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51cysb


  ?30? 2007 年 10 月  

第 13 卷第 5 期  

宽厚板
W I E AND HEAVY PLATE D

Vol 13. No. 5   .   October 2007  

? 技术讨论 ?

厚钢板超声波探伤缺陷成因及控制
夏保卫   赵向政     张 杰
(舞阳钢铁有限责任公司 )

摘    要 本文介绍了锭一材钢板超声波探伤缺陷类型 ,通过低倍检查和能谱分析 ,确认缺陷部位的夹杂物 种类 ,指出缺陷产生的原因 ,提出相应的控制措施 。 关键词   超声波探伤缺陷   夹杂物   控制措施

Causes and Con trol M ea sures of Ultra son ic D etected D efects on Heavy Pla te
Xia Baowei, Zhao Xiangzheng and Zhang J ie
(W uyang Iron and Steel Co. L td) Abstract  U ltrasonic detected defect type of heavy p late rolled from ingot is p resented. Inclusion types at the de2 Keywords U ltrasonic flaw detection, Defect inclusion, Control measures

1  前言

主的特钢企业 ,拥有轧制压力 42 000 kN 的 4 200
mm 宽厚板轧机 ,“ 特厚 、 特宽 ” 是其产品特色 。供

轧机作原料用的扁钢锭单重为 11 ~35 t, 钢板最 大轧制厚度可以达到 400 mm 以上 。因受钢锭凝 固结晶的特点及锭 — 材压缩比的限制 , 钢板厚度 与超声波探伤等级之间存在一定的关系 。通常国 家标准对 100 mm 厚度以下钢板的超声波探伤等 级要求有明确规定 。而对于超出国家标准的部 分 ,必须通过大量钢板的实际探伤结果 ,总结出钢 板的实际探伤等级 , 满足用户的订货要求 。通过 对缺陷部位取样做低倍检验和能谱分析 , 对形成 缺陷的原因进行判断 ,制定相应的控制措施 ,优化

工艺 ,是提高钢板探伤等级和合格率的重要手段 。
2  钢板探伤缺陷类型的划分

有 : Sel072 —77、 / T4730 —2005、 GB EN10160: 1999

fects are defined by macrographic exam ination and energy spectrum analysis Causes of detects are pointed out Corre2 . . sponding control measures are raised.

等 ,本文讨论的钢板厚度为 120 ~200 mm ,探伤级 别要 求 为 EN10160: 1999 中 的 S1E1, 钢 种 为
EN10025 标准中的 S355JO。用直探头检验扁平

舞阳钢铁有限责任公司是以生产宽厚钢板为

产品的验收标准如表 1、。 2

探伤标准尤其强调了钢板边缘部位的超声波

探伤要求 ,对于通常采用电炉 →LF 精炼 →VD 真 空处理 → 模铸 → 轧钢 → 探伤检查 → 入库工艺生产 的钢板 ,根据钢板的超声波探伤情况 ,常见超声波 探伤标准缺陷类型可以描绘为 :
2. 1   点状密集缺陷

整张钢板从头至尾或从头至板长 1 /2 以上都

为点状密集缺陷 , 连续不断 , 缺陷波高多在 30% ~80%之间 ,缺陷为单层或多层 ,缺陷深度约位于 板厚 1 /2 处 ,对底波影响 2 ~8 dB。
2. 2   尾部分层或面积缺陷

钢板尾部部分区域 (板长的 1 /4 ~1 /6 ) 有一

处或多处分层或面积缺陷 , 缺陷波在 80%以上 , 缺陷对底波影响多数为 4 ~6 dB , 少数达 10 ~18
dB。

目前订货合同中常用钢板超声波探伤标准

  5期 第

夏保卫等 : 厚钢板超声波探伤缺陷成因及控制 表 1  直探头检验扁平产品的验收标准

?3 1 ?

等级
S0 S1 S2 S3

不可接受的单个不连续 (缺陷 )
S > 5 000 mm S > 1 000 mm
2 2

可接受的群集不连续 (缺陷 ) 考虑的尺寸 (数值 )
1 000 mm < S≤5 000 mm 100 mm < S≤1 000 mm N 2 (Φ8 ~11 mm 之间 ) N 3 (Φ5 ~8 mm 之间 )
2 2 2 2

不允许超过的最大数量 在最密集处的 1 m × m 见方的区域内 : 20 1 在最密集处的 1 m × m 见方的区域内 : 15 1 在最密集处的 1 m × m 见方的区域内 : 10 1 在最密集处的 1 m × m 见方的区域内 : 10 1

波高大于 Φ11 mm 平底孔特性曲 线的不连续 (缺陷 ) 波高大于 Φ8 mm 平底孔特性曲 线的不连续 (缺陷 )

表 2  检验扁平产品边缘区的验收标准
等级 允许的单个 不连续 (缺陷 ) 尺寸
Lm ax /mm E0 E1 E2 E3 E4 100 50 40 30 20 Sm ax /mm 2 2 000 1 000 500 100 50

考虑的最小不连续
(缺陷 ) 尺寸 Lm in /mm 50 25 20 15 10

每 1 m 长度内小于最大面积 Smax且大于
Lm in 的不连续允许 (缺陷 ) 数

6 5 4 3 2

3  缺陷部位的低倍和能谱分析

的拉伸 ,在断口部位做低倍和电子图像 。 对钢锭帽口线下点状密集缺陷做低倍检验和 能谱分析见图 1 及表 3。

为准确地了解缺陷部位的情况 , 对缺陷部位 经超声波探伤确认位置后 ,取样加工 ,做厚度方向

图 1  点状密集缺陷的低倍检验和电子图像 表 3  点状密集缺陷的能谱分析
元素
Si K Mn K Fe K

   由图 1 ( a )和表 3 可以看出 ,点状密集缺陷部 位的中心疏松比较严重 , 与此相伴的夹杂物并没 有明显增加 。 对整板点状密集缺陷区做低倍检验 (图 2 ) , 可心看出 : 被检验试样上夹杂物分布弥散 ,而且能 谱检验成分相似 , O、 l分别占 40%和 23%左右 , A

重量百分比
0. 55 2. 98 96. 47 100. 00

原子百分比
1. 08 3. 01 95. 90

总量

?32?

宽厚板 提高 。

第 13 卷  

应该是钢锭中大颗粒夹杂物在轧制时被破碎而 成 ,这种情况的出现 ,容易造成探伤不合格 。整炉 钢液的洁净度出现了问题 , 很容易造成同炉钢水 多支钢锭出现同类情况 , 影响钢板探伤合格率的

根据钢锭尾部探伤缺陷的低倍检验汇总情 况 ,可以将其分为锭 — 材尾部分层缺陷和锭 — 材 尾部裂纹缺陷两类 。

图 2  典型弥散夹杂物示意图

图 3  分层缺陷的低倍检验及电子图像

   第一类为锭 — 材钢板尾部分层缺陷 (图 3 和 表 4 ) 。由图 2 和图 3 ( b ) 可以看出 , 该试样低倍 检验的分层缺陷非常明显 , 缺陷部位的能谱反映

出 [ Si]元素占主导地位 , 占到了总量的 45% ~
50% 。表 4 可以看出 , 在缺陷部位分布的主要元

素以 O、 l为主 ,主要是三氧化二铝或铝酸钙 。 A

表 4  点状密集缺陷的能谱分析重量百分比显示的所有结果
谱图 谱图 1 谱图 2 谱图 3 最大 最小
O 44. 99 38. 75 39. 04 44. 99 38. 75 Mg 1. 51 0. 77 1. 06 1. 51 0. 77 Al 37. 40 31. 94 34. 51 37. 40 31. 94 Ca 3. 63 3. 36 1. 42 3. 63 1. 42 0. 68 0. 00 Ti 0. 68 0. 50 Fe 11. 79 24. 68 23. 97 24. 68 11. 79

总的
100. 00 100. 00 100. 00

   第二类为锭 — 材钢板尾部裂纹缺陷 (图 4 和

表 5 ) 。由图 3 ( b ) 和表 5 可以看出 , 一些试样局

  5期 第

夏保卫等 : 厚钢板超声波探伤缺陷成因及控制

?3 3 ?

部有较为粗大的裂纹存在 (宽度大于 100 μm , 总 长有数毫米 ) ,这些裂纹源很可能在柱状晶晶间 ,

如果加热制度控制不合适 , 会在轧制过程中加重 这些现象 。

图 4  典型裂纹和裂纹区域的能谱图 表 5  裂纹缺陷的能谱分析
元素
Si K Mn K Fe K

中心等轴晶区在钢锭截面上所占的面积是不同 的 。一般柱状晶区约为钢锭厚度的 1 /4 ~ 1 /6。 另外 ,大钢锭底部还有球型等轴晶区 ,化学成分纯 净 ,是由“ 结晶雨 ” 沉淀于底部所致 。
4. 2   镇静钢钢锭凝固结构的形成机理及与探伤

重量百分比
0. 77 2. 11 97. 12 100. 00

原子百分比
1. 52 2. 13 96. 35 100. 00

总量

缺陷的关系 成分过冷理论较好地解释了镇静钢钢锭凝固 结构的形成机理 。即在钢锭凝固过程中 , 随着柱 状晶的不断生长 , 凝固层变厚 , 散热强度逐渐减 小 ,两相区宽度不断扩大 。由于结晶速度减慢 ,杂 质不断向凝固前沿浓集 , 于是凝固前沿的固液两 相区形成了一个杂质浓集区 , 使该区的液相熔点 降低 ,过冷度减小 。但在浓集区前面的区域 ,杂质 含量偏低 ,液相的熔点高于实际温度 ,从而出现了 成分过冷区 ,结晶首先在这里进行 。 由于 V 型偏析存在于锭心粗大等轴晶区 , 其 纵向范围从锭高 1 /3 (从底部算起 ) 至保温帽 。它 是最后凝固钢液所形成的硫 、 、 磷 碳等的正偏析 , 在钢板断面上表现为中心偏析 , 通常与中心疏松 伴生 。对应于钢板的探伤情况 , 通常表现为点状 密集缺陷 。 而在钢锭尾部 , 最先进入锭模的钢液由于模 壁吸热较快 , 迅速形成粘稠层 , 钢水快速凝固 , 钢 液中的夹杂物 (多为外来夹杂物 ) 来不及上浮而 被凝固壳的树枝晶捕获 , 成为大型夹杂物 。在钢 水过热度较低时 , 补缩不好 , 易形成小缩孔 , 轧制

4  钢锭的组织结构与缺陷部位的关系

根据对锭 — 材钢板超声波探伤不合的统计数 据 ,点状密集缺陷约占探伤不合缺陷总量的 80% 左右 ,其余为尾部分层或面积缺陷 ,这与钢锭的凝 固结构和机理有着密切关系 。
4. 1   镇静钢钢锭的凝固结构

一般来说 ,镇静钢钢锭的凝固结构具有 3 个 性质 、 晶体形态不同的区域 。
1 ) 激冷区 : 钢锭表面细晶粒区 , 它是由无规

则排列的细小等轴晶粒形成的 。
2 ) 柱状晶区 : 是由垂直于钢锭模壁 、 彼此平

行的柱状晶所组成的 。
3 ) 中心等轴晶区 : 处于钢锭的中心区域 , 由

等轴晶粒组成 。晶粒尺寸比激冷区的大得多 。 这 3 个主要区域的大小随凝固条件的不同而 变化 。通常 ,激冷区较薄 ,只有几到十几毫米 。其 厚度决定于钢锭模的冷却能力和钢的导热性等 , 同时这一区域的化学成分相当于液相成分 , 其余 两个区域较厚 ,在不同的凝固条件下 ,柱状晶区和

?34?

宽厚板

第 13 卷  

后表现为分层缺陷 。而对于钢锭尾部轧板后内部 出现的裂纹 ,尚不清楚其产生的机理 。
5  减少锭 — 材钢板超声波探伤缺陷的措施

精炼过程产生的非金属夹杂物有充分的上浮时 间。
5. 4   确保真空过程钢包吹氩良好 ,使真空过程的

对于帽口线下点状密集缺陷 , 钢水自身洁净 度是关键 ,同时要做好钢锭帽口部位的保温 ,使凝 固过程的补缩得以充分进行 。 根据钢板探伤的异常情况和现场工艺调查 , 钢锭本身存在缺陷的主要原因为 :
1 )电炉出钢时钢水过氧化程度严重 , 精炼过

氩气流量控制为 400 L / m in、 压力为 0. 6 M Pa 左 右 ,确保钢水循环次数 。
5. 5   对于全新包和新渣线钢包 ,将浇铸温度过热

度控制在 50 ~60 ℃, 避免钢水浇铸过热度偏高 , 偏析加剧 。
5. 6   为了防止真空过程顶渣卷入钢液 ,要求在真

程为了保持白渣 , 大量加入硅铁粉 , 导致炉渣中
CaO 含量偏低 , SiO2 含量偏高 , 造成炉渣碱度偏

空破坏前 10 m in,将真空氩气调整至渣面脉动即 可 ,给钢渣分离创造条件 ,最大程度地避免顶渣卷 入钢液中 。
5. 7   对钢液进行钙处理 ,根据钙处理能够改变钢

低 ,影响了炉渣对夹杂物的吸附 。
2 )真空过程钢包吹氩不良或氩气带漏气 , 造

成真空过程吹氩搅拌弱 , 导致真空过程夹杂物的 碰撞 、 、 、 聚集 长大 上浮的动力学条件较差 ,制约了 钢液中的夹杂物充分进入炉渣 。 找出了导致钢锭缺陷的原因 ,在冶炼过程中 , 为减少非金属夹杂物含量 ,主要采取以下措施 :
5. 1   确保电炉的入炉钢铁料的配碳量 ,减少过氧

液中 A l2 O3 夹杂的理论 , 要求真空前加入 2 ~ 3
kg / t钢的硅钙合金 ,以生成低熔点的铝酸盐产物 ,

使其呈液体状态而排除 ,或以球状存在于钢中 ,减 少簇状 A l2 O3 夹杂 。 对于钢锭尾部面积缺陷 , 浇铸系统洁净度是 关键 ,同时要保证钢水浇铸时过热度在 50 ℃以 上 ,使凝固过程的补缩得到充分进行 。
6  结语

化的发生 随着电炉冶炼节奏的加快 , 吨钢氧气消耗已 经由 20 世纪末的 15 ~30 m / t钢增加到目前的
40 m / t 钢 , 要求配碳量由 0. 70%左 右 增 加 到 1. 20%左右 ,有利于氧化阶段促进夹杂物上浮 ,同
3 3

通过控制钢水中氧含量和精炼周期 , 促进夹 杂物去除 ,帽口线下点密缺陷显著减少 ; 在强化浇 铸系统的清洁后 , 钢锭尾部的内在缺陷也得到了 控制 , 锭 — S355 钢 种 按 EN10160: 1999 中 的 材
S1E1 探伤 ,探伤合格率稳定在 97%以上 。

时使出钢碳控制在 0. 08%左右的较高水平 (以
S355 系列为准 ) ,降低粗钢液的氧含量 ,使游离氧

在 150 × 10 左右 , 减少精炼过程非金属氧化物 的产生 。
5. 2   精炼坐包定氧 ,依据氧值来判断钢水的氧含

- 6

夏保卫 ,男 , 2003 年毕业于郑州大学工业工程专业 ,工程
师。 收稿日期 : 2007 - 08 - 09

量 ,确定脱氧剂的种类和用量 。
5. 3   控制合理精炼周期为 80 m in 左右 , 以保证


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