IF鋼熱軋邊部線狀缺陷產生機理

游慧超，王東城，杲 通，王海波，張 文

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽 馬鞍山 243011； 2. 燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 前言

在超低碳鋼中加入Ti、Nb等元素，使鋼中的C、N原子完全以碳、氮化物形式從基體中析出，基體呈無間隙原子狀態，這種鋼稱為無間隙原子鋼(Interstitial Free Steel，以下簡稱IF鋼)[1]。上世紀90年代以來，隨著冶金工業與汽車工業的不斷發展，IF鋼得到廣泛發展和大量應用[2-3]。馬鋼在進行IF鋼熱軋生產時，經常會在帶鋼邊部出現各種表面缺陷，最突出的是邊部線狀(翹皮或黑線)缺陷。此類突出缺陷不能消除或改善，在下游工序(如酸軋機組)生產時需要大量切邊，否則會影響產品表面質量、損傷軋輥表面，導致廢品或停機等，客戶直接使用加工成形時也會降低成材率和加工零件的合格率。

目前，學者們關于熱軋帶鋼邊部線狀缺陷的產生機理進行過大量研究，結論分兩大類。一類觀點認為缺陷的起因與鋼區夾雜有關。例如，丁美良等人[4]通過掃描電鏡發現部分翹皮缺陷試樣含有Mg、Si、Ca等元素，與結晶器保護渣的成分接近；周旬等人[5]認為夾雜類缺陷中的夾雜物主要來源于二次氧化、結晶器卷渣、中間包卷渣和鋼包引流沙；厲小敏等人[6]認為，連鑄時結晶器保護渣卷入鑄坯表層，軋制變形后被拉長而存在于帶鋼表面，是引起帶鋼邊部翹皮缺陷的主要原因；王帥等人[7]認為熱軋板邊部縱裂缺陷根部存在保護渣成分，可以說明該類缺陷是在連鑄過程中產生的；王國棟等人[8]認為夾雜來源可能為結晶器水口保護渣卷入鑄坯內表層，經反復軋制碾壓后，保護渣上浮到熱軋板表面形成翹皮缺陷；趙愛英等人[9]通過對板卷邊部缺陷的點、面掃描，判斷缺陷內部的物質是含有結晶器保護渣成分的復合物；李德強等人[10]認為高強船板探傷不合標準是煉鋼連鑄過程中保護渣等材料卷入坯料造成的；龔桂仙[11]等人認為鋼板表面黑線是鑄坯上的原有缺陷經熱軋加熱爐進一步高溫氧化后軋制而演變的；陳書浩[12]、蘇篤星等人[13]認為中間包水口吹氬量是影響結晶器保護渣卷渣的主要因素，降低結晶器氬氣流量，控制拉速和連鑄的穩定性，使用合適的結晶器保護渣，能夠顯著降低熱軋鋼板表面翹皮缺陷。

另一類觀點認為缺陷的起因與軋區設備與工藝有關。例如，劉建潮等人[14]認為熱軋板邊部線狀缺陷的成因是在粗軋側壓過程中，邊部溫度低、進入了高溫脆性溫度區，軋制變形時發生撕裂而形成翹皮或黑線缺陷；徐海衛等人[15]認為IF鋼邊部翹皮缺陷的形成主要與精軋前部中間坯溫度較低有關；馬杰[16]等人認為，翹皮和類似缺陷的形成主要和軋制時的氧化鐵皮壓入、軋輥的表面質量等因素有關；龐啟航等人[17]認為翹皮缺陷產生的主要原因是板坯邊角部與芯部溫差過大，在熱軋過程中發生不均勻變形導致的；陳志平等人[18]提出通過加強熱軋設備的檢修和維護，減少立軋輥的側壓下量，可以減少熱軋過程中產生的翹皮；陳連生等人[19]觀測到缺陷附近組織出現混晶情況，并指出這種情況是由邊部溫降過快引起的；武彩虹等人[20]認為加熱制度和調寬量對“翹皮”缺陷的發生率有較大影響。

綜上所述，目前關于熱軋帶鋼邊部線狀缺陷的產生機理仍然沒有形成一致性的結論，需針對具體問題具體分析，才能找到其具體產生機理與對應的控制措施。為此，本文將針對馬鋼熱軋IF鋼邊部翹皮缺陷進行理論與實驗研究，揭示其具體產生機理，為控制措施的提出提供理論依據。

1 缺陷特征

IF鋼熱軋邊部線狀缺陷的宏觀形貌如圖1所示，其中左圖為表檢儀拍攝照片，右圖為實物圖。這類缺陷在帶鋼兩側(操作側與傳動側)的上、下表面均有可能發生。其微觀特征為：①沿軋制方向與帶材邊部幾乎完全平行(非常平直)；②缺陷程度較輕時呈現連續或斷續分布黑線或亮線狀，程度較嚴重時會發生翹皮現象，翹皮寬度約為1～3 mm，通常靠近邊部一側起皮，另一側仍與基體相連；③缺陷與帶材邊部距離通常小于30 mm。對翹皮缺陷進行金相觀測，結果如圖2所示。其宏觀特征為：①在帶鋼側面存在很多深淺不一的褶皺，深度約為幾十微米；②在帶鋼上表面存在很多深淺不一的溝槽，溝槽深度與側面褶皺深度基本相當，但只存在一條翹皮缺陷(框選部分)，翹皮缺陷深度達到毫米級；③帶鋼上表面溝槽與翹皮缺陷開口朝向帶鋼側面。

圖1 典型缺陷宏觀形貌

圖2 典型缺陷微觀形貌

對翹皮處進行能譜儀分析后，結果如圖3所示。由圖可知，缺陷處只有O與Fe兩條明顯峰值譜線，并無Mg、Si、Ca等元素，表明該缺陷與夾雜無關。從缺陷宏觀形貌特征也可得到類似結論，因為夾雜缺陷的形狀通常是不規則的，即使經過連續的軋制變形，其輪廓也不可能是一條非常平直的直線。由此可知，邊部線狀缺陷的形成與鋼區夾雜沒有直接關系。

圖3 能譜儀分析結果

2 缺陷產生機理

2.1 第I類褶皺

日本學者[21]認為邊部線狀缺陷的產生機理是：中間坯側面褶皺+角部金屬翻轉。如圖4所示，板坯側面存在微小的褶皺，在平軋不斷壓下過程中，板坯側面金屬形成鼓形膨脹，導致板坯角部不斷向上表面橫移，最終形成邊部線狀缺陷。

圖4 褶皺翻轉機理

關于中間坯側面褶皺的形成原理，文獻[21]認為與晶體塑性變形的各向異性有關。如圖5所示，鑄坯出加熱爐之后，其側面晶粒1-8的取向是隨機的，當進行粗軋壓下后由于不同取向晶粒沿寬度方向的流動應力存在差別，因此其寬展變形量也存在差別，從而造成側面形成大量深淺不一的褶皺，隨著軋制過程的不斷進行，部分褶皺翻轉到上表面形成邊部線狀缺陷。本文將中間坯側面的這類褶皺定義為第I類褶皺。

圖5 I類褶皺及邊部缺陷形成機理

圖2中帶鋼側面的褶皺與上表面的溝槽可以證明上述理論的正確性。然而，根據圖5所示理論可知，褶皺上翻后會形成多條線狀缺陷，同時缺陷寬度不會太大，無法解釋為什么帶鋼上表面會存在一條毫米級寬度的翹皮缺陷。從翹皮缺陷的開口方向朝向帶鋼側面這個特征判斷，翹皮缺陷的根源應該也是側面褶皺，但是這個褶皺的深度要明顯大于其它褶皺，其形成機理也應該不同于第I類褶皺。

2.2 機理推測與驗證

2.2.1 機理推測

為確定中間坯側面是否存在不同于第I類褶皺的大褶皺，在生產現場進行了持續跟蹤，當發現帶鋼表面出現線狀翹皮缺陷時，對軋機進行急停，然后在粗軋R2出口觀測中間坯側面形貌，結果如圖6所示。由圖6可知，在中間坯側面的上、下角部各存在一條大褶皺，在后續精軋7機架軋制后，這條大褶皺就會翻轉到帶鋼上表面形成線狀翹皮缺陷。進一步觀測后發現，上述大褶皺的出現具有一定的隨機性。操作側、傳動側的上、下角部有時全部出現大褶皺，有時全部沒有，有時又局部出現在某一個或兩個角部。

圖6 中間坯側面大褶皺

經過仔細分析，發現同一計劃內同種規格產品的軋制參數基本相同，加熱參數(主要是加熱溫度與加熱時間)根據軋制節奏的變化會在一定范圍內變化。因此，推測這類大褶皺的形成與加熱及冷卻過程溫度的不均勻變化有關。從力學角度分析，這類大褶皺的成因必然是褶皺部位金屬比其它部位軟，結合褶皺形成的道次，初步判斷這類褶皺的成因是由于角部溫度低于其它部位，提前進入相變區導致的。

2.2.2 溫度測量

為驗證上述結論，如圖7所示，首先在R2出口采用熱成像儀對某塊IF鋼中間坯溫度進行了實際測量。將圖7中豎線標示處的溫度提取出來，就得到中間坯從頭到尾的溫度變化曲線，結果如圖8所示。由圖8可知，中間坯的溫度從頭部到尾部逐漸降低，中部溫度比操作側與傳動側溫度始終高100多度，定性規律與生產經驗是一致的。將圖7中橫向標識處溫度提取出來，就可得到一個截面的溫度橫向分布，中間坯頭部三個典型截面溫度提取結果如表1所示。

表1 IF鋼中間坯頭部溫度實測數據

圖7 熱成像儀實測溫度

圖8 中間坯軋向溫度變化

由表1可知，在R2出口處，IF鋼中間坯的中心溫度約為1061 ℃；操作側平均溫度約為926 ℃，比中部低135 ℃；傳動側平均溫度約為937 ℃，比中部低124 ℃。在軋制工藝設計時，粗軋時是不希望中間坯發生相變的，根據相關文獻[22]，其中部溫度也確實高于γ/α相變開始溫度。但是，由于中間坯角部處于雙向換熱狀態，因此其溫度比目標溫度低很多，有可能發生了相變，但需要通過熱膨脹實驗進行進一步的確認。

2.2.3 熱膨脹實驗

將馬鋼IF鋼鑄坯加工成Ф4 mm×10 mm的小棒，然后在馬鋼技術中心通過熱膨脹儀進行相變溫度測量。由于中間坯的冷卻速度大體介于1 ℃/s與5 ℃/s之間，因此進行了兩組實驗，實驗結果如圖9所示。通過切線法可以得到：當冷卻速度為1 ℃/s時，γ/α相變開始溫度為960 ℃；當冷卻速度為5 ℃/s時，γ/α相變開始溫度為934 ℃。

對比溫度測量結果可知，在中間坯頭部的操作側溫度已經明顯低于相變開始溫度，因此其角部必然發生了相變，傳動側角部溫度略高于相變開始溫度。但觀察圖8可知，中間坯尾部溫度比頭部低30 ℃左右，那么傳動側尾部也必然會發生相變。

圖9 熱膨脹實驗結果

2.2.4 第II類褶皺

圖10為鋼的流變應力與加工溫度之間的關系。由圖可知，當溫度低于Ar3之后，將會導致流變應力發生一定程度的降低，直到溫度低于Ar1之后，流變應力才重新隨著溫度的降低而逐漸增大。

圖10 加工溫度與流變應力關系

如圖11所示，當軋制過程中中間坯的角部溫度低于Ar3時，會發生γ→α相變，從而導致流變應力沿中間坯厚度方向分布是不均勻的，當進行厚度方向壓下時，不同的流變應力導致不同的橫向寬展變形，Ar3附近的流變應力最大峰值導致側面的大褶皺，本文將這類大褶皺稱為第II類褶皺。

圖11 相變導致褶皺形成機理

3 褶皺產生與消除

通過分析可知，邊部線狀缺陷的產生機理為：側面褶皺+角部金屬翻轉，側面褶皺的形成機理又有兩類。第I類褶皺的產生機理是由于鑄坯出加熱爐后側面晶粒的隨機取向與力學特征的各項異性，這類褶皺無法完全消除，但可以通過降低晶粒尺寸降低褶皺深度，即在工藝許可的前提下盡量降低加熱溫度或減少加熱時間；第II類褶皺的產生機理是由于中間坯角部存在雙向換熱，局部溫度過低導致局部相變，在寬展變形時角部形成大褶皺，這類褶皺可以通過提高中間坯角部溫度得到完全消除或抑制，實際生產中的具體措施包括：采用倒角結晶器、矩形鑄坯切角、優化設計定寬機砧板形狀、降低邊角部冷卻水流量等。

4 結束語

(1) 熱軋帶鋼邊部線狀缺陷沿軋制方向與帶材邊部幾乎完全平行，缺陷與帶材邊部距離通常小于30 mm；在帶鋼側面存在很多深淺不一的褶皺，上表面存在很多深淺不一的溝槽，但只存在一條翹皮缺陷，翹皮缺陷深度達到毫米級，帶鋼上表面溝槽與翹皮缺陷開口朝向帶鋼側面。

(2) 從缺陷宏觀形貌與元素成分檢測結果可知，邊部線狀缺陷的形成與鋼區夾雜沒有直接關系。

(3)邊部線狀缺陷的產生機理為：側面褶皺+角部金屬翻轉，側面褶皺的形成機理又有兩類，第I類褶皺的產生機理是由于鑄坯出加熱爐后側面晶粒的隨機取向與力學特征的各項異性；第II類褶皺的產生機理是由于中間坯角部存在雙向換熱，局部溫度過低導致局部相變，在寬展變形時角部形成大褶皺。

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