分享：201不锈钢热轧钢带边部“山形”缺陷成因分析及控制措施

201不锈钢是一种铬锰镍氮系不锈钢，具有良好的耐蚀性和力学性能，是目前市场应用最多的奥氏体不锈钢之一，广泛应用于装饰管、厨房用品、餐具、家电产品、食品机械、计算机配件、集装箱等方面。但是，在生产过程中经常遇到钢带表面脱皮类缺陷，对产品外观产生不良影响，导致客户投诉，影响企业品牌声誉。

某不锈钢厂在生产201奥氏体不锈钢热轧钢带时，固溶退火酸洗后钢带沿轧制方向表面连续出现山峰状缺陷（图1），缺陷位置主要集中在钢带边部50~150 mm范围内，缺陷深度≤0.2 mm，长度≤300 mm，发生频率较高，目前，钢带因“山形”缺陷导致降级比例最高达10%，对产品表面质量及客户使用体验造成较大的影响。因此，如何从根源上控制缺陷的发生，减少钢带的降级，是该不锈钢厂201不锈钢生产过程亟需解决的问题。

该不锈钢厂201奥氏体不锈钢的生产流程为红土镍矿→烧结→高炉铁水→AOD炉冶炼→钢水→LF炉→连铸→板坯→热轧加热炉→粗轧→精轧→卷取→固溶退火→酸洗→钢带，201不锈钢化学成分见表1。

1.   “山形”缺陷理化分析

为了探究“山形”缺陷的形成机理，在发生“山形”缺陷较为严重的钢带上进行取样分析，利用ZEISS EVO MA15扫描电镜观察不同放大倍数下的缺陷微观形貌，通过OXFORD X-MAX能谱仪对缺陷位置进行微区化学成分分析，分析结果如图2，结果显示，缺陷局部位置表层与基体“撕裂”，表征为一条撕裂带，沿轧制方向上呈山峰形状，微观形貌显示为台阶式的分层结构，层间沟槽处存在不致密的物质，其主要组成为Fe、Cr、Mn的氧化物。

对有缺陷的钢带进行了成分分析，结果如表2所示，发生缺陷的钢带成分符合成分标准，排除了成分不符的影响。

从扫描电镜及能谱分析结果来看，缺陷位置局部区域Cr、Mn、Fe的氧化物富集，但未发现有Si、Ca、Mg、Al等不锈钢常见延展性能差的夹杂物形成元素，亦未检测出Na、K等连铸保护渣元素成分，显然，钢带“山形”缺陷的形成与钢水夹杂物聚集及连铸保护渣卷渣关联性不大[1]，为了进一步验证这一结论，对“山形”区域和正常区域进行了金相夹杂物及氧含量的检测。

分别在两个未发生“山形”缺陷的钢带边部50~150 mm区域进行取样，标记为正常钢带1和正常钢带2，每个钢带取3个样；同样，在另外两个“山形”缺陷严重的钢带边部50~150 mm区域进行取样，标记为“山形”钢带1和“山形”钢带2，每个试样取3个样；样品经处理后在德国卡尔蔡司Imager.A2m显微镜下拍照进行夹杂物评级，在美国LECO ON736氮氧仪下测量样品氧含量，检测结果如表3所示。

从表3可以看出，201不锈钢正常钢带与“山形”钢带均未发现A类、D类和DS类夹杂物，B类和C类夹杂物基本在0.5级，存在少量的1.0级，但未发现粗系夹杂物，夹杂物数量总体差异较小。正常钢带1和2的氧的质量分数均值分别为22.8×10–6和25.9×10–6，“山形”钢带1和2氧质量分数均值分别为24.4×10–6和25.4×10–6，正常钢带与“山形”钢带的氧含量基本持平，由此可见，201钢带“山形”缺陷的形成与钢水纯净度相关性较低。

2.   缺陷原因分析讨论

从检测的形貌特征及能谱分析可以看出，缺陷处未发现较大尺寸的夹杂物，且化学成分符合要求，通过现场调研发现，201不锈钢连铸板坯边部存在一条明显的凹陷带，宽带约为80~100 mm，深度为1.0~1.5 mm，距板坯边部大约80 mm，与钢带“山形”缺陷位置相吻合，凹陷带位置的振痕密集且不均匀，振痕深度最高达到1.2 mm，而板坯中间平坦区域振痕深度基本控制在0.4~0.5 mm左右，由图3（a）可以看到，板坯边部振痕深度明显比宽面中心区域深。图3（b）为板坯经过热轧2道次粗轧后，板坯边部振痕较深的凹陷带区域产生横向开裂，结合“山形”缺陷产生位置及分布形态，认为板坯振痕深度与201不锈钢“山形”缺陷的关联性最大。因此，推断201不锈钢带“山形”缺陷根源来自板坯。

为验证振痕深度与“山形”缺陷的关联性，对不锈钢厂一定时间段内的板坯边部进行振痕深度的检测，跟踪板坯轧制后的“山形”缺陷分布情况，结果如图4所示：

图  4  振痕深度与钢带“山形”缺陷降级率的对应关系

图4结果显示，板坯振痕深度与“山形”缺陷呈强烈的正相关性，随着振痕深度的增加，“山形”缺陷降级率也随之递增。当振痕深度达到0.9 mm后，尤其是超出1.10 mm的钢带“山形”缺陷降级率趋势明显上升。因此，要控制不锈钢热轧钢带“山形”缺陷的产生，必须要严格控制板坯振痕深度及均匀性。

3.   产生机理分析

研究表明[2]，振痕根部晶粒较顶部要粗大的多，成分偏析也较其它区域严重，振痕越深，偏析越严重，产生皮下裂纹的倾向越大。板坯在热轧过程中，在板坯边部振痕根部偏析严重区域容易产生应力集中，当应力超出材料承受的极限时将沿着振痕方向产生横向开裂，裂口处基体暴露在空气中，在高温下快速氧化，形成铁、铬、锰的氧化产物，随着轧制的反复进行，裂纹开口被不断扩大、拉长，最后形成折叠的“山形”缺陷。

4.   预防和控制措施

4.1   降低板坯振痕深度

振痕深度的影响因素较多，例如材质、负滑脱时间、保护渣等因素，而负滑脱时间对振痕深度的影响最为明显，随着负滑脱时间的减少板坯振痕深度也随之降低；结晶器保护渣主要通过黏度对振痕深度产生影响，相对粘度增加振痕深度会随之下降，但由于保护渣黏度的增加使保护渣的消耗量减少而对板坯的润滑不利，容易造成漏钢等生产事故。

4.2   连铸振动参数优化

连铸振痕主要在负滑脱期间内产生，负滑脱时间指的是结晶器从最高位置开始向下运动，结晶器向下运动的速度大于拉坯速度，这种状态的持续时间即为负滑脱时间tN，通过减小负滑脱时间可以降低振痕出现的机会,并可以有效地控制板坯振痕的形态。负滑脱时间用下式来表示[3]：

通过分析可知，结晶器振动的振幅减小及拉坯速度的提高，都可以缩短负滑脱时间。结晶器的振动频率提高时，负滑脱时间先是增大，然后迅速减小，转折点和结晶器的振幅相关。结晶器的振幅越大，转折点出现的越早[4]。因此提高结晶器振动频率，减小结晶器振幅，可以减小负滑脱时间，从而降低板坯振痕深度。

4.3   保护渣优化

保护渣的物化性能通过影响结晶器弯月面处的导热系数来对板坯振痕深度产生影响[5]。弯月面位置导热系数越大，振痕越深，导热系数越小，振痕越浅。在保护渣的物化性能中，黏度对振痕深度的影响最大，保护渣黏度越大，消耗越小，结晶器弯月面区域的热交换越小，这也在大量的工业实验中得到了验证。因此，为了减小板坯振痕深度，可以考虑增大保护渣黏度。但由于黏度的增加导致保护渣消耗量过少，致使板坯的润滑效果变差，容易导致坯壳粘结，发生漏钢事故。因此保护渣黏度在满足现场生产需求的前提下进行适当提高，不宜过度的增加。不锈钢厂针对保护渣的调整优化参数如表4所示。

4.4   降低板坯边部凹陷深度

由前文分析可知，板坯边部凹陷部位振痕深度相对于中间平整区域要深，研究表明[6],板坯边部凹陷主要受结晶器锥度以及结晶器冷却强度的影响；结晶器锥度与板坯边部凹陷呈反比关系，锥度高的结晶器板坯边部凹陷深度相对较低；结晶器冷却越强，板坯边部收缩剧烈，凹陷越深。因此，要降低板坯边部凹陷深度，需要采用高锥度结晶器以及结晶器弱冷生产工艺。结合振痕深度参数的对应关系，不锈钢厂针对连铸工艺参数进行了相应的改进，具体如表5所示。

5.   改进措施效果分析

通过调整结晶器保护渣以及振频、振幅、结晶器锥度等关键连铸参数后，板坯边部凹陷明显降低，振痕深度减轻且分布均匀，通过现场检测，板坯边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以内（图5），同比改进前有较大的降低，201不锈钢热轧卷“山形”缺陷降级率从最高的10.0%降低到了2.6%（图6），缺陷得到较大改善。

图  5  改进前后板坯振痕深度

图  6  改进前后“山形”缺陷的影响

• 综上所述，结晶器采用高锥度及弱冷工艺可以明显降低板坯边部凹陷深度，而适当的选择黏度大的保护渣，提高拉坯速度和结晶器振动频率，降低振动幅度，可以有效降低板坯振痕深度，从而降低“山形”缺陷的发生概率。

  6.   结论

  （1）201不锈钢热轧钢带“山形”缺陷微观区域存在明显的台阶式沟槽，并伴有不致密的Cr、Mn、Fe氧化物的富集，但缺陷处未发现Al、Mg、Si、Ca等夹杂物形成元素的成分。

  （2）201不锈钢钢带表面“山形”缺陷的发生与板坯振痕深度存在密切的关系，通过选择适当的保护渣和优化结晶器工艺参数可有效降低振痕深度，从而减少钢带“山形”缺陷的发生。

参考文献

[1]谈正军,胡楠楠,夏金魁,等. 夹杂物对Q195b拉丝材断裂行为的影响. 金属世界,2022(3):47

[2]刘霞. 连铸坯振痕与表面质量. 包钢科技,2000,26(3):18

[3]程常桂,邓康,任忠呜. 连铸坯振痕的形成机理及控制技术的发展. 炼钢,2000,16(5):55doi: 10.3969/j.issn.1002-1043.2000.05.014

[4]张林涛,邓安元,王恩刚,等. 连铸坯表面振痕的形成及影响因素. 钢铁,2006,22(4):35

[5]张洪波,王海之. 连铸结晶器振动参数与保护渣物化性能的关系. 钢铁,1995,30(11):17doi: 10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.1995.11.004

[6]孙铭山. 消除304不锈钢板坯纵向凹陷微裂纹的研究. 重型机械科技,2007(3):35

文章来源——金属世界