Q345E-Z25鋼探傷不合格原因分析及改進(jìn)措施

劉云峰

（山鋼股份萊蕪分公司，山東 萊蕪271104）

1　前言

山鋼股份萊蕪分公司寬厚板4 300 mm產(chǎn)線設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力150萬(wàn)t，產(chǎn)品厚度5～150 mm，寬度1 500～4 100 mm，最大成品長(zhǎng)度24 m，最大板重24 t。Z向鋼被廣泛應(yīng)用在大型船舶、橋梁、起重設(shè)備、高層建筑等高危環(huán)境中［1］。開(kāi)始生產(chǎn)Z向鋼以來(lái)，隨著訂貨量的增大，產(chǎn)品厚度也不斷增加，這對(duì)鋼板的內(nèi)部質(zhì)量控制水平提出了更高的要求。本研究分析寬厚板生產(chǎn)中出現(xiàn)的130 mm厚度Q345EZ25鋼探傷不合格情況，分析原因，提出控制改善措施，取得了很好的效果，為特厚Z向鋼的生產(chǎn)提供了參考。

2　超聲波探傷不合格原因分析

2017年5月寬厚板生產(chǎn)Q345E-Z25鋼種，產(chǎn)品規(guī)格為130 mm×2 440 mm×8 000 mm。軋制完成冷卻后，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鋼板超聲波探傷不合格，探傷時(shí)依據(jù)GB/T 2970—2016標(biāo)準(zhǔn)，探傷級(jí)別為二級(jí)。在鋼板寬度方向兩側(cè)距邊部500 mm內(nèi)厚度中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)缺陷波，內(nèi)部缺陷呈點(diǎn)狀分布，長(zhǎng)度寬度無(wú)延伸，點(diǎn)狀缺陷沿軋制方向分布，缺陷波高40%～60%，個(gè)別尖銳缺陷波高超100%。鋼板經(jīng)熱處理正火后，再次超聲波探傷檢測(cè)，內(nèi)部缺陷沒(méi)有明顯改善，判定探傷不合格。隨后對(duì)本爐生產(chǎn)的其他同規(guī)格探傷檢驗(yàn)，超聲波探傷情況一致，整爐判廢。為分析鋼板探傷不合格原因，取樣分析鋼板化學(xué)成分，分析軋制工藝參數(shù)，同時(shí)對(duì)鋼板低倍組織及顯微組織進(jìn)行檢測(cè)分析。

2.1　化學(xué)成分

對(duì)超聲波探傷不合格的鋼板取樣進(jìn)行成分分析，標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)要求與分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，除S含量超Q345E-Z25鋼的內(nèi)控要求外，其余成分均正常。

表1　特厚鋼板探傷不合格鋼板的化學(xué)成分 %

2.2　加熱軋制水冷工藝

探傷不合格板坯規(guī)格為300 mm×2 200 mm×4 200 mm，采用板坯落地緩冷后冷裝的裝爐方式。從軋制系統(tǒng)查詢探傷不合鋼板的加熱爐加熱、軋制、水冷、熱處理工藝記錄，與軋制工藝要求對(duì)比，8批探傷不合格在爐時(shí)間為375～389 min，出爐溫度1 203～1 213℃，中間坯厚度181.95～182.01 mm，精軋開(kāi)軋溫度874～876℃，精軋終軋溫度790～799℃，冷卻入口溫度791～799℃，冷卻出口溫度595～617℃，冷卻速率4～5℃/s，均符合工藝要求。查詢緩冷記錄，鋼板堆冷時(shí)間都在48 h以上，符合工藝要求（＞36 h）。從軋制數(shù)據(jù)分析，鋼板的各項(xiàng)控制都在工藝參數(shù)要求范圍之內(nèi)，冷卻溫度偏工藝參數(shù)設(shè)定的下線，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的異常。

2.3　軋制道次分析

查詢本批次探傷不合的軋制道次與壓下率與探傷合格的厚鋼板相對(duì)比，探傷不合的鋼板軋制道次增多，但是單道次的壓下率減少，尤其是粗軋階段大壓下量的階段，這對(duì)特厚鋼板的心部晶粒的破碎和鋼坯內(nèi)部疏松的壓合非常重要［2］。對(duì)于板材軋制，當(dāng)形狀比較小時(shí)，軋制變形滲透不到鋼板心部，造成心部的枝晶破碎、孔隙壓合和夾雜物破碎程度不足，從而使鋼板內(nèi)部質(zhì)量達(dá)不到要求，并且在心部附加拉應(yīng)力，很容易導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。隨著形狀比的增大，壓縮應(yīng)力區(qū)增大，未變形區(qū)域減小。當(dāng)形狀比高于一定數(shù)值時(shí)，變形滲透到鋼板心部，鋼板整個(gè)厚度斷面都是壓縮應(yīng)力區(qū)，壓縮應(yīng)力更有利于孔洞等缺陷的焊合。在軋輥直徑一定的條件下，增加形狀比必須增大道次壓下量，采用高溫低速大壓下工藝，使軋制力傳遞至心部，充分破碎鑄坯心部晶粒，焊合中心疏松，使鋼板內(nèi)部晶粒均勻細(xì)化，是保證特厚板探傷合格率的重要手段［3-4］。

2.4　低倍分析

在鋼板7525017000探傷不合格處與合格處分別切取了2塊試樣進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，包括橫向和縱向試樣。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探傷不合格的縱向和橫向低倍試樣心部均有1條較為明顯的缺陷帶，尤其是縱向試樣更為嚴(yán)重。心部缺陷帶連續(xù)，呈細(xì)長(zhǎng)條狀，橫向試樣心部缺陷帶略輕，但仍有點(diǎn)狀心部缺陷，部分區(qū)域也可見(jiàn)連續(xù)的條狀缺陷帶；而探傷合格處的橫向和縱向試樣均未出現(xiàn)明顯的心部缺陷帶，這與超聲波探傷儀檢查時(shí)情況完全吻合。

連鑄板坯中心部位存在大量疏松自由表面，上有低熔點(diǎn)的MnS富集以及規(guī)則排列的類似魚(yú)骨的鈮鐵共晶體。由于是最后凝固區(qū)域，其碳、硫含量明顯高于其他部位，因此易于在鋼板的中心區(qū)域形成珠光體偏析帶。碳、硫元素的偏析會(huì)影響鋼板超聲波探傷不合格率［5］。

2.5　金相分析

對(duì)兩種低倍試樣進(jìn)行金相分析對(duì)比，探傷不合格試樣的金相組織如圖1所示。圖1表明，沿厚度方向組織、偏析、夾雜物以及裂紋等情況差異較大，近表面和1/4厚度處組織為F+P，心部組織為F+P+B，部分裂紋非常嚴(yán)重呈連續(xù)長(zhǎng)條狀，這直接導(dǎo)致探傷不合格。在整個(gè)區(qū)域心部裂紋呈斷續(xù)狀，這與超聲波探傷時(shí)情況完全吻合。探傷合格處的鋼板的近表面、1/4厚度處和心部組織均為F+P，組織均勻，沒(méi)有明顯的看出夾雜物和裂紋等。

圖1　探傷不合格鋼板金相組織

2.6　掃描電鏡分析

為進(jìn)一步研究鋼板探傷不合格的原因，對(duì)探傷不合處金相試樣做了掃描電鏡以及能譜分析。掃描電鏡結(jié)果如圖2所示。

圖2　探傷不合格處SEM形貌及能譜分析結(jié)果

從圖2可以看出心部有一條明顯白而亮的缺陷帶，心部的裂紋、偏析和硫化物、氧化物等夾雜物非常嚴(yán)重，主要為細(xì)條狀的深灰色硫化錳夾雜。由于鋼中合金元素的偏聚等因素的影響，降低了鋼板在軋后水冷過(guò)程中B形成的臨界冷卻速度，促進(jìn)了偏聚區(qū)B的形成。而一旦B組織形成，就容易與周圍F+P組織產(chǎn)生軟硬相之間的組織應(yīng)力，這是導(dǎo)致裂紋形成的一個(gè)重要原因。夾雜物的金相和掃描電鏡檢測(cè)分析表明鋼板中心部位存在MnS等夾雜物，在軋制過(guò)程中會(huì)沿軋制方向隨金屬基體一起流動(dòng)變形，最后變成條狀或片狀?yuàn)A雜物，從而引起鋼板分層導(dǎo)致探傷不合。MnS等夾雜物的存在也是裂紋出現(xiàn)的重要原因，鋼中的氫可在顯微空隙處聚集形成氣體分子，而夾雜物與金屬基體的相界面又強(qiáng)烈吸附氫，所以?shī)A雜物周圍氫壓較高。在夾雜物的尖銳處，當(dāng)氫壓超過(guò)臨界值時(shí)，就產(chǎn)生了微裂紋，且隨氫壓的提高，微裂紋可以擴(kuò)展或相互連接，形成較長(zhǎng)的裂紋，顯著降低了鋼板探傷合格率［6-8］。

3　改進(jìn)措施

1）加強(qiáng)鐵水脫硫，優(yōu)化煉鋼工藝，有效降低鋼中S含量從而減少M(fèi)nS夾雜物。

2）加強(qiáng)煉鋼工藝控制能力。RH精煉脫氫，降低鋼種的氫含量；同時(shí)優(yōu)化板坯連鑄工藝，降低鋼水的過(guò)熱度，選擇合適的拉速和二冷制度，減輕板坯的中心偏析。

3）控制連鑄坯冷卻速度，延長(zhǎng)液態(tài)時(shí)間，減少鋼中凝固過(guò)程中夾雜物的偏聚，提高連鑄坯質(zhì)量，是消除和改善鋼板偏析的基礎(chǔ)。

4）優(yōu)化軋鋼工藝控制。在粗軋階段，加大軋制力和軋制扭矩，適當(dāng)降低軋制速度和優(yōu)化特厚規(guī)格時(shí)粗精軋的道次、壓下量、壓下率，以加強(qiáng)變形的滲透，使得板坯心部也能發(fā)生充分的變形，改造鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)，減輕心部偏析。優(yōu)化鋼板軋后冷卻工藝制度，盡量保證冷卻均勻，降低鋼板內(nèi)部應(yīng)力，較厚規(guī)格鋼板水冷下線后宜進(jìn)行堆垛緩冷。

4　結(jié)語(yǔ)

采取優(yōu)化改進(jìn)措施后，特別是采取控制鋼中S含量等重點(diǎn)措施后，連鑄冷速，提升連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，保證粗軋時(shí)大的壓下率，鋼板緩冷等重點(diǎn)控制措施后，特厚Z向鋼板的探傷合格率顯著增高，GB/T 2970標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)探傷合格率由90.3%提升到99.5%以上。2017年第四季度，山鋼股份萊蕪分公司寬厚板生產(chǎn)線100 mm及以上探傷鋼板軋制量2萬(wàn)t以上，但探傷不合格量?jī)H33 t，優(yōu)化改進(jìn)效果顯著。