背景

Q345R是當前較為常見的低合金鍋爐和壓力容器用鋼板，也是當前眾多鋼鐵企業承壓容器用鋼板系列中重要的基礎鋼種，主要用于石油、化工、鍋爐等行業，可通過焊接工藝制作鍋爐、儲氣罐等。

盡管國標GB/T 713.2—2023《承壓設備用鋼板和鋼帶第2 部分：規定溫度性能的非合金鋼和合金鋼》并未明確要求Q345R 鋼板需要進行探傷，但在實際生產過程中，由于生產波動會造成鋼板性能不穩定，且壓力容器用鋼板中厚板需求量較大，相較于厚度較薄的薄板和中板，厚板內部質量更難保障，一旦存在內部缺陷，在制造成為成品后易造成極大的安全風險。因此，在實際生產過程中必須對Q345R 鋼板進行探傷檢驗。

超聲波探傷是當前中厚板無損檢測最常見的手段之一，通過超聲波對內部進行檢測，可以反映鋼板內部基體的連續性和缺陷位置。陜鋼集團漢鋼公司在生產Q345R 鋼板期間，采用超聲波探傷設備對鋼板探傷時發現部分鋼板存在探傷不合格現象，嚴重影響了產品合格率。

本文通過對鋼材探傷不合格原因進行分析，從而為提高Q345R 鋼板質量、優化生產工藝提供參考。

1、試驗材料與方法

1.1 工藝流程

Q345R 鋼生產工藝流程：鐵水預脫硫處理→轉爐煉鋼→LF 爐精煉→VD 爐精煉→板坯連鑄→軋制→ACC 水冷→冷床冷卻→剪切→檢驗→標識→探傷→入庫。

1.2 化學成分

本次試驗選取的是厚度為28mm 的Q345R鋼板，針對其探傷不合格位置和探傷合格位置進行取樣分析，探傷不合格區域成分如表1 所示。

（表1 Q345R的主要化學成分要求）

1.3 試驗方法

利用手持探傷儀對探傷不合格鋼板進行檢測，明確出缺陷區域位置，將探傷不合格區域剪切后，利用線切割進行切割，采用體積分數為4%的硝酸酒精進行腐蝕，經磨制、拋光后采用金相顯微鏡進行觀測，采用掃面電鏡對缺陷位置處進行形貌觀察并分析鋼中夾雜物。

2、試驗結果與分析

2.1 探傷情況

通過探傷儀對鋼板進行探傷后發現，鋼板缺陷主要存在于鋼板邊部厚度方向1/2 處，沿軋制方向呈彌散狀態分布，無明顯位置規律。

2.2 力學性能檢測

本次試驗選用了探傷不合格和探傷合格試樣進行對比試驗，試樣1 為探傷不合格試樣，試樣2為探傷合格試樣，Q345R鋼板試樣1、2的拉伸試驗和沖擊試驗結果如表2所示。

（表2 Q345R鋼板的力學性能）

本次軋制過程中，試驗鋼板性能全部符合國家標準，且均高于國家標準。

對比試樣1和試樣2，可以明顯發現試樣1強度、斷后伸長率及0℃沖擊功均低于試樣2。

2.3 鋼坯低倍檢測

鑒于本次生產為初次生產，對鋼坯統一進行低倍試樣取樣檢測，試樣1、試樣2對應鋼坯低倍試驗結果如表3所示。

（表3 Q345R鋼坯低倍試驗評級 單位：級）

通過鋼坯低倍檢測可以發現，本次冶煉澆注的Q345R 鋼坯存在中心疏松和中心偏析，表面質量正常，無非金屬夾雜物。

2.4 金相檢測結果

2.4.1 金相組織

取探傷不合格試樣，在平行于軋制方向截取檢驗面，經磨制、拋光及體積分數為4%的硝酸酒精腐蝕后，其顯微組織如圖1、圖2所示。

通過觀測探傷不合格位置金相圖可以發現，內部組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體+少量馬氏體。

同時，從夾雜物圖中發現存在明顯的帶狀組織，對帶狀組織評級為B系列1.5級，觀測試樣表面存在較明顯的淬火層。

2.4.2 夾雜物情況

對探傷不合格試樣內部夾雜物情況進行評級，內部夾雜物評級情況如表4所示。

（表4 Q345R內部夾雜物評級情況 單位：級）

通過對試樣1 和試樣2 內部夾雜物評級對比發現，探傷不合格試樣（試樣1）內部夾雜物相較正常試樣級別較高，同時心部還存在大顆粒球狀氧化物。

通過掃描電鏡對試樣1中夾雜物進行分析，試樣情況如圖3所示，通過能譜儀掃描后可以發現，夾雜物為MnS、Al2O3和大顆粒球狀氧化物，占比較大的為MnS。

（圖3 能譜掃描情況）

3、討論分析

3.1 金相組織影響     

結合相圖可以發現，探傷不合格試樣組織基體為鐵素體+珠光體，但在其夾層存在明顯的貝氏體和馬氏體組織。

由于鋼坯中心在偏析，造成局部Mn元素富集，從而使富集處奧氏體相區擴大，提高相變溫度和鋼材淬透性，更易形成馬氏體和貝氏體。    

貝氏體和馬氏體均為硬相，鑲嵌于鐵素體-珠光體間，其硬度高于鐵素體和珠光體，塑韌性低于鐵素體，因此在受力產生形變過程中會阻礙鐵素體變形，成為應力集中點，使得脆性增加，在和夾雜物共同作用下形成微裂紋。

此外，帶狀組織也是造成微裂紋的原因之一，通過相圖可以看出試樣中存在明顯的鐵素體和珠光體帶，有研究表明，帶狀組織的出現會使得鋼材呈各向異性，對其軋制方向即縱向方向性能影響較小，但會對垂直方向的塑韌性產生負面影響。

在受力時，性能較差、形變能力差的條帶處會成為裂紋產生位置，同時強弱帶之間、帶狀組織與正常基體組織間交界處會產生內應力及應力集中，在和夾雜物、馬氏體、貝氏體硬相共同作用下能夠造成微裂紋萌發和生長。 

3.2 夾雜物影響     

通過對夾雜物區域進行掃描電鏡觀察可以發現，夾雜物為MnS、Al2O3和大顆粒球狀氧化物。MnS和Al2O3在鐵素體-珠光體基體中同為硬相，且在加熱爐加熱過程中不能溶解。

Al2O3夾雜物產生原因主要是在采用Al 脫氧過程中，由Al 脫氧產物與鋼水中的雜質混合形成，在造渣過程中殘留于鋼水中，因此其含量較少，同時，Al2O3主要是疲勞裂紋源形核核心，因此在Al2O3數量較少的情況下并不是造成Q345R鋼板開裂的最主要因素。

MnS是夾雜物含量占比最大者，同時由于其在軋制過程中沿軋制方向延伸，形成鏈塊狀割裂晶粒，同時在周圍形成較大的位錯環，這些位錯環在受力情況下到達夾雜物和基體界面時，界面分離后會形成微孔，在繼續受力產生新的位錯和微孔后，這些微孔會進一步聯通聚合，進而形成微裂紋，同時微裂紋也會繼續通過這些微孔進一步擴展。  

因此，MnS夾雜物的存在是造成Q345R產生分層、導致探傷不合格的主要原因。

4、控制措施

漢鋼在生產Q345R 過程中主要采用Mn 元素為強化鋼材性能的主要元素之一，為了保證熱送熱裝工藝下鋼材性能穩定，成分設計上Mn 含量相對較高，這也使得鋼材整體強度較高的同時，Mn偏析情況更為嚴重，在后續生產過程中，通過工藝優化，降低Mn含量，以減少由于Mn含量過高而導致中心偏析加劇的發生。

同時，在檢驗過程中也發現存在S含量較高的情況，因此，在后續生產過程中需要進一步強化脫硫效果，降低鋼水中S的含量，同時，提升鋼水潔凈度，減少MnS夾雜物、Al2O3夾雜物和大顆粒球狀氧化物的產生。

在帶狀組織控制方面，可在提高鋼水潔凈度的同時，通過調整連鑄二冷工藝來提高連鑄澆筑質量，減少粗大枝狀晶形成。       

此外，針對Q345R探傷不合格這一問題，可以采用對鋼坯進行堆冷、控制鋼坯冷卻速度、有效逸散鋼坯中的氫并使組織更加均勻等方法，進一步釋放板坯內應力，降低微裂紋出現的概率。

結論

1）Q345R鋼板探傷不合格的原因主要是鋼板心部存在微裂紋和分層。

2）導致微裂紋和分層產生的主要原因是存在MnS夾雜物、Al2O3夾雜物和大顆粒球狀氧化物。此外，基體中存在馬氏體、貝氏體和帶狀組織也是造成微裂紋和分層產生的重要因素。

3）可以通過提高鋼水潔凈度、降低Mn含量，來減少C、Mn、S元素偏析，減少MnS夾雜物的產生，同時也能減少馬氏體、貝氏體硬相的產生，防止受力造成內部應力集中、產生微裂紋甚至形成分層現象而造成探傷不合格。