鋼帶質(zhì)量對(duì)HFW焊管超聲波探傷合格率的影響

郭 斌， 鄭 琳， 王青峰， 徐進(jìn)橋， 劉昌明

（1.武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院,武漢 430080；2.燕山大學(xué),河北 秦皇島 066004）

0 前 言

HFW焊管由于尺寸精度高、價(jià)格低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速的發(fā)展[1]，HFW焊管正朝著專(zhuān)業(yè)化、高品質(zhì)化、高附加值方向發(fā)展[2]。

應(yīng)用于石油、天然氣和礦漿輸送等管線以及油氣井的開(kāi)采等方面的HFW焊管，需要對(duì)焊縫或管體進(jìn)行100%超聲波探傷[3-4]，改善熱軋鋼帶的質(zhì)量是提高HFW焊管超聲波探傷合格率最為關(guān)鍵的因素之一。

1 HFW焊管探傷缺陷分析

1.1 夾雜物引起的鉤狀裂紋

在超聲波探傷缺陷焊管中切取了近百組試樣，經(jīng)磁粉探傷，清晰可見(jiàn)缺陷為沿管長(zhǎng)方向的線狀缺陷，長(zhǎng)20～50 mm，如圖1所示。金相觀察為沿管長(zhǎng)方向的細(xì)裂紋，深度為0.4～0.7 mm，在焊接區(qū)域，沿金屬流線向上，并且有的裂紋已延伸到了焊縫表面，在裂紋兩側(cè)及延伸處均有聚集分布的非金屬夾雜物群，裂紋走向與夾雜物分布方向一致，夾雜物級(jí)別為B3～B5級(jí)，如圖2和圖3所示。經(jīng)探針?lè)治?，上述非金屬夾雜為Al2O3和稀土硫氧化物，如圖4和圖5所示。

圖1 夾雜引起鉤狀裂紋的宏觀形貌

圖2 夾雜引起的鉤狀裂紋截面形貌

圖3 鉤狀裂紋及延伸處的夾雜物

圖4 氧化物的成分與分布

圖5 稀土硫氧化物的成分與分布

鋼板內(nèi)部存在著級(jí)別較高的非金屬夾雜物，高頻焊接時(shí)，焊縫中的氧化物多以復(fù)合夾雜物形式存在，其熔點(diǎn)取決于各種氧化物的相對(duì)含量。當(dāng)氧化物的熔點(diǎn)高于焊接部分的熔點(diǎn)(1 550℃)時(shí)，氧化物難以排出而殘留于焊縫[5]，從而在制管應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。

1.2 母材夾雜

管坯超聲波探傷不合格位置如圖6所示。缺陷位于焊管內(nèi)壁已刮“內(nèi)毛刺”（焊縫）區(qū)域，試樣截面上靠近外壁表層有一條夾渣，如圖7所示。經(jīng)探針?lè)治鰹楹珻a，Si，Al，Mg，Na和O等元素的硅酸鹽夾渣，如圖8所示。

圖6 焊管內(nèi)壁缺陷宏觀形貌

圖7 焊管內(nèi)壁截面上的夾渣

圖8 焊管內(nèi)壁截面上夾渣的能譜分析結(jié)果

2 提高HFW焊管探傷合格率的措施

2.1 真空處理對(duì)HFW焊管探傷合格率的影響

對(duì)某一HFW焊管用鋼，在成分及冶煉工藝不變的基礎(chǔ)上，增加RH真空處理工序，管坯的超聲波探傷合格率由10%提高至60%。顯微觀察，基體中大塊氧化物夾雜已明顯減少，但仍發(fā)現(xiàn)有少量呈鏈狀分布的大塊氧化物夾雜（B3級(jí)），以及其他非金屬夾雜和夾渣，與未經(jīng)真空處理相比出現(xiàn)的幾率明顯減少。真空處理后，一方面鋼中夾雜物有充分聚集、長(zhǎng)大、上浮的機(jī)會(huì)，使非金屬夾雜物的數(shù)量明顯減少，尺寸變小，提高了鋼液的潔凈度；另一方面，鋼中的N，H和O等元素大幅減少，鋼的內(nèi)在質(zhì)量大幅提高，探傷合格率明顯提高[6]。

2.2 連澆爐數(shù)對(duì)HFW焊管探傷合格率的影響

對(duì)某一澆次HFW焊管用鋼，隨著澆鑄爐次的增加，探傷合格率下降，如圖9所示。這與連鑄坯中大型夾雜的分布正好吻合。大型夾雜在澆鑄初期、多爐連鑄的頭部及澆鑄末期有所增加[7]，同時(shí)，多爐連鑄時(shí)后一爐的中間比前一爐的中間部分多，出現(xiàn)大型夾雜的幾率會(huì)大很多。

圖9 澆鑄爐次與HFW焊管探傷合格率的關(guān)系

2.3 Si-Ca處理對(duì)HFW焊管探傷合格率的影響

采用喂Si-Ca線代替喂RE絲處理后，氧化物和硫化物夾雜得到了明顯控制，呈球狀分散分布，消除了沿鑄坯1/4處非金屬夾雜的聚集分布，鋼的純凈度明顯提高（如圖10和表1所示），進(jìn)而消除了由此在制管時(shí)引起的鉤狀裂紋。如果采用結(jié)晶器喂RE絲的方式，使得澆鑄時(shí)夾雜物不能充分上浮，在鑄坯上形成沿鑄坯1/4處聚集分布的稀土硫氧化物夾雜。采用Si-Ca處理，一方面Ca與鋼中的S結(jié)合形成CaS以降低鋼中的S含量；另一方面由于Ca的蒸汽壓比較小，在鋼中會(huì)形成大量氣泡上浮，這樣促進(jìn)了鋼中雜質(zhì)的大量上浮，從而提高了鋼的純凈度[8]。

圖10 不同方式處理后沿鑄坯1/4處夾雜物對(duì)比

表1 喂RE絲和喂Si-Ca線處理夾雜物級(jí)別對(duì)比

2.4 Ca處理工藝對(duì)鋼中夾雜物總量的影響

在不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行Ca處理時(shí)，鋼中的夾雜物總量差異較大[9]，見(jiàn)表2。從表2中可以看出，RH真空喂絲生產(chǎn)的鑄坯夾雜物總量較少，鋼包爐喂絲工藝鑄坯夾雜物總量較多。

表2 不同工藝下鑄坯中的夾雜物總量對(duì)比

2.5 S含量對(duì)HFW焊管探傷合格率的影響

為進(jìn)一步減少鋼中的氧化物和硫化物夾雜，提高鋼的純凈度，HFW焊管用鋼采取低S和超低S技術(shù)[10]，使鋼中的w(S)≤0.004%，從根本上減少了硫化物的產(chǎn)生，使硫化物級(jí)別降低至D0.5級(jí)以下，不會(huì)形成聚集分布，從而提高了超聲波探傷的合格率。

根據(jù)以上分析，生產(chǎn)過(guò)程中采取了十大措施，將HFW焊管超聲波探傷合格率由10%提高至99%，具體措施是：①Si-Ca處理代替RE處理，改善氧化物的形狀及分布；②超低S處理，使w(S)≤0.004%；③增加RH處理；④工藝流程為氬站吹氬→鋼包爐調(diào)溫、深脫S→RH真空處理、喂絲→連鑄；⑤控制中包連澆爐數(shù)，保證結(jié)晶器中鋼流流場(chǎng)穩(wěn)定；⑥保持中包液面高度，防止因渦流卷渣到結(jié)晶器；⑦嚴(yán)格控制澆鑄溫度，杜絕高溫鋼澆鑄；⑧實(shí)行大包下渣監(jiān)測(cè)，減少大包渣流入中包；⑨加強(qiáng)大包鋼流保護(hù)，防止二次氧化；⑩采用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)減輕連鑄坯的中心偏析。

3 結(jié) 論

（1）鋼板內(nèi)部存在著級(jí)別較高、聚集分布的Al2O3和稀土硫氧化物等非金屬夾雜物，在制管應(yīng)力作用下產(chǎn)生鉤狀裂紋，這是導(dǎo)致HFW焊管探傷不合格的根本原因。

（2）含 Ca，Si， Al， Mg，Na和 O 等元素的大型夾渣同樣會(huì)導(dǎo)致HFW焊管探傷不合格。

（3）增加RH真空處理工序，管坯的超聲波探傷合格率明顯提高；隨著澆鑄爐次的增加，探傷合格率下降。

（4）采用喂Si-Ca線代替喂RE絲處理后，氧化物和硫化物夾雜得到了明顯控制，呈球狀、分散分布，并且消除了沿鑄坯1/4處非金屬夾雜的聚集分布；采取低S和超低S技術(shù)，使鋼中的w(S)≤0.004%，從根本上減少了硫化物的產(chǎn)生，使硫化物級(jí)別降低至D0.5級(jí)以下，且不會(huì)形成聚集分布。

通過(guò)采取以上針對(duì)性措施，提高鋼水純凈度和連鑄坯質(zhì)量，可有效提高鋼板探傷合格率。

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