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至德钢业不锈钢U型管弯管段固溶热处理工艺分析

来源:至德钢业 日期:2020-10-15 14:15:22 人气:29

浙江至德钢业有限公司通过固溶热处理原理和方法的分析,结合具体验证性试验与检验得出结论,电阻加热法可以实现不锈钢U型管弯管段的固溶热处理。


一、固溶热处理的原理


 奥氏体的晶间腐蚀是一种局部腐蚀,已经腐蚀的不锈钢,表面看不出缺陷,但是经不起内压、外压以及介质的腐蚀,甚至轻击便会破损,更不可用于压力容器。晶间腐蚀属于微观结构的破坏,不易检查,会造成设备的突然损毁,危害极大。由于450~850℃为敏化温度范围,根据材料温度有差异,使用时,可以将温度控制在450℃以下,在此范围内不会产生Cr23C6;固溶时,可将温度提高到850℃以上,提高铬的扩散速度,使铬在晶界和碳充分结合,避免形成贫铬区,降低发生晶间腐蚀的几率。在敏化温度中,650℃最为危险,所以在固溶的升温和冷却阶段一定要快,尽量避开这个温度区间,防止奥氏体不锈钢在固溶过程中发生晶间腐蚀。所以提高加热和冷却速度是做好固溶处理的关键点。


 常温下碳化物在奥氏体中的溶解度很小,随着温度升高碳化物溶解度增加,在1050℃以上时碳化物完全融入奥氏体中,迅速冷却能获得过饱和的奥氏体组织,这个过程称为固溶热处理。固溶热处理的温度一般控制在1050~1150℃之间,可在工程中实现。


二、固溶热处理措施


 根据厂内热处理设施和条件,不锈钢U型管弯管段的固溶热处理的技术攻关共制定2套方案,一是采取常规的热处理方式,进行炉内固溶处理;二是采取低电压超高电流的电阻加热法进行热处理,两种方法逐一试验。


 1. 炉内固溶热处理


  a. 固溶热处理方案介绍


  将弯制好的奥氏体不锈钢换热管加固捆扎结实,用行车吊入电加热炉,用岩棉封堵炉门(换热管直管段留在外部,通过热传导散热明显),进行加热,加热温度须达到1050℃~1150℃范围内,然后迅速放入冷却池进行快速水冷,完成固溶热处理。再从弯管段截取试样进行晶粒度、硬度、晶相分析、力学性能等验证性试验,检验固溶后换热管的各项性能。


  b. 具体实施过程中存在问题


   ①. 由于换热管的直管段均留在加热炉外部,加热U型弯管段时,热传导存在,炉内温度和U型弯管段温度很难达到1050~1150℃,最终温度停留在950℃,再也升不上去了。


   ②. 试验加热时间过长,超过24小时,加热过程在450~850℃之间停留时间过长,奥氏体不锈钢材料出现晶间腐蚀问题。


   ③. 即使温度达到要求,在冷却阶段的吊运存在问题。达到温度后,换热管刚度急剧下降,在自重作用下即弯曲变形,再加上换热管间挤压变形,不能满足制造要求。


 2. 电阻加热法


  a. 电阻加热法具体原理


   电阻加热法是采用自动埋弧焊机的碳弧气刨挡,其产生的电阻热对U型管弯管段进行加热实现固溶热处理,此弯曲段作为导体,一个U型换热管弯曲段包括U型段和2个至少150mm的直管段。其电阻R和电流I按下式计算:R=ρl/S,I=U/R;式中R为电阻,Ω;l为换热管长度,m;S为换热管作为导体的环形截面,㎡;ρ为电阻率,Ω·m;I为电流,A;U为电压,V。


  b. 电阻加热法试验方案


  先确定自动埋弧焊接的连接方式,制作简单工装对电阻加热法进行验证,主要确认其升温速度、达到温度范围、冷却方式等是否能满足固溶热处理工艺要求;接着进行细节优化,对各部分工装进行设计及优化,选择既经济又方便操作的工装;然后对冷却方式进行确定,选择安全可靠的,又能满足要求的冷却方式;最后按照GB/T4334—2008对热处理成品进行晶间腐蚀E法试验、力学性能试验、按照GB/T3298—2015进行金相分析等,以验证和确定固溶热处理的方法是否达到要求,工作原理如图1所示。


  c. 自动埋弧焊机的连接方式确定


  电阻加热法的特点是低电压高电流,最大电流达到2200A,峰值电流3000A,需要加热源有足够的耐电流性能。单台埋弧焊机的耐压电压值为1500A,为确保埋弧焊机的安全性,用3台埋弧焊接并联,以负荷更高的电流。如此高的电流,连接导线也必须有足够高的载流量,选择双根95mm2的铜导线,防止导线在运行过程中发热。


 d. 验证性试验


 制造简单工装对电阻加热法进行试验性验证。三台埋弧焊机并联连接完好;用电焊机接地钳制作简易加持电极,电极上配备1000A紫铜接线柱;温度测量用铝制热电偶,并配有温度显示装置;固溶热处理后,进行水冷,配有冷却水池。利用以上设施,进行验证。


 验证性试验,选择弯管半径R1000,加热到1051℃,用时37S(时间继电器显示),冷却用时45S(秒表显示)。通过验证性试验,得出结论,电阻加热法可以实现U型管弯管段的固溶热处理。在随后的工作中,必须对温度测量、加持电极、布管方式以及冷却方式的安全性和稳定性进行优化细化。


三、结束语


 不锈钢U型管弯管段固溶热处理对奥氏体不锈钢至关重要,利用现有设备可以完成S30408、S30403、S31603、S31608等材质规格φ25×2.5、φ19×2的奥氏体不锈钢换热管U型段的固溶热处理,充分保证了抗腐蚀性能。该工艺的成功应用,充分体现了工艺的安全性,可行性和可靠性。


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