X52管线钢探伤不合的分析

・生产实践・
X52管线钢探伤不合的分析
魏立国　彭　勇　徐惟诚　石云峰
(宝山钢铁股份有限公司)
摘　要　管线钢是厚板产品中重要的一类,X52管线钢按正常工艺浇注、加热和轧制,其超声波探伤时出现批量不合格钢板。

采用低倍、金相、扫描电镜等分析了探伤不合格的原因,证实钢中存在钙铝酸盐和硫化钙的大型复合夹杂,是导致探伤不合格的主要原因。

根据分析检测结果,提出了相应的工艺改进措施。

关键词　管线钢　超声波探伤　精炼　改进措施
Analysis on the Causes of Nonconfor m ity
i n Ultrason i c Fl aw Detecti on for X52Pi peli n e Steel
W ei L iguo,Peng Yong,Xu W eicheng and Shi Yunfeng
(Baoshan Ir on and Steel Co.L td)
Abstract　Pi peline steel p late is an i m portant category in heavy steel p late p r oduct m ix.Quite a nu mber of X52 p i peline steel p late are rejected in batch by ultras onic fla w test although the p lates were p r oduced by nor mal casting, heating and r olling p r ocess.The causes of nonconfor m ity in ultras onic flaw detecti on are analyzed by using macr oscop ic exa m inati on,metall ographic exa m inati on and SE M.The analysis result p r oves the existence of the large comp lex in2 clusi ons of calciu m alu m inate and CaS in the steel,which is the maj or reas on of the nonconf or m ity in ultras onic fla w detecti on.Based on the analyzing and testing result,s ome relevant i m p r ove ment measures are p r oposed.
Keywords　Pi peline steel,U ltras onic fla w detecti on,Refining,I m p r ove ment measures
1　前言
作为AP I系列中较高等级钢种,X52是宝钢厚板生产线投产以来的第一个高级别、高附加值管线钢产品。

在大批量试制过程中,按正常的浇铸、加热、控制轧制生产工艺,该钢种的力学性能合格率很高。

但是,进行超声波探伤(UST)时,个别炉次的钢板存在批量探伤不合格现象,造成了较大经济损失。

因此,查明探伤不合的原因成为管线钢生产的关键。

本文对X52管线钢板探伤不合试样进行多种检测,发现探伤不合部位存在毫米级大型夹杂物。

钢板缺陷位置和铸坯缺陷有明显对应关系。

炉外精炼钙处理过程中,形成复合脱氧产物,熔点较高,在钢液中上浮不充分,被铸坯凝固部分捕获、聚集,使夹杂物在铸坯约1/4厚度处富集,导致钢板内部存在缺陷,造成探伤不合格。

2　试样检测方法
2.1　生产工艺流程
X52管线钢采用铁水预处理→300t顶底复合吹炼转炉→脱氧合金化→RH真空处理→喂硅钙丝(钙处理)→吹氩镇静→板坯浇铸→板坯加热→控制轧制→超声波探伤的流程生产。

转炉顶底复合吹炼后挡渣出钢,并加入炉渣改质剂;RH 真空处理脱氢并净化钢液;真空冶炼结束后钙处理,进行夹杂物变性,并吹氩镇静;钢包经60t大容量中间包进行浇注,铸机是2300mm宽、双流立弯式板坯连铸机。

2.2　检测试样
钢板检测试样从在线超声波探伤不合格的钢板中选取,去除热影响区(HAZ)部分。

板坯检测试样从连铸板坯上随机切取。

X52的AP I标准成分和试样熔炼成分如表1所示。

2.3　检测方法
对试样钢板进行人工超声波复检,准确标定钢板内部缺陷的位置。

采用钼丝切割,制成备检试样。

对试样分别进行热酸浸泡低倍检查,用
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7
・
　第13卷第6期　2007年12月　
宽厚板
W I D E AND HE AVY P LATE
Vol.13.No.6　
Dece mber　2007　
LE I CA 正置式光学显微镜进行金相观察,用JS M -6460LV 扫描电镜检测缺陷部位的夹杂物化学
组分。

表1　X52化学成分/%
C
Mn P S Nb +V +Ti 实际0.12 1.26
0.015
0.008
0.05
AP I 标准≤0.22
≤1.40≤0.025≤0.015≤0.15
3　检测结果
超声波探伤主要是根据被检材料内部不连续处的声阻抗与材料本体不同这一物理特性,利用超声波在不同声阻抗的介质界面处出现反射、折射、透射和衍射等规律,检测并判断钢板内部质量的一种无损检测方法
[1][2]。

根据超声波波型,一
般有纵波、横波、斜波等检测方法。

本文所涉及管线钢均采用纵波探伤,通过在线计算机系统对超声波信号的采集、运算和判断,用三维图形方式将钢板内部缺陷位置准确地显示在计算机屏幕上。

从在线自动探伤和人工复探的波形上判断,探伤不合格钢板反映出的主要特点为:钢板大面上呈点状密集型缺陷,以及少量不规则连续型缺陷;在厚度方向上分布于钢板1/4厚度附近,对应连铸板坯的内弧侧。

3.1　钢板低倍检测
将切取的钢板试样沿全厚度方向进行酸洗,发现在钢板厚度1/4附近处存在不连续
、短条状的微裂纹,裂纹走向接近于直线。

裂纹最宽处约0.5mm ,其长度为几个毫米。

钢板厚度中心部分未发现明显的疏松或者黑线。

如图1所示。

图1　探伤不合试样低倍形貌
3.2　板坯低倍检测
对探伤不合钢板溯源,选择其对应的连铸板
坯,取样、加工、热酸浸蚀45m in,按mannes mann 标准图谱,偏析为20级,未发现内裂。

在板坯厚度约1/4处,出现点状微孔,色度明显较深,判断为夹杂缺陷,如图2所示。

图2　连铸板坯低倍形貌
3.3　金相组织
将探伤不合试样制成金相样后在光学显微镜
下观察。

缺陷发生处(1/4厚度)存在长条形非金属夹杂,断续相连,局部出现较大的颗粒状或块状夹杂,完全球化的夹杂物较少。

各区域大型夹杂物色度上略有区别,如图3所示。

缺陷处的夹杂物尺寸较大,一般达到100μm ,部分长度达到500μm 以上。

图3　试样裂纹处大型夹杂物特征
在探伤合格部分取样,于光学显微镜下观察,
视场中夹杂物均为显微夹杂,尺寸小于50μm;浸蚀后,呈带状组织,晶粒度均匀,为铁素体+珠光体+少量贝氏体,如图4所示。

带状组织评级为
2.0级。

由图4可见,钢板中心部位存在较明显的碳、锰正偏析,使钢板中部珠光体量有所增加,在冷速
・8・宽厚板第13卷　
较快情况下局部出现少量贝氏体。

从探伤合格部分的试样检测结果看,金相组织总体正常,这种偏析在中低碳系列厚板中钢种较为常见,不足以造成超声波探伤不合。

探伤不合钢板的缺陷部分存在的大型夹杂物(如图3)超过一般意义上的显微夹杂物尺寸,达到毫米级,显然与二次精炼或浇铸过程中存在异常有关。

图4　正常钢板微观组织
3.4　扫描电镜分析
用扫描电镜对缺陷试样(图3试样)进一步
观察时发现(如图5),不连续、短条状裂缝中夹杂物的成分主要为A l 、S 、Ca 、O 等元素,含有微量的Si 元素,没有发现K 、Na 、F 、Zr 等元素。

说明大型夹杂并非源于保护渣卷入或者耐火材料剥落造成的外生夹杂。

由图5可见,缺陷处不同区域的化学组成虽然略有不同,但主要成分为A l 2O 3、Ca O 、CaS 。

由于X52管线钢采用喂硅钙丝工艺,Ca 脱氧和变性过程中产生的氧化物、硫化物及A l 2O 3夹杂一起,共同形成钙铝酸盐(xCa O ・y A l 2O 3)和CaS 的复合夹杂。

4　分析和讨论4.1　缺陷位置
本文所涉及管线钢钢板轧制所使用的连铸板坯,在浇铸过程中采用轻压下工艺,轧制压下比在8以上。

从低倍分析结果看,轻压下工艺改善了
连铸板坯中心疏松,减少了中心偏析、缩孔,扩大了等轴晶区,加上大压下比,有效提高了钢板中心致密度。

钢板正常部分的金相也表明,偏析程度属于正常。

说明探伤不合与微孔、疏松、偏析等无关。

板坯翻面轧制及探伤的对比试验表明,探伤不合与轧制工艺无关。

通过观察,钢板缺陷位置集中于厚度1/4处。

X52采用立弯式连铸机生产,在浇铸后的凝固过程中,液相穴中的大型夹杂仍继续上浮:处于垂直段时,上浮的夹杂物可以被保护渣吸收;处于弯曲段时,上浮的夹杂物则被凝固坯壳捕获,集中于内弧侧接近于1/4厚度处。

因此,钢板外弧侧很少发现大型夹杂富集现象。

夹杂物在板坯的1/4厚度富集,加剧了夹杂物在厚度上分布的不均匀性;夹杂物之间互相碰撞长大,则极易生成大型夹杂物。

图5　夹杂物的SE M 图
4.2　探伤不合的判定
对缺陷处的检测分析表明,大型夹杂物达到毫米级。

从在线探伤三维图形可见,大型夹杂密集分布,部分呈连续性分布。

按G B /T 2970-2004的判定规则,多个缺陷的相邻间距小于100mm 或小于相邻缺陷的指示长度时,则各点缺陷面积总和作为单个缺陷指示面积。

即不直接相连但相邻的缺陷,均可按一个缺陷计算面积,因此,大型夹杂虽然单个尺寸较小,但是密集分布,最终判定为探伤不合格。

4.3　夹杂物组成和来源
金相和扫描电镜分析夹杂物的尺寸达到毫米数量级,大于一般冶炼条件下产生的显微夹杂。

从夹杂物化学组成分析来看,不含保护渣、耐火材料的成分,非外生夹杂。

对夹杂物的不同区域进
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9・　第6期
魏立国等:X52管线钢探伤不合的分析
行定量分析发现,不同区域的夹杂物组成略有区别。

图5(a)区域处化合物含量为:A l
2
O375.34%、Ca O5.91%、Ti O5.41%、CaS10.03%等;图5(b)
区域主要为:A l
2
O375.5%、Ca O12.61%、CaS8.11%等。

夹杂物主要是钙铝酸盐和硫化物的复合夹杂,其形貌为条形或者近似条形,局部为近球形或块状。

由于该钢种二次精炼采用钙处理工艺,且夹杂物含有熔点较高的CaS,可以推定,探伤不合与喂硅钙丝及相关工艺密切相关。

研究表明[3],钢中喂入硅钙丝可起到脱氧、脱硫、改变夹杂物(硫化物、氧化铝)形态、尺寸及分布,从而提高钢板的综合力学性能和焊接性能等,既经济又有效,因而被广泛应用。

管线钢进行钙处理时,如对钢中钙和酸溶铝含量控制不当,不
但不能生成液态的xCa O・y A l
2
O3复合夹杂,还有可能产生高熔点的固态钙、铝复合夹杂,除了堵塞水口外,残留在钢中对内部质量反而有害。

定量分析表明,复合夹杂中Ca O含量均较低,未能将A l2O3类夹杂转变为主要成分接近于12Ca O・7A l2O3的低熔点复合钙铝酸盐,探伤缺陷处的夹杂物系高熔点的钙铝酸盐类夹杂。

因此钢中添加钙时,要提高精炼质量,确保钢质纯净,Ca/S比和Ca/A l比均需控制在合适范围内。

4.4　硫含量的影响
进一步的对比试验表明,只降低硫含量,而不进行钙处理,即使硫含量降低到0.002%,在轧制钢板中仍然能够发现细长的MnS夹杂,如图6所示。

MnS夹杂改变各向同性,造成冲击韧性下降。

另外,密集分布的细长MnS夹杂多存在于碳锰偏析带,与偏析的耦合作用,也易导致探伤不合。

因此,仅仅降低硫含量,对控制管线钢内部质量而言,并非最佳办法,应在降低硫含量的同时,进行适当的钙处理。

通过以上检测分析,说明X52钢板探伤批量不合格的原因,是复合夹杂物聚集于板坯内弧1/4厚度处,因其尺寸较大且密集分布,导致探伤不合。

夹杂物非外生夹杂,而是精炼阶段钙处理及其后续浇铸过程中,生成了高熔点的钙铝酸盐和硫化钙的复合夹杂,上浮不充分。

对比试验也说明,降低钢中硫含量和改进精炼过程钙处理及相关工艺的有效结合,是改善钢板内部质量、提高探伤合格率的有效措施。

目前,提高管线钢超声波探伤合格率可以采取以下措施[4][5][6]:降低精炼终点全氧含量;改善钙处理的控制参数,如优化硅钙丝喂入速度、喂入量;延长浇铸前钢水的镇静时间促使夹杂物上浮;采用中间包围堰技术提高钢水镇静时间;控制合理的Ca/S及Ca/A l比;优化成分设计等。

图6　探伤不合钢板的M nS夹杂
5　结论
1)检测分析表明,该批次X52管线钢探伤不合的内部缺陷存在于钢板厚度1/4处,和连铸板坯内弧有明显的对应关系。

2)钙铝酸盐和硫化钙的复合夹杂物富集,尺寸达到毫米级,是导致超声波探伤不合的根本原因。

参考文献
1　张海军.钢板探伤不合原因分析[J].宽厚板,2002,(1):12
2　李喜孟主编.无损检测.第1版.北京:机械工业出版社,2003, 10～13
3　高军,李双燕,张建等.钢包喂Ca2Si线对钢中夹杂物变性的影响[J].鞍钢技术,2000,(4):18～22
4　Gatellier D C.Experi m ental Deter m inati on of Ca O and CaS Solu2 bilities in L iquid Steel Consequences f or I nclusi ons Shape Contr ol by Calcium[J].Tetsu-t o-Hagane,1984,(6):872
5　战东平,姜周华,王文忠等.高洁净度管线钢中元素的作用与控制[J].钢铁,2001,36(6):67～70
6　张健,姜钧普,周国平等.钢包喂Ca-Si线工艺参数的优化研究[J].钢铁,1998,33(7):14～17
魏立国,男,1998年毕业于东北大学钢铁冶金专业,硕士,工程师。

收稿日期:2007-09-27
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・宽厚板第13卷　。