軋制過程邊部線狀缺陷形成機理研究

張所全，焦四海， 丁建華，王金濤， 王國棟

(1.東北大學 軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室， 沈陽 110819；2.寶山鋼鐵股份有限公司 研究院， 上海 201900)

在熱軋及厚板軋制過程中，往往會出現一種沿鋼板邊部軋向分布的缺陷，通常被稱邊部裂紋、邊部黑線、邊部線狀缺陷等。該缺陷主要分布在板材上下表面的兩側或單側距邊部一定距離以內，對帶鋼而言，單側可能達到30 mm，鋼板上、下表面均可產生，上表面較為嚴重。缺陷形貌呈細線狀或條片狀，如圖1所示。由于該缺陷在后續軋制中會造成軋輥損傷，一般需要將具有該類缺陷的產品進行切邊處理。對于寬度1 200 mm的帶鋼而言，如果兩側各切邊30 mm，則由此帶來5%的成材率損失，因此對鋼廠而言，消除該缺陷或者減小該缺陷距邊部的距離具有非常重要的經濟意義。

圖1 邊部線狀缺陷的宏觀照片和微觀組織

國內外鋼廠及研究機構就該缺陷的形成和發展進行了很多研究。線狀缺陷由軋制過程邊部皺褶在平輥軋制的寬展過程中發展轉移到鋼板上下表面而形成的觀點已基本被大家接受[1]。數值模擬和物理模擬的方法也被用來模擬缺陷在寬展過程中的演變特點。軋制規程的優化、立輥和SP形狀的調整均有利于減小缺陷距鋼板邊部的距離[2-7]。然而，該缺陷的起源，即邊部皺褶產生的原因仍然沒有得到統一的認識，板坯的邊部裂紋、鋼質缺陷、邊角部溫降以及鋼種的高溫塑性均曾被解釋為邊部皺褶產生的原因[8-10]。如果能避免該邊部皺褶的產生，則后續生產時無需再考慮減小缺陷距離，可從根本上解決該問題。本研究旨在從鋼種兩相區變形抗力的角度解釋邊部線狀缺陷產生的機理，為調整成分和工藝，避免邊部缺陷的產生提供思路。

1 試驗材料及方法

試驗用料取自熱軋中間坯，試驗鋼種的實際化學成分如表1所示。按試驗要求將試樣加工成Ф 8 mm×12 mm的圓柱形壓縮試樣和Φ 10 mm×120 mm的拉伸試樣。

熱模擬試驗在Thermecmastor-Z熱模擬試驗機上進行。在熱模擬壓縮試驗中，試樣以10 ℃/s加熱到1 200 ℃，保溫120 s，又以5 ℃/s從1 200 ℃冷卻到壓縮溫度，保溫30 s，再以1 s-1變形速率給予60%的壓縮變形，最后快冷至室溫。試驗方案如圖2 所示。共進行11個變形溫度下的模擬變形試驗。考慮到試驗鋼種的相變溫度，為了在兩相區附近獲得更多的試驗數據，變形溫度設計為 1 050、1 000、975、950、925、900、875、850、825、800和750 ℃。

表1 試驗鋼種的化學成分(質量分數) %

圖2 熱模擬壓縮試驗方案示意圖

在高溫拉伸試驗中，試樣以10 ℃/s速率被加熱至1 200 ℃，保溫120 s，然后以5 ℃/s冷卻至拉伸溫度并保溫30 s，之后進行拉伸變形直至斷裂，應變速率為1 s-1。觀察其斷裂情況，試驗方案如圖3 所示。拉伸變形溫度為1 050 、1 000 、975 、950 、925 、900 和850 ℃。

圖3 高溫拉伸試驗方案示意圖

2 試驗結果及討論

圖4為試驗鋼種在1 s-1變形速率和60%的壓縮變形下不同變形溫度時的應力-應變曲線。由圖4可見此類鋼種的屈服平臺不明顯，故在每個溫度下的應力-應變曲線中選取變形量0.2時的應力作為該溫度下的流變應力，可以得到如圖5所示的流變應力-變形溫度曲線。從圖5可以看出：當變形溫度大于925 ℃時，隨著變形溫度的升高，流變應力逐漸降低；當變形溫度小于875 ℃時，流變應力同樣隨著變形溫度的升高而降低；變形溫度在875～925 ℃時，流變應力隨著變形溫度的升高反而升高，發生這種現象的主要原因在于試驗鋼種在這個溫度下發生相變，而在同樣的變形溫度下，鐵素體的流變應力小于奧氏體，所以在這個溫度范圍內發生了流變應力的突變[11]。

圖4 試驗鋼種的應力-應變曲線

圖5 試驗鋼種的應力-變形溫度曲線

圖6為試驗鋼種高溫拉伸后斷裂試樣形貌。拉伸后照片顯示：在850 ℃拉伸時，試樣斷裂在試樣中部，該位置為試驗設定拉伸溫度下試樣長度方向上溫度最高位置，斷裂發生在此處說明該位置為變形抗力最小的部位。在850 ℃條件下，該鋼種已經進入鐵素體區，兩側往夾具方向的溫度呈梯度降低。由圖5可知：低于850 ℃后，溫度越低變形抗力越大，中心溫度850 ℃處變形抗力最小，兩側變形抗力隨著溫度的降低而增加，因此斷裂發生在試樣中部。

圖6 試驗鋼種高溫拉伸后斷裂試樣形貌

在溫度為900、925、950和975 ℃拉伸時，試樣發生兩次頸縮，兩次頸縮均不在試樣最中心處，最終斷裂在其中一個頸縮處，說明在這4個變形溫度下，試樣上變形抗力最小的部位不在試樣中部，而是在接近試樣兩側低于設定溫度的部位。如果試樣在單相區變形，這與金屬隨變形溫度增加而變形抗力減小的規律不符合，因此在這個溫度下，變形金屬處在從奧氏體向鐵素體轉變的區域，斷裂處對應變形抗力最小的位置。該現象和圖5的變形抗力情況吻合較好。

在1 000 和1 050 ℃拉伸時，試樣在靠近兩側處發生輕微頸縮，顯示在變形開始階段，變形抗力最小的位置為加熱段兩側而非試樣最中心，這個結論在圖5中可以得到驗證。最終頸縮及斷裂發生在試樣中心處，可能與中心處試樣發生再結晶，比加工硬化態的加熱段兩端位置實際變形抗力更小有關。

在實際軋制過程中，板坯寬度方向溫度不均，尤其是板坯邊角部溫度過低。板坯變形時邊角部首先進入兩相區，此時該位置變形抗力最小，導致軋制寬展時各個部分變形不均勻，邊角部首先發生了超過其他位置的金屬變形。在后續進一步的軋制過程中，過多變形的金屬被壓扁，邊角部分發生皺褶并伴隨寬展過程轉移到鋼板的上、下表面，形成邊部線狀缺陷，如圖7所示。

圖7 鋼板邊部線狀缺陷形成示意圖

3 工業生產驗證

由上述討論結果可見：鋼板邊部進入兩相區軋制時，不均勻變形導致邊部線狀缺陷產生。如果調整軋制溫度，保證鋼板邊部也為奧氏體，則理論上可以避免邊部線狀缺陷的產生。為了驗證該結論，在生產時進行了不同加熱溫度的試驗。在加熱爐內對板坯加熱時，加熱溫度分別為1 200 和1 150 ℃，出爐后以同樣的除鱗及軋制規程進行軋制，終軋溫度分別為960 和919 ℃。對鋼卷開卷后取樣觀察，加熱溫度為1 200 ℃的鋼卷未發現邊部線狀缺陷，如圖8(a)所示，而加熱溫度為1 150 ℃的鋼卷則發現了邊部線狀缺陷，見圖8(b)。

圖8 不同加熱溫度軋制后鋼板邊部形貌

4 結論

1) 試驗鋼種在兩相區內變形抗力不隨變形溫度的升高而降低，有明顯的拐點現象，變形抗力出現極小值。

2) 兩相區變形抗力的降低導致邊部變形不均勻，進而導致邊部線狀缺陷的產生。

3) 通過調整加熱溫度而提高軋制溫度避開兩相區變形，可以避免邊部線狀缺陷的出現。

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