Ống thép liền mạch 20 # là loại vật liệu được quy định trong GB3087-2008 “Ống thép liền mạch cho nồi hơi áp suất thấp và trung bình”. Nó là một ống thép liền mạch bằng thép kết cấu carbon chất lượng cao thích hợp để sản xuất các loại nồi hơi áp suất thấp và trung bình khác nhau. Nó là một vật liệu ống thép phổ biến và khối lượng lớn. Khi một nhà sản xuất thiết bị nồi hơi đang sản xuất đầu cắm hâm nóng nhiệt độ thấp, người ta phát hiện ra rằng có các vết nứt ngang nghiêm trọng trên bề mặt bên trong của hàng chục mối nối ống. Vật liệu nối ống là thép 20 với thông số kỹ thuật Φ57mm×5mm. Chúng tôi đã kiểm tra ống thép bị nứt và tiến hành một loạt thử nghiệm để tái tạo khuyết tật và tìm ra nguyên nhân gây ra vết nứt ngang.

1. Phân tích tính năng crack
Hình thái vết nứt: Có thể thấy có nhiều vết nứt ngang phân bố dọc theo phương dọc ống thép. Các vết nứt được sắp xếp gọn gàng. Mỗi vết nứt có đặc điểm lượn sóng, hơi lệch theo phương dọc và không có vết xước dọc. Có một góc lệch nhất định giữa vết nứt và bề mặt của ống thép và có chiều rộng nhất định. Có các oxit và quá trình khử cacbon ở rìa vết nứt. Phía dưới cùn và không có dấu hiệu giãn nở. Cấu trúc ma trận là ferit + ngọc trai thông thường, phân bố thành dải và có kích thước hạt 8. ​​Nguyên nhân gây ra vết nứt liên quan đến ma sát giữa thành trong của ống thép và khuôn bên trong trong quá trình sản xuất. ống thép.

Theo đặc điểm hình thái vĩ mô và vi mô của vết nứt, có thể suy ra rằng vết nứt được tạo ra trước quá trình xử lý nhiệt cuối cùng của ống thép. Ống thép sử dụng phôi ống tròn Φ90mm. Các quá trình tạo hình chính mà nó trải qua là đục lỗ nóng, cán nóng và giảm đường kính, và hai bản vẽ nguội. Quy trình cụ thể là phôi ống tròn Φ90mm được cán thành ống thô Φ93mm×5,8mm, sau đó cán nóng và giảm xuống còn Φ72mm×6,2mm. Sau khi tẩy và bôi trơn, quá trình kéo nguội đầu tiên được thực hiện. Thông số kỹ thuật sau khi vẽ nguội là Φ65mm×5,5mm. Sau khi ủ trung gian, tẩy rửa và bôi trơn, quá trình kéo nguội thứ hai được thực hiện. Thông số kỹ thuật sau khi vẽ nguội là Φ57mm×5mm.

Theo phân tích quy trình sản xuất, các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát giữa thành trong của ống thép và khuôn bên trong chủ yếu là chất lượng bôi trơn và cũng liên quan đến độ dẻo của ống thép. Nếu độ dẻo của ống thép kém thì khả năng hình thành các vết nứt sẽ tăng lên rất nhiều, và độ dẻo kém có liên quan đến quá trình xử lý nhiệt ủ giảm ứng suất trung gian. Dựa trên điều này, người ta suy ra rằng các vết nứt có thể được tạo ra trong quá trình kéo nguội. Ngoài ra, do các vết nứt không mở rộng và không có dấu hiệu giãn nở rõ ràng, điều đó có nghĩa là các vết nứt không chịu ảnh hưởng của biến dạng bản vẽ thứ cấp sau khi chúng được hình thành, do đó có thể suy ra thêm rằng rất có thể thời gian để các vết nứt được tạo ra phải là quá trình kéo nguội thứ hai. Các yếu tố ảnh hưởng có khả năng xảy ra nhất là bôi trơn kém và/hoặc ủ giảm ứng suất kém.

Để xác định nguyên nhân gây ra vết nứt, các thử nghiệm tái tạo vết nứt đã được thực hiện với sự hợp tác của các nhà sản xuất ống thép. Dựa trên phân tích trên, các thử nghiệm sau đã được thực hiện: Trong điều kiện quá trình giảm đường kính cán nóng và thủng không thay đổi, các điều kiện xử lý nhiệt ủ bôi trơn và/hoặc giảm ứng suất được thay đổi và các ống thép kéo được kiểm tra để cố gắng tái tạo những khiếm khuyết tương tự.

2. Kế hoạch kiểm tra
Chín kế hoạch thử nghiệm được đề xuất bằng cách thay đổi các thông số quy trình bôi trơn và quá trình ủ. Trong số đó, yêu cầu về thời gian bôi trơn và phốt phát thông thường là 40 phút, yêu cầu về nhiệt độ ủ giảm ứng suất trung gian thông thường là 830oC và yêu cầu về thời gian cách nhiệt thông thường là 20 phút. Quá trình thử nghiệm sử dụng thiết bị kéo nguội 30 tấn và lò xử lý nhiệt đáy lăn.

3. Kết quả kiểm tra
Qua kiểm tra các ống thép sản xuất theo 9 phương án trên, nhận thấy ngoại trừ phương án 3, 4, 5, 6, các phương án còn lại đều có vết nứt rung hoặc nứt ngang với mức độ khác nhau. Trong đó, sơ đồ 1 có bậc hình khuyên; sơ đồ 2 và 8 có các vết nứt ngang và hình thái vết nứt rất giống với hình thái vết nứt được tìm thấy trong sản xuất; sơ đồ 7 và 9 đã bị rung chuyển nhưng không tìm thấy vết nứt ngang nào.

4. Phân tích và thảo luận
Thông qua một loạt các thử nghiệm, người ta đã xác minh đầy đủ rằng việc bôi trơn và ủ giảm ứng suất trung gian trong quá trình kéo nguội ống thép có tác động quan trọng đến chất lượng của ống thép thành phẩm. Đặc biệt, sơ đồ 2 và 8 tái tạo các khuyết tật tương tự trên thành trong của ống thép được tìm thấy trong quá trình sản xuất trên.

Sơ đồ 1 là thực hiện kéo nguội lần đầu trên ống mẹ có đường kính giảm được cán nóng mà không thực hiện quá trình photphat và bôi trơn. Do thiếu chất bôi trơn nên tải trọng cần thiết trong quá trình kéo nguội đã đạt mức tải tối đa của máy kéo nguội. Quá trình vẽ nguội rất tốn công sức. Sự rung chuyển của ống thép và ma sát với khuôn gây ra các vết xước rõ rệt trên thành trong của ống, cho thấy khi độ dẻo của ống mẹ tốt, mặc dù bản vẽ không được bôi trơn có ảnh hưởng xấu nhưng không dễ gây ra. vết nứt ngang. Trong Sơ đồ 2, ống thép có hàm lượng photphat và khả năng bôi trơn kém được kéo nguội liên tục mà không qua quá trình ủ giảm ứng suất trung gian, dẫn đến các vết nứt ngang tương tự. Tuy nhiên, trong Sơ đồ 3, không tìm thấy khuyết tật nào trong bản vẽ nguội liên tục của ống thép có khả năng phosphat hóa và bôi trơn tốt mà không ủ giảm ứng suất trung gian, điều này sơ bộ chỉ ra rằng bôi trơn kém là nguyên nhân chính gây ra các vết nứt ngang. Các sơ đồ 4 đến 6 là thay đổi quy trình xử lý nhiệt trong khi vẫn đảm bảo bôi trơn tốt và kết quả là không xảy ra khuyết tật kéo, cho thấy rằng quá trình ủ giảm ứng suất trung gian không phải là yếu tố chi phối dẫn đến xuất hiện các vết nứt ngang. Sơ đồ 7 đến 9 thay đổi quy trình xử lý nhiệt đồng thời rút ngắn thời gian phosphat hóa và bôi trơn xuống một nửa. Kết quả là, các ống thép của Sơ đồ 7 và 9 có các đường rung và Sơ đồ 8 tạo ra các vết nứt ngang tương tự.

Phân tích so sánh ở trên cho thấy các vết nứt ngang sẽ xảy ra trong cả hai trường hợp bôi trơn kém + không ủ trung gian và bôi trơn kém + nhiệt độ ủ trung gian thấp. Trong các trường hợp bôi trơn kém + ủ trung gian tốt, bôi trơn tốt + không ủ trung gian và bôi trơn tốt + nhiệt độ ủ trung gian thấp, mặc dù sẽ xảy ra khuyết tật đường rung nhưng sẽ không xảy ra vết nứt ngang trên thành trong của ống thép. Bôi trơn kém là nguyên nhân chính gây ra các vết nứt ngang, và quá trình ủ giảm ứng suất trung gian kém là nguyên nhân phụ.

Do ứng suất kéo của ống thép tỷ lệ thuận với lực ma sát nên việc bôi trơn kém sẽ dẫn đến lực kéo tăng và tốc độ kéo giảm. Tốc độ thấp khi rút ống thép lần đầu tiên. Nếu tốc độ thấp hơn một giá trị nhất định, tức là đạt đến điểm phân nhánh, trục gá sẽ tạo ra dao động tự kích thích, dẫn đến hiện tượng rung lắc. Trong trường hợp bôi trơn không đủ, ma sát dọc trục giữa bề mặt (đặc biệt là bề mặt bên trong) kim loại và khuôn trong quá trình kéo sẽ tăng lên rất nhiều, dẫn đến vật liệu bị cứng lại. Nếu nhiệt độ xử lý nhiệt ủ giảm ứng suất tiếp theo của ống thép không đủ (chẳng hạn như khoảng 630oC được đặt trong thử nghiệm) hoặc không ủ, rất dễ gây ra các vết nứt bề mặt.

Theo tính toán lý thuyết (nhiệt độ kết tinh lại thấp nhất ≈ 0,4 × 1350oC), nhiệt độ kết tinh lại của thép 20# là khoảng 610oC. Nếu nhiệt độ ủ gần với nhiệt độ kết tinh lại, ống thép không thể kết tinh lại hoàn toàn và quá trình làm cứng không được loại bỏ, dẫn đến độ dẻo của vật liệu kém, dòng kim loại bị chặn trong quá trình ma sát và các lớp kim loại bên trong và bên ngoài bị ảnh hưởng nghiêm trọng. biến dạng không đều, do đó tạo thêm ứng suất dọc trục lớn. Kết quả là ứng suất dọc trục của kim loại bề mặt bên trong của ống thép vượt quá giới hạn cho phép, từ đó tạo ra các vết nứt.

5. Kết luận
Việc tạo ra các vết nứt ngang trên thành trong của ống thép liền mạch 20 # là do tác động kết hợp của việc bôi trơn kém trong quá trình kéo và quá trình xử lý nhiệt ủ giảm ứng suất trung gian không đủ (hoặc không ủ). Trong số đó, bôi trơn kém là nguyên nhân chính, và việc ủ giảm ứng suất trung gian kém (hoặc không ủ) là nguyên nhân phụ. Để tránh những khuyết tật tương tự, nhà sản xuất cần yêu cầu người vận hành xưởng tuân thủ nghiêm ngặt các quy định kỹ thuật liên quan của quá trình bôi trơn và xử lý nhiệt trong sản xuất. Ngoài ra, do lò ủ liên tục đáy lăn là lò ủ liên tục nên mặc dù thuận tiện và nhanh chóng để nạp và dỡ nhưng rất khó kiểm soát nhiệt độ và tốc độ của các vật liệu có thông số kỹ thuật và kích cỡ khác nhau trong lò. Nếu không thực hiện đúng quy định sẽ dễ gây ra nhiệt độ ủ không đồng đều hoặc thời gian ủ quá ngắn, dẫn đến kết tinh lại không đủ, dẫn đến sai sót trong quá trình sản xuất tiếp theo. Do đó, các nhà sản xuất sử dụng lò ủ liên tục đáy lăn để xử lý nhiệt nên kiểm soát các yêu cầu khác nhau và hoạt động xử lý nhiệt thực tế.