鑄坯到軋材的表面缺陷演變行為研究

范眾維，王艷林，孫振忠，周梓榮，章 慶

(1.方大特鋼科技股份有限公司，南昌 330012；2.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

鑄坯到軋材的表面缺陷演變行為研究

范眾維1，王艷林2*，孫振忠2，周梓榮2，章 慶1

(1.方大特鋼科技股份有限公司，南昌 330012；2.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

基于鑄坯表面缺陷傳承到軋材的精確定位方法，開展鑄坯-軋材缺陷間的對(duì)應(yīng)關(guān)系研究，以提高判斷缺陷產(chǎn)生原因以及工序改進(jìn)的及時(shí)、精準(zhǔn)性，并系統(tǒng)研究高線鑄坯皮下氣泡缺陷在軋制過(guò)程中的演變行為，對(duì)其缺陷形態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)分析。研究表明：所設(shè)計(jì)的鑄坯表面缺陷到軋材的定位方法能精確地在軋材表面找到缺陷所在的位置；鑄坯皮下氣泡對(duì)應(yīng)的軋材表面裂紋長(zhǎng)度較短，且裂紋兩端收斂，無(wú)明顯過(guò)渡段，裂紋內(nèi)部存在氧化物，裂紋兩側(cè)組織無(wú)異常流變，存在明顯脫碳，這為企業(yè)改善鑄坯表面質(zhì)量提供了科學(xué)依據(jù)。

表面缺陷；軋材；皮下氣泡；演變行為；精確定位

0 引言

在金屬材料生產(chǎn)與加工過(guò)程中，含有缺陷或失效的金屬產(chǎn)品，其微觀組織必然與正常的工序目標(biāo)存在某種差異，這種差異是由某制備因素(如成分、冶煉、軋制以及后續(xù)加工等)偏差所致，可見從缺陷部或失效產(chǎn)品的微觀組織及成分差異等可確定缺陷產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)因素，進(jìn)而提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以避免再次產(chǎn)生產(chǎn)品缺陷[1-3]。在鋼鐵產(chǎn)品制備加工過(guò)程中，對(duì)一般的產(chǎn)品缺陷可通過(guò)宏觀特征來(lái)判斷其類型及所產(chǎn)生的工序，但對(duì)成因復(fù)雜的缺陷，尤其是跨部門、跨工序所產(chǎn)生的缺陷，僅從宏觀特征尚不能做出精準(zhǔn)判斷，如在研究鋼坯表面缺陷在軋材上的傳承時(shí)，盡管可以根據(jù)壓縮比測(cè)算出坯表面缺陷在軋材長(zhǎng)度方向上的大體位置，但難于精準(zhǔn)定位，導(dǎo)致缺陷定位困難，嚴(yán)重阻礙了鋼坯表面缺陷的及時(shí)、準(zhǔn)確性判定分析[4-5]。

由于難于及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷缺陷產(chǎn)生的原因與工序，常常延誤了生產(chǎn)工藝的調(diào)整和改進(jìn)，影響了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提升，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失[6]。近年來(lái)，方大特鋼持續(xù)開展產(chǎn)品質(zhì)量提升工作，為分析線材產(chǎn)品表面缺陷產(chǎn)生原因，特別是鑄坯缺陷在軋制過(guò)程中的演變行為，選取皮下氣泡等多種典型缺陷進(jìn)行高線鑄坯-軋材缺陷對(duì)應(yīng)關(guān)系研究。然因線材產(chǎn)品存在以下特性：1) 較一般產(chǎn)品截面積小，延展長(zhǎng)度大，缺陷位置難以定位；2) 軋材呈盤曲狀態(tài)，缺陷容易隱藏在盤卷之中而難以查找；3) 軋制過(guò)程中可能存在軋件扭轉(zhuǎn)，也會(huì)增加缺陷查找難度。導(dǎo)致線材產(chǎn)品缺陷對(duì)應(yīng)定位難度系數(shù)要遠(yuǎn)大于彈簧扁鋼、中厚板等產(chǎn)品。本文將先進(jìn)行鑄坯缺陷傳承軋材缺陷定位實(shí)驗(yàn)，開展鑄坯-軋材缺陷對(duì)應(yīng)關(guān)系研究，以提高判斷缺陷產(chǎn)生原因以及工序改進(jìn)的及時(shí)、精準(zhǔn)性，并系統(tǒng)研究高線鑄坯缺陷在軋制過(guò)程中的演變行為，為正確分析和判斷鋼鐵產(chǎn)品缺陷或失效產(chǎn)生的確切原因，為產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

1 鑄坯到軋材表面缺陷的精確定位方法

本方法先通過(guò)人工在坯料表面鉆孔，模擬放大坯料不同位置不同大小形態(tài)的表面缺陷，定位對(duì)應(yīng)的缺陷形態(tài)，鑄坯采用160方坯料，手工電鉆(麻花鉆頭)，并按圖1要求鉆孔。

圖1 坯料鉆孔模擬缺陷尺寸圖Fig.1 Schematic illustration of drilling simulating defects

按坯料對(duì)應(yīng)鋼種正常軋制工藝生產(chǎn)φ20 mm規(guī)格，隨后根據(jù)按壓縮比預(yù)算測(cè)算好的長(zhǎng)度位置數(shù)據(jù)查找材上缺陷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示可以對(duì)缺陷傳承位置進(jìn)行較為精準(zhǔn)的定位。同時(shí)對(duì)查找到的缺陷取樣送檢，對(duì)每條缺陷多段取樣檢測(cè)深度。其后，為進(jìn)一步確實(shí)軋制小規(guī)格，大壓縮比下的鑄坯缺陷傳承定位情況，在φ10 mm規(guī)格進(jìn)行了類似實(shí)驗(yàn)，同樣可以對(duì)缺陷傳承位置進(jìn)行較為精準(zhǔn)的定位[7]。結(jié)合兩次傳承缺陷定位實(shí)驗(yàn)，可知：

1) 鑄坯人為缺陷與成品表面缺陷存在對(duì)應(yīng)性，基本遵循理論測(cè)算規(guī)律，但實(shí)際缺陷的位置與理論計(jì)算存在一定偏差，距離坯料端部越遠(yuǎn)，偏差越大；

2) 根據(jù)軋材表面缺陷金相檢測(cè)分析情況，確定鑄坯人為鉆孔對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中藍(lán)色標(biāo)注部為軋材表面缺陷形態(tài)，并存在以下特征：

(1) 盤條表面能夠找到缺陷，缺陷狀態(tài)為一條細(xì)小線性裂紋，且局部呈波浪狀或分叉，說(shuō)明人為鉆孔缺陷主要沿軋制方向拉伸，局部受到橫向拉力產(chǎn)生偏折。

(2) 軋件線性裂紋沿盤條徑向存在不定角度的旋轉(zhuǎn)，有的裂紋旋轉(zhuǎn)角度甚至達(dá)270°，說(shuō)明在軋制或吐絲過(guò)程中，盤條存在扭轉(zhuǎn)。

(3) 沿紋方向縱向剖視，則整個(gè)裂紋缺陷基本呈船形，裂紋兩端有比較明顯的圓弧錐型。裂紋周邊存在脫碳現(xiàn)象，特別是裂紋兩端錐尖位置存在較為明顯的脫碳區(qū)域，與軋制過(guò)程中軋件次表層金屬流動(dòng)最快理論相符。

(4) 裂紋長(zhǎng)度與鉆孔周長(zhǎng)之半及壓縮比存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，裂紋深度MAX/盤條直徑≥坯料表面鉆孔深度/坯料寬度，說(shuō)明該類別坯料缺陷即使是經(jīng)過(guò)壓縮比高達(dá)325的軋制，也不能夠消除，而是按對(duì)應(yīng)比例關(guān)系以表面裂紋的形式傳承至軋材。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

在上述涉及的能精確確定缺陷傳承定位方法后，本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)皮下氣泡典型缺陷連鑄坯進(jìn)行高線鑄坯-軋材缺陷對(duì)應(yīng)關(guān)系分析，連鑄坯皮下氣泡形成的主要原因是鋼液中能溶解部分氣體，而凝固后的鋼中基本不溶解氣體，在鋼液凝固過(guò)程中, 鋼中由碳氧反應(yīng)生成的CO、N2和H2等氣體的分壓之和大于鋼液靜壓力與大氣壓力之和就會(huì)產(chǎn)生氣泡。這些氣泡被樹枝晶捕集或受己凝固表面層的阻礙而不能從鋼坯中逸出, 而在鋼坯中富集、長(zhǎng)大就會(huì)形成氣泡缺陷[8]。這些氣泡如裸露在連鑄坯外面叫表面氣孔，沒(méi)有裸露的叫皮下氣孔，比氣孔小呈密集的小孔叫皮下針孔，在加熱爐內(nèi)，鑄坯皮下氣泡內(nèi)表面被氧化而形成脫碳層，軋制后不能焊合而形成表面缺陷[9]。常見氣泡產(chǎn)生的因素有：脫氧不良、鋼液過(guò)熱度大、中包烘烤不足、二次氧化、保護(hù)渣水分超標(biāo)、結(jié)晶器上口漏水等[10]。由于缺陷坯大部分的皮下氣泡位于連鑄坯次表層，為更好進(jìn)行缺陷定位，將坯料送加熱爐加熱，表面氧化后會(huì)將大部分的皮下氣泡暴露出來(lái)，待回爐冷卻后，選定某位置皮下氣泡缺陷，確定缺陷對(duì)應(yīng)鑄坯表面沿軋制方向的中心線，作缺陷在中心線上的投影，在投影兩側(cè)分別人工鉆孔。其中，人工鉆孔直徑為r，缺陷在中心線上的投影到人工鉆孔邊緣的距離a≈r，如圖3所示，圖中：1—鑄坯；2—人工鉆孔點(diǎn)；A/ B—皮下氣泡；C—缺陷A或B在L上的投影；L—缺陷對(duì)應(yīng)鑄坯表面沿V方向的中心線；V—鑄坯軋制方向；r—人工鉆孔直徑；a—缺陷在中心線上的投影到人工鉆孔邊緣的距離；b—靠近鑄坯端部人工鉆孔中心到鑄坯端部的長(zhǎng)度。

圖2 坯料鉆孔模擬缺陷對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷示意圖(盤條縱剖面)Fig.2 Schematic diagram of defects in rolled metal corresponding to the drilling defects (longitudinal section of wire rod)

圖3 鑄坯缺陷鉆孔定位示意Fig.3 Schematic illustration of location for drilling defects of casting slab

定位后的鑄坯按正常工藝條件軋制，人工鉆孔以表面裂紋的形式傳承至軋材，并明顯呈現(xiàn)于軋材表面，如圖4所示，圖中：3—軋材(盤條)，2′—人工鉆孔2對(duì)應(yīng)材上表面裂紋；A′(B′)—皮下氣泡A(B)對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷；x—人工鉆孔2對(duì)應(yīng)軋材表面裂紋的長(zhǎng)度。結(jié)合表面裂紋長(zhǎng)度x=πr/2×μ，其中壓縮比μ在鑄坯斷面不變情況下軋制對(duì)應(yīng)規(guī)格軋材為常數(shù)，可以快速查找到人工鉆孔對(duì)應(yīng)表面裂紋軋材，并據(jù)此快速定位皮下氣泡對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷，位于距離軋材端部[(b+r/2)×μ～(b+5r/2)×μ]長(zhǎng)度期間。

實(shí)際采用φ14 mm、φ30 mm進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，由于坯料皮下氣泡數(shù)量多，因此除了可以找到已定位的皮下氣泡傳承缺陷外，尚可在盤卷上觀察到其他未定位的皮下氣泡傳承缺陷(圖5)。宏觀觀察，裂紋處顏色與正常部位氧化層顏色有明顯區(qū)別，不同裂紋一般不在同一條線上，裂紋長(zhǎng)短不一，且長(zhǎng)度相對(duì)較短，大部分集中在幾十mm長(zhǎng)，且端部無(wú)明顯過(guò)渡段，收斂分明。

圖4 鑄坯定位缺陷傳承至軋材表面缺陷示意圖Fig.4 Schematic illustration of surface defects in rolled material from location defects of casting slab

圖5 皮下氣泡定位實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷Fig.5 Surface defects location of rolled material corresponding to subsurface bubbles

2.2 缺陷檢測(cè)與分析

為確定皮下氣泡對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷形貌，選取已定位的皮下氣泡對(duì)應(yīng)表面缺陷(圖6、圖7為部分缺陷示意，實(shí)際進(jìn)行了多個(gè)缺陷樣檢測(cè)分析)，截取多個(gè)裂紋截面，特別是裂紋兩端收尾位置，制樣檢測(cè)裂紋深度。皮下氣泡對(duì)應(yīng)軋材缺陷(60-1)深度金相檢測(cè)結(jié)果表明：軋材表面裂紋1長(zhǎng)度為1.52 mm，裂紋2長(zhǎng)度為1.57 mm，裂紋3長(zhǎng)度為1.68 mm，裂紋4長(zhǎng)度為1.73 mm，裂紋5長(zhǎng)度為1.56 mm。而皮下氣泡對(duì)應(yīng)軋材缺陷(60-2)深度金相檢測(cè)結(jié)果表明軋材表面裂紋1長(zhǎng)度為1.24 mm(脫碳區(qū)域)，裂紋2長(zhǎng)度為1.16 mm，裂紋3長(zhǎng)度為1.38 mm，裂紋4長(zhǎng)度為1.28 mm，裂紋5長(zhǎng)度為1.20 mm。

圖6 皮下氣泡對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷(60-1)深度金相檢測(cè)Fig.6 Metallographic examination of depth of the defects in rolled material corresponding to subsurface bubbles (60-1)

圖7 皮下氣泡對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷(60-2)深度金相檢測(cè)Fig.7 Metallographic examination of depth of the defects in rolled material corresponding to subsurface bubbles (60-2)

檢測(cè)結(jié)果顯示，裂紋深度較深，且截面深度差異非常小，即裂紋段中間位置向兩端延伸對(duì)應(yīng)的裂紋深度沒(méi)有明顯差異，可以說(shuō)裂紋端部無(wú)過(guò)渡段；金相腐蝕檢測(cè)，裂紋內(nèi)部存在較多氧化物；裂紋兩側(cè)金相組織無(wú)異常金屬流變，但存在脫碳現(xiàn)象；其裂紋結(jié)構(gòu)與人工鉆孔對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷結(jié)構(gòu)極為相似，呈“船形”或“U”形。參照《GB/T 15711—1995鋼材塔形發(fā)紋酸浸檢驗(yàn)方法》對(duì)缺陷樣進(jìn)行塔形實(shí)驗(yàn)，其中為了便于車削加工，實(shí)際塔形試樣階梯尺寸設(shè)計(jì)為公稱半徑依次遞減1 mm，而非國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中推薦的0.90、0.75、0.60 D(D為軋材公稱直徑)；各臺(tái)階車削長(zhǎng)度與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一致(50 mm)；按GB 226酸浸。每規(guī)格每編號(hào)試樣分4段進(jìn)行塔形實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 皮下氣泡對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷塔形實(shí)驗(yàn)Table 1 Tower testing for defects in rolled material corresponding to subsurface bubbles

從檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，φ30 mm，φ14 mm規(guī)格在第3臺(tái)階(深度3 mm)均仍有裂紋。

3 分析與討論

1)從回爐坯表面觀察來(lái)看，坯料經(jīng)加熱后，坯料大部分皮下氣泡缺陷能夠暴露至坯料表面，具體皮下多深缺陷能夠暴露，與坯料氧化燒損情況相關(guān)；本次實(shí)驗(yàn)坯料皮下氣泡4.0級(jí)，坯料切片低倍檢測(cè)最深為10 mm，軋材塔形實(shí)驗(yàn)部分試樣第3臺(tái)階(深度為3 mm)仍有裂紋，說(shuō)明皮下氣泡對(duì)軋材質(zhì)量影響甚大。

2)大部分皮下氣泡經(jīng)加熱后會(huì)暴露出來(lái)，軋制后難于焊合消除，對(duì)應(yīng)軋材表面缺陷呈短裂紋狀，裂紋端部收斂，無(wú)明顯裂紋過(guò)渡段，裂紋內(nèi)部存在較多氧化物，裂紋兩側(cè)存在脫碳現(xiàn)象，與人為鉆孔對(duì)應(yīng)軋材缺陷形貌一致。

3)此實(shí)驗(yàn)情況也為公司之前采用無(wú)孔型(平輥)軋制大盤卷時(shí)容易產(chǎn)生的表面對(duì)稱分布的四條無(wú)長(zhǎng)短規(guī)律裂紋帶非皮下氣泡所致提供了佐證。無(wú)孔型軋制存在高作業(yè)率、高輥面利用率、高通用性，以及低軋制力節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)[11]；但使用平輥軋制方坯時(shí)，也容易脫方，即將方形斷面的鋼坯軋成帶鼓形的四邊形，甚至產(chǎn)生扭曲，進(jìn)而導(dǎo)致軋件表面產(chǎn)生微裂紋帶[12]。

4)軋材表面偶發(fā)性無(wú)規(guī)律間斷性裂紋的判定一直難有明確依據(jù)，或者說(shuō)一直存在爭(zhēng)議，主要是軋前劃傷及皮下氣泡導(dǎo)致的軋材表面缺陷有非常大的相似性，從本次實(shí)驗(yàn)來(lái)看，主要應(yīng)結(jié)合缺陷宏觀形貌及金相檢測(cè)端部形態(tài)進(jìn)行判定—過(guò)程劃傷所致的軋材表面缺陷一端或兩端均有較為明顯的過(guò)渡段；且高速軋制，裂紋一般較長(zhǎng)，裂紋兩側(cè)組織存在異常流變；而皮下氣泡所致的裂紋一般較短，且兩端收斂，無(wú)明顯裂紋過(guò)渡段，裂紋內(nèi)部存在氧化物，兩側(cè)組織無(wú)異常流變。

4 結(jié)論

1)采用鑄坯表面人工鉆孔鎖定鑄坯原有表面缺陷，實(shí)現(xiàn)軋材對(duì)應(yīng)鑄坯原始表面缺陷定位，是提高缺陷定位檢測(cè)分析的有效技術(shù)，該定位法同樣適用于連鑄坯表面其他明顯缺陷的追溯。

2)連鑄坯皮下氣泡對(duì)應(yīng)的軋材表面裂紋長(zhǎng)度較短，且裂紋兩端收斂，無(wú)明顯過(guò)渡段，裂紋內(nèi)部存在氧化物，裂紋兩側(cè)組織無(wú)異常流變，存在明顯或不明顯脫碳。

3)軋材無(wú)規(guī)律間斷性短裂紋的檢測(cè)判定，不僅僅要結(jié)合缺陷在軋材表面的位置分布，宏觀表象，更重要的是要取多個(gè)裂紋截面制樣檢測(cè)，特別是裂紋兩端收尾位置，更應(yīng)認(rèn)真確定制樣切割位置。對(duì)于間斷性短裂紋，取樣時(shí)應(yīng)囊括裂紋全貌，制樣以≥3段(雙面制樣)為宜。

當(dāng)然，本研究?jī)H對(duì)連鑄坯皮下氣泡缺陷在線材上演變行為進(jìn)行了研究，而皮下氣泡究竟是O、N、H哪類氣體所致，還需要進(jìn)一步檢測(cè)分析。

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Evolution Behavior of Surface Defects from Casting Slab to Rolled Metal

FAN Zhong-wei1，WANG Yan-lin2*，SUN Zhen-zhong2，ZHOU Zi-rong2，ZHANG Qing1

(1.FangdaSpecialSteelTechnologyCo.,Ltd.,Nanchang330012,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,DongguanUniversityofTechnology,DongguanGuangdong523808,China)

Based on the accurate location of surface defects from casting slab to rolled metal, the corresponding relationship of defects between casting slab and rolled metal were researched in order to find out the causes of defects and improve process in time and more precisely. And the evolution behavior of subsurface bubbles of casting slabs during rolling process was systematically studied, and the patterns of the defects were analyzed. The results show that the defect location method for the surface defects from casting slabs to rolled metal can accurately locate the surface defects of rolled metal. The surface cracks of rolled metal corresponding to subsurface bubbles of casting slabs are shorter and have the following features. Both tips flocking together, no obvious transition, oxide in the cracks, no abnormal rheology of microstructure near the cracks, and obvious decarburization, which can provide scientific basis for improving the surface quality of casting slabs.

surface defects；rolled metal；subsurface bubble；evolution behavior；precise location

2017年4月5日

2017年5月23日

中國(guó)博士后科學(xué)基金(2016M591072)；江西省對(duì)外科技合作重點(diǎn)項(xiàng)目(20141BDH80029)

王艷林(1982年-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事金屬材料與精密制造工程等方面的研究。

TG335.13

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.04.011

1673-6214(2017)04-0259-06