X7Ni9鋼板探傷不合原因分析與改進(jìn)

張宏亮 ，杜林 ，馮丹竹 ，田永久 ，朱瑩光 ，侯家平

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007）

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）作為清潔能源，成為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，需求量逐年遞增［1-4］。未來(lái)10年，能夠承載液化天然氣的大型LNG儲(chǔ)罐的建造將迎來(lái)高峰，大型LNG儲(chǔ)罐的建設(shè)因其具有建造難度大、質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，是LNG接收站項(xiàng)目建設(shè)中的重中之重。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐主要采用Ni元素含量為9%左右的X7Ni9鋼制造，為了確保建成的LNG儲(chǔ)罐安全性、可靠性，除了要求X7Ni9鋼具有良好的抗拉強(qiáng)度和-196℃下的超低溫沖擊韌性，還要求X7Ni9鋼具有極高冶金質(zhì)量，即鋼板滿(mǎn)足超聲波探傷要求［5-8］。工程上一般要求LNG儲(chǔ)罐用X7Ni9鋼板按BS EN 10160標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%超聲波檢查，合格級(jí)別為S2E4級(jí)。

鞍鋼股份有限公司在X7Ni9鋼生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，存在鋼板在線(xiàn)超聲波探傷不合格現(xiàn)象，探傷合格率為95.1%，本文通過(guò)金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)探傷不合鋼板的形貌和組織成分進(jìn)行了檢測(cè)，并詳細(xì)分析了X7Ni9鋼探傷不合的原因。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用在線(xiàn)探傷不合格的X7Ni9鋼板，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 X7Ni9鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in X7Ni9 Steel Plate（Mass Fraction） %

1.2 試驗(yàn)方法

選取5塊爐號(hào)相同的X7Ni9鋼連鑄坯，在連鑄坯頭部用火焰切割切取低倍試樣進(jìn)行連鑄坯低倍試驗(yàn)研究，分析連鑄坯冶金質(zhì)量。再將取樣后剩余的鋼坯軋制并進(jìn)行在線(xiàn)探傷，根據(jù)探傷結(jié)果，對(duì)探傷不合格的X7Ni9鋼板進(jìn)行人工手動(dòng)探傷，精準(zhǔn)確定缺陷位置為鋼板厚度1/4處，用線(xiàn)切割切取試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究。利用金相顯微鏡進(jìn)行拋光態(tài)和腐蝕態(tài)觀察，采用掃描電鏡分析缺陷形貌及成分組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 低倍檢驗(yàn)結(jié)果

在遠(yuǎn)離火焰切割的區(qū)域截取試樣，經(jīng)50%工業(yè)鹽酸溶液熱侵蝕后X7Ni9鋼低倍樣形貌見(jiàn)圖1。

圖1 X7Ni9鋼連鑄坯低倍形貌Fig.1 Morphology of Macrostructures in Continuous Casting Blooms of X7Ni9 Steel

通過(guò)觀察，連鑄坯內(nèi)部沒(méi)有明顯的裂紋及夾雜缺陷，表面激冷層厚度較薄，柱狀晶發(fā)達(dá)，連鑄坯上、下兩側(cè)柱狀晶局部有“搭橋”現(xiàn)象。連鑄坯中心局部可以觀察到少量的疏松現(xiàn)象。經(jīng)評(píng)級(jí)，連鑄坯中心疏松為0.5級(jí)，中心偏析為B0.5級(jí)，無(wú)中間裂紋、三角區(qū)裂紋和角部裂紋。

2.2 鋼板探傷及缺陷位置確定

超聲波探傷是利用超聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，由于不同介質(zhì)的聲阻抗不同，超聲波會(huì)在界面產(chǎn)生反射和透射的現(xiàn)象，在探傷示波儀上產(chǎn)生波形來(lái)判斷鋼板內(nèi)部質(zhì)量的一種無(wú)損檢測(cè)方法。鋼板的疏松、偏析、非金屬夾雜物、氣體等都可能導(dǎo)致鋼板超聲波探傷不合格［9］。

在5塊X7Ni9鋼連鑄坯軋制的鋼板中，發(fā)現(xiàn)一張厚度為16.4 mm的鋼板在線(xiàn)超聲探傷不合格，用火焰切割在自動(dòng)探傷不合格區(qū)域切取200 mm×200 mm鋼樣，在缺陷處進(jìn)行詳細(xì)的人工手動(dòng)探傷，確定缺陷位置，利用線(xiàn)切割在手動(dòng)探傷確認(rèn)的缺陷位置沿缺陷中心貫穿鋼板厚度切割，截取16.4 mm×20 mm×10 mm 試樣。

2.3 金相試驗(yàn)結(jié)果

將試樣研磨、拋光，在ZEISS Aviovert 200 MAT光學(xué)金相顯微鏡下觀察探傷不合格鋼板試樣拋光態(tài)宏觀形貌。缺陷宏觀形貌如圖2所示，在鋼板厚度的1/4位置處，可以觀察到斷續(xù)分布的夾雜物缺陷，夾雜物呈條帶狀偏聚、較細(xì)小，但尺寸較長(zhǎng)，長(zhǎng)度約0.4 mm。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，夾雜物的類(lèi)型和級(jí)別為B類(lèi)1.0級(jí)、C類(lèi)1.5級(jí)、DS類(lèi)0.5級(jí)。在鋼板厚度1/2處，未觀察到明顯的夾雜物和裂紋。

圖2 缺陷拋光態(tài)宏觀形貌Fig.2 Macroscopic Morphology of Defect in Polished State

采用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，在ZEISS Aviovert 200 MAT光學(xué)金相顯微鏡觀察鋼板基體組織及缺陷處的形貌。

經(jīng)過(guò)4%硝酸酒精溶液腐蝕后的X7Ni9鋼基體顯微組織和缺陷形貌圖片如圖3所示，X7Ni9鋼熱軋態(tài)基體顯微組織為貝氏體+馬氏體的混合組織。通過(guò)對(duì)樣品全斷面進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)有明顯的裂紋缺陷。

圖3 X7Ni9鋼基體顯微組織和缺陷形貌圖片F(xiàn)ig.3 Images of Microstructures in X7Ni9 Steel Matrix and Defect

2.4 掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步確定鋼板探傷不合格的原因，結(jié)合金相試驗(yàn)分析結(jié)果，采用SEM掃描電鏡，對(duì)不同位置分布的缺陷進(jìn)行微觀形貌觀察，并采用能譜分析儀對(duì)夾雜物成分進(jìn)行分析，缺陷形貌及EDS能譜分析如圖4所示。

圖4 貝氏體中的缺陷形貌及EDS能譜分析Fig.4 Morphology of Microstructures of Defects in Bainite and Analysis Results by EDS

由圖4可以看出，一部分?jǐn)嗬m(xù)分布的夾雜物缺陷主要在基體貝氏體組織中。盡管夾雜物級(jí)別不高，但在鋼中存在聚集現(xiàn)象。譜圖9所代表的夾雜物為A12O3-MgO-CaO，譜圖10所代表的夾雜物為A12O3-MgO，譜圖11所代表的夾雜物為A12O3。另一部分夾雜物分布在基體的馬氏體條帶上，缺陷形貌及EDS能譜分析結(jié)果如圖5所示。通過(guò)圖5可以看出，譜圖12和譜圖13所代表的夾雜物化學(xué)成分以大量的MnS為主，以及少量的Ca-Mg-Al-Si-Ti-O混合夾雜物。

圖5 馬氏體條帶處缺陷形貌及EDS能譜分析結(jié)果Fig.5 Morphology of Microstructures of Strip-like Defects in Martensite and Analysis Results by EDS

3 分析和討論

通過(guò)分析X7Ni9鋼連鑄坯低倍形貌，除0.5級(jí)中心疏松和B0.5級(jí)中心偏析、局部柱狀晶“搭橋”外，未在連鑄坯內(nèi)部觀察到明顯的裂紋缺陷。探傷不合格鋼板厚度1/2位置處無(wú)夾雜物、裂紋缺陷，表明連鑄坯中心存在的柱狀晶搭橋、疏松不是造成探傷不合的原因。在探傷不合格鋼板厚度1/4處可以觀察到呈斷續(xù)狀條帶分布的長(zhǎng)度約0.4 mm的MnS、A12O3-MgO-CaO、Si-Ti-Ox 等夾雜，雖然夾雜物級(jí)別不高、條帶較細(xì)，但是沿長(zhǎng)度方向聚集明顯，說(shuō)明鋼水中A12O3-MgO-CaO、A12O3-MgO等中間包內(nèi)襯外來(lái)夾雜物和內(nèi)生夾雜物A12O3、MnS是造成探傷不合的原因。

非金屬夾雜物一般是脫氧產(chǎn)物或鋼水中元素的氧、硫、氮化物未能及時(shí)上浮而滯留在鋼中，在冶煉時(shí)要采取措施使夾雜物充分上浮，凈化鋼質(zhì)，同時(shí)避免冶煉、出鋼、澆鑄過(guò)程中耐材、爐渣及二次氧化產(chǎn)物的卷入。一旦夾雜物超標(biāo)或者聚集，在鋼的軋制過(guò)程中，夾雜物沿軋制方向被拉長(zhǎng)或碾碎而形成缺陷，后續(xù)工藝措施很難進(jìn)行補(bǔ)救［10-17］。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，針對(duì)X7Ni9鋼的鋼液純凈度問(wèn)題從冶煉工藝和保護(hù)澆注方面分別進(jìn)行工藝優(yōu)化：

（1）嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量：由原來(lái)650×10-6降低至500×10-6以?xún)?nèi)，降低一次氧化產(chǎn)物。

（2）降低LF終點(diǎn)S含量：LF爐快速造白渣：ω（CaO）=42%～65%，ω（SiO2）=0～15%，ω（A12O3）=22%～55%，在強(qiáng)攪拌作用下，LF處理終點(diǎn)S含量穩(wěn)定控制在10×10-6以?xún)?nèi)。

（3）增加RH精煉純處理周期及凈循環(huán)時(shí)間：純處理周期控制在35 min以上，凈循環(huán)時(shí)間控制在25 min以上，增加夾雜物上浮動(dòng)力學(xué)條件，促進(jìn)夾雜物上浮、去除。

（4）使用Mg含量＞85%中間包涂抹料，提高中間包內(nèi)襯抗熱震、耐侵蝕性，避免鋼水二次氧化。

上述改進(jìn)措施實(shí)施后，X7Ni9鋼探傷合格率由原來(lái)的95.1%提高至99.1%。

5 結(jié)論

（1）探傷不合格鋼板厚度1/4處可以觀察到呈斷續(xù)狀條帶分布的長(zhǎng)度約0.4 mm的MnS、A12O3-MgO-CaO、Si-Ti-Ox等夾雜，說(shuō)明鋼水中A12O3-MgO-CaO、A12O3-MgO等中間包內(nèi)襯外來(lái)夾雜物和內(nèi)生夾雜物A12O3、MnS是造成探傷不合的原因。

（2）通過(guò)采取優(yōu)化生產(chǎn)工藝技術(shù)，嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量，降低LF終點(diǎn)S含量，增加RH精煉純處理周期及凈循環(huán)時(shí)間，使用Mg含量＞85%中間包涂抹料，提高鋼水潔凈度，X7Ni9鋼探傷合格率由95.1%提高至99.1%。