陈连生１,李 跃１,宋进英１,郑小平１,田亚强１,李广林２
(１．华北理工大学,教育部现代冶金技术重点实验室,唐山 ０６３００９;２．北京首钢股份公司,迁安 ０６４４００)
摘 要:采用光学显微镜、扫描电镜及能谱仪等分析了５５Mn冷轧带钢边裂缺陷的形成原因,提出了优化的冷轧控制措施并进行了验证.结果表明:因铸坯本身有微小裂纹,致使其在热轧加热过程中产生局部脱碳是造成冷轧带钢边裂的直接原因;通过将拉矫机的延伸率参数设定为正常时的５０％,酸洗液质量浓度较正常的增大５％~１０％,酸洗速度降至正常时的７０％,前两个机架的负荷分配设定为总压下量的７０％以上,机架间的微拉应力控制在正常时的７０％以内,能够有效控制此边裂现象的出现.
关键词:５５Mn钢;边裂;局部脱碳;冷轧;改进措施
中图分类号:TG３３５．３ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０８Ｇ００３１Ｇ０４
０ 引 言
边裂是冷轧带钢生产中较为常见的边部缺陷,常批量出现.边裂的存在不仅会影响带钢产品的质量,而且由于冷轧速度快、张力大,而带钢较薄,因此还会导致断带、产品报废及停产等事故,连带地会损坏生产设备,严重影响生产的顺利进行,给生产企业造成较大的经济损失[１].边裂的控制一直是冷轧带钢生产企业比较关注的问题[２Ｇ７].
某公司生产的５５Mn冷轧带钢在其边部出现大范围的开裂现象,有的裂纹贯穿整个截面.由图１可以看出:带钢的边裂缺陷呈断续的犬齿状,严重处有开裂掉块现象;边部有明显的重叠、分层、翘皮等缺陷,较小的裂纹呈月牙形.为了减少缺陷的出现几率,作者以该边裂５５Mn冷轧带钢为研究对象,通过理化检测分析了边裂原因;在此基础上,在不增加任何设备及生产成本,又能保证生产顺利稳定进行的前提下,对冷轧生产工艺进行了优化[８Ｇ１１],为冷轧带钢实际生产工艺的改进提供参考和借鉴.
１ 试样制备与试验方法
试验材料取自存在边裂缺陷的５５Mn冷轧带钢,该钢厚０．８ mm,宽１２００ mm,其化学成分(质量分数/％)为０．５４C,０．２９Si,０．９５Mn,０．０２１S,０．０３２P.在５５Mn冷轧带钢的边裂部位及正常部位切取表面尺寸为１０mm×１０mm 的试样,经 KQＧ５０型超声波清洗 器 清 洗 后,使 用 DMI５０００M 型 光 学 显 微 镜(OM)及SＧ４８００型扫描电镜(SEM)观察显微组织及断口形貌,用SEM 附带的 Noran７型 X射线能谱仪(EDS)分析其元素组成.
２ 试验结果与讨论
２．１ 边裂部位断口形貌及元素分布
由图２可发现,该冷轧带钢边裂部位断口表面均匀,断口主要含铁元素,未发现明显的夹杂元素或是氧化铁皮压入现象.因此,夹杂物或高温氧化物不是引起边裂的主要原因[１２].
２．２ 边裂部位组织及边裂产生原因
从图３可以看出:该冷轧带钢的正常组织为铁素体和片状珠光体,片状珠光体(灰色)较多,铁素体(白色)较少;边裂缺陷处的珠光体(灰色)较少,铁素体(白色)较多.初步推断缺陷位置严重脱碳.
由图４可知:正常无开裂处组织中浮凸的片状珠光体较多,铁素体较少,符合典型的高碳钢组织形貌;边裂缺陷位置的组织中珠光体含量较少,铁素体含量较多.５５Mn钢中珠光体和铁素体的理论体积 比约为７∶３,缺陷部位的铁素体明显多于珠光体,故 可判断该带钢边裂部位脱碳严重[１３Ｇ１４].结合缺陷 宏观特征,可以认为裂纹在热轧加热前已产生,即铸 坯本身存在较多的微小裂纹,并在热轧加热过程中 在微小裂纹处发生局部脱碳[１５].在热轧过程中部 分裂纹不能完全焊合,成为边裂产生的裂纹源;经过 冷轧工序的多道次轧制,微裂纹依旧不能被压合,裂 纹扩展形成边裂缺陷.此外,局部组织氧化脱碳会 引起轧制带钢严重的不均匀变形,且脱碳缺陷在金 属内部分布不均匀.脱碳缺陷体积越大,脱碳分布 越不均匀,则带钢的变形也越不均匀.在缺陷处带 钢的不均匀变形易引起应力集中,也会产生裂纹源, 轧制时进而扩展导致边裂.
３ 边裂控制措施
对于因铸坯存在微小裂纹导致局部脱碳的热轧钢,如采用常规的冷轧轧制工艺,具有脱碳缺陷的边部会因变形不均匀而导致边裂缺陷,严重时会导致断带事故.作者依据边裂在大拉应力作用下扩展及大压应力下充分压合分层的机理,对带钢通过拉矫破鳞机时的张力、酸洗液浓度和酸洗速度、前两个机架的负荷分配和机架间的张力进行优化,控制边裂在冷轧工序产生的几率及严重程度.
３．１ 拉矫及酸洗
在带钢的带头运行至酸洗段的拉矫机入口焊缝检测位置前,手动在一级基础自动控制界面将带钢通过拉矫机的延伸率参数 设 定 为 正 常 时 的 ５０％.例如,正常时的延伸率设定为３％,那么具有局部脱
碳缺陷的带钢通过拉矫机的延伸率就设定为１．５％.
此种拉矫策略,能够减小具有局部脱碳缺陷的带钢通过拉矫机时受到的拉应力,从而防止或降低带钢局部脱碳缺陷处的分层,以及微裂纹因受大的张力而发生的扩展.
在带头运行至酸洗段的酸洗槽入口前,通过酸洗液浓度控制系统将 HCl质量浓度在正常质量浓度的基础上增大５％至１０％;并将酸洗速度降至正常时的７０％.例如,正常酸洗液质量浓度为１５０g??L－１,酸洗速度为１５０m??min－１,则具有脱碳缺陷的带钢的酸洗 液 质 量 浓 度 需 要 调 整 至 １５８~１６５g??L－１,酸洗速度调整至１０５ m??min－１.其目的是在降低拉矫机延伸率的条件下,提升酸洗效果,确保带钢表面氧化铁皮酸洗干净.这是对因延伸率降低而导致的破鳞不足的补偿.
３．２ 负荷分配轧制
局部脱碳位置处的金属塑性相对较好,使得此处的金属因延伸不均而易产生分层缺陷,并在较大拉应力下容易产生边裂缺陷.采用大轧制力及大压下量实现充分压合分层的负荷分配轧制策略,将前两个机 架 的 压 下 量 负 荷 分 配 设 定 为 总 压 下 量 的７０％以上,即将第一机架负荷分配由原来的总压下量的３０％左右增大至４０％以上,利用第一机架的轧
制压力使带钢中因脱碳导致的分层缺陷尽可能压合,进而降低边裂产生的几率和严重程度;将第二机架的负荷分配由原来的总压下量的２５％左右增大至３０％以上,利用第二机架的轧制压力巩固压合效果;将后三机架的负荷分配依据计算机负荷分配模型自行设定,确保成品带钢的板形和厚度精度.
３．３ 张力设定
采用前机架间微拉应力的张力设定策略,减小前两机架之间带钢所受到的拉应力,确保前两机架间的带钢不会因受到较大的拉应力而在具有脱碳缺陷的位置产生边裂缺陷;在后续机架间采用常规张力设定,确保后续机架间较薄的带钢不会出现跑偏现象.例如,二级过程计算机轧制模型自动设定的张力分别为１３０,１７０,２３０,５０MPa,则在此轧制策略下,在具有局部脱碳缺陷的带钢带头到达第一机架入口检测前,在二级过程控制界面中将前两机架间的张力手动修正为９０MPa,即降低约３０％,其他机架则保持不变.
４ 采取措施后的效果
在未采用这些工艺措施前,冷轧带钢常出现边裂和断带现象,经质量监控部门测得２０１５年３－７月因局部脱碳缺陷引起的平均断带率高达１．２６％.通过采取上述轧制措施,在不增加任何设备和成本的基础上,有效避免了因局部脱碳导致的断带现象,２０１５年８－１２月的平均断带率仅为０．４８％,降低了０．７８％.工艺优化后带钢边部质量如图５所示,对比图１可见,工艺优化后的带钢边部整齐,基本无可视边裂现象.
５ 结 论
(１)５５Mn冷轧带钢出现边裂缺陷的主要原因是铸坯本身存在较多的微小裂纹,在后续热轧加热过程中在微小裂纹处发生局部脱碳,在冷轧过程中部分微小裂纹未能充分压合且因脱碳产生应力集中导致裂纹扩展,形成边裂缺陷.
(２)通过将拉矫机的延伸率参数设定为正常时的５０％,酸洗液质量浓度较正常的增大５％~１０％,酸洗速度降至正常时的７０％,前两个机架的负荷分配设定为总压下量的７０％以上,机架间的微拉应力控制在正常时的７０％以内时,能够有效控制冷轧带钢边裂现象;经过４个月的生产验证,因局部脱碳缺陷引起的平均断带率由原来的１．２６％降低为０．４８％。