2023年4月17日发(作者：双手胸前传接球教案)12Mn输油管线无缝钢管表面微裂纹成因分析
王朝阳;刘伟
【摘 要】12Mn无缝钢管在调质处理过程中,钢管表面出现微裂纹.采用光学显微镜、
扫描电镜和能谱仪、光谱仪等设备对该裂纹的宏观特征、形成原因进行了系统的分
析研究.结果表明,该种缺陷的形成是由于铸坯表面存在微裂纹所致.通过采取一些有
效的工艺技术措施,铸坯表面的微裂纹基本消除,钢管表面的微裂纹随之减少甚至消
除,提高了产品质量,降低了生产成本.
【期刊名称】《天津冶金》
【年(卷),期】2018(000)004
【总页数】4页(P18-21)
【关键词】连铸;圆坯;凹陷;微裂纹
【作 者】王朝阳;刘伟
【作者单位】天津钢铁集团有限公司,天津300301;天津钢铁集团有限公司,天津
300301
【正文语种】中 文
0 引言
12 Mn无缝钢管因其优良的焊接性能和力学性能，较好的强度、韧性、焊接性及
加工性，主要作为石油输油管来使用。12 Mn无缝钢管在生产过程中需要进行调
质处理，在调质处理过程中，尤其是淬火后无缝钢管容易出现微裂纹，在其使用过
程中严重缩短其使用寿命，同时会造成输油管道的损坏。由于12 Mn无缝钢管中
的微裂纹不容易被肉眼检查出来，为满足客户的要求，在12 Mn无缝钢管的探伤
工序中设定了严格的探伤条件，造成品钢管的判废率明显增加。因此，对无缝钢管
探伤缺陷进行分析并找出导致该缺陷产生的具体环节，制定相应的解决措施，对提
高12 Mn无缝钢管的合格率具有重要意义[1-6]。
本文中生产12 Mn无缝钢管制造工艺为：连铸圆坯→环形炉加热→穿管→轧制→
减定径→精整→漏磁探伤→调质处理→超声波探伤→验收→入库。本文主要研究断
面为 210 mm的12 Mn连铸圆坯轧成规格为168.3 mm10.97 mm12 m
的输油管线用管，在调质后的超声波探伤过程中发现该批无缝管外表面存在多处微
细裂纹导致判废的问题。结合本批次12 M青花瓷盘子画
n连铸圆管坯的实际生产情况，对12
Mn连铸圆管坯和无缝钢管超声波探伤后不合格的缺陷管进行取样，通过铸坯低倍
分析、钢管缺陷处的金相组织分析、扫描电镜和能谱分析等方法，对12 Mn连铸
圆管坯和无缝钢管外表面的微裂纹缺陷进行了细致的分析和研究，找到了钢管表面
微裂纹缺陷的产生原因，同时提出了相应的解决办法，有效地控制了该类缺陷的产
生。
1 钢管微裂纹宏观形貌
本文首先对调质处理后超声波探伤不合格的钢管进行取样分析，仔细检查发现在钢
管的外表面存在类似鱼鳞状的微裂纹，长度约5 mm，深度约几十微米，肉眼较
难发现。微裂纹的宏观形貌如图1所示。
图1 无缝钢管外表面微裂纹形貌
2 检测与分析
2.1 钢管化学成分分析
取12 Mn超声波探伤发现的有微裂纹的无缝钢管试样，进行化学成分光谱分析，
结果如表1所示。通过表1可以看出，该钢管的化学成分满足12 Mn输油管线钢
的技术要求。
同时，对带有微裂纹的钢管取样进行N、H、O气体含量分析，结果表明气体含量
均在技术要求的规定范围内：N 为 4010-6、O 为 1610-6、H 为1.810-6。
2.2 钢管表面微裂纹缺陷分析
对超声波探伤不合格的12Mn钢管裂纹部位进行取样，将试样制备成金相样，在
光学显微镜下进行观察，裂纹如何锻炼记忆力
缺陷以一定的角度向基本内部伸展，其长度接近
700；在裂纹的末端可以清晰地看到大量的氧化圆点，如图2（a）所示。在裂纹
的两侧具有明显的脱碳情况，如图 2（b）所示。通过对图 2（a）中裂纹末端的氧
化圆点能谱分析，其主要成分为O、Si、Mn、C、Fe等元素，如图 2（c）所示。
有关文献[6]说明这种氧化圆点并不是钢中固有的夹杂物，而钢管缺陷在一定的温
度条件下先受到空气中氧原子的氧化，形成一定厚度的脱碳层后，氧原子进而穿过
脱碳层将Si、Mn元素进行氧化，从而形成氧化圆点。
通过图2可以看出，钢管的微裂纹处两侧存在明显的脱碳和裂纹末端存在氧化圆
点。根据文献[7-8]，裂纹末端形成氧化圆点形成要满足以下条件：首先裂纹要暴
露于空气中，其次需要加热到1 000℃以上，并且保温30 min以上。在高温条件
下铸坯表面裂纹两边的C原子由基体内部向外扩散，与外界空气中的O原子发生
氧化反应，生成CO或CO2气体而脱离铸坯，因此造成裂纹两侧形成较薄脱碳层。
空气中O原子继续穿过脱碳层向基体内部扩散，钢基体中与O原子亲和力较强的
元素如Si、Mn将被氧化，富集Si、Mn的氧化圆点。
表1 12 Mn钢化学成分/wt%C Si Mn P S Alt Cu Ni Cr Mo V B 0.111 0.339
1.177 0.011 0.003 0.037 0.015 0.007 0.005 0.005 0.002 0.0005
图2 微裂纹金相及组织形貌
12 Mn钢管调质工艺为将钢管放入加热炉中加热到910℃并保温50 min，然后进
行淬火处理。根据调质工艺的生产条件和氧化圆点的形成条件，可以断定钢管表面
的微裂纹不是在调质处理过程中形成的。通过仔细分析12 Mn钢管生产工艺，连
铸圆坯在穿管前需要在加热炉中加热，其加热制度为加热到1 000℃并保温60
min，因此在连铸坯进行穿管过程中由于连铸坯存在缺陷，会导致钢管微裂纹处形
成脱碳和氧化圆点。这样可以确定是由于连铸坯存在缺陷，进而在管钢生产过程中
导致钢管表面形成微裂纹。
3 连铸坯缺陷分析
3.1 铸坯低倍分析
根据上述分析，导致钢管表面形成微裂纹的主要原因为连铸坯上存在缺陷。为了找
出铸坯中的缺陷种类，在与探伤不合格钢管同批次未轧制的连铸坯中截取大量的低
倍试样，浸泡在70~80℃的热盐酸中30 min后，除去铸坯表面氧《李凭箜篌引》
化层和其他附
着物，将浸泡后的低倍取出并用吹风机吹干表面，检验连铸坯表面情况。铸坯表面
沿拉坯方向有一道明显的凹陷，一之成语
在凹陷的底部存在非常细小的裂纹，如图3（a）
所示；用100倍的放大镜观察凹陷底部细小的裂纹，有的呈无规则的开放式的星
状裂纹，如图3（b）所示，有的呈现直线状裂纹，如图 3（c）、图 3（d）所示。
裂纹的走向无明显的规则。
3.2 铸坯裂纹金相分析
取铸坯凹陷底部的裂纹制备成金相试样进行组织分析，如图4所示。铸坯凹陷底
部的裂纹存在于铸坯的表面及皮下，裂纹宽度约为100 m，裂纹深度较深，达到
了 3 227 m，如图 4（a）、4（c）所示；从将裂纹放大的金相照片可以看出，
裂纹前端呈不连续状，裂纹是沿着奥氏体晶界产生，部分跟外表联通的线状裂纹的
一边有0.1~0.2 mm的脱碳，且裂纹附近的晶粒有长大的现象裂纹；裂纹两侧及
根部存在灰色的氧化物，如图 4（b）、4（d）所示。通过对裂纹根部的灰色氧化
物进行扫描电镜及能谱分析，其灰色氧化物的主要成分为Fe、O和C元素，即铁名人名言的故事
的金属氧化物。
铸坯表面存在凹陷并且凹陷底部存在裂纹，裂纹沿奥氏体一次晶界分布，同时裂纹
侧有脱碳及晶粒长大现象，从这些特征可以证明铸坯上的表面微裂纹是在结晶器内
形成的，即高温下（约1400℃）坯壳在完成奥氏体转变之前产生的。根据裂纹形
貌特征及最深处灰色夹杂物的电镜和能谱分析结果可以看出，铸坯表面星状（或曲
线型）裂纹产生的主要原因是：12 Mn钢属于典型的包晶钢，钢液在结晶器弯月
面处发生凝固时发生包晶反应，即坯壳由相→相转变，其转化率为100%，坯
壳产生最大量的线收缩；坯壳的线收缩造成坯壳与结晶器铜板间产生较大的间隙，
导致坯壳生长的不均匀，在坯壳近表面形成粗大的柱状晶，影响坯壳凝固的均匀性，
且在铸坯粗大的柱状晶处易形成凹陷；在钢水凝固过程中发生单相奥氏体转变时，
由于转变温度较高，晶粒粗大导致铸坯的韧性较低，坯壳在内应力、钢水静压力及
弯曲受力时，容易在奥氏体晶界处产生裂纹，随着铸坯向下运行，尤其在二次冷却
过程中导致裂纹的进一步扩展[9-11]。
4 改进措施及效果
连铸坯产生表面星状裂纹的主要有以下两个影响因素：连铸机的设备精度和工艺参
数的合理性，因此选择从这两方面进行改进。
4.1 铸机设备精度的检查及维护
图4 铸坯裂纹组织分析
连铸机设备精度主要从以下几方面进行检查和维护：（1）在生产前检查结晶器铜
管表面磨损状况是否正常、结晶器冷却水流量是否符合工艺要求，结晶器倒锥度情
况；（2）对结晶器振动进行拉钢模拟测量，检查结晶器振动的振幅和偏摆量是否
在要求的范围内；（3）检查连铸机二冷喷嘴是否出现堵塞情况；（4）检查结晶
器液面控制系统是否存在异常情况。
4.2 连铸工艺参数改进措施
连铸工艺参数改进方面采取的措施包括：（1）结晶器冷却采用弱冷，一次冷却水
量从1 750 L山东哪个城市好玩
/min下调到1 600 L/min，二次冷却水比水量减小至0.9 L/min；
（2）优化结晶器电磁搅拌参数，电流强度由280 A调整为360 A，频率由3 Hz
调整为3.5 Hz；（3）钢水中间包浇注温度采取低过热度浇注，按1 533～1 545℃
控制（液相线温度为1 518℃），拉速由原来的1.4 m/min提高到1.7 m/min；
（4）严格控制结晶器内弯月面的波动，液位波动范围要控制在2%以内；（5）
采用低碱度高粘度包晶钢专用保护渣，并利用自轻快的意思
动加渣机对保护渣进行预热。
通过采用以上的控制措施对工艺进行优化，连续对3批次12 Mn（共计10 000 t）
的生产进行跟踪，取大量铸坯低倍试样进行热酸浸试验，均未发现表面星状裂纹的
存在；从轧制后成品管的超声波探伤统计结果看，超声波探伤的依次合格率在
99.2%，未出现由于铸坯表面裂纹而产生的废品管。
5 结论
通过对石油输送管用12 Mn无缝钢管在调质处理后出现的外表面微裂纹现象，按
照生产工艺流程进行系统性分析，发现此类缺陷产生的主要原因是该连铸圆坯表面
存在微型星状裂纹。针对连铸坯表面星状裂纹产生原因，通过对相关连铸工艺进行
优化和改进，连续生产多个批次的12 Mn连铸坯，在铸坯上未再出现表面星状裂
纹，12 Mn无缝钢管的超声波探伤合格率得到的大幅提高，改善效果十分明显。?
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