20# nahtloses Stahlrohr ist die in GB3087-2008 „Nahtlose Stahlrohre für Nieder- und Mitteldruckkessel“ spezifizierte Materialqualität. Es handelt sich um ein hochwertiges nahtloses Stahlrohr aus Kohlenstoffstahl, das für die Herstellung verschiedener Niederdruck- und Mitteldruckkessel geeignet ist. Es handelt sich um ein gängiges und großvolumiges Stahlrohrmaterial. Als ein Hersteller von Kesselausrüstung ein Niedertemperatur-Zwischenüberhitzer-Sammelrohr herstellte, wurde festgestellt, dass an der Innenfläche von Dutzenden von Rohrverbindungen schwerwiegende Querrissdefekte auftraten. Das Rohrverbindungsmaterial war 20-Stahl mit einer Spezifikation von Φ57 mm × 5 mm. Wir untersuchten das gerissene Stahlrohr und führten eine Reihe von Tests durch, um den Defekt zu reproduzieren und die Ursache des Querrisses herauszufinden.

1. Crack-Feature-Analyse
Rissmorphologie: Es ist zu erkennen, dass viele Querrisse entlang der Längsrichtung des Stahlrohrs verteilt sind. Die Risse sind sauber angeordnet. Jeder Riss weist eine wellenförmige Struktur auf, mit einer leichten Abweichung in Längsrichtung und ohne Längskratzer. Zwischen dem Riss und der Oberfläche des Stahlrohrs besteht ein bestimmter Ablenkwinkel und eine bestimmte Breite. Am Rand des Risses kommt es zu Oxiden und Entkohlung. Der Boden ist stumpf und es gibt keine Anzeichen einer Ausdehnung. Die Matrixstruktur besteht aus normalem Ferrit + Perlit, das in einem Band verteilt ist und eine Korngröße von 8 aufweist. Die Ursache des Risses hängt mit der Reibung zwischen der Innenwand des Stahlrohrs und der Innenform während der Herstellung zusammen Stahlrohr.

Anhand der makroskopischen und mikroskopischen morphologischen Eigenschaften des Risses kann gefolgert werden, dass der Riss vor der abschließenden Wärmebehandlung des Stahlrohrs entstanden ist. Das Stahlrohr besteht aus einem runden Rohrknüppel mit einem Durchmesser von 90 mm. Die wichtigsten Umformprozesse sind Warmlochen, Warmwalzen und Durchmesserreduzierung sowie zwei Kaltziehen. Der spezifische Prozess besteht darin, dass der Rundrohrbarren mit einem Durchmesser von 90 mm zu einem Rohrohr mit einem Durchmesser von 93 mm × 5,8 mm gewalzt und anschließend warmgewalzt und auf einen Durchmesser von 72 mm × 6,2 mm reduziert wird. Nach dem Beizen und Schmieren erfolgt das erste Kaltziehen. Die Spezifikation nach dem Kaltziehen beträgt Φ65mm×5,5mm. Nach dem Zwischenglühen, Beizen und Schmieren erfolgt das zweite Kaltziehen. Die Spezifikation nach dem Kaltziehen beträgt Φ57mm×5mm.

Laut der Analyse des Produktionsprozesses sind die Faktoren, die die Reibung zwischen der Innenwand des Stahlrohrs und der Innenform beeinflussen, hauptsächlich die Qualität der Schmierung und hängen auch mit der Plastizität des Stahlrohrs zusammen. Wenn die Plastizität des Stahlrohrs schlecht ist, steigt die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung stark an, und eine schlechte Plastizität hängt mit der Wärmebehandlung des Zwischenspannungsglühens zusammen. Daraus lässt sich schließen, dass die Risse möglicherweise beim Kaltziehprozess entstehen. Da die Risse außerdem nicht weitgehend offen sind und es keine offensichtlichen Anzeichen einer Ausdehnung gibt, bedeutet dies, dass die Risse nach ihrer Bildung keinen Einfluss einer sekundären Ziehverformung erfahren haben, sodass davon ausgegangen wird, dass dies am wahrscheinlichsten ist Die Zeit bis zur Rissbildung sollte der zweite Kaltziehvorgang sein. Die wahrscheinlichsten Einflussfaktoren sind schlechte Schmierung und/oder schlechtes Spannungsarmglühen.

Um die Ursache der Risse zu ermitteln, wurden in Zusammenarbeit mit Stahlrohrherstellern Rissreproteste durchgeführt. Basierend auf der obigen Analyse wurden die folgenden Tests durchgeführt: Unter der Bedingung, dass die Perforations- und Warmwalz-Durchmesserreduzierungsprozesse unverändert bleiben, werden die Bedingungen der Schmierung und/oder Spannungsarmglühen-Wärmebehandlung geändert und die gezogenen Stahlrohre werden inspiziert Versuchen Sie, die gleichen Mängel zu reproduzieren.

2. Testplan
Neun Testpläne werden vorgeschlagen, indem der Schmierprozess und die Glühprozessparameter geändert werden. Darunter beträgt die normale Phosphatierungs- und Schmierzeitanforderung 40 Minuten, die normale Zwischentemperaturanforderung für das Spannungsarmglühen beträgt 830 °C und die normale Isolationszeitanforderung beträgt 20 Minuten. Der Testprozess nutzt eine 30-t-Kaltziehanlage und einen Walzenboden-Wärmebehandlungsofen.

3. Testergebnisse
Bei der Inspektion der mit den oben genannten neun Systemen hergestellten Stahlrohre wurde festgestellt, dass mit Ausnahme der Systeme 3, 4, 5 und 6 alle anderen Systeme in unterschiedlichem Ausmaß Rüttel- oder Querrisse aufwiesen. Darunter hatte Schema 1 eine ringförmige Stufe; Die Schemata 2 und 8 wiesen Querrisse auf, und die Rissmorphologie war der in der Produktion gefundenen sehr ähnlich; Die Schemata 7 und 9 waren erschüttert, es wurden jedoch keine Querrisse festgestellt.

4. Analyse und Diskussion
Durch eine Reihe von Tests wurde vollständig bestätigt, dass Schmierung und Zwischenglühen während des Kaltziehprozesses von Stahlrohren einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der fertigen Stahlrohre haben. Insbesondere die Schemata 2 und 8 reproduzierten die gleichen Mängel an der Innenwand des Stahlrohrs, die in der oben genannten Produktion festgestellt wurden.

Schema 1 besteht darin, das erste Kaltziehen des warmgewalzten Mutterrohrs mit reduziertem Durchmesser durchzuführen, ohne den Phosphatierungs- und Schmiervorgang durchzuführen. Aufgrund der fehlenden Schmierung hat die beim Kaltziehvorgang erforderliche Belastung die maximale Belastung der Kaltziehmaschine erreicht. Der Kaltziehprozess ist sehr aufwendig. Das Schütteln des Stahlrohrs und die Reibung mit der Form verursachen deutliche Absätze an der Innenwand des Rohrs, was darauf hindeutet, dass bei guter Plastizität des Mutterrohrs das ungeschmierte Ziehen zwar einen nachteiligen Effekt hat, dieser aber nicht leicht zu verursachen ist Querrisse. In Schema 2 wird das Stahlrohr mit schlechter Phosphatierung und Schmierung ohne zwischenzeitliches Spannungsarmglühen kontinuierlich kaltgezogen, was zu ähnlichen Querrissen führt. Allerdings wurden in Schema 3 beim kontinuierlichen Kaltziehen des Stahlrohrs mit guter Phosphatierung und Schmierung ohne zwischenzeitliches Spannungsarmglühen keine Mängel festgestellt, was vorläufig darauf hindeutet, dass schlechte Schmierung die Hauptursache für Querrisse ist. Die Schemata 4 bis 6 dienen dazu, den Wärmebehandlungsprozess zu ändern und gleichzeitig eine gute Schmierung zu gewährleisten. Dadurch traten keine Ziehfehler auf, was darauf hindeutet, dass das Zwischenglühen bei Spannungsarmglühen nicht der dominierende Faktor ist, der zum Auftreten von Querrissen führt. Die Schemata 7 bis 9 verändern den Wärmebehandlungsprozess und verkürzen gleichzeitig die Phosphatierungs- und Schmierzeit um die Hälfte. Infolgedessen weisen die Stahlrohre der Schemata 7 und 9 Rüttellinien auf, und Schema 8 erzeugt ähnliche Querrisse.

Die obige Vergleichsanalyse zeigt, dass in beiden Fällen schlechte Schmierung + keine Zwischenglühtemperatur und schlechte Schmierung + niedrige Zwischenglühtemperatur Querrisse auftreten. In den Fällen schlechter Schmierung + gutem Zwischenglühen, guter Schmierung + keinem Zwischenglühen und guter Schmierung + niedriger Zwischenglühtemperatur treten zwar Rüttelliniendefekte, aber keine Querrisse an der Innenwand des Stahlrohrs auf. Mangelhafte Schmierung ist die Hauptursache für Querrisse und schlechtes Zwischenspannungsglühen ist die Nebenursache.

Da die Ziehspannung des Stahlrohrs proportional zur Reibungskraft ist, führt eine schlechte Schmierung zu einem Anstieg der Ziehkraft und einer Verringerung der Ziehgeschwindigkeit. Beim ersten Ziehen des Stahlrohrs ist die Geschwindigkeit gering. Wenn die Geschwindigkeit einen bestimmten Wert unterschreitet, d. h. den Gabelungspunkt erreicht, erzeugt der Dorn selbsterregte Vibrationen, was zu Rüttellinien führt. Bei unzureichender Schmierung wird die axiale Reibung zwischen der Metalloberfläche (insbesondere der Innenoberfläche) und der Matrize beim Ziehen stark erhöht, was zu einer Kaltverfestigung führt. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur des Stahlrohrs beim anschließenden Spannungsarmglühen nicht ausreicht (z. B. bei etwa 630 °C im Test) oder nicht geglüht wird, kann es leicht zu Oberflächenrissen kommen.

Nach theoretischen Berechnungen (die niedrigste Rekristallisationstemperatur ≈ 0,4×1350℃) beträgt die Rekristallisationstemperatur von 20#-Stahl etwa 610℃. Wenn die Glühtemperatur nahe der Rekristallisationstemperatur liegt, kann das Stahlrohr nicht vollständig rekristallisieren und die Kaltverfestigung wird nicht beseitigt, was zu einer schlechten Materialplastizität führt, der Metallfluss während der Reibung blockiert wird und die inneren und äußeren Metallschichten stark beschädigt werden ungleichmäßig verformt, wodurch eine große axiale Zusatzspannung entsteht. Infolgedessen überschreitet die axiale Spannung des Innenflächenmetalls des Stahlrohrs ihren Grenzwert, wodurch Risse entstehen.

5. Fazit
Die Entstehung von Querrissen an der Innenwand eines nahtlosen 20#-Stahlrohrs wird durch den kombinierten Effekt einer schlechten Schmierung beim Ziehen und einer unzureichenden Wärmebehandlung beim Spannungsarmglühen (oder keinem Glühen) verursacht. Unter diesen ist eine schlechte Schmierung die Hauptursache, und ein schlechtes Zwischenglühen (oder kein Glühen) ist die Nebenursache. Um ähnliche Mängel zu vermeiden, sollten Hersteller von den Werkstattbetreibern verlangen, dass sie sich strikt an die einschlägigen technischen Vorschriften des Schmier- und Wärmebehandlungsprozesses in der Produktion halten. Da es sich bei dem Rollenboden-Durchlaufglühofen um einen Durchlaufglühofen handelt, ist es außerdem schwierig, die Temperatur und Geschwindigkeit von Materialien unterschiedlicher Spezifikationen und Größen im Ofen zu steuern, obwohl er bequem und schnell zu be- und entladen ist. Wenn es nicht strikt gemäß den Vorschriften umgesetzt wird, kann es leicht zu einer ungleichmäßigen Glühtemperatur oder einer zu kurzen Zeit kommen, was zu einer unzureichenden Rekristallisation und damit zu Fehlern in der späteren Produktion führt. Daher sollten Hersteller, die Durchlaufglühöfen mit Rollenboden zur Wärmebehandlung einsetzen, die verschiedenen Anforderungen und tatsächlichen Abläufe der Wärmebehandlung kontrollieren.