低溫容器鋼16MnDR內部點狀缺陷分析與改進

龐洪軒，王智聰，岳土民，郭 瀟

（河北普陽鋼鐵有限公司河北056305）

0 引言

低溫壓力容器鋼主要用于耐低溫的壓力容器，由于其長期工作在高壓、低溫和腐蝕等極端惡劣的環境下，不僅要求有良好的表面質量，同時還必須保證無缺陷的內部質量。因板坯連鑄工藝的發展，電磁攪拌和動態輕壓下技術的投入，使得鋼板中心處疏松和大面積中心偏析已經逐步減少甚至消失。然而點狀缺陷等小的缺陷問題逐步顯現出來，成為了影響低溫壓力容器板質量的主要問題。

河北普陽鋼鐵有限公司（下稱普陽鋼廠）采用超聲波無損檢測方法，對16MnDR、ASME、SA537和CL2等國內外牌號低溫容器30～100 mm規格的鋼板進行檢測時，發現鋼板內部1/4處存在點狀缺陷。本文對超聲波檢測發現的低溫容器板內部點狀缺陷進行了探究，并通過金相顯微鏡、掃描電鏡等分析手段對探傷發現的點狀缺陷進行定性分析，并將缺陷類型與超聲波探傷波形特征進行對應。同時分析了引起鋼板點狀缺陷的主要原因和缺陷的類型，提出了改善鋼板點狀缺陷的技術措施。

1 生產工藝和內部質量檢測

1.1 低溫容器鋼生產工藝流程

普陽鋼廠低溫容器16MnDR鋼種的生產工藝流程為：150 t轉爐→LF精煉爐→板坯連鑄機→加熱爐→粗軋機→精軋機→下線緩冷→（正火淬火回火）→超聲波探傷。

1.2 低溫容器鋼內部質量檢測方案

采用數字便攜式超聲波探傷儀由人工對鋼板進行離線探傷，經檢測點狀缺陷的位置大多出現在鋼板兩側400～500 mm位置處，厚度方向上集中在1/4處。將鋼板由缺陷處沿鋼板垂直于軋制方向切開，根據超聲波探傷儀測到的缺陷位置對缺陷進行金相分析、掃描電鏡形貌分析和能譜分析。

1.3 超聲波檢測缺陷判斷

1.3.1 白點缺陷判斷

在超聲波檢測檢測過程中，偶有出現的反射波形尖銳陡峭、清晰度高、信號強度大，當探頭移動時反射波迅速消失[1]，基本判斷為白點缺陷，出現此種波形的缺陷約占總缺陷次數的5～10%。從缺陷處取Z向拉伸試樣，從斷口處進行掃描電鏡檢測。

1.3 .2裂紋缺陷判斷

約有20～25%的探傷波形有很高的缺陷回波，因為缺陷回波很高，說明缺陷較明顯容易找到，基本判斷為裂紋缺陷。根據測量部位和深度取樣進行金相分析。

1.3 .3異常夾雜物聚集判斷

其他的大部分缺陷波形為回波不高，而且稍移動探頭缺陷波即消失，說明缺陷較小，基本判斷為雜物聚集缺陷。先根據測量部位和深度進行金相分析，后進行掃描電鏡和能譜分析。

2 低溫容器鋼缺陷分析

2.1 白點缺陷分析

從判斷白點缺陷處取Z向拉伸試樣，然后從拉伸斷口處做掃描電鏡，從兩個試樣上分別發現有“魚眼”狀氫脆缺陷，如圖1所示。該類缺陷往往是以鋼材內部的宏觀缺陷為核心的銀白色斑點，其形狀多數為圓形或橢圓形，圓白點的大小往往同核心大小有關。“魚眼”狀氫脆缺陷一般不影響鋼材的強度，但會降低鋼材塑性。

圖1 魚眼照片

2.2 裂紋缺陷分析

從判斷裂紋缺陷處取金相試樣，經拋光后即有肉眼可見的內部裂紋，在金相下的裂紋照片如圖2所示。該類缺陷往往是連鑄凝固過程中產生的，且在裂紋處往往伴隨有夾雜物的聚集。

圖2 裂紋照片

2.3 夾雜物異常聚集的分析

從判斷夾雜物異常聚集缺陷處剖開，做掃描電鏡分析，可以看到一條長度約2 000 μm～3 000 μm，寬度約20 μm～30 μm的夾雜物聚集帶。用能譜分析夾雜物聚集帶中夾雜物的構成，分析結果如圖3所示。由圖3可以看出，夾雜物主要為Ca-Al-Mg-O的復合型夾雜物。

圖3 夾雜物能譜分析

夾雜物聚集帶所處的深度在鋼板的1/4處。從鋼坯結構上看，此深度處于電磁攪拌的負偏析帶上，且此處Ca-Al-Mg-O復合型夾雜物應為鈣處理后的Al2O3和耐火材料的復合型夾雜物。具體形成的原因為：電磁攪拌工作時，電攪帶動鋼液開始運動，此時鋼中的夾雜物特別是Al2O3，隨鋼液一起被帶動，在運動過程中鋼中夾雜物不斷的聚集長大，并隨著鋼坯坯殼不斷的凝固和下移；隨著夾雜物不斷長大，且電攪運動變慢，坯殼逐漸凝固，此時夾雜物被凝固坯殼捕獲，形成大型夾雜物。

在夾雜物聚集帶旁邊還看到一條較大的TiN和NbN夾雜，具體形貌和能譜分析見圖4。對于高鈦鋁鎮靜鋼而言，其鈣處理工藝的效果與鋼中初始鋁含量密切相關，此類鋼種在進行鈣處理之前需要嚴格控制鋼中初始鋁含量[2]。

圖4 夾雜物能譜分析

3 改善措施及效果

3.1 改善措施

3.1.1 降低鑄坯內部“白點”的主要措施

（1）加入鋼包的各類鐵合金和輔料要保持干燥，減少水分帶入的氫。

（2）LF精煉爐要做好埋弧冶煉，軟吹時不裸露鋼水，防止空氣中的氫進入鋼水。

（3）鑄坯采用保溫緩冷措施。白點形成的溫度區間為100～250℃之間，而氫擴散系數最大區間為300～650℃[3]，所以采取制作鋼坯蒸汽緩冷箱，新出鑄坯與緩冷中鑄坯混合緩冷等措施，保證鑄坯在300℃條件下堆垛緩冷36 h，使鑄坯的氫充分擴散，并均勻組織減少鑄坯內應力，能有效減少鑄坯內部氫裂紋發生率[4]。

3.1.2 降低鑄坯內部裂紋的主要措施

（1）加強二冷區扇形段的檢查和維護。根據鑄坯內部低倍裂紋測量結果，可以算出裂紋起點和終點到鋼坯表面的距離，然后依據板坯厚度的實際值和鑄坯凝固系數，可以計算出中間裂紋發生部位到彎月面的距離，從而可以估算出有問題的扇形段，并進行檢查，如開口度、接弧情況、二冷水噴嘴工作狀態等，發現問題及時解決。

（2）高度重視扇形段機架內弧輥精度。因其導致的內裂紋即使通過重新標定也無法解決。

（3）扇形段采用均勻壓下技術。扇形段內壓下速率偏大也容易產生板坯內部裂紋，在壓下區間通過采用均勻壓下技術，板坯內部裂紋可得到明顯的控制。

（4）降低三角區水冷卻強度。在鑄坯的三角區位置因受到兩面水冷的作用，此位置更容易出現裂紋，因此有針對性的減少位于角部的水冷量。另外，為解決直弧型連鑄機特有的角部橫裂紋問題，在二冷噴嘴設計上采用了不同角度的偏噴嘴[5]，通過更換噴嘴型號來滿足角部對水量的不同要求，板坯三角區裂紋得到大幅度改善。

3.1.3 降低鑄坯內部夾雜物聚集的主要措施

（1）強化LF精煉爐操作。通過LF精煉，盡量減少鋼水中的夾雜物含量，這樣即使夾雜物聚集，也會較小的影響到探傷不合。

（2）嚴格控制鋼中初始鋁含量。對于初始鋁含量較低的含鈦鋼，則采用較弱的鈣處理強度才能使夾雜物充分液相化，而對于初始鋁含量較高的含鈦鋼，則無法通過鈣處理實現夾雜物的液相化。所以，在進行鈣處理之前需要嚴格控制鋼中初始鋁含量在較低水平。

（3）降低電磁攪拌強度。經分析，夾雜物的異常聚集因電磁攪拌而引起，但電磁攪拌又有不可替代的作用，如果單純的關閉電磁攪拌，可能會導致鑄坯產生嚴重的中心偏析、中間裂紋等。所以，可以采取適當降低電磁攪拌強度，將電磁攪拌電流降低到原來的70～80%，隨著鑄坯內鋼液流速的減慢，會大大減少夾雜的碰撞長大聚集的機會，從而減少對探傷結果的影響。

（4）調整連鑄機二冷工藝。在電磁攪拌段區域內，二冷采用弱冷工藝，可增加負偏析帶的寬度，減輕負偏析帶的偏析程度，從而利于探傷合格。

3.2 改善效果

通過上述一系列改進措施，以及近期批量的生產實踐，普陽鋼廠按照NB/T47013.3-2015的T1級標準生產的國標容器鋼，按ASME SA-578/SA-578M的C級標準生產的美標容器鋼，30～100 mm厚鋼板的內部點狀缺陷基本消失，超聲波探傷合格率由91.6%提高到98.1%以上，質量提升效果顯著。

4 結語

本文介紹了利用金相顯微鏡、掃描電鏡等分析手段對探傷發現的點狀缺陷進行分析的過程，闡明了缺陷的生成原因，給出工藝改進措施，并對實踐經驗進行了分析總結。

（1）點狀缺陷回波波形與缺陷類型有比較明顯的對應關系。白點缺陷反射波形尖銳陡峭，清晰度高，信號強度大，當探頭移動時反射波迅速消失；裂紋缺陷有很高的缺陷回波；夾雜物異常聚集缺陷回波不高，而且稍移動探頭缺陷波即消失。

（2）采用蒸汽緩冷箱保證足夠的鑄坯下線緩冷溫度，并延長緩冷時間，在不改變冶煉、連鑄工藝的前提下，可使成品氫含量達到較低的水平，可有效避免氫致白點。

（3）根據鑄坯低倍中心裂紋和三角區裂紋產生的位置，結合凝固理論公式可推斷出鑄機扇形段出現問題的位置，并進行優化調整，良好的設備狀態可以減少三角區裂紋和中心裂紋的產生。

（4）優化電磁攪拌參數和二冷水水量，可有效緩解和減少夾雜物在扇形段內聚集碰撞長大的機會，從而減少夾雜物聚集產生的缺陷。