Исследование причин образования дефектов

www.steelmaker.ru
1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ ЛИСТА МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ НИЗКОКРЕМНИСТОЙ СТАЛИ С РЕГЛАМЕНТИРУЕМЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЛЮМИНИЯ
Р.Ф. Нугуманов, В.П. Комшуков, Н.Г. Матвеев, А.В. Амелин,
А.А. Алексеенко*, Е.В. Байбекова*
ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат»
* ООО «Лаборатория специальной металлургии»
К настоящему времени накоплен большой опыт исследования дефектов
холодно- и горячекатаного листа, установлены основные источники загрязнений металла и иные причины, инициирующие возникновение дефектов
(табл. 1). Вместе с тем, остаются определенные противоречия в классификации, а также задачи уточнения и конкретизации причин отдельных видов дефектов.
Цель настоящей работы состояла в установлении причин происхождения дефектов холоднокатаного листа малоуглеродистой низкокремнистой
стали с нормированным содержанием алюминия, изготовленного из товарных слябов ОАО «ЗСМК».
Исследовали следующие типы дефектов листа:
вспученность цинкового покрытия;
полосы вдоль прокатки;
плена с отслоением;
сквозные разрывы поперек направления прокатки;
плена со сквозными разрывами поперек направления прокатки.
Исследования дефектных зон листа выполняли на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-646OLV* и оптическом микроскопе Neophot32.
__________________________________________________________________
* М.В. Судариков и О.В. Самойлова, ЮУрГУ
www.steelmaker.ru
2
Для установления причин образования дефектов определяли наличие,
состав и расположение неметаллических фаз находящихся под ними, форму
и направление внутренних микротрещин, а также особенности текстуры листа на поперечных микрошлифах.
Вспученность цинкового покрытия.
Под вспученным цинковым покрытием в листе, на глубине до 10-15
мкм, обнаружили строчки неметаллических включений двух фаз: чистого оксида железа (эти включения преобладали) и фазу сложного состава, c высокими пиками Si, Ca, Al, Na (рис. 1, 2).
Известно, что строчки оксида железа в подповерхностном слое листа,
могут происходить от закатанной окалины, содержащейся в поверхностных
дефектах слябов [2]. Вторая фаза по своему химическому составу идентична
шлакообразующей смеси, подаваемой в кристаллизатор. Присутствие частичек шлакообразующей смеси однозначно свидетельствует о «сталеплавильной» природе данного типа дефекта и указывает на место его образования –
верхней части кристаллизатора, где флюс может контактировать с поверхностью сляба.
При исследовании слябов стали 08Ю обнаружили два типа поверхностных дефектов, содержащих идентичные комбинации фаз: продольные трещины (рис. 3) и поверхностные локальные (до нескольких миллиметров в
диаметре) дефекты (рис. 4, 5).
Продольные трещины, как известно, образуются в кристаллизаторе изза растягивающих напряжений, возникающих вследствие неравномерного по
периметру формирования корочки слитка [4, 5]. При раскрытии трещины в
верхней части кристаллизатора можно допустить попадание в нее частичек
флюса.
Поверхностные локальные дефекты были обнаружены при исследовании микрошлифов, вырезанных из поперечных темплетов слябов в местах
повышенной травимости серных отпечатков у боковой поверхности (рис. 4).
www.steelmaker.ru
3
Толщина неметаллической фазы варьировалась примерно от 50 до 300
мкм. Местами она была однородно-неметаллической, местами – пронизанной
металлом. Расположение фазы – на поверхности (преимущественно) и под
поверхностью сляба (рис. 5). При увеличении ×700 и выше вблизи неметаллической фазы видны мелкодисперсные выделения сульфидов марганца, характерные для участков металла, обогащенных серой, при ее сегрегации
(рис.6). Сама неметаллическая фаза гетерогенна: практически чистый оксид
железа (основа) и вкрапления фазы, содержащей Si, Ca, Na, P, S (рис. 5). Количество этой фазы, идентичной по составу шлаковой смеси, в разных дефектных участках варьируется.
Губчатый характер пленки FexO (с взаимопроникновением оксида и
металла) и наличие в ней частичек флюса свидетельствует, во-первых, о контакте пленки FexO с жидким металлом (или полужидкой корочкой) и флюсом, во-вторых, об образовании FexO в районе мениска в результате окисления жидкого металла. Окисление жидкого металла (или полужидкой корочки) в районе мениска могло происходить из-за неполной изоляции его (ее)
флюсом от атмосферы.
Таким образом, оба вида дефектов поверхности сляба: продольные
трещины и локальные дефекты поверхности могли послужить источником
строчек из оксида железа с частичками флюса в дефектных участках холоднокатаного листа.
Полосы вдоль прокатки на горячекатаном листе.
В зоне дефектов (полосы вдоль прокатки) на горячекатаном листе стали С063 толщиной 2 мм обнаружили строчки включений оксида железа, а
также фазы с высоким пиком Si и примесью Ca и Mg (рис. 7). Присутствие в
листе низкокремнистой стали фазы на основе оксида кремния однозначно
свидетельствует об экзогенном ее происхождении. Однако в технологии разливки расходные материалы подобного состава не использовались, за исключением верхнего утеплительного слоя покровного шлака в промежуточном
ковше – смеси на основе обожженной рисовой лузги. Этот материал доста-
www.steelmaker.ru
4
точно изолирован от ванны металла в кристаллизаторе, хотя в исключительном случае вероятность его попадания в кристаллизатор имеется (например,
при значительном понижении уровня металла в промежуточном ковше).
Плена с отслоением металла на горячекатаном листе.
Под пленой и отслоением металла на листе стали типа 08Ю толщиной
2 мм были выявлены грубые строчки включений корунда (они преобладали)
и фазы, близкой по составу шпинели (MnO,FeO).Al2O3 (рис. 8). На поперечном микрошлифе видно, что трещина (расслой) проходит по строчкам неметаллических включений. Сочетание корундовых включений со шпинелью
(MnO,FeO).Al2O3 является типичным продуктом реакции вторичного окисления низкоуглеродистых сталей с нормируемым содержанием алюминия. Подобные включения обнаруживались нами в подкорковой зоне слябов 08Ю,
отлитых с недостаточно организованной защитой от вторичного окисления
(рис. 9).
Сквозные разрывы холоднокатаного листа поперек прокатки.
При исследовании образцов холоднокатаного листа в области сквозных
разрывов поперек прокатки (рис. 10 а) каких-либо скоплений или крупных
неметаллических включений не обнаружено. Вместе с тем на поперечном
микрошлифе вдоль направления прокатки выявлены множественные микротрещины, развивающиеся от поверхности листа под углом около 45о.
На рис. 10 б–е представлен характерный для данного вида дефекта листа тип
серпообразных надрывов и микротрещин на разных стадиях развития – от зарождения до сквозного разрыва. Выявленная травлением в 4 % растворе
HNO3 текстура (рис. 10 ж) и расположение на микрошлифе вытянутых при
прокатке сульфидов марганца (рис. 10 б–в) демонстрируют синусоидальный
характер течения металла. Причем, начало развития трещины на поверхности
листа совпадает с выходом синусоиды течения на поверхность (аналогичный
характер корреспонденции трещин с синусоидальной текстурой выявлен в
www.steelmaker.ru
5
работе [3]). Эти признаки позволяют отнести настоящий дефект к дефектам
прокатного производства.
Плена со сквозными разрывами поперек направления прокатки.
Шлиф, вырезанный вдоль плены (рис. 11), характеризуется: 1) выраженной разнотолщинностью, 2) микротрещинами у поверхности листа, сколами и отслоением отдельных участков на поверхности (рис. 12) и 3) строчками оксида железа, располагающимися параллельно рельефу отслоения
(рис. 13). Иные неметаллические включения в области дефектов отсутствуют.
Строчки оксида железа, обнаруженные под поврежденной поверхностью листа, отличаются по форме и расположению отдельных включений
FexO от строчек FexO, образованных при раскате окалины подкорковых дефектов сляба (рис. 2). Разница состоит: 1) в размерах – при раскате окалины
включения крупнее, и 2) расположением – вдоль линии, в отличие от раскатанной окалины (рис. 13, 14). Это свидетельствует в пользу того, что в рассматриваемом случае строчки оксида железа появились не в результате раската подкорковых дефектов сляба, а по месту конечного расположения. Наиболее вероятная причина их выделения – внутреннее окисление металла,
произошедшее после механических повреждений листа, образовавшихся при
прокатке. В свою очередь, выделившиеся строчки оксида железа, на последующих стадиях обжатия послужили местом распространения новых трещин
(рис. 14).
Таким образом, наличие микротрещин у поверхности листа и сколов
при отсутствии вблизи них неметаллических включений «сталеплавильного»
происхождения, сопрягающихся с нарушениями сплошности, свидетельствует о прокатном происхождении дефектов данного вида.
***
По результатам исследования на сканирующем электронном микроскопе дефектов холоднокатаного листа малоуглеродистой низкокремнистой стали с регламентированным содержанием алюминия определены состав и рас-
www.steelmaker.ru
6
положение неметаллических фаз, форма и направление внутренних микротрещин, особенности текстуры листа на поперечных микрошлифах и проанализировали диаграммы состояния соответствующих оксидных систем.
По совокупности всех признаков дефекты разделены на группы:
1. Строчки неметаллических включений двух фаз: чистого оксида железа и
сложного состава, c высокими пиками Si, Ca, Al, Na.
2. Строчки включений чистого оксида железа и фазы с высоким пиком Si и
небольшими пиками Ca и Mg.
3. Строчки, состоящие из корундовых включений, а также шпинелей
(MnO,FeO).Al2O3.
4. Микротрещины, располагающиеся под углом около 45о к поверхности
вдоль направления прокатки. Текстура листа характеризуется чрезмерно
деформированными зернами, в виде линий, направление которых имеет
местами синусоидальную форму и сопрягается с микротрещинами.
5. Дефекты, характеризующиеся: а) выраженной разнотолщинностью, б)
микротрещинами у поверхности листа, сколами и отслоением отдельных
участков на поверхности и в) строчками оксида железа, располагающимися параллельно рельефу отслоения.
Определен механизм и причины образования каждой группы дефектов
холоднокатаного листа.
Библиографический список
1. Santanu Kr. Ray “Influence of cleanliness on surface quality of steel product” / IIM Metal News. Vol. 9, No 3, June 2006. pp. 11 – 22.
2. Производство сверхнизкоуглеродистых сталей без фаз внедрения на
фирме “Voest-Alpine Stahl GmbH” / перевод с англ., реф. Балабанов
Ю.М. // ОАО «Черметинформация». Новости черной металлургии за
рубежом, 2004, № 5, стр. 32-35.
www.steelmaker.ru
7
3. Ковалев П.В. Совершенствование сквозной технологии производства
холоднокатаного листа на основе исследования природы его дефектов.
Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. С.Петербург. 2006. 20 с.
4. Дефекты стали. Справ. изд./ Под ред. Новокщеновой С.М., Виноград
М.И. – М.: Металлургия. 1984. 199 с
5. Процессы непрерывной разливки. Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л.,
Минаев А.А. и др. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – 536 с.
www.steelmaker.ru
8
Таблица 1.
Источники происхождения неметаллических
включений в зоне поверхностных дефектов
Состав оксидных фаз
в области дефекта
Происхождение
Неметаллические бляшки на поверхности листа
1.
Шлак из промковша; частички
Ca, Mg, Al, O – высокие пики на
отложений со стенок ковша или
диаграмме
каналов стаканов
2. Ca, K, Al, O – высокие пики на
Шлак из кристаллизатора
диаграмме; Mg – слабый пик
3. Оксид железа, грубые границы
зерен. Как правило, расположение
Поверхностные и подповерхдефекта ближе к краю листа. Чаностные трещины на слябах
ще встречается на перитектических марках
4.
Экзогенные включения, захваКомплексные оксиды/силикаты
ченные при выплавке или разбез оксида железа
ливке
5. Отсутствие оксида железа и друПоследняя стадия горячей дегих оксидных фаз, а также норформации или последующая
мальная деформированная струк- обработка. Металлургические
тура зерна в области дефекта
факторы исключены
Плены, полосы вдоль прокатки
6. Оксид железа
–
7.
Продукты раскисления (втоКорунд
ричного окисления)
8.
- Шлак в кристаллизаторе;
Экзогенные оксидные включения - Шлак из промковша;
- Засыпка шибера стальковша
9.
Продукты вторичного окислеОксиды марганца или кремния
ния
Светлая полоса без надрывов
10.
Внутреннее окисление металла
Строчки оксида железа на глубипосле повреждения поверхноне 10-15 мкм от поврежденной
сти листа на стадии горячей
поверхности листа
прокатки
Светлая полоса с надрывами
11. Отсутствие оксидных фаз, синуНеравномерная деформация
соидальный характер текстуры,
при холодной прокатке из-за
серповидные надрывы поверхновибрации или рассогласования
сти листа, совпадающие с выхоскорости валков
дом на поверхность синусоиды.
Источник
[1]
[1]
[2]
[2]
[2]
[2]
[1, 2]
[1, 2]
[1]
[3]
[3]
www.steelmaker.ru
9
Рис. 1. Вспученность цинкового покрытия
Линия картографирования
Zn
Цинковое покрытие
Рис. 2. Картографирование на SEM по линии с XPP-коррекцией строчки оксида железа (более светлые включения) и примыкающей к ней темной фазы,
под вспученным участком цинкового покрытия.
www.steelmaker.ru
10
Рис. 3. Неметаллические фазы в продольной трещине сляба 08Ю. Светлая –
оксид железа, темная – фаза c высокими пиками Si, Ca, Al, Na (SEM – фото).
Боковая поверхность сляба
Рис. 4. Участок серного отпечатка поперечного темплета сляба стали 08Ю
(край).
Рис. 5. Неметаллические фазы в локальном поверхностном дефекте сляба
08Ю. Светло-серая – оксид железа, темно-серая – фаза с c высокими пиками
Si, Ca, Al, Na (SEM – фото).
www.steelmaker.ru
11
Рис. 6. Мелкие выделения MnS (обведены овалом) вблизи неметаллической
фазы в локальном поверхностном дефекте сляба 08Ю. (SEM – фото).
Рис. 7. Неметаллические фазы под поверхностным дефектом «полосы вдоль
прокатки» листа стали С063. Светло-серая – оксид железа, темно-серая – фаза с высоким пиком Si и следами Ca и Mg (SEM – фото).
www.steelmaker.ru
12
(MnO, FeO).Al2O3
Рис. 8. Внешний вид дефекта «плена и отслоение» на листе стали типа 08Ю и
неметаллические фазы в зоне расслоения: темная – включения корунда, светло-серая – близкая по составу шпинели (MnO, FeO).Al2O3 (SEM – фото).
Al2O3
(MnO, FeO).Al2O3
Рис. 9. Неметаллические включения в слябах стали 08Ю, образовавшиеся от
вторичного окисления. Темная фаза – корунд, светло-серая – близкая по составу шпинели (MnO, FeO).Al2O3 (SEM – фото).
www.steelmaker.ru
13
а)
б)
в)
MnS
г)
д)
е)
ж)
Рис. 10. Внешний вид дефекта «сквозные разрывы» на листе стали типа 08Ю
(а), участки микрошлифа вдоль направления прокатки с разными стадиями
развития микротрещин, от зарождения до сквозного разрыва (SEM–фото) (б
– е) и текстура в области серпообразных надрывов (ж).
www.steelmaker.ru
14
б)
а)
Рис. 11. Общий вид дефекта плена со сквозными разрывами (а) и участок
микрошлифа (б), изготовленного вдоль плены (показан стрелкой).
а)
б)
Оксид железа
в)
г)
Рис. 12. Перепад толщины листа (а), микротрещины, идущие от поверхности
листа (б - г) и скол участка поверхности (г).
www.steelmaker.ru
15
Строчки оксида железа
Строчка оксида железа
Рис. 12. Расположение строчек оксида железа вблизи поверхности расслоя и
микротрещины.
Рис. 13. Трещины, проходящие через строчку оксида железа.