中可以看到,钢板经反复搪烧处理后,屈服强度稳定在300MPa以上,钢板仍然具有良好的韧性。由于钢中添加了合金元素Mn、Ti,提高了搪烧后钢板的强度稳定性
图5搪烧后强度
图6搪烧后延伸率和冲击韧性

3.5抗鳞爆性能评定

钢板样品单面搪玻璃、双面搪玻璃和全包容搪玻璃后,放置一个月以上,用100倍显微镜观测鳞爆点,试样表面均未发生鳞爆现象,这说明该钢板具有优良的抗鳞爆性能。全包容试验样品形貌的照片见图7。
图7全包容搪玻璃试板

3.6搪玻璃与钢板搪烧后密着强度试验

用弯曲法和拉伸法两种方法测试了研发钢板与其釉层的密着强度,以判断密着性。釉层脱落时的样板临界弯人角度和临界张力值的测试结果见表6。表中也列出了Q235B钢的釉层与其釉层的密着强度,通过对比可知,弯曲时所研发钢板的釉层发生破坏时的弯人角度较大,且拉伸时其釉层开始破裂的张力临界点比Q235B的高43MPa,这说明所研发的搪玻璃钢板具有较高的密着强度。
表6弯曲法及拉伸法测试的搪瓷结合强度情况

4结论

(1)试验钢中添加合金元素Mn、Ti,提高了搪玻璃钢板的强度稳定性,对钢板反复搪烧处理后,其屈服强度稳定在300MPa以上,-25℃时仍具有良好的冲击韧性。

(2)试验结果表明,所研发钢板的釉层发生破坏时的弯入角度较大,且拉伸时其釉层开始破裂的张力临界点比Q235B的高43MPa,钢板具有较高的密着强度。

(3)试验结果表明,研发的搪玻璃钢板成分设计合理,所选的生产工艺可行,组织状态和力学性能稳定,具有良好的焊接性能以及综合力学性能,为搪玻璃反应釜的制造提供了一种专用钢板。

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