热轧含硼低碳钢板冷轧时边部开裂及其预防

夏小明 裴新华 黄绪传 廖松林 王 进

(1.上海梅山钢铁股份有限公司热轧板厂，江苏 南京 210039；2.上海梅山钢铁股份有限公司技术中心，江苏 南京 210039)

随着用户对产品质量及加工过程中成材率(切边量减少等)要求的不断提高，东南亚国家的冷轧钢材用户对热轧钢板质量的要求也相应有所提高。冷轧过程中材料将发生加工硬化，压缩比越大，产品的强度越高、韧性越差，产生边部裂纹的概率越大[1- 2]，边部裂纹严重时还会导致冷轧断带[3]。现有文献表明，冷轧产品边部开裂的原因主要为冷轧原板边部有缺陷且组织不均匀和冷轧工艺控制不当等。以往在这方面的研究主要集中在冷轧原板的边部组织、边部切边及冷轧工艺等[4- 5]。某钢厂生产的含0.01%～0.025% (质量分数)硼的热轧低碳SPHC钢板冷轧时出现了大量边部裂纹，如图1所示。但是同一炉次生产的钢卷并未全部出现类似缺陷，因此可初步判定，这种缺陷与热轧工序密切相关，而热轧工序对带钢边部组织影响较大的因素主要是带钢边部的温度控制。本文通过对易产生边部裂纹的含硼SPHC钢进行了连续冷却转变试验和现场试验研究，以探索温度控制对SPHC钢组织的影响，为现场生产工艺的调整提供参考。

图1 边部开裂的冷轧钢卷Fig.1 Coil of strip with edge cracks

1 实验室和现场试验

1.1 SPHC钢连续冷却转变试验

1.1.1 试验装置及工艺

试验在美国DSI公司的Gleeble- 3500热模拟试验机上进行。 试样尺寸为φ8 mm×12 mm，在氮气保护下将试样以10 ℃/s的速率加热至1 200 ℃，保温3 min后以5 ℃/s降温至900 ℃，以20 s-1的变形速率将试样压缩变形50%，然后分别以0.5、5、20、40 ℃/s的速率将试样冷却至200 ℃以下，采集冷却过程中试样的温度、径向膨胀量，并检验微观组织。试验工艺如图2所示。

图2 SPHC钢的连续冷却转变试验工艺Fig.2 Continuous cooling transformation test process for the SPHC steel

1.1.2 试验结果与分析

SPHC钢试样在不同速率冷却过程中的膨胀量随温度的变化如图3所示，铁素体转变开始温度在冷速为0.5 ℃/s时为829 ℃、5 ℃/s时为809 ℃、20 ℃/s时为806 ℃、40 ℃/s时为784 ℃，相应的显微组织见图4。

图3 SPHC钢试样以不同速度从900 ℃连续冷却时其膨胀量随温度的变化Fig.3 Variation of swell increment of the SPHC steel specimens with temperature during continuous cooling at different rates from 900 ℃

图4 SPHC钢试样以不同速度从900 ℃连续冷却后的显微组织Fig.4 Microstructures of the SPHC steel specimens after continuous cooling at different rates from 900 ℃

图3表明，以不同速率从900 ℃冷却到200 ℃时，随着冷却速度的加快，铁素体转变开始温度下降，这是由于较大的奥氏体过冷度推迟了铁素体的析出所致。以不同速率冷却后的组织也不同，冷速越快，越易出现混晶组织。结合实际生产工艺，热轧后快速冷却更易获得混晶和变形组织。这是由于快速冷却使变形铁素体来不及再结晶所致。

现场某热轧产品的过程数据分析表明，通过精轧工序的时间平均约为7 s，温降平均约为150 ℃，计算可得精轧段冷却速度约为21 ℃/s，由此可以推断，该产品实际热轧过程中铁素体开始析出的温度为806 ℃左右。在实际热轧过程中，由于边部温降过快，易发生两相区轧制，而由两相区轧制产生的变形组织在低温下难以回复或再结晶[6]，从而产生不均匀组织。组织不均匀，冷轧变形过程中变形程度不同、变形不同步，均可能导致微裂纹的产生。微裂纹的积累和扩展，降低了材料的塑性，使材料变脆[7- 9]。

1.2 现场试验

为了验证终轧温度及卷取温度对带钢边部组织的影响，现场有针对性地进行了不同温度的轧制试验。

1.2.1 终轧温度的影响

试验产品的尺寸为2.0 mm×1 235 mm，中间坯厚度、出炉温度、粗轧终了温度、精轧入口温度、终轧温度以及卷取温度等工艺参数见表1，取样位置及对应的终轧温度见表2。

表1 SPHC钢带的轧制试验温度Table 1 Rolling test temperature of SPHC steel strip

表2 试轧钢卷不同部位的终轧温度Table 2 Finish- rolling temperatures in different positions of the trial- rolled coil of strip

注：操作侧指轧制过程中带钢靠近操作人员的一侧，传动侧指靠近传动设备的一侧

对1、2和3号试样的不同部位进行金相分析发现：1号试样距边部10 mm处的组织具有粗(混)晶和纤维状特征，其中部和2号及3号试样距边部10 mm处的组织均具有粗(混)晶特征，2、3号试样中部均为晶粒度8.0级以上的均匀组织。

出现纤维状组织意味着带钢边部在精轧后段机架的轧制温度处于单相铁素体区，因为轧制后变形组织没有再结晶，保留了严重的加工硬化状态和纤维状特征，材料的塑形很差，冷轧变形时边部易开裂。

这种边部纤维状组织除了引起边部开裂外，对于冷轧的板形控制也非常不利。因为存在边部纤维状组织的带钢在近边部处一定有粗大的混晶组织，这是因为在宽向上温度的变化总是由高到低，即存在过渡区，粗混晶组织区越宽，材料的塑性反而得到改善[10]，因此冷轧产生边部裂纹的同时还常常导致次边部呈浪形，这在用户的质量反馈信息中也得到了证实。

1.2.2 卷取温度的影响

根据铁素体的回复再结晶特性，提高卷取温度有利于晶粒回复，上述试验结果也表明层流冷却采用缓冷有利于减少混晶。为此，分别进行了620和660 ℃两种卷取温度的工艺试验，以验证其对带钢组织和性能的影响。表3为在两种卷取温度的条件下距带钢边部20 mm处的组织和硬度。从表3可以看出，带钢的头部和边部组织主要以粗(混)晶为主，但越靠近带钢尾部，其边部有疑似纤维状的组织，显微硬度也较高，后续冷轧时有边部开裂的风险[10]。卷取温度较高时，在钢卷空冷的过程中晶粒得到一定程度的回复。由以上的试验分析可见，采用较高的卷取温度可改善带钢的纤维状组织，降低边部组织的加工硬化程度。终轧温度相同时，卷取温度的提高有利于降低材料硬度，并明显降低出现纤维状组织的概率。

表3 在两种温度卷取的带钢的边部组织和硬度Table 3 Microstructures and hardness on the edge of strip coiled at two temperatures

2 热轧工艺调整与效果

2.1 热轧工艺调整

根据以上实验室试验与现场大生产试验的结果，对生产线的工艺进行了有针对性的调整，即提高精轧入口温度，从而提高精轧出口温度，同时也相应提高卷取温度，以改善带钢的边部组织。

具体的热轧工艺参数列于表4，即保持出炉温度、中间坯厚度、终轧温度，减少粗轧与精轧的除鳞道次，适当升高卷取温度。由于主要是2.0 mm厚的产品，采用调整前除鳞工艺，带钢至少有1/3长度的终轧温度低于870 ℃，因此虽然目标终轧温度未变，但实际终轧温度因精轧入口温度的大幅提高而有明显提升。如图5所示，统计了热轧工艺调整前、后每月生产的数千卷带钢的平均终轧温度，3月份为工艺调整前的实际平均终轧温度，4～7月份为工艺调整后的平均终轧温度，由此可知，工艺调整后实际平均终轧温度比调整前升高了10～12 ℃。

2.2 调整效果

2.2.1 显微组织改善

图6、图7分别为热轧工艺调整前、后钢卷边部的显微组织。可以看出，调整前钢卷宽度方向最边部有纤维状组织， 调整后则改变为粗混晶组织；在距边部20 mm处，调整前有粗大混晶组织，调整后仅有粗晶组织，考虑到距边部10 mm以上的切边量，热轧工艺调整后钢卷最边部仅有粗晶组织。

表4 调整前、后的热轧工艺参数Table 4 Hot- rolling process parameters adjusted and not adjusted

图5 热轧工艺调整前后带钢的平均终轧温度Fig.5 Average finish- rolling temperatures of the steel strip before and after adjustment of hot rolling process

图6 热轧工艺调整前距带钢边部0(a)和20 mm(b)处的显微组织Fig.6 Microstructures of at 0 (a) and 20 mm (b) from edge of the strip before adjusting hot- rolling process

图7 热轧工艺调整后距带钢边部0(a)和20 mm(b)处的显微组织Fig.7 Microstructures of at 0(a) and 20 mm(b) from edge of the strip after adjusting hot- rolling process

2.2.2 冷轧后带钢边部开裂的减少

调整了热轧工艺后，带钢冷轧边部开裂的问题总体上已经解决，用户未有因边裂而产生的质量异议。

总之，在用户识别清楚的基础上，即在满足用户表面质量的前提下，适当提高终轧温度，尤其是提高带钢边部温度，也即尽量减小带钢宽向温差，从而消除边部纤维状组织，是保证冷轧带钢不发生边裂的基本措施。另外，针对高硼钢，采用层流缓冷与提高卷取温度，可使晶粒回复、降低带钢边部纤维状组织出现的概率，即减小冷轧钢卷边部开裂的风险。

3 结论

(1)试验用SPHC钢的铁素体转变开始温度为：冷速为0.5 ℃/s时为829 ℃、5 ℃/s时为809 ℃、20 ℃/s时为806 ℃、40 ℃/s时为784 ℃。

(2)在实际热轧中，SPHC钢中铁素体开始析出温度为806 ℃左右。

(3)热轧含硼低碳SPHC钢时，终轧温度对产品的组织有重要影响。

(4)带钢边部的组织决定于其终轧温度，而非高温计实测的中间点温度，因此除了中间点达到设定温度外，更重要的是要减小带钢两侧的温差。

(5)当终轧温度为750 ℃左右时，带钢会出现混晶甚至纤维状组织；780 ℃左右时表层会出现混晶组织；800 ℃以上不易出现混晶组织。

(6)卷取温度的提高有利于改善带钢边部的纤维状组织。