铸坯到轧材的表面缺陷演变行为研究

范众维，王艳林，孙振忠，周梓荣，章 庆

(1.方大特钢科技股份有限公司，南昌 330012；2.东莞理工学院 机械工程学院，广东 东莞 523808)

铸坯到轧材的表面缺陷演变行为研究

范众维1，王艳林2*，孙振忠2，周梓荣2，章 庆1

(1.方大特钢科技股份有限公司，南昌 330012；2.东莞理工学院 机械工程学院，广东 东莞 523808)

基于铸坯表面缺陷传承到轧材的精确定位方法，开展铸坯-轧材缺陷间的对应关系研究，以提高判断缺陷产生原因以及工序改进的及时、精准性，并系统研究高线铸坯皮下气泡缺陷在轧制过程中的演变行为，对其缺陷形态进行了检测分析。研究表明：所设计的铸坯表面缺陷到轧材的定位方法能精确地在轧材表面找到缺陷所在的位置；铸坯皮下气泡对应的轧材表面裂纹长度较短，且裂纹两端收敛，无明显过渡段，裂纹内部存在氧化物，裂纹两侧组织无异常流变，存在明显脱碳，这为企业改善铸坯表面质量提供了科学依据。

表面缺陷；轧材；皮下气泡；演变行为；精确定位

0 引言

在金属材料生产与加工过程中，含有缺陷或失效的金属产品，其微观组织必然与正常的工序目标存在某种差异，这种差异是由某制备因素(如成分、冶炼、轧制以及后续加工等)偏差所致，可见从缺陷部或失效产品的微观组织及成分差异等可确定缺陷产生的主要环节因素，进而提出相应的改进措施，以避免再次产生产品缺陷[1-3]。在钢铁产品制备加工过程中，对一般的产品缺陷可通过宏观特征来判断其类型及所产生的工序，但对成因复杂的缺陷，尤其是跨部门、跨工序所产生的缺陷，仅从宏观特征尚不能做出精准判断，如在研究钢坯表面缺陷在轧材上的传承时，尽管可以根据压缩比测算出坯表面缺陷在轧材长度方向上的大体位置，但难于精准定位，导致缺陷定位困难，严重阻碍了钢坯表面缺陷的及时、准确性判定分析[4-5]。

由于难于及时、准确地判断缺陷产生的原因与工序，常常延误了生产工艺的调整和改进，影响了企业产品质量的提升，甚至造成经济损失[6]。近年来，方大特钢持续开展产品质量提升工作，为分析线材产品表面缺陷产生原因，特别是铸坯缺陷在轧制过程中的演变行为，选取皮下气泡等多种典型缺陷进行高线铸坯-轧材缺陷对应关系研究。然因线材产品存在以下特性：1) 较一般产品截面积小，延展长度大，缺陷位置难以定位；2) 轧材呈盘曲状态，缺陷容易隐藏在盘卷之中而难以查找；3) 轧制过程中可能存在轧件扭转，也会增加缺陷查找难度。导致线材产品缺陷对应定位难度系数要远大于弹簧扁钢、中厚板等产品。本文将先进行铸坯缺陷传承轧材缺陷定位实验，开展铸坯-轧材缺陷对应关系研究，以提高判断缺陷产生原因以及工序改进的及时、精准性，并系统研究高线铸坯缺陷在轧制过程中的演变行为，为正确分析和判断钢铁产品缺陷或失效产生的确切原因，为产品质量的改进奠定基础。

1 铸坯到轧材表面缺陷的精确定位方法

本方法先通过人工在坯料表面钻孔，模拟放大坯料不同位置不同大小形态的表面缺陷，定位对应的缺陷形态，铸坯采用160方坯料，手工电钻(麻花钻头)，并按图1要求钻孔。

图1 坯料钻孔模拟缺陷尺寸图Fig.1 Schematic illustration of drilling simulating defects

按坯料对应钢种正常轧制工艺生产φ20 mm规格，随后根据按压缩比预算测算好的长度位置数据查找材上缺陷，实验结果显示可以对缺陷传承位置进行较为精准的定位。同时对查找到的缺陷取样送检，对每条缺陷多段取样检测深度。其后，为进一步确实轧制小规格，大压缩比下的铸坯缺陷传承定位情况，在φ10 mm规格进行了类似实验，同样可以对缺陷传承位置进行较为精准的定位[7]。结合两次传承缺陷定位实验，可知：

1) 铸坯人为缺陷与成品表面缺陷存在对应性，基本遵循理论测算规律，但实际缺陷的位置与理论计算存在一定偏差，距离坯料端部越远，偏差越大；

2) 根据轧材表面缺陷金相检测分析情况，确定铸坯人为钻孔对应轧材表面缺陷结构如图2所示，其中蓝色标注部为轧材表面缺陷形态，并存在以下特征：

(1) 盘条表面能够找到缺陷，缺陷状态为一条细小线性裂纹，且局部呈波浪状或分叉，说明人为钻孔缺陷主要沿轧制方向拉伸，局部受到横向拉力产生偏折。

(2) 轧件线性裂纹沿盘条径向存在不定角度的旋转，有的裂纹旋转角度甚至达270°，说明在轧制或吐丝过程中，盘条存在扭转。

(3) 沿纹方向纵向剖视，则整个裂纹缺陷基本呈船形，裂纹两端有比较明显的圆弧锥型。裂纹周边存在脱碳现象，特别是裂纹两端锥尖位置存在较为明显的脱碳区域，与轧制过程中轧件次表层金属流动最快理论相符。

(4) 裂纹长度与钻孔周长之半及压缩比存在一定对应关系，裂纹深度MAX/盘条直径≥坯料表面钻孔深度/坯料宽度，说明该类别坯料缺陷即使是经过压缩比高达325的轧制，也不能够消除，而是按对应比例关系以表面裂纹的形式传承至轧材。

2 实验及结果分析

2.1 实验方案

在上述涉及的能精确确定缺陷传承定位方法后，本实验主要针对皮下气泡典型缺陷连铸坯进行高线铸坯-轧材缺陷对应关系分析，连铸坯皮下气泡形成的主要原因是钢液中能溶解部分气体，而凝固后的钢中基本不溶解气体，在钢液凝固过程中, 钢中由碳氧反应生成的CO、N2和H2等气体的分压之和大于钢液静压力与大气压力之和就会产生气泡。这些气泡被树枝晶捕集或受己凝固表面层的阻碍而不能从钢坯中逸出, 而在钢坯中富集、长大就会形成气泡缺陷[8]。这些气泡如裸露在连铸坯外面叫表面气孔，没有裸露的叫皮下气孔，比气孔小呈密集的小孔叫皮下针孔，在加热炉内，铸坯皮下气泡内表面被氧化而形成脱碳层，轧制后不能焊合而形成表面缺陷[9]。常见气泡产生的因素有：脱氧不良、钢液过热度大、中包烘烤不足、二次氧化、保护渣水分超标、结晶器上口漏水等[10]。由于缺陷坯大部分的皮下气泡位于连铸坯次表层，为更好进行缺陷定位，将坯料送加热炉加热，表面氧化后会将大部分的皮下气泡暴露出来，待回炉冷却后，选定某位置皮下气泡缺陷，确定缺陷对应铸坯表面沿轧制方向的中心线，作缺陷在中心线上的投影，在投影两侧分别人工钻孔。其中，人工钻孔直径为r，缺陷在中心线上的投影到人工钻孔边缘的距离a≈r，如图3所示，图中：1—铸坯；2—人工钻孔点；A/ B—皮下气泡；C—缺陷A或B在L上的投影；L—缺陷对应铸坯表面沿V方向的中心线；V—铸坯轧制方向；r—人工钻孔直径；a—缺陷在中心线上的投影到人工钻孔边缘的距离；b—靠近铸坯端部人工钻孔中心到铸坯端部的长度。

图2 坯料钻孔模拟缺陷对应轧材表面缺陷示意图(盘条纵剖面)Fig.2 Schematic diagram of defects in rolled metal corresponding to the drilling defects (longitudinal section of wire rod)

图3 铸坯缺陷钻孔定位示意Fig.3 Schematic illustration of location for drilling defects of casting slab

定位后的铸坯按正常工艺条件轧制，人工钻孔以表面裂纹的形式传承至轧材，并明显呈现于轧材表面，如图4所示，图中：3—轧材(盘条)，2′—人工钻孔2对应材上表面裂纹；A′(B′)—皮下气泡A(B)对应轧材表面缺陷；x—人工钻孔2对应轧材表面裂纹的长度。结合表面裂纹长度x=πr/2×μ，其中压缩比μ在铸坯断面不变情况下轧制对应规格轧材为常数，可以快速查找到人工钻孔对应表面裂纹轧材，并据此快速定位皮下气泡对应轧材表面缺陷，位于距离轧材端部[(b+r/2)×μ～(b+5r/2)×μ]长度期间。

实际采用φ14 mm、φ30 mm进行了实验，由于坯料皮下气泡数量多，因此除了可以找到已定位的皮下气泡传承缺陷外，尚可在盘卷上观察到其他未定位的皮下气泡传承缺陷(图5)。宏观观察，裂纹处颜色与正常部位氧化层颜色有明显区别，不同裂纹一般不在同一条线上，裂纹长短不一，且长度相对较短，大部分集中在几十mm长，且端部无明显过渡段，收敛分明。

图4 铸坯定位缺陷传承至轧材表面缺陷示意图Fig.4 Schematic illustration of surface defects in rolled material from location defects of casting slab

图5 皮下气泡定位实验对应轧材表面缺陷Fig.5 Surface defects location of rolled material corresponding to subsurface bubbles

2.2 缺陷检测与分析

为确定皮下气泡对应轧材表面缺陷形貌，选取已定位的皮下气泡对应表面缺陷(图6、图7为部分缺陷示意，实际进行了多个缺陷样检测分析)，截取多个裂纹截面，特别是裂纹两端收尾位置，制样检测裂纹深度。皮下气泡对应轧材缺陷(60-1)深度金相检测结果表明：轧材表面裂纹1长度为1.52 mm，裂纹2长度为1.57 mm，裂纹3长度为1.68 mm，裂纹4长度为1.73 mm，裂纹5长度为1.56 mm。而皮下气泡对应轧材缺陷(60-2)深度金相检测结果表明轧材表面裂纹1长度为1.24 mm(脱碳区域)，裂纹2长度为1.16 mm，裂纹3长度为1.38 mm，裂纹4长度为1.28 mm，裂纹5长度为1.20 mm。

图6 皮下气泡对应轧材表面缺陷(60-1)深度金相检测Fig.6 Metallographic examination of depth of the defects in rolled material corresponding to subsurface bubbles (60-1)

图7 皮下气泡对应轧材表面缺陷(60-2)深度金相检测Fig.7 Metallographic examination of depth of the defects in rolled material corresponding to subsurface bubbles (60-2)

检测结果显示，裂纹深度较深，且截面深度差异非常小，即裂纹段中间位置向两端延伸对应的裂纹深度没有明显差异，可以说裂纹端部无过渡段；金相腐蚀检测，裂纹内部存在较多氧化物；裂纹两侧金相组织无异常金属流变，但存在脱碳现象；其裂纹结构与人工钻孔对应轧材表面缺陷结构极为相似，呈“船形”或“U”形。参照《GB/T 15711—1995钢材塔形发纹酸浸检验方法》对缺陷样进行塔形实验，其中为了便于车削加工，实际塔形试样阶梯尺寸设计为公称半径依次递减1 mm，而非国家标准中推荐的0.90、0.75、0.60 D(D为轧材公称直径)；各台阶车削长度与国家标准一致(50 mm)；按GB 226酸浸。每规格每编号试样分4段进行塔形实验，检测结果如表1所示。

表1 皮下气泡对应轧材表面缺陷塔形实验Table 1 Tower testing for defects in rolled material corresponding to subsurface bubbles

从检测数据来看，φ30 mm，φ14 mm规格在第3台阶(深度3 mm)均仍有裂纹。

3 分析与讨论

1)从回炉坯表面观察来看，坯料经加热后，坯料大部分皮下气泡缺陷能够暴露至坯料表面，具体皮下多深缺陷能够暴露，与坯料氧化烧损情况相关；本次实验坯料皮下气泡4.0级，坯料切片低倍检测最深为10 mm，轧材塔形实验部分试样第3台阶(深度为3 mm)仍有裂纹，说明皮下气泡对轧材质量影响甚大。

2)大部分皮下气泡经加热后会暴露出来，轧制后难于焊合消除，对应轧材表面缺陷呈短裂纹状，裂纹端部收敛，无明显裂纹过渡段，裂纹内部存在较多氧化物，裂纹两侧存在脱碳现象，与人为钻孔对应轧材缺陷形貌一致。

3)此实验情况也为公司之前采用无孔型(平辊)轧制大盘卷时容易产生的表面对称分布的四条无长短规律裂纹带非皮下气泡所致提供了佐证。无孔型轧制存在高作业率、高辊面利用率、高通用性，以及低轧制力节约能耗等优点[11]；但使用平辊轧制方坯时，也容易脱方，即将方形断面的钢坯轧成带鼓形的四边形，甚至产生扭曲，进而导致轧件表面产生微裂纹带[12]。

4)轧材表面偶发性无规律间断性裂纹的判定一直难有明确依据，或者说一直存在争议，主要是轧前划伤及皮下气泡导致的轧材表面缺陷有非常大的相似性，从本次实验来看，主要应结合缺陷宏观形貌及金相检测端部形态进行判定—过程划伤所致的轧材表面缺陷一端或两端均有较为明显的过渡段；且高速轧制，裂纹一般较长，裂纹两侧组织存在异常流变；而皮下气泡所致的裂纹一般较短，且两端收敛，无明显裂纹过渡段，裂纹内部存在氧化物，两侧组织无异常流变。

4 结论

1)采用铸坯表面人工钻孔锁定铸坯原有表面缺陷，实现轧材对应铸坯原始表面缺陷定位，是提高缺陷定位检测分析的有效技术，该定位法同样适用于连铸坯表面其他明显缺陷的追溯。

2)连铸坯皮下气泡对应的轧材表面裂纹长度较短，且裂纹两端收敛，无明显过渡段，裂纹内部存在氧化物，裂纹两侧组织无异常流变，存在明显或不明显脱碳。

3)轧材无规律间断性短裂纹的检测判定，不仅仅要结合缺陷在轧材表面的位置分布，宏观表象，更重要的是要取多个裂纹截面制样检测，特别是裂纹两端收尾位置，更应认真确定制样切割位置。对于间断性短裂纹，取样时应囊括裂纹全貌，制样以≥3段(双面制样)为宜。

当然，本研究仅对连铸坯皮下气泡缺陷在线材上演变行为进行了研究，而皮下气泡究竟是O、N、H哪类气体所致，还需要进一步检测分析。

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Evolution Behavior of Surface Defects from Casting Slab to Rolled Metal

FAN Zhong-wei1，WANG Yan-lin2*，SUN Zhen-zhong2，ZHOU Zi-rong2，ZHANG Qing1

(1.FangdaSpecialSteelTechnologyCo.,Ltd.,Nanchang330012,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,DongguanUniversityofTechnology,DongguanGuangdong523808,China)

Based on the accurate location of surface defects from casting slab to rolled metal, the corresponding relationship of defects between casting slab and rolled metal were researched in order to find out the causes of defects and improve process in time and more precisely. And the evolution behavior of subsurface bubbles of casting slabs during rolling process was systematically studied, and the patterns of the defects were analyzed. The results show that the defect location method for the surface defects from casting slabs to rolled metal can accurately locate the surface defects of rolled metal. The surface cracks of rolled metal corresponding to subsurface bubbles of casting slabs are shorter and have the following features. Both tips flocking together, no obvious transition, oxide in the cracks, no abnormal rheology of microstructure near the cracks, and obvious decarburization, which can provide scientific basis for improving the surface quality of casting slabs.

surface defects；rolled metal；subsurface bubble；evolution behavior；precise location

2017年4月5日

2017年5月23日

中国博士后科学基金(2016M591072)；江西省对外科技合作重点项目(20141BDH80029)

王艳林(1982年-)，男，博士，高级工程师，主要从事金属材料与精密制造工程等方面的研究。

TG335.13

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.04.011

1673-6214(2017)04-0259-06