（钢铁冶金专业论文）冷轧板夹杂类表面缺陷研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 冷轧板最主要的质量问题是表面缺陷，表面缺陷一直是国内外钢厂感到棘手的质量问 题，被认为是常见的而又是难以消除的顽症。因此，研究和分析冷轧板表面缺陷的形成及 演变规律对提高其表面质量具有重要意义。由钢中夹杂引起的表面缺陷主要是线状缺陷、 孔洞和疤坑三种。关于这三种缺陷的形成机理目前还没有一个统一的观点。 本文通过对现场数据的分析得出：冷轧板上表面出现缺陷的几率要高于下表面；每个 浇次的第一炉出现缺陷的几率都要高于其他炉次；所研究冷轧板表面缺陷根据其宏观特征 可分为六大类。 通过模拟轧制试验分析冷轧板表面缺陷的形成原因及演变规律，探讨了缺陷从热轧到 冷轧工序过程的演变： ( 1 ) 冷轧板上氧化铁皮的压入缺陷主要是残留在热轧板上的氧化铁直接遗传而来，只 是在尺寸上稍有变化，出现位置基本不变。 ( 2 ) 起皮缺陷的形成主要是由皮下夹杂引起。 ( 3 ) 在冷轧过程中，随着加工硬化和加工应力的不断增加，钢中集中分布的夹杂物周 围产生的附加应力，以及夹杂物对机体的分隔作用，使钢带表面首先破裂，形成孔洞。 ( 4 ) “黑线的形成与夹杂有直接关系，主要是a 1 2 0 3 、m n o 、t i 0 2 夹杂。 ( 5 ) “亮线 的形成主要是气泡与夹杂共同作用的结果。 ( 6 ) 冷轧板上癌坑缺陷的形成与夹杂没有直接关系，是由热轧板上的类似缺陷直接演 变而来，只是在尺寸上存在变化。 关键词：冷轧板；表面缺陷；夹杂：模拟轧制 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nq u a l i t yp r o b l e mo fc o l d r o l l e ds h e e ti ss u r f a c ed e f e c t ，w h i c hi sb e l i e v e dt ob et h e c o m m o na n dd i 伍c u l tt ob ee l i m i n a t e d t h e r e f o r e t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ff o r m a t i o nr e a s o n a n de v o l u t i o nr u l eo fs u r f a c ed e f e c ti nc o l d r o l l e ds h e e th a sg r e a ti m p o r t a n c eo fi m p r o v i n gt h e s u r f a c eq u a l i t yo fc o l d - r o l l e ds h e e t l i n e a rd e f e c t s ，c a v i t ya n ds c a r p i ta r et h r e em a i nd e f e c t s w h i c hi n d u c e db yi n c l u s i o n s t h e r ei ss t i l ln o tau n a n i m o u sv i e wa b o u tt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo ft h e s et h r e ed e f e c t s b a s e do nt h ea n a l y s i so fd a t ao ns p o ta b o u ts u r f a c ed e f e c t s ，w ec a nc o n c l u d et h a t ：t h e p r o b a b i l i t yo ft h et o ps u r f a c ed e f e c ti sm o r et h a nt h eb o t t o ms u r f a c eo fc o l d r o l l e ds h e e t ；e v e r y f i r s tf u r n a c ei nae a s tp l a na r em o r ee a s yt og e n e r a t es u r f a c ed e f e c tt h a no t h e r s ；a c c o r d i n gt o t h em a c r o - f e a t u r et h e r ea r es i xt y p e so fs u r f a c ed e f e c ti nt h ec o l d r o l l e ds h e e tw h i c hw eh a v e r e s e a r c h e d 胎a n a l y s e dt h ef o r m a t i o nr e a s o na n de v o l u t i o no fs u r f a c ed e f e c tt h r o u g ht h es i m u l a t e d r o l l i n g t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a n b ed e r i v e df r o mt h er e s u l to fs i m u l a t e dr o i l i n g ( 1 ) t h ep r e s s - i nd e f e c to fi r o no x i d a t i o ns h e e to nc o l d - r o l l e ds h e e ti sd i r e c t l yi n h e r i t e d f r o mt h er e m a i n i n go x i d a t i o ni r o no nh o t r o l l e ds h e e t 硼1 ed e f e c th a sj u s tal i t t l ec h a n g eo ns i z e b u tt h ep l a c ew i l lk e e pt h es a m e ( 2 ) p e e l i n gd e f e c t sa r em a i n l yc a u s e db ys u b c u t a n e o u si n c l u s i o n s ( 3 ) w i t l lt h ei n c r e a s eo fs t r a i nh a r d e n i n ga n dm a c h i n i n gs t r e s s ，i nt h ec o l dr o l l i n gp r o c e s s ， t h ea d d i t i o n a ls t r e s sa r o u n di n c l u s i o n sa n dt h ep a r t i t i o ne f f e c to fi n c l u s i o nf i r s t l ym a k es t e e l s u r f a c er u p t u r e , w h i c hc a u s e dt h ec a v i t yi nc o l d - r o l l e ds h e e tf i n a l l y ( 4 ) t h ef o r m a t i o no f ”b l a c ks l i v e r s ”i sd i r e c t l yr e l a t e dt oi n c l u s i o n sw h i c ha r em n o ，a 1 2 0 3 a n d t i 0 2 ( 5 ) ”w 1 l i t es l i v e r s ”w e r ec a u s e db yt h ei n t e r a c t i o no f b u b b l e sa n di n c l u s i o n s ( 6 ) t h ef o r m a t i o no ft h es c a r p i ti sn o td i r e c t l yr e l a t e dw i t ht h ei n c l u s i o n s ，b u ti ti se v o l v e d f r o ms i m i l a rd e f e c to nh o t - r o l l e ds h e e ta n dj u s to n l yh a sc h a n g ei ns i z e k e y w o r d s ：c o l d r o l l e ds h e e t ；s u r f a c ed e f e c t ；i n c l u s i o n ；s i m u l a t e dr o l l i n g 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进 行研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共 同完成的工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：2 q q 窆1 5 1 1 2 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它 单位的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研 究生学位论文收录工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本， 允许论文被查阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 韧乒爪 日 期：一2 0 0 9 5 1 2 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 1 1 冷轧板表面缺陷概述 第一章文献综述 冷轧板最主要的质量问题是表面缺陷，由于冷轧板的冶金生产过程长、规格薄，因此 容易出现诸如线状缺陷( 国内部分研究者也称为条痕) 、孔洞、癌坑、夹杂、氧化铁皮压 入、表面裂纹等表面质量问题，严重影响板材外观及其使用性能。表面缺陷一直是国内外 钢厂感到棘手的质量问题，被认为是常见的而又是难以消除的顽症【1 月。国际上研究冷轧 板卷表面缺陷经历了相当曲折的道路，因为有些缺陷无论是冶金过程还是演化过程都由多 种因素综合造成，其外貌特征也都极为相似。受到捕捉缺陷源的困扰，以及现场工艺记录 与实验室分析结果相矛盾时，要想重复原工艺再现缺陷又极其困难，因此，靠事后分析往 往发现一种机制而又掩盖了另一种机制，甚至得出各种不同的解释。 线状缺陷是冷轧扳最常见的表面缺陷之一，有亮色和暗色两种，有的也叫做“亮线” 和“黑线”，两种缺陷往往交叉出现见图1l 。目前，关于黑线的形成机理比较清楚，主 要与连铸工序有关1 3 栅，而亮线的成因比较复杂，目前还没有统一的观点。 图1 1 线状块陷宏观形貌 孔洞是薄规格冷轧产品中常见的一种缺陷，其产生原因，一般认为有两种：材质因素 和轧制工艺因素。 在魍坑缺陷中，一般可见异常组织，也有出现夹杂物的情况。酸洗时氧化铁皮没有 清除干净，在轧制时就会被压入薄板坯形成缺陷。 铜中非金属夹杂物的组成、形态、数量和丹抽作为衡量钢产品质量的一项重要指标丑 益受到重视，而夹杂物在锕中的行为对钢的组织、性能有着显著的影响，同时钢中央杂物 的形态、数量、分布及组成对钢材缺陷的类型、形成都有十分重要的影响。因此，夹杂物 引起的线状缺陷、孔洞、商坑类缺陷的形成机理尚待进行深入研究。 1 2 夹杂类表面缺陷特征及来源 1 2 1 线状缺陷 沿钢板轧向分弁的细条状或条状、带状线状缺陷是当今超低碳冷轧板上比较常见的表 面缺陷，统称为s l i v e i d e f e c t 。各厂因捡测方法不同对缺陷的叫法亦不相同【7 ”，在铜板表 面有在线捡测设备的厂家，在检查灯f 观察，称之为“黑线”和“白亮线”的线状缺陷， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 在自然光下观察时，其颜色正好相反。在我国和俄罗斯等国，因大多数轧钢厂无钢板表面 质量在线检测手段，通常是在自然光下观察钢板表面质量。所以，国内对这些线状缺陷的 叫法与美国内陆、韩国浦项等钢铁厂相反。文献【9 】总结了两种线状缺陷的金相和电子探针 分析结果，见表1 1 。由表可以看出在线状缺陷处大多存在夹杂物。 表1 1 线状缺陷金相和电子探针分析 缺陷名称黑线亮线 分析方法金相电子探针金相电子探针 粗大的氧化铁颗粒细小氧化铁颗粒成 黑带中有裂纹并伴群、存在变形线， 上钢一厂 有2 f e o s i 0 2f e 2 c 呈短链状分 布。 断断续续的氧化铝、钙、硅氧化物。沿轧向分布的氧化亮线贫碳夹杂处氧 物，其中大部分为铁带，氧化铁形态化铁略低，圆形夹 鞍钢钢研所 a 1 2 0 3 ，开裂的黑线 为条状多角形粗大杂中含微量c a 。 上存在大颗粒夹碎块及圆球两种。 杂。 沿轧向分布着大钙、铁、锰、硫氧夹杂与黑线间晶粒与黑线相同，但强 小、形状、深度不化物夹杂主要是比基体细二级，亮度弱。 一样的凹坑和夹 ( f e 、m n ) o 及线上的夹杂和凹坑 杂，可见a 1 2 0 3 、 ( f e 、m n ) o 和比黑线的小而少。 宝钢技术处 m n s 、m n o 夹杂， a 1 2 0 3 共生的夹杂， 其中大块夹杂主要有少量的( f e 、m n ) 是( f e 、m n ) o 和s 。 外来夹杂。 钢板表面“黑线是一种出现在热轧钢板表面的宏观缺陷，它不同于非金属夹杂物和 氧化铁皮引起的表面缺陷。其具有明显特征：缺陷细而长，见图1 1 。文献【l o 】在研究钢板 表面黑线缺陷形成原因时指出：通常宽度在0 5 m m 至2 5 m m 的范围。线条长度的颜色较 钢板表面深，现场又称作“黑线”。黑线嵌入钢板表面之中，厚度在0 0 5 m m 至0 1 m m 之 间。它有着良好的延展性，随着压下量的加大而延伸。黑线缺陷一般出现在铸坯中部约 1 3 的区域里。通过对钢板表面黑线缺陷的分析，认为黑线形成原因是由于铸坯表面存在 微裂纹，经过加热产生高温氧化，* l n 过程中不能消除而形成的。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 图1 1 “黑线”缺陷宏观特征 目前关于“黑线”的形成机理比较清楚，主要与连铸工序有关 “】。而“亮线”的成 因判断则难度很大。首先，缺陷在钢板表面的分布规律不同其形成机理亦不同。其次，用 肉眼观察时，容易将其与冷轧工序形成的酸洗划伤和平整、剪切划伤缺陷混淆。 文献1 1 1 对荫罩框架钢冷轧薄板边部线状缺陷进行了深入研究，其特征是：在冷轧成 品板宽面两边，距边缘5 0 m m 以内是一条或多条宽约l m m 左右，长度不等且沿轧向贯穿 整卷板长的线状缺陷( 主要在下表面) 。缺陷在钢板表面的分布情况见图12 。该缺陷在自 然光下观察呈发亮状态。所以，也称之为“亮线”见图13 。研究结果表明： ( 1 ) 该缺陷与钢液洁净度水平和连铸坯表面质量无对应关系； ( 2 ) 热轧根轧板和热轧精轧板表面线状缺陷与冷轧板表面“亮线”在板面的分却规 律完全一致。其微观特征亦具有明显的遗传特征； ( 3 ) 框架钢冷轧板表面“亮线”缺陷的形成机理是：钢坯在热轧租轧工序机械损伤 后，将氧化铁皮压入沟槽内，在后续的轧制过程中逐渐演变而成。 4 5 0 玉” 吾” 槲2 0 鐾，。 0 o 1 01 i 2 0 2 i 3 03 i 1 5 0 5 i * 自m 图1 2 冷轧板表面“亮线噌陷在板面分布规律图图l j “亮线”缺略宏观形貌 e 世纪8 0 年代中后期美国内陆钢铁公司的低碳铝镇静钢冷轧板也曾出现过条形缺陷 ”j ，英立名称为s l i v c r 。肉眼看s l i v 仃分有三种特征：黑色、白色和c r o w 吖c r o 帅s l i v e r 认为是铸坯通过加热炉时推钢造成的铸坯底部划痕所以有的类型的加热炉根本没有这类 缺陷) 。s l i v e r 缺陷按长度划分为三个范围： 2 0 英尺( 约6 0 0 0 r a m ) 。对冷轧板的黑色和亮色两种缺陷用m a p p i n g 技术 和电子探针技术进行分析，其结果如图14 所示。由目l4 看出，该厂低碳铝镇静钢冷轧 板表面缺陷主要来自炼钢带入的夹杂和铸坯裂纹。该厂还对白色和黑色s 1 1 v 盯两种缺陷分 靠在冷轧板上的位置进行了统计，其结果如图15 所示。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 根据图15 1 ，黑色s l i v e r 主要出现在冷轧板卷边侧，白色s l i v e r 主要集巾在冷轧板 卷中部，且绝大部分长度小于6 0 0 r a m 。白色s l i v e r 缺陷央杂在板宽度方向的分布位置直 接与钢液在结晶器内流动状态有关。靠近中间包保护套管附近弯月面处，温度比较低，在 结晶器中心成为冷区使之搭桥形成煎饼式凝块。水模实验也证明，中间包保护套管是钢流 回流的终点因此夹杂主要集中在扳卷中心。 板眷上形成的s l i v e r 缺陷由炼铜复台火杂成分和a 1 2 0 3 或铸坯裂纹造成的。由于非金 属夹杂在轧制过程中变形能力低于钢，因而在延展过程中形成夹层。铸坯裂纹表面在加热 过程被氧化，轧制过程不能焊台，裂纹两侧氧化层与会属不同的形变流，驱使它形成s l i v e r 裂纹缺陷也多为条状缺陷。它的深度是变化的，这种缺陷通常发暗，不过在计数管下，它 也可以呈白色或有光泽的，这种裂纹特征上半部细小，等轴晶和内部有弥散的氧化铁，一 般显微组织，下半部足影响区，品粒粗大，这种结构上的变化是由于局部受热加工时，受 细的氧化物钉扎作用，氧化铁皮没有除净，退火后还原变成铁，所以呈暗色，在其下部是 还原的铁。 钒醴盐 喜m l * e * 女 2 87 批。鼢纹扳坯裂纹 图1 4 条形缺陷来源分析示意圈 霾。二二二簪警j i 。雾ii鬈二：二鍪鍪蓁缓篓缓 ；黼；筋 。 图l 5 s l i v e r 缺陷的分布 p e n c i lb l i s t e r ( b l o wh o l e s ) 是超低c ( o0 0 3 ) 板材上条形鼓疱缺陷，见图1 6 。这是 美国内陆钢铁公司l 世纪9 0 年代初，用弧形铸机生产i f 钢出现的缺陷。这种缺陷特征表 现为： 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 ( 1 ) 多出现铸坯皮下2 0 - - 4 0 m m ( 距内弧上表面) ，往往吸附有小的a 1 2 0 3 夹杂； ( 2 ) 在退火过程中受热由于内部气体膨胀，故在冷轧板鼓起； ( 3 ) 尺寸：短的1 0 - - - - 1 0 0 m m ，宽度l 2 m m ，鼓起尺寸 0 1 m m ； ( 4 ) 在薄的镀锌层面板上，这种缺陷更为严重； ( 5 ) 出现在弧形铸机内弧侧。 图1 6 板材上条形鼓疱缺陷 上世纪9 0 年代初美国内陆钢铁公司对i f 钢表面缺陷做了进一步研究【悼1 8 】，认为冷轧 板表面缺陷s l i v e ra n dp e n c i lb l i s t e r ( b l o wh o l e s ) 都来源于炼钢。s l i v e r 是板卷上沿轧制方向 长 1 0 0 0 m m ，宽 1 6 敞浇时间n a n 图1 6 薄规格板炉次孔洞缺陷率与敞浇时间的关系 冷轧板表面疤坑缺陷( 机械划伤和氧化铁皮压入除外) 是连铸坯原生缺陷经过高温 和轧制变形演化幸存的遗迹【2 5 1 。疤坑缺陷按缺陷的本质可分为a 1 2 0 3 夹杂型、复合夹杂 型( c n i s ) 和表面裂纹型3 种。a 1 2 0 3 类缺陷由结晶器液面波动造成的弯月面卷渣及保护渣 粘度过大，不能有效吸附a 1 2 0 3 形成；复合夹杂类缺陷主要伴随着换钢包和浇注末期中间 包液面不稳定而产生，此时形成的表面波导致卷渣；表面裂纹型的形成是由于在热轧前的 连铸坯上就具有原始缝隙。 由炼钢造成的结疤容易翘起和张开，下面有夹杂物。产生原因【3 9 】：材料表面有残 余的结疤轧后压合到带钢面上；带钢坯表面凸凹不平，清理深宽比不够。带钢坯表面严 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 重刮伤后再轧也会形成带钢面上的结疤；热轧成品前某一道次轧辊掉肉或有砂眼，带钢 热轧后表面产生凸块，再轧后呈周期性的生根结疤；因轧辊粘结金属物，带钢通过轧辊 后形成凹坑，再轧时若延伸不一，凹坑也会变成结疤；轧制过程中，外来金属物落在带 钢坯表面被带人轧辊，轧后压人带钢表面，形成不生根结疤。 1 5 问题的提出与本课题的研究意义 冷轧产品表面质量状况是衡量冷轧产品的重要指标，在传统应用中，高等级表面的冷 轧薄板主要用在中高档轿车的面上，但随着科技的进步和人们对生活需求的提高，现在家 电制造业、摩托车制造业、自行车制造业等行业对冷轧薄板表面质量的要求也越来越高。 对于高等级的冷轧薄板表面，不但要求正面由肉眼检验无缺陷，而且要经油石打磨后也没 有缺附彻。 冷轧薄板表面缺陷的产生贯穿于冶炼、连铸、热轧、冷轧、退火、平整和精整的整个 生产工艺过程。影响冷轧薄板表面质量的主要缺陷，大致可分为两大类【4 l 】：常规缺陷和 非常规缺陷。常规缺陷主要有擦伤、划伤、锈蚀、粘结等；非常规缺陷的种类则较多，且 各厂家对缺陷的叫法也不尽相同，最常见的是线、条、带、片状缺陷( s l i v e rd e f 鳅) 。此 类缺陷的形貌多样，影响因素和形成机理十分复杂。 钢中夹杂物的数量、形态和分布对钢的性能和钢材缺陷的类型、形成都有重要影响。 线状缺陷、孔洞、疤坑是冷轧薄板最常见的表面缺陷，对于这三种缺陷形成机理和演变 规律目前还没有统一的观点。 本课题主要研究炼钢工序中残留在钢中的夹杂物对冷轧板夹杂表面缺陷的形成原因 及演变规律的影响。探讨冷轧板夹杂类表面缺陷成因及演变规律，这对防止冷轧板表面缺 陷的产生和提高冷轧板表面质量具有重要意义。 1 6 研究内容与研究方案 1 6 1 研究内容 ( 1 ) 现场跟踪调查和分析冷轧板缺陷类型、数量、分布特点等现状，统计分析夹杂 类缺陷的分布规律。 ( 2 ) 冷轧现场跟踪取样调查：现场选取和收集各种形态和特征的典型缺陷；n i 制 备缺陷样本；对缺陷样进行多种手段的检测和分析；初步分析各种缺陷的形成原因及来源。 ( 3 ) 模拟轧制试验：探讨各种夹杂物缺陷的形成特征；对表面原始缺陷形成、变形 演化过程的规律进行分析，由此提出表面缺陷的控制措施。 1 6 2 研究方案 ( 1 ) 现场收集冷轧板缺陷样并分析 现场选取和收集w 礤、w s t l 2 两种钢种冷轧板的各种形态和特征的典型缺陷；主要 收集由夹杂引起的线状、孔洞、疤坑类三种缺陷，数码拍照，观察其宏观特征。 分析w i f 、w s t l 2 两种钢种冷轧板缺陷类型、数量、分布特点等现状，初步统计分 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 析夹杂类缺陷的分布规律。 ( 2 ) 缺陷形貌分析 加工制各缺陷样本进行金相分析，观察其形貌数量、分布等特点。根据缺陷形貌对 表面缺陷进行分类； 进行扫描电镜分析，观察夹杂物的组成及缺陷的微观形貌； 分析各种缺陷的形成原因及来源。 ( 3 ) 模拟轧制 在有缺陷铸坯的头坯上取大小相等的4 块( 如图l7 ) 铸坯试样，在武钢研究院中试 工厂进行模拟轧制实验，实验过程见图1 8 ，轧制参数见表1 2 。 图1 7 铸坯上取样示意图 表1 2 轧制参数 每轧一道即对表面缺陷进行观察，数码拍照，咀了解缺胳形奄、尺寸及数量随着变形 量增加的变化。对所取试样进行金相、扫描电镜和电子探针分析，分析缺陷处的金相组织， 夹杂物的成分和形貌。 臣匿卜i 鳘h 登h 篓h 困n 亟 圈 豳囱囱囱囱 囝1 8 模拟轧制实验过程 武汉科技大学硕士学位论文 第1 5 页 第二章冷轧板上缺陷的分布 2 1 缺陷在冷轧板中的位置分布 对武钢两个炼钢厂( 二炼钢、三炼钢) 的冷轧板表面缺陷出现的位置情况进行了统计 分析。两个钢厂冷轧板上的表面缺陷主要都是由夹杂引起的缺陷( 见表2 1 ) ，缺陷钢卷数 量所占百分比分别为9 7 4 7 、9 6 7 7 ，转用量所占百分比分别为9 4 5 6 、9 6 9 4 。 表面缺陷的分布位置主要按以下三种方式统计分析：( 1 ) 按缺陷出现在上下表面的情 况：缺陷只出现在上表面，缺陷只出现在下表面，缺陷在上下表面同时存在，缺陷出现在 其它面；( 2 ) 缺陷在冷轧板长度方向上的分布情况：缺陷分别出现在头段、中段、尾段， 缺陷同时