不锈钢薄板轧制过程中的边裂质量问题与控制

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ωc（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、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5mm～15mm，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3～7 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 200、300、400系 200、300、400系 300、400系 400系为主 生产规模 I期:不锈钢70万t/a 碳钢216万t/a II期:不锈钢144万t/a 碳钢216万t/a 60万t/a 不锈钢196.4万t/a 碳钢196.4万t/a 60万t/a 80万t/a 机组配置 热卷箱 精轧立辊 1 宝钢1780mm R1+F1～F7 有 有 2 3 4 5

联众1780mm 太钢2250mm 唐钢1580 R1+F1～F7 R1+F1～F7 R1+F1～F7 R1+F1～F7 有 有 有 有 无 有 有 有 西南不锈1450 300、400系 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20～25MPa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6～7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)），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12～13%，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 410S C 0.035 Si 0.28 Mn 0.27 N 0.031 Mo 0.02 Cr 12.45 Ni Cu 0.15 0.03 2）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%，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Fe—Cr合金中γ区，从而使α+γ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。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α＇相和σ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α＇相和σ相的形成，尤其是χ相的形成，使不锈钢的强度和硬