IF钢热轧边部线状缺陷产生机理

IF钢热轧边部线状缺陷产生机理
游慧超; 王东城; 杲通; 王海波; 张文
【期刊名称】《《重型机械》》
【年(卷),期】2019(000)006
【总页数】6页(P16-21)
【关键词】IF钢; 热轧; 边部线状缺陷; 产生机理
【作者】游慧超; 王东城; 杲通; 王海波; 张文
【作者单位】马鞍山钢铁股份有限公司技术中心安徽马鞍山243011; 燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心河北秦皇岛066004
【正文语种】中文
【中图分类】TG333
0 前言
在超低碳钢中加入Ti、Nb等元素，使钢中的C、N原子完全以碳、氮化物形式从基体中析出，基体呈无间隙原子状态，这种钢称为无间隙原子钢(Interstitial Free Steel，以下简称IF钢)[1]。

上世纪90年代以来，随着冶金工业与汽车工业的不断发展，IF钢得到广泛发展和大量应用[2-3]。

马钢在进行IF钢热轧生产时，经常会在带钢边部出现各种表面缺陷，最突出的是边部线状(翘皮或黑线)缺陷。

此类突出缺陷不能消除或改善，在下游工序(如酸轧机组)生产时需要大量切边，否则会影响产品表面质量、损伤轧辊表面，导致废品或停机等，客户直接使用加工成形时也会
降低成材率和加工零件的合格率。

目前，学者们关于热轧带钢边部线状缺陷的产生机理进行过大量研究，结论分两大类。

一类观点认为缺陷的起因与钢区夹杂有关。

例如，丁美良等人[4]通过扫描电
镜发现部分翘皮缺陷试样含有Mg、Si、Ca等元素，与结晶器保护渣的成分接近；周旬等人[5]认为夹杂类缺陷中的夹杂物主要来源于二次氧化、结晶器卷渣、中间
包卷渣和钢包引流沙；厉小敏等人[6]认为，连铸时结晶器保护渣卷入铸坯表层，
轧制变形后被拉长而存在于带钢表面，是引起带钢边部翘皮缺陷的主要原因；王帅等人[7]认为热轧板边部纵裂缺陷根部存在保护渣成分，可以说明该类缺陷是在连
铸过程中产生的；王国栋等人[8]认为夹杂来源可能为结晶器水口保护渣卷入铸坯
内表层，经反复轧制碾压后，保护渣上浮到热轧板表面形成翘皮缺陷；赵爱英等人[9]通过对板卷边部缺陷的点、面扫描，判断缺陷内部的物质是含有结晶器保护渣
成分的复合物；李德强等人[10]认为高强船板探伤不合标准是炼钢连铸过程中保护渣等材料卷入坯料造成的；龚桂仙[11]等人认为钢板表面黑线是铸坯上的原有缺陷经热轧加热炉进一步高温氧化后轧制而演变的；陈书浩[12]、苏笃星等人[13]认为中间包水口吹氩量是影响结晶器保护渣卷渣的主要因素，降低结晶器氩气流量，控制拉速和连铸的稳定性，使用合适的结晶器保护渣，能够显著降低热轧钢板表面翘皮缺陷。

另一类观点认为缺陷的起因与轧区设备与工艺有关。

例如，刘建潮等人[14]认为热轧板边部线状缺陷的成因是在粗轧侧压过程中，边部温度低、进入了高温脆性温度区，轧制变形时发生撕裂而形成翘皮或黑线缺陷；徐海卫等人[15]认为IF钢边部
翘皮缺陷的形成主要与精轧前部中间坯温度较低有关；马杰[16]等人认为，翘皮和类似缺陷的形成主要和轧制时的氧化铁皮压入、轧辊的表面质量等因素有关；庞启航等人[17]认为翘皮缺陷产生的主要原因是板坯边角部与芯部温差过大，在热轧过程中发生不均匀变形导致的；陈志平等人[18]提出通过加强热轧设备的检修和维护，
减少立轧辊的侧压下量，可以减少热轧过程中产生的翘皮；陈连生等人[19]观测到缺陷附近组织出现混晶情况，并指出这种情况是由边部温降过快引起的；武彩虹等人[20]认为加热制度和调宽量对“翘皮”缺陷的发生率有较大影响。

综上所述，目前关于热轧带钢边部线状缺陷的产生机理仍然没有形成一致性的结论，需针对具体问题具体分析，才能找到其具体产生机理与对应的控制措施。

为此，本文将针对马钢热轧IF钢边部翘皮缺陷进行理论与实验研究，揭示其具体产生机理，为控制措施的提出提供理论依据。

1 缺陷特征
IF钢热轧边部线状缺陷的宏观形貌如图1所示，其中左图为表检仪拍摄照片，右
图为实物图。

这类缺陷在带钢两侧(操作侧与传动侧)的上、下表面均有可能发生。

其微观特征为：①沿轧制方向与带材边部几乎完全平行(非常平直)；②缺陷程度较轻时呈现连续或断续分布黑线或亮线状，程度较严重时会发生翘皮现象，翘皮宽度约为1～3 mm，通常靠近边部一侧起皮，另一侧仍与基体相连；③缺陷与带材边部距离通常小于30 mm。

对翘皮缺陷进行金相观测，结果如图2所示。

其宏观特征为：①在带钢侧面存在很多深浅不一的褶皱，深度约为几十微米；②在带钢上表面存在很多深浅不一的沟槽，沟槽深度与侧面褶皱深度基本相当，但只存在一条翘皮缺陷(框选部分)，翘皮缺陷深度达到毫米级；③带钢上表面沟槽与翘皮缺陷开口朝向带钢侧面。

图1 典型缺陷宏观形貌
图2 典型缺陷微观形貌
对翘皮处进行能谱仪分析后，结果如图3所示。

由图可知，缺陷处只有O与Fe两条明显峰值谱线，并无Mg、Si、Ca等元素，表明该缺陷与夹杂无关。

从缺陷宏
观形貌特征也可得到类似结论，因为夹杂缺陷的形状通常是不规则的，即使经过连续的轧制变形，其轮廓也不可能是一条非常平直的直线。

由此可知，边部线状缺陷
的形成与钢区夹杂没有直接关系。

图3 能谱仪分析结果
2 缺陷产生机理
2.1 第I类褶皱
日本学者[21]认为边部线状缺陷的产生机理是：中间坯侧面褶皱+角部金属翻转。

如图4所示，板坯侧面存在微小的褶皱，在平轧不断压下过程中，板坯侧面金属形成鼓形膨胀，导致板坯角部不断向上表面横移，最终形成边部线状缺陷。

图4 褶皱翻转机理
关于中间坯侧面褶皱的形成原理，文献[21]认为与晶体塑性变形的各向异性有关。

如图5所示，铸坯出加热炉之后，其侧面晶粒1-8的取向是随机的，当进行粗轧压下后由于不同取向晶粒沿宽度方向的流动应力存在差别，因此其宽展变形量也存在差别，从而造成侧面形成大量深浅不一的褶皱，随着轧制过程的不断进行，部分褶皱翻转到上表面形成边部线状缺陷。

本文将中间坯侧面的这类褶皱定义为第I类褶皱。

图5 I类褶皱及边部缺陷形成机理
图2中带钢侧面的褶皱与上表面的沟槽可以证明上述理论的正确性。

然而，根据图5所示理论可知，褶皱上翻后会形成多条线状缺陷，同时缺陷宽度不会太大，无法解释为什么带钢上表面会存在一条毫米级宽度的翘皮缺陷。

从翘皮缺陷的开口方向朝向带钢侧面这个特征判断，翘皮缺陷的根源应该也是侧面褶皱，但是这个褶皱的深度要明显大于其它褶皱，其形成机理也应该不同于第I类褶皱。

2.2 机理推测与验证
2.2.1 机理推测
为确定中间坯侧面是否存在不同于第I类褶皱的大褶皱，在生产现场进行了持续跟踪，当发现带钢表面出现线状翘皮缺陷时，对轧机进行急停，然后在粗轧R2出口
观测中间坯侧面形貌，结果如图6所示。

由图6可知，在中间坯侧面的上、下角
部各存在一条大褶皱，在后续精轧7机架轧制后，这条大褶皱就会翻转到带钢上
表面形成线状翘皮缺陷。

进一步观测后发现，上述大褶皱的出现具有一定的随机性。

操作侧、传动侧的上、下角部有时全部出现大褶皱，有时全部没有，有时又局部出现在某一个或两个角部。

图6 中间坯侧面大褶皱
经过仔细分析，发现同一计划内同种规格产品的轧制参数基本相同，加热参数(主
要是加热温度与加热时间)根据轧制节奏的变化会在一定范围内变化。

因此，推测
这类大褶皱的形成与加热及冷却过程温度的不均匀变化有关。

从力学角度分析，这类大褶皱的成因必然是褶皱部位金属比其它部位软，结合褶皱形成的道次，初步判断这类褶皱的成因是由于角部温度低于其它部位，提前进入相变区导致的。

2.2.2 温度测量
为验证上述结论，如图7所示，首先在R2出口采用热成像仪对某块IF钢中间坯
温度进行了实际测量。

将图7中竖线标示处的温度提取出来，就得到中间坯从头
到尾的温度变化曲线，结果如图8所示。

由图8可知，中间坯的温度从头部到尾
部逐渐降低，中部温度比操作侧与传动侧温度始终高100多度，定性规律与生产
经验是一致的。

将图7中横向标识处温度提取出来，就可得到一个截面的温度横
向分布，中间坯头部三个典型截面温度提取结果如表1所示。

表1 IF钢中间坯头部温度实测数据截面号中心温度/℃操作侧温度/℃传动侧温度/℃11059.129924.9936.321063.4927.7939.131059.0925.0935.0平均值1060.51925.8667936.8
图7 热成像仪实测温度
图8 中间坯轧向温度变化
由表1可知，在R2出口处，IF钢中间坯的中心温度约为1061 ℃；操作侧平均温
度约为926 ℃，比中部低135 ℃；传动侧平均温度约为937 ℃，比中部低
124 ℃。

在轧制工艺设计时，粗轧时是不希望中间坯发生相变的，根据相关文献[22]，其中部温度也确实高于γ/α相变开始温度。

但是，由于中间坯角部处于双向换热状态，因此其温度比目标温度低很多，有可能发生了相变，但需要通过热膨胀实验进行进一步的确认。

2.2.3 热膨胀实验
将马钢IF钢铸坯加工成Ф4 mm×10 mm的小棒，然后在马钢技术中心通过热膨胀仪进行相变温度测量。

由于中间坯的冷却速度大体介于1 ℃/s与5 ℃/s之间，因此进行了两组实验，实验结果如图9所示。

通过切线法可以得到：当冷却速度为1 ℃/s时，γ/α相变开始温度为960 ℃；当冷却速度为5 ℃/s时，γ/α相变开始温度为934 ℃。

对比温度测量结果可知，在中间坯头部的操作侧温度已经明显低于相变开始温度，因此其角部必然发生了相变，传动侧角部温度略高于相变开始温度。

但观察图8可知，中间坯尾部温度比头部低30 ℃左右，那么传动侧尾部也必然会发生相变。

图9 热膨胀实验结果
2.2.4 第II类褶皱
图10为钢的流变应力与加工温度之间的关系。

由图可知，当温度低于Ar3之后，将会导致流变应力发生一定程度的降低，直到温度低于Ar1之后，流变应力才重新随着温度的降低而逐渐增大。

图10 加工温度与流变应力关系
如图11所示，当轧制过程中中间坯的角部温度低于Ar3时，会发生γ→α相变，从而导致流变应力沿中间坯厚度方向分布是不均匀的，当进行厚度方向压下时，不同的流变应力导致不同的横向宽展变形，Ar3附近的流变应力最大峰值导致侧面的大褶皱，本文将这类大褶皱称为第II类褶皱。

图11 相变导致褶皱形成机理
3 褶皱产生与消除
通过分析可知，边部线状缺陷的产生机理为：侧面褶皱+角部金属翻转，侧面褶皱的形成机理又有两类。

第I类褶皱的产生机理是由于铸坯出加热炉后侧面晶粒的随机取向与力学特征的各项异性，这类褶皱无法完全消除，但可以通过降低晶粒尺寸降低褶皱深度，即在工艺许可的前提下尽量降低加热温度或减少加热时间；第II 类褶皱的产生机理是由于中间坯角部存在双向换热，局部温度过低导致局部相变，在宽展变形时角部形成大褶皱，这类褶皱可以通过提高中间坯角部温度得到完全消除或抑制，实际生产中的具体措施包括：采用倒角结晶器、矩形铸坯切角、优化设计定宽机砧板形状、降低边角部冷却水流量等。

4 结束语
(1) 热轧带钢边部线状缺陷沿轧制方向与带材边部几乎完全平行，缺陷与带材边部距离通常小于30 mm；在带钢侧面存在很多深浅不一的褶皱，上表面存在很多深浅不一的沟槽，但只存在一条翘皮缺陷，翘皮缺陷深度达到毫米级，带钢上表面沟槽与翘皮缺陷开口朝向带钢侧面。

(2) 从缺陷宏观形貌与元素成分检测结果可知，边部线状缺陷的形成与钢区夹杂没有直接关系。

(3)边部线状缺陷的产生机理为：侧面褶皱+角部金属翻转，侧面褶皱的形成机理又有两类，第I类褶皱的产生机理是由于铸坯出加热炉后侧面晶粒的随机取向与力学特征的各项异性；第II类褶皱的产生机理是由于中间坯角部存在双向换热，局部温度过低导致局部相变，在宽展变形时角部形成大褶皱。

参考文献：
一种大管径钢管水压试验系统(CN208672433U)
本实用新型应用于钢管精整区域设备,为大管径钢管提供一种大管径钢管水压试验系统。

该系统包括固定密封盘,固定支架,拉力梁,顶起装置,各种规格的穿管密封盘,若干支撑轮和主动托辊以及高低压水路系统等。

固定支架连接可调高度的固定密封盘,拉力梁为以销轴形式连接单拉力梁和夹板梁,拉力梁两端连接穿管密封盘和固定密封盘,使之成为一个自适应承载结构。

主动托辊带动钢管轴向移动,通过穿管密封盘和单拉力梁至固定密封盘。

密封盘采用内径密封。

对于一定范围长度的钢管可以连续进行水压试验,提高了生产效率。

此结构大大降低了钢管水压试验机的整体重量和造价,降低钢管水压试验成本。

一种大直径薄壁管材辅助对接装置(CN106626422B)
本发明公开了一种大直径薄壁管材辅助对接装置,该装置适用于直径为3500～4500mm的待对接管材,至少包括运输装置,所述运输装置通过调节装置支撑与活动托架连接,活动托架的中间支撑需要对接的管材,调节装置可以使管材的中心进行位置调节；运输装置可以将其托起的管材沿固定路线移动,直至其托起的管材的端部和另一个需要对接的管材端部靠近,根据需要启动所述运输装置上的调节装置,实现两根管材端部中心的对正。

该装置还包括由整形支架、矫形液压缸、扣合缸组成的整形装置,整形支架扣合后将所要对接的管材的端部周向围拢,矫形液压缸根据对接需要对管材的端部进行局部挤压,以帮助两根管材的端部对准,随后用锁扣将两根管材的端部快速、准确对接。

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