不銹鋼薄板軋制過程中的邊裂質量問題與控制

1、不銹鋼薄板軋制過程中的邊裂質量問題與控制1.1 概述不銹鋼（Stainless Steel）是不銹耐酸鋼的簡稱，耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質或具有不銹性的鋼種稱為不銹鋼。不銹鋼的耐蝕性隨含碳量的增加而降低，因此，大多數不銹鋼的含碳量均較低，最大不超過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Cr含量達到一定值時，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，被廣泛應用于輕工

2、、家電、建材、包裝等工業(yè)領域。由于不銹鋼具有加工溫度范圍窄、高溫變形抗力大、表面質量控制困難等生產難點，使得其生產工藝及設備選型與普通碳鋼生產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。也可以根據牌號將不銹鋼分為200系列、300系列、400系列等。每種型號的不銹鋼都有各自的性能特點，在實際應用中應根據具體使用特性選擇合適的不銹鋼。不銹鋼薄板是一種價格不高的材料，但是客戶對它的表面質量要求非常高。不銹薄板在生產過程中不可避免會出現(xiàn)各種缺陷，如邊裂、劃

3、傷、麻點、折痕等，給生產成本以及穩(wěn)定性造成極大的影響。1.2 不銹鋼薄板軋制過程中的邊裂質量問題的定義與表現(xiàn)在不銹鋼薄板熱連軋生產中，卷板的兩個邊部出現(xiàn)不同深度的裂口缺陷，俗稱邊裂或邊裂缺陷，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 不銹鋼薄板軋制過程中的邊裂質量問題的危害不銹鋼薄板軋制過程中，裂邊深度嚴重的達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成本增加，而且一旦裂口切不干凈，冷軋時裂口，就有擴展和斷帶的可能性。同時熱軋軋制過程中，也存在帶鋼折斷、碎片飛出等軋制穩(wěn)定性

4、問題和人身安全問題。因此，熱軋邊裂已成為不銹鋼生產、降低成本和保障安全的重大障礙。1.4 不銹鋼薄板軋制過程中的邊裂質量問題的成因分析1.4.1 不銹鋼薄板軋生產工藝簡介不銹鋼熱軋薄板主要由熱連軋為主，常規(guī)連軋機組有1/2 、3/4 及全連續(xù)等幾種布置型式。在滿足產量要求的前提下, 目前國內使用較多則是單粗軋機架, 即采用1架強力四輥粗軋機進行37 道次可逆軋制來滿足精軋的坯料要求。這種布置形式可以大大縮短粗軋區(qū)長度，有利于減少板坯溫降。表1 國內不銹鋼熱軋生產廠生產規(guī)模及機組配置序號生產廠家生產品種生產規(guī)模機組配置熱卷箱精軋立輥1寶鋼1780mm200、300、400系I期:不銹鋼70萬t/

5、a碳鋼216萬t/aII期:不銹鋼144萬t/a碳鋼216萬t/aR1+F1F7有有2聯(lián)眾1780mm200、300、400系60萬t/aR1+F1F7有無3太鋼2250mm300、400系不銹鋼196.4萬t/a碳鋼196.4萬t/aR1+F1F7有有4唐鋼1580400系為主60萬t/aR1+F1F7有有5西南不銹1450300、400系80萬t/aR1+F1F7有有1）加熱爐不銹鋼導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間大于碳鋼板坯，由于板坯內外溫度差大，不銹鋼板坯的熱應力也較碳鋼大，使得鐵素體和奧氏體不銹鋼承受因加熱速度產生熱應力的能力也不盡相同。因此，尺寸較

6、長的加熱爐對不銹鋼板坯的加熱控制有利。圖3 不銹鋼、普通鋼導熱系數對比2）粗軋區(qū)域不銹鋼對表面質量要求比較高, 通常來說在熱軋過程中通過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。根據國內各鋼廠的對比，除鱗噴嘴處的出口壓力設計為2025MPa較為合適。一般熱連軋粗軋機前都配置有立輥軋機，與粗軋機近接布置。用于控制帶鋼寬度和形狀，同時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，軋機的力能參數選擇上比同規(guī)格的碳鋼軋機要大一些。3）熱卷箱熱卷箱的主要作用是：精軋機組可以不采用升速軋制，可減少主電機功率和軋機速度，且可以縮短軋線長度，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，在國內的不銹鋼熱軋生產中普遍使用熱卷箱技術。如圖4所示，熱卷箱三個階段的改造性能，無芯軸帶隔熱板熱卷箱為最近一代產品。圖4 熱卷箱對于帶鋼寬度方向的溫度效果對比圖4）精軋機組帶鋼精軋前可根據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。在國內不銹鋼生產中，精軋機組前普遍配置1架立輥軋機，對軋件起導向和邊部軋制的作用，通過對邊部軋制防止精軋過中軋件出現(xiàn)邊裂。精軋機組一般為67架，在力能參數的選擇原則上與粗軋機組類似。5）軋線冷卻水及帶鋼冷卻系統(tǒng)在不銹鋼軋制中嚴格控制軋線冷卻水。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。在軋制過程中嚴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。有的文獻中認為不銹鋼熱軋后不進行水冷，但根據現(xiàn)場了解除馬氏體軋后不需水冷以外，奧氏體不銹鋼軋后需進行水冷以達到適宜的卷取溫度，以便于更好地控制產品表面質量。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不銹鋼，這種不銹鋼具有成本低、線膨脹系數小、導熱系數高等優(yōu)點。然而，這種不銹鋼在熱軋制過程中很容易出現(xiàn)邊裂現(xiàn)象，從而降低了鐵素體不銹鋼產品的質量，增加企業(yè)的生產成本，也對后道工序的加工生產帶來了風險和損失。所以很有必要對410S不銹鋼熱軋制過程中的邊裂現(xiàn)象進行研究，從而優(yōu)化軋制工藝，并在以后的生產加工中進行有效的控制。1）410S不銹鋼的組成410S不銹鋼是鐵素體不銹鋼，為體心立方結構的鐵基合金，其含Cr量一般是在1213%，典型的化學成分見表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不銹鋼化學成分牌號CSiMnNMoCrNiCu410S0.0350.280.270.0310.0212.450.150.032）碳化物和氮化合物對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%的鐵素體類不銹鋼中，在1092時，碳在鐵素體中的溶解度僅為0.04%,而在927時為0.003%，溫度再低就降到了0.003%以下；當溫度在927以上時，氮在鐵素體中的溶解度為0.022%

11、，而在593僅為0.005%。因此，這類不銹鋼在高溫加熱，還是在隨后的冷卻過程中，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其性能將產生消極的影響。主要表現(xiàn)在對韌性、耐腐蝕性和缺口敏感性等的影響上。使鋼的脆性轉變溫度變高。碳元素和氮元素能夠強烈的形成和穩(wěn)定奧氏體，并擴大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構。這些都會是鐵素體不銹鋼的沖擊韌性降低，脆性增加，是鋼的脆性轉變溫度明顯升高。

12、碳和氮的析出物也常常會成為應力集中地裂紋源。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邊裂的影響。3）各金屬元素對邊裂的影響鉻元素對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，使不銹鋼的強度和硬度提高，而使鋼的塑性和韌性降低，對邊裂也是有促進作用。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，鎳對鋼中相的形成并沒有顯著地影響，能夠顯著地提高鐵素體不銹鋼的強度和韌性，并且使不銹鋼的脆性轉變溫度降低。銅元素對鐵素體不銹鋼的組

13、織并沒有什么影響，也就不會對邊裂產生太大的作用。4）410S微觀組織特點及邊裂分析對410S不銹鋼鑄態(tài)組織的電鏡掃描觀察結果顯示，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隨著溫度的增加而增加，當加熱至1150時，其比例幾乎與奧氏體相相接近。這兩相組織的存在則會降低不銹鋼的熱塑性。其淬火后的顯微組織見圖5。其中黑色組織為馬氏體，由高溫奧氏體轉變而來，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，當奧氏體向鐵素體轉變時，體積發(fā)生膨脹，產生膨脹應力，當應力超過鋼的強度極限時，在兩相界面處就產生了微裂紋。同時，由于鐵素體與奧氏體在強度和塑性上有較大的差異，因此在軋制變形時原有微裂紋迅速擴展為肉眼可見的裂口，這種裂口主要出現(xiàn)在板邊上, 就形成為邊裂。因此，想要控制熱加工過程中邊部裂紋的產生，應該使第二相的比例減少，而使其中某一相占主導地位。對于410S不銹鋼而言，當溫度超過1100時，鐵素體的比例會顯著增加。為防止和減少410S高溫兩相區(qū)軋制引起的邊裂，應采用低溫熱軋和板坯在加熱段、均熱段停留時間不能太久的方式。盡量選擇410S在奧氏體單相區(qū)和極少鐵素體區(qū)進行熱軋，應避免1100以

15、上的高溫，并減少坯料高溫停留時間，以避免第二相(鐵素體)比例的增加。圖6為410S的Thermo-calc計算相平衡圖，圖中紅線表示奧氏體含量，藍線表示鐵素體含量。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)域完成就不會產生邊裂缺陷；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計算相平衡圖當然，試驗值與計算值之間也存在一定的差值。對于410S，計算顯示在871 1086之間為奧氏體單相區(qū)，而試驗定量分析顯示95

16、01100淬火后，金相組織中馬氏體體積分數為86%左右，產生以上偏差的原因是Thermo-calc計算得到的是平衡相圖，而實際過程很難達到平衡，所以必然存在偏差。由于原始組織為鑄態(tài)組織，會導致一定的組織與成分不均勻。此外，奧氏體轉變的不完全，可能會導致殘余奧氏體的存在，使測量到的奧氏體含量比實際少。5）熱重( DSC )分析利用熱重分析儀進行試驗，可以判斷各相的相變溫度，兩鋼種的DSC分析結果如圖7所示。在410S降溫曲線上，可以發(fā)現(xiàn)在1312附近存在相變點。此相變點與計算相圖中高溫鐵素體向奧氏體的轉變溫度相對應，計算值為1311。此外, 在839附近存在一峰值，分析該峰附近曲線變化，得到相變

17、溫度880及808。與計算相圖相比較，認為880為降溫過程中奧氏體向低溫鐵素體轉變的起始點, 808則為此轉變的結束點，即在此溫度下，奧氏體完全消失。Thermo-calc計算溫度分別為870和810。因此，DSC分析結果與計算結果吻合得很好。圖7 410S不銹鋼熱重分析結果1.5 不銹鋼薄板軋制過程中的邊裂質量問題的控制技術1）提高原始鑄坯表面質量，降低裂紋缺陷連鑄坯表面如存在邊部橫裂紋，在軋制過程中裂紋不斷擴展，會導致熱軋板邊部裂紋的產生。連鑄工藝應避免拉速的波動和較好的鑄坯側面質量。2）加熱爐控制鐵素體含量對不銹鋼高溫塑性的影響很大，加熱過程中影響鐵素體含量的重要參數為加熱溫度和加熱時間

18、。對于不同加熱溫度，1260保溫時鐵素體含量最少，而1300和1290加熱情況下鐵素體含量相對較高。據此，為保證不銹鋼加工時的熱塑性，加熱溫度不應高于1270。不銹鋼在加熱過程中不允許發(fā)生過燒，因此爐溫控制精度要求較碳鋼高。為防止增碳現(xiàn)象，燒嘴火焰不能對著板坯直燒，因此要求各加熱段的溫度場均勻，并且要求在爐時間不能太長。實際生產過程中，不銹鋼坯料在爐內加熱過度、在爐時間過長都可造成軋制過程發(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)別在于切忌爐內高保溫待命或快速加溫，升溫過程應緩慢。因此，加熱工藝中在爐時間控制在200min240min。3）軋制過程根據不銹鋼軋制過程中變形抗力大、易發(fā)生邊裂的特點，確定粗軋軋制工藝制度首先要保證板坯