高強(qiáng)鋼熱軋卷板邊部翹皮的原因分析及控制實(shí)踐

郭銀濤，趙鐵成，余作朋，李會(huì)亞，溫巨文，尹寬，  李陽(yáng)

（唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北唐山，063000）

摘  要：為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，唐鋼不銹鋼公司不斷向高端汽車用鋼領(lǐng)域市場(chǎng)進(jìn)軍。為滿足高端產(chǎn)品的要求，對(duì)熱軋板卷表面質(zhì)量提出了更高的質(zhì)量要求。卷板邊部翹皮缺陷一直是困擾著高強(qiáng)鋼表面質(zhì)量提升的主要障礙。本文通過(guò)金相和電鏡分析方法確定了鑄坯角部裂紋是導(dǎo)致邊部翹皮的主要原因。為解決鑄坯角部缺陷，采取了相應(yīng)的優(yōu)化措施，最終，高強(qiáng)鋼熱軋卷板的邊部翹皮缺陷得到了有效控制。目前已形成向吉利、上汽、菲亞特、福特、寶馬等知名汽車主機(jī)廠批量供貨的能力。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼；翹皮；角裂

Cause Analysis and Control Practice of Sliver Defect of Hot Rolled Sheet of High Strength Steel

GUO Yin-Tao, ZHAO Tie-Cheng, YU Zuo-Peng, Li Hui-ya, Wen Ju-wen, YIN Kuan,  LI Yang

(Tangshan Stainless Steel Co., Ltd. Tangshan, Hebei, 063000)

Abstract : To improve enterprise competitiveness, Tangshan Stainless Steel Company has continuously entered the market of high-end automotive steel. In order to meet the requirements of high-end products, higher quality requirements for surface quality are imposed on hot rolled coils. Sliver defects at the edge of the coil have always been a major obstacle to the surface quality improvement of high-strength steel. In this paper, the metallographic and electron microscopic analysis methods are used to determine that the corner crack of the slab is the main cause of edge sliver defect. In order to solve the corner defects of the slab, corresponding optimization measures were taken. Finally, the sliver defects of the high-strength steel hot-rolled coil were effectively controlled. At present, it has formed the capacity to supply quantities to well-known automobile factories, such as Geely, SAIC, Fiat, Ford and BMW.

Key words: High Strength Steel; Sliver Defect; Corner Crack

1  引言

唐鋼不銹鋼公司 1580 生產(chǎn)線產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以高強(qiáng)鋼、鍍錫基板、汽車用鋼等品種為主。近些年來(lái)，為積極響應(yīng)集團(tuán)品種結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略，唐鋼不銹鋼公司不斷向高端汽車鋼領(lǐng)域進(jìn)軍，先后通過(guò)了吉利、上汽、菲亞特、福特、寶馬等知名汽車主機(jī)廠的認(rèn)證，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量特別是表面質(zhì)量也相應(yīng)地提出了更加嚴(yán)格的要求，要求“零”缺陷出廠。然而，高強(qiáng)鋼熱軋板卷的邊部偶發(fā)翹皮缺陷，甚至有時(shí)出現(xiàn)批量翹皮缺陷，導(dǎo)致質(zhì)量叫停，帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為解決熱軋板卷邊部“翹皮”缺陷，我公司專門成立了攻關(guān)小組，以找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因并進(jìn)行產(chǎn)線工藝技術(shù)改進(jìn)。

2  生產(chǎn)工藝流程

唐鋼不銹鋼公司高強(qiáng)汽車鋼的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)脫硫→（脫磷轉(zhuǎn)爐）→脫碳轉(zhuǎn)爐→LF→（RH）→板坯連鑄機(jī)→加熱爐→高壓水除磷→粗軋→精軋→層冷→檢驗(yàn)→卷曲→成品入庫(kù)。

連鑄機(jī)為一機(jī)一流連續(xù)彎曲矯直的直弧型鑄機(jī)，結(jié)晶器為非倒角結(jié)晶器。2014年對(duì)鑄機(jī)進(jìn)行了改造升級(jí)，引進(jìn)了奧鋼聯(lián)板坯技術(shù)，新增了結(jié)晶器在線調(diào)寬、動(dòng)態(tài)配水、液面自動(dòng)控制、結(jié)晶器專家系統(tǒng)、漏鋼預(yù)報(bào)模型、動(dòng)態(tài)輕壓下、工藝優(yōu)化模型、質(zhì)量專家系統(tǒng)、切割優(yōu)化模型等技術(shù)。連鑄機(jī)的主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1. 連鑄機(jī)的主要工作參數(shù)

3  翹皮缺陷情況及原因分析

高強(qiáng)鋼的翹皮缺陷比例較高，特別是含鈮鋼的翹皮比例一直維持在1%以上。2019年以來(lái)，因批量翹皮缺陷，1580產(chǎn)線共觸發(fā)了2次質(zhì)量叫停事故。高強(qiáng)鋼的翹皮缺陷已成為1580產(chǎn)線質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)損失的主要貢獻(xiàn)者。

3.1  翹皮缺陷形貌分析

熱軋板卷的翹皮缺陷如圖1所示。該類缺陷沿軋制方向呈線條狀分布，嚴(yán)重的缺陷，脫離板卷表面而翹起或部分脫落。該類缺陷主要集中在邊部50mm以內(nèi)，寬1~5 mm，長(zhǎng) 10~500mm不等。對(duì)翹皮缺陷裂紋處進(jìn)行SEM-EDS分析，得知缺陷處為氧化鐵，如圖2所示。

3.2  翹皮產(chǎn)生的原因分析

3.2.1  顯微組織分析

在如圖1所示的位置進(jìn)行取樣，選取垂直于軋制方向的截面作為觀察面，經(jīng)磨拋、腐蝕后對(duì)缺陷進(jìn)行金相觀察，如圖3所示。從圖中可看出，翹皮缺陷斷面存在三層結(jié)構(gòu)，第一層為熱板表面?zhèn)�，第三層為鋼基體側(cè)，第二層與第一層、第三層均以氧化鐵皮分隔開(kāi)。第一層和第二層存在明顯的氧化物圓點(diǎn)和脫碳現(xiàn)象，而第三層無(wú)脫碳現(xiàn)象。

圖3. 翹皮缺陷橫斷面的金相組織

在翹皮缺陷嚴(yán)重的情況下，大多數(shù)只發(fā)現(xiàn)兩層結(jié)構(gòu)，即圖3所示對(duì)的第二層和第三層，如圖4所示，未見(jiàn)第一層結(jié)構(gòu)，在第二層存在氧化圓點(diǎn)和脫碳現(xiàn)象。未見(jiàn)第一層結(jié)構(gòu)的原因在于該層結(jié)構(gòu)在軋制變形的過(guò)程中已“翹起”或脫落，從而給人以“裂紋”附近單側(cè)脫碳的“假象”。

圖4. 兩層結(jié)構(gòu)的翹皮缺陷

3.2.2  鑄坯角部質(zhì)量跟蹤

在出現(xiàn)批量翹皮缺陷時(shí)，將加熱爐內(nèi)鑄坯退出，在退出的鑄坯和連鑄場(chǎng)地堆放的鑄坯角部均觀察到角部裂紋，如圖5所示，角部裂紋均存在于振痕谷部。

圖5. 鑄坯角部裂紋形貌

3.2.3  翹皮缺陷“三層”結(jié)構(gòu)的形成原因淺析

當(dāng)連鑄坯角部表面存在裂紋時(shí)，這些裂紋中的氧化鐵和裂紋縫隙中保留的少量空氣，將在加熱爐加熱過(guò)程中不斷氧化裂紋附近的基體，使得基體中的C、Si、Mn等易氧化元素出現(xiàn)不同程度的氧化，出現(xiàn)二次氧化圓點(diǎn)和脫碳現(xiàn)象，因而，裂紋附近C、Mn、Si等元素含量低于鋼板基體。相對(duì)于鋼基體而言，裂紋附近奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度更高。在熱連軋過(guò)程中，裂紋附近率先發(fā)生奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，而遠(yuǎn)離裂紋的鋼基體仍處于奧氏體溫度區(qū)間。因此，鋼基體與裂紋脫碳層的界面處將產(chǎn)生脆化，該界面在后續(xù)軋制變形過(guò)程中將裂開(kāi)與基體脫離，隨后軋入鋼板表面。如圖3和4所示，第二層與第三層能夠嚙合，且第二層與第三層間的氧化鐵皮厚度為10~20μm，這與韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵測(cè)得的精軋F3出口熱軋板表面氧化鐵皮厚度相當(dāng)^[1]，印證了上述推斷的合理性。

4  鑄坯角部裂紋產(chǎn)生的原因分析

4.1  角部裂紋的宏觀形貌

將鑄坯從角裂處折斷，觀察到了黑褐色的氧化痕跡，滲透至基體內(nèi)3~4mm，如圖6所示。沿鑄坯角部45°線切割，并磨拋成金相試樣，置于電子顯微鏡和金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋滲透至基體內(nèi)部10mm，如圖7所示。據(jù)文獻(xiàn)^[2]報(bào)道，裂紋深度小于2mm的在加熱爐可被氧化鐵皮去除，大于2mm的則可能遺傳至板卷表面形成表面缺陷。

4.2  角部裂紋的顯微分析

為進(jìn)一步觀察角部裂紋的形貌，分析裂紋產(chǎn)生的原因，采用SEM-EDS分析技術(shù)，對(duì)裂紋內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行成分分析。同時(shí)，采用4%硝酸酒精溶液對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，置于金相顯微鏡下觀察裂紋形貌及裂紋附近的組織狀態(tài)。

圖8示出了角裂的電子圖像，并給出了裂紋處的能譜圖。發(fā)現(xiàn)裂紋縫隙最寬可達(dá)100μm，縫隙處均為氧化鐵，這說(shuō)明裂紋產(chǎn)生于連鑄高溫段。

圖8. 鑄坯角裂的SEM-EDS分析結(jié)果

在金相顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了形貌截然不同的兩類裂紋，如圖9所示。第一類裂紋靠近于鑄坯表面，裂紋寬度較寬，附近存在120~150μm的脫碳層，說(shuō)明該類裂紋形成于高溫階段。第二類裂紋為細(xì)小裂紋，存在于整條裂紋的末端，沿晶界分布，裂紋附近無(wú)脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明該類裂紋可能形成于低溫階段。當(dāng)鑄坯角部溫度降至A3溫度以下時(shí)，沿原奧氏體晶界析出先共析鐵素體膜和沉淀出碳氮化物粒子，大幅降低晶界強(qiáng)度，若此時(shí)鑄坯受到機(jī)械應(yīng)力（如矯直力），則易形成第二類裂紋。

圖9. 兩類不同形貌特征的裂紋

如圖10所示，在裂紋的不同深度附近，存在著組織差異，即裂紋附近的鐵素體晶粒明顯細(xì)于周圍基體，且裂紋深度越深，鐵素體晶粒細(xì)化程度越大。在拉坯過(guò)程中，鑄坯發(fā)生彎曲-矯直變形，初始裂紋的端部存在著應(yīng)力/應(yīng)變集中，當(dāng)應(yīng)力/應(yīng)變超過(guò)允許的臨界值后，裂紋將向基體內(nèi)部擴(kuò)展以釋放能量。但是，在裂紋擴(kuò)展路徑的附近可能依然儲(chǔ)存著較大的畸變能，在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，可提高鐵素體形核率，從而細(xì)化了鐵素體晶粒。隨著裂紋深度增加，裂紋附近儲(chǔ)存的畸變能越高，這就導(dǎo)致了隨裂紋深度越深，晶粒細(xì)化越顯著。以上現(xiàn)象也說(shuō)明裂紋產(chǎn)生于A3溫度以上。

圖10. 裂紋不同深度處的組織特征

4.3  角部裂紋的產(chǎn)生原因

4.3.1  設(shè)備精度

對(duì)產(chǎn)后連鑄機(jī)精度進(jìn)行確認(rèn)，如圖11所示。發(fā)現(xiàn)彎曲段的對(duì)弧和輥縫超差嚴(yán)重，這使得鑄坯在高溫段受到較大的機(jī)械應(yīng)力，從而在高溫段即產(chǎn)生裂紋，這與圖8-10所分析的結(jié)果相吻合。

圖11. 產(chǎn)后連鑄機(jī)對(duì)�。ㄉ希┖洼伩p（下）曲線

4.3.2  矯直脆性溫度區(qū)間的研究

選取典型的含鋁鋼（[Al]=0.03-0.05%）和含鈮鋼（[Al]=0.03-0.05%、[Nb]=0.04-0.06%）作為對(duì)象，研究低溫脆性區(qū)間。從連鑄坯上取試樣，加工成Ф10mm×120mm拉伸試樣，在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上加熱到1350℃，保溫5min，然后以3℃/s的速度冷卻至試驗(yàn)溫度并保溫2min，隨后以10^-3/s的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸，測(cè)定拉斷試樣的斷面收縮率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12. 含鋁鋼和含鈮鋼的低溫?zé)崴苄郧�線

由圖12可知，以斷面收縮率50%作為鑄坯韌-脆性臨界值^[3]，含鋁鋼的脆性溫度區(qū)間為725~830℃，含鈮鋼的為750~975℃。在現(xiàn)有二冷制度下，測(cè)得矯直區(qū)鑄坯邊角部溫度約為900~940℃，可避開(kāi)含鋁鋼的脆性溫度區(qū)間，而無(wú)法避開(kāi)含鈮鋼的脆性區(qū)。

5  解決措施及效果

從上述分析可知，翹皮缺陷主要遺傳于鑄坯角裂，而鑄坯角裂主要形成于連鑄高溫段，在矯直段裂紋進(jìn)一步形成和擴(kuò)展。從改善振痕形貌、降低鑄坯異常機(jī)械受力和避開(kāi)矯直裂紋敏感性等方面入手，采取了以下措施：

（1） 降低結(jié)晶器振動(dòng)負(fù)滑脫時(shí)間，由0.15~0.155s降低至0.13s以下，同時(shí)，適當(dāng)提高保護(hù)渣堿度，降低粘度和熔化溫度，減小振痕深度。

（2） 含鈮鋼采用較強(qiáng)的二冷水表，以避開(kāi)矯直裂紋的敏感溫度區(qū)。

（3） 高強(qiáng)鋼生產(chǎn)前必須對(duì)連鑄機(jī)精度進(jìn)行確認(rèn)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求才安排高強(qiáng)鋼生產(chǎn)。

（4） 線下采取OPAL對(duì)扇形段碼輥精度進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)規(guī)定調(diào)整墊片數(shù)量≤3個(gè)。

（5） 加強(qiáng)線上鑄機(jī)精度監(jiān)控，根據(jù)鑄機(jī)對(duì)弧和輥縫精度趨勢(shì)的跟蹤情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鑄機(jī)精度問(wèn)題，提出檢修計(jì)劃。

通過(guò)上述措施的實(shí)施，高強(qiáng)鋼熱卷邊部翹皮缺陷得到了有效控制，翹皮缺陷比例可穩(wěn)定控制在0.45%以下，可向吉利、上汽、菲亞特、福特、寶馬等知名汽車主機(jī)廠進(jìn)行穩(wěn)定、批量供貨。

6  結(jié)論

通過(guò)SEM-EDS、金相顯微鏡、Gleeble等研究手段，研究了邊部翹皮形成的原因，獲得了鑄坯低溫脆性區(qū)間，采取了針對(duì)性措施，缺陷得到了有效控制。主要結(jié)論如下：

1） 觀察到了高強(qiáng)鋼板卷翹皮缺陷橫截面的三層結(jié)構(gòu)，并解釋了該結(jié)構(gòu)的形成原因。

2） 高強(qiáng)鋼板卷邊部翹皮缺陷主要源自于鑄坯角部裂紋。

3） 鑄坯角部裂紋產(chǎn)生于高溫段，同時(shí)在矯直段新的裂紋進(jìn)一步萌發(fā)和擴(kuò)展。

4） 含鋁鋼的低溫脆性區(qū)間為720~830℃，含鈮鋼脆性區(qū)間為750~975℃。

5）通過(guò)優(yōu)化結(jié)晶器振動(dòng)，調(diào)整結(jié)晶器保護(hù)渣，采用新二冷水表，加強(qiáng)設(shè)備精度管理，高強(qiáng)鋼熱卷邊部翹皮缺陷得到了有效控制。

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