Восстановительная термическая обработка углеродистой стали

На тепловых электростанциях малой мощности, в крекинг-установках, на сахарных заводах, в про­мышленных котельных и на других объектах ис­пользуются паропроводы из углеродистой стали 20, спроектированные для эксплуатации при темпера­туре 450 °С и ниже. В процессе длительной эксплуа­тации, особенно в случаях длительных выбегов фак­тической температуры пара выше проектной, на­блюдается нестабильность структуры металла.

Котельная углеродистая сталь состоит из двух структурных составляющих: феррита и перлита. Феррит - твердый раствор углерода в железе, содер­жащий при комнатной температуре до 0,01 % угле­рода и при температуре 720 °С - около 0,02 %. Ос­тальной углерод входит в состав цементита - хими­ческого соединения РезС.

Цементит образует с ферритом механическую смесь пластинчатого строения - перлит. В котельной стали 20 в поле зрения микроскопа в среднем около 20 % перлита и 80 % феррита. Плотность цементи­та составляет 7,82 г/см , чистого железа 7,87 г/см , т.е. они весьма близки. Между их кристаллическими решетками существует хорошее атомное взаимодей­ствие - они прочно сцеплены. Феррит мягок и плас­тичен, а цементит тверд и хрупок. Их совокупность и определяет механические свойства конкретной уг­леродистой стали.

В процессе длительной эксплуатации при высокой температуре пластинки цементита в перлитных зер­нах стремятся принять сферическую форму - тер­модинамически более устойчивую. Сфероиды обла­дают меньшей удельной поверхностью - отношени­ем площади контакта цементита с ферритом по от­ношению к объему, занимаемому цементитом. Ио­ны, располагающиеся в зоне контакта феррита и це­ментита, обладают повышенным запасом энергии. По поверхности раздела твердых фаз существует поверхностное натяжение, аналогичное тому, кото­рое наблюдается на поверхности раздела жидкости и газа. Это натяжение в совокупности с возрастаю­щей диффузионной подвижностью ионов в кристал­лической решетке фаз металла при увеличении тем­пературы и обусловливает протекание процесса сфе-роидизации. Сфероидизация приводит к снижению прочности стали при некотором увеличении плас­тичности.

При длительной эксплуатации элементов котлов и паропроводов, изготовленных из углеродистой стали и эксплуатируемых при температурах 400 °С и вы­ше, возможна также графитизация цементита - рас­пад химического соединения РезС на железо и гра­фит. Включения графита могут иметь хлопьевидную форму, пластинчатую или близкую к шару (рис. 1). Графит обладает очень малой прочностью. Он прак­тически не сцеплен с металлической матрицей. В то же время его плотность (2,25 г/см ) в 3,5 раза ниже плотности феррита или цементита. Для образования включений графита требуется раздвинуть соседние атомы железа. На это требуется затратить энергию. 


Рис. 1. Структура стали 20 с шаровидными включениями графита; паропровод котла БГ-35/39 Малороссийского сахарного завода (г. Тихорецк), Х500.

В первом приближении включения графита с ме­ханической точки зрения следует рассматривать как пустоты. Графитизация стали обусловливает суще­ственное ухудшение пластических свойств, а также сильно снижает несущую способность конструкций при изгибных и ударных нагрузках.

Процессы сфероидизации и графитизации проте­кают одновременно. Основными факторами, опреде­ляющими оба процесса, являются температура и время [1,2]. Исследования, выполненные авторами, показали, что между процессами сфероидизации и графитизации нет прямой связи. Графитизацию можно наблюдать и при относительно слабо разви­той сфероидизации.

Установлено, что процесс графитизации в первую очередь можно обнаружить в зоне термического влияния сварных швов и в металле гибов, не про­ходивших термической обработки после холодной гибки. Металлургические факторы, способствующие развитию графитизации, - повышенное содержание алюминия и кремния.

Сталь с мелким фактическим зерном легче под­вергается графитизации, чем сталь с крупным зер­ном. Остаточные напряжения также способствуют графитизации. Отмечалось, что нагрев в межкрити-че.ском интервале между Аr1 и Аr3 увеличивает склонность к распаду цементита. Но все это лишь качественные оценки.

Процесс распада цементита подробно изучен при­менительно к технологии получения ковкого чугуна из белого [3]. Однако если в аустените при 900-950 °С он завершается в течение нескольких часов или максимум до трех десятков часов, то при тем­пературе ниже 727 °С в феррите переход в стабиль­ное состояние с глубоким распадом цементита про­текает чрезвычайно медленно.

Графитизация идет как процесс кристаллизации: путем зарождения центров графита и дальнейшего роста кристаллов. Имеется инкубационный период. Чем ниже температура, тем длительнее инкубаци­онный период и тем меньше скорость зарождения и роста кристаллов графита. Для самопроизвольного возникновения зародыша графита требуются весьма существенные флуктуации энергии и концентрации. Поверхностное натяжение на границе раздела гра­фита и феррита существенно выше, чем на границе раздела цементита и феррита. Известно, что зарож­дение графита происходит легче на границе раздела феррит - цементит [3 ].

Первое сообщение о крупной аварии на электро­станции в США, связанной с графитизацией в око­лошовной зоне сварного соединения на паропроводе размером 325x36 мм, относится еще к 1943 г. Круп­ная авария произошла после 5,5 лет эксплуатации при 505 °С с колебаниями температуры ±20 °С. Па­ропровод был изготовлен из молибденовой стали с содержанием 0,5 % молибдена. Последующие ис­следования в нашей стране и за рубежом позволили установить, что графитизация протекает лишь в уг­леродистых и молибденовых сталях. Добавка 0,5 % хрома или более делает карбиды устойчивыми про­тив графитизации. От применения молибденовой стали в нашей стране отказались. Для элементов трубопроводов из углеродистой стали температуру ограничили 450 °С.

Однако при длительности эксплуатации более 150 тыс.ч (при расчетном сроке службы 100 тыс.ч) продолжали отмечаться случаи графитизации [4, 8 ].

В сахарной промышленности эксплуатируются котлы производительностью 35 т/ч с проектными па­раметрами 3,9 МПа и температурой перегрева 450 °С, спроектированные для работы на мазуте. При переходе на газовое топливо существенно сни­жается тепловосприятие в топке и увеличивается доля тепла, воспринимаемого конвективными поверхностями нагрева. Обычными впрысками удер­жать температуру перегрева в проектных предел» уже не удается. Технологический процесс не дот­екает длительного останова котла на реконструкции] в период сахароварения. На паропроводах такт котлов было много случаев графитизации. Значи­тельная часть их заменена.

Особенность рассматриваемого конкретного слу­чая - низкая температура эксплуатации, весьма большая продолжительность. В литературе имеются сообщения о том, что процесс графитизации можно обратить путем восстановительной термической об­работки [4-6 ]. Однако имеются и другие выводы [7]. Указывается, что так называемый "черный излом" (образование графита из цементита в процессе ков­ки) не может быть устранен даже высоким отжигом.

В данной работе проведено исследование металла патрубка из стали 20 со сварным соединением посе­редине. Патрубок трубы размером 325x14 мм про­работал в паропроводе на Алексинской ГРЭС при температуре пара 410 °С и давлении 3,4 МПа в те­чение 390 тыс.ч. Сварные стыки были ранее перева­рены вследствие наблюдавшейся графитизации. Графитизация, соответствующая баллу 2 по шкале ВТИ, была обнаружена лишь в одной трубе этого патрубка. Графит лучше виден на нетравленном шлифе (рис. 2).


Графитовые включения разбросаны по всему полю шлифа. В основном они имеют округлые очертания. Их больше в поперечном сечении. Включения выра­батываются при полировке, так как они более мяг­кие по сравнению с металлической матрицей. Они тяготеют к неметаллическим линзообразным вклю­чениям светло-серого цвета (предположительно су­льфидам марганца). Химический состав металла пат­рубка с графитизированной структурой: С - 0,18 %, 81 - 0,18 %, Мп - 0,69 %, Сг - 0,07 %, № - 0,07 %, 8 - 0,007 % и Р - 0,049 %. Он практически полно­стью соответствует требованиям ТУ 14-3-460-75 и стали 20: С - 0,17-0,24 %, 81 - 0,17-0,37 %, Mn - 0,35-0,65 %, Сг - не более 0,25 %, N1 - не более 0,25 %, 8 - не более 0,025 %, Р - не более 0,03 %.

Особенность данного случая - относительно низкая температура эксплуатации, при которой была обна­ружена графитизация, но весьма большой срок экс­плуатации. Следует отметить, что в данном случае сфероидизация не получила существенного развитая (рис. 3). Структура ферритоперлитная с неболь­шой полосчатостью, соответствующей баллу 1 пс ГОСТ 5640-68. Размер зерна соответствует баллам 8-9 по ГОСТ 5639-82.


Рис. 3. Структура стали 20 из паропровода Алексинской ГРЭС после 390 тыс. ч эксплуатации, хЮО (а), х500 (б).


Для отработки режимов восстановительной терми­ческой обработки стали 20 в состоянии после экс­плуатации с описанной выше степенью графитиза­ции была проведена нормализация двух образцов с обычным нагревом для этой стали, выдержкой 20 мин и охлаждением на воздухе. В микрострукту­ре металла в нетравленном виде наблюдаются ру­диментарные остатки графитовых включений. Пос­ле травления зерно стало несколько меньше, полос­чатость не устранена. Перлит плотный.

В таблице приведены значения твердости металла по Роквеллу по шкале В, пересчет в твердость пс Бринеллю и расчетные значения временного сопро­тивления для всех исследованных состояний метал­ла.

Не исключена возможность обнаружения в других трубах того же паропровода более глубокой степени графитизации. Разрабатываемый режим должен га­рантировать положительный результат восстанови­тельной термической обработки.

Для отработки режима восстановительной терми­ческой обработки на образцах с более выраженной

Механические характеристики металла трубы после различных режимов термообработкиу

 

 

Состояние металла

 

Твердость по

Роквеллу’

Твердость по

Бринеллю,

МПа

Временное сопро-

тивление,

МПа

Исходное состояние

70,0

1226

448

700°С, 4ч

65,7

1145

425

680°С, 24ч

63,0

1097

410

700°С, 24ч

64,4

1124

418

710°С,100ч

60,0

1049

396

715°С,100ч

63,0

1098

410

720°С, 100ч

60,9

1060

400

700°С, 173ч + нормализация

 

62,9

 

1095

 

409

950°С, 20 мин

 

 

 

715°С, 100ч + нормализация

 

71,3

 

1258

 

458

1080°С, 20мин + нормализация 910°С, 20 мин

ТУ 14-3-460-75

 

 

 

-

 

 

 

-

 

 

 

420-560

 

‘Средние значения по 8-20 измерениям


степенью графитизации был проведен провоцирую­щий нагрев для искусственного старения и графи­тизации стали 20. Нагрев проводили в печах АИМА-5 с поддержанием температурного режима с точностью ±3 °С и записью температуры на диа­грамме. Выдержки осуществляли при температурах, близких к нижней критической точке А^: 680; 700; 710; 715 и 720 °С. Продолжительность выдержки варьировалась от 4 до 200 ч.


Рис. 4. Структура стали 20 после эксплуатации и прово­цирующего нагрева при 715 °С в течение 100 ч, Х500.

На рис. 4 представлена микроструктура стали 20 после эксплуатации и провоцирующего нагрева до 715 °С в течение 102 ч. Графитизация соответствует баллу 4 шкалы ВТИ. Новые центры графитизации располагаются преимущественно по границам неме­таллических включений. Имеется тенденция к обра­зованию хлопьевидных включений графита, анало­гичных тем, которые наблюдаются в ковком чугуне. Весь оставшийся цементит переместился в глобули, расположенные по границам зерен. Более полный распад структуры в процессе эксплуатации предста­вить трудно.

Образец после искусственной графитизации под­вергли обычной нормализации с выдержкой 20 мин. В микроструктуре металла после такого нагрева остались рудиментарные (сильно уменьшенные в размерах) гнезда графита. Гомогенизация аустенита не произошла, о чем свидетельствует строение пер­литных участков. Они имеют форму "червячков", расположенных по границам ферритных зерен.



Рис. 5. Структура стали 20 после эксплуатации и гомо­генизирующего нагрева, хЮО.   



После этого было решено увеличить температуру нагрева на 100-150 °С, сохранив ту же выдержку 20 мин. Увеличение выдержки резко снижает ско­рость движения индуктора при осуществлении вос­становительной термической обработки подвижным индуктором, существенно снижая производитель­ность. Поэтому пошли по пути повышения темпера­туры нормализации, а не увеличения выдержки Микроструктура представлена на рис. 5. Гнезда гра­фита устранены. Гомогенизация аустенита произо­шла. Но подросло несколько зерно и появилась ори­ентация перлита по видманштетту, что нежелатель­но.

Для достижения оптимальной структуры была проведена после гомогенизации нормализация от обычных для стали 20 температур. Она позволила сформировать оптимальную для стали 20 структуру. Графит устранен полностью, слабой строчечности больше нет, структура состоит из феррита и равно­мерно распределенного пластинчатого перлита.


Границы зерен чистые. Зерно стало несколько мель­че, чем в исходном состоянии (рис. 6).


Рис. 6. Стрзктура стали 20 после эксплуатации, гомоге­низирующего нагрева и нормализации, х500.

Таким образом доказано, что графитизация и сильная сфероидизация в стали 20 могут быть пол­ностью устранены двойной термической обработкой: гомогенизацией с последующей нормализацией.

Список литературы

1.    Ларичев В.А. Качественные стали для современных котель­
ных установок. М.: Госэнергоиздат, 1951.

2.    Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и тру­
бопроводов. М.: Энергия, 1980.

3. Богачев И.Н. Металлография чугуна. Свердловск: Метал-
лургиздат, 1962.

4.     Гофман Ю.М., Винокурова Г.Г. О графитизации паропрово­
дов из углеродистой стали // Теплоэнергетика. 1988. № 7. С. 30-
32.

5.     Гуляев В.Н. Металл в теплоэнергетических установках. М.:
Металлургия, 1969.

6.     Конторовский А.З. Методика исследования графитизации и
оценка степени ее развития // Теплоэнергетика. 1957. № 7.

7.     Одинг И.А. Прочность металлов. М.: ОНТИ, 1935.

8.     Катянин А.Д. Контроль за состоянием паропроводов энерге­
тических установок с котлами среднего давления // Безопасность
труда в промышленности. 1964. № 9.