20#鋼管外折缺陷的原因分析及對策

張 珂，吳園園，董登超

（江蘇省（沙鋼）鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625）

0 引 言

外折是穿孔鋼管表面易出現的一種缺陷，其主要特征是：在橫斷面上少量金屬呈表面斜向壓疊，在鋼管縱向呈大螺旋分布[1-2]。外折的產生多是由管坯缺陷引起，通常可分為3類：（1）管坯表面的凹坑和渣孔；（2）管坯皮下裂紋或氣泡；（3）管坯縱向裂紋，此類缺陷在加熱后會擴展，軋制后形成更嚴重的外折，甚至整管開裂[3]。無縫鋼管表面缺陷問題一直是國內冶金行業研究的課題[4-7]，但對20#鋼管外折缺陷的研究多集中于引起缺陷各種因素的理論性研究[8-10]，或者通過簡單的金相實驗給出經驗性的結論[11-12]，缺乏充分的實驗與理論分析，對實際工作的指導意義有限。本文通過金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等檢測手段，對某廠20#鋼穿孔管橫向裂紋和連鑄坯縱向裂紋的樣品進行深入的觀察和分析，研究鋼管外折缺陷產生的原因，并結合生產過程提出針對性的改進措施。

1 理化檢驗與結果

1.1 穿孔管金相檢驗和微觀組織

1.1.1 宏觀形貌

試樣取自于外折缺陷穿孔管的一部分，外觀呈弧形。試樣表面可見一處較深的橫向裂紋，長度超過10cm，如圖1所示。

1.1.2 金相檢驗

在試樣裂紋附近分別沿橫、縱向取樣進行金相檢驗，腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。根據GB/T 10561-2005、GB/T6394-2002、GB/T224-2008 和 GB/T 13299-1991，分別對橫、縱截面樣品進行非金屬夾雜物、晶粒度、脫碳層、金相組織、帶狀組織等項目的評級和檢測，檢驗結果無明顯異常，結果見表1。

圖1 穿孔樣品表面裂紋宏觀形貌

表1 橫、縱截面樣品的金相檢驗結果

如圖2所示，在橫截面樣品裂紋周圍觀察到明顯的脫碳層，總脫碳層深度為0.37mm，說明裂紋形成過程中經歷過高溫過程，有可能來自于穿孔前的連鑄坯。在橫、縱截面樣品中均可見流線型的帶狀組織，且縱向的帶狀組織更為明顯，說明穿孔過程中局部的旋轉角速度差異造成了附加的扭轉變形。過大的附加剪切變形和軸向剪切-拉伸應力極易導致穿孔管外表面出現橫裂的現象，但橫向裂紋在縱向仍呈螺旋狀分布[2，7]。此外，在縱截面觀察到硫化物類（A類）、氧化鋁類（B類）和單顆粒球狀類（DS類）3種類型的非金屬夾雜物，但評級級別并無異常。

1.1.3 掃描電鏡形貌觀察及能譜分析

利用FEI Quanta 3D FEG掃描電鏡和OXFORD INCA Energy 350能譜儀分別對橫、縱截面樣品裂紋處進行形貌觀察，并對裂紋內、外區域的夾雜物進行能譜成分分析。

橫截面裂紋附近的背散射電子像如圖3所示，在裂紋端部發現含有Fe、Mn、Si、O的夾雜物（譜圖Spectrum1），裂紋周圍分布數量較多的顆粒狀夾雜物，尺寸一般在 0.2～3μm 之間，成分主要含有 Fe、Si、Mn、O等元素（譜圖Spectrum2）。與裂紋端部的夾雜物相比，顆粒狀夾雜物中Si、Mn元素的含量較高。在裂紋中較寬的區域可見氧化皮（譜圖Spectrum3），寬度可達10μm。

圖2 橫、縱截面樣品金相組織

圖3 橫截面裂紋處形貌觀察及夾雜物能譜分析結果

對縱截面裂紋處同樣進行了顯微觀察和夾雜物成分的能譜分析。與橫截面情形相似，在裂紋端部有氧化皮存在，裂紋附近可見較多的顆粒狀夾雜物，成分也主要含有 Fe、Si、Mn、O 等元素。

掃描電鏡能譜分析結果表明，外折缺陷內部存在大量的MnO-SiO2等煉鋼過程中所特有的脫氧產物，其可能產生于連鑄坯，在鋼管軋制時被碾壓至外折缺陷內部。因此，要進一步弄清外折缺陷產生的原因，必須要對鋼管生產所用的連鑄坯的質量進行分析。

1.2 連鑄坯金相檢驗和微觀組織

根據穿孔管表面外折特征，結合上述掃描電鏡能譜分析結果，對同批次連鑄坯進行表面質量檢查。經低倍酸洗后發現，連鑄坯表面存在明顯縱裂現象。將前后裂紋對比后認為，穿孔管外折缺陷應該與連鑄坯表面縱裂紋相對應，因此將連鑄坯沿裂紋處切開，觀察其橫截面。

1.2.1 金相檢驗

圖4為連鑄坯表面縱裂紋附近的金相組織，可以觀察到裂紋沿晶界分布，且裂紋深度達到3.2mm。圖4（b）為圖4（a）中方框區域的放大圖，可見裂紋邊緣存在少量的脫碳現象，說明裂紋是在高溫過程中形成。圖4（c）和4（d）分別為裂紋處和正常組織處的晶界形貌，裂紋處晶界明顯比其他區域的晶界粗大，表明此處凝固速率比周圍區域要慢。綜上，鑄坯在結晶器內部最初凝固過程中，由于冷卻速度不同導致初生坯殼厚度不均勻，凝固收縮快慢不一致，冷卻較弱的區域坯殼較薄，易產生應力集中而導致坯殼較薄的地方開裂。在隨后的連鑄過程中，裂紋受到彎曲、矯直等應力作用而發生擴展，并進一步沿著晶界深入而形成縱裂紋。

圖4 連鑄坯縱向裂紋處的金相組織

1.2.2 掃描電鏡形貌觀察及能譜分析

圖5 裂紋尖端及裂紋周圍夾雜物能譜分析結果

圖5為連鑄坯裂紋尖端處和裂紋周圍夾雜物的能譜分析結果。圖5（b）為圖5（a）中方框處的放大圖，結果顯示裂紋內部基本為氧化皮（譜圖Spectrum1），裂紋周圍存在大量細小的顆粒狀MnO-SiO2脫氧產物（譜圖Spectrum2）。由于夾雜物的尺寸較小，塑性較好，且該類夾雜物與基體的接觸面幾乎沒有空隙，因此不會成為裂紋萌生的源頭。結合穿孔管外折缺陷附近的夾雜物成分可知（圖3），這些硅錳脫氧產物在后續加工過程中并未發生變形，可見該類脫氧產物不是造成裂紋的直接原因。

在裂紋邊緣處還觀察到Na、Al、Ca等元素，與保護渣成分接近，如圖6所示，說明裂紋是在凝固初期形成于連鑄坯表面。裂紋附近的硅錳脫氧產物和裂縫中P、S元素含量較高，進一步說明裂紋沿晶界產生并擴展。

圖6 裂紋周圍細小開裂處能譜分析結果

2 分析與討論

2.1 外折缺陷的成因

綜上所述，連鑄坯在最初坯殼凝固過程中，在結晶器壁激冷作用下自發形核生長形成等軸晶組織。隨著凝固過程的進行，P、S等雜質元素以及硅錳脫氧產物被“排擠”到相鄰晶粒的晶界位置，導致晶界附近存在P、S元素和硅錳脫氧產物的偏聚，在高溫下更易形成較薄弱的區域。因此，當凝固坯殼冷卻不均勻時，坯殼較薄處由于應力集中，在富集P、S等雜質元素和硅錳脫氧產物的晶界處開裂，形成縱裂紋。根據20#鋼的成分，該鋼種處于過包晶區域，凝固過程中會發生包晶反應。由于包晶相變（L+δ→γ）的收縮特征，氣隙過早形成，容易導致坯殼生長不均勻，因此，20#鋼相對于27SiMn和45#鋼等非包晶鋼更容易形成縱裂。

由于連鑄坯存在縱裂紋、雜質元素富集、硅錳脫氧產物等缺陷，且穿孔過程中受到不適當的附加剪切變形和軸向剪切-拉伸應力，所以導致了穿孔管外表面出現橫裂，即明顯的外折缺陷。

2.2 改進對策

（1）結晶器銅管與冷卻水。調查結晶器銅管進出水溫度情況，是否因季節變化而導致進出水溫度偏差較大，分析縱裂是否與水溫變化有關。因為水垢會嚴重影響銅管的冷卻均勻性和冷卻效果，容易導致縱裂的形成，因此，要根據設備狀況改善水質，避免水垢的形成。

（2）保護渣性能。討論改善結晶器保護渣性能，適當增加液渣層厚度，以確保結晶器壁與凝固殼之間的氣隙有足夠的液渣流入。另外，也必須根據鋼種及澆鑄工藝條件確定結晶器保護渣的粘度，使液渣流入均勻，傳熱穩定，潤滑良好，從而減少鑄坯表面縱裂紋的產生。

（3）結晶器表面狀況。因為表面存在裂紋、凹坑、嚴重磨損等缺陷會導致結晶器冷卻不均勻，因此，建議仔細排查結晶器表面狀況。

3 結束語

本文利用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等物理測試手段，系統研究了20#鋼管外折缺陷產生的原因，并結合生產過程提出了針對性的改進措施，得到如下的結論：

（1）20#鋼管在生產過程中產生外折缺陷的主要原因是連鑄坯存在縱裂紋，且缺陷形成于高溫過程。

（2）從連鑄坯分析結果看，由于結晶器冷卻不均勻，裂紋在冷卻較慢區域形成并沿著晶界擴展，最終導致連鑄坯表面縱裂紋的形成。同時，縱裂所在的晶界處分布著較多細小的MnO-SiO2夾雜物，以及存在著P、S元素的偏聚，也是裂紋容易沿晶界擴展的重要原因。

（3）根據缺陷產生的原因和實際生產工藝，對連鑄坯的質量改進提出了針對性的改善措施，如改善結晶器銅管及冷卻水、提高保護渣性能、排查結晶器表面狀況等，實施效果明顯。

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