X7Ni9钢板探伤不合原因分析与改进

张宏亮 ，杜林 ，冯丹竹 ，田永久 ，朱莹光 ，侯家平

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007）

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）作为清洁能源，成为国家能源战略的重要组成部分，需求量逐年递增［1-4］。未来10年，能够承载液化天然气的大型LNG储罐的建造将迎来高峰，大型LNG储罐的建设因其具有建造难度大、质量要求高的特点，是LNG接收站项目建设中的重中之重。LNG储罐内罐主要采用Ni元素含量为9%左右的X7Ni9钢制造，为了确保建成的LNG储罐安全性、可靠性，除了要求X7Ni9钢具有良好的抗拉强度和-196℃下的超低温冲击韧性，还要求X7Ni9钢具有极高冶金质量，即钢板满足超声波探伤要求［5-8］。工程上一般要求LNG储罐用X7Ni9钢板按BS EN 10160标准进行100%超声波检查，合格级别为S2E4级。

鞍钢股份有限公司在X7Ni9钢生产过程中发现，存在钢板在线超声波探伤不合格现象，探伤合格率为95.1%，本文通过金相显微镜、扫描电子显微镜等试验设备，对探伤不合钢板的形貌和组织成分进行了检测，并详细分析了X7Ni9钢探伤不合的原因。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料采用在线探伤不合格的X7Ni9钢板，化学成分见表1。

表1 X7Ni9钢板化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in X7Ni9 Steel Plate（Mass Fraction） %

1.2 试验方法

选取5块炉号相同的X7Ni9钢连铸坯，在连铸坯头部用火焰切割切取低倍试样进行连铸坯低倍试验研究，分析连铸坯冶金质量。再将取样后剩余的钢坯轧制并进行在线探伤，根据探伤结果，对探伤不合格的X7Ni9钢板进行人工手动探伤，精准确定缺陷位置为钢板厚度1/4处，用线切割切取试样进行试验研究。利用金相显微镜进行抛光态和腐蚀态观察，采用扫描电镜分析缺陷形貌及成分组成。

2 试验结果

2.1 低倍检验结果

在远离火焰切割的区域截取试样，经50%工业盐酸溶液热侵蚀后X7Ni9钢低倍样形貌见图1。

图1 X7Ni9钢连铸坯低倍形貌Fig.1 Morphology of Macrostructures in Continuous Casting Blooms of X7Ni9 Steel

通过观察，连铸坯内部没有明显的裂纹及夹杂缺陷，表面激冷层厚度较薄，柱状晶发达，连铸坯上、下两侧柱状晶局部有“搭桥”现象。连铸坯中心局部可以观察到少量的疏松现象。经评级，连铸坯中心疏松为0.5级，中心偏析为B0.5级，无中间裂纹、三角区裂纹和角部裂纹。

2.2 钢板探伤及缺陷位置确定

超声波探伤是利用超声波在不同介质中传播时，由于不同介质的声阻抗不同，超声波会在界面产生反射和透射的现象，在探伤示波仪上产生波形来判断钢板内部质量的一种无损检测方法。钢板的疏松、偏析、非金属夹杂物、气体等都可能导致钢板超声波探伤不合格［9］。

在5块X7Ni9钢连铸坯轧制的钢板中，发现一张厚度为16.4 mm的钢板在线超声探伤不合格，用火焰切割在自动探伤不合格区域切取200 mm×200 mm钢样，在缺陷处进行详细的人工手动探伤，确定缺陷位置，利用线切割在手动探伤确认的缺陷位置沿缺陷中心贯穿钢板厚度切割，截取16.4 mm×20 mm×10 mm 试样。

2.3 金相试验结果

将试样研磨、抛光，在ZEISS Aviovert 200 MAT光学金相显微镜下观察探伤不合格钢板试样抛光态宏观形貌。缺陷宏观形貌如图2所示，在钢板厚度的1/4位置处，可以观察到断续分布的夹杂物缺陷，夹杂物呈条带状偏聚、较细小，但尺寸较长，长度约0.4 mm。根据国标GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，夹杂物的类型和级别为B类1.0级、C类1.5级、DS类0.5级。在钢板厚度1/2处，未观察到明显的夹杂物和裂纹。

图2 缺陷抛光态宏观形貌Fig.2 Macroscopic Morphology of Defect in Polished State

采用4%硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，在ZEISS Aviovert 200 MAT光学金相显微镜观察钢板基体组织及缺陷处的形貌。

经过4%硝酸酒精溶液腐蚀后的X7Ni9钢基体显微组织和缺陷形貌图片如图3所示，X7Ni9钢热轧态基体显微组织为贝氏体+马氏体的混合组织。通过对样品全断面进行观察，未发现有明显的裂纹缺陷。

图3 X7Ni9钢基体显微组织和缺陷形貌图片Fig.3 Images of Microstructures in X7Ni9 Steel Matrix and Defect

2.4 扫描电镜试验结果

为进一步确定钢板探伤不合格的原因，结合金相试验分析结果，采用SEM扫描电镜，对不同位置分布的缺陷进行微观形貌观察，并采用能谱分析仪对夹杂物成分进行分析，缺陷形貌及EDS能谱分析如图4所示。

图4 贝氏体中的缺陷形貌及EDS能谱分析Fig.4 Morphology of Microstructures of Defects in Bainite and Analysis Results by EDS

由图4可以看出，一部分断续分布的夹杂物缺陷主要在基体贝氏体组织中。尽管夹杂物级别不高，但在钢中存在聚集现象。谱图9所代表的夹杂物为A12O3-MgO-CaO，谱图10所代表的夹杂物为A12O3-MgO，谱图11所代表的夹杂物为A12O3。另一部分夹杂物分布在基体的马氏体条带上，缺陷形貌及EDS能谱分析结果如图5所示。通过图5可以看出，谱图12和谱图13所代表的夹杂物化学成分以大量的MnS为主，以及少量的Ca-Mg-Al-Si-Ti-O混合夹杂物。

图5 马氏体条带处缺陷形貌及EDS能谱分析结果Fig.5 Morphology of Microstructures of Strip-like Defects in Martensite and Analysis Results by EDS

3 分析和讨论

通过分析X7Ni9钢连铸坯低倍形貌，除0.5级中心疏松和B0.5级中心偏析、局部柱状晶“搭桥”外，未在连铸坯内部观察到明显的裂纹缺陷。探伤不合格钢板厚度1/2位置处无夹杂物、裂纹缺陷，表明连铸坯中心存在的柱状晶搭桥、疏松不是造成探伤不合的原因。在探伤不合格钢板厚度1/4处可以观察到呈断续状条带分布的长度约0.4 mm的MnS、A12O3-MgO-CaO、Si-Ti-Ox 等夹杂，虽然夹杂物级别不高、条带较细，但是沿长度方向聚集明显，说明钢水中A12O3-MgO-CaO、A12O3-MgO等中间包内衬外来夹杂物和内生夹杂物A12O3、MnS是造成探伤不合的原因。

非金属夹杂物一般是脱氧产物或钢水中元素的氧、硫、氮化物未能及时上浮而滞留在钢中，在冶炼时要采取措施使夹杂物充分上浮，净化钢质，同时避免冶炼、出钢、浇铸过程中耐材、炉渣及二次氧化产物的卷入。一旦夹杂物超标或者聚集，在钢的轧制过程中，夹杂物沿轧制方向被拉长或碾碎而形成缺陷，后续工艺措施很难进行补救［10-17］。

4 改进措施

根据上述分析结果，针对X7Ni9钢的钢液纯净度问题从冶炼工艺和保护浇注方面分别进行工艺优化：

（1）严格控制转炉终点氧含量：由原来650×10-6降低至500×10-6以内，降低一次氧化产物。

（2）降低LF终点S含量：LF炉快速造白渣：ω（CaO）=42%～65%，ω（SiO2）=0～15%，ω（A12O3）=22%～55%，在强搅拌作用下，LF处理终点S含量稳定控制在10×10-6以内。

（3）增加RH精炼纯处理周期及净循环时间：纯处理周期控制在35 min以上，净循环时间控制在25 min以上，增加夹杂物上浮动力学条件，促进夹杂物上浮、去除。

（4）使用Mg含量＞85%中间包涂抹料，提高中间包内衬抗热震、耐侵蚀性，避免钢水二次氧化。

上述改进措施实施后，X7Ni9钢探伤合格率由原来的95.1%提高至99.1%。

5 结论

（1）探伤不合格钢板厚度1/4处可以观察到呈断续状条带分布的长度约0.4 mm的MnS、A12O3-MgO-CaO、Si-Ti-Ox等夹杂，说明钢水中A12O3-MgO-CaO、A12O3-MgO等中间包内衬外来夹杂物和内生夹杂物A12O3、MnS是造成探伤不合的原因。

（2）通过采取优化生产工艺技术，严格控制转炉终点氧含量，降低LF终点S含量，增加RH精炼纯处理周期及净循环时间，使用Mg含量＞85%中间包涂抹料，提高钢水洁净度，X7Ni9钢探伤合格率由95.1%提高至99.1%。