不锈钢热加工过程中质量缺陷控制的研究

不锈钢热加工中质量缺陷控制的研究权芳民（酒泉钢铁（集团）有限责任公司，甘肃省嘉峪关市735100）摘要本文针对不锈钢热加工过程中常见的质量缺陷，以不锈钢热加工温度控制理论为基础，结合不锈钢的高温力学性能，研究了不锈钢在连铸、加热、轧钢和退火等热加工过程中质量缺陷产生的原因，提出了质量缺陷的控制措施，对于提高不锈钢产品质量具有重要的意义。关键词不锈钢热加工缺陷控制不锈钢的板、带产品是重要钢材品种之一，随着不锈钢带钢在各行业的应用，用户对产品质量的要求越来越高，不但注重产品的内在质量，而且对产品的外观质量也日益重视，但在不锈钢的生产过程中，由于产品质量受到高温、高压、高速和硬件设备等因素的影响，使不锈钢的产品质量经常出现一些缺陷，不仅影响产品的表面质量，而且影响后续的加工效果。1不锈钢生产中容易产生的质量缺陷不锈钢连铸的主要产品缺陷有：表面凹陷、裂纹、夹渣及深振痕等，在铸坯的各类缺陷中有50％为裂纹，铸坯中存在裂纹会影响后续加工以及最终产品的质量。铸坯裂纹产生的原因较为复杂，它与钢的化学成分、生产工艺、铸机状况和冷却制度等有一定的关系。铸坯裂纹产生的外因是钢水的静压力、热应力、组织收缩应力和其它外力的作用，铸坯裂纹产生的内因是钢的高温力学性能和化学成份。不锈钢在加工过程中的主要质量缺陷有边部裂纹、异物压入、表面起皱、橘皮缺陷等，其中，边部裂纹是常见的一种缺陷，研究表明，它与钢的化学成分、铸坯质量、轧制工艺、温度控制、退火过程、冷却过程和加工方式等因素有关。不锈钢热轧生产中的边损和轧裂如图1所示。图1板带轧制过程中产生的横向和纵向裂纹2不锈钢热加工温度控制的理论基础（1）奥氏体不锈钢：奥氏体不锈钢温度控制的主要依据是：奥氏体不锈钢属于面心立方结构，热膨胀系数较大约是碳钢的1.5倍，导热系数较低约是碳钢的1/3，比电阻较高约是碳钢的4倍。（2）铁素体不锈钢：铁素体不锈钢在常温状态下以铁素体组织为主，一般含铬量在11%～30%，具有体心立方晶体结构，这类不锈钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等合金元素，具有导热系数较大、膨胀系数较小、抗氧化性和抗应力腐蚀优良等特点，但当铁素体不锈钢加热到900℃时其晶粒显著长大，在低温时的延伸性和韧性变差，高温冷却后容易产生裂纹。（3）马氏体不锈钢：马氏体不锈钢是通过热处理调整力学性能的可硬化不锈钢，其淬火后硬度较高，但马氏体钢对不同的回火温度具有不同的强韧性。马氏体不锈钢的导热系数较低，表面高温影响区域又硬又脆，一般加热前需要进行预热。马氏体不锈钢的物理性能和耐腐蚀性能均与含铬12～14%的铁素体不锈钢相接近，由于组织中没有游离的铁素体，其机械性能一般较高。3不锈钢高温的力学性能钢的高温（一般指600℃以上）力学性能是指在温度和外力的共同作用下，钢的应变、应变速率和应力之间的关系，主要表现为应力应变曲线、强度极限、断面收缩率以及断裂后的组织状态等。铸坯凝固过程中外力作用是裂纹产生的外部条件，在高温下的力学及其随温度的变化是裂纹产生的内部原因。当铸坯受到外力或发生形变超过相应温度下的强度极限或临界应变时，铸坯就会产生裂纹。铁素体不锈钢（如409L）的高温屈服强度和抗拉强度随温度升高而下降，说明高温下铁素体不锈钢受外力容易超过强度极限而发生塑性变形，抵抗外力的能力较差。铁素体不锈钢温度对屈服强度、抗拉强度、塑性模量和延伸率的影响见图2、图3、图4所示。图2409L温度对屈服与抗拉强度影响图3409L温度对塑性模量影响图4430温度对延伸率影响4不锈钢热加工过程中温度控制4.1不锈钢连铸的温度控制不锈钢钢水及铸坯温度直接影响铸坯的拉速、结晶器冷却水量、二冷区配水量和最终产品质量。1）不锈钢的连铸的特性不锈钢与碳钢相比连铸的特性有：（1）不锈钢成份范围较宽，其液相线和固相线的温度范围也较宽，一般钢水过热度要高一些（达到30～50℃），以利于夹杂物的上浮和浇铸的顺行。（2）不锈钢导热系数小和凝固速度慢，其铸坯液相穴完全凝固时间长，二冷区的水量配置要均匀。（3）当铸坯冷却到700～900℃时，如果奥氏体晶界有硫化物、碳化物和氮化物的析出，以及奥氏体向珠光体或铁素体相变，就会因体积膨胀而产生表面裂纹。（4）当马氏体不锈钢冷却到200～300℃时，由于相变而产生体积膨胀容易出现脆性，一般连铸坯在二冷区内应均匀、缓慢进行冷却，以防止表面裂纹的产生。2）连铸坯质量的影响因素不锈钢连铸坯表面缺陷主要是由于钢水在结晶器中凝固不均匀所造成的，其影响因素主要有钢水洁净度、浇铸温度和保护渣性能等。当不锈钢连铸过热度较高时，容易造成中间包温度过高而使铸坯出结晶器时凝固不好和二冷区坯壳较薄而产生漏钢现象，同时连铸坯内部也会出现中心疏松或缩孔的质量缺陷。但当钢水的连铸温度较低时，容易造成中包包底凝结钢和拉速过快的现象，使保护渣熔化不好而产生卷渣及铸坯在脆性区（973～1173K）矫直时出现表面裂纹的现象。连铸坯表面的凹陷和裂纹形成的基本条件是：①初生坯壳的厚度不均匀，在坯壳较薄处产生局部的应力集中；②铸坯与结晶器之间存在摩擦力，这种力主要与钢种有关，如中碳钢的凝固坯壳随温度下降过程中发生包晶反应，并伴随着较大的体积收缩，使坯壳与结晶器壁之间形成气隙，局部导出的热流变小，表面容易产生凹陷和裂纹。③结晶器的渣膜传热不均造成结晶器与铸坯间润滑不良，在内力和外力的共同作用下，铸坯表面就容易产生凹陷，并在凹陷的底部还可能出现裂纹等缺陷。此外，不锈钢中合金元素含量较高也是易产生凹陷和裂纹的因素之一，如当Ni/Cr当量比为0.55左右和C含量0.1％左右时，坯壳具有较高的生成凹陷和生长不均匀性特点。图5示出了凹陷出现指数与钢液Ni/Cr当量的关系，图6示出了铸坯振痕深度与钢中[C]的关系。图5凹陷出现指数与钢液Ni/Cr当量的关系图6铸坯振痕深度与钢中[C]的关系3）连铸坯的质量控制措施不锈钢连铸坯的表面缺陷是由多种因素综合产生的，其影响因素包括：钢水洁净度、浇铸温度和二冷区温度控制等。（1）钢水洁净度钢水在连铸机中凝固过程中，[S]和[P]向未凝固的钢水中转移聚集，在晶界形成FeS、磷化物等低熔点的液膜而脆化了晶界，降低了不锈钢的高温强度和塑性，且[S]和[P]含量越高其影响越大，使奥氏体不锈钢连铸坯容易出现表面的凹陷和裂纹，因此，为改善不锈钢铸坯表面质量，应严格控制钢中的[S]含量。图7和图8示出了钢中[S]含量对凹陷深度和裂纹指数的影响曲线。图7钢中[s]对凹陷深度的影响图8钢中[S]对裂纹指数的影响（2）钢水浇铸温度钢水的过热度越高，结晶器内生成的坯壳越薄，铸坯承受外力的能力就越差，在坯壳薄弱处易产生凹陷和裂纹等缺陷，同时结晶器生产中铸坯的收缩量变小，坯壳与结晶器之间的间隙变小，使保护渣流人困难，严重时会造成保护渣在局部的堵塞，引起结晶器内的传热和润滑的不均匀，使结晶器和铸坯间的渣膜厚度不均匀，形成的坯壳厚度也不均匀，坯壳薄弱处凹陷和纵裂就容易产生。因此，不锈钢在工艺允许的范围内应采取低过热度进行浇铸，对于2Crl3钢种其过热度一般为50～60℃。（3）二冷区温度控制连铸坯二次冷却对铸坯表面和内部裂纹的产生有一定的影响，其影响因素除浇铸速度、钢种、铸坯尺寸和铸坯表面粗糙度外，还受到冷却水的各段流量、平均水滴大小、流速、冲击角度和润湿效果等因素影响。①铸坯空冷时应避免过大的表面回温，一般控制二冷空冷段铸坯表面升温速度不大于l00℃/m，以避免因凝固前沿面的拉应力而产生裂纹的现象；②铸坯应避免在脆性温度区（700℃～900℃）进行矫直。一般控制矫直点铸坯表面温度在900℃以上；③出连铸机的铸坯温度应高于1073K(800℃)，以利于铸坯热送或直接进行轧制。4.2不锈钢加热的温度控制不锈钢轧制的特点是开轧温度较高、轧制温度范围较窄和高温下变形抗力较大。若钢坯加热温度过低，轧制中就不能保证钢坯的塑性变形，若钢坯的加热温度过高，会使组织中铁素体含量剧增，成品中就会出现大量的表面缺陷，影响冷加工性能。不锈钢的导热系数较低，钢在加热过程中表面吸收的热量需要经过较长的时间才能传递到中心部位，如果钢的加热速度过快，表面所吸收的热量就来不及传递到中心部位，使钢坯心表温差增大，钢坯内部的较大心表温差将导致表面的热膨胀大于心部的热膨胀，钢坯就容易产生裂纹。因此，不锈钢加热时在600℃以下应严格控制加热速度，其加热过程应遵循加热缓慢、加热曲线平滑和在炉时间较长的原则，一般低温段炉温不应超过800℃。图9和图10分别为不锈钢304和410S在加热炉中实际的温度控制曲线。图9304不锈钢加热温度曲线图10410S不锈钢加热温度曲线在不锈钢的加热中，根据不锈钢轧机轧制时间较长和板带头尾温降较大的特点，为提高板带的质量，钢坯的加热温度一般应控制在1250～1270℃，加热后断面温差应在30℃以内，且钢坯加热中不能产生过热和过烧现象。不锈钢发生过热或过烧后将使晶粒粗大，晶界间产生一定的氧化，导致钢的塑性变形性能降低，同时不锈钢在加热炉的加热过程中，对炉气温度的均匀性要求较高，钢种变化较为频繁，再加上轧线频繁的辊道修磨和设备检查，加热炉待轧时间较多，炉子热负荷变化较大，为更好地适应生产过程中的各种温度控制要求，加热炉应设置先进的温度控制系统，以控制钢的加热速度和加热温度。4.3不锈钢轧制温度的控制金属轧制前加热的目的是为了获得良好的塑性和较小的变形抗力，其加热温度应根据热加工工艺要求，由金属的塑性和变形抗力等因素来确定。对于不同的热加工方法，其加热温度也不一样。不锈钢中合金元素对加热温度有一定的影响，主要是合金元素对奥氏体区域和生成碳化物的影响。（1）不锈钢的轧制特性不锈钢轧制过程中，不同钢种和规格的钢坯，应采取不同的加热温度、压下率和轧制速度。铁素体不锈钢轧制中软化变形主要靠动态回复进行，而奥氏体不锈钢轧制中软化变形主要靠动态再结晶，由于铁素体和奥氏体两相组织的软化特性不同，其热加工变形特性也不同，如果钢的热加工温度控制不当，轧制中就容易出现不均匀的应力和应变现象，从而使裂纹在两相界面处容易形成并扩展。不锈钢的塑性和变形抗力主要取决于钢的化学成份、组织状态、温度和变形条件。其中，温度影响的总局势是随温度升高其金属的塑性增加和变形抗力降低，这是因为随钢的温度升高，钢的原子热运动加剧，原子间的结合力减弱，变形抗力就降低，同时温度升高可以增加新的滑移系和热变形过程中伴随回复再结晶的软化过程，这些都提高了金属的塑性变形能力，但随温度的继续升高，金属的塑性并不呈直线上升，这是因为钢的相态和晶粒边界同时也发生了变化，这种变化又对塑性产生了影响。（2）不锈钢轧制的温度范围确定不锈钢轧制温度范围的确定需要参考钢的状态相图、塑性图和变形抗力图等综合考虑：（1）确定不锈钢加热温度的依据是钢的状态相图固相线，因为钢的过烧与开始熔化的温度有关，如果钢中有偏析和非金属夹杂，都会造成熔点的降低，因此，钢的最高加热温度应比固相线低100～150℃。（2）不锈钢的加热温度应在压力加工末期仍能保持一定的塑性加工温度（即终轧温度）。由于奥氏体组织的塑性较好，在单相奥氏体区域内加工时变形抗力较小，而且加工后残余应力较小，不会出现裂纹等质量缺陷，这个温度区域应在铁碳平衡图AC3以上30～50℃，固相线以下100～150℃的温度范围，根据终轧温度再考虑钢在出炉和加工过程中的热损失，便可确定钢的最低加热温度。一般钢的终轧温度对组织和性能影响较大，钢的终轧温度越高，晶粒集聚长大的倾向越大，钢的机械性能越低，但钢的终轧温度也不能太高，根据铁碳相图最好控制在850～900℃，一般不要超过900℃，也不要低于800℃。（3）合金状态图是选择加热温度的重要依据。以二元合金状态图为例，固相线决定了钢的加热温度上限，为防止钢的过热和过烧，钢的加热温度上限应比溶点低100～150℃，即相当于合金熔点的0.8～0.9倍。钢的加热温度下限应由终轧温度确定，对于完全固溶状态的合金，随加热温度的降低不会出现固态相变，终轧温度一般相当于合金熔点的0.6～0.7倍，这样可以保证热加工所需要的塑性和变形抗力，但也有例外的