Q390D鋼板超聲波檢測(cè)不合原因分析及改進(jìn)

柳彩楓，張明國

（山鋼股份濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南 250101）

試驗(yàn)研究

Q390D鋼板超聲波檢測(cè)不合原因分析及改進(jìn)

柳彩楓，張明國

（山鋼股份濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南 250101）

利用金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析對(duì)Q390D鋼板超聲波檢測(cè)不合部位取樣進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果表明，試樣內(nèi)部存在偏析、夾雜物以及裂紋等缺陷，是鋼板產(chǎn)生缺陷回波的主要原因。通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐出鋼工藝，控制鋼中有害元素及氣體含量，采用合理的加熱制度等措施，Q390D鋼板的超聲檢測(cè)合格率由98.25%提高到99.54%。

Q390D鋼板；超聲波檢測(cè)；偏析；夾雜物；裂紋

1 前言

Q390D是船舶、鍋爐、壓力容器、石油儲(chǔ)罐、橋梁、電站設(shè)備、起重運(yùn)輸機(jī)械及其他較高載荷的焊接結(jié)構(gòu)件用鋼板。濟(jì)鋼生產(chǎn)的Q390D鋼板超聲波探傷合格率總體上保持在較高的水平，但近期生產(chǎn)的Q390D出現(xiàn)批量超聲波探傷不合的情況。探傷不合造成的補(bǔ)產(chǎn)不僅增加生產(chǎn)成本，還影響到訂單的交付。為此，本研究對(duì)Q390D超聲波探傷不合格的鋼板取樣進(jìn)行分析，查找產(chǎn)生缺陷的原因，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 檢測(cè)分析

樣品利用直讀光譜儀進(jìn)行成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1。利用超聲波探傷儀對(duì)超聲檢測(cè)不合鋼板的缺陷部位進(jìn)行準(zhǔn)確定位。取缺陷與軋制方向平行的部位，在垂直軋制方向剖開，利用金相顯微鏡、掃描電鏡對(duì)橫截面進(jìn)行組織及夾雜物觀察。

表1 Q390D鋼板試樣的光譜檢測(cè)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.1 超聲波檢測(cè)

根據(jù)JB/T 4730.3—2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)設(shè)備選擇HS620數(shù)字式超聲波探傷儀，并選擇公稱頻率為2.5 MHz、晶片尺寸為Φ20 mm的單晶直探頭，以CBⅡ-2試塊Φ5平底孔第1次反射波高調(diào)整到滿刻度的50%作為基準(zhǔn)靈敏度，對(duì)厚度規(guī)格為46 mm的Q390D鋼板進(jìn)行超聲波檢測(cè)。檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)鋼板基體有明顯的缺陷回波存在，缺陷波高在50%～70%，缺陷深度約為鋼板厚度的一半，超聲波檢測(cè)波形見圖1。

圖1 Q390D鋼板超聲波檢測(cè)波形

2.2 微觀組織觀察

用超聲波對(duì)宏觀缺陷定位后，在超聲檢測(cè)不合部位取樣進(jìn)行金相顯微鏡和掃描電鏡組織觀察。

在100倍光學(xué)顯微鏡下觀察試樣拋光面，能見到呈鏈條狀聚集的硫化物和彌散分布的硫化物夾雜（見圖2a），試樣的中心部位存在數(shù)條貫穿視場(chǎng)的小裂紋（見圖2b）。用4%硝酸酒精溶液侵蝕后，鋼板厚度方向1/4處及中心部位的金相組織見圖3。

圖2 Q390D鋼板超聲檢測(cè)不合部位夾雜物和裂紋形貌100×

圖3 Q390D鋼板超聲檢測(cè)不合部位金相組織500×

Q390D鋼板為典型的鐵素體+珠光體組織。鋼板厚度1/4處組織中未發(fā)現(xiàn)明顯異常組織（圖3a），而厚度中心部位可見較為粗大的偏析帶，偏析帶內(nèi)存在貝氏體組織（圖3b）。

利用掃描電鏡對(duì)裂紋和偏析帶進(jìn)一步觀察，其電鏡組織形貌如圖4所示。裂紋寬度在2 μm左右，裂紋和偏析帶附近組織呈現(xiàn)貝氏體形態(tài)。

2.3 能譜分析

對(duì)試樣中的夾雜物和裂紋進(jìn)行能譜分析，譜圖位置及成分如圖5、表2所示。試樣中分散著A、B、C、D各類夾雜，其中以MnS、氧化物類夾雜物為主，還有一定數(shù)量的Nb和Ti的化合物。

圖4 Q390D鋼板超聲檢測(cè)不合部位裂紋及偏析的掃描電鏡形貌

圖5 Q390D鋼板超聲檢測(cè)不合部位夾雜物及裂紋能譜分析

表2 Q390D鋼板超聲檢測(cè)不合部位夾雜物及裂紋能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3 超聲探傷不合原因分析

由以上檢測(cè)分析可知，鋼板中心存在偏析、夾雜以及裂紋等缺陷是造成探傷不合的直接原因。

冶煉過程中鋼中的脫氧產(chǎn)物在鋼液中來不及上浮，在連鑄坯中以夾雜物的形式存在。夾雜物不僅破壞了基體的連續(xù)性，且與基體的塑形變形能力不同，軋制時(shí)在外力作用下，在夾雜物周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，軋制后容易形成裂紋。

經(jīng)SEM和EDS分析發(fā)現(xiàn)，鋼板厚度中心存在偏析以及貝氏體組織，主要是因?yàn)槌煞制鍪沟娩摰腃CT曲線右移，相變生成貝氏體。貝氏體屬于硬相組織,變形量小,在軋制過程中阻礙鐵素體變形,導(dǎo)致應(yīng)力集中,使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生組織內(nèi)應(yīng)力，容易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生［1-2］。

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量發(fā)生反射，一部分能量會(huì)發(fā)生透射。因此，超聲波在鋼中的傳播遇到裂紋就會(huì)發(fā)生這種反射和透射。當(dāng)頻率為1 MHz時(shí)，鋼中厚度為10-5mm的氣隙幾乎能100%反射，且氣隙厚度一定時(shí)，頻率增加，對(duì)超聲波的反射增加，檢出能力也因此增加［3］。對(duì)鋼板進(jìn)行超聲檢測(cè)的頻率為2.5 MHz，試樣中裂紋寬度在2 μm左右，因此很容易造成超聲波檢測(cè)不合。

4 改進(jìn)措施

1）嚴(yán)格控制鋼中的有害元素、氣體含量。S是易偏析元素，極易在鑄坯中心部位形成偏聚，所以首先要控制鋼水中的S含量，同時(shí)強(qiáng)化LF、VD、連鑄等環(huán)節(jié)的保護(hù)澆注，優(yōu)化吹氬和鈣處理操作，控制原材輔料的含水量，保證超聲波檢測(cè)鋼種中S≤0.005%，［N］≤40×10-6，［O］≤25×10-6，［H］≤3×10-6。

2）嚴(yán)格控制夾雜物。優(yōu)化轉(zhuǎn)爐出鋼工藝，防止下渣。精煉處理結(jié)束后，上機(jī)前的軟吹時(shí)間≮10 min，以促進(jìn)夾雜物的變性和上浮。

3）控制鑄坯的低倍質(zhì)量。由于連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量直接影響超聲波檢測(cè)結(jié)果，連鑄采用電磁攪拌擴(kuò)大等軸晶帶，減少偏析，凈化鋼水，去除非金屬夾雜物，控制鑄坯低倍的中心偏析，控制C類夾雜物2.0級(jí)以下、中間裂紋和中心疏松0.5級(jí)以下。

4）保證充足的加熱時(shí)間。充足的加熱時(shí)間有利于組織的均勻和促進(jìn)偏析元素的擴(kuò)散。對(duì)于冷料厚板坯，加熱時(shí)間至少在4 h以上，連鑄坯出爐溫度目標(biāo)確定為1 140～1 180℃，確保加熱均勻，以促進(jìn)偏析元素的擴(kuò)散，減輕偏析。

5 結(jié)語

Q390D鋼板存在偏析、夾雜物以及裂紋是造成探傷不合的主要原因。通過控制鋼中夾雜物、有害元素、氣體含量、鑄坯低倍質(zhì)量以及合理的加熱制度等措施，濟(jì)鋼生產(chǎn)的Q390D鋼板的超聲檢測(cè)合格率由原來的98.25%提高到了99.54%，大大減少了因超聲檢測(cè)不合補(bǔ)產(chǎn)造成的成本損失，為Q390D超聲檢測(cè)鋼板的及時(shí)交付提供了保障。

［1］趙慶宇.Q345D鋼板探傷不合的原因分析及改進(jìn)措施［J］.寬厚板，2010，16（5）：22-24.

［2］李雪東.S355K2鋼板超聲波探傷不合原因分析［J］.山東冶金，2014，36（3）：20-22.

［3］鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)［M］.2版.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

Analysis and Improvement of Nonconformity Cause of Q390D Steel Plate in Ultrasonic Inspection

LIU Caifeng,ZHANG Mingguo

（Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The samples from defect position of Q390D steel plate by ultrasonic inspection was studied by means of Metallurgical Microscopy,Scanning Electron Microscope(SEM)and Energy Dispersive Spectrometer(EDS).The results showed that the defects such as segregation,inclusion and micro-crack were existed in the sample and were the main cause of the echoes in ultrasonic flaw detection.Through optimizing converter tapping process,controlling harmful elements and gas content in steel,adopting reasonable heating system and other measures,the qualification rate of ultrasonic inspection was improved from 98.25%to 99.54%.

Q390D steel plate;ultrasonic inspection;segregation;inclusion;micro-crack

TG115.285

A

1004-4620（2015）03-0034-03

2014-09-02

柳彩楓，女，1986年生，2011年畢業(yè)于北京科技大學(xué)冶金物理化學(xué)專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份濟(jì)南分公司寬厚板廠助理工程師，從事新產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制等工作。