熱連軋帶鋼邊部組織對(duì)于邊部翹皮缺陷的影響

戴思源，張宇光，朱 彪，婁亞彬，白麗楊

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 前言

熱連軋過(guò)程中帶鋼的邊部缺陷是永恒的課題，而邊部缺陷中對(duì)影響最大的為邊部翹皮缺陷[1]。邊部翹皮缺陷的研究從未停止過(guò)，因各大鋼廠的裝備差異、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成分差異、工藝設(shè)計(jì)的差異等多方面原因，每個(gè)鋼廠出現(xiàn)的邊部翹皮缺陷存在著差異性，增加了翹皮缺陷研究的難度，也造成了各種關(guān)于邊部翹皮缺陷產(chǎn)生原因的爭(zhēng)論[2]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于帶鋼邊部翹皮缺陷研究的論文相當(dāng)多，且全面。多數(shù)論文中均提到邊部翹皮缺陷的產(chǎn)生可能與帶鋼邊部組織有關(guān)，邊部組織異常造成了邊部較帶鋼中部更易于產(chǎn)生翹皮缺陷[1-3]。而實(shí)際上多數(shù)論文中對(duì)于邊部組織的研究較少，更多的側(cè)重于缺陷本身的研究[4]。本文通過(guò)對(duì)低碳軟鋼、IF鋼及P強(qiáng)化鋼的邊部翹皮缺陷及邊部組織的研究，發(fā)現(xiàn)帶鋼邊部過(guò)大溫降導(dǎo)致的相變區(qū)域軋制，是造成IF鋼邊部翹皮發(fā)生率遠(yuǎn)高于其他鋼種的主要原因[5-6]。通過(guò)熱軋溫度工藝優(yōu)化，明顯降低了邊部翹皮缺陷的發(fā)生率，為IF鋼邊部翹皮提供了有效的解決思路及方法。

1 不同鋼種的翹皮發(fā)生率

統(tǒng)計(jì)某鋼廠2018年上半年年三個(gè)鋼種的翹皮發(fā)生率，發(fā)現(xiàn)三個(gè)不同的鋼種的翹皮發(fā)生率存在極大差異。其中C鋼種翹皮發(fā)生率最高，達(dá)到15.07%，A鋼種翹皮發(fā)生率最低，僅為0.64%,如表1所示。

表1 某鋼廠不同鋼種2018年上半年翹皮發(fā)生率

2 不同鋼種邊部組織

分別選取發(fā)生率較低的普碳鋼A、發(fā)生率較高的IF鋼B及P化鋼C，進(jìn)行邊部缺陷取樣，檢測(cè)邊部組織及形貌[7]。取樣的熱卷均存在邊部翹皮缺陷，取樣位置包含了翹皮缺陷所在區(qū)域，實(shí)物缺陷如圖1所示，具體取樣位置及方法如圖2所示。

圖1 鋼種A、B、C翹皮缺陷形貌

鋼種A、B、C的邊部翹皮缺陷距離帶鋼的邊部在0～30 mm范圍內(nèi)，其中鋼種A、鋼種B的邊部翹皮缺陷距離邊部相對(duì)較近，一般在0-15 mm區(qū)間，鋼種C的邊部翹皮缺陷距離邊部較遠(yuǎn)，一般在15～25 mm區(qū)間。鋼種A、鋼種B、鋼種C的邊部缺陷區(qū)域進(jìn)行光譜掃描的結(jié)果如圖2所示，缺陷中均主要為Fe、O元素，排除了鋼區(qū)夾雜、夾渣等因素的影響[8]。這也表明缺陷發(fā)生在熱軋軋制過(guò)程的可能性較大。

圖2 鋼種A、B、C缺陷表面光譜掃描結(jié)果

3 不同鋼種邊部組織的差異及產(chǎn)生原因

如圖3所示為取樣位置及檢測(cè)方法，帶鋼的寬度方向上從帶鋼兩側(cè)最邊部依次以15 mm固定間距連續(xù)取15 mm×15 mm金相樣4塊，分別用1、2、3、4表示，并在帶鋼寬度中部取金相1塊，用相塊5表示。并沿軋制方向分別對(duì)A、B、C三類鋼種的金相樣進(jìn)行組織檢測(cè)[9]，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖3 取樣位置及檢測(cè)方法

表2 試驗(yàn)樣品邊部OS側(cè)組織檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)出的三種鋼種邊部組織結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)低碳軟鋼A鋼種在距邊部0～30 mm區(qū)域內(nèi)表層與芯部均為粗大的晶粒組織，距邊部越遠(yuǎn)，晶粒逐漸正常[10]；IF軟鋼B邊部0～15 mm區(qū)間為纖維狀組織，15～30 mm開(kāi)始形成晶粒，出現(xiàn)了回復(fù)，30 mm后出現(xiàn)粗大晶粒并逐漸正常；加P強(qiáng)化鋼種C在0～30 mm區(qū)間內(nèi)均為纖維狀組織，30 mm后開(kāi)始回復(fù)并形成粗大晶粒、正常晶粒組織[11-12]。對(duì)比A、B、C三個(gè)鋼種的邊部組織，如圖4～圖6所示，由圖中可發(fā)現(xiàn)三個(gè)鋼種距邊部同樣距離區(qū)域的組織處在不同的階段，且B和C鋼種的邊部組織并非混晶組織，而是尚未恢復(fù)的鐵素體組織。這種組織的差異很可能是導(dǎo)致了三者邊部翹皮發(fā)生率及發(fā)生位置的差異。

圖4 鋼種A帶鋼邊部組織

圖5 鋼種B帶鋼邊部組織

圖6 鋼種C帶鋼邊部組織

帶鋼邊部組織的變化受到軋制過(guò)程中溫度的影響，為了保證熱軋帶鋼處于奧氏體軋制區(qū)間，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)模擬帶鋼的相變溫度[13]，并將精軋F(tuán)7機(jī)架出口的目標(biāo)溫度FDT設(shè)計(jì)在相變點(diǎn)溫度之上。但實(shí)際軋制過(guò)程中，帶鋼邊角部的溫降要遠(yuǎn)大于中部[14]，故在軋制過(guò)程中帶鋼邊角部并不會(huì)在精軋結(jié)束后發(fā)生相變，可能在精軋前機(jī)架甚至是粗軋的過(guò)程中已發(fā)生相變，并造成邊部發(fā)生相變的鐵素體在后續(xù)軋制過(guò)程中不斷回復(fù)并拉長(zhǎng)，形成圖4～圖6中的邊部組織。相變與溫度是影響邊部組織的兩大要素，經(jīng)確認(rèn)A、B、C在出爐、粗軋出口、精軋入口各階段溫度差異甚小，故普碳軟鋼A、IF軟鋼B、P強(qiáng)化鋼C的相變點(diǎn)溫度不同，是導(dǎo)致了三者邊部組織差異的主要原因[15]。

4 邊部翹皮產(chǎn)生的原因

帶鋼的邊部溫降要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶鋼中心部分，帶鋼表面的溫降要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其芯部。而在常規(guī)的熱軋產(chǎn)線上，通常只會(huì)在關(guān)鍵的幾個(gè)位置安裝測(cè)溫儀表，且僅僅是測(cè)量帶鋼中心線位置的紅外測(cè)溫儀。所以對(duì)于帶鋼邊角部溫度在軋制過(guò)程中的變化，完全處于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之外。這使得對(duì)于帶鋼邊部的研究難度遠(yuǎn)大于中心部位。但從實(shí)際取樣的邊部組織結(jié)果來(lái)看，A、B、C三個(gè)鋼種均在軋制過(guò)程中已發(fā)生了相變，且由于三者相變點(diǎn)的差異，發(fā)生相變的位置為C>B>A。C極大可能在粗軋機(jī)架時(shí)，邊部已發(fā)生了相變，表面的表層由于溫度要低于芯部，優(yōu)先由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織，而芯部尚為奧氏體組織。在帶鋼的軋制過(guò)程中，由于兩種組織變形抗力的差異，當(dāng)壓下量較大時(shí)，帶鋼的延伸達(dá)到一定程度，會(huì)導(dǎo)致邊部形成裂紋缺陷。而隨著軋制過(guò)程以及立輥的作用，邊部的裂紋缺陷翻平至表面，形成最終的邊部翹皮缺陷[16]。

為了驗(yàn)證是否帶鋼邊角部溫度過(guò)低會(huì)造成邊部組織在軋制過(guò)程中相變，通過(guò)熱成像儀表進(jìn)行了鋼種B的中間坯的溫度測(cè)量。測(cè)量位置為粗軋出口R2之后，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 鋼種B 中間坯于R2機(jī)架出口的橫向溫度測(cè)量及分布

溫度測(cè)量位于R2機(jī)架出口處，測(cè)量發(fā)現(xiàn)，此時(shí)板坯邊部溫度在920～940 ℃區(qū)間，已是該鋼種相變的臨界點(diǎn)溫度?？紤]到在中間輥道上的溫降，中間坯極大可能在中間輥道的運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生相變。此后中間坯經(jīng)過(guò)二次除鱗，溫度將進(jìn)一步降低，邊部溫降也會(huì)進(jìn)一步增大，在精軋入口時(shí)，鋼種B的中心溫度約處于980～920 ℃，邊部溫度約840 ℃左右，邊部也早已發(fā)生相變。而A、C與B鋼種軋制工藝基本一致，中間坯溫度相近，而差別主要在于相變點(diǎn)[17]。故相變點(diǎn)高的C鋼種可能在粗軋末機(jī)架已發(fā)生相變，而鋼種B根據(jù)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，在中間輥道運(yùn)輸過(guò)程已發(fā)生了相變，相變點(diǎn)低的鋼種A可能在精軋的前機(jī)架發(fā)生相變。

A、B、C三個(gè)鋼種表現(xiàn)出不同的翹皮發(fā)生率，以及距邊部距離的差異，是因?yàn)槿齻€(gè)鋼種相變點(diǎn)溫度的差異，導(dǎo)致三者邊部發(fā)生相變的區(qū)域(精軋機(jī)不同機(jī)架)發(fā)生了改變。而越早發(fā)生相變則意味越早產(chǎn)生邊部裂紋[18]，而在后續(xù)軋制過(guò)程中的邊部裂紋“上翻”的距離也就越大，缺陷距邊部越遠(yuǎn)。C鋼種可能在R2粗軋已發(fā)生相變，故其邊部翹皮缺陷距離邊部最遠(yuǎn)，一般在20 mm左右。A鋼種相變點(diǎn)溫度最低，極可能在精軋F(tuán)1之后的機(jī)架發(fā)生相變，此時(shí)的壓下量極小，已不足以產(chǎn)生邊部裂紋，或者即使產(chǎn)生邊部裂紋也不會(huì)明顯上翻，形成邊部翹皮缺陷。

5 措施及改進(jìn)效果

(1)溫度工藝優(yōu)化，提高帶鋼整體溫度。在不影響帶鋼表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上，將帶鋼的出爐目標(biāo)溫度由1 230 ℃提升至1240～1245 ℃，增加帶鋼整體溫度的均勻性同時(shí)也提高帶鋼邊部的溫度[9]，降低帶鋼在粗軋機(jī)架發(fā)生相變的幾率。

(2)投用邊部加熱器。邊部加熱器是熱軋區(qū)域?qū)т撨叢窟M(jìn)行電磁加熱的設(shè)備，設(shè)備位于精軋機(jī)前切頭剪的入口區(qū)域。帶鋼在通過(guò)邊部加熱器后，邊部溫度能夠提升50℃左右，能有效補(bǔ)償帶鋼邊部在輥道中的溫度損失。對(duì)于相變點(diǎn)較高的P強(qiáng)化鋼鋼種以及IF鋼鋼種，要求必須投用邊部加熱器，提高邊部的帶鋼溫度[19]，從而降低帶鋼邊部在精軋前機(jī)架發(fā)生相變的可能性。

(3)側(cè)壓機(jī)孔型優(yōu)化。多數(shù)鋼廠在連鑄工序使用了倒角結(jié)晶器，從而改變了鑄坯的邊角部形狀，起到了降低邊部溫降的效果。與其相似的，在熱軋板坯出爐后側(cè)壓的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)側(cè)壓機(jī)平面錘頭的修改，對(duì)錘頭進(jìn)行孔型設(shè)計(jì)，也能夠有效改變鑄坯邊部形狀[20]，從而降低帶鋼的邊部溫降。通過(guò)多輪試驗(yàn)驗(yàn)證了凸型錘頭、平面錘頭、凹型錘頭的使用效果，發(fā)現(xiàn)凹型錘頭的設(shè)計(jì)能有效改變鑄坯邊部形狀，從而降低翹皮發(fā)生率。

6 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)本文改善措施后，實(shí)踐證明某鋼廠鋼種B、C的翹皮缺陷發(fā)生率明顯下降，下半年B鋼種翹皮缺陷發(fā)生率由上半年的15%降低到5%，C鋼種的翹皮缺陷發(fā)生率由上半年的5%下降到下半年的1.4%左右。措施實(shí)施后的效果明顯，缺陷發(fā)生率如圖7所示。

圖7 措施實(shí)施后翹皮缺陷發(fā)生率

7 結(jié)論

(1)不同鋼種因成分差異，導(dǎo)致其相變點(diǎn)的不同，進(jìn)而造成不同鋼種的翹皮缺陷發(fā)生率以及距邊部距離的差異；

(2)帶鋼板面溫度分布的不均，邊部過(guò)大的溫降是造成邊部翹皮缺陷發(fā)生的主要原因，因帶鋼從中部至邊部、芯部至表面，溫度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，當(dāng)軋制過(guò)程中邊部溫度達(dá)到相變點(diǎn)時(shí)帶鋼邊部會(huì)形成不同的組織，因組織變形抗力的差異從而形成裂紋缺陷，最終因?yàn)閷捳狗街帘砻?，形成邊部翹皮缺陷。