熱軋鋼帶邊裂形成原因分析及控制

趙 瓊， 曹占義

（1.新疆阿拉爾三五九鋼鐵有限公司，新疆阿拉齊 843300；2.吉林大學材料工程學院，長春 130024）

0 引言

2010年某公司熱軋鋼帶連續(xù)發(fā)生批量邊裂。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)Q195L材質(zhì)發(fā)生邊裂占總邊裂爐數(shù)的67.17%，占總邊裂卷的86.22%；Q195材質(zhì)的邊裂占總邊裂爐數(shù)的16.48%，占總邊裂卷的11.51%。其他為Q235、Q215材質(zhì)，占的比例非常小。強寬展占邊裂總卷的95.25%，非強寬展只占邊裂總卷的4.74%。由此可見，該公司的邊裂主要發(fā)生在Q195L的強寬展鋼帶中。

以邊裂帶與正品熱軋帶差價計算，全年因邊裂損失近125萬元，再加上因出現(xiàn)邊裂對生產(chǎn)現(xiàn)場、生產(chǎn)節(jié)奏、生產(chǎn)作業(yè)率造成的影響，生產(chǎn)設備的損壞等，實際損失遠大于其差價造成的損失。

邊裂是熱連軋過程中常出現(xiàn)的缺陷，其產(chǎn)生的原因比較復雜，國內(nèi)外都進行過許多研究，但不同軋機、不同材質(zhì)、不同軋制時期的不同生產(chǎn)廠家其產(chǎn)生的原因則不同［1］。 溫亞成等［2］及劉波［3］認為邊裂是角橫裂、氣孔在軋制時不能焊合產(chǎn)生的；寶鋼董金剛［4］研究發(fā)現(xiàn)含銅鋼加熱溫度偏高時，銅在晶界易富集與析出，易發(fā)生熱脆，角橫裂是中碳鋼邊裂的主要來源；王宏霞［5］等認為鑄坯原始表面裂紋及表面針孔是邊裂產(chǎn)生的主要原因；鄂鋼黃海玲等認為邊裂主要與夾雜物、脫碳、組織偏析、三次滲碳體的析出量及分布狀態(tài)有關(guān)。從目前研究來看，產(chǎn)生邊裂的原因歸納起來主要有：鑄坯邊緣存在角橫裂、皮下氣泡、邊部夾雜；軋件邊部溫度過低或軋制張力設定過大；鑄坯的硫、銅含量較高，軋制時鋼板的熱脆性大等方面［6］。

1 邊裂形貌

邊裂分布位置于每批并不一致，有時在鋼帶近尾部，有時在鋼帶近頭部，有時在帶卷的中間位置，嚴重時鋼卷從頭到尾都會有不同程度的邊裂分布。邊裂主要在操作側(cè)，傳動側(cè)也發(fā)現(xiàn)有少量邊裂。圖1為邊裂缺陷主要集中在鋼卷中間的操作側(cè)。缺陷形貌表現(xiàn)為邊部金屬的缺損，且在邊裂處、近側(cè)邊上下表面均會有不同程度不規(guī)則縱、橫向裂紋，還有因金屬脫落形成的縫隙，并可見呈綜紅色的氧化物（圖2）。

圖1 邊部缺陷宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of edge defects

圖2 邊裂局部放大Fig.2 Partial Enlargement of edge cracking defects

2 解剖試驗

對邊裂鋼卷進行解剖取樣，試樣從外卷到內(nèi)卷依次編號為1#～5#，進行如下試驗分析。

2.1 理化性能分析

為了對操作側(cè)與傳動側(cè)的理化性能進行對比，將 1?！?＃試樣的操作側(cè)記為“-1”、傳動側(cè)記為“-2”，如 1# 試樣的操作側(cè)記為“1-1”， 傳動側(cè)記為“1-2”。理化性能測試結(jié)果見表1。

表1 理化性能結(jié)果Table 1 Chemical composition and performance

由表1可知，鋼帶從外卷到內(nèi)卷、從操作側(cè)到傳動側(cè)的力學性能一致。這說明鋼帶經(jīng)過堆冷緩慢冷卻后，鋼卷從外到內(nèi)的性能與寬向兩側(cè)的性能均勻一致。緩冷鋼卷試樣的性能比熱軋后立即從帶尾3 m處所取試樣的強度低20～25 MPa。其原因在于，熱軋后立即取的試樣為空冷，相當于正火處理；而緩冷試樣相當于經(jīng)過一個退火處理過程，其強度要低一些。

此外，鋼帶的化學成分也比較均勻，只是酸熔鋁的含量分散差較大，說明O含量分布不均勻，同時說明不同位置的脫O效果有較大的差別。Mn/S比的均值為17.25，可見其比值偏低。

2.2 金相分析

選取缺陷較為明顯的試樣進行金相分析。

1）邊裂處三維顯微形貌

鋼帶表面以縱向裂紋為主，裂紋處有大量的氧化物，同時還存在變形的異向裂紋，并有金屬脫落而留下的坑狀缺陷（圖3a）；試樣的垂直向裂紋從邊部向內(nèi)部延伸擴展，存在著明顯的折疊裂紋見圖3b，氣泡裂紋見圖3c，氣泡裂紋處的封閉性氧化物是因氣孔處組織氧化所形成的，折疊裂紋處亦存在明顯氧化物，邊裂處縱向厚度視面存在著許多縱向裂紋，且已嚴重氧化，部分金屬已脫落（圖3d）。

圖3 邊裂處三維顯微形貌Fig.3 Three-directional appearances of edge cracking zone

2）邊裂處三維組織

鋼帶表面正視向的裂紋組織有明顯的氧化脫碳現(xiàn)象（圖4a）；垂直向的裂紋處有的已脫碳，有的未見明顯的脫碳（圖4b）；縱向厚度視面組織有的未見氧化脫碳（圖4c），有的裂紋處組織存在高溫氧化圓點（圖4d），說明一部分裂紋在高溫加熱之前就存在，另一部分是軋制過程中產(chǎn)生的裂紋。

圖4 邊裂處三維組織Fig.4 Three-directional microstructures of edge cracking zone

2.3 低倍酸蝕試驗

1）邊部線狀缺陷

檢查發(fā)現(xiàn)邊裂試樣近邊部有一些線狀痕跡（圖5），腐蝕前試樣的操作側(cè)出現(xiàn)邊裂現(xiàn)象，而傳動側(cè)未見缺陷，為此進行低倍酸蝕試驗。

圖5 邊部缺陷形貌Fig.5 Macro appearance of edge defect

該試驗的目的一是腐蝕后觀察邊部形貌，對其形成機理進行推斷；二是腐蝕后對未出現(xiàn)邊裂的一側(cè)進行觀察，避免因氧化鐵皮的存在覆蓋了細微的缺陷而無法觀察。

腐蝕后對試樣的操作側(cè)與傳動側(cè)進行觀察，結(jié)果表明：腐蝕后線狀缺陷的走向更明顯，從線狀缺陷所在表面經(jīng)過邊緣再到另一表面，金屬為一整體。用鉗子打開試樣時，缺陷從線狀缺陷處以層狀分開，內(nèi)部有深褐色的物質(zhì)（圖6）。試驗說明，線狀痕跡實為突出一側(cè)的金屬包裹另一側(cè)所形成的軋制不完全粘合的線，當內(nèi)部雜物較少時，隨軋制的進行，可部分粘合；而雜物多時，難以粘合形成層狀缺陷。

試樣的傳動側(cè)在腐蝕前未見到線狀邊裂缺陷，但腐蝕后看到有較明顯的線狀痕跡，用同樣的方法，對線狀缺陷處進行分離，同樣也出現(xiàn)了分層，只不過此處的褐色物相對較少。

2）粗軋五道坯缺陷

觀察邊裂同期的鋼坯在五道粗軋后看到一側(cè)存在不等距的孔洞缺陷，從其上截取低倍試樣，對軋坯縱向側(cè)面進行機械加工，經(jīng)酸蝕后進行形貌觀察（圖7）。內(nèi)部為一些空腔，從形貌斷定，孔為鋼中氣體所致。這與較為嚴重的粗軋三道坯的蜂窩氣泡的形貌非常相近（圖8）。

圖6 腐蝕前后形貌對比Fig.6 Appearances before and after corrosion

圖7 粗軋五道坯孔洞宏觀形貌Fig.7 Holes in billet after five-course rough rolling

圖8 粗軋三道坯氣泡Fig.8 Bubbles in billet after three-course rough rolling

低倍試樣近邊部的上下表面處有較多明顯的氣孔缺陷（圖9）。邊角部金屬在軋制過程中會流動到軋件的上下表面［6］，在軋制過程中始終處于低溫、高應力應變狀態(tài)，易于產(chǎn)生缺陷（圖10）。

圖9 表面氣孔Fig.9 Surface pores

圖10 粗軋后角部缺陷Fig.10 Corner defects after rough rolling

3 軋制變形對邊裂的影響機理

3.1 不均勻變形對外弧側(cè)的影響

從粗軋坯上取樣，低倍酸蝕后對其邊部的形狀及斷面組織進行觀察，以便對軋制時鋼坯邊部的變形狀況進行分析。蝕后邊部的低倍組織見圖11。

圖11 邊部組織Fig.11 Edge structure

從蝕后坯的邊部變形情況來看，上表面比下表面一側(cè)實際寬6 mm。這種不均勻變形，使得承受最大拉應力作用的部位產(chǎn)生微裂紋的幾率大大增加。這種幾率與鋼坯窄側(cè)的質(zhì)量相關(guān)［7］，如存在皮下氣泡、皮下裂紋、較嚴重三角區(qū)裂紋、粗大柱狀晶、夾雜及夾渣等時，由于加熱爐內(nèi)會有氧滲透，鋼坯的邊部結(jié)構(gòu)組織氧化后會變得疏松，使鋼的脆性有所增加，當變形拉應力超過此處鋼組織結(jié)合力時就產(chǎn)生微裂紋，隨后微裂紋繼而擴展，氧化發(fā)展為宏觀裂紋、裂口，嚴重處會有脫落。

3.2 變形機理

鋼帶因軋制變形的不同，會在鋼帶的側(cè)邊出現(xiàn)以下幾種情況，在變形軋制后形成的邊部質(zhì)量也會有所不同，第一種是上下面變形較大且對稱，厚向中間部位變形較小，最終在厚度方向形成線狀缺陷，如圖12；第二種是上表面變形較大，形成上表面包裹下底面的缺陷；第三種與第二種相似，是下表面變形較大，形成下表面包裹上表面的缺陷；第四種是較為常見的上、下表面變形較厚向中間小，形成中間突出，鋼坯角部金屬向上、下面翻平的情形；第五種是形成狗骨形，外弧區(qū)因變形不同，其最大拉應力點在外弧區(qū)上為一動點，運行位移隨變形有所不同，微裂紋出現(xiàn)的原始位置就在應力最大點處（圖13）。

圖12 邊部線狀缺陷Fig.12 Edge linear defects

以上幾種結(jié)果既與軋制變形有關(guān)，也與鋼的質(zhì)量有很大的關(guān)系。如鋼中的皮下氣泡、皮下裂紋、較嚴重三角區(qū)裂紋、粗大柱狀晶、夾雜及夾渣等，只要受到氧化并影響到組織疏松度，結(jié)合強度下降的缺陷都會對最終的結(jié)果產(chǎn)生影響。

鋼坯過燒也會產(chǎn)生邊裂。但過燒產(chǎn)生的邊裂與以上原因產(chǎn)生的邊裂在形貌上有所區(qū)別，過燒鋼坯晶界間結(jié)合力低會造成鋼的強度及塑性降低，軋制時會出現(xiàn)V型或Y型裂口，隨軋制的進行，最終會形成類鋸齒形貌缺陷。圖14為加熱溫度過高所致的甩廢粗軋坯。

圖13 變形機理Fig.13 Deformation mechanism

圖14 過燒缺陷形貌Fig.14 Overburning defect morphology

4 分析與討論

鋼坯缺陷引起邊裂。氣體含量越大，氣泡越集中，在加熱爐內(nèi)氧越容易滲透到鋼坯的內(nèi)部，造成組織氧化脫碳，鋼的脆性增加，出現(xiàn)邊裂的幾率增大。嚴重的皮下氣泡是邊裂產(chǎn)生的充分條件，但不是充要條件。引起鋼的橫斷面窄側(cè)外弧強度降低的因素均會影響到鋼帶最終的邊部質(zhì)量。

鋼坯氣孔、皮下氣泡、角裂、夾渣甚或嚴重的三角裂紋等影響鋼結(jié)合強度的降低是邊裂產(chǎn)生的內(nèi)因，邊裂的產(chǎn)生與缺陷的嚴重程度、分布的位置有關(guān)。當鋼坯進加熱爐之后，O會通過缺陷向內(nèi)滲透，使缺陷處組織氧化，造成鋼質(zhì)進一步脆化，軋制時沿已有缺陷處形成縱向裂紋，隨后繼續(xù)氧化，裂紋擴展，刮蹭甚至脫落，形成邊部缺陷。

Q195L鋼的碳含量比Q195低,冶煉時往往為了降低碳會采用后吹來實現(xiàn)，這樣會造成鋼中氣體含量增大，隨后由于脫氧不良造成鋼中氣體含量較大，從而在鋼坯冷凝時逸出形成氣孔缺陷。

過燒產(chǎn)生邊裂，其形貌以V型或Y型裂口為主，最終會在整卷形成較為嚴重的鋸齒狀缺陷。

軋制過程的不均勻變形，會造成鋼帶的邊部金屬異常，進而引起鋼帶的包裹裂紋、縱向裂紋、折疊裂紋及氧化脫落等邊部缺陷。同時強寬展量越大，鋼坯側(cè)邊弧面處受的拉應力就越大，越容易將鋼坯原有的缺陷暴露，造成此處強度降低，當拉應力大于此處的強度時就會形成邊部缺陷。

5 改進措施

1）加強鋼水中氣體含量的控制，確保鋼水充分脫氧，澆注系統(tǒng)及時烘烤，水口吹氬量不能過大，減少鋼坯表面氣孔及皮下氣泡。

2）嚴格檢查結(jié)晶器等澆注系統(tǒng)，避免滲水。鋼中氣體含量高除與鋼水脫氧不良有關(guān)外，還與澆注系統(tǒng)干燥不充分、結(jié)晶器滲水等因素有關(guān)。

3）結(jié)晶器選用合適的保護渣。保護渣熔點過低，液態(tài)渣下流多易于形成表面橫裂紋；保護渣熔點過高，下滑的液態(tài)渣過少，坯殼與結(jié)晶器銅板的摩擦力變大，也會形成表面橫裂紋。

4）調(diào)整鋼水成分，降低 S≤0.015%、Mn≥0.35%，使Mn/S≥25。防止因硫化物引起鋼的熱脆。

5）確保鋼坯邊部均勻冷卻變形。調(diào)整軋輥兩側(cè)壓下，保證兩側(cè)壓下相等；控制好軋輥冷卻水噴嘴角度要，避免軋坯操作側(cè)邊部過冷。

6）規(guī)范粗軋機寬展操作。粗軋機導衛(wèi)中心線與孔型中心線要對齊，避免中間坯寬展劃傷；避免中間坯兩側(cè)寬展不均。

7）寬展問題。盡可能減小展寬量，在有條件情況下，盡可能加大鑄坯寬度，這樣可有效減少鋼板軋制時的展寬軋制量，從而減輕軋制時的鋼坯邊部不均勻變形程度。

采取上述措施后，鋼帶邊部缺陷得到了明顯的控制。

6 結(jié)論

1）越容易使內(nèi)外金屬受到O滲透發(fā)生氧化的鋼坯缺陷越有利于形成邊裂，尤以內(nèi)外相通的氣泡或裂紋類缺陷為重。

2）鋼坯的致密性越差，越易于氧化，氧化越嚴重的鋼坯越易于產(chǎn)生邊裂。

3）鋼坯的缺陷會使鋼的致密性降低，鋼坯越易于氧化，越利于O滲透致使組織氧化的缺陷，越易于產(chǎn)生邊裂。

4）鋼坯質(zhì)量是熱軋鋼帶產(chǎn)生邊裂的主因，強寬展、不均勻變形及大壓下量是邊裂產(chǎn)生的外因。

5）因強寬展引起邊部金屬所受應力增大，促使裂紋擴展并形成新生裂紋，繼續(xù)氧化甚至破碎、脫落。不均勻變形會促使邊部形成包裹形裂紋或縱向線狀裂紋。

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