鋼瓶的熱處理

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作者：王賢敏

單位：無錫市法蘭鍛造廠

來源：《金屬熱處理》雜誌

鋼瓶是用於盛裝壓縮氣體或高壓液化氣體的可重複充裝的移動式鋼質無縫氣瓶, 公稱工作壓力為 7.85 ～ 29.42M Pa , 水容積為 0.40 ～ 80L 。 鋼瓶系高壓容器, 必須嚴格選材和熱處理。

1、選材和性能要求

合理選材是保證鋼瓶質量的關鍵。 鋼瓶用鋼一方面要有一定的塑性、韌性(寒冷地區用尚要求一定的低溫衝擊韌度),以保證安全使用;另一方面又要有較高的強度, 以使其重量減至最低程度。

鋼瓶必須採用鹼性平爐、電爐或吹氧鹼性轉爐冶煉的鎮靜鋼。 鋼中的碳、硫、磷和銅的含量不得超過表 1 規定。 我國的鋼瓶常用牌號及化學成分列於表 2。

在我國中容量(20 ～ 80L)鋼瓶絕大多數選用錳鋼製造, 經正火處理。由於追求高強度以減輕質量，故碳錳含量均比國外高，而且正火冷速較快。鋼中碳量增加使韌性和延性降低，錳雖有強化效果，但也易形成偏析，嚴重時正火可獲馬氏體組織而降低韌性，致使爆破試驗不合格，國外幾乎不生產正火碳鋼和錳鋼鋼瓶。

表 3 為國際認可的鋼瓶用鋼化學成分(ISO/ DIS9809), 值得一提的是:M n 鋼亦採取調質處理;鋼中S 、P 含量較國內低;此外 , 對厚壁鋼瓶開發了 Cr-Ni 和 Cr-N -i

每批鋼瓶都要進行一系列的檢測, 如抽樣拉伸、衝擊、冷彎(或壓扁)和爆破試驗;另外, 尚需逐個進行水壓和氣密性試驗。對淬火-回火處理的鋼瓶還要逐個進行硬度和表面無損探傷檢測。 鋼瓶力學性能要求見表 4。

2 鋼瓶熱處理

GB5099 規定, 碳鋼和錳鋼可進行正火或正火-回火處理;鉻鉬鋼和其他合金鋼應進行淬火-回火處理。

2.1正火處理

2.1.1熱處理爐斜底直通式電阻爐, 爐膛尺寸(L ×B):6600mm ×1450mm , 爐頂、爐底及爐側均布置電阻帶、總功率579kW 。 鋼瓶由進料口步進式移動至出料口。

2.1.2冷卻室 裝有離心通風機 2 台、風量可調, 另有一颱風機作引風用。 為加速冷卻和改善勞動條件, 室的內壁為水冷壁。 為冷卻均勻, 設鋼瓶旋轉機構。

2.1.3控溫儀錶 爐溫分 3 區控制, 每區配有熱電偶、XWD-402 型自動電子電位差計記錄儀和 K TS3-250/3 ×380-2 型可控硅調功器各一件(台)。 該控溫系統可作測溫和記錄, 同時又可對被測溫度進行比例、積分和微分連續式調節, 可實現較高精度和品質的自動控制調節。

2.1.4正火工藝 40M n2 和 34M n2V 鋼加熱溫度分別為:850 +-2015 ℃和 830 ±10℃。 爐內鋼瓶共 27 只, 每 7min 推料 3隻, 總加熱時間為 63min , 其中保溫 21min。 出爐鋼瓶自身旋轉, 強制風冷 4 ～ 6min , 而後自然空冷。

2.1.5性能測試結果 40M n2 和 34M n2V 鋼瓶正火後力學性能見表 5 所示。 力學性能、金相檢查和爆破試驗結果均符合 G B5099 標準技術要求。

2.1.6生產實踐研討 正火時, 對性能影響最大的是化學成分和強制風冷速度。 當 40Mn2 鋼含碳量(0.37%～ 0.38%)和含錳量(1.40%～ 1.50%)在下限範圍, 若氣溫較高(>25℃)時正火, 則鋼瓶的強度將偏低。 為此, 各製造廠根據生產條件, 鋼的化學成分和在不同季節, 對正火冷速有多種的調控方法, 諸如控制風量和風壓、加罩緩冷、增減冷卻時排列密度以及調節奧氏體化溫度等等, 來達到鋼瓶力學性能要求。

40M n2 鋼瓶在正火態, 因 σ s 較低, 瓶壁較厚, 鋼瓶重量不符合出口標準要 求。 此外, 其低溫(-50℃)衝擊韌 度

正火處理鋼瓶力學性能見表 6 所示。

一次正火 40Mn2 鋼瓶低溫(-50℃)爆破試驗時會形成碎片, 且破口形狀不符合要求 。 而二次正火鋼瓶當 C、Mn 量較低情況(

低溫正火處理鋼瓶力學性能見表 7 所示。低溫正火工藝提高了鋼瓶優等品合格率, 降低了需進行壓扁試驗鋼瓶(破壞性)的數量, 節約了鋼材並降低了能耗

邢獻 軍 等研 究 表 明:對 34Mn2V 鋼采 用 亞 溫正 火(800℃), 利用碳化釩(VC)和殘留鐵素體的綜合作用, 可以得到細小晶粒的均勻組織, 從而能使鋼的衝擊韌度顯著提高、塑性得到改善而不損害強度。 正火溫度對 34M n2V 鋼力學性能的影響見表 8所示

從試樣性能試驗結果看, 亞溫正火顯示出其優越性 , 但在鋼瓶生產中應用有待實踐考驗。

2.2　 淬火-回火(調質處理)

與正火-回火熱處理設備相比, 調質處理僅需將強制風冷設備換成淬火冷卻設備即可。 隨各製造廠調質工藝、冷卻介質及設備條件的不同, 選用的調質後強度保證值亦有所不同,見表 9 所示。 30CrMo 鋼瓶調質後其金相組織為索氏體, 力學性能見表 10 所示, 爆破試驗合格。 調質的鋼瓶逐件進行硬度和無損探傷檢驗, 以確保每隻鋼瓶的質量。

30CrMo 鋼是國內生產中小容積調質鋼瓶的主要材料, 鋼瓶淬火時系中空狀態進行冷卻的, 因冷卻條件欠佳故淬透性較差。 對於外徑為 232mm、充裝壓力為 20MPa 的鋼瓶而言, 其壁厚將達到 8mm, 此時若採用油冷淬火則難以淬透。為此, 則需要降低熱處理保證值(σ s ), 從而又增加了鋼瓶設計的最小壁厚, 導致瓶重增加。 為了使瓶重達到出口標準 , 提高鋼瓶的淬透性可採用 AQ251水溶性介質和 PVA 聚乙烯醇合成淬火劑進行淬火冷卻, 其冷卻能力介於水油之間。 國內熱處理行業使用的效果較好, 但前者成本較高。

2.3　 噴霧冷卻

一種有前途的冷卻方法在鋼瓶生產中正處在試驗階段包頭鋼鐵廠冶金研究所和寧波化工機械總廠合作, 對外徑為 219mm(30L)40Mn2 鋼瓶進行了噴霧淬火熱處理試驗。

2.3.1　 淬火工 藝設計 　 40Mn2 鋼奧氏體 連續轉 變曲線(CCT)見圖 1 所示, 根據淬火工藝要求設計出的最佳冷卻曲線見圖 2 所示。

2.3.2　 噴霧淬火　 鋼瓶淬火加熱後, 由輥道送入冷卻室, 鋼瓶自身旋轉, 與此同時各噴嘴分別在τ 1 、τ 2 、τ 3 和τ 4 各段時間裡由微機程式控制提供按工藝設計所需的冷卻速度, 從而完成一隻鋼瓶的淬火工序。

2.3.3　 噴霧淬火調質鋼瓶性能　 噴霧淬火調質 40M n2 鋼瓶的金相組織為索氏體, 其力學性能和爆破試驗結果分別見表11 和表 12。

試驗表明:40Mn2 鋼瓶噴霧淬火調質性能優於40Mn2 和 34Mn2V 鋼正火鋼瓶。 40Mn2 正火鋼瓶其熱處理保證值 σ s 在 470～ 490MPa 範圍, 而經噴霧淬火調質後則可提高到 700MPa;由於大多數鋼瓶設計是以屈服強度為基礎的, 所以 σ s 提高將可使鋼瓶壁厚減薄, 重量減輕, 節約鋼材且又可達到出口鋼瓶重量要求;並提高了運輸效率或使一定尺寸和重量的鋼瓶、能允許裝更多的氣體。特別是其低溫衝擊韌度值（V型，-50℃），已大於49Jcm2，故可以在寒冷地區使用。40Mn2鋼瓶噴霧淬火調質性能與合金鋼30CrMo鋼調質性能相當。

3 　討論

壁較厚的鋼瓶採用油淬火時, 有力學性能欠佳現象 , 採用冷速更大的介質將提高成本。 而噴霧冷卻因其冷速可無級調節, 故提高淬透性的問題可迎刃而解。 噴霧冷卻技術投資及運行成本與採用 AQ251 淬火介質相比節約 50%。噴霧淬火可使馬氏體相變區間冷速很小, 避免產生淬火裂紋, 確保鋼瓶質量。淬火工序和正火工序均可應用噴霧冷卻技術, 為此, 鋼瓶調質和正火-回火生產線可合二為一, 節省大量投資。40Mn2鋼瓶噴霧淬火調質性能優越, 但與 GB5099 規定的熱處理方法有抵觸, 有待認可。

4 　結語

(1)合金鋼鋼瓶性能好, 重量輕是今後發展方向。 為滿足大直徑或高壓力鋼瓶之需求, 應開發新材料如 Cr-Ni 和 Cr-Ni -Mo 鋼系。

(2)噴霧冷卻的優越性已顯露, 但碳錳鋼和合金鋼鋼瓶採用噴霧調質處理的合法性以及合金鋼鋼瓶水溶性介質淬火的合法性有待確認。

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