Q420GJ D探傷不合格原因分析及改進措施

郭 瀟，陳建超，王智聰，龐洪軒

（河北普陽鋼鐵有限公司，河北 056305）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟及科技的發(fā)展，大跨度鋼結構建設項目不斷增加，高層建筑、超高層建筑、大跨度體育場館、會展中心、機場航站樓、大型廠房、大型電站，大型工程機械及大型起重設備，鐵路橋、公路橋及跨海大橋等對高強建筑鋼板的需求量越來越大。鋼結構大型化、功能化及服役環(huán)境的多樣化，決定了高強建筑鋼板要具有高強度、高韌性、良好的焊接線、優(yōu)良的Z向性能及抗震性能等要求，可以說Q420GJD高強建筑鋼板的研究與開發(fā)是未來發(fā)展的趨勢。

普陽鋼鐵有限公司近期生產(chǎn)了一批25 mm厚Q420GJD鋼板，其各項力學性能均符合標準要求，唯獨在無損檢測時發(fā)現(xiàn)鋼板厚度方向1/2處存在探傷分層缺陷，且該分層在切口邊部肉眼可見。本文針對探傷分層缺陷的原因進行了研究，并對其生產(chǎn)工藝進行了調(diào)查分析，探明了探傷分層缺陷產(chǎn)生的原因，制定控制措施，保證了探傷合格率和產(chǎn)品一次交貨率。

1 Q420GJD鋼生產(chǎn)工藝流程及檢測方法

1.1 Q420GJD鋼生產(chǎn)工藝流程

25 mm厚Q420GJD鋼生產(chǎn)工藝流程：鐵水→轉爐冶煉→LF精煉→板坯連鑄→鑄坯檢驗→加熱爐加熱→高壓水除鱗→3 500 mm粗軋→精軋→矯直→高溫緩冷12 h→超聲波探傷→表面檢驗-剪切取樣→入庫。

1.2 分析檢驗方法

采用超聲波探傷儀對鋼板逐張人工探傷，發(fā)現(xiàn)探傷不合格的缺陷在鋼板的邊部位置處，對其缺陷進行精準定位，然后取缺陷樣的橫截面進行低倍、金相、掃描電鏡和能譜儀等檢驗。

2 缺陷檢驗結果及分析

2.1 低倍檢驗

對探傷不合格試樣的橫截面進行低倍觀察。試樣酸洗后發(fā)現(xiàn)明顯的中心偏析和負偏析帶，在中心偏析處存在肉眼可見的裂紋，缺陷宏觀形貌如圖1所示。

2.2 金相檢驗

缺陷樣經(jīng)磨拋后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，然后進行金相組織檢驗，試樣心部金相組織如圖2所示。缺陷處微觀組織為F+P，中心偏析帶為F+P的帶狀組織，無過冷硬脆組織，夾雜物評級為A2.5，B2.0。

2.3 掃描電鏡及能譜檢驗

通過EVO 18蔡司掃描電鏡分析可以看出，裂紋處及附近夾雜物含量較高，圖3為鋼板探傷分層裂紋處SEM形貌圖。采用能譜分析裂紋處夾雜物的構成，發(fā)現(xiàn)夾雜物主要構成為MnS夾雜，圖4為裂紋中夾雜物能譜圖。眾所周知MnS具有很好的熱塑性，軋制過程中沿軋制方向延伸形成條帶狀，破壞了基體的延續(xù)性，因其收縮系數(shù)較基體大，在軋后冷卻速度較快或冷卻不均時會較基體先收縮，故而產(chǎn)生一種張應力，在應力作用下容易產(chǎn)生裂紋。

沿著分層裂紋在鋼板厚度1/2處平移，可以看見裂紋沿中心偏析位置向內(nèi)延伸，裂紋距鋼板邊部約6～10 mm深，同時發(fā)現(xiàn)遠離裂紋的中心偏析處，也存在較多MnS夾雜，但沒有開裂現(xiàn)象。圖5為中心偏析處未開裂的MnS夾雜。

2.4 檢驗結果分析

（1）從試樣低倍中可以看出，鑄坯中心偏析嚴重。根據(jù)溶質元素析出與富集理論，鑄坯從表殼到中心結晶過程中，由于鋼中一些溶質元素（如碳、錳、硫等）在固液邊界上溶解并平衡移動，發(fā)生再分配，從柱狀晶析出的溶質元素排到尚未凝固的金屬液中，隨著結晶的不斷進行，把富集的溶質推向最后凝固中心，即產(chǎn)生富集Mn和S的中心偏析帶。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[1]。

（2）鋼中MnS夾雜可破壞鐵基體的連續(xù)性，因其與基體的界面結合能低，在受到組織應力或者剪切應力等外力作用時，可導致基體在夾雜物薄弱環(huán)節(jié)處開裂。然而在遠離鋼板邊部的中心偏析帶上，雖仍存在較多MnS夾雜，但因受到剪切應力的影響較小，其他應力不足以引起基體開裂。

（3）受成分偏析的影響，偏析帶組織轉變的相變溫度與基體不同，在軋制冷卻過程中更易形成貝氏體等硬脆組織，這些硬脆組織形變能力差，阻礙軋制形變和相變應力傳遞，可引起應力集中，導致開裂傾向[2-4]。因此鋼板中應減少硬脆組織的出現(xiàn)，增加韌性組織，才更有利于減少裂紋出現(xiàn)。

（4）為了查找25 mm厚度Q420GJD的探傷不合格的主要原因，實施了軋后快速下線高溫緩冷的工藝制度，使得鋼板在較高的緩冷溫度和足夠長的緩冷時間內(nèi)，心部的C、Mn原子得以充分擴散，相變時更易得到與基體組織接近的（F+P）韌性組織[5]，但鋼板邊部裂紋仍然會出現(xiàn)，故排除了硬脆組織的應力影響。因此可以斷定，鋼板邊部裂紋主要是受雙邊剪的影響，剪刃鈍化導致剪切應力大應是裂紋形成的主導因素,而夾雜物是誘導因素。如果剪切應力小,即使有夾雜物其開裂傾向也會降低，當然,夾雜物越少越好。

3 工藝改進措施及效果

3.1 工藝改進

（1）加強轉爐終點和精煉的控制。采用一次拉碳，避免鋼水過氧化；采用滑板擋渣出鋼，出鋼前在氬站向包底加60～80 Kg鋁鈣球，通過加強后攪，降低氧化物夾雜[6]；控制精煉渣W（CaO）/W（Al2O3）的比值在1.5～1.8，（FeO+MnO）的質量分數(shù)在1%以下；控制軟吹時間≥10 min，保證良好的精煉和軟吹效果，使夾雜物充分上浮。

（2）優(yōu)化連鑄工藝?？刂坪弥虚g包液面穩(wěn)定和水口插入深度，優(yōu)化結晶器流場；執(zhí)行低過熱度、恒速澆注以及合理的二冷配水，以進一步降低鑄坯的內(nèi)部缺陷[7]；為防止鋼水氧化，連鑄過程中采用全程保護澆注[8]；同時加強鑄機設備的精度維護。

（3）鋼板軋后要保持高溫快速下線緩冷工藝，保證鋼板高溫堆垛緩冷效果，避免硬脆組織出現(xiàn)從而產(chǎn)生相變應力。

（4）對設備要及時維護與保養(yǎng)，按規(guī)定更換熱軋線雙邊定尺剪刃，保證剪刃鋒利，減小剪切應力。

3.2 改進效果

通過優(yōu)化轉爐冶煉、調(diào)整精煉渣成分組成、連鑄保護澆鑄、鋼板高溫堆垛緩冷、定期更換和維護定尺剪等技術和管理改進措施，降低了鋼水夾雜物的含量，減少了鑄坯的偏析，消除了硬脆組織的應力影響，提高了鋼板探傷合格率，減少鋼板剪切分層現(xiàn)象的發(fā)生，使Q420GJD保證T1級探傷合格，滿足了產(chǎn)品的交貨的需求。

4 結語

通過對鋼板探傷不合格部位取樣檢驗，明確了Q420GJD鋼板探傷不合格的原因。實踐表明，為此采取的技術和管理措施合理、有效，顯著提高了鋼板探傷合格率。

（1）通過低倍、金相及電鏡分析，確認此次Q420GJD板厚1/2處探傷不合格的主因為定尺剪的雙邊剪刃鈍化，造成鋼板剪切部位應力加大，從而導致中心偏析處MnS夾雜開裂。

（2）通過優(yōu)化轉爐、精煉、連鑄工藝，降低鑄坯夾雜物含量和中心偏析，以及定期更換定尺剪的雙邊剪刃等措施，可有效減少鋼板剪切分層現(xiàn)象。

（3）通過實施鋼板軋后快速下線高溫堆垛緩冷措施，可有效釋放鋼中氣體含量和組織應力，得到韌性組織，提高探傷合格率，完成Q420GJD交貨。