维普资讯 http://www.cqvip.com 第28卷第7期 东北大学学报( 自然科学版) Vo1.28。No.7 2007年7月 Joumal of Northeastern University(Natural Science) Ju1.2 0 0 7 中厚钢板分层缺陷的形成机制分析 李艳梅 ,朱伏先 ,崔凤平 ,房轲 (1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004; 2.济南钢铁集团总公司,山东济南250101) 摘 要:为降低中厚钢板产生分层缺陷的几率、提高控轧控冷钢材的质量性能,对试验的中厚钢板进行 无损探伤,依照探伤图谱选择分层缺陷严重的部位,用扫描电镜等对其金相组织、缺陷形态和微区成分进行分 析.结果表明,分层部位的缺陷组织主要为沿轧向分布的铁素体带中条状或片状硫化物是中厚板分层产生的 主要原因.当钢中的含硫质量分数降低到0.02%以下、硫化物临界尺寸小于5/an时,可有效防止分层缺陷产 生. 关键词:中厚板;分层;内部缺陷;硫化物;探伤 中图分类号:TG 1 1 1.3 文献标识码:A 文章编号:1005—3026(2007)07—1002.04 Analysis of Forming Mechanism of Lamination Defect of Steel Plate LI Yah—mei ,ZHUFu—xian ,CUIFeng-ping ,FANG Ke (1.The State Key Laboratory of Rolling&Automation,Northeastenr University,Shenyang 1 10004,China;2. Jinan Iorn&Steel Group Corporation,Jinan 250101,China.Correspondent:LI Yan-mei,E-mail:liyanmei一75@ 163.com) Abstract:To reduce the probability of lamination defect formed during plate steel rolling and improve its quality and mechanical properties specimens of the cold rolled steel plates were nondestructively det ̄ted.Then,according to the positions of severe lamination defect found from spectural patterns as the result of detection,the defect,morphologies and compositions of the specimens were analyzed by SEM.etc..The results showed that the microstructure of lamination defects formed in steel plates are mainly the component of strip/plate sulfides in ferrite bandings distributed along the rolling direction.which is typically the reason why the lamination defects formed.It was concluded that lamination defects can be prevented efficiently if the sulfur content in steel iS reduced to below 0.02%and the critical size of sulfides iS laSS than 5/xm. Key words:steel plate;lamination;interior defect:sulfide;flow detection 中厚板分层是中厚板轧制过程中最常见的缺 陷,分层使钢材力学性能具有各向异性,特别是沿 1实验材料和实验方法 钢板厚度方向的力学性能恶化,导致钢板Z向性 本文选用的实验材料为探伤发现中心部位含 能降低,冲击韧性、抗疲劳能力变弱,易发生氢损 有严重缺陷的Q235B铸坯,尺寸大小为1 600 mm 伤和层状撕裂,严重影响钢板质量性能及生产率 ×850 ITI1TI×165 ITI1TI. 的提高[卜3_.如何有效控制中厚板、尤其是控轧 对中心缺陷严重的铸坯分别轧制成22,20, 控冷中厚板分层缺陷的形成已引起国内同行的广 18ITLWI三种厚度规格,其轧制工艺如表1和表2 泛关注.本文结合济南钢铁集团公司中厚板厂的 所示,开轧温度为1 185℃. 生产实际,研究分析中厚钢板分层缺陷的形成机 用无损探伤仪对轧制后的钢板进行探伤检 制,探讨降低分层形成几率的有效措施. 测,找出分层严重的钢板,依照探伤图谱,对分层 收稿日期:2006.07—10 基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2001AA332020—01). 作者简介:李艳梅(1975一),女,辽宁本溪人,东北大学博士研究生;朱伏先(1946一),男,福建寿宁人,东北大学教授,博士生导师. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第7期 李艳梅等:中厚钢板分层缺陷的形成机制分析 1003 缺陷严重的部位进行取样,用光学显微镜分析缺 陷处的金相组织,用扫描电镜对缺陷部位进行形 态分析和微区成分分析,判断钢板产生分层的原 周围为基体,这是硫化物在氧化物基体上析出所 致.由此可以看出,白色铁素体带状区主要是非金 属夹杂物的聚集区,在这里沿轧制方向分布着大 因,确定不产生分层时夹杂元素的最小含量. 表1 实验钢坯粗轧工艺规程 Table 1 Rcx ̄h rolling schedule for billets 表2实验钢坯精轧工艺规程 Table 2 Finish rollign schedule for billets 规格 精轧各道次辊缝值/n 开轧温终轧温 mnl 1 2 3 4 5 度/c度/c 22 32.04 25.96 23.16 21.56空跑1 060 995 20 31.18 24.97 21.26 19.46空跑1 050 990 18 29.93 21.66 18.18 15.53空跑1 005 985 2试验结果及分析 图1是轧后钢板的缺陷探伤结果,对图1中 所示1区进行进一步探伤分析后的结果如图2所 示.从图2可以看出,钢板横轧后,铸坯中的缺陷 主要集中在钢板的中部并向两边延展.轧后钢板 的缺陷在轧制方向呈条链状分布.缺陷个体之间 探伤没有发现异常,说明在轧制压力的作用下,部 分缺陷被基本焊合. 图1轧后钢板探伤缺陷分布图 Fig.1 Lamination defect distributino detected for a plate rolled 对图2中的缺陷部位进行金相分析和电子探 针扫描分析的结果如图3和图4所示.由图3可 见,在缺陷处出现了一条或多条白色带状铁素体 组织.对白色铁素体带微区做电子探针分析后的 结果如表3所示,不难判定,图3中的灰色物质主 要是MnS和少量FeS的混合组成物;图4b中凹 坑中间的物质为硫化物和氧化物的复合产物,其 量的大型条状硫化物和呈弥散分布的小型点状硫 化物. 图2图1区域1处缺陷分布图 Fig.2 Lamiantino defect distributino in the r ̄ino 1 as show in Fig.1 图3轧后钢板分层缺陷处金相组织 Fig.3 Microstructure showign lmaiantino defects in rollde plate 从图4可以看出,铸坯中硫化物(主要为I型 硫化锰)尺寸比较大,沿轧制方向随金属基体一起 流动变形,最后形成长条状,其长度一般都大于 10舯;部分硫化物发生断裂被分成几段,其中间 区域被金属基体重新焊合;由于硫化物夹杂和基 体金属的热膨胀系数有很大差异,在轧后冷却过 程中产生的收缩效应不同,使得部分条状硫化物 的尖端与基体界面处出现了小的空洞;在缺陷处 还弥散分布着一些尺寸只有几微米大小的硫化物 夹杂,它们在轧制后基本上没有发生变形. 大型的硫化物在轧制压力的作用下沿轧制方 向形成长条状,这与其本身和钢的流变应力有关. 图5是依据本次轧制试验,在应变为2.1时, MnS夹杂和钢基体流变应力与温度及应变速率 的关系.可以看到,在高温区,MnS夹杂比钢基 体更易变形,所以MnS夹杂在轧制应力的作用 下,随金属质点一起流动而变成长条状.还可以 看到,由于一般中厚板的轧制温度都大于800 ℃,在此温度以上硫化物的流变应力都要小于钢 维普资讯 http://www.cqvip.com 东北大学学报(自然科学版) 第28卷 基体本身,所以轧制温度对轧制过程中钢中的硫 时,MnS的塑性变形温度略有提高,但总体上影 化物形态影响不是很大.只是当应变速率提高 响也不是很大[4—61. 图4轧后钢板探伤缺陷处电子扫描图像 Fig.4 SEM images of lamination defects detected in rollde plate 表3分层缺陷微区的电子探伤结果 abIe 3 Detectino results of lmaiantino defects in micro-area % 加,空洞互相连通形成微裂纹,微裂纹进一步扩 展,促使同一平面内相邻夹杂物引起的裂纹连通 造成平台.与此同时,相邻平面内裂纹间通过剪 切形成剪切壁而连通平台,从而使厚度方向上的 力学性能相对于长度方向明显恶化.所以铸坯中 的硫化物是钢板产生分层的主要原因之一 卜81. 图4d中,在硫化物夹杂到基体的过渡区这一 部分,从夹杂物内部开始,采用电子探针扫描,每 隔0.5 m测一个点,总共测试了10个点,测得S 元素的变化情况如表4所示.发现在过渡区内,硫 图5不同应变速率下。MnS夹杂和钢基体的 化物的变化趋势基本一致,由于夹杂物在变形过 流变应力与温度的关系 Fig.5 Relationship between rheclegical stress 程中与金属基体之间发生了相互作用的扩散过 of MnS inclusino and steel matrix and 程,越靠近基体,夹杂物中的S含量就越少,其后 temperature in diferent stain rate 与基体逐渐融合,直至最后对基体的连续性不再 由于轧后夹杂物在厚度方向上呈平行于板面 产生影响. 的带状分布,当钢板受Z向拉应力作用时,夹杂 对测定的点进行函数拟合,以测试点距界面 物与基体界面之间只是简单的机械结合,而不是 处的距离为自变量z,远离夹杂物的方向为正方 物理冶金结合,界面间结合力很低;又由于硫化 向,从而得到在硫化物与基体过渡区S含量的变 物夹杂为塑性夹杂物,在应力作用下,硫化物夹 化关系式为 杂内部由于平面滑移产生了长而窄的滑移带,这 硼(S): 0。56 些滑移带上的位错被阻塞在夹杂物和基体的界面 1+exp((z+1.01)×2.35)‘ 处,结果造成基体与界面处产生应力集中,导致 从函数变化关系式和图6上可以看到,对于 夹杂物与基体界面处首先产生空洞.随着应力增 轧制中变成条状的硫化物,其内部距界面2 m左 维普资讯 http://www.cqvip.com 第7期 李艳梅等:中厚钢板分层缺陷的形成机制分析 1005 右到远离界面0.8 ttm左右为其过渡区,在此区 合,而界面内过渡区部分的硫化物则属于部分被 域内S的含量基本呈线性降低;在夹杂物内距界 融合而没有完全被融合.界面处是硫化物没有完 面2.5 ttm以后,以及基体距界面1 ttm以后的地 全被融合的临界处,所以当硫质量分数小于 方,硫的质量分数分别保持在0.52%和0.003% 0.02%时,硫化物就能够被完全融合. 左右.界面以外的基体处硫化物已经完全被融 表4硫化物含量过渡区变化表 Table 4 Chan ̄in percentage composition of sulfide in transferring region % (2)铸坯中硫化物尺寸越大,钢板产生分层 缺陷的几率越大;当钢中硫的质量分数降低到 0.02%以下、硫化物尺寸控制到5 ttm以下时,可 … 以有效地防止分层缺陷产生. 参考文献: [1]Pozuelo M,Carreno F,Ruano O A.Innovative ultrahigh carbon steel laminates with outstanding mechanical properties [J].Materials ScienceForum,2003,426:83—88. [2] Pickerign F B.Effcets of non.metallic inclusions on the x/g,,m propertiesof steels[C]∥The 31st Mechaniacl Workign and 图6界面处硫化物含量变化函数拟合图 steel Processign Conference.Chicago:Iorn and Stel Society. Fig.6 Fitted function curve of sulfide percentage 1989:383—386. composition at interface Ervasti E,Stahllberg U.Trnasversal cracks and their -z为距交界面的距离,远离夹杂物的方向为正方向. behavioral teh hot rollign of steel slabs[J].Journal of 通过对建立的函数图表的分析,轧制后硫化 MaterialsProcessingTechnology,2000,101(3):312—321. Domlzzi G,Anteri G,Ovejero-Garcia J.Influence of sulphur 物与基体过渡区尺寸大小在2.5 m左右,在这个 content and inclusion distirbution on the hydrogen induced 区域内,S元素开始向钢基体内扩散,也就是此部 blister crackign in pressure vessel and pipdine stels[J]. 分被基体逐渐融合,直到出现浓度平衡点.当夹杂 Corrosion Science,2001,43:325—339. 物尺寸在5 m左右时,随着轧制过程的进行,其 朱伏先,刘彦春,李艳梅,等.Q345钢奥氏体再结晶行为对 组织和性能的影响[J].东北大学学报:自然科学版,2005, 整个夹杂物本身就处于半融合状态,此时硫化物 26(6):566—569. 的形态不会发生大的变化,而是逐渐被基体融合. (Zhu Fu.xlna,Liu Yan.ehun,Li Yan.mei,et a1.Effect of 由于对分层产生主要影响的是大的条状硫化物, austenite rcerystallization on microstructure and properties of Q345 plate steel[J].Journal ofNortheastern University: 所以认为对中厚板分层产生影响的最大硫化物临 Natural Science,2005,26(6):566—569.) 界尺寸为5 m,小于这个尺寸的硫化物对分层基 Yaguehi H.Manganese sulfide precipitation in low-carbon 本上没有影响. resulfurized free-machinign stel[J].Metall,1986,17A: 2080—2083. 3结 论 Liu Z,Gu K J,Cai K K.Mathematical model of sulfide precipitation on oxides durign solidiifcation of Fe-sj alloyEJ]. (1)中厚钢板产生分层的主要原因是铸坯中 ISU ̄nternatiohal,2002,42(9):950—957. 含有硫化物.它在轧制过程中沿轧制方向随金属 Alaoua D,Lartigue S,Larere A,et a1.Prceipitation and 基体一起流动变形,最后变成条状或片状夹杂物, surface segregation in low carbon tseels[J].Materails cSience EngineeringA,1994,189(1/2):155—163. 从而引起钢板分层.