Q345qDZ25鋼板探傷不合格的原因分析

李仕力，徐　壯，王佩鑫（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

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Q345qDZ25鋼板探傷不合格的原因分析

李仕力，徐壯，王佩鑫（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

[摘要]針對(duì)Q345qDZ25厚板超聲波探傷不合格的問(wèn)題，在探傷缺陷處取樣，通過(guò)低倍酸浸檢驗(yàn)、金相組織分析、掃描電鏡分析等方式，發(fā)現(xiàn)鋼板心部存在偏析，由于偏析引起心部貝氏體異常組織的產(chǎn)生，心部硫化物夾雜導(dǎo)致氫的偏聚，二者共同作用導(dǎo)致鋼板心部產(chǎn)生大量微裂紋是鋼板探傷不合格的主要原因。通過(guò)RH爐真空脫氣、TMCP工藝、鑄坯及鋼板保證堆冷時(shí)間等工藝的優(yōu)化，提高了鋼板的超聲波探傷合格率。

[關(guān)鍵詞]超聲波探傷；偏析；夾雜物；貝氏體；裂紋

修回日期：2015-04-06

1　引言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于其自身的優(yōu)越性，在世界橋梁建筑中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。我國(guó)橋梁建設(shè)的發(fā)展對(duì)于橋梁鋼板的需求也日益增加。Q345qD具有良好的強(qiáng)度、韌性以及焊接性能，并且要求具有良好的內(nèi)部質(zhì)量，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用中占據(jù)較大的比例?？箤訝钏毫训谋向性能橋梁鋼是天津鋼鐵集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱天鋼）的特色產(chǎn)品，近期天鋼中厚板廠生產(chǎn)的一批厚度為50 mm的Q345qDZ25鋼板出現(xiàn)超聲波探傷不合格的問(wèn)題，且探傷不合格鋼板的Z向性能也不合格，影響了鋼板的交貨期。本文對(duì)探傷不合格的Q345qDZ25鋼板進(jìn)行系統(tǒng)分析，探究鋼板探傷不合格的原因，并提出相應(yīng)的工藝解決措施。

2　探傷不合原因分析

2.1試驗(yàn)材料

用于取樣的Q345qDZ25鋼板厚度為50 mm，Z向拉伸斷面收縮率為11%。在鋼板的板頭、板尾以及鋼板中部等處均探測(cè)到缺陷，缺陷位置大概在距板面深度25 mm處，即鋼板心部位置。利用手持超聲波探傷設(shè)備探測(cè)缺陷位置，在缺陷位置取樣，進(jìn)行低倍檢驗(yàn)及金相顯微組織分析，對(duì)Z向拉伸試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡分析。

2.2低倍檢驗(yàn)

在缺陷的部位取樣，將鋼板橫截面加工成光亮的平面，用熱鹽酸浸泡，進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在鋼板厚度方向的中心部位有一條明顯的偏析帶，偏析帶附近疏松明顯，且存在較多不連續(xù)的裂紋，見(jiàn)圖1。

圖1　Q345qDZ25鋼板低倍酸浸照片

鋼板心部的偏析帶是由于在鋼坯的冶煉過(guò)程中，在連鑄工序鋼水冷卻凝固時(shí)，結(jié)晶容易形成枝晶偏析，心部容易富集C、Mn元素。在鋼板生產(chǎn)時(shí)，連鑄坯在加熱爐中加熱，C、Mn等合金元素和其它雜質(zhì)元素的擴(kuò)散系數(shù)較低，使得心部富集元素的均勻化比較困難，導(dǎo)致鋼坯心部的偏析仍會(huì)存在。有文獻(xiàn)表明，碳和硫元素的偏析會(huì)影響鋼板超聲波探傷的合格率[1]。鋼板心部C、Mn等元素的偏析會(huì)導(dǎo)致鋼板心部形成與基體組織不同的異常帶狀組織。

2.3金相分析

取缺陷試樣將其縱截面打磨拋光，利用金相顯微鏡進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，在試樣厚度方向的心部可見(jiàn)大量條狀的硫化物夾雜，夾雜物級(jí)別達(dá)2.0級(jí)，形態(tài)見(jiàn)圖2。試樣中彌散分布有少量的氧化物類和單顆粒類夾雜，尺寸較小，對(duì)鋼板探傷合格率的影響不大。由此可見(jiàn)，雖然鋼板的硫含量較低，但是由于鋼板心部位置成分的偏聚，導(dǎo)致硫化物夾雜較多，而大量硫化物會(huì)對(duì)鋼的整個(gè)基體起到分割的效果，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致鋼板超聲波探傷不合。

圖2　夾雜物形貌

將所取試樣橫截面打磨拋光，用4%的硝酸酒精腐蝕，在金相顯微鏡下觀察顯微組織，形態(tài)見(jiàn)圖3。試樣正常的金相組織為鐵素體+珠光體，而心部位置存在貝氏體偏析帶，偏析帶的部分區(qū)域出現(xiàn)細(xì)小裂紋，且裂紋附近可觀察到有硫化物夾雜及氮化鈦夾雜物分布。

圖3　心部裂紋及夾雜物形貌

研究表明，鋼板內(nèi)部的成分偏析會(huì)導(dǎo)致貝氏體等硬相組織的產(chǎn)生，鋼中發(fā)生成分偏析后，不同位置的Ar3溫度產(chǎn)生差異，鋼板厚度中心位置的CCT曲線由于Mn元素的富集會(huì)發(fā)生右移，鋼板采用控軋控冷工藝，軋后冷速過(guò)快，心部位置的奧氏體發(fā)生中溫轉(zhuǎn)變，生成貝氏體硬相組織[2]。貝氏體組織具有強(qiáng)度較高但塑性較差的特點(diǎn)，鋼板心部位置貝氏體帶與相鄰鐵素體區(qū)之間由于組織差異，在變形時(shí)會(huì)導(dǎo)致組織應(yīng)力的集中，增加鋼板的整體脆性。在軋后冷卻過(guò)程中，鋼板心部的貝氏體帶由于低塑性引起的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致大量微裂紋的產(chǎn)生。這種由于鋼板心部貝氏體硬相組織導(dǎo)致的微裂紋是Q345qDZ25鋼板進(jìn)行超聲波探傷時(shí)檢測(cè)到的主要缺陷。

2.4掃描電鏡分析

在該批探傷合格率較低的鋼板中，探傷合格鋼板的Z向性能均合格，而探傷不合的鋼板的Z向拉伸斷面收縮率僅為11%耀19%，低于Z25級(jí)別（25%）的最低要求。取Z向拉伸試樣觀察，斷口基本位于試樣的中心位置，由于鋼板中心處存在缺陷，在缺陷部位容易引起應(yīng)力集中，在受力時(shí)最容易斷裂。

在掃描電鏡下觀察試樣斷口，斷口較為平整，試樣斷口區(qū)的形貌為解理斷口、準(zhǔn)解理斷口及少量韌窩斷口，屬于脆性斷口，見(jiàn)圖4。試樣心部位置為冰糖狀沿晶準(zhǔn)解理斷口形貌以及解理氫脆斷口形貌，斷口上分布著大量的條狀硫化錳夾雜，見(jiàn)圖5。

圖4　試樣斷口形貌

圖5　夾雜物的能譜分析

在鋼板的心部存在成分偏析以及大量的硫化錳夾雜。硫化錳是一種可以延展的夾雜，在軋制過(guò)程中，硫化錳被延展成長(zhǎng)條狀。這些條狀硫化錳在鋼中的分布破壞了鋼的整體性，由于鋼板基體的收縮系數(shù)小于硫化錳的收縮系數(shù)，導(dǎo)致在冷卻過(guò)程中鋼板基體的收縮量小于硫化錳夾雜的收縮量，兩者之間的差異使硫化錳夾雜周圍易產(chǎn)生裂紋。另外，有研究表明硫化錳容易聚集氫，從而引起氫致裂紋的產(chǎn)生[3-4]。鋼板心部存在貝氏體硬相組織，由于組織應(yīng)力引起的微裂紋以及硫化錳周圍的顯微縫隙為鋼中氫的聚集提供了條件。氫的擴(kuò)散系數(shù)最大區(qū)間為650耀300益，白點(diǎn)的形成溫度區(qū)間在250~100益，在鋼板軋后冷卻過(guò)程中，如果冷卻速度過(guò)快，鋼板內(nèi)部的氫來(lái)不及擴(kuò)散，氫原子就容易在這些缺陷處聚集[5]，這些聚集的氫與鋼板心部的貝氏體異常組織引起的應(yīng)力共同作用，進(jìn)而導(dǎo)致鋼板心部裂紋的產(chǎn)生。

3　工藝改進(jìn)

針對(duì)50 mm厚Q345qDZ25鋼板探傷合格率偏低的問(wèn)題，取樣分析結(jié)果表明，探傷不合格的鋼板存在心部偏析、心部產(chǎn)生貝氏體硬相組織、心部裂紋以及硫化錳夾雜引起氫的偏聚等一系列問(wèn)題。由于在鋼坯冶煉過(guò)程中，板坯的心部發(fā)生偏析，繼而導(dǎo)致鋼板心部夾雜物的聚集和異常組織的生成，心部的硫化錳夾雜引起的氫偏聚和心部的貝氏體硬相組織共同作用，使鋼板心部產(chǎn)生微裂紋，最終導(dǎo)致鋼板超聲波探傷不合格。

根據(jù)以上的分析，針對(duì)探傷不合格的Q345qDZ25鋼板中存在的問(wèn)題，采用潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)、再結(jié)晶和相變理論、TMCP軋制等工藝技術(shù)，對(duì)鋼板的生產(chǎn)工藝進(jìn)行以下優(yōu)化：

提高鋼水純凈度，減少硫化錳夾雜，控制鋼中夾雜的含量和形態(tài)。盡可能降低Q345qDZ25鋼中的硫含量，LF精煉延長(zhǎng)軟吹時(shí)間5 min，更大限度地促進(jìn)成分的均勻化，將硫化物夾雜的級(jí)別降到1.0級(jí)以下。

利用RH爐真空脫氣，減少鋼中的氫含量。采用優(yōu)質(zhì)鐵水，加強(qiáng)原材料的控制，保證合金清潔干燥，盡可能減少石灰、保護(hù)渣、廢鋼、保溫劑等的吸潮環(huán)節(jié)；保證鋼包和中間包的烘烤；延長(zhǎng)在線吹氬時(shí)間和軟吹時(shí)間，促進(jìn)鋼水中的氣體上?。徊捎萌瘫Ｗo(hù)澆注，澆注溫度、速度等控制在合理范圍內(nèi)，防止鋼水的二次氧化吸氣；增加RH爐真空精煉工序，降低鋼水中的氫含量。

延長(zhǎng)鑄坯加熱時(shí)間，在一定程度上有助于消除一次偏析，粗軋階段遵循低速大壓下原則，保證有一道大壓下，增加鑄坯心部的滲透變形，有利于破碎枝晶，可有效減輕鋼板心部偏析。增加中間坯厚度，保證精軋階段累計(jì)變形量，配合ACC層流冷卻工藝，控制鐵素體析出，盡量避免貝氏體等硬相組織的生成。

保證鑄坯堆冷時(shí)間和軋后鋼板堆冷時(shí)間大于48 h。軋后鋼板盡可能快速收集堆垛，保證鋼板下線堆冷溫度在，促進(jìn)鋼中固溶的氫的逃逸，避免氫在鋼中硫化錳夾雜處的偏聚，進(jìn)而降低白點(diǎn)的形成幾率。

通過(guò)以上工藝改進(jìn)，再次生產(chǎn)的Q345qDZ25鋼板的探傷合格率提高到100%。

4　結(jié)論

Q345qDZ25鋼板超聲波探傷不合格的主要原因是連鑄坯心部偏析，從而引起鋼板貝氏體硬相組織的產(chǎn)生，且鋼板心部存在較多的硫化物夾雜，氫在其中聚集，二者共同作用產(chǎn)生心部裂紋，導(dǎo)致鋼板探傷不合。通過(guò)嚴(yán)格控制煉鋼各環(huán)節(jié)提高鋼水純凈度、RH爐真空脫氣、增加軋制單道次壓下量促進(jìn)心部變形、鑄坯及鋼板保證堆冷時(shí)間促進(jìn)氫的擴(kuò)散

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Analysison CauseofUnqualifiednessofQ345qDZ25 SteelPlatein Ultrasonic DetectionLIShi-li,XU Zhuangand W ANG Pei-xin

(Technology CenterofTianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractIn orderto solve the problem ofunqualified Q345qDZ25 steelplate in ultrasonic detection,sam原pleswere taken from the defectarea and subjectto macroscopic etching test,metallographic structure analy原sis and scanning electron microscopy analysis.Atthe centerofsteelplate segregation was found,which in原duced the formation ofabnormalbainite structure,and centralsulfide inclusion caused the segregation ofhy原drogen.The interaction ofthe formerand the lattercaused the formation ofsubstantialmicro cracks atthe centralofsteelplate,which wasthe main reason forunqualified plate atthe test.Plate qualification rate was improved by optimizing RH furnace vacuum degassing process and TMCP technology and ensuring stack coolingtimeforbilletand plate.

Key wordsultrasonicdetection;segregation;inclusion;bainite;crack

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.015

作者簡(jiǎn)介：李仕力（1986—），男，山東聊城人，碩士，工程師，主要從事板材軋鋼工藝及鋼鐵新產(chǎn)品研發(fā)工作。