12Cr2Mo1R厚板探傷不合格原因的試驗分析及對策

劉自立，張漢謙，劉春明

(1.東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽 110004;2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

0 引言

加氫反應器是加氫裝置中的關鍵設備，承受高溫(400～500℃)、高壓(10～20 MPa)、臨氫作用［1］。如此苛刻的服役環(huán)境，對用來制造臨氫設備的鋼種性能提出了很高的要求。其材料必須滿足耐高溫、抗蠕變、抗氫脆化、抗回火脆性等特點［2］。此外，企業(yè)要求裝置的操作周期不斷加長，對設備可靠性、安全性提出了越來越嚴格的要求［3］。通常臨氫設備都采用抗高溫蠕變、抗氫腐蝕能力較強的鉻鉬鋼，12Cr2Mo1R正是臨氫設備設計、制造常用的典型鋼種之一。為提高12Cr2Mo1R厚板的性能，國內寶鋼、舞陽、漢冶特鋼、濟南鋼鐵等鋼鐵企業(yè)都對12Cr2Mo1R產品開發(fā)作了大量的研究工作［4－10］。

由于臨氫設備特殊的服役條件，用戶對臨氫設備用12Cr2Mo1R厚板的探傷要求較高，通常要求按 JB/T 4730.3—2005［11］Ⅰ級合格。在企業(yè)實際生產過程中，偶有個別鋼板局部探傷不能滿足JB/T 4730.3—2005Ⅰ 級 要 求。 文 中 結 合12Cr2Mo1R鋼的實際生產情況，通過各種試驗手段，對探傷不合格原因進行了較為系統(tǒng)的分析和研究，以期更好地改善該類鋼板的內部質量，盡量減少由于探傷不合格引起的質量損失。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用12Cr2Mo1R鋼板是在寶鋼股份5 m厚板生產線生產，其主要工藝流程如下:

轉爐煉鋼→精煉→模鑄→鑄錠加熱→開坯→鋼坯加熱→除磷→軋制→熱矯直→探傷→正火→回火→取樣→性能檢測。

試驗用鋼板的化學成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的主要化學成分(熔煉成分) %

1.2 試驗方法

在探傷不合格12Cr2Mo1R鋼板上分別取化學分析試樣及金相和夾雜物分析試樣。按JIS G 1253—2002要求［12］，分析鋼板不同厚度位置的化學成分;將金相試樣進行研磨、拋光后在LEICA MEF4A光學顯微鏡及掃描電鏡(S－4200場發(fā)射掃描電鏡+EDS)下進行金相組織及夾雜物觀察，并對試驗結果進行分析。

2 試驗結果

2.1 鋼板成分分析

試驗用12Cr2Mo1R鋼板不同厚度位置的化學成分分析結果見表2，可以看出，鋼板的化學成分符合GB 713—2008要求且在鋼板的厚度方向分布均勻，厚度方向不存在明顯的成分偏析?；瘜W成分不是引起探傷不合格的原因。

表2 試驗用鋼上表面、板厚1/4、板厚1/2處的主要化學成分 %

2.2 鋼板組織

圖1示出板厚上表面、板厚1/4、板厚1/2處金相組織照片?？梢钥闯?，12Cr2Mo1R鋼板在板厚方向，鋼板上表面、板厚1/4、板厚1/2處的金相組織均為回火貝氏體組織。板厚表面組織與板厚1/4及板厚1/2處比較，其貝氏體更為細小。板厚1/2位置，組織為均勻的回火貝氏體組織，未發(fā)現有混晶、組織異常情況。

圖1 板厚上表面、板厚1/4、板厚1/2處金相組織照片

2.3 鋼板厚度方向夾雜物

12Cr2Mo1R板厚不同位置夾雜物金相照片如圖2所示。

2.3.1 夾雜物的數量、尺寸、形態(tài)和分布

由圖2可看出，在12Cr2Mo1R鋼板的上表面及板厚1/4位置，夾雜物彌散分布，夾雜物的大小在10 μm以內，形態(tài)主要有球形、紡錘形、方形等，且上表面夾雜物數量明顯少于板厚1/4位置。

板厚1/2位置，單個夾雜物的形貌為球形和橢圓形，尺寸在10 μm以下，但是其分布特征表現為:一系列夾雜物沿軋制方向連續(xù)成串狀，串狀夾雜物的尺寸明顯增大到80～100 μm，有的甚至超過100 μm。

圖2 板厚上表面、板厚1/4、板厚1/2處夾雜物金相照片

綜上，試驗用12Cr2Mo1R鋼板厚度方向單個夾雜物的尺寸小于10 μm，其形貌有球形、紡錘形、方形、橢圓形等，在鋼中的分布隨板厚而變化，鋼板夾雜物數量，鋼板上表面、板厚1/4、板厚1/2位置數量依次增加，且在板厚1/2處單個夾雜物沿鋼板的軋制方向成串狀分布，形成尺寸較大的串狀夾雜物。

2.3.2 夾雜物的組成成分

12Cr2Mo1R鋼板厚度方向各個位置夾雜物的組成成分如圖3所示。板厚表面鋼中夾雜物的主要成分為Al2O3;板厚1/4處夾雜物的組成成分包括 Al2O3，MgO，CaO，同時含有一定量的 K，Na元素;板厚1/2處串狀夾雜物的主要化學組成為:以Al2O3為主，含有少量MgO，CaO。

圖3 板厚表面、板厚1/4、板厚1/2處夾雜物SEM及EDS分析結果

3 分析與討論

3.1 12Cr2Mo1R 鋼板化學成分與組織

厚板尤其是特厚鋼板的探傷不合格的主要原因是由于鑄錠由液態(tài)鋼水凝固時化學成分偏析導致鋼質不均。通常，元素在液態(tài)鋼水中的溶解度要高于其在固態(tài)鋼錠中的溶解度。因此，在鋼水凝固過程中，鋼液的凝固前沿會有溶質元素不斷富集，當富集溶質元素的鋼液被凝固前沿捕捉后，便在鑄錠中形成了溶質偏析區(qū)。若在后續(xù)熱處理過程中，未能使偏析元素得到充分擴散，則會導致化學成分偏析存在于成品鋼板中。同時，由于局部成分偏析導致鋼板在熱處理過程中形成了不同于其他未偏析區(qū)域的組織，造成鋼板的組織不均，從而對鋼板的探傷及其他力學性能造成不良影響。

由表2及圖1的結果可以看出，12Cr2Mo1R鋼板厚度方向各元素分布較均勻，沒有明顯的成分偏析。組織均為貝氏體組織，未發(fā)現組織異常。所以，鋼板的化學成分及組織不是造成鋼板探傷不合格的主要原因。

另外，鋼中氫含量較高，會導致鋼板氫脆缺陷嚴重，也會造成鋼板探傷不合格［6］。而文中試驗用鋼板的氫含量控制在不大于2 ppm，從而保證了鋼板不產生氫脆缺陷。

3.2 鋼板中夾雜物

鋼的生產過程決定了不可能完全去除鋼中的夾雜物。按夾雜物的來源，夾雜物可以分為內生夾雜物和外生夾雜物［13］。內生夾雜物即鋼水冶煉過程中由于脫氧、澆注及凝固過程中產生的夾雜物，在冶煉過程中未能及時上浮排除而留在鋼中。外來夾雜物通常指在冶煉、澆注等過程中由耐火材料及保護渣等卷入鋼水中而形成的夾雜物。無論內生夾雜還是外生夾雜，當其數量、尺寸、形態(tài)和分布達到一定程度時，會對材料的性能產生不利影響。因此人們一直致力于減少鋼中的夾雜物，以得到更純凈的鋼質，提高鋼材的性能。

由圖2和圖3可以確認，12Cr2Mo1R鋼中主要的夾雜物為Al2O3，其在板厚1/2處形成較大尺寸(70 μm以上)的串狀夾雜物是造成鋼板探傷不合格的主要原因。若要避免鋼板探傷不合格，則必須清楚Al2O3夾雜物來源并降低鋼中Al2O3夾雜物的含量，避免其形成大尺寸串狀Al2O3夾雜物。

3.2.1 12Cr2Mo1R 鋼中 Al2O3夾雜物的來源

12Cr2Mo1R(H)抗氫鋼中Al2O3夾雜物的形成十分復雜，涉及轉爐冶煉、精煉、澆注各個過程及這些過程中使用的輔料等。首先在轉爐冶煉吹氧脫碳階段，大量氧氣被吹入鋼水，如果轉爐終點氧尤其鋼水中溶解氧控制太高，在出鋼脫氧反應中，就會生成大量的Al2O3夾雜物。二次精煉脫氧時易生成Al2O3夾雜物;若吹氬時間、流量控制不當，則造成鋼包及真空槽內的Al2O3夾雜物不能充分上浮，滯留在鋼液中;鋼包渣中的Al元素二次氧化形成Al2O3夾雜物;空氣中的氧氣進入RH浸漬管，使得鋼液中的Al被氧化，形成Al2O3夾雜物。澆注過程中保護渣卷入鋼液中，不能及時去除，形成夾雜物(如圖3中板厚1/4位置夾雜物能譜分析，發(fā)現夾雜物中含有K，Na等元素)。

在鋼液凝固過程中，凝固前沿大量Al2O3夾雜物不斷富集，隨著鋼液溫度的逐漸降低，在凝固末期，即鑄錠的中心位置，由于剩余未凝固鋼液中夾雜物密度較大，尺寸較小的夾雜物，易聚集形成尺寸較大的串狀Al2O3夾雜物，鑄錠經軋制后，最終這些串狀夾雜物聚集在鋼板板厚1/2處，從而導致鋼板探傷不合格。

3.2.2 12Cr2Mo1R 鋼中 Al2O3夾雜物的控制

通過分析煉鋼過程中夾雜物的來源，采取措施減少鋼液中Al2O3夾雜物的生成，是避免形成大尺寸串狀夾雜物的主要手段。為達到上述目的，采取措施如下:

(1)在轉爐冶煉時，適當控制脫碳反應，通過減少脫氧用鋁的添加量以達到減少Al2O3夾雜物的生成量。但是值得注意的是，脫碳反應時，鋼液中較高濃度的溶解氧是必要的。因為脫碳時，如果溶解氧濃度低，則脫碳反應速度也會降低。另一方面，發(fā)生操作故障及煉鋼溫度管理不恰當時，有時也會達不到所要求的煉鋼溫度。此時可能會通過添加少量的鋁，利用鋁氧化燃燒產生的熱量確保煉鋼的溫度，但為減少Al2O3夾雜物的生成量，應盡量減少或不使用這種操作手段。

(2)在二次精煉時，可采用多種手段。如通過適當的吹氬制度，使得脫氧產物能不斷地聚集成團，并促進夾雜物的上浮分離。為達到這個目的，必須確保脫氧后的RH環(huán)流時間，適當調整環(huán)流氣體量，以提升夾雜物的碰撞頻率，提高其聚集上浮的概率。

(3)必須降低爐渣中(Fe2O)，(MnO)，(SiO2)等氧化物的活度。方法為:在爐渣中添加含金屬Al的鋁精煉渣以降低(Fe2O)，(MnO)活度，添加石灰(CaO)降低SiO2活度。

(4)二次精煉時，將RH浸漬管用氬氣密封，以防止空氣進入鋼液。

(5)澆注時，采用全程保護澆注，并選擇合適的澆注溫度和澆注速度，防止保護渣卷入，同時便于鋼液內夾雜物的上浮、去除。

4 結論

(1)通過分析表明，12Cr2Mo1R鋼板厚度方向的化學成分均勻，不存在嚴重的成分偏析現象、金相組織均為回火貝氏體組織。鋼板厚度1/2處較大尺寸(70 μm以上)的串狀Al2O3夾雜物是鋼板探傷不合格的主要原因。

(2)防止因Al2O3夾雜物而引起探傷不合格的主要措施為:嚴格控制轉爐冶煉時鋼水中的溶解氧含量，減少脫氧Al的用量;采用合理的二次精煉制度，尤其是合理的吹氬制度，促進夾雜物的上浮分離;采用合理的澆注工藝，防止保護渣卷入。

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