熱軋含硼低碳鋼板冷軋時邊部開裂及其預(yù)防

夏小明 裴新華 黃緒傳 廖松林 王 進(jìn)

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋板廠，江蘇 南京 210039；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，江蘇 南京 210039)

隨著用戶對產(chǎn)品質(zhì)量及加工過程中成材率(切邊量減少等)要求的不斷提高，東南亞國家的冷軋鋼材用戶對熱軋鋼板質(zhì)量的要求也相應(yīng)有所提高。冷軋過程中材料將發(fā)生加工硬化，壓縮比越大，產(chǎn)品的強(qiáng)度越高、韌性越差，產(chǎn)生邊部裂紋的概率越大[1- 2]，邊部裂紋嚴(yán)重時還會導(dǎo)致冷軋斷帶[3]。現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，冷軋產(chǎn)品邊部開裂的原因主要為冷軋?jiān)暹叢坑腥毕萸医M織不均勻和冷軋工藝控制不當(dāng)?shù)?。以往在這方面的研究主要集中在冷軋?jiān)宓倪叢拷M織、邊部切邊及冷軋工藝等[4- 5]。某鋼廠生產(chǎn)的含0.01%～0.025% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))硼的熱軋低碳SPHC鋼板冷軋時出現(xiàn)了大量邊部裂紋，如圖1所示。但是同一爐次生產(chǎn)的鋼卷并未全部出現(xiàn)類似缺陷，因此可初步判定，這種缺陷與熱軋工序密切相關(guān)，而熱軋工序?qū)т撨叢拷M織影響較大的因素主要是帶鋼邊部的溫度控制。本文通過對易產(chǎn)生邊部裂紋的含硼SPHC鋼進(jìn)行了連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)研究，以探索溫度控制對SPHC鋼組織的影響，為現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的調(diào)整提供參考。

圖1 邊部開裂的冷軋鋼卷Fig.1 Coil of strip with edge cracks

1 實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 SPHC鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)裝置及工藝

試驗(yàn)在美國DSI公司的Gleeble- 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 試樣尺寸為φ8 mm×12 mm，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將試樣以10 ℃/s的速率加熱至1 200 ℃，保溫3 min后以5 ℃/s降溫至900 ℃，以20 s-1的變形速率將試樣壓縮變形50%，然后分別以0.5、5、20、40 ℃/s的速率將試樣冷卻至200 ℃以下，采集冷卻過程中試樣的溫度、徑向膨脹量，并檢驗(yàn)微觀組織。試驗(yàn)工藝如圖2所示。

圖2 SPHC鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變試驗(yàn)工藝Fig.2 Continuous cooling transformation test process for the SPHC steel

1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

SPHC鋼試樣在不同速率冷卻過程中的膨脹量隨溫度的變化如圖3所示，鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度在冷速為0.5 ℃/s時為829 ℃、5 ℃/s時為809 ℃、20 ℃/s時為806 ℃、40 ℃/s時為784 ℃，相應(yīng)的顯微組織見圖4。

圖3 SPHC鋼試樣以不同速度從900 ℃連續(xù)冷卻時其膨脹量隨溫度的變化Fig.3 Variation of swell increment of the SPHC steel specimens with temperature during continuous cooling at different rates from 900 ℃

圖4 SPHC鋼試樣以不同速度從900 ℃連續(xù)冷卻后的顯微組織Fig.4 Microstructures of the SPHC steel specimens after continuous cooling at different rates from 900 ℃

圖3表明，以不同速率從900 ℃冷卻到200 ℃時，隨著冷卻速度的加快，鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度下降，這是由于較大的奧氏體過冷度推遲了鐵素體的析出所致。以不同速率冷卻后的組織也不同，冷速越快，越易出現(xiàn)混晶組織。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝，熱軋后快速冷卻更易獲得混晶和變形組織。這是由于快速冷卻使變形鐵素體來不及再結(jié)晶所致。

現(xiàn)場某熱軋產(chǎn)品的過程數(shù)據(jù)分析表明，通過精軋工序的時間平均約為7 s，溫降平均約為150 ℃，計(jì)算可得精軋段冷卻速度約為21 ℃/s，由此可以推斷，該產(chǎn)品實(shí)際熱軋過程中鐵素體開始析出的溫度為806 ℃左右。在實(shí)際熱軋過程中，由于邊部溫降過快，易發(fā)生兩相區(qū)軋制，而由兩相區(qū)軋制產(chǎn)生的變形組織在低溫下難以回復(fù)或再結(jié)晶[6]，從而產(chǎn)生不均勻組織。組織不均勻，冷軋變形過程中變形程度不同、變形不同步，均可能導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。微裂紋的積累和擴(kuò)展，降低了材料的塑性，使材料變脆[7- 9]。

1.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了驗(yàn)證終軋溫度及卷取溫度對帶鋼邊部組織的影響，現(xiàn)場有針對性地進(jìn)行了不同溫度的軋制試驗(yàn)。

1.2.1 終軋溫度的影響

試驗(yàn)產(chǎn)品的尺寸為2.0 mm×1 235 mm，中間坯厚度、出爐溫度、粗軋終了溫度、精軋入口溫度、終軋溫度以及卷取溫度等工藝參數(shù)見表1，取樣位置及對應(yīng)的終軋溫度見表2。

表1 SPHC鋼帶的軋制試驗(yàn)溫度Table 1 Rolling test temperature of SPHC steel strip

表2 試軋鋼卷不同部位的終軋溫度Table 2 Finish- rolling temperatures in different positions of the trial- rolled coil of strip

注：操作側(cè)指軋制過程中帶鋼靠近操作人員的一側(cè)，傳動側(cè)指靠近傳動設(shè)備的一側(cè)

對1、2和3號試樣的不同部位進(jìn)行金相分析發(fā)現(xiàn)：1號試樣距邊部10 mm處的組織具有粗(混)晶和纖維狀特征，其中部和2號及3號試樣距邊部10 mm處的組織均具有粗(混)晶特征，2、3號試樣中部均為晶粒度8.0級以上的均勻組織。

出現(xiàn)纖維狀組織意味著帶鋼邊部在精軋后段機(jī)架的軋制溫度處于單相鐵素體區(qū)，因?yàn)檐堉坪笞冃谓M織沒有再結(jié)晶，保留了嚴(yán)重的加工硬化狀態(tài)和纖維狀特征，材料的塑形很差，冷軋變形時邊部易開裂。

這種邊部纖維狀組織除了引起邊部開裂外，對于冷軋的板形控制也非常不利。因?yàn)榇嬖谶叢坷w維狀組織的帶鋼在近邊部處一定有粗大的混晶組織，這是因?yàn)樵趯捪蛏蠝囟鹊淖兓偸怯筛叩降?，即存在過渡區(qū)，粗混晶組織區(qū)越寬，材料的塑性反而得到改善[10]，因此冷軋產(chǎn)生邊部裂紋的同時還常常導(dǎo)致次邊部呈浪形，這在用戶的質(zhì)量反饋信息中也得到了證實(shí)。

1.2.2 卷取溫度的影響

根據(jù)鐵素體的回復(fù)再結(jié)晶特性，提高卷取溫度有利于晶粒回復(fù)，上述試驗(yàn)結(jié)果也表明層流冷卻采用緩冷有利于減少混晶。為此，分別進(jìn)行了620和660 ℃兩種卷取溫度的工藝試驗(yàn)，以驗(yàn)證其對帶鋼組織和性能的影響。表3為在兩種卷取溫度的條件下距帶鋼邊部20 mm處的組織和硬度。從表3可以看出，帶鋼的頭部和邊部組織主要以粗(混)晶為主，但越靠近帶鋼尾部，其邊部有疑似纖維狀的組織，顯微硬度也較高，后續(xù)冷軋時有邊部開裂的風(fēng)險[10]。卷取溫度較高時，在鋼卷空冷的過程中晶粒得到一定程度的回復(fù)。由以上的試驗(yàn)分析可見，采用較高的卷取溫度可改善帶鋼的纖維狀組織，降低邊部組織的加工硬化程度。終軋溫度相同時，卷取溫度的提高有利于降低材料硬度，并明顯降低出現(xiàn)纖維狀組織的概率。

表3 在兩種溫度卷取的帶鋼的邊部組織和硬度Table 3 Microstructures and hardness on the edge of strip coiled at two temperatures

2 熱軋工藝調(diào)整與效果

2.1 熱軋工藝調(diào)整

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與現(xiàn)場大生產(chǎn)試驗(yàn)的結(jié)果，對生產(chǎn)線的工藝進(jìn)行了有針對性的調(diào)整，即提高精軋入口溫度，從而提高精軋出口溫度，同時也相應(yīng)提高卷取溫度，以改善帶鋼的邊部組織。

具體的熱軋工藝參數(shù)列于表4，即保持出爐溫度、中間坯厚度、終軋溫度，減少粗軋與精軋的除鱗道次，適當(dāng)升高卷取溫度。由于主要是2.0 mm厚的產(chǎn)品，采用調(diào)整前除鱗工藝，帶鋼至少有1/3長度的終軋溫度低于870 ℃，因此雖然目標(biāo)終軋溫度未變，但實(shí)際終軋溫度因精軋入口溫度的大幅提高而有明顯提升。如圖5所示，統(tǒng)計(jì)了熱軋工藝調(diào)整前、后每月生產(chǎn)的數(shù)千卷帶鋼的平均終軋溫度，3月份為工藝調(diào)整前的實(shí)際平均終軋溫度，4～7月份為工藝調(diào)整后的平均終軋溫度，由此可知，工藝調(diào)整后實(shí)際平均終軋溫度比調(diào)整前升高了10～12 ℃。

2.2 調(diào)整效果

2.2.1 顯微組織改善

圖6、圖7分別為熱軋工藝調(diào)整前、后鋼卷邊部的顯微組織?？梢钥闯?，調(diào)整前鋼卷寬度方向最邊部有纖維狀組織， 調(diào)整后則改變?yōu)榇只炀ЫM織；在距邊部20 mm處，調(diào)整前有粗大混晶組織，調(diào)整后僅有粗晶組織，考慮到距邊部10 mm以上的切邊量，熱軋工藝調(diào)整后鋼卷最邊部僅有粗晶組織。

表4 調(diào)整前、后的熱軋工藝參數(shù)Table 4 Hot- rolling process parameters adjusted and not adjusted

圖5 熱軋工藝調(diào)整前后帶鋼的平均終軋溫度Fig.5 Average finish- rolling temperatures of the steel strip before and after adjustment of hot rolling process

圖6 熱軋工藝調(diào)整前距帶鋼邊部0(a)和20 mm(b)處的顯微組織Fig.6 Microstructures of at 0 (a) and 20 mm (b) from edge of the strip before adjusting hot- rolling process

圖7 熱軋工藝調(diào)整后距帶鋼邊部0(a)和20 mm(b)處的顯微組織Fig.7 Microstructures of at 0(a) and 20 mm(b) from edge of the strip after adjusting hot- rolling process

2.2.2 冷軋后帶鋼邊部開裂的減少

調(diào)整了熱軋工藝后，帶鋼冷軋邊部開裂的問題總體上已經(jīng)解決，用戶未有因邊裂而產(chǎn)生的質(zhì)量異議。

總之，在用戶識別清楚的基礎(chǔ)上，即在滿足用戶表面質(zhì)量的前提下，適當(dāng)提高終軋溫度，尤其是提高帶鋼邊部溫度，也即盡量減小帶鋼寬向溫差，從而消除邊部纖維狀組織，是保證冷軋帶鋼不發(fā)生邊裂的基本措施。另外，針對高硼鋼，采用層流緩冷與提高卷取溫度，可使晶粒回復(fù)、降低帶鋼邊部纖維狀組織出現(xiàn)的概率，即減小冷軋鋼卷邊部開裂的風(fēng)險。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)用SPHC鋼的鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度為：冷速為0.5 ℃/s時為829 ℃、5 ℃/s時為809 ℃、20 ℃/s時為806 ℃、40 ℃/s時為784 ℃。

(2)在實(shí)際熱軋中，SPHC鋼中鐵素體開始析出溫度為806 ℃左右。

(3)熱軋含硼低碳SPHC鋼時，終軋溫度對產(chǎn)品的組織有重要影響。

(4)帶鋼邊部的組織決定于其終軋溫度，而非高溫計(jì)實(shí)測的中間點(diǎn)溫度，因此除了中間點(diǎn)達(dá)到設(shè)定溫度外，更重要的是要減小帶鋼兩側(cè)的溫差。

(5)當(dāng)終軋溫度為750 ℃左右時，帶鋼會出現(xiàn)混晶甚至纖維狀組織；780 ℃左右時表層會出現(xiàn)混晶組織；800 ℃以上不易出現(xiàn)混晶組織。

(6)卷取溫度的提高有利于改善帶鋼邊部的纖維狀組織。