201不銹鋼是一種鉻錳鎳氮系不銹鋼，具有良好的耐蝕性和力學(xué)性能，是目前市場應(yīng)用最多的奧氏體不銹鋼之一，廣泛應(yīng)用于裝飾管、廚房用品、餐具、家電產(chǎn)品、食品機(jī)械、計算機(jī)配件、集裝箱等方面。但是，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到鋼帶表面脫皮類缺陷，對產(chǎn)品外觀產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致客戶投訴，影響企業(yè)品牌聲譽(yù)。

某不銹鋼廠在生產(chǎn)201奧氏體不銹鋼熱軋鋼帶時，固溶退火酸洗后鋼帶沿軋制方向表面連續(xù)出現(xiàn)山峰狀缺陷（圖1），缺陷位置主要集中在鋼帶邊部50~150 mm范圍內(nèi)，缺陷深度≤0.2 mm，長度≤300 mm，發(fā)生頻率較高，目前，鋼帶因“山形”缺陷導(dǎo)致降級比例最高達(dá)10%，對產(chǎn)品表面質(zhì)量及客戶使用體驗(yàn)造成較大的影響。因此，如何從根源上控制缺陷的發(fā)生，減少鋼帶的降級，是該不銹鋼廠201不銹鋼生產(chǎn)過程亟需解決的問題。

該不銹鋼廠201奧氏體不銹鋼的生產(chǎn)流程為紅土鎳礦→燒結(jié)→高爐鐵水→AOD爐冶煉→鋼水→LF爐→連鑄→板坯→熱軋加熱爐→粗軋→精軋→卷取→固溶退火→酸洗→鋼帶，201不銹鋼化學(xué)成分見表1。

1. “山形”缺陷理化分析

為了探究“山形”缺陷的形成機(jī)理，在發(fā)生“山形”缺陷較為嚴(yán)重的鋼帶上進(jìn)行取樣分析，利用ZEISS EVO MA15掃描電鏡觀察不同放大倍數(shù)下的缺陷微觀形貌，通過OXFORD X-MAX能譜儀對缺陷位置進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如圖2，結(jié)果顯示，缺陷局部位置表層與基體“撕裂”，表征為一條撕裂帶，沿軋制方向上呈山峰形狀，微觀形貌顯示為臺階式的分層結(jié)構(gòu)，層間溝槽處存在不致密的物質(zhì)，其主要組成為Fe、Cr、Mn的氧化物。

對有缺陷的鋼帶進(jìn)行了成分分析，結(jié)果如表2所示，發(fā)生缺陷的鋼帶成分符合成分標(biāo)準(zhǔn)，排除了成分不符的影響。

從掃描電鏡及能譜分析結(jié)果來看，缺陷位置局部區(qū)域Cr、Mn、Fe的氧化物富集，但未發(fā)現(xiàn)有Si、Ca、Mg、Al等不銹鋼常見延展性能差的夾雜物形成元素，亦未檢測出Na、K等連鑄保護(hù)渣元素成分，顯然，鋼帶“山形”缺陷的形成與鋼水夾雜物聚集及連鑄保護(hù)渣卷渣關(guān)聯(lián)性不大[1]，為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論，對“山形”區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行了金相夾雜物及氧含量的檢測。

分別在兩個未發(fā)生“山形”缺陷的鋼帶邊部50~150 mm區(qū)域進(jìn)行取樣，標(biāo)記為正常鋼帶1和正常鋼帶2，每個鋼帶取3個樣；同樣，在另外兩個“山形”缺陷嚴(yán)重的鋼帶邊部50~150 mm區(qū)域進(jìn)行取樣，標(biāo)記為“山形”鋼帶1和“山形”鋼帶2，每個試樣取3個樣；樣品經(jīng)處理后在德國卡爾蔡司Imager.A2m顯微鏡下拍照進(jìn)行夾雜物評級，在美國LECO ON736氮氧儀下測量樣品氧含量，檢測結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，201不銹鋼正常鋼帶與“山形”鋼帶均未發(fā)現(xiàn)A類、D類和DS類夾雜物，B類和C類夾雜物基本在0.5級，存在少量的1.0級，但未發(fā)現(xiàn)粗系夾雜物，夾雜物數(shù)量總體差異較小。正常鋼帶1和2的氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值分別為22.8×10–6和25.9×10–6，“山形”鋼帶1和2氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值分別為24.4×10–6和25.4×10–6，正常鋼帶與“山形”鋼帶的氧含量基本持平，由此可見，201鋼帶“山形”缺陷的形成與鋼水純凈度相關(guān)性較低。

2. 缺陷原因分析討論

從檢測的形貌特征及能譜分析可以看出，缺陷處未發(fā)現(xiàn)較大尺寸的夾雜物，且化學(xué)成分符合要求，通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，201不銹鋼連鑄板坯邊部存在一條明顯的凹陷帶，寬帶約為80~100 mm，深度為1.0~1.5 mm，距板坯邊部大約80 mm，與鋼帶“山形”缺陷位置相吻合，凹陷帶位置的振痕密集且不均勻，振痕深度最高達(dá)到1.2 mm，而板坯中間平坦區(qū)域振痕深度基本控制在0.4~0.5 mm左右，由圖3（a）可以看到，板坯邊部振痕深度明顯比寬面中心區(qū)域深。圖3（b）為板坯經(jīng)過熱軋2道次粗軋后，板坯邊部振痕較深的凹陷帶區(qū)域產(chǎn)生橫向開裂，結(jié)合“山形”缺陷產(chǎn)生位置及分布形態(tài)，認(rèn)為板坯振痕深度與201不銹鋼“山形”缺陷的關(guān)聯(lián)性最大。因此，推斷201不銹鋼帶“山形”缺陷根源來自板坯。

為驗(yàn)證振痕深度與“山形”缺陷的關(guān)聯(lián)性，對不銹鋼廠一定時間段內(nèi)的板坯邊部進(jìn)行振痕深度的檢測，跟蹤板坯軋制后的“山形”缺陷分布情況，結(jié)果如圖4所示：

圖 4振痕深度與鋼帶“山形”缺陷降級率的對應(yīng)關(guān)系

圖4結(jié)果顯示，板坯振痕深度與“山形”缺陷呈強(qiáng)烈的正相關(guān)性，隨著振痕深度的增加，“山形”缺陷降級率也隨之遞增。當(dāng)振痕深度達(dá)到0.9 mm后，尤其是超出1.10 mm的鋼帶“山形”缺陷降級率趨勢明顯上升。因此，要控制不銹鋼熱軋鋼帶“山形”缺陷的產(chǎn)生，必須要嚴(yán)格控制板坯振痕深度及均勻性。

3. 產(chǎn)生機(jī)理分析

研究表明[2]，振痕根部晶粒較頂部要粗大的多，成分偏析也較其它區(qū)域嚴(yán)重，振痕越深，偏析越嚴(yán)重，產(chǎn)生皮下裂紋的傾向越大。板坯在熱軋過程中，在板坯邊部振痕根部偏析嚴(yán)重區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超出材料承受的極限時將沿著振痕方向產(chǎn)生橫向開裂，裂口處基體暴露在空氣中，在高溫下快速氧化，形成鐵、鉻、錳的氧化產(chǎn)物，隨著軋制的反復(fù)進(jìn)行，裂紋開口被不斷擴(kuò)大、拉長，最后形成折疊的“山形”缺陷。

4. 預(yù)防和控制措施

4.1 降低板坯振痕深度

振痕深度的影響因素較多，例如材質(zhì)、負(fù)滑脫時間、保護(hù)渣等因素，而負(fù)滑脫時間對振痕深度的影響最為明顯，隨著負(fù)滑脫時間的減少板坯振痕深度也隨之降低；結(jié)晶器保護(hù)渣主要通過黏度對振痕深度產(chǎn)生影響，相對粘度增加振痕深度會隨之下降，但由于保護(hù)渣黏度的增加使保護(hù)渣的消耗量減少而對板坯的潤滑不利，容易造成漏鋼等生產(chǎn)事故。

4.2 連鑄振動參數(shù)優(yōu)化

連鑄振痕主要在負(fù)滑脫期間內(nèi)產(chǎn)生，負(fù)滑脫時間指的是結(jié)晶器從最高位置開始向下運(yùn)動，結(jié)晶器向下運(yùn)動的速度大于拉坯速度，這種狀態(tài)的持續(xù)時間即為負(fù)滑脫時間tN，通過減小負(fù)滑脫時間可以降低振痕出現(xiàn)的機(jī)會,并可以有效地控制板坯振痕的形態(tài)。負(fù)滑脫時間用下式來表示[3]：

通過分析可知，結(jié)晶器振動的振幅減小及拉坯速度的提高，都可以縮短負(fù)滑脫時間。結(jié)晶器的振動頻率提高時，負(fù)滑脫時間先是增大，然后迅速減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)和結(jié)晶器的振幅相關(guān)。結(jié)晶器的振幅越大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的越早[4]。因此提高結(jié)晶器振動頻率，減小結(jié)晶器振幅，可以減小負(fù)滑脫時間，從而降低板坯振痕深度。

4.3 保護(hù)渣優(yōu)化

保護(hù)渣的物化性能通過影響結(jié)晶器彎月面處的導(dǎo)熱系數(shù)來對板坯振痕深度產(chǎn)生影響[5]。彎月面位置導(dǎo)熱系數(shù)越大，振痕越深，導(dǎo)熱系數(shù)越小，振痕越淺。在保護(hù)渣的物化性能中，黏度對振痕深度的影響最大，保護(hù)渣黏度越大，消耗越小，結(jié)晶器彎月面區(qū)域的熱交換越小，這也在大量的工業(yè)實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。因此，為了減小板坯振痕深度，可以考慮增大保護(hù)渣黏度。但由于黏度的增加導(dǎo)致保護(hù)渣消耗量過少，致使板坯的潤滑效果變差，容易導(dǎo)致坯殼粘結(jié)，發(fā)生漏鋼事故。因此保護(hù)渣黏度在滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求的前提下進(jìn)行適當(dāng)提高，不宜過度的增加。不銹鋼廠針對保護(hù)渣的調(diào)整優(yōu)化參數(shù)如表4所示。

4.4 降低板坯邊部凹陷深度

由前文分析可知，板坯邊部凹陷部位振痕深度相對于中間平整區(qū)域要深，研究表明[6],板坯邊部凹陷主要受結(jié)晶器錐度以及結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度的影響；結(jié)晶器錐度與板坯邊部凹陷呈反比關(guān)系，錐度高的結(jié)晶器板坯邊部凹陷深度相對較低；結(jié)晶器冷卻越強(qiáng)，板坯邊部收縮劇烈，凹陷越深。因此，要降低板坯邊部凹陷深度，需要采用高錐度結(jié)晶器以及結(jié)晶器弱冷生產(chǎn)工藝。結(jié)合振痕深度參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，不銹鋼廠針對連鑄工藝參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，具體如表5所示。

5. 改進(jìn)措施效果分析

通過調(diào)整結(jié)晶器保護(hù)渣以及振頻、振幅、結(jié)晶器錐度等關(guān)鍵連鑄參數(shù)后，板坯邊部凹陷明顯降低，振痕深度減輕且分布均勻，通過現(xiàn)場檢測，板坯邊部凹陷深度基本控制在d≤0.6 mm，振痕深度80%控制在0.6 mm以內(nèi)（圖5），同比改進(jìn)前有較大的降低，201不銹鋼熱軋卷“山形”缺陷降級率從最高的10.0%降低到了2.6%（圖6），缺陷得到較大改善。

圖 5改進(jìn)前后板坯振痕深度

圖 6改進(jìn)前后“山形”缺陷的影響

• 綜上所述，結(jié)晶器采用高錐度及弱冷工藝可以明顯降低板坯邊部凹陷深度，而適當(dāng)?shù)倪x擇黏度大的保護(hù)渣，提高拉坯速度和結(jié)晶器振動頻率，降低振動幅度，可以有效降低板坯振痕深度，從而降低“山形”缺陷的發(fā)生概率。

  6. 結(jié)論

  （1）201不銹鋼熱軋鋼帶“山形”缺陷微觀區(qū)域存在明顯的臺階式溝槽，并伴有不致密的Cr、Mn、Fe氧化物的富集，但缺陷處未發(fā)現(xiàn)Al、Mg、Si、Ca等夾雜物形成元素的成分。

  （2）201不銹鋼鋼帶表面“山形”缺陷的發(fā)生與板坯振痕深度存在密切的關(guān)系，通過選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)渣和優(yōu)化結(jié)晶器工藝參數(shù)可有效降低振痕深度，從而減少鋼帶“山形”缺陷的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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文章來源——金屬世界