不銹鋼管表面翹皮缺陷的特征與成因分析

   浙江至德鋼業(yè)有限公司采用發(fā)射掃描電子顯微鏡、能譜儀、金相顯微鏡對不銹鋼管表面翹皮缺陷的形成原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明鋼管鑄坯表面裂紋、保護(hù)渣卷渣、氧化鐵皮壓入是引起不銹鋼管表面翹皮缺陷的主要原因。在鑄坯表面裂紋引起的翹皮缺陷處可觀測到薄層高溫氧化鐵，附近分布著大量細(xì)小高溫氧化圓點(diǎn)，且有脫碳跡象；在氧化鐵皮壓入引起的翹皮缺陷處只能檢測到氧化鐵而無其他成分；而保護(hù)渣卷渣引起的翹皮缺陷可在缺陷處檢測到保護(hù)渣特征元素。

   隨著鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，各大鋼鐵企業(yè)為提高競爭力在保證鋼材性能的同時(shí)越來越重視鋼板表面質(zhì)量。常見的不銹鋼管表面缺陷有邊裂、劃傷、翹皮等。翹皮作為一種常見的鋼管表面質(zhì)量缺陷，已引起國內(nèi)相關(guān)研究人員的關(guān)注，并做了大量的研究工作。至德鋼業(yè)分析了120噸轉(zhuǎn)爐RH-CC冶煉工藝生產(chǎn)的高強(qiáng)度不銹鋼管表面翹皮缺陷的特征和形成機(jī)理。觀察了不銹鋼管邊部翹皮缺陷的微觀組織與晶界狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)薄壁不銹鋼管邊部翹皮缺陷主要是由于中間坯邊角部溫度過低、熱軋過程中發(fā)生不均勻變形所致。對熱軋不銹鋼管表面翹皮缺陷形貌、分布規(guī)律及相應(yīng)成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器保護(hù)渣卷入是引起熱軋鋼管表面翹皮缺陷的主要根源。

   本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析比較了某缺陷不銹鋼管鑄坯表面橫裂紋、保護(hù)渣卷渣、氧化鐵皮壓入引起鋼管表面翹皮缺陷的各自特點(diǎn)，并分別對其形成原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，對實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

   一、試驗(yàn)材料及方法

    試驗(yàn)材料來源于國內(nèi)某大中型鋼管廠缺陷不銹鋼管，用線切割分別在試樣的典型缺陷部位取樣并標(biāo)號，將制作好的試樣進(jìn)行磨拋、超聲清洗、烘干，利用體視顯微鏡、金相顯微鏡、S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡及能譜儀進(jìn)行綜合分析。

二、鋼管翹皮缺陷特征及原因分析

  1. 鑄坯表面裂紋引起的翹皮

    裂紋是鑄坯上的常見缺陷，經(jīng)軋制后鑄坯裂紋常常以邊裂、線狀、翹皮等缺陷的形式存在。圖是鑄坯表面橫裂紋引起翹皮缺陷的宏觀形貌。從圖中可看出，不銹鋼管表面翹皮區(qū)域比較大，且部分已從鋼管表面脫落。用線切割在缺陷部位截取一個(gè)10mm×10mm的縱截面試樣，利用掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行微區(qū)分析可發(fā)現(xiàn)，缺陷從表面向內(nèi)部延伸，長度達(dá)0.3mm，跟裂紋特征相似，且呈現(xiàn)多層分離現(xiàn)象，其顯微形貌如圖所示。利用掃描電鏡及能譜儀對圖中點(diǎn)一處進(jìn)行微區(qū)成分分析，發(fā)現(xiàn)裂紋邊緣成分為Fe和O元素，即氧化鐵，且缺陷附近存在大量細(xì)小高溫氧化圓點(diǎn)，其成分主要為Si、Mn、Fe、O元素，如圖中點(diǎn)二處。綜合分析可知，缺陷邊緣為一薄層高溫氧化鐵，而缺陷附近又分布大量密集的細(xì)小高溫氧化圓點(diǎn)，即SiO2、MnO、Fe2O3。

   用4%的酸酒精腐蝕缺陷縱截面試樣后，在金相顯微鏡下觀察其組織特征。從圖3中可觀察到，缺陷處珠光體含量明顯低于正常組織處的含量，鐵素體含量增加，晶粒較粗大，這是典型的脫碳跡象。然而脫碳的形成原因較為復(fù)雜，一般在加熱爐內(nèi)會(huì)引起脫碳現(xiàn)象，其形成的基本條件為院。加熱溫度800℃以上；在加熱爐內(nèi)有充足的氧化時(shí)間，碳原子由內(nèi)向外擴(kuò)散并與空氣中的氧結(jié)合成一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w逸出，致使缺陷部位發(fā)生脫碳；鋼中含碳量越高越容易引起脫碳。翹皮區(qū)域明顯的脫碳跡象，說明在連鑄坯中已存在表面缺陷，鑄坯在加熱爐中加熱時(shí)，表面裂紋處發(fā)生脫碳，導(dǎo)致翹皮處微區(qū)組織的變化，晶粒粗大易形成應(yīng)力集中，軋制時(shí)發(fā)生翹皮現(xiàn)象。同時(shí)由于高溫和長時(shí)間加熱，缺陷處鐵被氧化前，基體中的硅、錳與氧結(jié)合在鋼基體中偏聚形成大量細(xì)小高溫氧化圓點(diǎn)。分析缺陷附近分布的密集的細(xì)小高溫氧化圓點(diǎn)及缺陷處存在的脫碳現(xiàn)象的形成原因，然后結(jié)合缺陷斜向深入鋼基體內(nèi)部的形貌特征，說明該缺陷是鋼板表面裂紋經(jīng)軋制后引起的翹皮現(xiàn)象。鑄坯表面裂紋是引起翹皮的主要原因，所以必須找到引起鑄坯表面裂紋的原因才能從根本上解決鋼板表面翹皮缺陷。通常結(jié)晶器振痕過大，易產(chǎn)生橫裂紋，并沿奧氏體晶界擴(kuò)展，從而引發(fā)大量的橫裂紋，鋼的高溫力學(xué)性能惡化，P、S元素偏析，二冷過程中鑄坯表面溫度分布不均，溫度梯度的存在導(dǎo)致鑄坯表面應(yīng)力集中等因素均是造成鑄坯表面裂紋的重要原因。

   2.  保護(hù)渣卷渣引起的翹皮

   保護(hù)渣卷渣常常會(huì)導(dǎo)致鋼板表面各種質(zhì)量缺陷，而不同的質(zhì)量缺陷往往會(huì)有不同的表現(xiàn)形式。由保護(hù)渣卷渣引起的翹皮缺陷，用尖銳物將缺陷部位掀開后會(huì)觀測到顆粒狀物質(zhì)。圖為保護(hù)渣卷渣引起的翹皮缺陷的宏觀形貌。從圖中可看到，缺陷處一側(cè)已翹起，另一側(cè)與基體相連。用線切割截取缺陷處的縱截面試樣，將缺陷部位用尖銳物掀開，將其作為樣品的表面試樣。利用掃描電鏡對其微區(qū)成分進(jìn)行分析，縱截面試樣與表面試樣的分析結(jié)果分別如圖所示。圖在點(diǎn)一處檢測到大量O、Fe、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Mn元素，而Na、K為保護(hù)渣特有元素，說明該區(qū)域的夾雜可能是保護(hù)渣卷渣引起的，而掀開后的表面試樣的分析結(jié)果更說明了這一點(diǎn)。圖6中點(diǎn)1處的顆粒狀物質(zhì)均為保護(hù)渣成分，檢測到大量O、Fe、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Mn元素，而圖中點(diǎn)處則為鋼基體，成分為鐵元素。

   由于保護(hù)渣屬于塑性較差的硅酸鹽、硅鋁酸鹽夾雜物，當(dāng)其卷入鋼基體后，在軋制過程中，夾雜物與基體的變形不一樣，塑性差的復(fù)合類夾雜在軋制過程中幾乎不變形，呈顆粒狀擠壓基體，成為翹皮發(fā)生的發(fā)源地，隨板材厚度的不斷降低；當(dāng)達(dá)到一定極限后就會(huì)脫離鋼基體造成翹皮缺陷。保護(hù)渣卷渣是引起鋼板質(zhì)量缺陷的一種常見原因，要避免翹皮缺陷必須找到引起卷渣的原因。引起保護(hù)渣卷渣的常見原因有院拉速不穩(wěn)定，浸入式水口插入過深，造成結(jié)晶器液面不穩(wěn)定，引起卷渣；撈渣條操作不規(guī)范，撈渣條時(shí)結(jié)晶器液面受到擾動(dòng)而引起卷渣；中間包水口吹氬量過大，保護(hù)渣被氬氣包裹卷入鋼液，經(jīng)軋制后引起不銹鋼管表皮分層。

  3. 氧化鐵皮壓入引起的翹皮

   氧化鐵皮壓入也是一種常見的引起翹皮缺陷的原因，而與卷渣和鋼管鑄坯裂紋不同的是，氧化鐵皮壓入不會(huì)檢測到保護(hù)渣成分，缺陷部位只含有Fe和O兩種元素，其顯微形貌特征也不會(huì)像鑄坯裂紋那樣斜向鋼基體內(nèi)部延伸。圖為典型的氧化鐵皮壓入導(dǎo)致翹皮缺陷的宏觀形貌。從圖中可看出，熱軋不銹鋼管表面粗糙不平，鐵皮有的疏松脫落，有的壓入鋼管面不易脫落，其壓入深度有深有淺。取縱截面試樣利用掃面電鏡對其顯微形貌進(jìn)行分析，在掃面電鏡下可觀察到有一層約10um厚的異于鋼基體的物質(zhì)，經(jīng)能譜儀對其微區(qū)成分進(jìn)行測定，其成分為Fe和O元素，即氧化鐵。然后再用尖銳物將不銹鋼管缺陷處翹起的表皮掀開，將掀下來的氧化鐵皮作為表皮試樣用掃面電鏡及能譜儀對其微區(qū)成分進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果同樣為Fe和O元素，該結(jié)果再次證明此翹皮缺陷應(yīng)是氧化鐵皮壓入引起的。氧化鐵皮壓入不銹鋼管表面主要在軋制過程中。在軋制前先要對鋼坯進(jìn)行除磷操作，除磷不徹底則鑄坯表面殘留有高溫氧化鐵，經(jīng)軋制進(jìn)入熱軋鋼管次表層，形成表面翹皮缺陷。由上述分析可知，該類翹皮缺陷主要是由于氧化鐵皮壓入造成的，而導(dǎo)致不銹鋼管表面氧化鐵皮壓入的原因主要有：除磷不徹底，除磷水噴嘴布置不合理或除磷水水壓大小不合適，除磷水噴嘴堵塞，形成沿鋼板軋制方向的氧化鐵皮壓入基體；粗軋時(shí)，鋼坯表面若與水和空氣接觸，易形成二次鱗；由于軋輥輥面氧化膜周期性承受巨大的交變應(yīng)力，當(dāng)達(dá)到一定疲勞極限時(shí)，輥面氧化膜剝落，剝落的氧化膜附著在不銹鋼管上，經(jīng)軋制后引起氧化鐵皮壓入缺陷。

三、結(jié)論

 1. 鑄坯表面裂紋引起的翹皮缺陷，可在縱截面試樣中觀察到缺陷向鋼基體內(nèi)部斜向延伸，缺陷邊緣為一薄層高溫氧化鐵，且周圍附著有大量的細(xì)小高溫氧化圓點(diǎn)，其組織有明顯的脫碳現(xiàn)象。

 2. 由保護(hù)渣卷渣引起的翹皮缺陷，用尖銳物掀開后會(huì)觀察到顆粒狀物質(zhì)，且此顆粒狀物質(zhì)包含保護(hù)渣特征元素Na和K。

 3. 氧化鐵皮壓入引起的翹皮缺陷，在缺陷處只含有Fe和O元素，即氧化鐵。