D0I:10.13374/i.issnl00113.2008.05.011 第30卷第5期 北京科技大学学报 Vol.30 No.5 2008年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2008 铸坯在加热炉停留时间对中厚板探伤合格率的影响 孙齐松)王新华) 许晓东)江东才)白学军) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)首秦金属材料有限公司，秦皇岛066001 摘要对连铸板坯在炉停留时间和热轧中厚板超声波探伤质量之间的关系进行了研究·结果表明：220mm厚连铸板坯在 炉停留时间低于3h会导致中厚板超声波探伤合格率显著降低：延长铸坯在炉停留时间能够有效提高中厚板的超声波探伤合 格率：中厚板中引起超声波探伤不合的缺陷是珠光体带中的微裂纹：减弱连铸板坯的中心线偏析能够有效提高中厚板的探伤 质量。 关键词中厚板：超声波探伤：微裂纹：停留时间 分类号TF777.1:TG115.28 Effect of the heating furnace time of casting slabs on the ultrasonic testing quality of medium plates SUN Qisong).WANG Xinhua,XU Xiaodong2),JIA NG Dongeai),BAI Xuejun2) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Shougin Metal Materials Co.Ltd..Qinhuangdao 066001.China ABSTRACI The relationships between the heating furnace time of casting slabs and the ultrasonic testing quality of hot-rolling medium plates were investigated.It is concluded that,(1)when the heating furnace time of 220mm thickness casting slabs was less than 3h,very bad ultrasonic testing quality of the plates would happen:(2)increasing the heating furnace time of the slabs could ef- fectively improve the ultrasonic testing quality of the plates:(3)what caused the ultrasonic testing lost was micro-cracks in the pearlite band:(4)reducing the centerline segregation of the slabs could obviously improve the ultrasonic testing quality of the plates. KEY WORDS medium plate:ultrasonic flaw detecting:micro-crack:heating time 中厚板超声波探伤缺陷问题是国内各大中厚板 铸坯在轧钢加热炉的停留时间与中厚板探伤合格率 生产企业共同面对的质量问题，提高中厚板超声波 的关系进行了统计分析，选取了一段时间内由 探伤合格率是各大企业要解决的技术问题，本文从 1800mm×220mm断面的铸坯所轧制的不同厚度 统计数据、工业试验和钢板微观检验等方面对此进 规格16MnR和Q345C探伤板的探伤数据进行分 行了研究 析，其中20~30mm厚度规格钢板的探伤合格率与 1生产数据统计 在加热炉内停留时间的关系如图1所示.16MnR 探伤板654块，Q345C探伤板512块. 首秦金属材料有限公司的中厚板生产采用的 统计结果表明，当铸坯在炉停留时间不足3h 工艺流程为：100t转炉→100tLF炉→(1600， 时，20~30mm厚度热轧中厚板的探伤合格率明显 1800mm)×220mm板坯连铸机→轧钢加热炉→四 下降：对于16MnR,当在炉停留时间不足3h时，热 辊轧机→水幕→矫直机→冷床.对这一工艺流程下 轧板的探伤合格率为71.3%：而当在炉停留时间超 过3h时，在各个加热时间区间热轧板探伤合格率 收稿日期：2007-03-15修回日期：2007-10-25 均高于90%.对于Q345C,在炉停留时间低于3h 作者简介：孙齐松(1977一)男，博士研究生， 时，热轧板探伤合格率低于60%：而当在炉停留时 E-mail:qisong-sun@126.com: 间超过3h时，在各个加热时间区间热轧板探伤合 王新华(1952一)·男，教授.博士生导师 格率均高于85%
铸坯在加热炉停留时间对中厚板探伤合格率的影响 孙齐松1） 王新华1） 许晓东2） 江东才2） 白学军2） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 首秦金属材料有限公司秦皇岛066001 摘 要 对连铸板坯在炉停留时间和热轧中厚板超声波探伤质量之间的关系进行了研究．结果表明：220mm 厚连铸板坯在 炉停留时间低于3h 会导致中厚板超声波探伤合格率显著降低；延长铸坯在炉停留时间能够有效提高中厚板的超声波探伤合 格率；中厚板中引起超声波探伤不合的缺陷是珠光体带中的微裂纹；减弱连铸板坯的中心线偏析能够有效提高中厚板的探伤 质量． 关键词 中厚板；超声波探伤；微裂纹；停留时间 分类号 TF777∙1；TG115∙28 Effect of the heating furnace time of casting slabs on the ultrasonic testing quality of medium plates SUN Qisong 1）W A NG Xinhua 1）XU Xiaodong 2）JIA NG Dongcai 2）BAI Xuejun 2） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Shouqin Metal Materials Co．Ltd．Qinhuangdao066001China ABSTRACT T he relationships between the heating furnace time of casting slabs and the ultrasonic testing quality of hot-rolling medium plates were investigated．It is concluded that（1） when the heating furnace time of 220mm thickness casting slabs was less than3hvery bad ultrasonic testing quality of the plates would happen；（2） increasing the heating furnace time of the slabs could effectively improve the ultrasonic testing quality of the plates；（3） what caused the ultrasonic testing lost was micro-cracks in the pearlite band；（4） reducing the centerline segregation of the slabs could obviously improve the ultrasonic testing quality of the plates． KEY WORDS medium plate；ultrasonic flaw detecting；micro-crack；heating time 收稿日期：2007-03-15 修回日期：2007-10-25 作者简介：孙齐松（1977—）男博士研究生 E-mail：qisong—sun＠126．com； 王新华（1952—）男教授博士生导师 中厚板超声波探伤缺陷问题是国内各大中厚板 生产企业共同面对的质量问题提高中厚板超声波 探伤合格率是各大企业要解决的技术问题．本文从 统计数据、工业试验和钢板微观检验等方面对此进 行了研究． 1 生产数据统计 首秦金属材料有限公司的中厚板生产采用的 工艺流程为：100t 转炉→100t LF 炉 →（1600 1800mm）×220mm 板坯连铸机→轧钢加热炉→四 辊轧机→水幕→矫直机→冷床．对这一工艺流程下 铸坯在轧钢加热炉的停留时间与中厚板探伤合格率 的关系进行了统计分析选取了一段时间内由 1800mm×220mm 断面的铸坯所轧制的不同厚度 规格16MnR 和 Q345C 探伤板的探伤数据进行分 析其中20～30mm 厚度规格钢板的探伤合格率与 在加热炉内停留时间的关系如图1所示．16MnR 探伤板654块Q345C 探伤板512块． 统计结果表明当铸坯在炉停留时间不足3h 时20～30mm 厚度热轧中厚板的探伤合格率明显 下降：对于16MnR当在炉停留时间不足3h 时热 轧板的探伤合格率为71∙3％；而当在炉停留时间超 过3h 时在各个加热时间区间热轧板探伤合格率 均高于90％．对于 Q345C在炉停留时间低于3h 时热轧板探伤合格率低于60％；而当在炉停留时 间超过3h 时在各个加热时间区间热轧板探伤合 格率均高于85％． 第30卷 第5期 2008年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．5 May2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．05．011
第5期 孙齐松等：铸坯在加热炉停留时间对中厚板探伤合格率的影响 .493. 100 100 16 MnR Q345C 80 80 60 60 90 <3.0 3.0-3.53.54.0 ≥4.0 <3.0 3.0-3.53.54.0 ≥4.0 铸坯在炉时间h 铸坯在炉时间h 图1铸坯在炉停留时间与热轧板探伤合格率关系 Fig.I Relationship between the heating time of the slabs and the ultrasonic testing quality of the plates 这种铸坯在炉停留时间对热轧板探伤合格率的 声波探伤合格率的影响程度，在正常冶炼过程中抽 影响规律在50mm以下规格厚度的钢板中普遍存 取了一炉16MnR连铸坯进行不同停留时间条件下 在，只是不同厚度规格条件下影响的程度有所差异. 的轧制、探伤实验 2铸坯不同在炉停留时间条件下的对比 铸坯断面为1800mm×220mm,铸坯总质量为 95.14t.此炉铸坯分为两组，在不同的在炉停留时 实验 间和相同的轧制工艺条件下进行轧制并进行超声波 为了研究轧钢加热炉在炉停留时间对中厚板超 探伤，实验结果如表1所示. 表1在炉停留时间的实验结果 Table 1 Experimental result of heating time examination 组别 在炉停留时间/min 成品规格 成品数/块 探伤合格数/块 合格率 I 312 30mm×2070mm×8070mm 16 14 87.5% 0 240 30mm×2070mmX8070mm 6 0 0 注：实验中铸坯加热温度比正常工艺略低，本实验的时间数据不与正常工艺进行对比 实验过程中两组铸坯的划分未进行人为挑选， 25的珠光体带中很少发现微裂纹的存在；对于探 均为打乱次序随机分组，在这样的分组条件下，实验 伤合格的钢板，一方面钢板厚度中心珠光体带的宽 结果显示对于加热时间较长的I组，探伤合格率为 度通常小于25m,另一方面在钢板厚度中心很少 87.5%,且不合格的2块均为局部探伤不合；而对于 能够发现微裂纹缺陷， 加热时间较短的Ⅱ组，探伤合格率为0，且6块不合 格钢板中整板不合5块，局部不合1块，探伤质量明 显低于I组，对于同一炉铸坯和相同的轧制工艺条 件，实验结果表明加热炉在炉停留时间对中厚板的 10 mm (b) 探伤合格率有明显的影响，延长在炉停留时间能够 有效提高探伤合格率， 3钢板微观检验 图2钢板低倍组织.(a)有明显的中心偏析线：(b)无明显的中 对大量探伤缺陷板的统计表明，探伤缺陷几乎 心偏析线 均出现于钢板厚度的中心，通常这一位置存在明显 Fig.2 Macro-structures of the plates:(a)with a clear center segre 的中心偏析线，如图2(a)所示.对于探伤合格钢板 gation line:(b)without any clear center segregation line 或者探伤缺陷板的合格位置，钢板厚度中心无偏析 在钢液较为纯净的条件下，钢中氧化物夹杂物 线或者偏析线不明显，如图2(b)所示 的数量较少.由于夹杂物颗粒小，少量的夹杂不能 对46mm厚度规格以下不同厚度热轧板的解 够引起超升波探伤中的缺陷波，因此认为珠光体中 剖分析发现，超声波探伤不合格位置，在钢板厚度中 的这种微裂纹是引起超声波探伤不合的原因， 心的偏析线中，均存在出现于珠光体组织中的微裂 纹，如图3所示.这种微裂纹通常出现于宽度超过 4分析与讨论 25“m的较宽的珠光体带状组织中，而宽度小于 钢板的微观检验显示，引起超声波探伤不合的
图1 铸坯在炉停留时间与热轧板探伤合格率关系 Fig．1 Relationship between the heating time of the slabs and the ultrasonic testing quality of the plates 这种铸坯在炉停留时间对热轧板探伤合格率的 影响规律在50mm 以下规格厚度的钢板中普遍存 在只是不同厚度规格条件下影响的程度有所差异． 2 铸坯不同在炉停留时间条件下的对比 实验 为了研究轧钢加热炉在炉停留时间对中厚板超 声波探伤合格率的影响程度在正常冶炼过程中抽 取了一炉16MnR 连铸坯进行不同停留时间条件下 的轧制、探伤实验． 铸坯断面为1800mm×220mm铸坯总质量为 95∙14t．此炉铸坯分为两组在不同的在炉停留时 间和相同的轧制工艺条件下进行轧制并进行超声波 探伤实验结果如表1所示． 表1 在炉停留时间的实验结果 Table1 Experimental result of heating time examination 组别 在炉停留时间／min 成品规格 成品数／块 探伤合格数／块 合格率 Ⅰ 312 30mm×2070mm×8070mm 16 14 87∙5％ Ⅱ 240 30mm×2070mm×8070mm 6 0 0 注：实验中铸坯加热温度比正常工艺略低本实验的时间数据不与正常工艺进行对比． 实验过程中两组铸坯的划分未进行人为挑选 均为打乱次序随机分组在这样的分组条件下实验 结果显示对于加热时间较长的Ⅰ组探伤合格率为 87∙5％且不合格的2块均为局部探伤不合；而对于 加热时间较短的Ⅱ组探伤合格率为0且6块不合 格钢板中整板不合5块局部不合1块探伤质量明 显低于Ⅰ组．对于同一炉铸坯和相同的轧制工艺条 件实验结果表明加热炉在炉停留时间对中厚板的 探伤合格率有明显的影响延长在炉停留时间能够 有效提高探伤合格率． 3 钢板微观检验 对大量探伤缺陷板的统计表明探伤缺陷几乎 均出现于钢板厚度的中心通常这一位置存在明显 的中心偏析线如图2（a）所示．对于探伤合格钢板 或者探伤缺陷板的合格位置钢板厚度中心无偏析 线或者偏析线不明显如图2（b）所示． 对46mm 厚度规格以下不同厚度热轧板的解 剖分析发现超声波探伤不合格位置在钢板厚度中 心的偏析线中均存在出现于珠光体组织中的微裂 纹如图3所示．这种微裂纹通常出现于宽度超过 25μm 的较宽的珠光体带状组织中而宽度小于 25μm的珠光体带中很少发现微裂纹的存在；对于探 伤合格的钢板一方面钢板厚度中心珠光体带的宽 度通常小于25μm另一方面在钢板厚度中心很少 能够发现微裂纹缺陷． 图2 钢板低倍组织．（a） 有明显的中心偏析线；（b） 无明显的中 心偏析线 Fig．2 Macro-structures of the plates：（a） with a clear center segregation line；（b） without any clear center segregation line 在钢液较为纯净的条件下钢中氧化物夹杂物 的数量较少．由于夹杂物颗粒小少量的夹杂不能 够引起超升波探伤中的缺陷波因此认为珠光体中 的这种微裂纹是引起超声波探伤不合的原因． 4 分析与讨论 钢板的微观检验显示引起超声波探伤不合的 第5期 孙齐松等： 铸坯在加热炉停留时间对中厚板探伤合格率的影响 ·493·
.494 北京科技大学学报 第30卷 C(0,t)一2JxDi M (2) 其中，C(O,t)为t时刻C的浓度，M为常数，D为 扩散系数，t为扩散时间 由式(2)，增大扩散系数D和延长扩散时间t 均可降低铸坯中心C的浓度，延长铸坯在加热炉中 纹 的停留时间即延长碳元素的扩散时间t,这能够有 50 um 效降低铸坯中心区域碳的浓度C(0,t),从而减弱 钢板的中心线偏析，同时，表1的实验数据也显示， 由于铸坯加热温度的降低，铸坯加热4h后轧制钢 图3珠光体中的微裂纹 板的探伤合格率显著低于正常加热工艺条件下的对 Fig.3 Micro-cracks in the pearlite band 应合格率（如图1），因此适当提高加热温度也是有 原因是钢板厚度中心珠光体带状组织中的微裂纹， 效消除中心线偏析的方法. 有研究表明]，在外力作用下铁素体一珠光体平衡 钢板中心区域碳含量的降低能够有效降低珠光 组织中铁素体内的等效应力和正应力均低于珠光 体的比例，从而避免出现宽度较大的珠光体带状组 体，并且在铁素体/珠光体的界面以及珠光体内易出 织，有研究表明可]，珠光体带状组织的形成与铸 现较高的塑性应变和正应力集中，这使得裂纹在此 坯中Mn的微观偏析有关，这种微观偏析被保留到 萌生并沿着铁素体/珠光体界面或者在珠光体内扩 热轧之后，形成Mn元素的带状分布，从而在奥氏体 展，从而形成微裂纹，对大量试样的分析表明，形成 向铁素体转变过程中首先在贫Mn带形成铁素体 这种微裂纹有两个条件：一是存在中心线偏析；二是 带，并最终在富Mn带形成珠光体带.Mn的微观偏 存在宽度超过25m的珠光体带. 析同样需要高温扩散退火过程来消除，Mn含量分 钢板的中心线偏析来自于连铸坯的中心线偏 布均匀的奥氏体组织在发生铁素体转变时能够在更 析，进行在炉停留时间实验的这炉铸坯所在的浇次 多位置均匀形核，形核率的提高能够有效防止大颗 低倍检验结果显示铸坯的偏析为C类3,0级，中心 粒的珠光体形成，从而避免出现宽度超过25m的 偏析较为严重，此类铸坯在铸坯厚度方向的中心存 珠光体带的产生 在易偏析元素的富集，铸坯厚度方向C的典型分布 因此，控制适当的铸坯在炉停留时间能够保证 如图4所示，在铸坯厚度中心存在C的富集区， 铸坯中心由于正偏析而富集的碳进行有效扩散，从 .6 而一方面减少钢板中存在的中心线偏析，另一方面 1.3 减少宽度超过25m的珠光体带状组织的出现几 出 率，从而避免珠光体带中微裂纹的出现，提高中厚板 1.0 的超声波探伤合格率。如果停留时间不足，在当前 0.7 的加热制度条件下，当在炉停留时间不足3h时，偏 0.4 40 80120160 200 析元素得不到有效扩散，不能有效防止微裂纹的产 到铸坯表面的距离mm 生，因此明显影响钢板的超声波探伤质量 铸坯在炉停留实验结果显示，适当延长在炉停 图4铸坯厚度方向的C含量分布 Fig.4 Carbon content distribution in the thickness direction of the 留时间能够有效加强铸坯中心偏析元素的扩散，从 slab 而有效提高钢板的探伤质量，但较为严重的铸坯中 这样的C含量分布，在轧钢加热炉的高温扩散 心线偏析则需要更长的在炉停留时间才能够有效消 过程中，将其近似的看作极薄区域内扩散组元的扩 除中心线偏析的影响，过长的在炉停留时间不利于 散过程]，将铸坯厚度的中心作为x轴的原点，此 轧制效率的提高，因此减弱铸坯的中心线偏析也是 类扩散具有如下的高斯解： 改善中厚板超声波探伤质量的重要途径. C(x,t)一2JπDm M x2 exp 4 Dt (1) 5结论 当x=0时，即为铸坯厚度中心C的浓度，式(1)简 对于220mm厚的连铸板坯，当轧钢加热炉的 化为： (下转第500页)
图3 珠光体中的微裂纹 Fig．3 Micro-cracks in the pearlite band 原因是钢板厚度中心珠光体带状组织中的微裂纹． 有研究表明［1—2］在外力作用下铁素体—珠光体平衡 组织中铁素体内的等效应力和正应力均低于珠光 体并且在铁素体／珠光体的界面以及珠光体内易出 现较高的塑性应变和正应力集中这使得裂纹在此 萌生并沿着铁素体／珠光体界面或者在珠光体内扩 展从而形成微裂纹．对大量试样的分析表明形成 这种微裂纹有两个条件：一是存在中心线偏析；二是 存在宽度超过25μm 的珠光体带． 钢板的中心线偏析来自于连铸坯的中心线偏 析进行在炉停留时间实验的这炉铸坯所在的浇次 低倍检验结果显示铸坯的偏析为 C 类3∙0级中心 偏析较为严重．此类铸坯在铸坯厚度方向的中心存 在易偏析元素的富集铸坯厚度方向 C 的典型分布 如图4所示．在铸坯厚度中心存在 C 的富集区． 图4 铸坯厚度方向的 C 含量分布 Fig．4 Carbon content distribution in the thickness direction of the slab 这样的 C 含量分布在轧钢加热炉的高温扩散 过程中将其近似的看作极薄区域内扩散组元的扩 散过程［3］将铸坯厚度的中心作为 x 轴的原点此 类扩散具有如下的高斯解： C（ xt）＝ M 2 πDt exp — x 2 4Dt （1） 当 x＝0时即为铸坯厚度中心 C 的浓度式（1）简 化为： C（0t）＝ M 2 πDt （2） 其中C（0t）为 t 时刻 C 的浓度M 为常数D 为 扩散系数t 为扩散时间． 由式（2）增大扩散系数 D 和延长扩散时间 t 均可降低铸坯中心 C 的浓度．延长铸坯在加热炉中 的停留时间即延长碳元素的扩散时间 t这能够有 效降低铸坯中心区域碳的浓度 C（0t）从而减弱 钢板的中心线偏析．同时表1的实验数据也显示 由于铸坯加热温度的降低铸坯加热4h 后轧制钢 板的探伤合格率显著低于正常加热工艺条件下的对 应合格率（如图1）因此适当提高加热温度也是有 效消除中心线偏析的方法． 钢板中心区域碳含量的降低能够有效降低珠光 体的比例从而避免出现宽度较大的珠光体带状组 织．有研究表明［4—5］珠光体带状组织的形成与铸 坯中 Mn 的微观偏析有关这种微观偏析被保留到 热轧之后形成 Mn 元素的带状分布从而在奥氏体 向铁素体转变过程中首先在贫 Mn 带形成铁素体 带并最终在富 Mn 带形成珠光体带．Mn 的微观偏 析同样需要高温扩散退火过程来消除Mn 含量分 布均匀的奥氏体组织在发生铁素体转变时能够在更 多位置均匀形核形核率的提高能够有效防止大颗 粒的珠光体形成从而避免出现宽度超过25μm 的 珠光体带的产生． 因此控制适当的铸坯在炉停留时间能够保证 铸坯中心由于正偏析而富集的碳进行有效扩散从 而一方面减少钢板中存在的中心线偏析另一方面 减少宽度超过25μm 的珠光体带状组织的出现几 率从而避免珠光体带中微裂纹的出现提高中厚板 的超声波探伤合格率．如果停留时间不足在当前 的加热制度条件下当在炉停留时间不足3h 时偏 析元素得不到有效扩散不能有效防止微裂纹的产 生因此明显影响钢板的超声波探伤质量． 铸坯在炉停留实验结果显示适当延长在炉停 留时间能够有效加强铸坯中心偏析元素的扩散从 而有效提高钢板的探伤质量．但较为严重的铸坯中 心线偏析则需要更长的在炉停留时间才能够有效消 除中心线偏析的影响过长的在炉停留时间不利于 轧制效率的提高因此减弱铸坯的中心线偏析也是 改善中厚板超声波探伤质量的重要途径． 5 结论 对于220mm厚的连铸板坯当轧钢加热炉的 （下转第500页） ·494· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
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