Q420GJ D探伤不合格原因分析及改进措施

郭 潇，陈建超，王智聪，庞洪轩

（河北普阳钢铁有限公司，河北 056305）

0 引言

随着世界经济及科技的发展，大跨度钢结构建设项目不断增加，高层建筑、超高层建筑、大跨度体育场馆、会展中心、机场航站楼、大型厂房、大型电站，大型工程机械及大型起重设备，铁路桥、公路桥及跨海大桥等对高强建筑钢板的需求量越来越大。钢结构大型化、功能化及服役环境的多样化，决定了高强建筑钢板要具有高强度、高韧性、良好的焊接线、优良的Z向性能及抗震性能等要求，可以说Q420GJD高强建筑钢板的研究与开发是未来发展的趋势。

普阳钢铁有限公司近期生产了一批25 mm厚Q420GJD钢板，其各项力学性能均符合标准要求，唯独在无损检测时发现钢板厚度方向1/2处存在探伤分层缺陷，且该分层在切口边部肉眼可见。本文针对探伤分层缺陷的原因进行了研究，并对其生产工艺进行了调查分析，探明了探伤分层缺陷产生的原因，制定控制措施，保证了探伤合格率和产品一次交货率。

1 Q420GJD钢生产工艺流程及检测方法

1.1 Q420GJD钢生产工艺流程

25 mm厚Q420GJD钢生产工艺流程：铁水→转炉冶炼→LF精炼→板坯连铸→铸坯检验→加热炉加热→高压水除鳞→3 500 mm粗轧→精轧→矫直→高温缓冷12 h→超声波探伤→表面检验-剪切取样→入库。

1.2 分析检验方法

采用超声波探伤仪对钢板逐张人工探伤，发现探伤不合格的缺陷在钢板的边部位置处，对其缺陷进行精准定位，然后取缺陷样的横截面进行低倍、金相、扫描电镜和能谱仪等检验。

2 缺陷检验结果及分析

2.1 低倍检验

对探伤不合格试样的横截面进行低倍观察。试样酸洗后发现明显的中心偏析和负偏析带，在中心偏析处存在肉眼可见的裂纹，缺陷宏观形貌如图1所示。

2.2 金相检验

缺陷样经磨抛后用4%硝酸酒精溶液腐蚀，然后进行金相组织检验，试样心部金相组织如图2所示。缺陷处微观组织为F+P，中心偏析带为F+P的带状组织，无过冷硬脆组织，夹杂物评级为A2.5，B2.0。

2.3 扫描电镜及能谱检验

通过EVO 18蔡司扫描电镜分析可以看出，裂纹处及附近夹杂物含量较高，图3为钢板探伤分层裂纹处SEM形貌图。采用能谱分析裂纹处夹杂物的构成，发现夹杂物主要构成为MnS夹杂，图4为裂纹中夹杂物能谱图。众所周知MnS具有很好的热塑性，轧制过程中沿轧制方向延伸形成条带状，破坏了基体的延续性，因其收缩系数较基体大，在轧后冷却速度较快或冷却不均时会较基体先收缩，故而产生一种张应力，在应力作用下容易产生裂纹。

沿着分层裂纹在钢板厚度1/2处平移，可以看见裂纹沿中心偏析位置向内延伸，裂纹距钢板边部约6～10 mm深，同时发现远离裂纹的中心偏析处，也存在较多MnS夹杂，但没有开裂现象。图5为中心偏析处未开裂的MnS夹杂。

2.4 检验结果分析

（1）从试样低倍中可以看出，铸坯中心偏析严重。根据溶质元素析出与富集理论，铸坯从表壳到中心结晶过程中，由于钢中一些溶质元素（如碳、锰、硫等）在固液边界上溶解并平衡移动，发生再分配，从柱状晶析出的溶质元素排到尚未凝固的金属液中，随着结晶的不断进行，把富集的溶质推向最后凝固中心，即产生富集Mn和S的中心偏析带。当偏析带富集Mn和S的浓度达到一定程度时，则在偏析带中析出MnS化合物[1]。

（2）钢中MnS夹杂可破坏铁基体的连续性，因其与基体的界面结合能低，在受到组织应力或者剪切应力等外力作用时，可导致基体在夹杂物薄弱环节处开裂。然而在远离钢板边部的中心偏析带上，虽仍存在较多MnS夹杂，但因受到剪切应力的影响较小，其他应力不足以引起基体开裂。

（3）受成分偏析的影响，偏析带组织转变的相变温度与基体不同，在轧制冷却过程中更易形成贝氏体等硬脆组织，这些硬脆组织形变能力差，阻碍轧制形变和相变应力传递，可引起应力集中，导致开裂倾向[2-4]。因此钢板中应减少硬脆组织的出现，增加韧性组织，才更有利于减少裂纹出现。

（4）为了查找25 mm厚度Q420GJD的探伤不合格的主要原因，实施了轧后快速下线高温缓冷的工艺制度，使得钢板在较高的缓冷温度和足够长的缓冷时间内，心部的C、Mn原子得以充分扩散，相变时更易得到与基体组织接近的（F+P）韧性组织[5]，但钢板边部裂纹仍然会出现，故排除了硬脆组织的应力影响。因此可以断定，钢板边部裂纹主要是受双边剪的影响，剪刃钝化导致剪切应力大应是裂纹形成的主导因素,而夹杂物是诱导因素。如果剪切应力小,即使有夹杂物其开裂倾向也会降低，当然,夹杂物越少越好。

3 工艺改进措施及效果

3.1 工艺改进

（1）加强转炉终点和精炼的控制。采用一次拉碳，避免钢水过氧化；采用滑板挡渣出钢，出钢前在氩站向包底加60～80 Kg铝钙球，通过加强后搅，降低氧化物夹杂[6]；控制精炼渣W（CaO）/W（Al2O3）的比值在1.5～1.8，（FeO+MnO）的质量分数在1%以下；控制软吹时间≥10 min，保证良好的精炼和软吹效果，使夹杂物充分上浮。

（2）优化连铸工艺。控制好中间包液面稳定和水口插入深度，优化结晶器流场；执行低过热度、恒速浇注以及合理的二冷配水，以进一步降低铸坯的内部缺陷[7]；为防止钢水氧化，连铸过程中采用全程保护浇注[8]；同时加强铸机设备的精度维护。

（3）钢板轧后要保持高温快速下线缓冷工艺，保证钢板高温堆垛缓冷效果，避免硬脆组织出现从而产生相变应力。

（4）对设备要及时维护与保养，按规定更换热轧线双边定尺剪刃，保证剪刃锋利，减小剪切应力。

3.2 改进效果

通过优化转炉冶炼、调整精炼渣成分组成、连铸保护浇铸、钢板高温堆垛缓冷、定期更换和维护定尺剪等技术和管理改进措施，降低了钢水夹杂物的含量，减少了铸坯的偏析，消除了硬脆组织的应力影响，提高了钢板探伤合格率，减少钢板剪切分层现象的发生，使Q420GJD保证T1级探伤合格，满足了产品的交货的需求。

4 结语

通过对钢板探伤不合格部位取样检验，明确了Q420GJD钢板探伤不合格的原因。实践表明，为此采取的技术和管理措施合理、有效，显著提高了钢板探伤合格率。

（1）通过低倍、金相及电镜分析，确认此次Q420GJD板厚1/2处探伤不合格的主因为定尺剪的双边剪刃钝化，造成钢板剪切部位应力加大，从而导致中心偏析处MnS夹杂开裂。

（2）通过优化转炉、精炼、连铸工艺，降低铸坯夹杂物含量和中心偏析，以及定期更换定尺剪的双边剪刃等措施，可有效减少钢板剪切分层现象。

（3）通过实施钢板轧后快速下线高温堆垛缓冷措施，可有效释放钢中气体含量和组织应力，得到韧性组织，提高探伤合格率，完成Q420GJD交货。