钢中氢对中厚板材探伤合格率的影响

钢中氢对中厚板材探伤合格率的影响朱立民摘要在分析钢中H含量对钢中气体析出的基础上,提出氢致裂(HIC)对中厚板探伤性能影响,可分为凝固过程的氢致裂(HICL→s)和受应力作用下的氢致裂(HICs),其中控制HICl→s是产生探伤性能合格板材的必要充分条件。关键词HIC探伤中厚板EFFECTSOFHONDETECTIONOFCRACKINGINSTEELPLATEZhuLiminShanghaiPudongIron&Steel(Group)Co.LtdSynopsisThepropertyofdetectionofcrackscausedby［%H］isanalyzedandeffectsofHI(hydrogeninducedcracking)areconsideredinthispaper.ToobtaintheprpertyofcrackdetectionitisveryiniportanttocontrolHICs.KeywordsHICcrackdetectionsteelplate1引言由连铸坯生产的中厚板,其探伤合格率较低,长期困绕着我公司产品计划的完成与新产品的开发。究其原因,无非是板材内部连续组织的破坏。造成这种连续性组织破坏的原因很多,其中由于钢中氢含量过高,造成氢致裂纹,应引起人们足够重视。2有关钢中氢的一些数据2.1氢在铁中溶解度及元素对其影响氢在铁液中的溶解度可表示为:(1)在α相中的溶解度又可表示为:(2)式中［H］/%(wt)——钢中氢含量的原子百分比浓度由此可见,氢在铁液中的溶解度高达25×10-6(1600℃),而在α相又低于2×10-6(750℃)。钢中的元素对氢的溶解度的影响可用元素的相互作用系数来表示,详见表1。以此,可以计算出1600℃时氢的溶解度约为27×10-6。表1元素的相互作用系数XCAlSiSMnPOMoe(x)H0.060.010.030.017-0.0010.0112.5-0.0132.3典型炼钢过程中的的氢含量典型炼钢过程的氢含量详见表2。表2各种炼钢法与气体含量［2］［H］/×10-6［N］/×10-6［O］×10-6碱性平炉3.0～7.030～600.04～0.07碱性电炉(氧化期)3.0～7.030～800.04～0.07碱性电炉(还原期)6.0～10.060～1500.004～0.010氧气顶吹转炉1.0～3.010～200.04～0.062.4钢中氢+氮的容限在凝固过程中,［钢中H含量］和［钢中N含量］随着凝固的变化而变化,它们的析出浓度可用如下方程式表示:(3)(4)式(3)和(4)中,［H］B和［N］B分别为钢液中氢和氮的原始浓度;f为凝固率。由此可见,在凝固过程中气体元素的浓度是不断提高的。这应当引起冶金工作者的重视。文献［3］提出避免钢中氢和氮析出的容限,如图1所示。例如,钢液中氢含量为5.5×10-6和氮含量为160×10-6时,熔液中的总压力就超过1atm。图1钢中氢和氮的容限2.5我公司钢液实测氢和氮含量详细测定了电炉厂和特钢厂的钢液中H含量和N含量的变化。经加权处理后,其结果可详见图2和图3。未经真空处理的钢液,其氢平均含量比上述值还要高约(1～2)×10-6。可见,电炉钢液中H含量和N含量已处在析出气体的范围之内或临界边缘。图2电炉钢氢含量的测定值图3电炉钢氮含量的测定值3讨论3.1钢中气体的析出从式(1)和式(2)的溶解度方程可知,钢从液相凝固成固相和以后继续冷却,钢中H含量和N含的溶解度锐减,再加上凝固过程的偏析,钢中残留H含量和N含量会超过其容限,析出气体,产生气孔的可能性极大。这些细小气孔的生成就破坏了钢中基体组织的连续性,降低了探伤合格率。另外,在高温下钢中的高压氢还能与钢中的碳发生氢蚀反应:(5)或(6)钢中的氢与碳的反应生成的甲烷,其压力也足以促使裂纹产生。3.2HIC对探伤合格率的影响HIC(HydrogenInducedCracking)是批氢引起材料开裂的现象。广义的HIC包括氢引起材料的各种损伤,这种损伤既有开裂,又有各种性能的下降。在凝固过程中,析出的分子氢很容易地在枝状晶之间集聚、沉淀与析出,产生气孔。另外,由于铸状组织的中心偏析和中心疏松的存在,更容易促使氢的扩散。如此时铸状组织再受到额外的应力作用,如连铸过程的弯曲、矫直、鼓肚和错位等,这些细小的气孔就会沿枝状晶扩展,形成更大的裂纹。因此可以把HIC的影响分为两大类:一类是凝固生产过程的影响(HICl→s;另一类是钢坯(锭)在冷热加工过程中,由于氢原子扩散而生成的裂纹(HICs),即(7)在热加工过程,由于氢与铁的交互作用,降低了铁的局部剪切强度,从而使位错易于形核和运动,塑性区因而扩大。这些有助于氢的运输和富集,从而促进开裂,即使氢脆［6］。这是李熏等提出的观点,一直为多数科学家所接受。因此,为了减轻HIC的危害,确保板材高的和稳定的探伤合格率,必须从技术和装备上不断完善,避免钢坯(锭)产生HICl→s,这是生产探伤合格钢材的必要充分条件。3.3改善氢致裂的措施3.3.1真空冶炼真空冶金可获得非金属夹杂物非常少的纯洁钢,能显著地改善其加工性能;真空冶炼由于能脱氢,而防止产生白点和发裂等缺陷。在真空冶金时,钢中H含量和N含量遵守Sieverts定律,其分别表示如下(8)和(9)式中KH和KN分别为平衡常数,也是元素的饱和溶解度。其值分别为0.0027和0.045×10-6/atm1/2［1］。在真空度为1torr(mmHg)下,钢中H含量和钢中N含量的平衡值,这是由于反应区气体分压大于实际真空度和元素相互作用的缘故。另外,元素的扩散系数也有影响。但脱氢率已超过50%,详见图2。经过和不经过真空处理的板材,其缺陷发生率列于表3。表3真空循环脱气法处理降低钢板分层和气泡发生率［7］轧制钢坯数分层发生率/%气泡发生率/%脱气处理钢3300.31.2电炉钢3901.82.53.3.2保护浇铸已有数据统计［4］:出钢后,钢包中全氧含量波动在(1～1.5)×10-4,经过炉外精炼,到钢包开浇前,钢中全氧含量在(2.3～4.6)×10-5。而钢液铸入中间包后钢中全氧含量再次升高,在钢流保护好的情况下,钢中全氧含量范围在(3.8～6.3)×10-3。由此可见,连铸过程中,钢流的二次氧化非常严重。图2和图3也表明吸气的严重性。根据我公司电炉实际情况,应采取更严密的保护浇铸的措施,把连铸过程的增氢量控制2×10-6之内是有可能。保护浇铸的措施可参见文献［4］。3.3.4微合金元素对HIC的影响虽然微合金元素对氢的总含量基本不发生影响,但它能减少部分自由迁移产生白点的氢量。这是迄今有关研究者中很多人所持的见解［9］。如稀土元素在钢中产生的非金属夹杂物或其它微观缺陷,构成氢“陷阱”,降低氢的扩散速度和活动能力,提高了形成白点的“能障”;另一方面,稀土元素使冷淬裂纹趋向减轻甚至消失。另外,Mo、W、V、Nb等元素在钢中能形成稳定的碳化合物,减轻CH4的生成;此外,它们通过沉淀硬化及固溶强化,还提高了钢的蠕变断裂强度,从而使甲烷内压不易使钢开裂［6］。3.3.5减轻过程应力过程应力的影响是指钢液在凝固过程和以后加工过程产生的应力对裂纹的影响。目前,连铸技术已被广泛采用。众所周知,在连铸过程中由于存在弯曲、矫直、鼓肚和辊子的错位等因素,组织应力大量存在,加之元素偏析的存在,为氢的扩散提供了有利的通道。另外,在轧制过程中,也存在类似的情况,如位错运动可输送氢原子。因此,必须从工艺、操作、设备等方面不断完善,以控制和减少氢扩散通道。4结语(1)在炼钢过程中,不仅要努力降低钢中H含量,采用真空处理,而且必须采取保护浇铸技术,避免产生HICl→s。这是探伤合格钢材的基础。(2)在各单元操作中,应减少氢原子扩散的途径,包括降低各种应力和设置“陷阱”,即降低HICs。(3)提高探伤性能的系统分析法氢是最轻的元素,由于它的存在而引起材料的开裂和损伤等问题。这些问题加在材料科学工作者肩上的载荷,却远非最轻的。与此相反,为了分析和解决这些问题,涉及到冶金学科的各个方面。用系统分析法来分析和归纳各个学科技术领域的进展,是必须的,探伤性能的系统分析法如图4所示。图4提高探伤性能的系统分析法在中厚钢材的生产过程中,不仅要追求单元操作性能的最优化,也要追求整个生产过程各个单元操作之间的统一性、配合性和均衡性