CN103472202A - 钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高可靠性钢的选择方法，即对钢中铁素体及内部的硫化物对中厚板分层影响的评价方法。钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，其特征在于：选取由多个试样组成的试样群，采用光学显微镜和扫描电镜对其金相组织、缺陷形态、微观组织和微量成分进行分析。通过一种科学的研究方法找出铸坯内部缺陷在轧制过程中的变化规律及对钢板分层产生的影响规律，掌握中厚板分层部位的缺陷组织的主要形态和内部组成，找出铸坯冶金到钢板轧制的对应关系，提出铸坯内部疏松、中心裂纹、缩孔、夹杂缺陷在轧制时焊合及修复的边界冶金条件及钢板的轧制要求，从而解决或显著减少钢板分层缺陷的发生。

Description

钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高可靠性钢的选择方法，即对钢中铁素体及内部的硫化物对中厚板分层影响的评价方法。

背景技术

中厚板分层是中厚板轧制过程中最常见的缺陷，钢板分层缺陷可导致钢材力学性能的各向异性，特别是沿钢板厚度方向的力学性能恶化会使钢板的冲击韧性和抗疲劳能力变弱，易发生氢损伤和层状撕裂，是一种易造成钢板降级改判、严重时判废的钢板内部缺陷。

长期以来，中厚板分层缺陷的形成在现有的文献和资料中对未明确地给出铸坯内部缺陷与和轧制影响之间相对应的直接关系。中厚钢板的分层缺陷在不同钢种、不同规格钢板中出现的规律一直不明确，分层缺陷没有得到有效地解决，始终对中厚板的生产与加工使用带来不利的影响，亟待通过一种科学的研究方法找出铸坯内部缺陷轧制过程中的变化规律及对钢板分层产生的影响规律，掌握中厚板分层部位的缺陷组织的主要形态和内部组成，找出铸坯冶金到钢板轧制的对应关系，提出铸坯内部疏松、中心裂纹、缩孔、夹杂缺陷在轧制时焊合及修复的边界冶金条件及钢板的轧制要求，从而解决或明显减少钢板分层缺陷的发生。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种对钢中铁素体及内部的硫化物对中厚板分层影响的评价方法。

本发明的对钢中铁素体及内部的硫化物对中厚板分层影响的评价方法是通过下述的技术方案来解决以上的技术问题的：

通过对选定的同一炉号的多只连铸板坯进行在全面探测并分析后，标定出铸坯内部疏松、中心裂纹、缩孔、夹杂缺陷在铸坯上的分布图，通过缺陷分布的对比，找出这几种缺陷分布形态基本一致的坯料进行配对，配对后的坯料一只用于解剖分析，一只用于钢板轧制。按这种要求，分别在不同炉号进行了缺陷铸坯的配对选择，以此选择出多对坯料进行解剖分析和轧制。  

按常规工艺将选择好的多只铸坯分别轧制成多个厚度规格的钢板，分别对其探伤检测，标识出分层和裂纹缺陷的分布图，并与其配对的铸坯的缺陷分布图进行比对，依照对钢板探伤图谱对分层缺陷严重部位分别对钢板和铸坯对应部位进行多点连续取样。对取样进行标注及制备后，分别用光学显微镜和扫描电镜等对其金相组织、缺陷形态和微观成分进行分析。找出了铸坯内部缺陷轧制过程中的变化规律及对钢板分层产生的影响规律，发现了中厚板分层部位的缺陷组织主要为沿轧向分布的铁素体带，在其内部的条状或片状硫化物沿轧向分布，给出了铸坯内部疏松、中心裂纹、缩孔、夹杂缺陷在轧制时焊合及修复的边界冶金条件以及利用有限元法模拟钢板的轧制，提出了压下规程设计的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

对铸坯剖面典型夹杂物电子探针分析发现，铸坯内部缺陷主要为I类球状硫化锰夹杂，尺寸从几微米到几十微米不等。轧后球状硫化物变成了长条状，这与其本身及钢的流变应力有关。依据轧制试验，在应变为2.1时，硫化锰夹杂和钢基体流变应力与温度及应变速率的关系见附图7。

在高温区，硫化锰夹杂比钢基体更易变形。在800℃以上硫化物流变应力要小于钢基体本身，故轧制温度对钢中硫化物形态影响不大。部分硫化物发生断裂被分成几段，其中间区域被金属基体重新焊合；由于硫化物夹杂和基体金属的热膨胀系数有很大差异，在轧后冷却过程中产生的收缩效应不同，使得部分条状硫化物的尖端与基体界面处出现小的空洞；在缺陷处还弥散一些尺寸只有几微米的硫化物夹杂，它们在轧制后基本上没有发生变形。

当钢板的压缩比较小时，轧后硫化物夹杂很难被基体焊合或断成很小的数段，而是在钢板长度方向上呈平行于板面的带、条状分布。钢板在z向拉应力作用下，塑性硫化物夹杂内部因平面滑移而产生了长且窄的滑移带，滑移带上的位错被阻塞在夹杂物和基体的界面处，造成该处的应力集中并导致界面处首先产生空洞；随应力的增大，空洞互相连通形成微裂纹且进一步扩展，促使相邻夹杂物引起的裂纹连通造成平台；同时，裂纹间通过剪切形成剪切壁而连通，从而使厚度方向上的力学性能相对于长度方向明显恶化。因此，可认为轧后钢板分层主要是铸坯中硫化物所致。

用无损探伤仪对轧制后的钢板进行探伤检测，找出分层严重的钢板，依照探伤图谱，对分层缺陷严重的部位进行取样，用光学显微镜分析缺陷处的金相组织，用扫描电镜对缺陷部位进行形态分析和微观成分分析，判断钢板产生分层的原因，确定不产生分层时夹杂元素的最小含量。

钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，选取由多个试样组成的试样群，采用光学显微镜和扫描电镜对其金相组织、缺陷形态、微观组织和微量成分进行分析；

（1）用光学显微镜检查观测试样，探测出铁素体及硫化物分布的形态和区域； 

（2）再采用扫描电镜逐点标记定量分析，对测定的点进行函数拟合，以测试点距界面处的距离为自变量x，远离夹杂物的方向为正方向，从而得到在硫化物与基体过渡区S含量的变化关系式为：

其中，S为硫化物含量，x测试点距界面处的距离；

（3）采用有限元模拟的方法，在轧件中引入夹杂物的因素，提取各道次变形过程中的等效应力等值线图，通过应力的分布，总结变形深入心部的趋势；通过提取轧制过程中各单元的应变随时间的变化数值，绘制各道次的应变速率曲线，对夹杂物在轧制过程中的变化规律进行了研究，总结出可以减少分层缺陷出现临界条件；

（4）选取同一状态小试样，在其不同厚度位置钻相同大小的孔洞，然后利用实验轧机采用不同压下率轧制，分析轧后孔洞直径变化情况，总结不同应力渗透系数下，钢板心部受力规律，进一步验证有限元分析结果。

将选择好的多只铸坯分别轧制成多个厚度规格的钢板，选定的同一炉号的多只连铸板坯在光学显微镜和扫描电镜下用无损探伤仪对轧制后的钢板进行探伤检测，标识出分层和裂纹缺陷的分布图，并与其配对的铸坯的缺陷分布图进行比对，依照对钢板探伤图谱对分层缺陷严重部位分别对钢板和铸坯对应部位进行多点连续取样标定出铸坯内部疏松、中心裂纹、缩孔、夹杂缺陷在铸坯上的分布图，通过缺陷分布的对比，找出这几种缺陷分布形态基本一致的坯料进行配对，配对后的坯料一只用于解剖分析，一只用于钢板轧制，采用上述的方法，分别在不同炉号进行了缺陷铸坯的配对选择，以此选择出多对坯料进行解剖分析和轧制；

对取样进行标注及制备后，分别用光学显微镜和扫描电镜等对其金相组织、缺陷形态和微观成分进行分析。

步骤（1）中，用无损探伤仪对轧制后的钢板进行探伤检测后，找出分层严重的钢板，依照探伤图谱，对分层缺陷严重的部位进行取样，用光学显微镜分析缺陷处的金相组织，用扫描电镜对缺陷部位进行形态分析和微观成分分析，判断钢板产生分层的原因，确定不产生分层时夹杂元素的最小含量。

铸坯中，中厚钢板分层产生影响的最小硫化物临界尺寸为5μm。

轧制过程中采用2～3道次的大压下轧制规程，其变形渗透系数要大于0.7。

轧件进出口的平均高度与轧件变形区长度之比大于0.518。

采用扫描电镜检测过程中，每隔0.5μm测一个点，总共测试10个点。

通过对含有分层缺陷的钢板的检测和分析，得出以下结论：

1、中厚钢板产生分层的主要原因是铸坯中含有的大量非金属夹杂物－硫化物。它在轧制过程中沿轧制方向随金属基体一起流动变形，最后变成条状或片状夹杂物在钢板基体内分布，从而引起了钢板的分层；

2、铸坯中硫化物尺寸越大，对钢板的危害也最大，中厚钢板分层产生影响的最小硫化物临界尺寸为5μm；

3、要得到细小的硫化物夹杂，控制钢中的硫的含量和Mn/S是关键，当钢中的硫含量降低到0.02％甚至更低时，可以有效地防止分层缺陷产生；

4、轧制过程中采用2～3道次的大压下轧制规程，其变形渗透系数要大于0.7,或者是轧件进出口的平均高度与轧件变形区长度之比大于0.518，可有效减少钢板分层。

本发明的有益效果在于，通过一种科学的研究方法找出铸坯内部缺陷轧制过程中的变化规律及对钢板分层产生的影响规律，掌握中厚板分层部位的缺陷组织的主要形态和内部组成，找出铸坯冶金到钢板轧制的对应关系，提出铸坯内部疏松、中心裂纹、缩孔、夹杂缺陷在轧制时焊合及修复的边界冶金条件及钢板的轧制要求，从而解决或显著减少钢板分层缺陷的发生。

附图说明

图1为轧后钢板探伤缺陷分布图；

图2为图1区域1处缺陷分布图；

图3为轧后钢板分层缺陷处金相组织；

图4为轧后钢板探伤缺陷处电子扫描图像；

图5为不同压下规程下缩孔处应力变化；

图6为不同压下道次下缩孔变形有限元模拟图；

图7 为不同压下道次下实验室小试样钻孔轧制实验结果图。

具体实施方式

 下面结合附图和具体实施方式来对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不以此限制本发明。

实施例1

钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，选取由多个试样组成的试样群，采用光学显微镜和扫描电镜对其金相组织、缺陷形态、微观组织和微量成分进行分析；

（1）用光学显微镜检查观测试样，探测出铁素体及硫化物分布的形态和区域； 

（2）再采用扫描电镜逐点标记定量分析，对测定的点进行函数拟合，以测试点距界面处的距离为自变量x，远离夹杂物的方向为正方向，从而得到在硫化物与基体过渡区S含量的变化关系式为：

其中，S为硫化物含量，x测试点距界面处的距离；

（3）采用有限元模拟的方法，在轧件中引入夹杂物的因素，提取各道次变形过程中的等效应力等值线图，通过应力的分布，总结变形深入心部的趋势；通过提取轧制过程中各单元的应变随时间的变化数值，绘制各道次的应变速率曲线，对夹杂物在轧制过程中的变化规律进行了研究，总结出可以减少分层缺陷出现临界条件；

（4）选取同一状态小试样，在其不同厚度位置钻相同大小的孔洞，然后利用实验轧机采用不同压下率轧制，分析轧后孔洞直径变化情况，总结不同应力渗透系数下，钢板心部受力规律，进一步验证有限元分析结果。

将选择好的多只铸坯分别轧制成多个厚度规格的钢板，选定的同一炉号的多只连铸板坯在光学显微镜和扫描电镜下用无损探伤仪对轧制后的钢板进行探伤检测，标识出分层和裂纹缺陷的分布图，并与其配对的铸坯的缺陷分布图进行比对，依照对钢板探伤图谱对分层缺陷严重部位分别对钢板和铸坯对应部位进行多点连续取样标定出铸坯内部疏松、中心裂纹、缩孔、夹杂缺陷在铸坯上的分布图，通过缺陷分布的对比，找出这几种缺陷分布形态基本一致的坯料进行配对，配对后的坯料一只用于解剖分析，一只用于钢板轧制，采用上述的方法，分别在不同炉号进行了缺陷铸坯的配对选择，以此选择出多对坯料进行解剖分析和轧制；

对取样进行标注及制备后，分别用光学显微镜和扫描电镜等对其金相组织、缺陷形态和微观成分进行分析。

步骤（1）中，用无损探伤仪对轧制后的钢板进行探伤检测后，找出分层严重的钢板，依照探伤图谱，对分层缺陷严重的部位进行取样，用光学显微镜分析缺陷处的金相组织，用扫描电镜对缺陷部位进行形态分析和微观成分分析，判断钢板产生分层的原因，确定不产生分层时夹杂元素的最小含量。

采用扫描电镜检测过程中，每隔0.5μm测一个点，总共测试10个点。

通过对含有分层缺陷的钢板的检测和分析，得出以下结论：

1、中厚钢板产生分层的主要原因是铸坯中含有的大量非金属夹杂物－硫化物。它在轧制过程中沿轧制方向随金属基体一起流动变形，最后变成条状或片状夹杂物在钢板基体内分布，从而引起了钢板的分层；

2、铸坯中硫化物尺寸越大，对钢板的危害也最大，中厚钢板分层产生影响的最小硫化物临界尺寸为5μm；

3、要得到细小的硫化物夹杂，控制钢中的硫的含量和Mn/S是关键，当钢中的硫含量降低到0.02％甚至更低时，可以有效地防止分层缺陷产生；

4、轧制过程中采用2～3道次的大压下轧制规程，其变形渗透系数要大于0.7,或者是轧件进出口的平均高度与轧件变形区长度之比大于0.518，可有效减少钢板分层。

附图1是轧后钢板的缺陷探伤结果，对图中所示1区进行进一步探伤分析后的结果如图2所示。

从附图1可以看出，钢板横轧后，铸坯中的缺陷主要集中在钢板的中部并向两边延展。轧后钢板的缺陷在轧制方向呈条链状分布。缺陷个体之间探伤没有发现异常，说明在轧制压力的作用下，部分缺陷被基本焊合。

附图2中的缺陷部位进行金相分析和电子探针扫描分析的结果如图3和图4所示。由图3可见，在缺陷处出现了一条或多条白色带状铁素体组织。对白色铁素体带微区做电子探针分析后的结果如表3所示，不难判定，图3中的灰色物质主要是MnS和少量FeS的混合组成物；图4（b）中凹坑中间的物质为硫化物和氧化物的复合产物，其周围为基体，这是硫化物在氧化物基体上析出所致。由此可以看出，白色铁素体带状区主要是非金属夹杂物的聚集区，在这里沿轧制方向分布着大量的大型条状硫化物和呈弥散分布的小型点状硫化物。

从附图4可以看到，铸坯中硫化物（主要为I型硫化锰）尺寸比较大时，沿轧制方向随金属基体一起流动变形，最后形成长条状，其长度一般都大于10微米；部分硫化物发生断裂被分成几段，其中间区域被金属基体重新焊合；由于硫化物夹杂和基体金属的热膨胀系数有很大差异，在轧后冷却过程中产生的收缩效应不同，使得部分条状硫化物的尖端与基体界面处出现了小的空洞；在缺陷处还弥散分布着一些尺寸只有几微米大小的硫化物夹杂，它们在轧制后基本上没有发生变形。

对图4（d）中，在硫化物夹杂到基体的过渡区这一部分，从夹杂物内部开始，采用电子探针扫描，每隔0.5μm测一个点，总共测试了10个点，测得S元素的变化情况如图4所示。我们发现在过渡区内，其硫化物的变化趋势基本一致，由于夹杂物在变形过程中与金属基体之间发生了相互作用的扩散过程，越靠近基体，夹杂物中的S含量就越少，其后与基体逐渐融合，直至最后对基体的连续性不再产生影响。

对测定的点进行函数拟合，以测试点距界面处的距离为自变量x，远离夹杂物的方向为正方向，从而得到在硫化物与基体过渡区S含量的变化关系式为：

利用有限元法，模拟表1不同压下规程铸坯内缩孔缺陷变化情况见图5。在大压下第3道次、正常压下第4道次以及轻压下第5道次轧后钢板厚度均为130 mm，但缩孔焊合情况却大不相同：大压下时缩孔焊合最好，轻压下时缩孔焊合最差；大压下第4道次和轻压下第7道次轧后的厚度也相同，但大压下时缩孔已完全焊合，而轻压下时缩孔却未完全焊合。图6是缩孔的上顶点在不同压下规程下各道次应力变化情况，在轧到相同厚度下，大压下规程时缩孔所受应力比正常压下和轻压下规程时所受应力要大。这说明在大压下时缩孔所受应力最大，在应力作用下其变形也最显著；另外，缩孔越早开始闭合，则闭合的孔洞就会承受更长时间的压力，所以大压下时的内部缺陷更易焊合。

表1  模拟轧制各道次压下量

Claims (7)

1.钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，其特征在于：

选取由多个试样组成的试样群，采用光学显微镜和扫描电镜对其金相组织、缺陷形态、微观组织和微量成分进行分析；

（1）用光学显微镜检查观测试样，探测出铁素体及硫化物分布的形态和区域； 

（2）再采用扫描电镜逐点标记定量分析，对测定的点进行函数拟合，以测试点距界面处的距离为自变量x，远离夹杂物的方向为正方向，从而得到在硫化物与基体过渡区S含量的变化关系式为：

其中，S为硫化物含量，x测试点距界面处的距离；

（3）采用有限元模拟的方法，在轧件中引入夹杂物的因素，提取各道次变形过程中的等效应力等值线图，通过应力的分布，总结变形深入心部的趋势；通过提取轧制过程中各单元的应变随时间的变化数值，绘制各道次的应变速率曲线，对夹杂物在轧制过程中的变化规律进行了研究，总结出可以减少分层缺陷出现临界条件；

（4）选取同一状态小试样，在其不同厚度位置钻相同大小的孔洞，然后利用实验轧机采用不同压下率轧制，分析轧后孔洞直径变化情况，总结不同应力渗透系数下，钢板心部受力规律，进一步验证有限元分析结果。

2.如权利要求1所述的一种钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，其特征在于，所述的步骤（1）中，将选择好的多只铸坯分别轧制成多个厚度规格的钢板，选定的同一炉号的多只连铸板坯在光学显微镜和扫描电镜下用无损探伤仪对轧制后的钢板进行探伤检测，标识出分层和裂纹缺陷的分布图，并与其配对的铸坯的缺陷分布图进行比对，依照对钢板探伤图谱对分层缺陷严重部位分别对钢板和铸坯对应部位进行多点连续取样标定出铸坯内部疏松、中心裂纹、缩孔、夹杂缺陷在铸坯上的分布图，通过缺陷分布的对比，找出这几种缺陷分布形态基本一致的坯料进行配对，配对后的坯料一只用于解剖分析，一只用于钢板轧制，采用上述的方法，分别在不同炉号进行了缺陷铸坯的配对选择，以此选择出多对坯料进行解剖分析和轧制；

对取样进行标注及制备后，分别用光学显微镜和扫描电镜等对其金相组织、缺陷形态和微观成分进行分析。

3.如权利要求1所述的一种钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，其特征在于，所述的步骤（1）中，用无损探伤仪对轧制后的钢板进行探伤检测后，找出分层严重的钢板，依照探伤图谱，对分层缺陷严重的部位进行取样，用光学显微镜分析缺陷处的金相组织，用扫描电镜对缺陷部位进行形态分析和微观成分分析，判断钢板产生分层的原因，确定不产生分层时夹杂元素的最小含量。

4.如权利要求1所述的一种钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，其特征在于，所述的铸坯中，中厚钢板分层产生影响的最小硫化物临界尺寸为5μm。

5.如权利要求1所述的一种钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，其特征在于，所述的轧制过程中采用2～3道次的大压下轧制规程，其变形渗透系数要大于0.7。

6.如权利要求1所述的一种钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，其特征在于，所述的轧件进出口的平均高度与轧件变形区长度之比大于0.518。

7.如权利要求1所述的一种钢中铁素体带及内部硫化物对中厚板分层影响的评价方法，其特征在于，所述的采用扫描电镜检测过程中，每隔0.5μm测一个点，总共测试10个点。

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