不銹鋼薄板軋制過(guò)程中的邊裂質(zhì)量問(wèn)題與控制

1、不銹鋼薄板軋制過(guò)程中的邊裂質(zhì)量問(wèn)題與控制1.1 概述不銹鋼（Stainless Steel）是不銹耐酸鋼的簡(jiǎn)稱(chēng)，耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)或具有不銹性的鋼種稱(chēng)為不銹鋼。不銹鋼的耐蝕性隨含碳量的增加而降低，因此，大多數(shù)不銹鋼的含碳量均較低，最大不超過(guò)1.2%，有些鋼的c（含碳量）甚至低于0.03%（如00Cr12）。不銹鋼中的主要合金元素是Cr（鉻），只有當(dāng)Cr含量達(dá)到一定值時(shí)，鋼材有耐蝕性。因此，不銹鋼一般Cr（鉻）含量至少為10.5%。不銹鋼中還含有Ni、Ti、Mn、N、Nb、Mo、Si、Cu等元素。不銹鋼由于其優(yōu)良的耐蝕性、耐高溫性、良好的加工性能、外表美觀、耐用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輕工

2、、家電、建材、包裝等工業(yè)領(lǐng)域。由于不銹鋼具有加工溫度范圍窄、高溫變形抗力大、表面質(zhì)量控制困難等生產(chǎn)難點(diǎn)，使得其生產(chǎn)工藝及設(shè)備選型與普通碳鋼生產(chǎn)相比有許多不同之處。不銹鋼常按組織狀態(tài)分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼及沉淀硬化不銹鋼等，另外，可按成分分為：鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻錳氮不銹鋼等。也可以根據(jù)牌號(hào)將不銹鋼分為200系列、300系列、400系列等。每種型號(hào)的不銹鋼都有各自的性能特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體使用特性選擇合適的不銹鋼。不銹鋼薄板是一種價(jià)格不高的材料，但是客戶(hù)對(duì)它的表面質(zhì)量要求非常高。不銹薄板在生產(chǎn)過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)各種缺陷，如邊裂、劃

3、傷、麻點(diǎn)、折痕等，給生產(chǎn)成本以及穩(wěn)定性造成極大的影響。1.2 不銹鋼薄板軋制過(guò)程中的邊裂質(zhì)量問(wèn)題的定義與表現(xiàn)在不銹鋼薄板熱連軋生產(chǎn)中，卷板的兩個(gè)邊部出現(xiàn)不同深度的裂口缺陷，俗稱(chēng)邊裂或邊裂缺陷，其表現(xiàn)形式如圖1、圖2所示。圖1 某鋼鐵企業(yè)不銹鋼熱軋薄板邊裂形貌圖2 不銹鋼熱軋薄板邊裂顯微形貌1.3 不銹鋼薄板軋制過(guò)程中的邊裂質(zhì)量問(wèn)題的危害不銹鋼薄板軋制過(guò)程中，裂邊深度嚴(yán)重的達(dá)5mm15mm，輕的5mm。這不僅要求冷軋前必須切邊, 增加了冷軋工序的切邊損失，使冷軋不銹鋼廠生產(chǎn)成本增加，而且一旦裂口切不干凈，冷軋時(shí)裂口，就有擴(kuò)展和斷帶的可能性。同時(shí)熱軋軋制過(guò)程中，也存在帶鋼折斷、碎片飛出等軋制穩(wěn)定性

4、問(wèn)題和人身安全問(wèn)題。因此，熱軋邊裂已成為不銹鋼生產(chǎn)、降低成本和保障安全的重大障礙。1.4 不銹鋼薄板軋制過(guò)程中的邊裂質(zhì)量問(wèn)題的成因分析1.4.1 不銹鋼薄板軋生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介不銹鋼熱軋薄板主要由熱連軋為主，常規(guī)連軋機(jī)組有1/2 、3/4 及全連續(xù)等幾種布置型式。在滿(mǎn)足產(chǎn)量要求的前提下, 目前國(guó)內(nèi)使用較多則是單粗軋機(jī)架, 即采用1架強(qiáng)力四輥粗軋機(jī)進(jìn)行37 道次可逆軋制來(lái)滿(mǎn)足精軋的坯料要求。這種布置形式可以大大縮短粗軋區(qū)長(zhǎng)度，有利于減少板坯溫降。表1 國(guó)內(nèi)不銹鋼熱軋生產(chǎn)廠生產(chǎn)規(guī)模及機(jī)組配置序號(hào)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)品種生產(chǎn)規(guī)模機(jī)組配置熱卷箱精軋立輥1寶鋼1780mm200、300、400系I期:不銹鋼70萬(wàn)t/

5、a碳鋼216萬(wàn)t/aII期:不銹鋼144萬(wàn)t/a碳鋼216萬(wàn)t/aR1+F1F7有有2聯(lián)眾1780mm200、300、400系60萬(wàn)t/aR1+F1F7有無(wú)3太鋼2250mm300、400系不銹鋼196.4萬(wàn)t/a碳鋼196.4萬(wàn)t/aR1+F1F7有有4唐鋼1580400系為主60萬(wàn)t/aR1+F1F7有有5西南不銹1450300、400系80萬(wàn)t/aR1+F1F7有有1）加熱爐不銹鋼導(dǎo)熱能力與碳鋼有較大區(qū)別（圖3）。一般相同尺寸的不銹鋼板坯加熱時(shí)間大于碳鋼板坯，由于板坯內(nèi)外溫度差大，不銹鋼板坯的熱應(yīng)力也較碳鋼大，使得鐵素體和奧氏體不銹鋼承受因加熱速度產(chǎn)生熱應(yīng)力的能力也不盡相同。因此，尺寸較

6、長(zhǎng)的加熱爐對(duì)不銹鋼板坯的加熱控制有利。圖3 不銹鋼、普通鋼導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比2）粗軋區(qū)域不銹鋼對(duì)表面質(zhì)量要求比較高, 通常來(lái)說(shuō)在熱軋過(guò)程中通過(guò)高壓水粗除鱗去除板坯表面的一次氧化鐵皮，可最大限度地減小氧化鐵皮覆蓋層厚度。根據(jù)國(guó)內(nèi)各鋼廠的對(duì)比，除鱗噴嘴處的出口壓力設(shè)計(jì)為2025MPa較為合適。一般熱連軋粗軋機(jī)前都配置有立輥軋機(jī)，與粗軋機(jī)近接布置。用于控制帶鋼寬度和形狀，同時(shí)將板坯的邊部由鑄態(tài)組織變?yōu)檐垜B(tài)組織，避免在水平軋制中出現(xiàn)邊裂。這些功能對(duì)于防止不銹鋼的熱軋邊裂尤為重要。由于不銹鋼加工溫度范圍窄、高溫變形抗力大的特性，為了減少軋件在軋制過(guò)程中的溫降，粗軋階段采用高溫快軋、搶軋的方法。以盡可能少的軋制

7、道次將板坯軋制成中間坯厚度。因此，軋機(jī)的力能參數(shù)選擇上比同規(guī)格的碳鋼軋機(jī)要大一些。3）熱卷箱熱卷箱的主要作用是：精軋機(jī)組可以不采用升速軋制，可減少主電機(jī)功率和軋機(jī)速度，且可以縮短軋線(xiàn)長(zhǎng)度，減少投資。相同情況下可以降低板坯出爐溫度，節(jié)約加熱爐燃料，減少板坯氧化鐵皮。熱卷箱卷取時(shí)大量二次氧化鐵皮剝落，有利于氧化鐵皮的清除，減少中間坯頭尾及上、下表面溫差。因此，在國(guó)內(nèi)的不銹鋼熱軋生產(chǎn)中普遍使用熱卷箱技術(shù)。如圖4所示，熱卷箱三個(gè)階段的改造性能，無(wú)芯軸帶隔熱板熱卷箱為最近一代產(chǎn)品。圖4 熱卷箱對(duì)于帶鋼寬度方向的溫度效果對(duì)比圖4）精軋機(jī)組帶鋼精軋前可根據(jù)碳鋼和不銹鋼選用高壓水或蒸汽去除、吹掃中間坯表面氧化

8、鐵皮。在國(guó)內(nèi)不銹鋼生產(chǎn)中，精軋機(jī)組前普遍配置1架立輥軋機(jī)，對(duì)軋件起導(dǎo)向和邊部軋制的作用，通過(guò)對(duì)邊部軋制防止精軋過(guò)中軋件出現(xiàn)邊裂。精軋機(jī)組一般為67架，在力能參數(shù)的選擇原則上與粗軋機(jī)組類(lèi)似。5）軋線(xiàn)冷卻水及帶鋼冷卻系統(tǒng)在不銹鋼軋制中嚴(yán)格控制軋線(xiàn)冷卻水。中間輥道的冷卻方式采用輥身冷卻和輥頸冷卻2種方式，可分別控制。在軋制過(guò)程中嚴(yán)禁軋輥冷卻水澆漏到帶鋼表面上。層流冷卻系統(tǒng)用于精確控制帶鋼的卷取溫度。有的文獻(xiàn)中認(rèn)為不銹鋼熱軋后不進(jìn)行水冷，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解除馬氏體軋后不需水冷以外，奧氏體不銹鋼軋后需進(jìn)行水冷以達(dá)到適宜的卷取溫度，以便于更好地控制產(chǎn)品表面質(zhì)量。至于鐵素體不銹鋼由于終軋溫度比較低（800以下)

9、），軋后水冷的投入與否各生產(chǎn)廠家都不盡相同。1.4.2 典型不銹鋼薄板邊裂原因分析410S不銹鋼是一種鐵素體類(lèi)不銹鋼，這種不銹鋼具有成本低、線(xiàn)膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。然而，這種不銹鋼在熱軋制過(guò)程中很容易出現(xiàn)邊裂現(xiàn)象，從而降低了鐵素體不銹鋼產(chǎn)品的質(zhì)量，增加企業(yè)的生產(chǎn)成本，也對(duì)后道工序的加工生產(chǎn)帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)和損失。所以很有必要對(duì)410S不銹鋼熱軋制過(guò)程中的邊裂現(xiàn)象進(jìn)行研究，從而優(yōu)化軋制工藝，并在以后的生產(chǎn)加工中進(jìn)行有效的控制。1）410S不銹鋼的組成410S不銹鋼是鐵素體不銹鋼，為體心立方結(jié)構(gòu)的鐵基合金，其含Cr量一般是在1213%，典型的化學(xué)成分見(jiàn)表2。這種不銹鋼從它的C和N含量以及鑄態(tài)、熱

10、軋態(tài)的組織來(lái)看，不管是在高溫還是常溫下都不是單一鐵素體組織，其相主要有碳化物、氮化物、金屬間相和馬氏體相等。與C、N含量較低的純鐵素體不銹鋼的鑄態(tài)和熱軋態(tài)顯微組織有很大區(qū)別。表2 410S不銹鋼化學(xué)成分牌號(hào)CSiMnNMoCrNiCu410S0.0350.280.270.0310.0212.450.150.032）碳化物和氮化合物對(duì)邊裂的影響大量的研究表明，碳和氮元素在鐵素體中的溶解度非常低。一般在含鉻25%的鐵素體類(lèi)不銹鋼中，在1092時(shí)，碳在鐵素體中的溶解度僅為0.04%,而在927時(shí)為0.003%，溫度再低就降到了0.003%以下；當(dāng)溫度在927以上時(shí)，氮在鐵素體中的溶解度為0.022%

11、，而在593僅為0.005%。因此，這類(lèi)不銹鋼在高溫加熱，還是在隨后的冷卻過(guò)程中，就算是急速冷卻，也往往難以阻止碳化物和氮化物的析出。碳化物主要是(Cr，F(xiàn)e)23C6 和(Cr，F(xiàn)e)7C3；氮化合物主要為CrN和Cr2N。鐵素體不銹鋼中的碳化物和氮化物對(duì)其性能將產(chǎn)生消極的影響。主要表現(xiàn)在對(duì)韌性、耐腐蝕性和缺口敏感性等的影響上。使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度變高。碳元素和氮元素能夠強(qiáng)烈的形成和穩(wěn)定奧氏體，并擴(kuò)大FeCr合金中區(qū)，從而使+兩相區(qū)向Cr含量更高的方向發(fā)展，因此，鐵素體不銹鋼就可能出現(xiàn)鐵素體和馬氏體或者奧氏體雙向結(jié)構(gòu)。這些都會(huì)是鐵素體不銹鋼的沖擊韌性降低，脆性增加，是鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯升高。

12、碳和氮的析出物也常常會(huì)成為應(yīng)力集中地裂紋源。因此，在410S不銹鋼的熱軋中，盡力控制碳和氮元素的析出物對(duì)邊裂的影響。3）各金屬元素對(duì)邊裂的影響鉻元素對(duì)鐵素體不銹鋼的影響主要是加速了相和相的形成，并使鐵素體晶粒更加的粗大，從而使鐵素體不銹鋼的脆化傾向增加。鉬元素更加能夠促進(jìn)鐵素體不銹鋼中相和相的形成，尤其是相的形成，使不銹鋼的強(qiáng)度和硬度提高，而使鋼的塑性和韌性降低，對(duì)邊裂也是有促進(jìn)作用。鎳元素與碳和氮相似，都可以使FeCr合金的+兩相區(qū)向Cr含量更高的方向發(fā)展。然而，鎳對(duì)鋼中相的形成并沒(méi)有顯著地影響，能夠顯著地提高鐵素體不銹鋼的強(qiáng)度和韌性，并且使不銹鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。銅元素對(duì)鐵素體不銹鋼的組

13、織并沒(méi)有什么影響，也就不會(huì)對(duì)邊裂產(chǎn)生太大的作用。4）410S微觀組織特點(diǎn)及邊裂分析對(duì)410S不銹鋼鑄態(tài)組織的電鏡掃描觀察結(jié)果顯示，410S不銹鋼鑄態(tài)以馬氏體為主，鐵素體為輔。隨著溫度的逐漸升高，410S不銹鋼中的奧氏體相增加，甚至成為主要相，而第二相也就是鐵素體相也會(huì)隨著溫度的增加而增加，當(dāng)加熱至1150時(shí)，其比例幾乎與奧氏體相相接近。這兩相組織的存在則會(huì)降低不銹鋼的熱塑性。其淬火后的顯微組織見(jiàn)圖5。其中黑色組織為馬氏體，由高溫奧氏體轉(zhuǎn)變而來(lái)，白色組織為鐵素體。圖5 410S不同溫度下淬火得到的金相組織在410S不銹鋼的熱加工過(guò)程中，因奧氏體為面心立方晶格，密度大，而鐵素體為體心立方晶格，密度

14、小，所以，當(dāng)奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)，體積發(fā)生膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)鋼的強(qiáng)度極限時(shí)，在兩相界面處就產(chǎn)生了微裂紋。同時(shí)，由于鐵素體與奧氏體在強(qiáng)度和塑性上有較大的差異，因此在軋制變形時(shí)原有微裂紋迅速擴(kuò)展為肉眼可見(jiàn)的裂口，這種裂口主要出現(xiàn)在板邊上, 就形成為邊裂。因此，想要控制熱加工過(guò)程中邊部裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)該使第二相的比例減少，而使其中某一相占主導(dǎo)地位。對(duì)于410S不銹鋼而言，當(dāng)溫度超過(guò)1100時(shí)，鐵素體的比例會(huì)顯著增加。為防止和減少410S高溫兩相區(qū)軋制引起的邊裂，應(yīng)采用低溫?zé)彳埡桶迮髟诩訜岫?、均熱段停留時(shí)間不能太久的方式。盡量選擇410S在奧氏體單相區(qū)和極少鐵素體區(qū)進(jìn)行熱軋，應(yīng)避免1100以

15、上的高溫，并減少坯料高溫停留時(shí)間，以避免第二相(鐵素體)比例的增加。圖6為410S的Thermo-calc計(jì)算相平衡圖，圖中紅線(xiàn)表示奧氏體含量，藍(lán)線(xiàn)表示鐵素體含量。410S鋼在810871溫度之間，奧氏體與鐵素體雙相共存；在8711086之間為奧氏體單相區(qū)，熱變形在該區(qū)域完成就不會(huì)產(chǎn)生邊裂缺陷；溫度繼續(xù)升高，在10861311之間又為鐵素體與奧氏體雙相區(qū), 且隨溫度升高鐵素體含量逐漸上升；在1311以上，則為鐵素體單相區(qū)。圖6 410S的Thermo-calc計(jì)算相平衡圖當(dāng)然，試驗(yàn)值與計(jì)算值之間也存在一定的差值。對(duì)于410S，計(jì)算顯示在871 1086之間為奧氏體單相區(qū)，而試驗(yàn)定量分析顯示95

16、01100淬火后，金相組織中馬氏體體積分?jǐn)?shù)為86%左右，產(chǎn)生以上偏差的原因是Thermo-calc計(jì)算得到的是平衡相圖，而實(shí)際過(guò)程很難達(dá)到平衡，所以必然存在偏差。由于原始組織為鑄態(tài)組織，會(huì)導(dǎo)致一定的組織與成分不均勻。此外，奧氏體轉(zhuǎn)變的不完全，可能會(huì)導(dǎo)致殘余奧氏體的存在，使測(cè)量到的奧氏體含量比實(shí)際少。5）熱重( DSC )分析利用熱重分析儀進(jìn)行試驗(yàn)，可以判斷各相的相變溫度，兩鋼種的DSC分析結(jié)果如圖7所示。在410S降溫曲線(xiàn)上，可以發(fā)現(xiàn)在1312附近存在相變點(diǎn)。此相變點(diǎn)與計(jì)算相圖中高溫鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)應(yīng)，計(jì)算值為1311。此外, 在839附近存在一峰值，分析該峰附近曲線(xiàn)變化，得到相變

17、溫度880及808。與計(jì)算相圖相比較，認(rèn)為880為降溫過(guò)程中奧氏體向低溫鐵素體轉(zhuǎn)變的起始點(diǎn), 808則為此轉(zhuǎn)變的結(jié)束點(diǎn)，即在此溫度下，奧氏體完全消失。Thermo-calc計(jì)算溫度分別為870和810。因此，DSC分析結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合得很好。圖7 410S不銹鋼熱重分析結(jié)果1.5 不銹鋼薄板軋制過(guò)程中的邊裂質(zhì)量問(wèn)題的控制技術(shù)1）提高原始鑄坯表面質(zhì)量，降低裂紋缺陷連鑄坯表面如存在邊部橫裂紋，在軋制過(guò)程中裂紋不斷擴(kuò)展，會(huì)導(dǎo)致熱軋板邊部裂紋的產(chǎn)生。連鑄工藝應(yīng)避免拉速的波動(dòng)和較好的鑄坯側(cè)面質(zhì)量。2）加熱爐控制鐵素體含量對(duì)不銹鋼高溫塑性的影響很大，加熱過(guò)程中影響鐵素體含量的重要參數(shù)為加熱溫度和加熱時(shí)間

18、。對(duì)于不同加熱溫度，1260保溫時(shí)鐵素體含量最少，而1300和1290加熱情況下鐵素體含量相對(duì)較高。據(jù)此，為保證不銹鋼加工時(shí)的熱塑性，加熱溫度不應(yīng)高于1270。不銹鋼在加熱過(guò)程中不允許發(fā)生過(guò)燒，因此爐溫控制精度要求較碳鋼高。為防止增碳現(xiàn)象，燒嘴火焰不能對(duì)著板坯直燒，因此要求各加熱段的溫度場(chǎng)均勻，并且要求在爐時(shí)間不能太長(zhǎng)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不銹鋼坯料在爐內(nèi)加熱過(guò)度、在爐時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都可造成軋制過(guò)程發(fā)生邊裂缺陷，另外不銹鋼的待軋降溫、升溫操作與碳鋼之間的最大區(qū)別在于切忌爐內(nèi)高保溫待命或快速加溫，升溫過(guò)程應(yīng)緩慢。因此，加熱工藝中在爐時(shí)間控制在200min240min。3）軋制過(guò)程根據(jù)不銹鋼軋制過(guò)程中變形抗力大、易發(fā)生邊裂的特點(diǎn)，確定粗軋軋制工藝制度首先要保證板坯