200系不銹鋼熱軋板邊裂分析及控制

呂春風,徐向東，廖相巍，許安文,康偉，尚德禮，黃玉平

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼聯眾（廣州）不銹鋼有限公司，廣東 廣州 510760）

近年來，隨著國民經濟的發展和不銹鋼冶煉技術的進步，不銹鋼的品種、產量得到了迅猛發展，同時，用戶對不銹鋼的質量要求日益嚴格，尤其是對其表面質量要求更高。目前，奧氏體不銹鋼的產量（或消費量）約占不銹鋼總產量（或消費量）的75%～80%，200系不銹鋼是奧氏體不銹鋼的重要組成部分。鞍鋼聯眾（廣州）不銹鋼有限公司在生產200系不銹鋼過程中，20LH和20L11兩個品種經常出現邊裂缺陷，不僅影響了板材產品的表面質量和成材率，而且嚴重影響企業生產順行。由于不同廠家的生產設備和工藝不同，邊裂產生的原因也不盡相同。本文分析了20LH和20L11不銹鋼熱軋板邊裂產生的原因，提出了控制措施，對200系不銹鋼板材的質量控制和穩定生產提供參考。

1 邊裂缺陷宏觀形貌

20LH和20L11熱軋板的生產工藝流程為：板坯加熱→高壓水除鱗→粗軋→精軋→卷取。20LH和20L11奧氏體不銹鋼熱軋板邊裂缺陷主要表現為熱軋板卷外圈裂紋較嚴重，而且薄板生產時邊裂更為嚴重，月統計邊裂比例最高達60%以上。熱軋后卷板邊裂缺陷宏觀形貌如圖1所示。

圖1 熱軋后卷板邊裂缺陷宏觀形貌Fig.1 Macroscopic Appearances of Edge Cracking Defects of Hot Rolled Coils after Hot Rolling

從圖1可見，卷板一側或兩側邊部呈連續或間斷的樹皮狀或明顯的鋸齒狀，有的裂紋向內延伸，最深可從邊部向中部延伸約20 mm。

2 邊裂原因分析

2.1 夾雜物評價與分析

在出現邊裂缺陷的熱軋板上切取金相試樣，每個品種取5個不同部位的金相試樣，試樣經磨制、拋光后，在LEICA DM4000M型金相顯微鏡上觀察夾雜物。每個試樣取5個視場，利用圖像分析軟件統計夾雜物的數量和尺寸，求其平均值，得到該試樣在單位面積上夾雜物的數量，分析夾雜物對邊裂缺陷的影響。各尺寸范圍內夾雜物數量見表1。

表1 各尺寸范圍內夾雜物的數量Table 1 Numbers of Inclusions with All Sizes numbers/mm2

由表1得出，20LH和20L11不銹鋼試樣中夾雜物總數量分別為181和206個/mm，夾雜物控制水平較好。從夾雜物的粒徑分布看，主要以粒徑小于1 μm的細小夾雜物為主，大顆粒夾雜物較少，粒徑大于3 μm的夾雜物更少。因此，20LH和20L11不銹鋼中夾雜物對熱軋板邊裂的影響不大。

2.2 Cu、Mn、Cr元素偏析分析

試樣化學成分見表2。由表2看出，20LH和20L11不銹鋼中含有一定量的Cu，鑄坯軋制再加熱時銅易在晶界偏聚，高溫下導致鋼材熱脆，易引起熱軋板的邊裂缺陷。另外，Mn、Cr含量較高易產生偏析現象。因此，對20LH和20L11熱軋板邊裂缺陷試樣進行了Cu、Mn、Cr元素的偏析分析。

表2 試樣化學成分（質量分數）Table 2 Chemical Compositions in Samples （Mass Fraction） %

首先將邊部試樣磨制、拋光后，采用王水對其表面進行腐蝕，以顯示其組織和奧氏體晶界，然后在EPMA1610電子探針上對試樣進行面掃描，以檢測試樣的成分偏析情況，結果見圖2、圖3。

圖2 20LH不銹鋼Cu、Mn、Cr元素面掃描結果Fig.2 Checking Results of Elements such as Cu,Mn and Cr in 20LH Stainless Steel by Scanning

圖3 20L11不銹鋼Cu、Mn、Cr元素面掃描結果Fig.3 Checking Results of Elements Such as Cu,Mn and Cr in 20L11 Stainless Steel by Scanning

由圖2、圖3可見，20LH和20L11不銹鋼邊部試樣中，無論是晶粒內部還是晶界處，均未出現Cu、Mn、Cr元素偏析現象，說明20LH和20L11不銹鋼中Cu、Mn、Cr元素分布比較均勻，控制較好，熱軋板邊裂缺陷不是Cu、Mn、Cr元素偏析引起的。

2.3 加熱制度對邊裂的影響分析

2.3.1 加熱溫度對邊裂的影響

加熱溫度主要影響奧氏體不銹鋼晶粒的大小，影響鋼的熱塑性，直接決定奧氏體不銹鋼的熱加工性能、表面質量和力學性能。若奧氏體晶粒度控制不佳，會直接造成熱加工過程中的邊裂和表面缺陷。生產中，不銹鋼的加熱溫度超過1 220℃時，產生邊裂的比例明顯增大，在此條件下，隨著熱變形總量的加大和軋制溫度的降低，邊裂比例增大的可能性也要增加。表3為不同厚度20LH不銹鋼鑄坯出爐溫度與熱軋后鋼板邊裂的關系。

表3 不同厚度20LH不銹鋼鑄坯出爐溫度與熱軋后鋼板邊裂的關系Table 3 Relationship between Temperature of Casting Blanks of 20LH Stainless Steel Discharged from Heating Furnace and Edge Cracks of Steel Sheets with Different Thickness after Hot Rolling

由表3看出，厚度為1.75 mm和1.85 mm的熱軋薄板鑄坯出爐溫度越高，邊裂比例越大。但是溫度太低軋制過程中的溫降會影響帶尾的軋制。為保證加工時的熱塑性，加熱溫度不應高于1 220℃。

2.3.2 加熱時間對邊裂的影響

在相同的加熱溫度下，隨著加熱時間的延長，奧氏體晶粒度相應增大，會造成軋制過程發生邊裂缺陷，同時產生氧化嚴重、氧化鐵皮難去除等問題，因此，選擇合適的在爐時間非常重要。 圖 4為20LH不銹鋼鑄坯晶粒度與在爐時間的關系。

圖4 20LH不銹鋼鑄坯晶粒度與在爐時間的關系Fig.4 Relationship between Grain Sizes of Casting Blanks of 20LH Stainless Steel and Their Heating Time

由圖4可見，在爐時間增長，晶粒變大。由此推斷，鋼的熱塑性隨在爐時間的增加而降低，從而導致熱軋板的邊裂缺陷。

圖5 為20LH薄板的邊裂比例與在爐時間的關系。由圖5可見，隨著在爐時間的增長，邊裂比例明顯增大。鞍鋼聯眾(廣州)不銹鋼有限公司在20LH和20L11不銹鋼生產中，鑄坯在爐加熱時間基本達到了260 min以上，并且各段爐氣溫度較高。據此判斷，在爐時間過長并且加熱溫度偏高是導致邊裂的重要原因。因此，需要對加熱制度進行優化，避免邊裂現象的出現。

圖5 20LH薄板的邊裂比例與在爐時間的關系Fig.5 Relationship between Ratio of Edge Cracks of 20LH Stainless Steel Sheets and Their Heating Time

2.4 20LH和20L11不銹鋼熱塑性分析

為了進一步分析和研究20LH和20L11不銹鋼的熱塑性，取厚度為26 mm的中間坯試樣，在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行了熱-力模擬試驗，在700～1 200℃溫度區間進行高溫拉伸試驗，根據試驗結果分析試樣的熱塑性。20LH和20L11不銹鋼熱塑性曲線見圖6。

圖6 20LH和20L11不銹鋼熱塑性曲線Fig.6 Thermoplastic Curves of 20LH and 20L11 Stainless Steels

由圖6可見，20LH鋼斷面收縮率隨溫度的增加呈現出上升的趨勢，但過程不穩定，僅在970～1 120℃范圍內斷面收縮率在60%以上，表現出了良好的塑性；而低于970℃時，隨著溫度的降低，塑性急劇惡化；溫度為1 120～1 200℃范圍內時，斷面收縮率均低于60%，塑性先降低后升高，塑性不高。20L11鋼斷面收縮率與20LH鋼類似，但整體好于20LH，850～1 200℃范圍內斷面收縮率大于60%，表現出良好的塑性，在950℃時塑性最好，斷面收縮率達到了83.19%，950～1 200℃范圍內時，塑性先降低后升高，在1 000℃時塑性較差，斷面收縮率僅為60.31%；而低于850℃時，隨著溫度的降低，塑性惡化嚴重。

上述分析后得出結論，20LH鋼試樣在700～1 200℃范圍內，抗拉強度隨溫度升高而降低，在970～1 120℃范圍內，斷面收縮率維持在相對較好的水平 （但也僅為60%～69%）。20L11鋼試樣在850～1 200℃范圍內，斷面收縮率維持在相對較好的水平（為62%～83%）。熱塑性曲線雖為熱軋態，晶粒度細小，但熱塑性能較差，該鋼種鑄態下的熱塑性會更差。

3 控制措施及效果

根據上述的分析結果優化了加熱制度，雙爐生產薄板時要求單爐入料，鑄坯在爐時間控制在200～240 min；鑄坯在爐升溫過程緩慢加熱，出爐溫度控制在（1 210±5）℃。加熱制度優化后，20LH和20L11不銹鋼的熱塑性曲線見圖7。

圖7 20LH和20L11不銹鋼優化后熱塑性曲線Fig.7 Thermoplastic Curves of 20LH and 20L11 Stainless Steels after Optimization

由圖7可以看出，優化后的20LH和20L11不銹鋼熱塑性得到了明顯改善。20LH鋼在800～1 200℃范圍內斷面收縮率均大于60%，在900～1 050℃范圍內達到 80%以上；20L11鋼在800～1 100℃范圍內斷面收縮率達到了75%以上，在900～1 000℃范圍內達到80%以上。兩個鋼種均表現出了良好的塑性。

表4 為優化前后20LH熱軋板邊裂比例、切除的卷數及重量的對比。由表4可見，優化后邊裂切除的卷數和重量都明顯減少，邊裂比例下降，2019年4～6月份邊裂比例已降至3%以下，控制比較穩定。

表4 優化前后20LH熱軋板邊裂比例、切除的卷數及重量的對比Table 4 Comparison of Ratio of Edge Cracks,Numbers of Excision Rolls and Cutting Weight of 20LH Hot Rolled Sheets before and after Optimization

4 結語

針對20LH和20L11不銹鋼熱軋板邊裂缺陷問題分析了鑄坯夾雜物、Cu和Mn等元素偏析以及加熱制度對邊裂缺陷的影響，認為加熱制度不合理導致高溫熱塑性較差是熱軋板邊裂的直接原因。通過優化加熱制度，鑄坯出爐溫度從1 220℃降低到（1 210±5）℃，雙爐生產薄板時單爐入料,使鑄坯在爐加熱時間由260 min降至200～240 min，20LH和20L11不銹鋼熱軋板邊裂比例穩定降至3%以下，鑄坯質量得到提高。