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冷轧板中夹杂类孔洞缺陷的形成原因
方淑芳
(攀钢钢铁研究院,攀枝花617000)
摘 要:对冷轧板中夹杂类孔洞缺陷的宏观及微观特征进行了分析。认为夹杂类孔洞是由于基板中存在着聚集状夹杂、大型夹杂、分层等缺陷导致基板不能连续变形所致。对夹杂物来源、连铸坯缺陷、冶炼和连铸浇注工艺进行了调查,发现敞浇、供钢节奏紧张时易采取的非常规操作是导致连铸坯中大型夹杂等各类缺陷形成的主要原因。现场验证结果证明,敞浇与非常规操作因素叠加时,使连铸坯冷轧板产生孔洞的几率明显增加。因此,要杜绝冷轧板中夹杂类孔洞缺陷还需从控制连铸浇注环节着手。
关键词:冷轧板;夹杂类孔洞;形成原因
1 概述
冷轧板孔洞,是薄规格冷轧产品中常见的一种缺陷。其产生原因,一般认为有以下两种情况:①材质因素,一般是指铸坯中的皮下夹杂、卷渣、表面裂纹等缺陷导致基板局部区域强度弱化,在轧制过程中形成孔洞;②轧制工艺因素,一般是指因轧制过程的因素造成板面局部区域变形不均匀或受损导致孔洞,如板卷跑偏造成局部区域边部折叠与基板交界处的变形不均、板形不良造成的变形不均匀和粘辊均可导致孔洞。根据1999年攀钢冷轧板孔洞缺陷突发性批量事件的研究结果,有60%以上的孔洞形成与材质中的夹杂有关。为了弄清这些夹杂类孔洞的产生原因,笔者从夹杂类孔洞的缺陷特征分析着手,对孔洞中夹杂的来源进行了研究。通过对炼钢工艺的统计调查,探索导致夹杂大量进入连铸坯的工艺原因,并且对所发现的原因进行现场实验,针对实验所得的结果提出有效措施,使夹杂类孔洞得到很好的控制。
2 夹杂类孔洞缺陷特征分析
2.1 孔洞宏观特征
宏观观察,冷轧板中的夹杂类孔洞基本为塑性拉裂状,有的呈单个出现,有的呈串出现,有的明显可见基板分层。这类孔洞的共同特点是,孔洞边缘无明显机械擦伤,冷轧板正反两面的形貌差异不大,是基板延伸减薄导致断裂形成,为正常拉裂的孔洞,其典型形貌见图1。其中约57%的孔洞出现在0.5mm的冷轧板卷中,22%左右的孔洞出现在0.6～1.0mm的冷轧板卷上。
2.2 孔洞的微观特征
将孔洞试样剪切成小样置于X2650扫描电镜下观察。在孔洞的边缘均发现大量的聚集状夹杂或氧化铁,见图2,该夹杂多为复合夹杂,其成分见表1。
(a) 单个拉裂孔洞 1∶1
(b) 成串拉裂孔洞 1∶1
(c) 有明显分层的孔洞 1∶1
图1 孔洞缺陷宏观形貌
(a) 断口边缘有夹杂的孔洞形貌
(b) 洞口边缘的Al2O3夹杂
(c) 将分层孔洞撕开的内部形貌
36×
300×
36×
图2 孔洞缺陷微观形貌
根据检验和分析结果,可将夹杂物分为三类:①含钛夹杂;②钠、钾、钙、硅和铝的复合夹杂;③Al2O3夹杂。前两种夹杂分别占所分析的夹杂类孔洞试样的34%和45%;断口中的Al2O3夹杂呈聚集状分布,在断口边缘不易直接发现,在样品磨制后的断口附近可观察到。不论孔洞属于哪一类夹杂引起,这些孔洞的微观特点是,孔洞断口形貌为夹杂物与正常撕裂韧窝的混合体,属于因材质原因造成局部区域延伸性较差而形成的拉延断裂类孔洞。
图2a是一含硅、铝和钙为主的复合夹杂的孔洞,说明聚集的复合夹杂可以产生孔洞;图2b是一单个孔洞的试样通过磨制后观察到的在洞口边缘的一个欲掉的Al2O3夹杂,尺寸为230μm;孔洞附近有大量Al2O3夹杂聚集,在该孔洞的附近基板中也发现了一些不规则颗粒(Al2O3夹杂)。微观特征表明,尺寸不算大的聚集状Al2O3夹杂也可使基板变形不均匀,尤其在轧制0.5mm以下的薄规格产品中表现明显。
图2c为有明显分层缺陷的孔洞试样的微观形貌。肉眼可见孔洞中的分层,将分层剥离,可见夹层中有氧化物、细颗粒残渣和一些颗粒较大的含钛夹渣。由此可见,连铸坯中常见的中心分层缺陷在冷轧产品足够薄时会导致孔洞缺陷,在分层的卷渣中含有钛类的脆性夹杂时就更容易形成孔洞。
3 孔洞成因追踪调查结果
3.1 孔洞中的夹杂物来源调查
为了分析孔洞中的含钛夹杂、Al2O3夹杂、高硅、铝、钾、钙和钠复合夹杂的来源,取低碳铝镇静钢冶炼过程中容易导致连铸坯形成夹杂的中包渣皮、结晶器渣条、中包水口结瘤物等进行能谱成分分析,分析结果见表2。由表2可见,聚集分布的Al2O3夹杂主要来源于中包水口结瘤;含高硅、铝、钾、钙和钠元素的复合夹杂与中包渣皮、结晶器渣条的成分相似,是中包和结晶器中的保护渣卷入铸坯引起。个别含高镁元素的夹杂,与中包涂层卷入铸坯有关。
3.2 可形成孔洞缺陷的连铸坯缺陷调查
为了评价产生孔洞的铸坯质量状况,随机取几块有孔洞缺陷的连铸坯试样,将每块铸坯沿宽度方向平均分成三块。对一块边部坯段和中部坯段作低倍组织检验,检验方法按GB/T226-1991标准进行。在另一块坯段距边部40mm处和靠中段的一侧各取<60mm×150mm试样一件作大型夹杂电解,电解结果见表3。由表3可见,冷轧成品中有孔洞的连铸坯中的夹杂总量与正常铸坯相比有所增加,大型夹杂明显增多,能谱分析大型夹杂成分为钠、钙、硅和铝复合夹杂。
低倍金相检验结果表明,冷轧成品产生孔洞的连铸坯均存在一些缺陷,或局部中心偏析严重达A级,或中心疏松达2.5级,或Al2O3夹杂达3.0级;在有的铸坯表面还发现纵裂纹。在这些连铸坯中,针孔缺陷未见异常。
从连铸坯缺陷检验结果可见,大型夹杂、聚集状Al2O3夹杂、连铸坯的中心偏析等缺陷,均有可能导致冷轧产品产生孔洞缺陷,一般认为,轧制规格越薄,这些缺陷的危害性就越大。连铸坯中发现的缺陷类型与孔洞试样的检验结果是一致的。
3.3 炼钢工艺因素的统计分析
3.3.1 冶炼工艺与缺陷率的关系
统计了冷轧成品中有孔洞缺陷的冶炼炉次的炼钢工序的拉碳碳含量、拉碳温度、补吹时间、炉内定氧、脱氧剂等因素对孔洞缺陷率的影响。结果表明,上述因素与孔洞缺陷率之间无明显对应关系。真空处理调查结果,只有8%的钢水经过真空处理。经RH处理的缺陷率为15.83%,未处理的为17.15%,可见孔洞缺陷率与是否经过真空处理关系不大。
3.3.2 连铸工序浇注影响因素
(1)大包敞浇时间。统计了冷轧规格为015mm以下的板卷对应铸坯生产情况,敞浇时间的增加,孔洞缺陷率明显提高,见图3。
图3 0.5mm以下冷轧规格的铸坯孔洞缺陷率与敞浇时间的关系
(2)中包温度。0.5mm以下冷轧规格的板卷所对应铸坯的连铸中包温度与缺陷率的对应关系见图4。可见中包温度过高和过低都会使孔洞缺陷率明显增加。
(3)经统计,拉速与孔洞缺陷之间没有明显的规律性。
3.3.3 连铸生产节奏因素
调查了大包到达连铸平台至开浇的间隙时间。结果表明,大包到位至开浇的停留时间缩短,停留时间少于1min的比例增加了4%。
总之,连铸工艺的统计结果表明,大包敞浇时间长、中包温度过高和生产节奏过快均可使冷轧板的孔洞缺陷率增加,RH处理使缺陷率略有下降但幅度不大,其它因素与孔洞缺陷率无明显的对应关系。
图4 0.5mm以下冷轧规格的铸坯浇注中包温度与缺陷率的关系
4 连铸异常操作因素验证试验
4.1 连铸异常操作因素验证试验方法
以低碳铝镇静钢作试验原料,进行非常规操作即异常操作对冷轧板孔洞缺陷的影响验证试验。按规程控制中包温度和拉速,以是否敞浇,中包高、中、低液位作为试验因素,记录浇注过程由于运行不良而采取的如捅水口、冲棒、换渣等异常操作行为和对应的铸坯号,再进行从热轧到成品的全线质量跟踪。
4.2 验证试验结果
共浇注了两个包次,9个炉次,生产冷轧板卷126个,其中75个为0.47mm镀锌板卷,51个为0.8mm的冷轧普板板卷。跟踪结果,在12个镀锌板卷和2个普板卷中出现了孔洞。对10卷共13处孔洞进行了微观分析,夹杂类孔洞中有3个板卷的孔洞边缘有以镁、铝、硅和钙为主的复合夹杂,一个板卷的孔洞有分层,一个板卷的孔洞中有聚集状Al2O3夹杂,与以上分析的孔洞类型完全相同。
另外,在冷轧成品产生孔洞缺陷的连铸坯中,头尾坯占46%(7块),敞浇坯占60%(9块),与异常操作有对应记录的铸坯占46%(7块),在敞浇的炉次中对应率达到78%。由此可见,大包烧氧、敞浇、大幅度捅水口、冲棒、换渣等不良操作均可使对应铸坯的冷轧板产生孔洞的几率增加,尤其是敞浇与异常操作同时进行时这种规律更加明显。
5 分析与讨论
通过上述检验和统计分析及现场试验可见:
(1)夹杂类孔洞的形成是由于基板本身存在大型夹杂、分层缺陷、聚集状Al2O3夹杂,使得基板局部区域的强度下降,导致金属流变不连续造成。
(2)孔洞缺陷率与钢水是否经RH处理无关,说明连铸坯中的夹杂主要来自连铸工序。铸坯中大型夹杂的电解检验结果表明,在产生孔洞的连铸坯中,出现了450μm以上的含钠、钙、硅和铝大型复合夹杂,说明连铸工序的运行出现了一些不良状况。文献[1]中认为这种复合夹杂的形成与中包保护渣、结晶器保护渣卷入铸坯有关。
(3)孔洞断口中有35%的高钛夹杂,这类夹杂主要是在大包渣下至中包再卷入结晶器所致。在生产节奏紧张的情况下容易采用减少大包余量、降低中包液位的方法,这是导致高钛渣卷入结晶器的主要原因。
(4)聚集状Al2O3夹杂导致孔洞的原因。文献[1]认为脱氧不良引起的Al2O3夹杂一般呈分散分布,聚集状的Al2O3主要是由中包水口结瘤、敞浇过程钢水氧化形成。连铸异常操作的验证试验也表明,在敞浇情况下,因中包水口结瘤增加,易采用捅水口、冲棒操作,结果使铸坯中聚集状的Al2O3夹杂增加,从而导致冷轧产品中产生孔洞的几率增加。这与统计分析结果———敞浇时间越长,冷轧板孔洞缺陷率越高的结论是一致的。
(5)孔洞缺陷的形成机理。连铸浇注时的大包敞浇操作,一方面使中包的钢液流动轨迹发生变化,被卷入钢液的中包渣难以上浮而顺着钢液流动,最终进入结晶器;另一方面,大包敞浇使得钢水在高温下急剧氧化,低碳铝镇静钢中的铝也会形成Al2O3夹杂进入中包钢液,
Al2O3夹杂因为粘度大易在中包水口中形成结瘤,使其堵塞。中包温度过低时,钢液粘度增大,也容易使水口堵塞。为了使中包不断流,现场只能采取捅水口、冲棒等非常规操作,结果①中包水口结瘤进入结晶器,在连铸坯约1/4厚度处形成聚集状Al2O3夹杂。Al2O3硬度高,塑性差,在冷轧过程中不能参与变形,容易破坏基板变形的连续性,冷轧产品的规格越薄,该该夹杂的危害性越大,基板产生孔洞的几率就越大;②导致结晶器的液面波动甚至翻滚,结晶器表面的保护渣或上浮渣将会卷入钢液,使得连铸坯的中心偏析区夹杂含量增加,在以后的轧制过程中形成分层缺陷,当成品规格为1.0mm以下时就容易产生孔洞。
由于有缺陷基板的不均匀变形还会影响周围的正常基板的均匀变形,使不均匀变形区域扩大,因此也会导致在正常基板中产生孔洞,这也就是在孔洞缺陷检验过程中会发现夹杂类孔洞与非夹杂类孔洞混合出现的现象。
6 结论
(1)夹杂类孔洞的宏观特征是,在冷轧板的正反两面形貌基本相同,属于基板局部区域强度下降引起的断裂。冷轧产品规格越薄,夹杂类孔洞越容易产生。
(2)夹杂类孔洞的微观特征是,在孔洞的断口中有大型脆性夹杂,或聚集状夹杂和分层等缺陷。孔洞缺陷板卷对应的连铸坯中大型夹杂含量明显高于正常工艺条件生产的连铸坯。
(3)统计分析与验证结果表明,孔洞缺陷率与钢水是否经RH处理无关,连铸坯中的夹杂主要来自连铸工序;大包敞浇是产生夹杂类孔洞缺陷的根本原因,敞浇时叠加捅水口、冲棒等非常规操作可使连铸坯中的聚集状Al2O3夹杂、中心偏析区卷渣、大型脆性夹杂等缺陷增加,其对应的冷轧产品产生孔洞的几率显著增加。
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