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背景

Q345R是當前較為常見的低合金鍋爐和壓力容器用鋼板，也是當前眾多鋼鐵企業(yè)承壓容器用鋼板系列中重要的基礎(chǔ)鋼種，主要用于石油、化工、鍋爐等行業(yè)，可通過焊接工藝制作鍋爐、儲氣罐等。

盡管國標GB/T 713.2—2023《承壓設(shè)備用鋼板和鋼帶第2 部分：規(guī)定溫度性能的非合金鋼和合金鋼》并未明確要求Q345R 鋼板需要進行探傷，但在實際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)波動會造成鋼板性能不穩(wěn)定，且壓力容器用鋼板中厚板需求量較大，相較于厚度較薄的薄板和中板，厚板內(nèi)部質(zhì)量更難保障，一旦存在內(nèi)部缺陷，在制造成為成品后易造成極大的安全風險。因此，在實際生產(chǎn)過程中必須對Q345R 鋼板進行探傷檢驗。

超聲波探傷是當前中厚板無損檢測最常見的手段之一，通過超聲波對內(nèi)部進行檢測，可以反映鋼板內(nèi)部基體的連續(xù)性和缺陷位置。陜鋼集團漢鋼公司在生產(chǎn)Q345R 鋼板期間，采用超聲波探傷設(shè)備對鋼板探傷時發(fā)現(xiàn)部分鋼板存在探傷不合格現(xiàn)象，嚴重影響了產(chǎn)品合格率。

本文通過對鋼材探傷不合格原因進行分析，從而為提高Q345R 鋼板質(zhì)量、優(yōu)化生產(chǎn)工藝提供參考。

 

1、試驗材料與方法

1.1 工藝流程

Q345R 鋼生產(chǎn)工藝流程：鐵水預脫硫處理→轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF 爐精煉→VD 爐精煉→板坯連鑄→軋制→ACC 水冷→冷床冷卻→剪切→檢驗→標識→探傷→入庫。

1.2 化學成分

本次試驗選取的是厚度為28mm 的Q345R鋼板，針對其探傷不合格位置和探傷合格位置進行取樣分析，探傷不合格區(qū)域成分如表1 所示。

（表1 Q345R的主要化學成分要求）

1.3 試驗方法

利用手持探傷儀對探傷不合格鋼板進行檢測，明確出缺陷區(qū)域位置，將探傷不合格區(qū)域剪切后，利用線切割進行切割，采用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精進行腐蝕，經(jīng)磨制、拋光后采用金相顯微鏡進行觀測，采用掃面電鏡對缺陷位置處進行形貌觀察并分析鋼中夾雜物。

 

2、試驗結(jié)果與分析

2.1 探傷情況

通過探傷儀對鋼板進行探傷后發(fā)現(xiàn)，鋼板缺陷主要存在于鋼板邊部厚度方向1/2 處，沿軋制方向呈彌散狀態(tài)分布，無明顯位置規(guī)律。

2.2 力學性能檢測

本次試驗選用了探傷不合格和探傷合格試樣進行對比試驗，試樣1 為探傷不合格試樣，試樣2為探傷合格試樣，Q345R鋼板試樣1、2的拉伸試驗和沖擊試驗結(jié)果如表2所示。

（表2 Q345R鋼板的力學性能）

本次軋制過程中，試驗鋼板性能全部符合國家標準，且均高于國家標準。

對比試樣1和試樣2，可以明顯發(fā)現(xiàn)試樣1強度、斷后伸長率及0℃沖擊功均低于試樣2。

2.3 鋼坯低倍檢測

鑒于本次生產(chǎn)為初次生產(chǎn)，對鋼坯統(tǒng)一進行低倍試樣取樣檢測，試樣1、試樣2對應(yīng)鋼坯低倍試驗結(jié)果如表3所示。

（表3 Q345R鋼坯低倍試驗評級 單位：級）

通過鋼坯低倍檢測可以發(fā)現(xiàn)，本次冶煉澆注的Q345R 鋼坯存在中心疏松和中心偏析，表面質(zhì)量正常，無非金屬夾雜物。

2.4 金相檢測結(jié)果

2.4.1 金相組織

取探傷不合格試樣，在平行于軋制方向截取檢驗面，經(jīng)磨制、拋光及體積分數(shù)為4%的硝酸酒精腐蝕后，其顯微組織如圖1、圖2所示。

通過觀測探傷不合格位置金相圖可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體+少量馬氏體。

同時，從夾雜物圖中發(fā)現(xiàn)存在明顯的帶狀組織，對帶狀組織評級為B系列1.5級，觀測試樣表面存在較明顯的淬火層。

2.4.2 夾雜物情況

對探傷不合格試樣內(nèi)部夾雜物情況進行評級，內(nèi)部夾雜物評級情況如表4所示。

（表4 Q345R內(nèi)部夾雜物評級情況 單位：級）

 

通過對試樣1 和試樣2 內(nèi)部夾雜物評級對比發(fā)現(xiàn)，探傷不合格試樣（試樣1）內(nèi)部夾雜物相較正常試樣級別較高，同時心部還存在大顆粒球狀氧化物。

通過掃描電鏡對試樣1中夾雜物進行分析，試樣情況如圖3所示，通過能譜儀掃描后可以發(fā)現(xiàn)，夾雜物為MnS、Al2O3和大顆粒球狀氧化物，占比較大的為MnS。

（圖3 能譜掃描情況）

 

3、討論分析

3.1 金相組織影響     

結(jié)合相圖可以發(fā)現(xiàn)，探傷不合格試樣組織基體為鐵素體+珠光體，但在其夾層存在明顯的貝氏體和馬氏體組織。

由于鋼坯中心在偏析，造成局部Mn元素富集，從而使富集處奧氏體相區(qū)擴大，提高相變溫度和鋼材淬透性，更易形成馬氏體和貝氏體。    

貝氏體和馬氏體均為硬相，鑲嵌于鐵素體-珠光體間，其硬度高于鐵素體和珠光體，塑韌性低于鐵素體，因此在受力產(chǎn)生形變過程中會阻礙鐵素體變形，成為應(yīng)力集中點，使得脆性增加，在和夾雜物共同作用下形成微裂紋。

此外，帶狀組織也是造成微裂紋的原因之一，通過相圖可以看出試樣中存在明顯的鐵素體和珠光體帶，有研究表明，帶狀組織的出現(xiàn)會使得鋼材呈各向異性，對其軋制方向即縱向方向性能影響較小，但會對垂直方向的塑韌性產(chǎn)生負面影響。

在受力時，性能較差、形變能力差的條帶處會成為裂紋產(chǎn)生位置，同時強弱帶之間、帶狀組織與正?；w組織間交界處會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)力集中，在和夾雜物、馬氏體、貝氏體硬相共同作用下能夠造成微裂紋萌發(fā)和生長。 

3.2 夾雜物影響     

通過對夾雜物區(qū)域進行掃描電鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，夾雜物為MnS、Al2O3和大顆粒球狀氧化物。MnS和Al2O3在鐵素體-珠光體基體中同為硬相，且在加熱爐加熱過程中不能溶解。

Al2O3夾雜物產(chǎn)生原因主要是在采用Al 脫氧過程中，由Al 脫氧產(chǎn)物與鋼水中的雜質(zhì)混合形成，在造渣過程中殘留于鋼水中，因此其含量較少，同時，Al2O3主要是疲勞裂紋源形核核心，因此在Al2O3數(shù)量較少的情況下并不是造成Q345R鋼板開裂的最主要因素。

MnS是夾雜物含量占比最大者，同時由于其在軋制過程中沿軋制方向延伸，形成鏈塊狀割裂晶粒，同時在周圍形成較大的位錯環(huán)，這些位錯環(huán)在受力情況下到達夾雜物和基體界面時，界面分離后會形成微孔，在繼續(xù)受力產(chǎn)生新的位錯和微孔后，這些微孔會進一步聯(lián)通聚合，進而形成微裂紋，同時微裂紋也會繼續(xù)通過這些微孔進一步擴展。  

因此，MnS夾雜物的存在是造成Q345R產(chǎn)生分層、導致探傷不合格的主要原因。

 

4、控制措施

漢鋼在生產(chǎn)Q345R 過程中主要采用Mn 元素為強化鋼材性能的主要元素之一，為了保證熱送熱裝工藝下鋼材性能穩(wěn)定，成分設(shè)計上Mn 含量相對較高，這也使得鋼材整體強度較高的同時，Mn偏析情況更為嚴重，在后續(xù)生產(chǎn)過程中，通過工藝優(yōu)化，降低Mn含量，以減少由于Mn含量過高而導致中心偏析加劇的發(fā)生。

同時，在檢驗過程中也發(fā)現(xiàn)存在S含量較高的情況，因此，在后續(xù)生產(chǎn)過程中需要進一步強化脫硫效果，降低鋼水中S的含量，同時，提升鋼水潔凈度，減少MnS夾雜物、Al2O3夾雜物和大顆粒球狀氧化物的產(chǎn)生。

在帶狀組織控制方面，可在提高鋼水潔凈度的同時，通過調(diào)整連鑄二冷工藝來提高連鑄澆筑質(zhì)量，減少粗大枝狀晶形成。       

此外，針對Q345R探傷不合格這一問題，可以采用對鋼坯進行堆冷、控制鋼坯冷卻速度、有效逸散鋼坯中的氫并使組織更加均勻等方法，進一步釋放板坯內(nèi)應(yīng)力，降低微裂紋出現(xiàn)的概率。

 

結(jié)論

1）Q345R鋼板探傷不合格的原因主要是鋼板心部存在微裂紋和分層。

2）導致微裂紋和分層產(chǎn)生的主要原因是存在MnS夾雜物、Al2O3夾雜物和大顆粒球狀氧化物。此外，基體中存在馬氏體、貝氏體和帶狀組織也是造成微裂紋和分層產(chǎn)生的重要因素。

3）可以通過提高鋼水潔凈度、降低Mn含量，來減少C、Mn、S元素偏析，減少MnS夾雜物的產(chǎn)生，同時也能減少馬氏體、貝氏體硬相的產(chǎn)生，防止受力造成內(nèi)部應(yīng)力集中、產(chǎn)生微裂紋甚至形成分層現(xiàn)象而造成探傷不合格。