不锈钢薄板轧制过程中的边裂质量问题与控制

1、不锈钢薄板轧制过程中的边裂质量问题与控制1.1 概述不锈钢（Stainless Steel）是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢。不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低，因此，大多数不锈钢的含碳量均较低，最大不超过1.2%，有些钢的c（含碳量）甚至低于0.03%（如00Cr12）。不锈钢中的主要合金元素是Cr（铬），只有当Cr含量达到一定值时，钢材有耐蚀性。因此，不锈钢一般Cr（铬）含量至少为10.5%。不锈钢中还含有Ni、Ti、Mn、N、Nb、Mo、Si、Cu等元素。不锈钢由于其优良的耐蚀性、耐高温性、良好的加工性能、外表美观、耐用等特点，被广泛应用于轻工

2、、家电、建材、包装等工业领域。由于不锈钢具有加工温度范围窄、高温变形抗力大、表面质量控制困难等生产难点，使得其生产工艺及设备选型与普通碳钢生产相比有许多不同之处。不锈钢常按组织状态分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等，另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。也可以根据牌号将不锈钢分为200系列、300系列、400系列等。每种型号的不锈钢都有各自的性能特点，在实际应用中应根据具体使用特性选择合适的不锈钢。不锈钢薄板是一种价格不高的材料，但是客户对它的表面质量要求非常高。不锈薄板在生产过程中不可避免会出现各种缺陷，如边裂、划

3、伤、麻点、折痕等，给生产成本以及稳定性造成极大的影响。1.2 不锈钢薄板轧制过程中的边裂质量问题的定义与表现在不锈钢薄板热连轧生产中，卷板的两个边部出现不同深度的裂口缺陷，俗称边裂或边裂缺陷，其表现形式如图1、图2所示。图1 某钢铁企业不锈钢热轧薄板边裂形貌图2 不锈钢热轧薄板边裂显微形貌1.3 不锈钢薄板轧制过程中的边裂质量问题的危害不锈钢薄板轧制过程中，裂边深度严重的达5mm15mm，轻的5mm。这不仅要求冷轧前必须切边, 增加了冷轧工序的切边损失，使冷轧不锈钢厂生产成本增加，而且一旦裂口切不干净，冷轧时裂口，就有扩展和断带的可能性。同时热轧轧制过程中，也存在带钢折断、碎片飞出等轧制稳定性

4、问题和人身安全问题。因此，热轧边裂已成为不锈钢生产、降低成本和保障安全的重大障碍。1.4 不锈钢薄板轧制过程中的边裂质量问题的成因分析1.4.1 不锈钢薄板轧生产工艺简介不锈钢热轧薄板主要由热连轧为主，常规连轧机组有1/2 、3/4 及全连续等几种布置型式。在满足产量要求的前提下, 目前国内使用较多则是单粗轧机架, 即采用1架强力四辊粗轧机进行37 道次可逆轧制来满足精轧的坯料要求。这种布置形式可以大大缩短粗轧区长度，有利于减少板坯温降。表1 国内不锈钢热轧生产厂生产规模及机组配置序号生产厂家生产品种生产规模机组配置热卷箱精轧立辊1宝钢1780mm200、300、400系I期:不锈钢70万t/

5、a碳钢216万t/aII期:不锈钢144万t/a碳钢216万t/aR1+F1F7有有2联众1780mm200、300、400系60万t/aR1+F1F7有无3太钢2250mm300、400系不锈钢196.4万t/a碳钢196.4万t/aR1+F1F7有有4唐钢1580400系为主60万t/aR1+F1F7有有5西南不锈1450300、400系80万t/aR1+F1F7有有1）加热炉不锈钢导热能力与碳钢有较大区别（图3）。一般相同尺寸的不锈钢板坯加热时间大于碳钢板坯，由于板坯内外温度差大，不锈钢板坯的热应力也较碳钢大，使得铁素体和奥氏体不锈钢承受因加热速度产生热应力的能力也不尽相同。因此，尺寸较

6、长的加热炉对不锈钢板坯的加热控制有利。图3 不锈钢、普通钢导热系数对比2）粗轧区域不锈钢对表面质量要求比较高, 通常来说在热轧过程中通过高压水粗除鳞去除板坯表面的一次氧化铁皮，可最大限度地减小氧化铁皮覆盖层厚度。根据国内各钢厂的对比，除鳞喷嘴处的出口压力设计为2025MPa较为合适。一般热连轧粗轧机前都配置有立辊轧机，与粗轧机近接布置。用于控制带钢宽度和形状，同时将板坯的边部由铸态组织变为轧态组织，避免在水平轧制中出现边裂。这些功能对于防止不锈钢的热轧边裂尤为重要。由于不锈钢加工温度范围窄、高温变形抗力大的特性，为了减少轧件在轧制过程中的温降，粗轧阶段采用高温快轧、抢轧的方法。以尽可能少的轧制

7、道次将板坯轧制成中间坯厚度。因此，轧机的力能参数选择上比同规格的碳钢轧机要大一些。3）热卷箱热卷箱的主要作用是：精轧机组可以不采用升速轧制，可减少主电机功率和轧机速度，且可以缩短轧线长度，减少投资。相同情况下可以降低板坯出炉温度，节约加热炉燃料，减少板坯氧化铁皮。热卷箱卷取时大量二次氧化铁皮剥落，有利于氧化铁皮的清除，减少中间坯头尾及上、下表面温差。因此，在国内的不锈钢热轧生产中普遍使用热卷箱技术。如图4所示，热卷箱三个阶段的改造性能，无芯轴带隔热板热卷箱为最近一代产品。图4 热卷箱对于带钢宽度方向的温度效果对比图4）精轧机组带钢精轧前可根据碳钢和不锈钢选用高压水或蒸汽去除、吹扫中间坯表面氧化

8、铁皮。在国内不锈钢生产中，精轧机组前普遍配置1架立辊轧机，对轧件起导向和边部轧制的作用，通过对边部轧制防止精轧过中轧件出现边裂。精轧机组一般为67架，在力能参数的选择原则上与粗轧机组类似。5）轧线冷却水及带钢冷却系统在不锈钢轧制中严格控制轧线冷却水。中间辊道的冷却方式采用辊身冷却和辊颈冷却2种方式，可分别控制。在轧制过程中严禁轧辊冷却水浇漏到带钢表面上。层流冷却系统用于精确控制带钢的卷取温度。有的文献中认为不锈钢热轧后不进行水冷，但根据现场了解除马氏体轧后不需水冷以外，奥氏体不锈钢轧后需进行水冷以达到适宜的卷取温度，以便于更好地控制产品表面质量。至于铁素体不锈钢由于终轧温度比较低（800以下)

9、），轧后水冷的投入与否各生产厂家都不尽相同。1.4.2 典型不锈钢薄板边裂原因分析410S不锈钢是一种铁素体类不锈钢，这种不锈钢具有成本低、线膨胀系数小、导热系数高等优点。然而，这种不锈钢在热轧制过程中很容易出现边裂现象，从而降低了铁素体不锈钢产品的质量，增加企业的生产成本，也对后道工序的加工生产带来了风险和损失。所以很有必要对410S不锈钢热轧制过程中的边裂现象进行研究，从而优化轧制工艺，并在以后的生产加工中进行有效的控制。1）410S不锈钢的组成410S不锈钢是铁素体不锈钢，为体心立方结构的铁基合金，其含Cr量一般是在1213%，典型的化学成分见表2。这种不锈钢从它的C和N含量以及铸态、热

10、轧态的组织来看，不管是在高温还是常温下都不是单一铁素体组织，其相主要有碳化物、氮化物、金属间相和马氏体相等。与C、N含量较低的纯铁素体不锈钢的铸态和热轧态显微组织有很大区别。表2 410S不锈钢化学成分牌号CSiMnNMoCrNiCu410S0.0350.280.270.0310.0212.450.150.032）碳化物和氮化合物对边裂的影响大量的研究表明，碳和氮元素在铁素体中的溶解度非常低。一般在含铬25%的铁素体类不锈钢中，在1092时，碳在铁素体中的溶解度仅为0.04%,而在927时为0.003%，温度再低就降到了0.003%以下；当温度在927以上时，氮在铁素体中的溶解度为0.022%

11、，而在593仅为0.005%。因此，这类不锈钢在高温加热，还是在随后的冷却过程中，就算是急速冷却，也往往难以阻止碳化物和氮化物的析出。碳化物主要是(Cr，Fe)23C6 和(Cr，Fe)7C3；氮化合物主要为CrN和Cr2N。铁素体不锈钢中的碳化物和氮化物对其性能将产生消极的影响。主要表现在对韧性、耐腐蚀性和缺口敏感性等的影响上。使钢的脆性转变温度变高。碳元素和氮元素能够强烈的形成和稳定奥氏体，并扩大FeCr合金中区，从而使+两相区向Cr含量更高的方向发展，因此，铁素体不锈钢就可能出现铁素体和马氏体或者奥氏体双向结构。这些都会是铁素体不锈钢的冲击韧性降低，脆性增加，是钢的脆性转变温度明显升高。

12、碳和氮的析出物也常常会成为应力集中地裂纹源。因此，在410S不锈钢的热轧中，尽力控制碳和氮元素的析出物对边裂的影响。3）各金属元素对边裂的影响铬元素对铁素体不锈钢的影响主要是加速了相和相的形成，并使铁素体晶粒更加的粗大，从而使铁素体不锈钢的脆化倾向增加。钼元素更加能够促进铁素体不锈钢中相和相的形成，尤其是相的形成，使不锈钢的强度和硬度提高，而使钢的塑性和韧性降低，对边裂也是有促进作用。镍元素与碳和氮相似，都可以使FeCr合金的+两相区向Cr含量更高的方向发展。然而，镍对钢中相的形成并没有显著地影响，能够显著地提高铁素体不锈钢的强度和韧性，并且使不锈钢的脆性转变温度降低。铜元素对铁素体不锈钢的组

13、织并没有什么影响，也就不会对边裂产生太大的作用。4）410S微观组织特点及边裂分析对410S不锈钢铸态组织的电镜扫描观察结果显示，410S不锈钢铸态以马氏体为主，铁素体为辅。随着温度的逐渐升高，410S不锈钢中的奥氏体相增加，甚至成为主要相，而第二相也就是铁素体相也会随着温度的增加而增加，当加热至1150时，其比例几乎与奥氏体相相接近。这两相组织的存在则会降低不锈钢的热塑性。其淬火后的显微组织见图5。其中黑色组织为马氏体，由高温奥氏体转变而来，白色组织为铁素体。图5 410S不同温度下淬火得到的金相组织在410S不锈钢的热加工过程中，因奥氏体为面心立方晶格，密度大，而铁素体为体心立方晶格，密度

14、小，所以，当奥氏体向铁素体转变时，体积发生膨胀，产生膨胀应力，当应力超过钢的强度极限时，在两相界面处就产生了微裂纹。同时，由于铁素体与奥氏体在强度和塑性上有较大的差异，因此在轧制变形时原有微裂纹迅速扩展为肉眼可见的裂口，这种裂口主要出现在板边上, 就形成为边裂。因此，想要控制热加工过程中边部裂纹的产生，应该使第二相的比例减少，而使其中某一相占主导地位。对于410S不锈钢而言，当温度超过1100时，铁素体的比例会显著增加。为防止和减少410S高温两相区轧制引起的边裂，应采用低温热轧和板坯在加热段、均热段停留时间不能太久的方式。尽量选择410S在奥氏体单相区和极少铁素体区进行热轧，应避免1100以

15、上的高温，并减少坯料高温停留时间，以避免第二相(铁素体)比例的增加。图6为410S的Thermo-calc计算相平衡图，图中红线表示奥氏体含量，蓝线表示铁素体含量。410S钢在810871温度之间，奥氏体与铁素体双相共存；在8711086之间为奥氏体单相区，热变形在该区域完成就不会产生边裂缺陷；温度继续升高，在10861311之间又为铁素体与奥氏体双相区, 且随温度升高铁素体含量逐渐上升；在1311以上，则为铁素体单相区。图6 410S的Thermo-calc计算相平衡图当然，试验值与计算值之间也存在一定的差值。对于410S，计算显示在871 1086之间为奥氏体单相区，而试验定量分析显示95

16、01100淬火后，金相组织中马氏体体积分数为86%左右，产生以上偏差的原因是Thermo-calc计算得到的是平衡相图，而实际过程很难达到平衡，所以必然存在偏差。由于原始组织为铸态组织，会导致一定的组织与成分不均匀。此外，奥氏体转变的不完全，可能会导致残余奥氏体的存在，使测量到的奥氏体含量比实际少。5）热重( DSC )分析利用热重分析仪进行试验，可以判断各相的相变温度，两钢种的DSC分析结果如图7所示。在410S降温曲线上，可以发现在1312附近存在相变点。此相变点与计算相图中高温铁素体向奥氏体的转变温度相对应，计算值为1311。此外, 在839附近存在一峰值，分析该峰附近曲线变化，得到相变

17、温度880及808。与计算相图相比较，认为880为降温过程中奥氏体向低温铁素体转变的起始点, 808则为此转变的结束点，即在此温度下，奥氏体完全消失。Thermo-calc计算温度分别为870和810。因此，DSC分析结果与计算结果吻合得很好。图7 410S不锈钢热重分析结果1.5 不锈钢薄板轧制过程中的边裂质量问题的控制技术1）提高原始铸坯表面质量，降低裂纹缺陷连铸坯表面如存在边部横裂纹，在轧制过程中裂纹不断扩展，会导致热轧板边部裂纹的产生。连铸工艺应避免拉速的波动和较好的铸坯侧面质量。2）加热炉控制铁素体含量对不锈钢高温塑性的影响很大，加热过程中影响铁素体含量的重要参数为加热温度和加热时间

18、。对于不同加热温度，1260保温时铁素体含量最少，而1300和1290加热情况下铁素体含量相对较高。据此，为保证不锈钢加工时的热塑性，加热温度不应高于1270。不锈钢在加热过程中不允许发生过烧，因此炉温控制精度要求较碳钢高。为防止增碳现象，烧嘴火焰不能对着板坯直烧，因此要求各加热段的温度场均匀，并且要求在炉时间不能太长。实际生产过程中，不锈钢坯料在炉内加热过度、在炉时间过长都可造成轧制过程发生边裂缺陷，另外不锈钢的待轧降温、升温操作与碳钢之间的最大区别在于切忌炉内高保温待命或快速加温，升温过程应缓慢。因此，加热工艺中在炉时间控制在200min240min。3）轧制过程根据不锈钢轧制过程中变形抗力大、易发生边裂的特点，确定粗轧轧制工艺制度首先要保证板坯