至德钢业不锈钢U型管弯管段固溶热处理工艺分析

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。