冷轧硅钢表面缺陷成因分析与改进

世界金属导报/2011年/6月/21日/第012版
轧钢工艺
冷轧硅钢表面缺陷成因分析与改进
肖湘涛武元元
编者按：硅钢作为一种重要的软磁合金，具有脆性大、延展性低等特点，并由于轧制工艺缺陷，乳化液等原因，轧后产品容易出现条纹、梗印、擦伤、锈斑、孔洞等不同类型的表面缺陷，严重降低了产品的使用寿命和性能。

因此，研究冷轧硅钢表面缺陷的种类、形成机理及影响因素，进而优化轧制工艺，对于提高产品质量、节能减排具有重要意义。

硅钢的制造技术和产品质量是衡量一个国家高端钢生产能力和科技发展水平的重要标志之一。

硅钢也称作电工钢，具有铁损低、矫顽力小、磁导率和磁感应强度高、节能降耗等特点，被誉为钢铁产品中的“工艺品”，凭借其优异的磁性能和良好的表面质量广泛应用于电机、电器、变压器、电工仪表等电力、家电行业及相关领域。

由于冷轧设备和生产工艺的优化改进以及自动化控制水平的不断提高，冷轧硅钢的尺寸精度、板形、磁学性能等质量指标都得到较好的控制。

随着机械电子、国防工业等主要下游用户对产品表面质量的要求越来越高，其重要性日益显现，表面质量控制水平的高低已成为能否向高端用户供货的关键因素之一。

而衡量产品表面质量好坏的重要指标即是表面缺陷产生的种类、数目及区域。

由于其形成原因是多方面的，从炼钢、热轧、冷轧直至退火等每一个过程都可能产生，成因涉及工艺、设备、技术、操作、管理、生产组织等各个环节。

因此，如何控制与避免表面缺陷的产生是各大钢厂提高硅钢产品质量的重要手段之一。

1硅钢生产工艺流程
冷轧硅钢产品按其磁各向异性分为取向硅钢片（晶粒具有｛110｝〈001〉的高斯织构）和无取向硅钢片（晶粒无特定取向）。

硅钢随着硅含量的增加，屈服强度和抗拉强度明显提高，延伸率显著降低，硬度也迅速提高。

因此硅钢轧制比其他碳钢要困难，而且硅钢要求有精确的成品厚度和良好的板形，故一般采用以下工艺流程进行生产，最终产品厚度一般为0.35-0.5mm。

典型的取向硅钢和无取向硅钢的成分见表1。

生产工艺流程如下：转炉→真空处理→连铸→加热→热连轧→常化酸洗（CP）→多辊轧机（ZR）→连续退火（CA）→罩式退火（CB）→热平整（CT）→成品剪切（CS）。

2常见的表面缺陷分类
硅钢生产过程中，常见的表面缺陷主要有条纹、梗印、擦伤、水印、锈斑、孔洞等。

根据其形成条件及机理的不同，主要分为以下几类。

2.1加工变形缺陷
该类缺陷主要由于设备故障、轧辊粘附、生产工艺或操作不当造成的，如条纹、梗印、擦伤等。

条纹缺陷，即涂层不均现象，条纹间距通常在15-25mm，按形成原因的不同，分为边部涂层条纹和周期性涂层条纹。

边部涂层条纹通常沿纵向连续分布，其形成是因为涂层辊边部发生磨损，从而导致涂层辊直径减小，边部涂层变厚，经烧结变为褐色。

周期性涂层条纹的成因是涂层辊本身的缺陷（凹坑、划伤等）造成涂层变厚，烧结后也呈现褐色。

硅钢钢带呈卷曲状时，梗印缺陷像“箍”一样出现在钢卷的一端，不会在两端同时出现，也不会出现两条或两条以上的“箍”，所以该缺陷又被称为“凸起”或“高点”。

梗印缺陷是由于在热轧工序中生产了大量宽度尺寸较小的产品，从而在轧机弯辊力作用下，坚硬不光整的钢带边缘对工作辊造成了0.1-0.2μm的过度磨损。

在随后轧制尺寸较宽的产品时，钢带在该部位厚度增加
了0.2-0.4μm，卷曲后在钢带表面就会产生凸条或梗印。

硅钢表面的擦伤缺陷主要是由于在生产过程中硅钢与加工设备等硬物接触，造成其表面受到破坏，产生擦伤划痕，如擦划伤、卷取擦伤等。

擦划伤分为长线划伤和短线划伤两种。

产生原因通常有：润滑效果欠佳，工作辊局部过热，张力不稳或板形不良，各机架变形量不合理，加工设备上的坚硬突起物划伤等。

卷取擦伤是指钢卷层与层之间相互错动而发生的表面损伤，一般呈密集细条状，是由于卷取张力不稳或卷取机的卷轴横向振动引起。

2.2残留附着物缺陷
该类缺陷主要是在生产过程中硅钢表面附着残留物质造成，尤其是生产过程中的一些工艺介质残留在表面或异物掉落表面造成的缺陷，如水印缺陷、异物压入等。

水印缺陷，俗称花脸，常产生于高速冷轧硅钢下表面靠近DS侧（传动侧），略靠近带钢的中部。

由于轧制前后乳化液清洗不彻底，异常卷入带卷中，经退火后表面出现水印缺陷，形状各异，或呈条状，或呈块状，颜色有白有黑，白的是残留灰分和盐类，黑的是残碳、杂油。

在冷轧硅钢退火过程中常发现在DW4表面有水印缺陷产生，而DW6没有这种缺陷。

DW6与DW4成分的重要差异在于Si含量不同。

硅钢经脱脂段挤干辊后，由于辊子的缺陷必然使挤干辊局部产生含有碱和脏物的水，进退火炉后，在冷轧硅钢表面形成一层覆盖物，使DW4不产生SiO2而发亮，这就形成了水印。

DW6的w（Si）只有0.3%左右，SiO2膜极不明显，因此在同样条件下不产生水印缺陷。

异物压入表面缺陷是指外界异物粘附在硅钢表面经轧制、挤压形成的点状、线状、块状缺陷。

通常导致异物压入缺陷的原因有：炉辊、挤干辊等辊面剥落压入；氧化铁皮、夹送辊等辅辊的表面材质脱落轧入硅钢表面；机组油泥、炉衬等污物滴落在硅钢或轧辊表面压入；溶液、颗粒杂物等粘附在硅钢表面等。

2.3表面锈斑缺陷
锈斑缺陷主要是受外界环境的影响，在硅钢表面发生化学反应造成的腐蚀性缺陷，一般为黄褐色的斑痕，可分布在表面任意部位，主要分为零星点锈、密集点锈、块状点锈。

酸洗后板面的残酸，环境温度较低，平整液水分残留，压缩空气供给量不足，防锈剂效果欠佳等原因都可能导致硅钢表面出现锈斑缺陷。

2.4表面孔洞缺陷
孔洞缺陷包括凹坑和开裂，大致分为三类：疏松蜂窝状孔洞缺陷、月牙状孔洞缺陷、不规则状孔洞缺陷。

产生原因可以归纳为以下两种：一是连铸生产工序不合理，导致铸坯出现皮下卷渣、夹渣、气泡、针状气孔等夹杂缺陷，使钢板局部区域强度弱化，在轧制过程中形成孔洞。

二是轧制生产工序不恰当，如板坯跑偏造成局部区域边部折叠或板形不良造成粘辊和变形不均匀，导致孔洞的产生。

3表面缺陷的控制与消除
冷轧硅钢的表面缺陷不仅降低了产品的性能，还对后续深加工产生不利影响，因此，提高表面质量、避免缺陷产生已成为制约我国冷轧硅钢生产技术水平提高的关键问题之一。

2008-2009 《冶金工程技术学科发展报告》中指出：我国在进一步提高板带钢、高性能电工钢等钢种的表面质量方面还有许多课题要做；对轧制产品的尺寸、形状、表面质量、内部组织及性能已进行了在线监测和精确控制；还需向尺寸超薄或超厚，形状高精度，产品表面与内部的高质量、高性能和稳定均匀化等方面发展。

3.1控制来料质量
在炼钢、热轧等前工序形成的一些缺陷，如异物压入、擦伤等，在冷轧工序中也消除不了。

如果控制不好，会直接导致轧后表面质量变差。

如板形出现浪形会引起带钢的粘结和折皱，氧化铁皮和坚硬杂物的存在会导致孔洞缺陷产生，因此加强生产过程的监测控制和来料的质量检验对减少表面缺陷的种类和数目有明显作用。

3.2改进冷轧工艺
硅钢生产过程中由于冷轧参数的不合理设定，如张力、压下量、轧制速度、乳化液浓度等，都可能会导致轧后表面出现缺陷。

因此采用合理的冷轧工艺，严格控制各项参数指标，提高操控者的技术与责任心，可避免表面缺陷产生，如可通过对乳化液使用条件、轧制速度、轧辊压下量等参数的控制来预防表面擦伤缺陷的产生。

3.3推广清洁生产
硅钢生产过程中，清洁生产和设备管理至关重要，如存放条件较差、防锈剂效果欠佳及平整液浓度控制不当等都可能造成表面产生锈斑缺陷。

可通过改进酸洗工艺和设备，提高平整液防锈性，保持挤干辊的表面状态等措施来减少锈斑缺陷的产生。

因此建立合理的清洁生产工艺流程，定期进行设备的清洗维护，提高乳化液的润滑性和清净性，是减少硅钢表面缺陷的有效措施。

3.4急需解决的相关理论问题
目前，国内对冷轧硅钢表面缺陷的研究分析并不多，主要是针对在中低速冷轧条件下的轧辊、硅钢材质、轧制乳化液等单方面因素加以研究。

而对高速冷轧条件下，由于轧制速度限制，研究较少，且研究方法比较单一，对轧制过程中的形变、缺陷的产生及最终形貌缺乏明确认识，对轧制工艺、轧制乳化液等主要影响缺陷产生的因素及其交互作用考虑不够周全。

为此，提出了一种研究冷轧硅钢表面缺陷产生机理及控制的新思路：从轧制乳化液的性能（黏度、浓度、皂化值、粒径分布及吸附等）、冷轧工艺与变形区油膜厚度的关系、硅钢材质（表面成分、组织和原始形貌等）这三方面全方位、多角度综合分析研究冷轧硅钢表面缺陷问题。

在技术手段上，除了采用常见的现代材料分析测试技术外，还引入了数值模拟分析方法，建立高速轧制条件下变形区油膜厚度模型，对硅钢表面缺陷的产生、演变过程及影响因素进行理论模拟分析，为表面缺陷的形成机理提供科学理论依据，进而控制在冷轧过程中表面缺陷的产生。

综上所述，工艺流程不合理，生产设备缺陷，加工介质及环境条件欠佳等均会导致硅钢表面缺陷的产生。

表2为硅钢板生产中表面常见缺陷的分类、形貌、产生原因及解决途径。

4结论
1）在冶炼、连铸和轧制过程中产生的孔洞、梗印、擦伤等表面缺陷较为明显，易于识别，可通过改进加工工艺和设备、采用在线检测手段、控制来料质量等方法来监控和减少表面缺陷。

2）在冷轧过程中产生的水印、擦伤等缺陷由于涉及乳化液润滑、轧制工艺、硅钢材质等多个影响因素，对其分析和控制难度较大。

3）需要新理论、新工艺来指导和解决实际生产中硅钢表面的各类缺陷问题，及其对性能造成的不同影响。