热处理燃气加热炉辐射管开裂原因

石丽丽,董登超,麻 晗,张继明,喻智晨

(江苏省(沙钢)钢铁研究院,张家港 215625)

热处理线辐射管是加热炉的关键部件之一,其作用是将燃料燃烧释放的热能辐射给被加热物体,由于其内表面直接或通过陶瓷管与燃烧火焰、高温烟气接触,工作环境恶劣,局部容易被灼烧、氧化,沿管体长度方向或管壁厚度方向可能存在温差,进而产生热应力。因此,辐射管材料一般采用耐热合金钢。ZG40Cr25Ni20钢是一种铬镍奥氏体耐热钢,具有良好的导热性、耐高温性能及耐蚀性,被广泛应用于加热炉辐射管和航天高温管等领域。

某厂热处理车间燃气加热炉采用辐射管加热方式,加热温度为 920℃,辐射管材料为ZG40Cr25Ni20钢,制造方式为离心铸造,管内放置有陶瓷管,陶瓷管内为天然气和压缩空气,通过燃烧天然气,对辐射管进行加热,陶瓷管外为氮气和甲醇保护气。服役时间不到2 a,该加热炉多根辐射管发生开裂,从而导致加热钢材脱碳而产生次品,增加了产线停炉检修的维护次数,进一步影响钢材的生产及交货时间。

为查明该辐射管开裂的原因,本工作进行了一系列检验,以期避免该类问题的再次发生。

1 理化检验与结果

1.1 宏观观察

如图1所示,在现场取得开裂辐射管的一段,采用半自动立柱卧式带锯床沿辐射管径向将其切割成4块,位置1为起裂位置,位置3为最终开裂位置,位置2和4均为起裂位置与最终开裂位置之间的过渡区。

图1 燃气加热炉辐射管开裂位置的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of cracking position of gas heating furnace radiation tube

1.2 化学成分分析

采用岛津PDA-7000型直读光谱仪对辐射管进行化学成分分析。由表1可见,开裂辐射管的碳元素含量远远超出标准值,磷元素含量超过标准值上限,铬元素含量低于标准值下限,表明该开裂辐射管的化学成分不符合GB/T8492-1987《耐热钢铸件》标准中对ZG40Cr25Ni20钢化学成分的技术要求。

表1 开裂辐射管的化学成分Tab.1 Chemical composition of cracked radiant tube%

1.3 金相检验

在开裂辐射管起裂位置截取试样,采用蔡司Axio Imager Z1m 型金相显微镜对其截面进行显微组织观察。由图2可见:在辐射管内壁多处分布有较为严重的氧化区,且有沿晶界继续扩展的趋势,氧化区存在明显的裂纹,表明材料的塑性极低;靠近辐射管内壁存在铸造疏松缺陷,有些疏松缺陷已相互连接形成裂纹。

图2 开裂辐射管截面的微观形貌Fig.2 Micro morphology of cross-section of cracked radiant tube

由图3可见:辐射管内壁附近的组织,碳化物主要在晶界析出,晶内有少量的碳化物;辐射管外壁附近的组织,碳化物在晶界和晶内均存在大量析出,这主要是长期高温渗碳气氛造成的;辐射管外壁的碳化物明显多于内壁的。

图3 辐射管内、外壁附近的显微组织Fig.3 Microstructure near inner(a)and outer(b)walls of radiant tube

1.4 物相分析

采用日本理学D/max-2500/PC 型X 射线衍射仪(XRD),分别对开裂辐射管基体和高温氧化腐蚀产物进行物相分析。如图4所示,辐射管基体组织为奥氏体,晶界和晶内的碳化物为Cr23C6,Cr3C2,晶界处Cr23C6的存在会明显降低辐射管的耐蚀性;辐射管内壁腐蚀产物主要由Fe3O4、Cr2O3和FeO 构成。

图4 开裂辐射管基体及内壁腐蚀产物的XRD 谱Fig.4 XRD patterns of matrix and corrosion products in inner wall of cracked radiant tube

1.5 断口分析

在开裂辐射管最终开裂位置的断口截取试样,采用蔡司EVO18型扫描电镜(SEM)进行对其进行微观形貌观察。如图5所示:辐射管内壁附近的断口存在疏松缺陷,这与图2中的金相检验结果一致;辐射管壁厚中心位置的断口呈解理断裂的形貌特征,属于脆性断裂;辐射管外壁附近存在自外壁凸起处向内部的辐射花样,断裂源位置如图5(c)中黑色箭头所示。

图5 开裂辐射管不同位置处的断口SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of fracture at different positions of cracked radiant tube:(a)near inner wall;(b)center position of wall thickness;(c)near outer wall

在开裂辐射管起裂位置处截取试样,采用牛津X-Max型能谱仪(EDS),对其不同厚度处组织的化学成分进行分析。由图6和表2可见:辐射管壁厚不同位置处的碳元素含量均远远超过标准值;由辐射管内壁至外壁,铬元素含量逐渐减小;位置2、位置4、位置7为晶界处,均存在碳和铬元素,还有少量氮元素,推测晶界处为碳氮化物。

表2 开裂辐射管不同位置处的EDS分析结果Tab.2 EDS analysis results of different positions of cracked radiant tube %

图6 开裂辐射管不同位置处的EDS分析位置Fig.6 EDS analysis positions at different positions of cracked radiant tube:(a)near inner wall;(b)center position of wall thickness;(c)near outer wall

2 失效原因分析

由化学成分分析结果可知,开裂辐射的化学成分不符合GB/T8492-1987标准对ZG40Cr25Ni20钢的技术要求,其碳元素含量远远超过标准值。碳元素含量过高会使碳化物过量析出,消耗基体中的铬元素[1],从而减缓保护性氧化膜的形成,降低了钢的抗高温氧化性能。由EDS分析结果可知,沿辐射管内壁向外壁方向,基体中的碳元素含量逐渐升高,均超过标准规定的上限值,晶界处碳含量更高。考虑到辐射管内部是燃烧的天然气和压缩空气,管外是甲醇和氮气保护气,通过控制保护气体碳势,抑制钢材的脱碳趋势。该开裂辐射管的碳含量高达1.64%,保护气体碳势过高,在长期高温条件下,会导致辐射管外壁附近发生严重渗碳,形成增碳组织,该组织塑性低、韧性差,进而使辐射管的塑性和韧性降低[2-3]。耐热钢中的磷元素容易在晶界处聚集,与基体金属形成易熔共晶,在高温和较大应力共同作用下,易产生红脆[4]。该开裂辐射管晶界处未发生磷元素的偏聚,表明磷元素超标不是引起辐射管开裂的主要因素。

铬元素可提高ZG40Cr25Ni20钢的抗氧化性能和高温蠕变性能[5]。辐射管基体组织为奥氏体和铬的碳化物,在辐射管内壁附近,铬的碳化物主要分布在晶界处,在辐射管外壁附近,铬的碳化物含量增多,在晶界和晶内均有大量分布,主要原因是外壁附近碳元素含量较高,其向奥氏体晶粒内部扩散的速率大于铬元素向晶界的扩散速率,当碳元素含量高于奥氏体基体中碳的固溶度极限时,碳元素就会与铬元素结合,在晶内析出铬的碳化物[6],从而使基体中铬元素的含量降低,进而降低辐射管的耐高温氧化腐蚀性能和抗高温蠕变性能[7]。

此外,辐射管内壁附近存在疏松的铸造缺陷,这是铸造工艺不当导致的[8]。辐射管采用离心铸造工艺制备,其铬和镍含量较高,铸造难度较大,在离心铸造工艺控制不当的情况下,容易产生铸造缺陷,在高温下服役一段时间后,辐射管内部铸造缺陷处会优先被氧化、腐蚀,从而降低了辐射管的力学性能。

在辐射管内部加热过程中,在热应力作用下,外壁附近组织会产生应力集中,进而产生裂纹,裂纹逐渐向内壁扩展,辐射管内部铸造缺陷和腐蚀区域会加速裂纹扩展,最终导致辐射管开裂。

3 结论

辐射管外保护气体碳势控制不当,辐射管自外壁向内壁大量渗碳,晶界和晶内析出大量粗大的Cr23C6,使辐射管脆性升高,在热应力作用下,辐射管自外壁起裂,并向内壁扩展。由于碳化物的大量析出,固溶在辐射管基体中的铬元素含量降低,这使得辐射管抗氧化性能降低,在管内高温氧化气氛环境中,辐射管发生氧化、腐蚀,辐射管内部铸造缺陷加速裂纹扩展,最终导致辐射管开裂。