O tubo de aço sem costura 20# é o tipo de material especificado em GB3087-2008 “Tubos de aço sem costura para caldeiras de baixa e média pressão”. É um tubo de aço sem costura de aço estrutural de carbono de alta qualidade, adequado para a fabricação de várias caldeiras de baixa e média pressão. É um material de tubo de aço comum e de grande volume. Quando um fabricante de equipamento de caldeira estava fabricando um coletor de reaquecedor de baixa temperatura, descobriu-se que havia sérios defeitos de trincas transversais na superfície interna de dezenas de juntas de tubos. O material da junta do tubo era aço 20 com especificação de Φ57mm×5mm. Inspecionamos o tubo de aço rachado e realizamos uma série de testes para reproduzir o defeito e descobrir a causa da trinca transversal.

1. Análise de recursos de crack
Morfologia das fissuras: Observa-se que existem muitas fissuras transversais distribuídas ao longo do sentido longitudinal do tubo de aço. As rachaduras estão bem organizadas. Cada fissura apresenta característica ondulada, com leve deflexão no sentido longitudinal e sem riscos longitudinais. Existe um certo ângulo de deflexão entre a fissura e a superfície do tubo de aço e uma certa largura. Existem óxidos e descarbonetação na borda da fissura. O fundo é rombudo e não há sinais de expansão. A estrutura da matriz é ferrita normal + perlita, que se distribui em uma faixa e possui granulometria 8. A causa da trinca está relacionada ao atrito entre a parede interna do tubo de aço e o molde interno durante a produção do tubo de aço.

De acordo com as características morfológicas macroscópicas e microscópicas da fissura, pode-se inferir que a fissura foi gerada antes do tratamento térmico final do tubo de aço. O tubo de aço usa um tarugo de tubo redondo de Φ90mm. Os principais processos de conformação pelos quais passa são perfuração a quente, laminação a quente e redução de diâmetro, além de duas trefilagens a frio. O processo específico é que o tarugo de tubo redondo de Φ90 mm é enrolado em um tubo áspero de Φ93 mm × 5,8 mm e, em seguida, laminado a quente e reduzido para Φ72 mm × 6,2 mm. Após decapagem e lubrificação, é realizada a primeira trefilação a frio. A especificação após a trefilação a frio é Φ65mm×5,5mm. Após recozimento intermediário, decapagem e lubrificação, é realizada a segunda trefilação a frio. A especificação após a trefilação a frio é Φ57mm×5mm.

De acordo com a análise do processo de produção, os fatores que afetam o atrito entre a parede interna do tubo de aço e a matriz interna são principalmente a qualidade da lubrificação e também estão relacionados à plasticidade do tubo de aço. Se a plasticidade do tubo de aço for baixa, a possibilidade de fissuras aumentará muito, e a baixa plasticidade está relacionada ao tratamento térmico de recozimento de alívio de tensão intermediário. Com base nisso, infere-se que as trincas podem ser geradas no processo de trefilação a frio. Além disso, como as fissuras não estão muito abertas e não há sinais óbvios de expansão, isso significa que as fissuras não sofreram a influência da deformação do estiramento secundário após serem formadas, por isso infere-se ainda que o mais provável o tempo para a geração das fissuras deve ser o segundo processo de trefilação a frio. Os fatores de influência mais prováveis ​​são a má lubrificação e/ou o mau recozimento para alívio de tensões.

Para determinar a causa das fissuras, foram realizados testes de reprodução de fissuras em cooperação com fabricantes de tubos de aço. Com base na análise acima, os seguintes testes foram realizados: Sob a condição de que os processos de perfuração e redução do diâmetro de laminação a quente permaneçam inalterados, as condições de tratamento térmico de lubrificação e/ou recozimento com alívio de tensão são alteradas e os tubos de aço trefilados são inspecionados para tente reproduzir os mesmos defeitos.

2. Plano de teste
Nove planos de teste são propostos alterando os parâmetros do processo de lubrificação e do processo de recozimento. Entre eles, o requisito normal de tempo de fosfatação e lubrificação é de 40 minutos, o requisito normal de temperatura de recozimento para alívio de tensão intermediária é de 830 ℃ e o requisito de tempo normal de isolamento é de 20 minutos. O processo de teste utiliza uma unidade de trefilação a frio de 30t e um forno de tratamento térmico com fundo de rolo.

3. Resultados do teste
Através da inspeção dos tubos de aço produzidos pelos 9 esquemas acima, descobriu-se que, com exceção dos esquemas 3, 4, 5 e 6, todos os outros esquemas apresentavam trepidação ou fissuras transversais em graus variados. Dentre eles, o esquema 1 possuía etapa anular; os esquemas 2 e 8 apresentavam fissuras transversais, e a morfologia das fissuras era muito semelhante à encontrada na produção; os esquemas 7 e 9 tremeram, mas não foram encontradas fissuras transversais.

4. Análise e discussão
Através de uma série de testes, foi totalmente verificado que a lubrificação e o recozimento com alívio de tensão intermediária durante o processo de trefilação a frio de tubos de aço têm um impacto vital na qualidade dos tubos de aço acabados. Em particular, os esquemas 2 e 8 reproduziram os mesmos defeitos na parede interna do tubo de aço encontrados na produção acima.

O Esquema 1 consiste em realizar a primeira trefilação a frio no tubo-mãe laminado a quente de diâmetro reduzido sem realizar o processo de fosfatação e lubrificação. Devido à falta de lubrificação, a carga necessária durante o processo de trefilação a frio atingiu a carga máxima da trefiladora a frio. O processo de trefilação a frio é muito trabalhoso. A agitação do tubo de aço e o atrito com o molde causam degraus óbvios na parede interna do tubo, indicando que quando a plasticidade do tubo mãe é boa, embora o desenho não lubrificado tenha um efeito adverso, não é fácil causar fissuras transversais. No Esquema 2, o tubo de aço com fosfatização e lubrificação deficientes é continuamente trefilado a frio sem recozimento intermediário para alívio de tensão, resultando em trincas transversais semelhantes. Porém, no Esquema 3, não foram encontrados defeitos na trefilação contínua a frio do tubo de aço com boa fosfatação e lubrificação sem recozimento intermediário para alívio de tensões, o que indica preliminarmente que a má lubrificação é a principal causa de trincas transversais. Os esquemas 4 a 6 devem alterar o processo de tratamento térmico, garantindo uma boa lubrificação e, como resultado, nenhum defeito de trefilação ocorreu, indicando que o recozimento intermediário para alívio de tensão não é o fator dominante que leva à ocorrência de trincas transversais. Os esquemas 7 a 9 alteram o processo de tratamento térmico enquanto reduzem pela metade o tempo de fosfatação e lubrificação. Como resultado, os tubos de aço dos Esquemas 7 e 9 apresentam linhas de vibração e o Esquema 8 produz fissuras transversais semelhantes.

A análise comparativa acima mostra que ocorrerão trincas transversais em ambos os casos de má lubrificação + nenhum recozimento intermediário e má lubrificação + baixa temperatura de recozimento intermediário. Nos casos de má lubrificação + bom recozimento intermediário, boa lubrificação + nenhum recozimento intermediário e boa lubrificação + baixa temperatura de recozimento intermediário, embora ocorram defeitos na linha de agitação, não ocorrerão rachaduras transversais na parede interna do tubo de aço. A má lubrificação é a principal causa de trincas transversais, e o mau recozimento intermediário para alívio de tensões é a causa auxiliar.

Como a tensão de trefilação do tubo de aço é proporcional à força de atrito, a má lubrificação levará a um aumento na força de trefilação e a uma diminuição na taxa de trefilação. A velocidade é baixa quando o tubo de aço é estirado pela primeira vez. Se a velocidade for inferior a um determinado valor, ou seja, atingir o ponto de bifurcação, o mandril produzirá vibração autoexcitada, resultando em linhas de vibração. No caso de lubrificação insuficiente, o atrito axial entre a superfície (especialmente a superfície interna) do metal e a matriz durante o estiramento aumenta bastante, resultando em endurecimento por trabalho. Se a temperatura de tratamento térmico de recozimento de alívio de tensão subsequente do tubo de aço for insuficiente (como cerca de 630 ℃ definido no teste) ou nenhum recozimento, é fácil causar rachaduras na superfície.

De acordo com cálculos teóricos (a temperatura de recristalização mais baixa ≈ 0,4 × 1350 ℃), a temperatura de recristalização do aço 20# é de cerca de 610 ℃. Se a temperatura de recozimento estiver próxima da temperatura de recristalização, o tubo de aço não recristaliza totalmente e o endurecimento por trabalho não é eliminado, resultando em baixa plasticidade do material, o fluxo de metal é bloqueado durante o atrito e as camadas interna e externa do metal são severamente deformado de forma desigual, gerando assim uma grande tensão axial adicional. Como resultado, a tensão axial do metal da superfície interna do tubo de aço excede o seu limite, gerando fissuras.

5. Conclusão
A geração de fissuras transversais na parede interna de um tubo de aço sem costura 20# é causada pelo efeito combinado de má lubrificação durante o estiramento e tratamento térmico de recozimento com alívio de tensão intermediário insuficiente (ou nenhum recozimento). Entre eles, a má lubrificação é a causa principal, e o mau recozimento intermediário para alívio de tensões (ou nenhum recozimento) é a causa auxiliar. Para evitar defeitos semelhantes, os fabricantes devem exigir que os operadores da oficina sigam rigorosamente os regulamentos técnicos relevantes do processo de lubrificação e tratamento térmico na produção. Além disso, como o forno de recozimento contínuo com fundo de rolo é um forno de recozimento contínuo, embora seja conveniente e rápido para carregar e descarregar, é difícil controlar a temperatura e a velocidade de materiais de diferentes especificações e tamanhos no forno. Se não for estritamente implementado de acordo com os regulamentos, é fácil causar temperaturas de recozimento irregulares ou um tempo muito curto, resultando em recristalização insuficiente, levando a defeitos na produção subsequente. Portanto, os fabricantes que usam fornos de recozimento contínuo com fundo de rolo para tratamento térmico devem controlar os vários requisitos e operações reais de tratamento térmico.