軋制過(guò)程邊部線狀缺陷形成機(jī)理研究

張所全，焦四海， 丁建華，王金濤， 王國(guó)棟

(1.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽(yáng) 110819；2.寶山鋼鐵股份有限公司 研究院， 上海 201900)

在熱軋及厚板軋制過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)一種沿鋼板邊部軋向分布的缺陷，通常被稱邊部裂紋、邊部黑線、邊部線狀缺陷等。該缺陷主要分布在板材上下表面的兩側(cè)或單側(cè)距邊部一定距離以內(nèi)，對(duì)帶鋼而言，單側(cè)可能達(dá)到30 mm，鋼板上、下表面均可產(chǎn)生，上表面較為嚴(yán)重。缺陷形貌呈細(xì)線狀或條片狀，如圖1所示。由于該缺陷在后續(xù)軋制中會(huì)造成軋輥損傷，一般需要將具有該類缺陷的產(chǎn)品進(jìn)行切邊處理。對(duì)于寬度1 200 mm的帶鋼而言，如果兩側(cè)各切邊30 mm，則由此帶來(lái)5%的成材率損失，因此對(duì)鋼廠而言，消除該缺陷或者減小該缺陷距邊部的距離具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義。

圖1 邊部線狀缺陷的宏觀照片和微觀組織

國(guó)內(nèi)外鋼廠及研究機(jī)構(gòu)就該缺陷的形成和發(fā)展進(jìn)行了很多研究。線狀缺陷由軋制過(guò)程邊部皺褶在平輥軋制的寬展過(guò)程中發(fā)展轉(zhuǎn)移到鋼板上下表面而形成的觀點(diǎn)已基本被大家接受[1]。數(shù)值模擬和物理模擬的方法也被用來(lái)模擬缺陷在寬展過(guò)程中的演變特點(diǎn)。軋制規(guī)程的優(yōu)化、立輥和SP形狀的調(diào)整均有利于減小缺陷距鋼板邊部的距離[2-7]。然而，該缺陷的起源，即邊部皺褶產(chǎn)生的原因仍然沒(méi)有得到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，板坯的邊部裂紋、鋼質(zhì)缺陷、邊角部溫降以及鋼種的高溫塑性均曾被解釋為邊部皺褶產(chǎn)生的原因[8-10]。如果能避免該邊部皺褶的產(chǎn)生，則后續(xù)生產(chǎn)時(shí)無(wú)需再考慮減小缺陷距離，可從根本上解決該問(wèn)題。本研究旨在從鋼種兩相區(qū)變形抗力的角度解釋邊部線狀缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，為調(diào)整成分和工藝，避免邊部缺陷的產(chǎn)生提供思路。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用料取自熱軋中間坯，試驗(yàn)鋼種的實(shí)際化學(xué)成分如表1所示。按試驗(yàn)要求將試樣加工成Ф 8 mm×12 mm的圓柱形壓縮試樣和Φ 10 mm×120 mm的拉伸試樣。

熱模擬試驗(yàn)在Thermecmastor-Z熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在熱模擬壓縮試驗(yàn)中，試樣以10 ℃/s加熱到1 200 ℃，保溫120 s，又以5 ℃/s從1 200 ℃冷卻到壓縮溫度，保溫30 s，再以1 s-1變形速率給予60%的壓縮變形，最后快冷至室溫。試驗(yàn)方案如圖2 所示。共進(jìn)行11個(gè)變形溫度下的模擬變形試驗(yàn)。考慮到試驗(yàn)鋼種的相變溫度，為了在兩相區(qū)附近獲得更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，變形溫度設(shè)計(jì)為 1 050、1 000、975、950、925、900、875、850、825、800和750 ℃。

表1 試驗(yàn)鋼種的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖2 熱模擬壓縮試驗(yàn)方案示意圖

在高溫拉伸試驗(yàn)中，試樣以10 ℃/s速率被加熱至1 200 ℃，保溫120 s，然后以5 ℃/s冷卻至拉伸溫度并保溫30 s，之后進(jìn)行拉伸變形直至斷裂，應(yīng)變速率為1 s-1。觀察其斷裂情況，試驗(yàn)方案如圖3 所示。拉伸變形溫度為1 050 、1 000 、975 、950 、925 、900 和850 ℃。

圖3 高溫拉伸試驗(yàn)方案示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

圖4為試驗(yàn)鋼種在1 s-1變形速率和60%的壓縮變形下不同變形溫度時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可見(jiàn)此類鋼種的屈服平臺(tái)不明顯，故在每個(gè)溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中選取變形量0.2時(shí)的應(yīng)力作為該溫度下的流變應(yīng)力，可以得到如圖5所示的流變應(yīng)力-變形溫度曲線。從圖5可以看出：當(dāng)變形溫度大于925 ℃時(shí)，隨著變形溫度的升高，流變應(yīng)力逐漸降低；當(dāng)變形溫度小于875 ℃時(shí)，流變應(yīng)力同樣隨著變形溫度的升高而降低；變形溫度在875～925 ℃時(shí)，流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高反而升高，發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因在于試驗(yàn)鋼種在這個(gè)溫度下發(fā)生相變，而在同樣的變形溫度下，鐵素體的流變應(yīng)力小于奧氏體，所以在這個(gè)溫度范圍內(nèi)發(fā)生了流變應(yīng)力的突變[11]。

圖4 試驗(yàn)鋼種的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 試驗(yàn)鋼種的應(yīng)力-變形溫度曲線

圖6為試驗(yàn)鋼種高溫拉伸后斷裂試樣形貌。拉伸后照片顯示：在850 ℃拉伸時(shí)，試樣斷裂在試樣中部，該位置為試驗(yàn)設(shè)定拉伸溫度下試樣長(zhǎng)度方向上溫度最高位置，斷裂發(fā)生在此處說(shuō)明該位置為變形抗力最小的部位。在850 ℃條件下，該鋼種已經(jīng)進(jìn)入鐵素體區(qū)，兩側(cè)往夾具方向的溫度呈梯度降低。由圖5可知：低于850 ℃后，溫度越低變形抗力越大，中心溫度850 ℃處變形抗力最小，兩側(cè)變形抗力隨著溫度的降低而增加，因此斷裂發(fā)生在試樣中部。

圖6 試驗(yàn)鋼種高溫拉伸后斷裂試樣形貌

在溫度為900、925、950和975 ℃拉伸時(shí)，試樣發(fā)生兩次頸縮，兩次頸縮均不在試樣最中心處，最終斷裂在其中一個(gè)頸縮處，說(shuō)明在這4個(gè)變形溫度下，試樣上變形抗力最小的部位不在試樣中部，而是在接近試樣兩側(cè)低于設(shè)定溫度的部位。如果試樣在單相區(qū)變形，這與金屬隨變形溫度增加而變形抗力減小的規(guī)律不符合，因此在這個(gè)溫度下，變形金屬處在從奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的區(qū)域，斷裂處對(duì)應(yīng)變形抗力最小的位置。該現(xiàn)象和圖5的變形抗力情況吻合較好。

在1 000 和1 050 ℃拉伸時(shí)，試樣在靠近兩側(cè)處發(fā)生輕微頸縮，顯示在變形開(kāi)始階段，變形抗力最小的位置為加熱段兩側(cè)而非試樣最中心，這個(gè)結(jié)論在圖5中可以得到驗(yàn)證。最終頸縮及斷裂發(fā)生在試樣中心處，可能與中心處試樣發(fā)生再結(jié)晶，比加工硬化態(tài)的加熱段兩端位置實(shí)際變形抗力更小有關(guān)。

在實(shí)際軋制過(guò)程中，板坯寬度方向溫度不均，尤其是板坯邊角部溫度過(guò)低。板坯變形時(shí)邊角部首先進(jìn)入兩相區(qū)，此時(shí)該位置變形抗力最小，導(dǎo)致軋制寬展時(shí)各個(gè)部分變形不均勻，邊角部首先發(fā)生了超過(guò)其他位置的金屬變形。在后續(xù)進(jìn)一步的軋制過(guò)程中，過(guò)多變形的金屬被壓扁，邊角部分發(fā)生皺褶并伴隨寬展過(guò)程轉(zhuǎn)移到鋼板的上、下表面，形成邊部線狀缺陷，如圖7所示。

圖7 鋼板邊部線狀缺陷形成示意圖

3 工業(yè)生產(chǎn)驗(yàn)證

由上述討論結(jié)果可見(jiàn)：鋼板邊部進(jìn)入兩相區(qū)軋制時(shí)，不均勻變形導(dǎo)致邊部線狀缺陷產(chǎn)生。如果調(diào)整軋制溫度，保證鋼板邊部也為奧氏體，則理論上可以避免邊部線狀缺陷的產(chǎn)生。為了驗(yàn)證該結(jié)論，在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行了不同加熱溫度的試驗(yàn)。在加熱爐內(nèi)對(duì)板坯加熱時(shí)，加熱溫度分別為1 200 和1 150 ℃，出爐后以同樣的除鱗及軋制規(guī)程進(jìn)行軋制，終軋溫度分別為960 和919 ℃。對(duì)鋼卷開(kāi)卷后取樣觀察，加熱溫度為1 200 ℃的鋼卷未發(fā)現(xiàn)邊部線狀缺陷，如圖8(a)所示，而加熱溫度為1 150 ℃的鋼卷則發(fā)現(xiàn)了邊部線狀缺陷，見(jiàn)圖8(b)。

圖8 不同加熱溫度軋制后鋼板邊部形貌

4 結(jié)論

1) 試驗(yàn)鋼種在兩相區(qū)內(nèi)變形抗力不隨變形溫度的升高而降低，有明顯的拐點(diǎn)現(xiàn)象，變形抗力出現(xiàn)極小值。

2) 兩相區(qū)變形抗力的降低導(dǎo)致邊部變形不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致邊部線狀缺陷的產(chǎn)生。

3) 通過(guò)調(diào)整加熱溫度而提高軋制溫度避開(kāi)兩相區(qū)變形，可以避免邊部線狀缺陷的出現(xiàn)。

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