鄭文杰

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030008）

21 世紀以來，隨著煉鐵技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)保生產(chǎn)的高要求，煉鐵高爐日益大型化。隨著冶煉強度提高，高爐爐缸直徑逐漸變大，爐底是高爐工作環(huán)境最惡劣的區(qū)域[1]。由于爐缸、爐底的設(shè)備設(shè)施不易修補，所以爐缸、爐底的壽命是高爐壽命主要影響因素之一。國內(nèi)某4 350 m3高爐爐底冷卻水管建設(shè)提出一次成型超長不銹鋼無縫鋼管的要求，其無縫鋼管各項性能要求高于相關(guān)標準，使用年限長，使用環(huán)境存在水中氯離子腐蝕、溫度波動以及交變應(yīng)力的影響等。目前國內(nèi)不銹鋼無縫鋼管的生產(chǎn)普遍采用熱穿孔成型+多道次冷軋（拔），生產(chǎn)周期長、成本高，鋼管長度普遍較短。若使用常規(guī)鋼管焊接成超長管，焊瘤的處理、焊縫熱處理、焊縫組織性能等均會對產(chǎn)品質(zhì)量造成一定風險。為滿足該類大型高爐對超長不銹鋼無縫鋼管的需求，山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司采用擠壓工藝研發(fā)了一種超長不銹鋼無縫鋼管?，F(xiàn)主要介紹該超長不銹鋼無縫鋼管的研發(fā)情況。

1 研制目標和技術(shù)難點

為滿足某4 350 m3高爐爐底爐缸用技術(shù)要求，按照高爐爐缸長壽命制定了Φ89 mm×6 mm 規(guī)格12Cr18Ni9 水冷管的主要性能指標：常溫屈服強度≥245 MPa，常溫抗拉強度≥550 MPa，伸長率≥40%；材料內(nèi)非金屬夾雜物少，夾雜物形態(tài)得到控制，晶粒度控制在4～7 級；外徑允許偏差控制在±0.9%公稱外徑，壁厚允許偏差控制在±10%公稱壁厚；鋼管交貨長度范圍16.2～23.0 m，長管整根供貨，不允許焊接，且逐支進行渦流檢測、超聲波檢查和水壓試驗。

該超長不銹鋼無縫鋼管的主要特點有：①產(chǎn)品常溫力學性能高于國家標準，對夾雜物、晶粒度有控制要求；②變形工藝一次成型，對產(chǎn)品尺寸、表面質(zhì)量等要求高，檢測、檢驗項目較多；③與焊接鋼管相比，可以承受更高的壓力，并保持長久的穩(wěn)定性，解決了焊縫及其組織性能可能帶來的質(zhì)量風險；④長度較長，單根質(zhì)量較大，吊裝、制造、檢驗和轉(zhuǎn)運等過程需要超出常規(guī)的13 m 限制。

2 化學成分的設(shè)計和管坯的選擇

2.1 化學成分

為滿足高爐爐底超長水冷管的質(zhì)量要求，對管坯的化學成分和鋼的純凈度提出了要求。通過降低有害元素P、S、Cu 的含量，適當提高C、Mn 等含量，合理設(shè)計鋼種化學成分。采用“轉(zhuǎn)爐冶煉+AOD（Argon Oxygen Decarburization，氬氧脫碳法）精煉+鋼包爐外精煉”的冶煉工藝，提高鋼的純凈度，保證產(chǎn)品的力學性能、金相組織及夾雜物的要求。選取3 個爐號的試驗坯料，其化學成分見表1。

表1 12Cr18Ni9 管坯的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）最大值 %

2.2 管坯的生產(chǎn)及選取

管坯選取熱鍛圓鋼，表面黑皮車削完后的直徑為222 mm，晶粒度4～5 級，然后進行表面檢查和擠壓前的車床加工。加工后的鋼棒端面切斜度≤3 mm，表面粗糙度Ra≤3.2 μm。

3 制管工藝研究

擠壓生產(chǎn)時，金屬在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下變形[2]，擠壓管組織均勻致密、成品性能優(yōu)異，且可以使用包芯擠壓法生產(chǎn)細長的特殊鋼管材[3]。擠壓生產(chǎn)是長管質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 擠壓應(yīng)力、應(yīng)變速率和擠壓速度分析

考慮到同一材料在不同的溫度和應(yīng)變速率條件下，其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線會發(fā)生變化。因此，建立12Cr18Ni9 材料的模型，分析不同應(yīng)變速率和不同溫度時12Cr18Ni9 的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，以及不同擠壓速度時12Cr18Ni9 的應(yīng)變速率。

圖1 所示是12Cr18Ni9 在應(yīng)變速率分別為0.1，0.5，1.0，2.5，5.0，10 s-1，擠壓溫度為1 200 ℃時的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。圖2 所示是12Cr18Ni9 分別在950，1 000，1 100，1 200，1 250 ℃，應(yīng)變速率為10.0 s-1的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。模擬結(jié)果表明，隨著變形溫度的提高，12Cr18Ni9 的流變應(yīng)力逐漸下降。因為溫度升高，熱啟動作用逐步增強，原子動能增大，原子間的結(jié)合力逐漸減弱，位錯滑移的臨界切應(yīng)力隨之下降，合金的變形抗力也同步降低。

圖1 不同應(yīng)變速率時12Cr18Ni9 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖2 不同溫度時12Cr18Ni9 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

不同擠壓速度時12Cr18Ni9 錠坯的應(yīng)變速率如圖3 所示。模擬結(jié)果表明，擠壓模入口處是錠坯應(yīng)變速率最大的區(qū)域，且應(yīng)變速率隨擠壓速度的增大而增大。圖3（c）中，擠壓速度為200 mm/s 時，最大應(yīng)變速率在130 mm/s 左右，金屬流動均勻，擠壓力比較穩(wěn)定。生產(chǎn)試驗證明，擠壓速度在200 mm/s 左右時，擠壓過程比較平穩(wěn)，制品表面光滑，可滿足性能要求。

圖3 不同擠壓速度時12Cr18Ni9 錠坯的應(yīng)變速率

3.2 擠壓力理論計算

在擠壓過程中，擠壓力主要受變形抗力、擠壓溫度、擠壓速率、變形比、模角、坯料長度、摩擦條件等因素影響[4-5]。目前擠壓力的確定方法主要有主應(yīng)力法、上限原理法、有限元法、滑移線場法、圖算法和經(jīng)驗公式法等計算法[6]。筆者采用平均主應(yīng)力理論推導出了擠壓力計算公式（1），由于該公式考慮了各種擠壓條件，因此比較實用[7-11]。

事業(yè)單位的經(jīng)費主要來自國家預(yù)算撥付。這部分費用用于維持事業(yè)單位完成工作任務(wù)和事業(yè)計劃所需的業(yè)務(wù)支出。事業(yè)單位經(jīng)費按類別/用途可分為人員經(jīng)費和公用經(jīng)費，或者分為維持經(jīng)費和發(fā)展經(jīng)費。但無論哪種經(jīng)費，如何管控、提高經(jīng)費的使用效率和效益，是目前我國事業(yè)單位普遍面臨的一項熱點問題。倘若經(jīng)費管控不力，不僅可能會置事業(yè)單位于運營困難、資金鏈斷裂的境地，還容易造成國有資產(chǎn)流失，給事業(yè)單位造成不可估量的損失。因此，加強事業(yè)單位經(jīng)費管控具有顯著的現(xiàn)實意義。對此，筆者建議我國事業(yè)單位應(yīng)從如下幾個角度入手，希望能夠?qū)κ聵I(yè)單位經(jīng)費管控的完善有所幫助。

式中 F—— 擠壓力，N；

F0—— 不考慮外摩擦的影響，為實現(xiàn)變形所需的力，即克服金屬變形阻力的作用力，N；

F1—— 克服擠壓筒表面摩擦的作用力，N；

F2—— 克服壓縮變形區(qū)摩擦的作用力，N；

F3—— 克服模具定徑區(qū)摩擦力的作用力，N。

擠壓力理論計算參數(shù)見表2。根據(jù)圓管擠壓力經(jīng)驗公式[4]，將表2 參數(shù)通過理論計算，可得理論最大擠壓力約為40 MN。

表2 擠壓力理論計算參數(shù)

3.3 擠壓溫度分析

用ANSYS 有限元軟件對擠壓過程中的工模具進行熱模擬仿真，得到12Cr18Ni9 在熱擠壓過程中的溫度及熱流量分布規(guī)律，并結(jié)合實際生產(chǎn)情況對擠壓過程中不同階段的溫度進行控制。

圖4 不同擠壓溫度時12Cr18Ni9 的擠壓力曲線

擠壓過程中管坯被加熱到1 200 ℃左右，不銹鋼析出的碳化物溶解于固溶體內(nèi)，同時由于高溫下的擴散作用，減小了各處Cr 濃度的差異，減弱了奧氏體鋼的晶間腐蝕傾向。由于擠壓過程的溫升，擠壓后管材的溫度在1 150～1 250 ℃。為了避免冷卻時碳化物從固溶體中析出，產(chǎn)品需立即入水冷卻（或者迅速噴淋），以得到單一的奧氏體組織，達到固溶處理的效果，提高產(chǎn)品抗腐蝕性能和塑性。

3.4 長管工藝設(shè)計

根據(jù)上述變形工藝研究，經(jīng)多次試驗，最終設(shè)計了“60 MN 臥式擠壓機擠壓+在線水冷+精整處理”的制造工藝，其主要工藝步驟為：管坯加工→環(huán)形爐加熱→感應(yīng)加熱→潤滑→熱擠壓→在線水冷（固溶）→矯直→酸洗→修磨及檢查→平頭鋸切→噴丸→試驗和檢驗→包裝入庫。

熱擠壓后的管子頭尾必須切除，管子酸洗后內(nèi)外表面會脫落一層氧化皮，外徑和壁厚會減小0.1 mm 左右，同時投料設(shè)計上至少保留制品500 mm 的頭尾切除余量。熱擠壓毛管尺寸按Φ89.1 mm×6.1 mm 控制，最終經(jīng)矯直、平頭、修磨、酸洗等處理后按Φ89 mm×6 mm 交付。

為滿足長管的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運、裝卸、檢測，制作了長度20 m 的大型專用吊梁，改造并加長了酸洗槽的工作長度；對無損檢測臺架前后各增加一組8 m 的固定托輥進行支撐，以滿足鋼管逐支自動探傷的要求。

4 性能測試及檢驗分析

按照相關(guān)技術(shù)協(xié)議和國家標準規(guī)定，對生產(chǎn)的爐底超長水冷管的拉伸性能、夾雜物等級、晶粒度、腐蝕性能等進行檢測。

4.1 非金屬夾雜物及金相組織

委托某國家重點實驗室對12Cr18Ni9 鋼管的非金屬夾雜物及金相組織進行檢測。檢測發(fā)現(xiàn)各類夾雜物（A、B、C、D）的細系級別和粗系級別分別不大于2.0 級，DS 類夾雜物不大于0.5 級，夾雜物控制良好；晶粒度在6.0～6.5 級。12Cr18Ni9 鋼管的晶粒度檢測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 12Cr18Ni9 鋼管的晶粒度檢測結(jié)果

4.2 力學性能測試及腐蝕試驗

委托某國家重點實驗室檢測12Cr18Ni9 鋼管的力學性能和腐蝕性能。12Cr18Ni9 鋼管的力學性能檢測結(jié)果見表3，擴口和壓扁試驗結(jié)果合格；按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》E 法檢測12Cr18Ni9 鋼管的晶間腐蝕性能，皆通過了內(nèi)彎、外彎試驗。

表3 12Cr18Ni9 鋼管的力學性能檢測結(jié)果

通過嚴格控制鋼質(zhì)純凈度，降低有害元素P、S、Cu 的含量，適當提高C、Mn 含量，以及采取熱擠壓后在線快速固溶等控制措施，12Cr18Ni9 鋼管的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率高于GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》要求值20%，也優(yōu)于技術(shù)協(xié)議要求10%以上。

4.3 無損檢測和水壓測試

按GB/T 7735—2016《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管缺欠的自動渦流檢測》E2H 等級要求和GB/T 5777—2008《無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法》U2 級要求進行渦流檢測和超聲波檢測，標準樣管驗收合格。水壓試驗壓力按GB/T 14976—2012 規(guī)定的上限19 MPa 進行逐支試驗，穩(wěn)壓后保壓10 s，無泄漏。

4.4 實物質(zhì)量水平

經(jīng)測量，酸洗后12Cr18Ni9 鋼管的外徑在88.38～89.64 mm（即±0.8%公稱外徑），外徑平均值為89.05 mm；壁厚在5.55～6.50 mm（即±9%公稱壁厚），壁厚平均值為6.05 mm。可見，生產(chǎn)的12Cr18Ni9鋼管的外徑和壁厚均優(yōu)于技術(shù)協(xié)議，并高于GB/T 14976—2012 中有關(guān)高等級不銹鋼管的規(guī)定。不銹鋼管熱擠壓并經(jīng)精整酸洗等處理后，表面光潔，粗糙度Ra6.3 μm，成品管表面質(zhì)量滿足要求。

5 使用分析

水冷爐底較風冷爐底冷卻強度大，能耗低[12]。12Cr18Ni9 不銹鋼無縫鋼管內(nèi)壁光潔，長期導熱性能良好。爐底水冷管布置處，由于水冷管道熱交換作用，大量熱量被冷卻水帶走[13-14]。某4 350 m3高爐自投產(chǎn)以來，爐底水冷管出水溫度保持在（36.5±5）℃，爐缸溫度保持在較低的范圍。通過多年的生產(chǎn)實踐表明，該4 350 m3高爐生產(chǎn)情況狀況良好，爐底、爐基溫度穩(wěn)定。

12Cr18Ni9 擠壓不銹鋼無縫鋼管成本低，性能優(yōu)良，不僅很好解決了爐底、爐缸長壽命問題，還降低了因焊接可能導致的焊縫質(zhì)量風險。此類超長無縫鋼管制品已成功應(yīng)用于建設(shè)山西、廣西和安微等省其他3 000～4 350 m3大型高爐爐底水冷管。

6 結(jié) 語

（1） 通過理論研究，成功開發(fā)了擠壓一次成型超長不銹鋼無縫鋼管的工藝，其成本低、工藝穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。

（2） 12Cr18Ni9 超長不銹鋼無縫鋼管的各項性能滿足技術(shù)要求，理化性能高于相關(guān)標準20%以上，可以作為焊接鋼管、合金結(jié)構(gòu)管、復(fù)合管等替代品。

（3） 改造了吊裝工具、無損檢測和酸洗設(shè)施，為超長無縫鋼管生產(chǎn)、檢測、轉(zhuǎn)運等積累經(jīng)驗。

（4） 12Cr18Ni9 超長不銹鋼無縫鋼管的成功開發(fā)和生產(chǎn)保證了大型高爐爐底、爐缸的溫度穩(wěn)定在較低的范圍，為高爐和爐底長壽命奠定良好的基礎(chǔ)，具有良好的可推廣性。