厚板超聲波探傷缺陷原因分析及改善措施

薛如鋒

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司厚板廠，廣東 湛江 524000）

超聲波探傷是評價鋼板內部質量的重要手段之一，而且廣泛應用在中厚板探傷。近十年來，隨用戶對鋼板內部質量的重視，鋼板需要進行超聲波探傷檢測的量越來越大[1，2]。湛江鋼鐵4200mm厚板產線目前生產的主要品種有低合金結構鋼、風電鋼、高層建筑鋼、橋梁用鋼、管線鋼等等。鋼板要求超聲波探傷比例達40%以上，然而每個月因超聲波探傷不合而降級（不滿足預定質量要求）的量在所有廢次品中居于首位，并且居高不下，對生產組織、質量控制和交貨期影響較大。因此，本文針對目前超聲波探傷不合缺陷種類中最多的兩種缺陷類型進行剖析，探究探傷缺陷形成的原理，以便采取針對性措施，提高探傷合格率。

1 試驗材料及方法

1.1 鋼板生產工藝流程

生產工藝流程：鐵水→KR預處理→轉爐冶煉→LF+RH精煉→板坯連鑄→鑄坯檢驗、表面清理→加熱→除磷→控軋→控冷→矯直→冷卻→超聲波探傷→剪切、取樣→入庫。

1.2 探傷缺陷試樣

表1 試樣煉鋼工藝參數

1.3 檢測方法

通過掃描電子顯微鏡ZEISS EVO18，觀測試樣厚度方向形貌；利用能譜儀OXFORD分析夾雜物的化學成分；利用立式正置金相顯微鏡DM4000M觀察裂紋橫截面的夾雜物、組織以及偏析情況。

2 探傷缺陷原因分析

2.1 分布于厚度1/4或3/4位置的探傷缺陷原因分析

2.1.1 探傷缺陷分布分析

圖1 試樣1探傷缺陷分布

由圖1可知試樣1探傷缺陷具有以下特點：在寬度方向，缺陷主要分布在鋼板的移動側；在厚度方向，缺陷主要位于鋼板厚度1/4位置（上弧段）；在長度方向，缺陷沿著鋼板軋制方向呈長條狀分布；缺陷的形貌呈彌散點狀；從缺陷當量來看，缺陷波相對底波的下降量為-15dB～-23dB。綜合上述的特點可知，超聲波檢測的1/4厚度位置缺陷的幅度不高，但是分布密集、貫穿整塊鋼板全長，并集中在鋼板移動側厚度方向1/4位置。

2.1.2 探傷缺陷金相樣分析

圖2 試樣1橫截面的金相形貌

在圖1所示探傷缺陷位置取樣，觀察垂直軋制方向的夾雜和金相情況。從金相圖來看，在鋼板厚度1/4位置發現一連串的微孔缺陷。

2.1.3 探傷缺陷掃描電鏡分析

圖3 試樣1橫截面的掃描電鏡圖

從掃描電鏡圖3（a）來看，鋼板主要有長條狀或類球狀的黑色點狀缺陷，黑色區域通過細線連成串。從圖3（b）可以看到，在細線附近還會分布有細小類球狀的黑色點狀缺陷。

2.1.4 探傷缺陷微區成分分析

圖4 試樣1橫截面的（a）譜圖31、（b）譜圖35、（c）譜圖36能譜圖

表2 譜圖31、譜圖35、譜圖36化學成分

選取典型的三個點的微區進行成分分析。從譜圖31來看，黑色的物質主要是金屬氧化物，金屬元素除了Fe外，還有Mg、Ca、Mn。從譜圖35來看，黑色的部分主要是鋼板基體的成分。從譜圖36來看，也是基體的成分。從譜圖35和36成分看，試樣黑色區域存在小氣泡。綜合以上的結果來看，超聲波探傷不合缺陷主要是由金屬氧化物和小氣泡引起。

2.1.5 原因分析

鋼水進入結晶器后，鋼水首先沿著結晶器的周圍進行凝固，然后形成初生坯殼。鋼水內部的非金屬夾雜物在未能充分上浮時，被板坯初生坯殼捕捉，滯留在坯殼周圍，一般在板坯1/4位置[3-6]。導致非金屬夾雜物或小氣泡滯留在坯殼主要由以下三個方面引起：①結晶器內發生偏流、紊流，導致夾雜物來不及上浮。當氬氣大小、拉速、通鋼量的劇烈變化以及水口堵塞或者塞棒結瘤時經常會發生結晶器內流場的不均勻，最終導致偏流、紊流；②鋼水純凈度差，夾雜物上浮不充分；③鋼水過熱度低，夾雜物上浮速率慢，夾雜物不能充分上浮。

2.2 分布于厚度1/2位置的探傷缺陷原因分析

2.2.1 探傷缺陷分布分析

圖5 試樣2探傷缺陷分布圖

由圖5可知，試樣2探傷缺陷具有以下特點：在寬度方向，缺陷主要分布在距離固定側100mm～1000mm之間，在移動側未發現有缺陷；在厚度方向，缺陷集中在鋼板厚度的1/2位置；在長度方向，呈全長分布，缺陷的形狀呈現點狀特征；缺陷的當量不高，缺陷相對底波的下降量在-13dB～-25dB。缺陷的形貌偏向一側，是由于連鑄機一側的開口度偏大引起。

2.2.2 試樣宏觀形貌

圖6 試樣2拋光后厚度方向形貌

試樣2經過拋光后，在位于試樣厚度方向1/2位置有一長條灰色的細線。

2.2.3 探傷缺陷的金相分析

圖7 試樣2橫截面的金相形貌

從圖7可知，試樣2未腐蝕前，在厚度的中間區域觀察到裂紋缺陷，見圖7（a）虛線部位。腐蝕后，發現試樣裂紋缺陷周圍的組織與基體部位不同，主要是馬氏體組織。

2.2.4 探傷缺陷掃描電鏡分析

圖8 試樣2橫截面的掃描電鏡圖

在掃描電鏡下看，鋼板的厚度方向1/2位置觀察到短線狀的裂紋缺陷，其局部區域相對密集，見圖8（a）所示，且分布在白色區域馬氏體范圍內，長度約為10μm～30μm長度。

2.2.5 探傷缺陷的微區成分

從譜圖1、譜圖2和譜圖3可以知道，在裂紋處存在部分MnS夾雜，主要成分為C、O、S、Mn、Fe、Se。裂紋周圍分布大量的“白色”偏析帶。偏析帶中Mn和S的含量相對基體偏高。結果表明MnS夾雜物是在Mn和S富集的偏析帶中析出。

2.2.6 原因分析

鋼水在連鑄的過程中，首先沿著溫度低的結晶器壁進行凝固，然后逐漸向中間收縮。Mn和S沒有完全固溶在已經結晶的晶粒中，開始富集在還沒結晶的鋼水中。隨著結晶進行，鋼水的Mn和S富集更加嚴重，形成富集Mn和S的偏析帶。當偏析帶富集Mn和S的濃度達到一定程度時，則在偏析帶中析出MnS化合物。連鑄機一側開口度偏大，會導致鋼板一側的MnS富集更嚴重，使探傷不合缺陷集中的鋼板寬度的一側，見試樣2探傷缺陷分布示意圖。

圖9 試樣2橫截面的譜圖1、譜圖2、譜圖3、譜圖4、譜圖5能譜

由于偏析帶富集了Mn和S，組織轉變的CCC曲線向右移，使偏析帶在鋼板軋制冷卻的過程中，其相變與基體不同，而形成馬氏體。馬氏體屬于脆相區，其形變能力差，阻礙軋制形變和隨后冷卻過程中的微觀滑移和相變應力傳遞，引起應力集中，傾向導致開裂[7-9]。

在富集Mn和S的偏析帶析出的MnS是引起探傷不合的一個重要因素。在探傷不合的裂紋缺陷的附近，或多或少都能夠找到MnS的存在。MnS相對鋼是軟相，在軋制過程中被壓扁和拉長，呈細長狀。MnS夾雜有較大的長寬比，容易在兩個尖端產生應力集中，而形成開裂源，導致開裂，見圖8（a）中發現短線狀的裂紋缺陷。如果相鄰的MnS同時形成開裂源，可能會串聯在一起，形成細長的裂紋，見圖7（a）虛線位置。

表3 譜圖1、譜圖2、譜圖3、譜圖4、譜圖5化學成分

3 改善措施

（1）系統控制鋼中氣體來源，對煉鋼的輔料（錳碳球、覆蓋劑等）、合金進行水分檢測和干燥，避免來料影響鋼水中氫含量；保證鋼包烘烤、在線吹氬及軟吹氬時間，促進鋼水中氣體充分上浮；對連鑄塞棒、上水口和氬氣封口檢查，防止漏氣，減少偏流情況發生；為防止鋼水二次氧化，采用全程保護澆注[10]。

（2）控制夾雜物來源，強化冶煉操作，提高終點控制水平，減少補吹次數，防止鋼水過氧化，降低氧化物夾雜；保證良好的精煉工藝和軟吹氬時間，使夾雜物充分上浮[3]。

（3）連鑄過程中，鋼水凝固收縮，板坯易形成發達的柱狀晶，中心易形成疏松、縮孔、成分偏析、中心裂紋及分層等缺陷，需要加強鑄機設備的精度維護，嚴格控制鋼水成分、澆注鋼水的過熱度、中間包液面、連鑄機開口度，恒速澆注以及合理配置二冷水，避免結晶器內發生偏流、紊流，以進一步降低鑄坯的內部缺陷[11]。

（4）鑄坯和板材的緩冷采用鑄坯坑冷和軋后板材緩冷措施，使固溶在奧氏體內的氫充分擴散出去，避免氫在MnS夾雜物處的聚集，而形成厚度方向1/2位置的裂紋缺陷。

4 結論

（1）鋼板的探傷缺陷分布于厚度1/4或3/4位置，是由金屬氧化物和小氣泡來不及上浮而滯留在鋼板而形成缺陷，通過控制鋼水夾雜物含量、澆注鋼水的過熱度、吹氬等措施進行改善。

（2）鋼板探傷缺陷分布于厚度1/2位置，是由厚度1/2位置的偏析、MnS和聚氫引起開裂，通過從源頭控制輔料和合金的水分、連鑄機開口度、對鑄坯和板材進行緩冷等措施進行改善。