中厚板分层缺陷分析

近来老有人打电话来，问“什么是钢板的分层（夹层）”，敬请大家看博文《中厚板质量工程师手稿》：

分层是钢板（坯）断面出现局部的缝隙，使钢板断面形成局部层状，是钢材中的一种致命性缺陷，钢板不得有分层，见图1。分层亦称夹层、离层，是钢材的内部缺陷。钢锭内的气泡、大块的非金属夹杂物、未完全切除的残余缩孔或发生折叠,均可能引起钢材的分层，而不太合理的轧制压下规程又可能使分层加剧。

图1 钢板分层图2 厚板局部分层图3 焊接后钢板分层图4 加工后发现分层

根据产生原因的不同，分层所表现的部位形态也不同，有的隐藏在钢材内部，内表面与钢材表面平行或基本平行；也有的延伸到钢材表面,又在钢材表面形成沟纹状的表面缺陷。概括起来有2种形式：

第1种为开口型分层。这种分层缺陷在钢材的断口上宏观就可发现，一般在钢厂和制造厂里基本上能被复检出来。

第2种为封闭型分层。这种分层缺陷在钢材的断口中看不到，在制造厂内如果不进行逐张钢板100%超声波探伤，亦难以发现，它是一种处于钢板内部的封闭型分层。这种分层缺陷从冶炼厂带到制造厂，最后被加工制造成产品出厂。

分层缺陷的存在使分层区钢板承受载荷的有效厚度减少，降低了与分层同方向受载的承载能力。分层缺陷的边线形状尖锐，对应力作用非常敏感，会引起严重的应力集中。在运行过程中若有反复的加载、卸载、升温、降温，就会在应力集中区形成很大的交变应力,以致造

成应力疲劳。

一、开口型分层

某厂生产的板材分层是开口型分层，见图1钢板分层。从钢板的表面就可以分辨出来。不需要做实验，图1是某钢厂发运到中南某大型物流企业的板材照片，属于钢厂漏检产品，经销商提出质量异议后，钢厂直接报废了，经销商按废钢价销售给废钢企业使用。

1、分层形貌

见图1。资料显示与钢种关系不大。

2、分层原因分析

图5是正常的铸坯凝固过程纵向断面示意图。

图5 正常情况下铸坯凝固过程纵向断面示意图图6 异常情况下铸坯凝固过程纵向断面示意图

从图6可以看见，A、B两点造成铸坯搭桥，在C点形成缩孔，产生中心线裂纹或中心疏松，轧制后可能出现分层缺陷。

二、封闭型分层

1、分层形貌

某厂生产的板材分层是封闭型分层，这种分层从钢板的表面分辨不出来。只能从拉伸断口以及超声波探伤才能发现。对D级船板进行生产检验时,发现其中多个批号的拉伸试样断口有分层,且对应的力学性能延伸率明显偏低。拉伸试样分层见图7，钢板切割后低倍发现分层图

8。

图7 拉伸试样分层形貌图8 钢板切面分层形貌

试样的拉伸断口均有明显的层状断裂特征,分层沿着试样的宽度方向(钢板的纵向)近似平行分布。层区的断口颜色为灰白色和浅灰色相间分布, 分层区以外的断口宏观形貌与正常断口相同。

2、分层原因探讨

1）钢板超声波探伤：

钢板拉伸断口出现分层钢板，对其进行超声波探伤检查，探区的全面积内均有高低不一的断续的缺陷波显示,估计缺陷性质为非金属夹杂物引起的分层现象。

2）低倍分析

通过对试样直接做厚度方向的低倍分析，发现在试样厚度方向的1/2处都存在着明显的黑线或黑带，说明中心存在中心偏析。

3）钢板化学成分分析

在上述试样的1/4厚度处各取一个点和中心分层处取一个点进行钢材化学成分分析,以检验

从表1可以看出无论是基体处,还是有硫化物集聚的偏析区,钢材的化学成分均符合国家标准的要求,但是对于Mn、P、S含量来说,钢板中还存在着不同程度的成分偏析现象,发生分层处的Mn、P、S的含量均高于其他地方。

4）金相分析：

图9 金相组织

图10 晶间裂纹

进一步作微观分析，试样的金相组织为铁素体加珠光体，晶粒度为6~6.5级，在试样的整个横截面上硫化物夹杂分布很均匀,但在分层附近有大量明显呈细条状的硫化物夹杂。级别为3级。用3%的硝酸酒精腐蚀试样表面,再用放大倍数为100的显微镜观察,从中可以看出沿板厚方向存在明显晶间裂纹和片状硫化物夹杂。

试样拉伸时在铁素体带上密集分布的硫化物处产生大量微裂纹，同时超长铁素体带的变形又受到阻碍，导致该处在试样拉断之前裂纹已经贯通,最终在断口上形成分层。因此，拉伸试验断口出现分层的又一个原因是试样中存在密集分布的硫化物和超长的带状组织。

3、采取措施

针对某钢铁公司目前的实际情况，分析认为，由于产生分层缺陷的钢板对应的为消除钢板分层缺陷，提高钢板质量，需从炼钢和轧制两个方面做工作。

炼钢

钙化处理：

由于分层钢板处硫化物夹杂主要呈细条状分布，因此，通过在精炼完毕后，喂Ca-Fe线对钢水进行钙化处理，促使夹杂物变性上浮，是目前减少钢板分层的最主要措施。当钢液中钙铝比达到0.09时，氧化铝夹杂物多变性为12CaO·7Al2O3或与其成分相近的低熔点物质,有利于降低>5μm夹杂物的数量比例，使钢中夹杂物球化率提高，有利于夹杂上浮。

加强终点控制：

炉前操作上提高转炉终点碳含量,降低钢中全[Ｏ]和自由氧含量,提高钢的清洁度。

降低〔P〕〔S〕含量,减少偏析倾向

化学分析表明，偏析处磷硫及夹杂成分较高。因此必须在转炉吹炼时低温脱P、高温脱S，挡渣出钢和LF炉造渣脱S，尽量降低〔P〕〔S〕含量，减少偏析。

提高钢水镇定时间：

提高钢水镇定时间，促使夹杂物上浮排除，因此必须在喂线后确保5min以上的软吹氩时间。优化LF炉造渣工艺：

LF炉加埋弧渣和Al丸（粉）造渣脱氧，加大LF炉精炼石灰用量,提高炉渣吸附夹杂能力。VD真空处理：

由于厚板压缩比小，钢坯的头部疏松在轧制过程中难以焊合。除降低钢液中夹杂物外，减少气体含量至关重要。由于钢中的氮将会使钢的宏观组织疏松，甚至会产生皮下气泡和偏析。因此通过VD真空处理，降低钢中气体含量，有利于大幅度提高钢水质量。

2）轧制

优化轧制规程，增加压缩比，采用横纵轧，尽可能的通过轧制消除一部分内部缺陷。

钢板分层主要与钢板轧制过程中在板厚方向上形成的非金属夹杂物(主要是硫化物和氧化物)的形状以及钢板冶炼过程中硫、磷出现中心偏析有关。如果沿板厚方向非金属夹杂物被压成薄片,出现片状杂质引起钢板的分层(夹层)现象,则会使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化,急剧降低Ｚ向延伸性和塑性指标。

分层是钢材的质量问题,是不允许存在而实际又可能存在的缺陷,要消除钢板中的分层缺陷,除了从炼钢和轧制两个方面做工作，提高钢材内部质量外，一个最有效的方法就是对钢板逐张进行100%的超声波探伤,将缺陷消除在最初阶段。

案例1：上海某钢结构公司钢板分层质量异议

上海某钢结构公司向某钢铁公司产品的Q390E钢板40mm规格提出分层异议，某厂技术人员、探伤人员抵达上海处理质量异议。