Q390D钢板超声波检测不合原因分析及改进

柳彩枫，张明国

（山钢股份济南分公司，山东济南 250101）

试验研究

Q390D钢板超声波检测不合原因分析及改进

柳彩枫，张明国

（山钢股份济南分公司，山东济南 250101）

利用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析对Q390D钢板超声波检测不合部位取样进行检测分析，结果表明，试样内部存在偏析、夹杂物以及裂纹等缺陷，是钢板产生缺陷回波的主要原因。通过优化转炉出钢工艺，控制钢中有害元素及气体含量，采用合理的加热制度等措施，Q390D钢板的超声检测合格率由98.25%提高到99.54%。

Q390D钢板；超声波检测；偏析；夹杂物；裂纹

1 前言

Q390D是船舶、锅炉、压力容器、石油储罐、桥梁、电站设备、起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件用钢板。济钢生产的Q390D钢板超声波探伤合格率总体上保持在较高的水平，但近期生产的Q390D出现批量超声波探伤不合的情况。探伤不合造成的补产不仅增加生产成本，还影响到订单的交付。为此，本研究对Q390D超声波探伤不合格的钢板取样进行分析，查找产生缺陷的原因，并采取相应的改进措施。

2 检测分析

样品利用直读光谱仪进行成分检测，检测结果见表1。利用超声波探伤仪对超声检测不合钢板的缺陷部位进行准确定位。取缺陷与轧制方向平行的部位，在垂直轧制方向剖开，利用金相显微镜、扫描电镜对横截面进行组织及夹杂物观察。

表1 Q390D钢板试样的光谱检测成分（质量分数）%

2.1 超声波检测

根据JB/T 4730.3—2005《承压设备无损检测》标准要求，检测设备选择HS620数字式超声波探伤仪，并选择公称频率为2.5 MHz、晶片尺寸为Φ20 mm的单晶直探头，以CBⅡ-2试块Φ5平底孔第1次反射波高调整到满刻度的50%作为基准灵敏度，对厚度规格为46 mm的Q390D钢板进行超声波检测。检测过程中发现钢板基体有明显的缺陷回波存在，缺陷波高在50%～70%，缺陷深度约为钢板厚度的一半，超声波检测波形见图1。

图1 Q390D钢板超声波检测波形

2.2 微观组织观察

用超声波对宏观缺陷定位后，在超声检测不合部位取样进行金相显微镜和扫描电镜组织观察。

在100倍光学显微镜下观察试样抛光面，能见到呈链条状聚集的硫化物和弥散分布的硫化物夹杂（见图2a），试样的中心部位存在数条贯穿视场的小裂纹（见图2b）。用4%硝酸酒精溶液侵蚀后，钢板厚度方向1/4处及中心部位的金相组织见图3。

图2 Q390D钢板超声检测不合部位夹杂物和裂纹形貌100×

图3 Q390D钢板超声检测不合部位金相组织500×

Q390D钢板为典型的铁素体+珠光体组织。钢板厚度1/4处组织中未发现明显异常组织（图3a），而厚度中心部位可见较为粗大的偏析带，偏析带内存在贝氏体组织（图3b）。

利用扫描电镜对裂纹和偏析带进一步观察，其电镜组织形貌如图4所示。裂纹宽度在2 μm左右，裂纹和偏析带附近组织呈现贝氏体形态。

2.3 能谱分析

对试样中的夹杂物和裂纹进行能谱分析，谱图位置及成分如图5、表2所示。试样中分散着A、B、C、D各类夹杂，其中以MnS、氧化物类夹杂物为主，还有一定数量的Nb和Ti的化合物。

图4 Q390D钢板超声检测不合部位裂纹及偏析的扫描电镜形貌

图5 Q390D钢板超声检测不合部位夹杂物及裂纹能谱分析

表2 Q390D钢板超声检测不合部位夹杂物及裂纹能谱分析结果（质量分数）%

3 超声探伤不合原因分析

由以上检测分析可知，钢板中心存在偏析、夹杂以及裂纹等缺陷是造成探伤不合的直接原因。

冶炼过程中钢中的脱氧产物在钢液中来不及上浮，在连铸坯中以夹杂物的形式存在。夹杂物不仅破坏了基体的连续性，且与基体的塑形变形能力不同，轧制时在外力作用下，在夹杂物周围容易产生应力集中，轧制后容易形成裂纹。

经SEM和EDS分析发现，钢板厚度中心存在偏析以及贝氏体组织，主要是因为成分偏析使得钢的CCT曲线右移，相变生成贝氏体。贝氏体属于硬相组织,变形量小,在轧制过程中阻碍铁素体变形,导致应力集中,使钢板内部产生组织内应力，容易导致裂纹产生［1-2］。

超声波从一种介质传播到另外一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能量发生反射，一部分能量会发生透射。因此，超声波在钢中的传播遇到裂纹就会发生这种反射和透射。当频率为1 MHz时，钢中厚度为10-5mm的气隙几乎能100%反射，且气隙厚度一定时，频率增加，对超声波的反射增加，检出能力也因此增加［3］。对钢板进行超声检测的频率为2.5 MHz，试样中裂纹宽度在2 μm左右，因此很容易造成超声波检测不合。

4 改进措施

1）严格控制钢中的有害元素、气体含量。S是易偏析元素，极易在铸坯中心部位形成偏聚，所以首先要控制钢水中的S含量，同时强化LF、VD、连铸等环节的保护浇注，优化吹氩和钙处理操作，控制原材辅料的含水量，保证超声波检测钢种中S≤0.005%，［N］≤40×10-6，［O］≤25×10-6，［H］≤3×10-6。

2）严格控制夹杂物。优化转炉出钢工艺，防止下渣。精炼处理结束后，上机前的软吹时间≮10 min，以促进夹杂物的变性和上浮。

3）控制铸坯的低倍质量。由于连铸坯内部质量直接影响超声波检测结果，连铸采用电磁搅拌扩大等轴晶带，减少偏析，净化钢水，去除非金属夹杂物，控制铸坯低倍的中心偏析，控制C类夹杂物2.0级以下、中间裂纹和中心疏松0.5级以下。

4）保证充足的加热时间。充足的加热时间有利于组织的均匀和促进偏析元素的扩散。对于冷料厚板坯，加热时间至少在4 h以上，连铸坯出炉温度目标确定为1 140～1 180℃，确保加热均匀，以促进偏析元素的扩散，减轻偏析。

5 结语

Q390D钢板存在偏析、夹杂物以及裂纹是造成探伤不合的主要原因。通过控制钢中夹杂物、有害元素、气体含量、铸坯低倍质量以及合理的加热制度等措施，济钢生产的Q390D钢板的超声检测合格率由原来的98.25%提高到了99.54%，大大减少了因超声检测不合补产造成的成本损失，为Q390D超声检测钢板的及时交付提供了保障。

［1］赵庆宇.Q345D钢板探伤不合的原因分析及改进措施［J］.宽厚板，2010，16（5）：22-24.

［2］李雪东.S355K2钢板超声波探伤不合原因分析［J］.山东冶金，2014，36（3）：20-22.

［3］郑晖，林树青.超声检测［M］.2版.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

Analysis and Improvement of Nonconformity Cause of Q390D Steel Plate in Ultrasonic Inspection

LIU Caifeng,ZHANG Mingguo

（Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The samples from defect position of Q390D steel plate by ultrasonic inspection was studied by means of Metallurgical Microscopy,Scanning Electron Microscope(SEM)and Energy Dispersive Spectrometer(EDS).The results showed that the defects such as segregation,inclusion and micro-crack were existed in the sample and were the main cause of the echoes in ultrasonic flaw detection.Through optimizing converter tapping process,controlling harmful elements and gas content in steel,adopting reasonable heating system and other measures,the qualification rate of ultrasonic inspection was improved from 98.25%to 99.54%.

Q390D steel plate;ultrasonic inspection;segregation;inclusion;micro-crack

TG115.285

A

1004-4620（2015）03-0034-03

2014-09-02

柳彩枫，女，1986年生，2011年毕业于北京科技大学冶金物理化学专业。现为山钢股份济南分公司宽厚板厂助理工程师，从事新产品研发、质量控制等工作。