IF鋼熱軋邊部線狀缺陷產(chǎn)生機(jī)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(shù)中心，安徽 馬鞍山 243011； 2. 燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)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(wú)間隙原子狀態(tài)，這種鋼稱為無(wú)間隙原子鋼(Interstitial Free Steel，以下簡(jiǎn)稱IF鋼)[1]。上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著冶金工業(yè)與汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，IF鋼得到廣泛發(fā)展和大量應(yīng)用[2-3]。馬鋼在進(jìn)行IF鋼熱軋生產(chǎn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)在帶鋼邊部出現(xiàn)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(jī)組)生產(chǎn)時(shí)需要大量切邊，否則會(huì)影響產(chǎn)品表面質(zhì)量、損傷軋輥表面，導(dǎo)致廢品或停機(jī)等，客戶直接使用加工成形時(shí)也會(huì)降低成材率和加工零件的合格率。

目前，學(xué)者們關(guān)于熱軋帶鋼邊部線狀缺陷的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行過(guò)大量研究，結(jié)論分兩大類。一類觀點(diǎn)認(rèn)為缺陷的起因與鋼區(qū)夾雜有關(guān)。例如，丁美良等人[4]通過(guò)掃描電鏡發(fā)現(xiàn)部分翹皮缺陷試樣含有Mg、Si、Ca等元素，與結(jié)晶器保護(hù)渣的成分接近；周旬等人[5]認(rèn)為夾雜類缺陷中的夾雜物主要來(lái)源于二次氧化、結(jié)晶器卷渣、中間包卷渣和鋼包引流沙；厲小敏等人[6]認(rèn)為，連鑄時(shí)結(jié)晶器保護(hù)渣卷入鑄坯表層，軋制變形后被拉長(zhǎng)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(rèn)為熱軋板邊部縱裂缺陷根部存在保護(hù)渣成分，可以說(shuō)明該類缺陷是在連鑄過(guò)程中產(chǎn)生的；王國(guó)棟等人[8]認(rèn)為夾雜來(lái)源可能為結(jié)晶器水口保護(hù)渣卷入鑄坯內(nèi)表層，經(jīng)反復(fù)軋制碾壓后，保護(hù)渣上浮到熱軋板表面形成翹皮缺陷；趙愛(ài)英等人[9]通過(guò)對(duì)板卷邊部缺陷的點(diǎn)、面掃描，判斷缺陷內(nèi)部的物質(zhì)是含有結(jié)晶器保護(hù)渣成分的復(fù)合物；李德強(qiáng)等人[10]認(rèn)為高強(qiáng)船板探傷不合標(biāo)準(zhǔn)是煉鋼連鑄過(guò)程中保護(hù)渣等材料卷入坯料造成的；龔桂仙[11]等人認(rèn)為鋼板表面黑線是鑄坯上的原有缺陷經(jīng)熱軋加熱爐進(jìn)一步高溫氧化后軋制而演變的；陳書浩[12]、蘇篤星等人[13]認(rèn)為中間包水口吹氬量是影響結(jié)晶器保護(hù)渣卷渣的主要因素，降低結(jié)晶器氬氣流量，控制拉速和連鑄的穩(wěn)定性，使用合適的結(jié)晶器保護(hù)渣，能夠顯著降低熱軋鋼板表面翹皮缺陷。

另一類觀點(diǎn)認(rèn)為缺陷的起因與軋區(qū)設(shè)備與工藝有關(guān)。例如，劉建潮等人[14]認(rèn)為熱軋板邊部線狀缺陷的成因是在粗軋側(cè)壓過(guò)程中，邊部溫度低、進(jìn)入了高溫脆性溫度區(qū)，軋制變形時(shí)發(fā)生撕裂而形成翹皮或黑線缺陷；徐海衛(wèi)等人[15]認(rèn)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(guān)；馬杰[16]等人認(rèn)為，翹皮和類似缺陷的形成主要和軋制時(shí)的氧化鐵皮壓入、軋輥的表面質(zhì)量等因素有關(guān)；龐啟航等人[17]認(rèn)為翹皮缺陷產(chǎn)生的主要原因是板坯邊角部與芯部溫差過(guò)大，在熱軋過(guò)程中發(fā)生不均勻變形導(dǎo)致的；陳志平等人[18]提出通過(guò)加強(qiáng)熱軋?jiān)O(shè)備的檢修和維護(hù)，減少立軋輥的側(cè)壓下量，可以減少熱軋過(guò)程中產(chǎn)生的翹皮；陳連生等人[19]觀測(cè)到缺陷附近組織出現(xiàn)混晶情況，并指出這種情況是由邊部溫降過(guò)快引起的；武彩虹等人[20]認(rèn)為加熱制度和調(diào)寬量對(duì)“翹皮”缺陷的發(fā)生率有較大影響。

綜上所述，目前關(guān)于熱軋帶鋼邊部線狀缺陷的產(chǎn)生機(jī)理仍然沒(méi)有形成一致性的結(jié)論，需針對(duì)具體問(wèn)題具體分析，才能找到其具體產(chǎn)生機(jī)理與對(duì)應(yīng)的控制措施。為此，本文將針對(duì)馬鋼熱軋IF鋼邊部翹皮缺陷進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究，揭示其具體產(chǎn)生機(jī)理，為控制措施的提出提供理論依據(jù)。

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(shí)物圖。這類缺陷在帶鋼兩側(cè)(操作側(cè)與傳動(dòng)側(cè))的上、下表面均有可能發(fā)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(shí)呈現(xiàn)連續(xù)或斷續(xù)分布黑線或亮線狀，程度較嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生翹皮現(xiàn)象，翹皮寬度約為1～3 mm，通常靠近邊部一側(cè)起皮，另一側(cè)仍與基體相連；③缺陷與帶材邊部距離通常小于30 mm。對(duì)翹皮缺陷進(jìn)行金相觀測(cè)，結(jié)果如圖2所示。其宏觀特征為：①在帶鋼側(cè)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(cè)面褶皺深度基本相當(dāng)，但只存在一條翹皮缺陷(框選部分)，翹皮缺陷深度達(dá)到毫米級(jí)；③帶鋼上表面溝槽與翹皮缺陷開(kāi)口朝向帶鋼側(cè)面。

圖1 典型缺陷宏觀形貌

圖2 典型缺陷微觀形貌

對(duì)翹皮處進(jìn)行能譜儀分析后，結(jié)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(wú)Mg、Si、Ca等元素，表明該缺陷與夾雜無(wú)關(guān)。從缺陷宏觀形貌特征也可得到類似結(jié)論，因?yàn)閵A雜缺陷的形狀通常是不規(guī)則的，即使經(jīng)過(guò)連續(xù)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(qū)夾雜沒(méi)有直接關(guān)系。

圖3 能譜儀分析結(jié)果

2 缺陷產(chǎn)生機(jī)理

2.1 第I類褶皺

日本學(xué)者[21]認(rèn)為邊部線狀缺陷的產(chǎn)生機(jī)理是：中間坯側(cè)面褶皺+角部金屬翻轉(zhuǎn)。如圖4所示，板坯側(cè)面存在微小的褶皺，在平軋不斷壓下過(guò)程中，板坯側(cè)面金屬形成鼓形膨脹，導(dǎo)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(zhuǎn)機(jī)理

關(guān)于中間坯側(cè)面褶皺的形成原理，文獻(xiàn)[21]認(rèn)為與晶體塑性變形的各向異性有關(guān)。如圖5所示，鑄坯出加熱爐之后，其側(cè)面晶粒1-8的取向是隨機(jī)的，當(dāng)進(jìn)行粗軋壓下后由于不同取向晶粒沿寬度方向的流動(dòng)應(yīng)力存在差別，因此其寬展變形量也存在差別，從而造成側(cè)面形成大量深淺不一的褶皺，隨著軋制過(guò)程的不斷進(jìn)行，部分褶皺翻轉(zhuǎn)到上表面形成邊部線狀缺陷。本文將中間坯側(cè)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(jī)理

圖2中帶鋼側(cè)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(jù)圖5所示理論可知，褶皺上翻后會(huì)形成多條線狀缺陷，同時(shí)缺陷寬度不會(huì)太大，無(wú)法解釋為什么帶鋼上表面會(huì)存在一條毫米級(jí)寬度的翹皮缺陷。從翹皮缺陷的開(kāi)口方向朝向帶鋼側(cè)面這個(gè)特征判斷，翹皮缺陷的根源應(yīng)該也是側(cè)面褶皺，但是這個(gè)褶皺的深度要明顯大于其它褶皺，其形成機(jī)理也應(yīng)該不同于第I類褶皺。

2.2 機(jī)理推測(cè)與驗(yàn)證

2.2.1 機(jī)理推測(cè)

為確定中間坯側(cè)面是否存在不同于第I類褶皺的大褶皺，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了持續(xù)跟蹤，當(dāng)發(fā)現(xiàn)帶鋼表面出現(xiàn)線狀翹皮缺陷時(shí)，對(duì)軋機(jī)進(jìn)行急停，然后在粗軋R2出口觀測(cè)中間坯側(cè)面形貌，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在中間坯側(cè)面的上、下角部各存在一條大褶皺，在后續(xù)精軋7機(jī)架軋制后，這條大褶皺就會(huì)翻轉(zhuǎn)到帶鋼上表面形成線狀翹皮缺陷。進(jìn)一步觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)，上述大褶皺的出現(xiàn)具有一定的隨機(jī)性。操作側(cè)、傳動(dòng)側(cè)的上、下角部有時(shí)全部出現(xiàn)大褶皺，有時(shí)全部沒(méi)有，有時(shí)又局部出現(xiàn)在某一個(gè)或兩個(gè)角部。

圖6 中間坯側(cè)面大褶皺

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)同一計(jì)劃內(nèi)同種規(guī)格產(chǎn)品的軋制參數(shù)基本相同，加熱參數(shù)(主要是加熱溫度與加熱時(shí)間)根據(jù)軋制節(jié)奏的變化會(huì)在一定范圍內(nèi)變化。因此，推測(cè)這類大褶皺的形成與加熱及冷卻過(guò)程溫度的不均勻變化有關(guān)。從力學(xué)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(jié)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(jìn)入相變區(qū)導(dǎo)致的。

2.2.2 溫度測(cè)量

為驗(yàn)證上述結(jié)論，如圖7所示，首先在R2出口采用熱成像儀對(duì)某塊IF鋼中間坯溫度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。將圖7中豎線標(biāo)示處的溫度提取出來(lái)，就得到中間坯從頭到尾的溫度變化曲線，結(jié)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(cè)與傳動(dòng)側(cè)溫度始終高100多度，定性規(guī)律與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)是一致的。將圖7中橫向標(biāo)識(shí)處溫度提取出來(lái)，就可得到一個(gè)截面的溫度橫向分布，中間坯頭部三個(gè)典型截面溫度提取結(jié)果如表1所示。

表1 IF鋼中間坯頭部溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 熱成像儀實(shí)測(cè)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(cè)平均溫度約為926 ℃，比中部低135 ℃；傳動(dòng)側(cè)平均溫度約為937 ℃，比中部低124 ℃。在軋制工藝設(shè)計(jì)時(shí)，粗軋時(shí)是不希望中間坯發(fā)生相變的，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[22]，其中部溫度也確實(shí)高于γ/α相變開(kāi)始溫度。但是，由于中間坯角部處于雙向換熱狀態(tài)，因此其溫度比目標(biāo)溫度低很多，有可能發(fā)生了相變，但需要通過(guò)熱膨脹實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)。

2.2.3 熱膨脹實(shí)驗(yàn)

將馬鋼IF鋼鑄坯加工成Ф4 mm×10 mm的小棒，然后在馬鋼技術(shù)中心通過(guò)熱膨脹儀進(jìn)行相變溫度測(cè)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(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。通過(guò)切線法可以得到：當(dāng)冷卻速度為1 ℃/s時(shí)，γ/α相變開(kāi)始溫度為960 ℃；當(dāng)冷卻速度為5 ℃/s時(shí)，γ/α相變開(kāi)始溫度為934 ℃。

對(duì)比溫度測(cè)量結(jié)果可知，在中間坯頭部的操作側(cè)溫度已經(jīng)明顯低于相變開(kāi)始溫度，因此其角部必然發(fā)生了相變，傳動(dòng)側(cè)角部溫度略高于相變開(kāi)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(dòng)側(cè)尾部也必然會(huì)發(fā)生相變。

圖9 熱膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.4 第II類褶皺

圖10為鋼的流變應(yīng)力與加工溫度之間的關(guān)系。由圖可知，當(dāng)溫度低于Ar3之后，將會(huì)導(dǎo)致流變應(yīng)力發(fā)生一定程度的降低，直到溫度低于Ar1之后，流變應(yīng)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(yīng)力關(guān)系

如圖11所示，當(dāng)軋制過(guò)程中中間坯的角部溫度低于Ar3時(shí)，會(huì)發(fā)生γ→α相變，從而導(dǎo)致流變應(yīng)力沿中間坯厚度方向分布是不均勻的，當(dāng)進(jìn)行厚度方向壓下時(shí)，不同的流變應(yīng)力導(dǎo)致不同的橫向?qū)捳棺冃?，Ar3附近的流變應(yīng)力最大峰值導(dǎo)致側(cè)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(dǎo)致褶皺形成機(jī)理

3 褶皺產(chǎn)生與消除

通過(guò)分析可知，邊部線狀缺陷的產(chǎn)生機(jī)理為：側(cè)面褶皺+角部金屬翻轉(zhuǎn)，側(cè)面褶皺的形成機(jī)理又有兩類。第I類褶皺的產(chǎn)生機(jī)理是由于鑄坯出加熱爐后側(cè)面晶粒的隨機(jī)取向與力學(xué)特征的各項(xiàng)異性，這類褶皺無(wú)法完全消除，但可以通過(guò)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(shí)間；第II類褶皺的產(chǎn)生機(jī)理是由于中間坯角部存在雙向換熱，局部溫度過(guò)低導(dǎo)致局部相變，在寬展變形時(shí)角部形成大褶皺，這類褶皺可以通過(guò)提高中間坯角部溫度得到完全消除或抑制，實(shí)際生產(chǎn)中的具體措施包括：采用倒角結(jié)晶器、矩形鑄坯切角、優(yōu)化設(shè)計(jì)定寬機(jī)砧板形狀、降低邊角部冷卻水流量等。

4 結(jié)束語(yǔ)

(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(cè)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(dá)到毫米級(jí)，帶鋼上表面溝槽與翹皮缺陷開(kāi)口朝向帶鋼側(cè)面。

(2) 從缺陷宏觀形貌與元素成分檢測(cè)結(jié)果可知，邊部線狀缺陷的形成與鋼區(qū)夾雜沒(méi)有直接關(guān)系。

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

一種大管徑鋼管水壓試驗(yàn)系統(tǒng)(CN208672433U)

本實(shí)用新型應(yīng)用于鋼管精整區(qū)域設(shè)備,為大管徑鋼管提供一種大管徑鋼管水壓試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括固定密封盤,固定支架,拉力梁,頂起裝置,各種規(guī)格的穿管密封盤,若干支撐輪和主動(dòng)托輥以及高低壓水路系統(tǒng)等。固定支架連接可調(diào)高度的固定密封盤,拉力梁為以銷軸形式連接單拉力梁和夾板梁,拉力梁兩端連接穿管密封盤和固定密封盤,使之成為一個(gè)自適應(yīng)承載結(jié)構(gòu)。主動(dòng)托輥帶動(dòng)鋼管軸向移動(dòng),通過(guò)穿管密封盤和單拉力梁至固定密封盤。密封盤采用內(nèi)徑密封。對(duì)于一定范圍長(zhǎng)度的鋼管可以連續(xù)進(jìn)行水壓試驗(yàn),提高了生產(chǎn)效率。此結(jié)構(gòu)大大降低了鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)的整體重量和造價(jià),降低鋼管水壓試驗(yàn)成本。

一種大直徑薄壁管材輔助對(duì)接裝置(CN106626422B)

本發(fā)明公開(kāi)了一種大直徑薄壁管材輔助對(duì)接裝置,該裝置適用于直徑為3500～4500mm的待對(duì)接管材,至少包括運(yùn)輸裝置,所述運(yùn)輸裝置通過(guò)調(diào)節(jié)裝置支撐與活動(dòng)托架連接,活動(dòng)托架的中間支撐需要對(duì)接的管材,調(diào)節(jié)裝置可以使管材的中心進(jìn)行位置調(diào)節(jié)；運(yùn)輸裝置可以將其托起的管材沿固定路線移動(dòng),直至其托起的管材的端部和另一個(gè)需要對(duì)接的管材端部靠近,根據(jù)需要啟動(dòng)所述運(yùn)輸裝置上的調(diào)節(jié)裝置,實(shí)現(xiàn)兩根管材端部中心的對(duì)正。該裝置還包括由整形支架、矯形液壓缸、扣合缸組成的整形裝置,整形支架扣合后將所要對(duì)接的管材的端部周向圍攏,矯形液壓缸根據(jù)對(duì)接需要對(duì)管材的端部進(jìn)行局部擠壓,以幫助兩根管材的端部對(duì)準(zhǔn),隨后用鎖扣將兩根管材的端部快速、準(zhǔn)確對(duì)接。