板材分层缺陷产生原因分析

板材分层缺陷产生原因分析唐生斌(攀钢提钒炼钢厂)摘要：对板材分层缺陷的实物特征和连铸生产工艺参数进行分析，找出产生的原因和应采取的控制措施。1前言用户对钢材质量的要求越来越高，目前板材分层质量缺陷是用户反映较强烈，生产厂家较难消除的质量问题之一。找出板材分层质量缺陷产生的原因，并采取有效的措施消除板材分层或将其控制在一个较低的水平，对提高板材质量非常重要。2板材分层缺陷产生的原因1)成分化验分析取典型分层样，在试样裂缝尾端切取小块电镜分析试样，沿板厚方向磨制抛光后，在JSM5600-LV扫描电镜下观察，发现夹缝内有明显壳层状或颗粒状物，用INCA能谱仪对其进行成分分析，含Na、Mg、Al、51、5、K、Ca、Ti、Mn、Fe、0等元素，其中51、Ca、0含量较高，不同试样元素含量略有差别。2)连铸生产工艺宏观分析(1)分层缺陷与钢种关系图1是2001年生产的几大钢种出现分层缺陷所占比例情况。可看出各钢种出现分层缺陷的概率几乎是均等的，也即板材分层缺陷与钢种无关。图1各钢种出现分层缺陷所占比例图(2)缺陷与中间罐浇铸炉次的关系2001年全年的分层缺陷炉次在中间罐次中所占比例情况见图2。可以看出，中间罐连浇最后一炉占的比例最大约60%。该年的平均连浇炉数为6.91炉/罐，最后一炉占14.5%，远低于出现分层缺陷炉次的中间罐最后一炉所占比例。图2分层缺陷炉次在中间罐炉次中所占比例3)中间罐连浇最后一炉分层质量缺陷的调查(1)浇注末期中间罐钢水临界液面高度控制原怀疑浇注末期中间罐内剩钢量太少，中间罐渣卷人结晶器内，形成铸坯夹杂，在轧制时产生分层缺陷。为防止卷渣，要求浇注结束时，中间罐剩钢量比原来提高3-5t，但分层缺陷仍未得到有效控制。(2)中间罐钢水温度的控制理论上分析，中间罐钢水过热度过高，造成铸坯柱状晶发达、中心偏析加大、严重时形成疏松或缩孔，轧制后可能出现分层缺陷。但对出现分层缺陷的连铸工艺进行调查，中间罐钢水温度大多都在技术要求范围内。表1为出现分层缺陷的中间罐钢水温度情况。可以看出，板材分层缺陷与中间罐钢水温度关系不大。(3)换罐前的降速操作对换罐前的降速控制进行调查，均按工艺技术要求操作，降速标准为≤0.15m/min,未使用快降操作。表1出现分层缺陷的中间罐钢水温度(4)中间罐连浇最后一炉易出中心线裂纹出现分层缺陷的熔炼号中约60%是在连浇最后一炉。为此重点对罐次最后一炉的连铸工艺状况和铸坯实物质量进行调查，30块有中心线裂纹的铸坯中有21块是中间罐最后一炉，占70%。对产生中心线裂纹的炉次进行调查，其中间罐温度、降速、二冷水状况都在工艺技术要求范围内。而出现中心线裂纹的铸坯一般都在倒数第1-2块或倒数第2-3块之间，且一炉钢只有一处。中心线裂纹较轻微，宽100mm左右、深100-150mm只要切掉200mm左右就能去除。据此现象分析认为，换罐前低拉速时的二冷水控制不合理是造成中心线裂纹多的主要原因。目前的二冷水表制度，二冷水量是根据拉速按一定比例变化，水量分配也随拉速变化。由于二冷区铸坯表面温度变化滞后于拉速和水量的变化，因而拉速变化时铸坯表面温度波动较大，尤其在换中间罐前，铸机拉速急剧地由高向低转变，二冷水量也急剧地由大到小变化，导致二冷区冷却强度不足，使铸坯温度偏高，坯壳厚度减薄，抵抗因钢液静压力引起的变形能力也随之减弱，易产生内裂和中心偏析等缺陷，而严重的中心偏析将引起板材分层缺陷。图3是正常的铸坯凝固过程纵向断面示意图。图3正常情况下铸坯凝固过程纵向断面示意图当换中间罐前拉速急剧降低时，如二冷水控制不合理，铸坯内部凝固就会出现一个拐点，如图4所示A、B两点，此两点处相对于后面已明显凸起。进人正常浇注后，铸坯再以相同的机理凝固，则形成图5所示的铸坯凝固末端的缩孔。可看出在A、B两点造成铸坯搭桥，在c点形成缩孔，也就是中心线裂纹或中心疏松，轧制后就可能出现分层缺陷。图4换罐时铸坯凝固过程纵向断面示意图图5换罐后铸坯凝固过程纵向断面示意图这种缩孔或疏松一般只在局部范围，没有整炉出现分层缺陷，一个熔炼号一般只有10t的分层量。表2是部分熔炼号的分层缺陷数量。可以看出，一炉钢中只出现极少量分层缺陷，即中间罐最后一炉分层缺陷与中间罐最后一炉的中心线裂纹或中心缩孔有关。表2分层缺陷数数量4)连浇中间炉次铸坯产生分层的原因分析经调查分析，连浇中间炉次的板材分层缺陷主要是铸坯中心裂纹、中心疏松或中心缩孔等内部质量缺陷引起的。这些缺陷的形成是由于凝固末端铸坯鼓肚变形或凝固末端的收缩产生的。(1)铸机扇形段辊子特别是在凝固终点辊子的开口度和弧度超标，是引起铸坯中心裂纹、中心疏松或中心缩孔的主要因素。2001年及2002年浇铸某钢种时，均出现过多块中心线裂纹，停浇检查发现铸坯凝固末端扇形段开口度严重超标。说明铸坯凝末端的辊子开口度超标肯定要产生中心线裂纹。(2)二冷状况不佳也会导致铸坯中心裂纹，凝固末端如果冷却强度不够，铸坯表面温度回升，从而引起坯壳鼓肚并受到张应力。张应力作用到铸坯中心，使中心凝固收缩，张应力进一步增大，达到一定程度，则引起严重的铸坯中心裂纹。(3)硫、磷含量对中心裂纹的影响。钢水中S、P等杂质在凝固过程中不断向液相富集，在树枝晶间形成低熔点液膜，降低了晶间的高温强度和延性一旦在晶间存在应力，而且这种应力及其所诱发的应变超过临界值时，就会出现裂纹。因之S、P含量高，会促进中心裂纹的发生。(4)供钢节奏影响。供钢节奏不均衡，各炉之间钢水温度波动大等因素均会造成拉速频繁变化从而引起凝固末端位置的频繁变化，凝固末端附近凝固前沿“搭桥”的概率相应增加，最终诱发中心裂纹。3采取的控制措施1)完善换罐前拉速急剧降低时的二冷制度(1)需进一步完善二冷模型的投运条件，在保证投运效果的前提下提高投运率。二冷模型以15S为一个周期计算二冷各区的表面温度，根据表面温度和目标温度的偏差，计算出各区的水量和气量设定值，以控制铸坯表面温度接近目标温度。喷水控制的内容为:根据温度的偏差值计算出本控制周期所根据的热交换系数，然后根据热交换系数计算出二冷区各回路的喷水量，再根据喷水量与气、水对应关系，计算出相应的气量设定值。换罐前后低拉时，二冷模型自动根据现场实际情况控制二冷各的水量，尽量保证铸坯凝固是平滑的过程，防止凝拐点的出现。(2)为保证二冷模型能很好地投人并取得应的效果，必须定期对二冷喷嘴和管道堵塞情况进检查与处理，防止二冷水压力过高;保证二冷喷嘴射形状及位置正确，提高冷却效果;加强对闭路水二冷水、气等管道的检查，防止泄漏。(3)对换中间罐前拉速急剧降低时的二冷制进行改进。当拉速降低时，二冷水不同时随拉速少，而是从后到前相继滞后执行减水制度;或是重制定只在换中间罐前拉速急剧降低才使用的专用冷水表。2)提高铸机扇形段开口度和弧度的精度定期对扇形段的开口度和弧度进行在线检测对不能满足铸坯质量要求的必须处理后才能浇钢同时需提高新上线扇形段开口度的精度。4结论1)铸坯内部疏松、缩孔、中心偏析、中心线裂纹等质量缺陷是造成板材分层的主要原因。换罐前拉速急剧降低时的二冷水控制不合理是造成罐次最后一炉板材分层质量缺陷的主要原因;铸机扇形段开口度和对弧不良是造成非换罐炉次板材分层质量缺陷的主要原因。2)为控制板材分层缺陷，需完善换罐前拉速急剧降低时的二冷水分配制度，并提高铸机扇形段开口度和弧度的精度。参考文献[1]史雇兴.实用连铸冶金技术北京:冶金工业出版社1988.33压力容器钢板分层缺陷检测及处理任晓春巴爱叶摘要分析了压力容器钢板分层缺陷，针对压力容器制造和定期检验提出了相应的检测和处理方法。关键词钢板,分层缺陷,检测,处理通过对近千台压力容器的定期检验，发现压力容器钢板中存在很多分层缺陷，如何有效地防止新制压力容器中分层缺陷的出现，并切实解决好定期检验中已发现的分层缺陷，就成为保证压力容器安全运行的重要问题。在分析大量钢板分层缺陷的基础上，本文从其分类、危害、检测手段、处理方法等方面提出了一些观点，以供探讨。1分层缺陷的分类钢板的分层缺陷是钢板在轧制过程中，由于钢锭内存在着气泡、非金属夹杂物或发生折叠以及钢板在切边时未把原钢锭头部的残余缩孔完全切除干净，而在钢板中产生的一种先天性缺陷，它们有的被封闭在钢板内部成为封闭性缺陷，有的延伸到钢板表面成为开口性缺陷。根据在壳体钢板上分布的位置，分层缺陷可分为边缘分层和中部分层缺陷两大类。1．1中部分层缺陷：指分布在壳体钢板的中间部位，在钢板的侧面或切割面上没有开口的分层缺陷，形状常为不规则的块状，一般面积较大。根据缺陷开口情况，中部分层缺陷又可分为开口性中部分层和封闭性中部分层二种。开口性中部分层指存在于钢板内部并倾斜的向钢板轧制表面延伸，在钢板的轧制表面开口的中部分层；封闭性中部分层则指未在轧制表面开口的中部分层。1．2边缘分层缺陷：指分布在壳体钢板的边缘部位，在钢板的侧面或切割面开口的分层缺陷。根据缺陷形成的时间，它可以分为原始边缘分层和切割边缘分层两种。边缘分层缺陷在压力容器制造过程中，钢板经卷圆、焊接制成壳体后，缺陷的开口被焊缝所封闭成为壳体的内部缺陷。2分层缺陷的危害2、1分层缺陷的存在使分层处钢板承受载荷的有效厚度减小，特别是降低了该处钢板的抗弯曲性能。2．2分层缺陷的边缘，形成尖锐形状，对应力作用非常敏感，会引起应力集中，特别是在交变载荷作用下，在应力集中区形成交变应力，以致造成应力疲劳。2．3从压力容器使用过程来看，对某些特殊介质(如含H2S的L．P．G等含氢介质)，分层缺陷是造成容器钢板鼓包、裂纹等危险性缺陷的基础因素。3有关标准、规程对分层缺陷的要求3．1GB6654—1996((压力容器用钢板》中第5.6.1条要求表面质量检查中“钢板不得有分层”。这是针对分层缺陷中边缘分层和开口性的中部分层而言，在GB6654—96中，未要求对钢板进行超声波检验，这在客观上造成出厂的压力容器钢板有可能存在封闭性中部分层缺陷。3．2GB150—98《钢制压力容器》中第l0.2.2条中要求“坡口表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷”。第4.2.9条和《容规》要求对符合一定条件的压力容器钢板进行超声波检测，但除了盛装毒性程度为极度、高度危害介质的压力容器外，用于制造其他、一、二类压力容器的壳体和厚度不大于20mm的碳素钢和低合金钢，GB150—98和《容规》没有要求对钢板进行超声波检测，使大批压力容器钢板内存在合理的分层缺陷。3．3在GB150—98和《容规》中要求做超声波探伤检查的压力容器钢板，检测方法合理要求按JB4730—94进行。从JB4730—94《压力容器无损检测》第8.1.7条来看，把钢板超声波检测缺陷按其长度、面积和占有率3个参数分成4个级别，GB150—98第4.2.9条要求了各类钢板缺陷的允许级别。3．4《在用压力容器检验规程》对分层缺陷安全状况等级评定要求：(1)与自由表面平行的夹层不影响定级；(2)与自由表面夹角小于10。的夹层可定为二级或三级；(3)与自由表面夹角大于或等于10。的夹层，需计算其在板厚方向的投影长度，可定为四级或五级。从有关标准来看，对于边缘分层和开口性中部分层要求较严，都不允许存在，而对于封闭性中部分层来说，只对某些特殊要求的压力容器材料进行超声波检测，但未对夹层与自由表面的角度作要求，而《在用压力容器检验规程》对夹层缺陷，从其与自由表面的角度大小和在板厚方向的投影大小出发来判定安全状况等级，从而造成与钢板制造标准、压力容器制造标准要求不一致．对于钢板分层这一先天性缺陷引发的质量纠纷较难处理。因此，笔者建议，压力容器制造单位应扩大压力容器钢板超声波检测范围，特别是对于某些含氢介质的压力容器，对分层缺陷严格控制。因为从有关资料来看，在这种介质作用下，很容易在分层处形成鼓包、裂纹等危险性缺陷。并且压力容器制造单位在超声波检测时，对于夹层缺陷不但要按JB4730～94的要求判定级别，更要测定分层与自由表面的夹角，杜绝分层存在夹角的钢板进入制造过程。4分层缺陷的检测分层缺陷既存在于压力容器制造过程中，也存在于已投入使用的压力容器中，结合各自的特点可分别采用肉眼