摘要
用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜分析等手段對37Mn5圓鋼穿管后內壁起皮缺陷進行分析。分析表明鋼中存在的多種非金屬夾雜物和氣體含量過高是引起起皮的主要原因。
前言
某廠生產的37Mn5圓鋼在穿管后，鋼管內壁出現大批量的起皮缺陷，嚴重影響了產品的質量，生產工藝為下料→加熱→穿管→穿管→軋制→減徑→探傷，經現場進行取樣，通過宏觀檢測、光學顯微鏡觀察和掃描電鏡分析等手段對37Mn5穿管缺陷進行系統分析，查找其產生原因，進而改善圓鋼質量。
1宏觀分析
37Mn5穿管后起皮缺陷形貌見圖1，呈帶狀沿縱向分布，條狀缺陷互相平行，部分缺陷位置表皮已經翹起（圖2），部分缺陷位置為鼓包（圖3）。
化學成分分析
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企業標準 |
檢測值 |
|
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C(%) |
0.35-0.40 |
0.37 |
|
Si(%) |
0.15-0.35 |
0.23 |
|
Mn(%) |
1.20-1.50 |
1.40 |
|
P(%) |
≤0.025 |
0.013 |
|
S(%) |
≤0.025 |
0.004 |
|
Alt(%) |
≥0.005 |
0.013 |
|
O(ppm) |
—— |
19 |
|
N(ppm) |
—— |
116 |
金相分析
垂直于起皮缺陷位置取金相試樣，對試樣的橫截面進行磨制和拋光，經光學顯微鏡觀察發現：鋼中有連續夾雜存在如圖4，翹起和鼓包處發現有大量非金屬夾雜，組織為鐵素體+珠光體，鋼管表面有明顯脫碳，翹起處缺陷明顯有擠壓應力存在同時伴有輕微脫碳，應為圓鋼內部缺陷，見圖7。
掃描電鏡分析
對鋼中連續夾雜進行能譜分析，主要成分為Al、Ca、Si、Mg、Na、Zr等元素組成，應該是來自于中包覆蓋劑。
表1夾雜能譜分析成分含量
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Element（元素） |
質量百分比 |
原子百分比 |
|
O |
37.63 |
53.76 |
|
C |
3.02 |
5.74 |
|
Al |
23.72 |
20.09 |
|
Fe |
19.98 |
8.18 |
|
Ca |
4.75 |
2.71 |
|
Na |
6.56 |
6.52 |
|
Si |
0.62 |
0.51 |
|
Mg |
2.13 |
2.00 |
|
Zr |
1.07 |
0.27 |
|
Mn |
0.53 |
0.22 |
對翹起缺陷部位（圖2）進行掃描電鏡分析，缺陷處有較多夾雜，對缺陷區域進行能譜分析，主要成分以C、O、Na、Al、Si、Ca、Ti、F、Mg、Mn和Fe元素存在，見圖10圖12和表2表3。
表2 能譜分析成分含量
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Element（元素） |
質量百分比 |
原子百分比 |
|
O |
35.15 |
42.26 |
|
C |
21.12 |
33.82 |
|
Al |
1.67 |
8.32 |
|
Fe |
14.43 |
4.97 |
|
Ca |
8.10 |
3.88 |
|
Na |
3.46 |
2.90 |
|
Si |
2.95 |
2.02 |
|
Mg |
1.57 |
1.24 |
|
Ti |
0.91 |
0.37 |
|
Mn |
0.63 |
0.22 |
表3 能譜分析成分含量
|
Element（元素） |
質量百分比 |
原子百分比 |
|
Fe |
34.59 |
16.82 |
|
O |
23.60 |
40.06 |
|
Ca |
17.51 |
11.86 |
|
Al |
8.20 |
8.25 |
|
F |
7.88 |
11.26 |
|
C |
2.92 |
6.60 |
|
Si |
2.49 |
2.40 |
|
Na |
1.97 |
2.32 |
|
Mn |
0.86 |
0.42 |
對鼓包缺陷部位（圖3）進行掃描電鏡分析，缺陷處也發現較多顆粒殘留物，對缺陷區域進行能譜分析，見圖5，主要成分以C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Mn和Fe元素存在，見圖14和表4。
5分析與討論
翹起缺陷處夾雜物主要含Na、Al、Si、Ca、Ti、Mg等成分(見表1)。以化合物形式存在于鋼中的Al2O3、SiO2 、TiO2夾雜物為脆性，硬度高，在穿管過程中不易發生形變，破壞基體的連續性，造成軋制過程出現缺陷;鼓包缺陷處夾雜物主要含Na、Mg、Al、Si、Ca等成分，屬于MgO—A12O3一Si02一K2O—Na2O-CaO系的復雜氧化物，應來自中間包覆蓋劑，即在連鑄過程中，當中間包鋼水高度低于安全高度時，鋼液表面會形成漩渦，將部分液態、半液態或固態的覆蓋劑卷入鋼液，在上浮時被凝固坯殼所捕捉。
表4試樣缺陷處單個夾雜物能譜分析結果( 質量分數%)
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編號 |
1 |
2 |
3 |
|
C |
8.79 |
8.46 |
6.45 |
|
O |
54.46 |
47.82 |
13.67 |
|
Na |
0.70 |
—— |
—— |
|
Mg |
0.52 |
—— |
—— |
|
Al |
10.69 |
—— |
1.20 |
|
Si |
10.05 |
—— |
3.83 |
|
K |
3.94 |
—— |
—— |
|
Mn |
—— |
—— |
1.71 |
|
Ca |
—— |
—— |
0.79 |
|
Fe |
10.85 |
43.82 |
75.45 |
6結論
經過上述分析可知，37Mn5穿管翹皮的顯微組織中有大量Fe、Ca、O、Na、Mg、Al等元素，這些元素以Fe2O3、CaO、SiO2、Al2O3、NaO、MgO等組成，主要來源是中間包覆蓋劑和夾雜物，這些夾雜物主要來源于煉鋼連鑄。由于生產節奏快，夾雜物上浮時間短、鋼液液面控制難以有效保證，造成鋼材中存在上述夾雜。同時采用用分體式水口進行澆鑄，密封不嚴，造成鋼液澆鑄過程中水口內的負壓吸入空氣，造成鋼水二次氧化和氣體含量過高，在高溫下在穿管時隨著管壁厚度的減少，部分沖破內壁，形成內翹皮，還有部分未能沖破則形成鼓包。
