14MnNb钢管外折叠原因分析

2022-01-25田汉蒲

上海金属 2022年1期

田汉蒲

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳 421001）

某公司采用偏心底出钢电弧炉→（LF/VD）炉外精炼→连铸工艺（四机四流）生产连铸坯，再通过φ273 mm连轧管机组将铸坯轧制成无缝钢管。然而，用φ330 mm的14MnNb钢连铸坯轧制的外径323.8 mm、壁厚23.83 mm的X52QS钢级出口管线管在进行全长磁粉探伤时发现，钢管有外折叠缺陷，不合格。对有外折叠的钢管修磨后探伤，1 526支中1 443支合格，合格率达94.56%。本文分析了钢管产生外折叠的原因。

1 钢管及连铸坯分析

1.1 钢管外折叠

外折叠呈鱼鳞状，沿钢管全长呈螺旋状分布，螺旋角约10°，如图1所示。

图1 钢管的外折叠（a）及其显示的磁粉痕迹（b）Fig.1 Out folds on the steel pipe（a）and magnetic powder traces showing them（b）

对外折叠进行金相分析，其微观形貌如图2所示。由图2可见，外折叠深0.09～0.40 mm，纵向长度0.43～1.76 mm，与外表面的夹角为11°～19°；折叠内有较多氧化物，且两侧有明显的高温氧化特征，邻近外表面一侧晶粒明显粗大。

图2 钢管外折叠的微观形貌Fig.2 Micrographs of the outer folds on the steel pipe

1.2 连铸坯质量

1.2.1 宏观检验

产生外折叠的本批次钢管是用φ330 mm的14MnNb钢连铸坯轧制而成的，连铸坯为6个浇次共46炉，人工检验表面质量未发现明显缺陷。对其中尚未轧制的3166427炉号的12支连铸坯进行酸洗和宏观检验，结果发现，有3支铸坯表面外弧侧有网状裂纹，如图3（a）所示。对铸坯横截面进行低倍检验，结果如图3（b）所示。由图3（b）可见，外弧侧深约4 mm处有网状裂纹。可以推测，外折叠的产生与该网状裂纹有关［1-2］。

图3 连铸坯表面（a）和横截面（b）的网状裂纹Fig.3 Resillage at surface（a）and cross-section（b）of the continuously cast billet

1.2.2 网状裂纹金相检验

连铸坯网状裂纹的微观形貌如图4所示。由图4可见，裂纹沿晶界扩展，两侧有轻微脱碳。

图4 连铸坯网状裂纹的微观形貌Fig.4 Micrographs of resillage in the continuously cast billet

对网状裂纹进行扫描电子显微镜分析，结果如图5所示；不同部位的能谱分析结果如表1所示。由表1可见，003处Cr含量较高，010处含有少量Cr元素，007、008处含有F元素，007处还含有少量Cu元素。

图5 连铸坯裂纹的扫描电子显微镜形貌Fig.5 Scanning electron micrographs of crack in the continuously cast billet

表1 图5所示连铸坯不同部位的能谱分析结果（质量分数）Table 1 Energy spectrum analysis results in different positions showed in Fig.5 （mass fraction） %

2 连铸坯生产情况调查

本批次钢管采用39炉φ330 mm的14MnNb钢连铸坯轧制而成，其中11炉钢管的冶炼和连铸工艺参数及探伤结果如表2所示。由表2可知：（1）该11炉连铸坯LF炉冶炼时间不到40 min，且有5炉LF炉与VD炉冶炼时间之和不到70 min，共轧制钢管421支，修磨后探伤，钢管外折叠内伤24支、分层1支，合格率为94.06%，比本批钢管探伤合格率低0.50%；（2）因高炉铁水供应不正常，电炉、精炼操作节奏不稳定，连续浇铸的部分炉号上、下炉钢水温差大，导致连铸拉速波动大（0.55 ～0.85 m/min），并长时间限速（低速）拉坯，使连铸过程二次冷却水量及保护渣下渣状况变化较频繁；（3）检查生产中使用的直径330 mm的结晶器铜管发现，第Ⅲ流结晶器铜管下口160 mm范围内磨损严重。

表2 钢管的冶炼和连铸工艺参数及探伤结果Table 2 Parameters of smelting and continuous casting processes and flaw detection results for the steel pipe

3 分析与讨论

外折叠近外表面一侧晶粒明显粗大，折叠内有较多氧化物，且两侧有明显的高温氧化特征。文献［3-4］指出，若坯料表面存在原始裂纹，在环形炉较高温度（1 000℃以上）保温20 min以上就会产生脱碳层和氧化圆点，这是轧制前坯料表面裂纹的基本特征。酸洗连铸坯和低倍检验发现，连铸坯表面存在网状裂纹，深约4 mm，沿晶界分布，两侧有轻微脱碳层，说明产生网状裂纹的温度高（1 000℃以上）。能谱分析表明，网状裂纹处含有C、O、Al、Ti、Cr、Cu、F、Si、Fe、Mn 等元素，其中F为结晶器保护渣的主要元素，而图5中003处Cr含量较高，007、008处含F元素，且007处还含有少量Cu元素，可以断定，铸坯网状裂纹产生于结晶器内，连铸坯网状裂纹是钢管产生外折叠的主要原因。

由于钢中含有Nb、Al元素，高温（800～950℃）下因Nb、Al的氮化物析出，引起晶界脆化，热延性降低，易导致铸坯表面开裂［5］。连铸坯外折叠的产生除与钢种、钢水质量相关外，还与过热度、保护渣、拉速和二次冷却、矫直温度、结晶器等因素相关［1-2，5-6］。

由上述分析可知，连铸坯表面产生网状裂纹的主要原因为：（1）部分炉号上、下炉温差大，导致连铸拉速波动大及限速拉坯，结晶器内保护渣下渣不良，渣膜不均匀，使坯壳自上往下运动过程中局部导热不均匀；同时拉速过低，铸坯进拉矫机温度过低（小于950℃）。（2）网状裂纹含有Cu、Cr元素的主要原因是，连铸过程中因结晶器内保护渣下渣不均匀，高温铸坯直接与结晶器铜管接触，发生固-固摩擦，导致结晶器铜管内表面镀铬层严重磨损，铜局部与高温铸坯发生粘结。铜的熔点为1 040℃，熔化的铜通过奥氏体晶界渗透，富集在奥氏体晶界的Cu元素会显著恶化钢的塑性，导致晶界受到破坏，在拉应力的作用下产生裂纹。另外，钢中Al的质量分数为0.020% ～0.050%，文献［6-8］指出，含铝量较高的钢更易产生网状裂纹。这主要是因为钢中AlN沿晶界析出，降低了奥氏体晶界强度，在应力作用下沿晶开裂。