Q345E-Z25鋼探傷不合格原因分析及改進措施

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產線設計年生產能力150萬t，產品厚度5～150 mm，寬度1 500～4 100 mm，最大成品長度24 m，最大板重24 t。Z向鋼被廣泛應用在大型船舶、橋梁、起重設備、高層建筑等高危環境中［1］。開始生產Z向鋼以來，隨著訂貨量的增大，產品厚度也不斷增加，這對鋼板的內部質量控制水平提出了更高的要求。本研究分析寬厚板生產中出現的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Q345E-Z25鋼種，產品規格為130 mm×2 440 mm×8 000 mm。軋制完成冷卻后，現場檢驗過程中發現鋼板超聲波探傷不合格，探傷時依據GB/T 2970—2016標準，探傷級別為二級。在鋼板寬度方向兩側距邊部500 mm內厚度中心區域發現缺陷波，內部缺陷呈點狀分布，長度寬度無延伸，點狀缺陷沿軋制方向分布，缺陷波高40%～60%，個別尖銳缺陷波高超100%。鋼板經熱處理正火后，再次超聲波探傷檢測，內部缺陷沒有明顯改善，判定探傷不合格。隨后對本爐生產的其他同規格探傷檢驗，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，取樣分析鋼板化學成分，分析軋制工藝參數，同時對鋼板低倍組織及顯微組織進行檢測分析。

2.1　化學成分

對超聲波探傷不合格的鋼板取樣進行成分分析，標準及相關要求與分析結果見表1。從表1可以看出，除S含量超Q345E-Z25鋼的內控要求外，其余成分均正常。

表1　特厚鋼板探傷不合格鋼板的化學成分 %

2.2　加熱軋制水冷工藝

探傷不合格板坯規格為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，與軋制工藝要求對比，8批探傷不合格在爐時間為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，鋼板堆冷時間都在48 h以上，符合工藝要求（＞36 h）。從軋制數據分析，鋼板的各項控制都在工藝參數要求范圍之內，冷卻溫度偏工藝參數設定的下線，沒有出現明顯的異常。

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，這對特厚鋼板的心部晶粒的破碎和鋼坯內部疏松的壓合非常重要［2］。對于板材軋制，當形狀比較小時，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，從而使鋼板內部質量達不到要求，并且在心部附加拉應力，很容易導致鋼板產生內部缺陷。隨著形狀比的增大，壓縮應力區增大，未變形區域減小。當形狀比高于一定數值時，變形滲透到鋼板心部，鋼板整個厚度斷面都是壓縮應力區，壓縮應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，使鋼板內部晶粒均勻細化，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塊試樣進行低倍檢驗，包括橫向和縱向試樣。檢驗發現，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重。心部缺陷帶連續，呈細長條狀，橫向試樣心部缺陷帶略輕，但仍有點狀心部缺陷，部分區域也可見連續的條狀缺陷帶；而探傷合格處的橫向和縱向試樣均未出現明顯的心部缺陷帶，這與超聲波探傷儀檢查時情況完全吻合。

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

2.5　金相分析

對兩種低倍試樣進行金相分析對比，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，部分裂紋非常嚴重呈連續長條狀，這直接導致探傷不合格。在整個區域心部裂紋呈斷續狀，這與超聲波探傷時情況完全吻合。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

為進一步研究鋼板探傷不合格的原因，對探傷不合處金相試樣做了掃描電鏡以及能譜分析。掃描電鏡結果如圖2所示。

圖2　探傷不合格處SEM形貌及能譜分析結果

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重，主要為細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程中B形成的臨界冷卻速度，促進了偏聚區B的形成。而一旦B組織形成，就容易與周圍F+P組織產生軟硬相之間的組織應力，這是導致裂紋形成的一個重要原因。夾雜物的金相和掃描電鏡檢測分析表明鋼板中心部位存在MnS等夾雜物，在軋制過程中會沿軋制方向隨金屬基體一起流動變形，最后變成條狀或片狀夾雜物，從而引起鋼板分層導致探傷不合。MnS等夾雜物的存在也是裂紋出現的重要原因，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烈吸附氫，所以夾雜物周圍氫壓較高。在夾雜物的尖銳處，當氫壓超過臨界值時，就產生了微裂紋，且隨氫壓的提高，微裂紋可以擴展或相互連接，形成較長的裂紋，顯著降低了鋼板探傷合格率［6-8］。

3　改進措施

1）加強鐵水脫硫，優化煉鋼工藝，有效降低鋼中S含量從而減少MnS夾雜物。

2）加強煉鋼工藝控制能力。RH精煉脫氫，降低鋼種的氫含量；同時優化板坯連鑄工藝，降低鋼水的過熱度，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，延長液態時間，減少鋼中凝固過程中夾雜物的偏聚，提高連鑄坯質量，是消除和改善鋼板偏析的基礎。

4）優化軋鋼工藝控制。在粗軋階段，加大軋制力和軋制扭矩，適當降低軋制速度和優化特厚規格時粗精軋的道次、壓下量、壓下率，以加強變形的滲透，使得板坯心部也能發生充分的變形，改造鑄態組織結構，減輕心部偏析。優化鋼板軋后冷卻工藝制度，盡量保證冷卻均勻，降低鋼板內部應力，較厚規格鋼板水冷下線后宜進行堆垛緩冷。

4　結語

采取優化改進措施后，特別是采取控制鋼中S含量等重點措施后，連鑄冷速，提升連鑄坯內部質量，保證粗軋時大的壓下率，鋼板緩冷等重點控制措施后，特厚Z向鋼板的探傷合格率顯著增高，GB/T 2970標準三級探傷合格率由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線100 mm及以上探傷鋼板軋制量2萬t以上，但探傷不合格量僅33 t，優化改進效果顯著。