熱軋粗晶缺陷形成機(jī)理及其對(duì)電鍍鋅板的影響

陳瑩瑩 顏 飛

(1.武漢鋼鐵有限公司冷軋廠 湖北 武漢:430080；2.武漢鋼鐵有限公司制造部 湖北 武漢：430080)

電鍍鋅板因其具有良好的耐蝕性、優(yōu)異的表面質(zhì)量和靈活多變的后處理方式等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高端汽車(chē)，家電等行業(yè)，在辦公自動(dòng)化、影視等行業(yè)應(yīng)用也逐步增加[1-3]。電鍍鋅板生產(chǎn)對(duì)基板表面質(zhì)量要求非常高，電鍍鋅過(guò)程中Zn的沉積初期是外延式生長(zhǎng)，即(110)Fe//(0001)Zn、[111]Fe//[1120]Zn受基板微觀組織特別是晶粒尺寸及取向影響較大[4]。當(dāng)基板表面存在缺陷時(shí)，鍍鋅后缺陷部位往往進(jìn)一步放大。某廠在生產(chǎn)一批電鍍鋅外板時(shí)發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)流星狀亮點(diǎn)缺陷，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是基板表面粗晶所致。本文對(duì)粗晶缺陷形成機(jī)理展開(kāi)了分析，并提出了針對(duì)性改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選自大生產(chǎn)帶缺陷電鍍鋅板，其基體成分如表1所示。流星狀缺陷主要發(fā)生在帶鋼上表面，頭尾無(wú)，且其發(fā)生主要從距帶頭1/4長(zhǎng)度至1/2長(zhǎng)度范圍內(nèi)。缺陷呈小短條狀，程度較輕時(shí)，呈零星斑點(diǎn)狀分布，圖1為粗晶缺陷在電鍍鋅板表面宏觀形貌特征，小短條流星狀白條隨機(jī)分布在板面。缺陷嚴(yán)重時(shí)整表面均可見(jiàn)呈不規(guī)則流星狀分布的小短條，短條長(zhǎng)度為5mm-20mm。

表1 電鍍鋅基材化學(xué)成分(wt/%)

圖1 電鍍鋅板表面流星狀小短條粗晶缺陷宏觀形貌

從電鍍鋅板缺陷分布特征看，出現(xiàn)此類(lèi)缺陷首先考慮來(lái)料組織缺陷，因此先進(jìn)行金相檢測(cè)。將包含缺陷部位的試樣剪切成10mm×10mm尺寸，從截面方向鑲嵌制成金相試樣，磨制、拋光后采用4%硝酸酒精腐蝕，觀察其截面金相組織特征。另取小尺寸試樣，先用稀鹽酸溶液將表面鋅層去除，然后將表面磨制、拋光及腐蝕后觀察其表面晶粒度特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基材微觀組織特征

圖2所示為基材表面及截面微觀組織。由圖2明顯可見(jiàn)基板表面存在大量沿軋向分布的條狀粗晶組織，粗晶尺寸可達(dá)100μm左右，而正常部位晶粒組織尺寸在8μm-10μm左右?？梢?jiàn)電鍍鋅板表面流星狀條狀缺陷正是由于基板表面粗晶所致。而截面晶粒尺寸則保持均勻，并未觀察到粗晶的存在，表明粗晶僅出現(xiàn)在淺表層。如果粗晶形成是受熱軋兩相區(qū)軋制影響，則粗晶組織很可能會(huì)在軋制變形過(guò)程中隨變形深入而混入基體中間，據(jù)此推測(cè)，粗晶形成可能主要受層流冷卻段影響。因此首先對(duì)熱軋層流冷卻段進(jìn)行排查。

圖2 電鍍鋅基板表面(左)及截面金相組織(右)

2.2 粗晶形成機(jī)理

根據(jù)粗晶微觀組織特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)對(duì)層流冷卻段進(jìn)行排查。層流冷卻段總長(zhǎng)約為120m，距離精軋出口FT7約40m處有一帶鋼上表面溫度監(jiān)控點(diǎn)，稱(chēng)為CS溫度點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。數(shù)據(jù)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CS測(cè)溫點(diǎn)溫度比之前正常生產(chǎn)檢測(cè)溫度明顯升高，因生產(chǎn)鋼種不同，升高幅度不同，一般在10℃-50℃之間。本文研究的鋼種，發(fā)生粗晶時(shí)CS溫度為850℃或更高，而之前未發(fā)生粗晶時(shí)其CS溫度在810℃。進(jìn)一步排查層流冷卻段發(fā)現(xiàn)CS溫度升高的主要原因有兩點(diǎn)：一是層流冷卻管道特別是后段精調(diào)段管道改造后冷卻能力增加，導(dǎo)致CS測(cè)溫點(diǎn)溫度升高。二是冬季冷卻水水溫較低，一般在20℃-25℃，而其它季節(jié)水溫在30℃左右，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)CS測(cè)溫點(diǎn)溫度比其它季節(jié)升高。

圖3 層流冷卻過(guò)程溫降示意圖

CS測(cè)溫點(diǎn)溫度升高的原因可以借助圖3示意圖闡述。目前鋼種軋后冷卻主要為前段冷卻，其冷卻過(guò)程可示意為圖3中的OA→AC過(guò)程。在后段精調(diào)段管道改造后冷卻能力增加，但由于熱軋冷卻系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，即保持FT7溫度與卷取CT溫度總溫降不變，當(dāng)后段冷卻能力增加時(shí)，系統(tǒng)模型會(huì)自動(dòng)調(diào)小前段冷卻能力，即實(shí)際冷卻過(guò)程按照?qǐng)D3中的OB→BC過(guò)程進(jìn)行。其客觀表現(xiàn)則是在CS測(cè)溫點(diǎn)處不同鋼種會(huì)有10℃-50℃溫升出現(xiàn)。

此外，冬季水溫降低造成CS測(cè)溫點(diǎn)溫度增加原理與上述類(lèi)似，即冷卻水總體水溫越低，單獨(dú)來(lái)看后段冷卻同樣會(huì)增加，系統(tǒng)模型自動(dòng)降低前段冷卻能力，從而導(dǎo)致CS測(cè)溫點(diǎn)溫度上升。

CS測(cè)溫點(diǎn)溫度上升又是如何導(dǎo)致導(dǎo)致粗晶形成呢？電鍍鋅基材精軋出口溫度控制要求為920℃，精軋出口帶鋼基材處于單相區(qū)，相變會(huì)發(fā)生在層流冷卻階段，且相變主要發(fā)生在第一次水冷。在原有OA→AC冷卻路徑下，特別是OA段，溫降越大，奧氏體過(guò)冷度越大，能形成足夠的晶核保證形成相對(duì)細(xì)小相變晶粒。而當(dāng)CS溫度提高后，奧氏體過(guò)冷度變小，鐵素體形核點(diǎn)減少，長(zhǎng)大速度增加。此外，前段冷卻能力下降導(dǎo)致基材表面先于基材心部發(fā)生相變，在卷取后卷材因散熱條件的差異，導(dǎo)致基材中部有足夠熱量提供先發(fā)生相變的鐵素體繼續(xù)長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致表層粗晶的形成。

2.3 粗晶在帶鋼全長(zhǎng)分布特征及原因分析

以本文研究的電鍍鋅基材為例，其在熱軋下線厚度為2.4mm，如果對(duì)熱軋卷按1200m長(zhǎng)(均值)計(jì)算，粗晶缺陷主要出現(xiàn)在距離帶頭300m-600m范圍內(nèi)，主要分布在工作側(cè)200mm-700mm范圍，如果還原至帶鋼熱軋下線卷取后狀態(tài)，則缺陷在帶鋼全長(zhǎng)分布特征如圖4所示，虛線區(qū)域?yàn)榇志^(qū)域，其余部位為正常部位。

帶鋼精軋軋制后，由上述分析可知，CS溫度點(diǎn)的溫度增加，已經(jīng)給粗晶的形成提供了前提條件，但粗晶能否最終形成，還需要看卷取后有沒(méi)有足夠的熱力學(xué)條件。如圖4所示，帶鋼卷取后，從徑向來(lái)看，內(nèi)徑的GF段，外徑的AE段；從橫向來(lái)看，邊部的AB段、CD段都直接與空氣接觸，熱交換快，溫度下降快，而僅有虛線標(biāo)示的部位處于較為中心地段，溫度下降較慢。從局部看，帶鋼心部熱量向外擴(kuò)散能給表面發(fā)生先相變的晶粒提供繼續(xù)長(zhǎng)大的熱力學(xué)條件，這就解釋了為何頭尾無(wú)，僅距離帶頭300m-600m范圍內(nèi)有粗晶。從橫向上看，帶鋼為何一邊有一邊又沒(méi)有？主要是因?yàn)閷?duì)熱軋帶鋼而言，冷卻本身就不均勻，橫向溫度存在溫度差，粗晶發(fā)生在溫度較低的一側(cè)。

圖4 粗晶部位在熱軋卷中相對(duì)位置示意圖

2.4 粗晶控制工藝改進(jìn)

根據(jù)上述分析，要改善粗晶，可以從如下幾個(gè)方面入手：一是層流冷卻后段精調(diào)段冷卻能力恢復(fù)到改造前水平，避免出現(xiàn)軋制溫度控制模型前段、后段溫降分配再次出現(xiàn)差異；二是注意控制冬季水溫；三是將CS溫度點(diǎn)納入監(jiān)控，以之前正常生產(chǎn)的溫度值作為控制目標(biāo)，監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程；四是適當(dāng)降低卷取溫度，破壞粗晶形成的熱力學(xué)條件。上述措施在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，現(xiàn)場(chǎng)粗晶缺陷再未出現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1)導(dǎo)致電鍍鋅板表面流星狀缺陷形成原因是基板表面存在大量細(xì)條狀粗晶組織。

(2)熱軋層流冷卻段CS溫度點(diǎn)升高是導(dǎo)致粗晶形成的直接原因，其根本原因是層流冷卻段溫降模式改變導(dǎo)致相變模式發(fā)生變化，前段冷卻能力降低導(dǎo)致奧氏體過(guò)冷度變小，鐵素體形核點(diǎn)減少，長(zhǎng)大速度增加，基材表面會(huì)先于心部發(fā)生相變，最終導(dǎo)致表層粗晶的形成。

(3)粗晶在帶鋼全長(zhǎng)的分布特征與卷取后鋼卷散熱溫度場(chǎng)相關(guān)，適當(dāng)降低卷取溫度，有助于消除粗晶組織。