14MnNb鋼管外折疊原因分析

田漢蒲

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

某公司采用偏心底出鋼電弧爐→（LF/VD）爐外精煉→連鑄工藝（四機四流）生產(chǎn)連鑄坯，再通過φ273 mm連軋管機組將鑄坯軋制成無縫鋼管。然而，用φ330 mm的14MnNb鋼連鑄坯軋制的外徑323.8 mm、壁厚23.83 mm的X52QS鋼級出口管線管在進行全長磁粉探傷時發(fā)現(xiàn)，鋼管有外折疊缺陷，不合格。對有外折疊的鋼管修磨后探傷，1 526支中1 443支合格，合格率達94.56%。本文分析了鋼管產(chǎn)生外折疊的原因。

1 鋼管及連鑄坯分析

1.1 鋼管外折疊

外折疊呈魚鱗狀，沿鋼管全長呈螺旋狀分布，螺旋角約10°，如圖1所示。

圖1 鋼管的外折疊（a）及其顯示的磁粉痕跡（b）Fig.1 Out folds on the steel pipe（a）and magnetic powder traces showing them（b）

對外折疊進行金相分析，其微觀形貌如圖2所示。由圖2可見，外折疊深0.09～0.40 mm，縱向長度0.43～1.76 mm，與外表面的夾角為11°～19°；折疊內(nèi)有較多氧化物，且兩側(cè)有明顯的高溫氧化特征，鄰近外表面一側(cè)晶粒明顯粗大。

圖2 鋼管外折疊的微觀形貌Fig.2 Micrographs of the outer folds on the steel pipe

1.2 連鑄坯質(zhì)量

1.2.1 宏觀檢驗

產(chǎn)生外折疊的本批次鋼管是用φ330 mm的14MnNb鋼連鑄坯軋制而成的，連鑄坯為6個澆次共46爐，人工檢驗表面質(zhì)量未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。對其中尚未軋制的3166427爐號的12支連鑄坯進行酸洗和宏觀檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有3支鑄坯表面外弧側(cè)有網(wǎng)狀裂紋，如圖3（a）所示。對鑄坯橫截面進行低倍檢驗，結(jié)果如圖3（b）所示。由圖3（b）可見，外弧側(cè)深約4 mm處有網(wǎng)狀裂紋?？梢酝茰y，外折疊的產(chǎn)生與該網(wǎng)狀裂紋有關(guān)［1-2］。

圖3 連鑄坯表面（a）和橫截面（b）的網(wǎng)狀裂紋Fig.3 Resillage at surface（a）and cross-section（b）of the continuously cast billet

1.2.2 網(wǎng)狀裂紋金相檢驗

連鑄坯網(wǎng)狀裂紋的微觀形貌如圖4所示。由圖4可見，裂紋沿晶界擴展，兩側(cè)有輕微脫碳。

圖4 連鑄坯網(wǎng)狀裂紋的微觀形貌Fig.4 Micrographs of resillage in the continuously cast billet

對網(wǎng)狀裂紋進行掃描電子顯微鏡分析，結(jié)果如圖5所示；不同部位的能譜分析結(jié)果如表1所示。由表1可見，003處Cr含量較高，010處含有少量Cr元素，007、008處含有F元素，007處還含有少量Cu元素。

圖5 連鑄坯裂紋的掃描電子顯微鏡形貌Fig.5 Scanning electron micrographs of crack in the continuously cast billet

表1 圖5所示連鑄坯不同部位的能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Energy spectrum analysis results in different positions showed in Fig.5 （mass fraction） %

2 連鑄坯生產(chǎn)情況調(diào)查

本批次鋼管采用39爐φ330 mm的14MnNb鋼連鑄坯軋制而成，其中11爐鋼管的冶煉和連鑄工藝參數(shù)及探傷結(jié)果如表2所示。由表2可知：（1）該11爐連鑄坯LF爐冶煉時間不到40 min，且有5爐LF爐與VD爐冶煉時間之和不到70 min，共軋制鋼管421支，修磨后探傷，鋼管外折疊內(nèi)傷24支、分層1支，合格率為94.06%，比本批鋼管探傷合格率低0.50%；（2）因高爐鐵水供應(yīng)不正常，電爐、精煉操作節(jié)奏不穩(wěn)定，連續(xù)澆鑄的部分爐號上、下爐鋼水溫差大，導(dǎo)致連鑄拉速波動大（0.55 ～0.85 m/min），并長時間限速（低速）拉坯，使連鑄過程二次冷卻水量及保護渣下渣狀況變化較頻繁；（3）檢查生產(chǎn)中使用的直徑330 mm的結(jié)晶器銅管發(fā)現(xiàn)，第Ⅲ流結(jié)晶器銅管下口160 mm范圍內(nèi)磨損嚴(yán)重。

表2 鋼管的冶煉和連鑄工藝參數(shù)及探傷結(jié)果Table 2 Parameters of smelting and continuous casting processes and flaw detection results for the steel pipe

3 分析與討論

外折疊近外表面一側(cè)晶粒明顯粗大，折疊內(nèi)有較多氧化物，且兩側(cè)有明顯的高溫氧化特征。文獻［3-4］指出，若坯料表面存在原始裂紋，在環(huán)形爐較高溫度（1 000℃以上）保溫20 min以上就會產(chǎn)生脫碳層和氧化圓點，這是軋制前坯料表面裂紋的基本特征。酸洗連鑄坯和低倍檢驗發(fā)現(xiàn)，連鑄坯表面存在網(wǎng)狀裂紋，深約4 mm，沿晶界分布，兩側(cè)有輕微脫碳層，說明產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋的溫度高（1 000℃以上）。能譜分析表明，網(wǎng)狀裂紋處含有C、O、Al、Ti、Cr、Cu、F、Si、Fe、Mn 等元素，其中F為結(jié)晶器保護渣的主要元素，而圖5中003處Cr含量較高，007、008處含F(xiàn)元素，且007處還含有少量Cu元素，可以斷定，鑄坯網(wǎng)狀裂紋產(chǎn)生于結(jié)晶器內(nèi)，連鑄坯網(wǎng)狀裂紋是鋼管產(chǎn)生外折疊的主要原因。

由于鋼中含有Nb、Al元素，高溫（800～950℃）下因Nb、Al的氮化物析出，引起晶界脆化，熱延性降低，易導(dǎo)致鑄坯表面開裂［5］。連鑄坯外折疊的產(chǎn)生除與鋼種、鋼水質(zhì)量相關(guān)外，還與過熱度、保護渣、拉速和二次冷卻、矯直溫度、結(jié)晶器等因素相關(guān)［1-2，5-6］。

由上述分析可知，連鑄坯表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋的主要原因為：（1）部分爐號上、下爐溫差大，導(dǎo)致連鑄拉速波動大及限速拉坯，結(jié)晶器內(nèi)保護渣下渣不良，渣膜不均勻，使坯殼自上往下運動過程中局部導(dǎo)熱不均勻；同時拉速過低，鑄坯進拉矯機溫度過低（小于950℃）。（2）網(wǎng)狀裂紋含有Cu、Cr元素的主要原因是，連鑄過程中因結(jié)晶器內(nèi)保護渣下渣不均勻，高溫鑄坯直接與結(jié)晶器銅管接觸，發(fā)生固-固摩擦，導(dǎo)致結(jié)晶器銅管內(nèi)表面鍍鉻層嚴(yán)重磨損，銅局部與高溫鑄坯發(fā)生粘結(jié)。銅的熔點為1 040℃，熔化的銅通過奧氏體晶界滲透，富集在奧氏體晶界的Cu元素會顯著惡化鋼的塑性，導(dǎo)致晶界受到破壞，在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋。另外，鋼中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.020% ～0.050%，文獻［6-8］指出，含鋁量較高的鋼更易產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。這主要是因為鋼中AlN沿晶界析出，降低了奧氏體晶界強度，在應(yīng)力作用下沿晶開裂。

4 結(jié)論

（1）將14MnNb鋼連鑄坯軋制成X52QS鋼級管線管時，鋼管產(chǎn)生外折疊是連鑄坯表面有網(wǎng)狀裂紋所致。

（2）高溫析出的Nb、Al元素的碳、氮化物引起晶界脆化，導(dǎo)致連鑄坯表面開裂。

（3）連鑄拉速波動大，造成結(jié)晶器內(nèi)保護渣下渣不良、坯殼局部導(dǎo)熱不均勻、結(jié)晶器銅管內(nèi)表面鍍鉻層嚴(yán)重磨損、連鑄坯進拉矯機溫度低等因素，也是連鑄坯產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋的原因。