推钢式加热炉炉筋管开裂原因分析

宋亚虎 毛宽亮 张磊磊 赵学谦 郭亚森 王博 孙胜伟 胡寒婷

【摘要】本文通过断口形貌、化学成分、力学性能试验和金相检测等方法对加热炉炉筋管开裂原因进行分析。结果表明，焊接裂纹和气孔等缺陷的存在是导致其开裂的主要原因，管道力学性能不合格和滑块材料耐热性差、强度不高对其开裂也都有重要影响。

关键词：加热炉；炉筋管；滑块；焊接裂纹；力学性能

1.概述

某公司热带厂新上一条热轧生产线，其推钢式连续加热炉在第一次投产运行期间，炉中最高加热温度达到1250℃，炉筋管外层用耐火材料进行隔热，其炉筋管中的最高温度在300℃左右，运行12天后，最后缓慢冷却下来。在第二次往炉中装钢柸过程中，发现其炉中的多根炉筋管发生开裂。该管道最大外径140mm，壁厚20mm，材料为20G。经现场检测发现，裂纹基本上是沿滑块的止裂孔或两滑块间隙穿过焊缝向炉筋管扩展，多为环向裂纹，其中滑块材质为45钢，与炉筋管焊接在一起。现场开裂处的宏观形貌如图1、图2所示，局部放大如图3、图4所示。

2.理化分析

图1 沿滑块止裂孔处开裂

图3 A处局部放大

（1）宏观检测 在裂纹沿着止裂孔开裂的炉筋管上进行切割取样，取样后炉筋管裂纹处基本上已经断开，断口表面已经锈蚀，经稀盐酸清洗后，其宏观断口形貌如图5所示。从裂纹的发展方向及断口的颜色来看，断口开裂共分为三步，第一步是滑块与炉筋管焊接处为首先断裂区，第二步为扩展区，第三步为最后断裂区。

（2）化学成分分析 在炉筋管取化学成分分析试样，其成分结果如表1所示。

图5 断口宏观形貌

图2 沿两滑块间隙开裂

图4 B处局部放大

由表1可知，炉筋管化学成分符合GB 5310—2008 中20G的标准要求（P元素在允许偏差范围内）。

（3）力学性能试验 在炉筋管上截取所需试样，分别进行拉伸、冲击、硬度试验，其力学性能检测结果如表2所示。

从表2中可以看出，炉筋管的屈服强度、抗张强度、断面收缩率、硬度都满足GB 5310—2008 中20G的力学性能要求，但其伸长率低于标准值，三个冲击试样其中有一个值24J不能满足标准要求。

（4）金相检测 首先，炉筋管金相分析。在炉筋管取金相试样，将其磨制、抛光、腐蚀后在显微镜下进行观察，其组织为铁素体+珠光体，晶粒度6~7级，组织正常，如图6、图7所示。其组织铁素体基体上分布有析出产物，这可能是因为炉筋管在高温下运行的结果。

其次，焊接组织分析。在滑块、焊缝、炉筋管三者交界处取金相试样，将其磨制、抛光后放在显微镜下观察，在焊缝与滑块和焊缝与炉筋管两交界处均发现有裂纹，其裂纹形貌如图8所示。将其用4%的硝酸溶液腐蚀后观察，其腐蚀后的裂纹形貌如图9所示。另外在其裂纹的前端发现有焊接气孔，且气孔周围有氧化现象，如图10所示。

表1 化学成分（质量分数） （%）

元素 C Mn Si S P Cr检测值 0.21 0.52 0.24 0.008 0.027 0.050标准值 0.17～0.23 0.35～0.65 0.17～0.37 ≤0.015 ≤0.025 —

表2 力学性能

检测项目 屈服强度/MPa抗张强度/MPa伸长率（%）断面收缩率（%）硬度HBW 冲击吸收能量/J检测结果 455 545 21.0 58.0 156 24/58/62标准值 ≥245 410～550 ≥24 — — ≥40

图6 炉筋管组织 100×

图7 炉筋管组织 500×

3.原因分析

由以上分析可以知道，炉筋管材质20G，其化学成分、金相组织、力学性能符合标准要求。但其力学性能中的伸长率和冲击吸收能量不符合标准要求。

滑块和炉筋管焊接在一起，如果把它们当做一个整体来看，那么止裂孔处以及两滑块间隙就可以看做是缺口，当其在受力过程中，就会产生应力集中现象，成为这一整体结构中的薄弱区域。因此，当炉筋管开裂时，会首先沿滑块的止裂孔或者沿两滑块间隙开裂。

对于热带厂所选送的炉筋管试样来说，由于焊接后没有及时进行回火，消除其焊接应力，所以焊接区的裂纹和气孔等焊接缺陷将在焊接应力的作用下扩展。另外当炉子在加热过程中，炉中最高温度达到1250℃，而与之相接触的滑块，温度也将达到材质45钢相变点以上，在加热和冷却的过程中将发生相变，产生一定的内应力，焊接裂纹将在内应力的作用下进一步向两边的基体（首先是热影响区）扩展。当第二次往炉中装钢坯的过程中，由于滑块和炉筋管在加热炉中承载着钢坯，受到一定压力，另外由于滑块自身裂纹等缺陷的存在，同时又是在高温下工作，强度降低，所以使其承载能力下降，无法承载钢坯的重量。作为滑块的自身的薄弱区域止裂孔会首先发开裂。

图8 未腐蚀 焊接裂纹 50×

图9 腐蚀后 焊接裂纹 50×

4.结语

（1）焊接裂纹和气孔等缺陷的存在是导致炉筋管发生开裂的主要原因。

（2）炉筋管力学性能不合格和滑块材料耐热性差，强度不高对炉筋管开裂也有重要影响。

5.建议

（1）改进焊接工艺，提高焊接质量，避免焊接裂纹和气孔等缺陷的产生。焊接后及时进行回火，消除焊接应力。

（2）采用各项性能指标都符合要求的炉筋管。

（3）采用新型的滑块代替45钢滑块。

图10 焊接气孔 100×

参考文献：

[1] 张存信，陈玉如.金属材料断裂分析方法[J].理化检测-物理分册，2008，44（11）：622-625.生开裂，随后在应力的作用下逐渐扩展到炉筋管，使炉筋管发生

作者简介：宋亚虎等，中信重工机械股份有限公司。