厚板超聲波探傷缺陷原因分析及改善措施

薛如鋒

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司厚板廠，廣東 湛江 524000）

超聲波探傷是評(píng)價(jià)鋼板內(nèi)部質(zhì)量的重要手段之一，而且廣泛應(yīng)用在中厚板探傷。近十年來，隨用戶對(duì)鋼板內(nèi)部質(zhì)量的重視，鋼板需要進(jìn)行超聲波探傷檢測的量越來越大[1，2]。湛江鋼鐵4200mm厚板產(chǎn)線目前生產(chǎn)的主要品種有低合金結(jié)構(gòu)鋼、風(fēng)電鋼、高層建筑鋼、橋梁用鋼、管線鋼等等。鋼板要求超聲波探傷比例達(dá)40%以上，然而每個(gè)月因超聲波探傷不合而降級(jí)（不滿足預(yù)定質(zhì)量要求）的量在所有廢次品中居于首位，并且居高不下，對(duì)生產(chǎn)組織、質(zhì)量控制和交貨期影響較大。因此，本文針對(duì)目前超聲波探傷不合缺陷種類中最多的兩種缺陷類型進(jìn)行剖析，探究探傷缺陷形成的原理，以便采取針對(duì)性措施，提高探傷合格率。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 鋼板生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)工藝流程：鐵水→KR預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF+RH精煉→板坯連鑄→鑄坯檢驗(yàn)、表面清理→加熱→除磷→控軋→控冷→矯直→冷卻→超聲波探傷→剪切、取樣→入庫。

1.2 探傷缺陷試樣

表1 試樣煉鋼工藝參數(shù)

1.3 檢測方法

通過掃描電子顯微鏡ZEISS EVO18，觀測試樣厚度方向形貌；利用能譜儀OXFORD分析夾雜物的化學(xué)成分；利用立式正置金相顯微鏡DM4000M觀察裂紋橫截面的夾雜物、組織以及偏析情況。

2 探傷缺陷原因分析

2.1 分布于厚度1/4或3/4位置的探傷缺陷原因分析

2.1.1 探傷缺陷分布分析

圖1 試樣1探傷缺陷分布

由圖1可知試樣1探傷缺陷具有以下特點(diǎn)：在寬度方向，缺陷主要分布在鋼板的移動(dòng)側(cè)；在厚度方向，缺陷主要位于鋼板厚度1/4位置（上弧段）；在長度方向，缺陷沿著鋼板軋制方向呈長條狀分布；缺陷的形貌呈彌散點(diǎn)狀；從缺陷當(dāng)量來看，缺陷波相對(duì)底波的下降量為-15dB～-23dB。綜合上述的特點(diǎn)可知，超聲波檢測的1/4厚度位置缺陷的幅度不高，但是分布密集、貫穿整塊鋼板全長，并集中在鋼板移動(dòng)側(cè)厚度方向1/4位置。

2.1.2 探傷缺陷金相樣分析

圖2 試樣1橫截面的金相形貌

在圖1所示探傷缺陷位置取樣，觀察垂直軋制方向的夾雜和金相情況。從金相圖來看，在鋼板厚度1/4位置發(fā)現(xiàn)一連串的微孔缺陷。

2.1.3 探傷缺陷掃描電鏡分析

圖3 試樣1橫截面的掃描電鏡圖

從掃描電鏡圖3（a）來看，鋼板主要有長條狀或類球狀的黑色點(diǎn)狀缺陷，黑色區(qū)域通過細(xì)線連成串。從圖3（b）可以看到，在細(xì)線附近還會(huì)分布有細(xì)小類球狀的黑色點(diǎn)狀缺陷。

2.1.4 探傷缺陷微區(qū)成分分析

圖4 試樣1橫截面的（a）譜圖31、（b）譜圖35、（c）譜圖36能譜圖

表2 譜圖31、譜圖35、譜圖36化學(xué)成分

選取典型的三個(gè)點(diǎn)的微區(qū)進(jìn)行成分分析。從譜圖31來看，黑色的物質(zhì)主要是金屬氧化物，金屬元素除了Fe外，還有Mg、Ca、Mn。從譜圖35來看，黑色的部分主要是鋼板基體的成分。從譜圖36來看，也是基體的成分。從譜圖35和36成分看，試樣黑色區(qū)域存在小氣泡。綜合以上的結(jié)果來看，超聲波探傷不合缺陷主要是由金屬氧化物和小氣泡引起。

2.1.5 原因分析

鋼水進(jìn)入結(jié)晶器后，鋼水首先沿著結(jié)晶器的周圍進(jìn)行凝固，然后形成初生坯殼。鋼水內(nèi)部的非金屬夾雜物在未能充分上浮時(shí)，被板坯初生坯殼捕捉，滯留在坯殼周圍，一般在板坯1/4位置[3-6]。導(dǎo)致非金屬夾雜物或小氣泡滯留在坯殼主要由以下三個(gè)方面引起：①結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生偏流、紊流，導(dǎo)致夾雜物來不及上浮。當(dāng)氬氣大小、拉速、通鋼量的劇烈變化以及水口堵塞或者塞棒結(jié)瘤時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生結(jié)晶器內(nèi)流場的不均勻，最終導(dǎo)致偏流、紊流；②鋼水純凈度差，夾雜物上浮不充分；③鋼水過熱度低，夾雜物上浮速率慢，夾雜物不能充分上浮。

2.2 分布于厚度1/2位置的探傷缺陷原因分析

2.2.1 探傷缺陷分布分析

圖5 試樣2探傷缺陷分布圖

由圖5可知，試樣2探傷缺陷具有以下特點(diǎn)：在寬度方向，缺陷主要分布在距離固定側(cè)100mm～1000mm之間，在移動(dòng)側(cè)未發(fā)現(xiàn)有缺陷；在厚度方向，缺陷集中在鋼板厚度的1/2位置；在長度方向，呈全長分布，缺陷的形狀呈現(xiàn)點(diǎn)狀特征；缺陷的當(dāng)量不高，缺陷相對(duì)底波的下降量在-13dB～-25dB。缺陷的形貌偏向一側(cè)，是由于連鑄機(jī)一側(cè)的開口度偏大引起。

2.2.2 試樣宏觀形貌

圖6 試樣2拋光后厚度方向形貌

試樣2經(jīng)過拋光后，在位于試樣厚度方向1/2位置有一長條灰色的細(xì)線。

2.2.3 探傷缺陷的金相分析

圖7 試樣2橫截面的金相形貌

從圖7可知，試樣2未腐蝕前，在厚度的中間區(qū)域觀察到裂紋缺陷，見圖7（a）虛線部位。腐蝕后，發(fā)現(xiàn)試樣裂紋缺陷周圍的組織與基體部位不同，主要是馬氏體組織。

2.2.4 探傷缺陷掃描電鏡分析

圖8 試樣2橫截面的掃描電鏡圖

在掃描電鏡下看，鋼板的厚度方向1/2位置觀察到短線狀的裂紋缺陷，其局部區(qū)域相對(duì)密集，見圖8（a）所示，且分布在白色區(qū)域馬氏體范圍內(nèi)，長度約為10μm～30μm長度。

2.2.5 探傷缺陷的微區(qū)成分

從譜圖1、譜圖2和譜圖3可以知道，在裂紋處存在部分MnS夾雜，主要成分為C、O、S、Mn、Fe、Se。裂紋周圍分布大量的“白色”偏析帶。偏析帶中Mn和S的含量相對(duì)基體偏高。結(jié)果表明MnS夾雜物是在Mn和S富集的偏析帶中析出。

2.2.6 原因分析

鋼水在連鑄的過程中，首先沿著溫度低的結(jié)晶器壁進(jìn)行凝固，然后逐漸向中間收縮。Mn和S沒有完全固溶在已經(jīng)結(jié)晶的晶粒中，開始富集在還沒結(jié)晶的鋼水中。隨著結(jié)晶進(jìn)行，鋼水的Mn和S富集更加嚴(yán)重，形成富集Mn和S的偏析帶。當(dāng)偏析帶富集Mn和S的濃度達(dá)到一定程度時(shí)，則在偏析帶中析出MnS化合物。連鑄機(jī)一側(cè)開口度偏大，會(huì)導(dǎo)致鋼板一側(cè)的MnS富集更嚴(yán)重，使探傷不合缺陷集中的鋼板寬度的一側(cè)，見試樣2探傷缺陷分布示意圖。

圖9 試樣2橫截面的譜圖1、譜圖2、譜圖3、譜圖4、譜圖5能譜

由于偏析帶富集了Mn和S，組織轉(zhuǎn)變的CCC曲線向右移，使偏析帶在鋼板軋制冷卻的過程中，其相變與基體不同，而形成馬氏體。馬氏體屬于脆相區(qū)，其形變能力差，阻礙軋制形變和隨后冷卻過程中的微觀滑移和相變應(yīng)力傳遞，引起應(yīng)力集中，傾向?qū)е麻_裂[7-9]。

在富集Mn和S的偏析帶析出的MnS是引起探傷不合的一個(gè)重要因素。在探傷不合的裂紋缺陷的附近，或多或少都能夠找到MnS的存在。MnS相對(duì)鋼是軟相，在軋制過程中被壓扁和拉長，呈細(xì)長狀。MnS夾雜有較大的長寬比，容易在兩個(gè)尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，而形成開裂源，導(dǎo)致開裂，見圖8（a）中發(fā)現(xiàn)短線狀的裂紋缺陷。如果相鄰的MnS同時(shí)形成開裂源，可能會(huì)串聯(lián)在一起，形成細(xì)長的裂紋，見圖7（a）虛線位置。

表3 譜圖1、譜圖2、譜圖3、譜圖4、譜圖5化學(xué)成分

3 改善措施

（1）系統(tǒng)控制鋼中氣體來源，對(duì)煉鋼的輔料（錳碳球、覆蓋劑等）、合金進(jìn)行水分檢測和干燥，避免來料影響鋼水中氫含量；保證鋼包烘烤、在線吹氬及軟吹氬時(shí)間，促進(jìn)鋼水中氣體充分上??；對(duì)連鑄塞棒、上水口和氬氣封口檢查，防止漏氣，減少偏流情況發(fā)生；為防止鋼水二次氧化，采用全程保護(hù)澆注[10]。

（2）控制夾雜物來源，強(qiáng)化冶煉操作，提高終點(diǎn)控制水平，減少補(bǔ)吹次數(shù)，防止鋼水過氧化，降低氧化物夾雜；保證良好的精煉工藝和軟吹氬時(shí)間，使夾雜物充分上浮[3]。

（3）連鑄過程中，鋼水凝固收縮，板坯易形成發(fā)達(dá)的柱狀晶，中心易形成疏松、縮孔、成分偏析、中心裂紋及分層等缺陷，需要加強(qiáng)鑄機(jī)設(shè)備的精度維護(hù)，嚴(yán)格控制鋼水成分、澆注鋼水的過熱度、中間包液面、連鑄機(jī)開口度，恒速澆注以及合理配置二冷水，避免結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生偏流、紊流，以進(jìn)一步降低鑄坯的內(nèi)部缺陷[11]。

（4）鑄坯和板材的緩冷采用鑄坯坑冷和軋后板材緩冷措施，使固溶在奧氏體內(nèi)的氫充分?jǐn)U散出去，避免氫在MnS夾雜物處的聚集，而形成厚度方向1/2位置的裂紋缺陷。

4 結(jié)論

（1）鋼板的探傷缺陷分布于厚度1/4或3/4位置，是由金屬氧化物和小氣泡來不及上浮而滯留在鋼板而形成缺陷，通過控制鋼水夾雜物含量、澆注鋼水的過熱度、吹氬等措施進(jìn)行改善。

（2）鋼板探傷缺陷分布于厚度1/2位置，是由厚度1/2位置的偏析、MnS和聚氫引起開裂，通過從源頭控制輔料和合金的水分、連鑄機(jī)開口度、對(duì)鑄坯和板材進(jìn)行緩冷等措施進(jìn)行改善。