200系不銹鋼熱軋板邊裂分析及控制

呂春風(fēng),徐向東，廖相巍，許安文,康偉，尚德禮，黃玉平

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼聯(lián)眾（廣州）不銹鋼有限公司，廣東 廣州 510760）

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和不銹鋼冶煉技術(shù)的進(jìn)步，不銹鋼的品種、產(chǎn)量得到了迅猛發(fā)展，同時(shí)，用戶對(duì)不銹鋼的質(zhì)量要求日益嚴(yán)格，尤其是對(duì)其表面質(zhì)量要求更高。目前，奧氏體不銹鋼的產(chǎn)量（或消費(fèi)量）約占不銹鋼總產(chǎn)量（或消費(fèi)量）的75%～80%，200系不銹鋼是奧氏體不銹鋼的重要組成部分。鞍鋼聯(lián)眾（廣州）不銹鋼有限公司在生產(chǎn)200系不銹鋼過(guò)程中，20LH和20L11兩個(gè)品種經(jīng)常出現(xiàn)邊裂缺陷，不僅影響了板材產(chǎn)品的表面質(zhì)量和成材率，而且嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)順行。由于不同廠家的生產(chǎn)設(shè)備和工藝不同，邊裂產(chǎn)生的原因也不盡相同。本文分析了20LH和20L11不銹鋼熱軋板邊裂產(chǎn)生的原因，提出了控制措施，對(duì)200系不銹鋼板材的質(zhì)量控制和穩(wěn)定生產(chǎn)提供參考。

1 邊裂缺陷宏觀形貌

20LH和20L11熱軋板的生產(chǎn)工藝流程為：板坯加熱→高壓水除鱗→粗軋→精軋→卷取。20LH和20L11奧氏體不銹鋼熱軋板邊裂缺陷主要表現(xiàn)為熱軋板卷外圈裂紋較嚴(yán)重，而且薄板生產(chǎn)時(shí)邊裂更為嚴(yán)重，月統(tǒng)計(jì)邊裂比例最高達(dá)60%以上。熱軋后卷板邊裂缺陷宏觀形貌如圖1所示。

圖1 熱軋后卷板邊裂缺陷宏觀形貌Fig.1 Macroscopic Appearances of Edge Cracking Defects of Hot Rolled Coils after Hot Rolling

從圖1可見(jiàn)，卷板一側(cè)或兩側(cè)邊部呈連續(xù)或間斷的樹(shù)皮狀或明顯的鋸齒狀，有的裂紋向內(nèi)延伸，最深可從邊部向中部延伸約20 mm。

2 邊裂原因分析

2.1 夾雜物評(píng)價(jià)與分析

在出現(xiàn)邊裂缺陷的熱軋板上切取金相試樣，每個(gè)品種取5個(gè)不同部位的金相試樣，試樣經(jīng)磨制、拋光后，在LEICA DM4000M型金相顯微鏡上觀察夾雜物。每個(gè)試樣取5個(gè)視場(chǎng)，利用圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)夾雜物的數(shù)量和尺寸，求其平均值，得到該試樣在單位面積上夾雜物的數(shù)量，分析夾雜物對(duì)邊裂缺陷的影響。各尺寸范圍內(nèi)夾雜物數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 各尺寸范圍內(nèi)夾雜物的數(shù)量Table 1 Numbers of Inclusions with All Sizes numbers/mm2

由表1得出，20LH和20L11不銹鋼試樣中夾雜物總數(shù)量分別為181和206個(gè)/mm，夾雜物控制水平較好。從夾雜物的粒徑分布看，主要以粒徑小于1 μm的細(xì)小夾雜物為主，大顆粒夾雜物較少，粒徑大于3 μm的夾雜物更少。因此，20LH和20L11不銹鋼中夾雜物對(duì)熱軋板邊裂的影響不大。

2.2 Cu、Mn、Cr元素偏析分析

試樣化學(xué)成分見(jiàn)表2。由表2看出，20LH和20L11不銹鋼中含有一定量的Cu，鑄坯軋制再加熱時(shí)銅易在晶界偏聚，高溫下導(dǎo)致鋼材熱脆，易引起熱軋板的邊裂缺陷。另外，Mn、Cr含量較高易產(chǎn)生偏析現(xiàn)象。因此，對(duì)20LH和20L11熱軋板邊裂缺陷試樣進(jìn)行了Cu、Mn、Cr元素的偏析分析。

表2 試樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical Compositions in Samples （Mass Fraction） %

首先將邊部試樣磨制、拋光后，采用王水對(duì)其表面進(jìn)行腐蝕，以顯示其組織和奧氏體晶界，然后在EPMA1610電子探針上對(duì)試樣進(jìn)行面掃描，以檢測(cè)試樣的成分偏析情況，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 20LH不銹鋼Cu、Mn、Cr元素面掃描結(jié)果Fig.2 Checking Results of Elements such as Cu,Mn and Cr in 20LH Stainless Steel by Scanning

圖3 20L11不銹鋼Cu、Mn、Cr元素面掃描結(jié)果Fig.3 Checking Results of Elements Such as Cu,Mn and Cr in 20L11 Stainless Steel by Scanning

由圖2、圖3可見(jiàn)，20LH和20L11不銹鋼邊部試樣中，無(wú)論是晶粒內(nèi)部還是晶界處，均未出現(xiàn)Cu、Mn、Cr元素偏析現(xiàn)象，說(shuō)明20LH和20L11不銹鋼中Cu、Mn、Cr元素分布比較均勻，控制較好，熱軋板邊裂缺陷不是Cu、Mn、Cr元素偏析引起的。

2.3 加熱制度對(duì)邊裂的影響分析

2.3.1 加熱溫度對(duì)邊裂的影響

加熱溫度主要影響奧氏體不銹鋼晶粒的大小，影響鋼的熱塑性，直接決定奧氏體不銹鋼的熱加工性能、表面質(zhì)量和力學(xué)性能。若奧氏體晶粒度控制不佳，會(huì)直接造成熱加工過(guò)程中的邊裂和表面缺陷。生產(chǎn)中，不銹鋼的加熱溫度超過(guò)1 220℃時(shí)，產(chǎn)生邊裂的比例明顯增大，在此條件下，隨著熱變形總量的加大和軋制溫度的降低，邊裂比例增大的可能性也要增加。表3為不同厚度20LH不銹鋼鑄坯出爐溫度與熱軋后鋼板邊裂的關(guān)系。

表3 不同厚度20LH不銹鋼鑄坯出爐溫度與熱軋后鋼板邊裂的關(guān)系Table 3 Relationship between Temperature of Casting Blanks of 20LH Stainless Steel Discharged from Heating Furnace and Edge Cracks of Steel Sheets with Different Thickness after Hot Rolling

由表3看出，厚度為1.75 mm和1.85 mm的熱軋薄板鑄坯出爐溫度越高，邊裂比例越大。但是溫度太低軋制過(guò)程中的溫降會(huì)影響帶尾的軋制。為保證加工時(shí)的熱塑性，加熱溫度不應(yīng)高于1 220℃。

2.3.2 加熱時(shí)間對(duì)邊裂的影響

在相同的加熱溫度下，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體晶粒度相應(yīng)增大，會(huì)造成軋制過(guò)程發(fā)生邊裂缺陷，同時(shí)產(chǎn)生氧化嚴(yán)重、氧化鐵皮難去除等問(wèn)題，因此，選擇合適的在爐時(shí)間非常重要。 圖 4為20LH不銹鋼鑄坯晶粒度與在爐時(shí)間的關(guān)系。

圖4 20LH不銹鋼鑄坯晶粒度與在爐時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between Grain Sizes of Casting Blanks of 20LH Stainless Steel and Their Heating Time

由圖4可見(jiàn)，在爐時(shí)間增長(zhǎng)，晶粒變大。由此推斷，鋼的熱塑性隨在爐時(shí)間的增加而降低，從而導(dǎo)致熱軋板的邊裂缺陷。

圖5 為20LH薄板的邊裂比例與在爐時(shí)間的關(guān)系。由圖5可見(jiàn)，隨著在爐時(shí)間的增長(zhǎng)，邊裂比例明顯增大。鞍鋼聯(lián)眾(廣州)不銹鋼有限公司在20LH和20L11不銹鋼生產(chǎn)中，鑄坯在爐加熱時(shí)間基本達(dá)到了260 min以上，并且各段爐氣溫度較高。據(jù)此判斷，在爐時(shí)間過(guò)長(zhǎng)并且加熱溫度偏高是導(dǎo)致邊裂的重要原因。因此，需要對(duì)加熱制度進(jìn)行優(yōu)化，避免邊裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖5 20LH薄板的邊裂比例與在爐時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between Ratio of Edge Cracks of 20LH Stainless Steel Sheets and Their Heating Time

2.4 20LH和20L11不銹鋼熱塑性分析

為了進(jìn)一步分析和研究20LH和20L11不銹鋼的熱塑性，取厚度為26 mm的中間坯試樣，在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了熱-力模擬試驗(yàn)，在700～1 200℃溫度區(qū)間進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析試樣的熱塑性。20LH和20L11不銹鋼熱塑性曲線見(jiàn)圖6。

圖6 20LH和20L11不銹鋼熱塑性曲線Fig.6 Thermoplastic Curves of 20LH and 20L11 Stainless Steels

由圖6可見(jiàn)，20LH鋼斷面收縮率隨溫度的增加呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，但過(guò)程不穩(wěn)定，僅在970～1 120℃范圍內(nèi)斷面收縮率在60%以上，表現(xiàn)出了良好的塑性；而低于970℃時(shí)，隨著溫度的降低，塑性急劇惡化；溫度為1 120～1 200℃范圍內(nèi)時(shí)，斷面收縮率均低于60%，塑性先降低后升高，塑性不高。20L11鋼斷面收縮率與20LH鋼類似，但整體好于20LH，850～1 200℃范圍內(nèi)斷面收縮率大于60%，表現(xiàn)出良好的塑性，在950℃時(shí)塑性最好，斷面收縮率達(dá)到了83.19%，950～1 200℃范圍內(nèi)時(shí)，塑性先降低后升高，在1 000℃時(shí)塑性較差，斷面收縮率僅為60.31%；而低于850℃時(shí)，隨著溫度的降低，塑性惡化嚴(yán)重。

上述分析后得出結(jié)論，20LH鋼試樣在700～1 200℃范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低，在970～1 120℃范圍內(nèi)，斷面收縮率維持在相對(duì)較好的水平 （但也僅為60%～69%）。20L11鋼試樣在850～1 200℃范圍內(nèi)，斷面收縮率維持在相對(duì)較好的水平（為62%～83%）。熱塑性曲線雖為熱軋態(tài)，晶粒度細(xì)小，但熱塑性能較差，該鋼種鑄態(tài)下的熱塑性會(huì)更差。

3 控制措施及效果

根據(jù)上述的分析結(jié)果優(yōu)化了加熱制度，雙爐生產(chǎn)薄板時(shí)要求單爐入料，鑄坯在爐時(shí)間控制在200～240 min；鑄坯在爐升溫過(guò)程緩慢加熱，出爐溫度控制在（1 210±5）℃。加熱制度優(yōu)化后，20LH和20L11不銹鋼的熱塑性曲線見(jiàn)圖7。

圖7 20LH和20L11不銹鋼優(yōu)化后熱塑性曲線Fig.7 Thermoplastic Curves of 20LH and 20L11 Stainless Steels after Optimization

由圖7可以看出，優(yōu)化后的20LH和20L11不銹鋼熱塑性得到了明顯改善。20LH鋼在800～1 200℃范圍內(nèi)斷面收縮率均大于60%，在900～1 050℃范圍內(nèi)達(dá)到 80%以上；20L11鋼在800～1 100℃范圍內(nèi)斷面收縮率達(dá)到了75%以上，在900～1 000℃范圍內(nèi)達(dá)到80%以上。兩個(gè)鋼種均表現(xiàn)出了良好的塑性。

表4 為優(yōu)化前后20LH熱軋板邊裂比例、切除的卷數(shù)及重量的對(duì)比。由表4可見(jiàn)，優(yōu)化后邊裂切除的卷數(shù)和重量都明顯減少，邊裂比例下降，2019年4～6月份邊裂比例已降至3%以下，控制比較穩(wěn)定。

表4 優(yōu)化前后20LH熱軋板邊裂比例、切除的卷數(shù)及重量的對(duì)比Table 4 Comparison of Ratio of Edge Cracks,Numbers of Excision Rolls and Cutting Weight of 20LH Hot Rolled Sheets before and after Optimization

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)20LH和20L11不銹鋼熱軋板邊裂缺陷問(wèn)題分析了鑄坯夾雜物、Cu和Mn等元素偏析以及加熱制度對(duì)邊裂缺陷的影響，認(rèn)為加熱制度不合理導(dǎo)致高溫?zé)崴苄暂^差是熱軋板邊裂的直接原因。通過(guò)優(yōu)化加熱制度，鑄坯出爐溫度從1 220℃降低到（1 210±5）℃，雙爐生產(chǎn)薄板時(shí)單爐入料,使鑄坯在爐加熱時(shí)間由260 min降至200～240 min，20LH和20L11不銹鋼熱軋板邊裂比例穩(wěn)定降至3%以下，鑄坯質(zhì)量得到提高。