铸坯表面孔类缺陷轧制过程中演变规律

第36卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.36 Suppl.1 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 铸坯表面孔类缺陷轧制过程中演变规律 茅晓慧12)，张江山2)，杨树峰12)四 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yangshufeng(@usth.cdu.cn 摘要对圆钢轧制过程中铸坯表面孔类缺陷演变规律进行了工业实验研究.实验中采用钻孔法在铸坯头部钻取一定直径 和深度的孔的方法来模拟铸坯表面气孔缺陷.钻孔铸坯经轧制后在圆钢的对应位置发现了呈平行分布的表面直线型裂纹，裂 纹处的金相组织发现裂纹四周有轻微的脱碳现象.裂纹测量结果表明，圆钢表面直线型裂纹深度主要受钻孔深度影响，当钻 孔深度大于4mm时，会导致深度明显的裂纹.裂纹长度主要受钻孔直径影响，对于孔径在1.0~2.5mm的孔，形成的裂纹长 度大都分布在2~8cm之间. 关键词钢坯；热轧：表面缺陷：多孔性：裂纹：钻孔实验 分类号TG335.6 Evolution of surface porosity in round steel hot rolling MAO Xiao-hui,ZHANG Jiang-shan,YANG Shu-feng 1)School of metallurgical and ecological engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State key laboratory of advanced metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yangshufeng@ustb.edu.en ABSTRACT An industrial experiment was carried out to study the evolution of billet surface porosity in hot rolling of round steel. Holes were drilled at the head of a billet.Linear cracks were spot at the surface of rolled round steel in parallel.Slight decarburization appears around these cracks,which can be seen from the metallograph.Crack measurement results show that the crack depth is mainly influenced by the hole depth.When the hole depth exceeds 4mm,serious cracks will be generated on the round steel.The crack length is mainly dependent on the hole diameter.When the hole diameter ranges from I to 2.5 mm,the crack length limits to 2 to 8cm. KEY WORDS steel billets;hot rolling:surface defects:porosity:cracks:drilling experiment 铸坯表面孔类缺陷一般包括气孔、渣孔和渣气 塑性有限元法研究了气孔周围的流体静应力的有效 孔三类.三种缺陷的共同特点是在铸坯表面和内部 强度和时间对锻造过程中气孔闭合的影响规律. 造成了钢基体局部的不连续。通常情况下，这类缺 Sychkov等m跟踪研究了表面和皮下气孔、夹渣和 陷与钢水碳含量、脱氧不良、外来气体、钢液过热度、 纵横向裂纹在轧制变化中的演变过程，发现气孔可 钢水流动性、二次氧化、结晶器流场和保护渣水份超 能在轧制过程中形成折叠缺陷.Yu等图采用改进 标]等因素有着密切关系.钢液中气泡在上浮过 的有限元模型系统研究了板坯轧制过程中裂纹和夹 程中会捕捉夹杂物或夹渣：反过来，大型夹杂物和夹 杂物的演变规律.Wang等回通过在样品上钻孔研 渣也为气体的聚集和长大提供了有利的界面.因 究了不同轧制温度和轧制速率对气孔闭合和延伸的 此，渣气孔在铸坯表面和皮下较为常见. 影响.其研究结果表明，轧制温度、轧机与轧件直径 国内外学者对铸坯孔类缺陷在轧制过程中的演 的摩擦因数和轧制变形量的增加都有利于表明气孔 变行为已经有了一些研究，研究的方法主要有理论 的消除，Zhang和Cuio的理论模型表明，非线性塑 计算、数值模拟和实验室实验.Tanaka等采用刚 性材料变形过程中的气孔体积主要由远场等效应 收稿日期：2013-11-18 基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-P-13O04A) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.s1.003:http://joumals.ustb.edu.cn

第 36 卷 增刊 1 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 Suppl． 1 Apr． 2014 铸坯表面孔类缺陷轧制过程中演变规律 茅晓慧1，2) ，张江山1，2) ，杨树峰1，2)  1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: yangshufeng@ ustb． edu． cn 摘 要 对圆钢轧制过程中铸坯表面孔类缺陷演变规律进行了工业实验研究． 实验中采用钻孔法在铸坯头部钻取一定直径 和深度的孔的方法来模拟铸坯表面气孔缺陷． 钻孔铸坯经轧制后在圆钢的对应位置发现了呈平行分布的表面直线型裂纹，裂 纹处的金相组织发现裂纹四周有轻微的脱碳现象． 裂纹测量结果表明，圆钢表面直线型裂纹深度主要受钻孔深度影响，当钻 孔深度大于 4 mm 时，会导致深度明显的裂纹． 裂纹长度主要受钻孔直径影响，对于孔径在 1. 0 ～ 2. 5 mm 的孔，形成的裂纹长 度大都分布在 2 ～ 8 cm 之间． 关键词 钢坯; 热轧; 表面缺陷; 多孔性; 裂纹; 钻孔实验 分类号 TG335. 6 Evolution of surface porosity in round steel hot rolling MAO Xiao-hui 1，2) ，ZHANG Jiang-shan1，2) ，YANG Shu-feng1，2)  1) School of metallurgical and ecological engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State key laboratory of advanced metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: yangshufeng@ ustb． edu． cn ABSTＲACT An industrial experiment was carried out to study the evolution of billet surface porosity in hot rolling of round steel． Holes were drilled at the head of a billet． Linear cracks were spot at the surface of rolled round steel in parallel． Slight decarburization appears around these cracks，which can be seen from the metallograph． Crack measurement results show that the crack depth is mainly influenced by the hole depth． When the hole depth exceeds 4 mm，serious cracks will be generated on the round steel． The crack length is mainly dependent on the hole diameter． When the hole diameter ranges from 1 to 2. 5 mm，the crack length limits to 2 to 8 cm． KEY WOＲDS steel billets; hot rolling; surface defects; porosity; cracks; drilling experiment 收稿日期: 2013--11--18 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目( FＲF--TP--13--004A) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． s1． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 铸坯表面孔类缺陷一般包括气孔、渣孔和渣气 孔三类． 三种缺陷的共同特点是在铸坯表面和内部 造成了钢基体局部的不连续． 通常情况下，这类缺 陷与钢水碳含量、脱氧不良、外来气体、钢液过热度、 钢水流动性、二次氧化、结晶器流场和保护渣水份超 标［1--5］等因素有着密切关系． 钢液中气泡在上浮过 程中会捕捉夹杂物或夹渣; 反过来，大型夹杂物和夹 渣也为气体的聚集和长大提供了有利的界面． 因 此，渣气孔在铸坯表面和皮下较为常见． 国内外学者对铸坯孔类缺陷在轧制过程中的演 变行为已经有了一些研究，研究的方法主要有理论 计算、数值模拟和实验室实验． Tanaka 等［6］采用刚 塑性有限元法研究了气孔周围的流体静应力的有效 强度和时间对锻造过程中气孔闭合的影响规律． Sychkov 等［7］跟踪研究了表面和皮下气孔、夹渣和 纵横向裂纹在轧制变化中的演变过程，发现气孔可 能在轧制过程中形成折叠缺陷． Yu 等［8］采用改进 的有限元模型系统研究了板坯轧制过程中裂纹和夹 杂物的演变规律． Wang 等［9］通过在样品上钻孔研 究了不同轧制温度和轧制速率对气孔闭合和延伸的 影响． 其研究结果表明，轧制温度、轧机与轧件直径 的摩擦因数和轧制变形量的增加都有利于表明气孔 的消除，Zhang 和 Cui ［10］的理论模型表明，非线性塑 性材料变形过程中的气孔体积主要由远场等效应

增刊1 茅晓慧等：铸还表面孔类缺陷轧制过程中演变规律 ·11· 变、诺顿指数来决定.铸坯表面切口状的短裂纹，可 以类比于表面尺寸较大的气孔.So如等四研究了该 1实验过程 类缺陷在椭圆一圆线材轧制过程中的变形情况.其 1.1轧制工艺 研究结果表明，轧制过程只能减轻该缺陷的深度而 在进行钻孔实验之前，首先有必要了解所研究 不能完全消除：线材顶部的切口深度在轧制过程中 的轧制工艺.所研究的铸坯的断面为285mm×200 较易变浅，而底部的切口几乎没有变化. mm的20号方坯（矩形坯）.由于生产节奏的原因， 文献调研发现，已有的对轧制过程中气孔演变 从连铸机生产出来的铸坯有的直接运输到加热炉进 规律的研究大多局限于数值模拟研究和试验轧机， 行轧制，有的则进行堆放冷却后再轧制.其中，加热 其实验过程和结果与实际生产都会有一定程度的偏 炉的加热制度、开轧温度和终轧温度如表1所示：轧 差.另外，气孔的深度和直径对轧制成圆钢的裂纹 制过程的示意图如图1所示，其中H代表水平轧制 的定量化影响还鲜有研究.因此，本文拟在实际生 的道次，V代表垂直轧制的道次.铸坯在加热炉中 产的基础上，通过钻孔实验研究不同尺寸的表面孔 加热超过1.5h后，经过5道次交替的水平和垂直粗 在轧制过程中的变形行为，从而来研究铸坯表面孔 轧机，然后再经过4道次精轧，最终生产出直径为 类缺陷在轧制过程中的演变规律 b70mm的圆钢. 表1加热炉加热制度和轧制温度 Table 1 Reheating regime and rolling temperature 预热温度/℃ 加热温度/℃ 均热温度/℃ 开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 加热时间h ≤870 ≤1150 ≤1160 1050±20 >920 >1.5 乳制方向6 图1圆钢轧制过程示意图 Fig.1 Hot rolling schematic of round steel 1.2钻孔实验方法和步骤 同直径的孔之间的列间距为3cm,不同直径孔的列 研究铸坯表面孔类缺陷对轧制圆钢影响的最有 间距为5cm,各行之间行间隔为5cm(保证各空位 效的方法是直接现场跟踪法，即首先在铸坯表面发 置的间隔，又要尽量缩小各行轧制变形的差异性). 现该类孔，然后跟踪其加热和轧制过程，对应到圆钢 这样将不同的孔间隔开，就可以有效地区分不同孔 上进行分析.然而，由于铸坯表面氧化铁皮的覆盖， 所对应的圆钢裂纹 气孔较难发现和测量，同时跟踪对应的圆钢取样困 01.0)mm 1.5mm 02.0mm 2.5mm 难.因此，该方法较难实现.钻孔实验是一种与其 2 mm 4 mm 6 mm 类似的方法，即在铸坯的确定位置（一般为头部或 。当 尾部)钻取一定尺寸的孔，来模拟铸坯表面的孔类 缺陷，然后对该铸坯进行轧制，在轧制成品上跟踪其 对应的缺陷. 本次钻孔实验在冷却至常温的铸坯头部的285 mm面上进行.钻孔实验的位置和尺寸如图2所示. 图2钻孔实验示意图 Fig.2 Schematic of drilling experiment 钻孔尺寸的选择依据之前在铸坯上发现的气孔尺寸 而定.实验共钻取36个孔，钻孔直径分布在1.0~ 实际的铸坯钻孔情况如图3所示.实验铸坯与 2.5mm,间隔0.5mm;钻孔深度分别为2、4和6mm; 其他正常生产铸坯一样，经过加热炉一去鳞机一粗 每个类型的孔钻取三个，纵向上排成一排.其中，相 轧一精轧的各道工序，轧制成中70mm的圆钢.通过

增刊 1 茅晓慧等: 铸坯表面孔类缺陷轧制过程中演变规律 变、诺顿指数来决定． 铸坯表面切口状的短裂纹，可 以类比于表面尺寸较大的气孔． Son 等［11］研究了该 类缺陷在椭圆--圆线材轧制过程中的变形情况． 其 研究结果表明，轧制过程只能减轻该缺陷的深度而 不能完全消除; 线材顶部的切口深度在轧制过程中 较易变浅，而底部的切口几乎没有变化． 文献调研发现，已有的对轧制过程中气孔演变 规律的研究大多局限于数值模拟研究和试验轧机， 其实验过程和结果与实际生产都会有一定程度的偏 差． 另外，气孔的深度和直径对轧制成圆钢的裂纹 的定量化影响还鲜有研究． 因此，本文拟在实际生 产的基础上，通过钻孔实验研究不同尺寸的表面孔 在轧制过程中的变形行为，从而来研究铸坯表面孔 类缺陷在轧制过程中的演变规律． 1 实验过程 1. 1 轧制工艺 在进行钻孔实验之前，首先有必要了解所研究 的轧制工艺． 所研究的铸坯的断面为 285 mm × 200 mm 的 20 号方坯( 矩形坯) ． 由于生产节奏的原因， 从连铸机生产出来的铸坯有的直接运输到加热炉进 行轧制，有的则进行堆放冷却后再轧制． 其中，加热 炉的加热制度、开轧温度和终轧温度如表 1 所示; 轧 制过程的示意图如图 1 所示，其中 H 代表水平轧制 的道次，V 代表垂直轧制的道次． 铸坯在加热炉中 加热超过1. 5 h 后，经过5 道次交替的水平和垂直粗 轧机，然后再经过 4 道次精轧，最终生产出直径为 70 mm 的圆钢． 表 1 加热炉加热制度和轧制温度 Table 1 Ｒeheating regime and rolling temperature 预热温度/℃ 加热温度/℃ 均热温度/℃ 开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 加热时间/h ≤870 ≤1150 ≤1160 1050 ± 20 ＞ 920 ＞ 1. 5 图 1 圆钢轧制过程示意图 Fig． 1 Hot rolling schematic of round steel 1. 2 钻孔实验方法和步骤 研究铸坯表面孔类缺陷对轧制圆钢影响的最有 效的方法是直接现场跟踪法，即首先在铸坯表面发 现该类孔，然后跟踪其加热和轧制过程，对应到圆钢 上进行分析． 然而，由于铸坯表面氧化铁皮的覆盖， 气孔较难发现和测量，同时跟踪对应的圆钢取样困 难． 因此，该方法较难实现． 钻孔实验是一种与其 类似的方法，即在铸坯的确定位置( 一般为头部或 尾部) 钻取一定尺寸的孔，来模拟铸坯表面的孔类 缺陷，然后对该铸坯进行轧制，在轧制成品上跟踪其 对应的缺陷． 本次钻孔实验在冷却至常温的铸坯头部的 285 mm 面上进行． 钻孔实验的位置和尺寸如图 2 所示． 钻孔尺寸的选择依据之前在铸坯上发现的气孔尺寸 而定． 实验共钻取 36 个孔，钻孔直径分布在 1. 0 ～ 2. 5 mm，间隔 0. 5 mm; 钻孔深度分别为 2、4 和 6 mm; 每个类型的孔钻取三个，纵向上排成一排． 其中，相 同直径的孔之间的列间距为 3 cm，不同直径孔的列 间距为 5 cm，各行之间行间隔为 5 cm ( 保证各空位 置的间隔，又要尽量缩小各行轧制变形的差异性) ． 这样将不同的孔间隔开，就可以有效地区分不同孔 所对应的圆钢裂纹． 图 2 钻孔实验示意图 Fig． 2 Schematic of drilling experiment 实际的铸坯钻孔情况如图 3 所示． 实验铸坯与 其他正常生产铸坯一样，经过加热炉—去鳞机—粗 轧—精轧的各道工序，轧制成 70 mm 的圆钢． 通过 ·11·

·12· 北京科技大学学报 第36卷 计算铸坯轧制圆钢过程中的理论延伸比，选取整个 2实验结果和分析 圆钢头部的10m段，间隔1m进行截取和酸洗.待 圆钢裂纹酸洗暴露出来后，对对应的裂纹的深度和 2.1裂纹宏观形貌和显微组织 长度进行测量和分析. 轧制过程的理论延伸系数为13左右.根据钻 孔的位置和间距，在圆钢的对应位置发现了有明显 的直线型裂纹.裂纹的宏观形貌如图4所示.从图 中可以看出，铸坯上三个呈一列排布的尺寸相同的 孔，在圆钢上形成三条平行分布的直线型裂纹.直 线型裂纹长度基本相同，有的却有一定的差别.同 时，裂纹行间距相对铸坯时的距离缩短，由5cm缩 短到了2cm左右. 图3钻孔铸坯 取裂纹的横断面，进行铣磨后用硝酸酒精侵蚀， Fig.3 Billet with drilling holes 就可以得到裂纹四周的金相组织形貌.其结果如图5 珍之 L99bE乙L0D68L9S女 L 9 Gt E Z L96 8 L 9 G t E 图4裂纹宏观形貌 Fig.4 Crack morphology 所示.从图5中可以看出，裂纹周围部分区域有轻 纹的主要特征.以图6为例，孔深为2.0和4.0mm 微的脱碳现象发生，脱碳层厚度小于50m.这是由 对应的相同孔径的三个裂纹数据则相对完整，而孔 于孔的直径较小，在加热炉内发生脱碳的反应时间 深为6.0mm的裂纹只测到一组数据.从图6可以 有限.所以，在轧制延伸变形时，圆钢裂纹横截面的 看出，裂纹深度与钻孔直径的关系不明确.即使钻 脱碳现象不是很明显 孔直径为1.0mm,仍可导致深度为1.5mm左右的 裂纹.而对于直径为2.5mm的孔，也会产生深度只 有0.6mm的裂纹. 2500F ■￥4孔深2.0mm 孔深4.0mm 2000 孔深6.0mm 色 1500 1000 500 100m 100,m 图5裂纹四周的金相组织 1.0 15 2.0 2.5 Fig.5 Metallograph around cracks 钴孔内径mm 2.2裂纹深度与钻孔尺寸的关系 图6裂纹深度与钻孔内径的关系 Fig.6 Relationship between crack depth and drilling diameter 每种相同尺寸的孔在铸坯上钻取三个（其分布 如图2所示)，对应到圆钢上形成三条裂纹.直径为 从图7中可以看出，钻孔深度对裂纹深度的影 1mm,深度为2mm的孔由于太小被烧损，没有形成 响较为明显.钻孔深度为2mm时，对应的裂纹深度 裂纹，其深度和长度都定为0mm.裂纹深度与钻孔 绝大多数小于1mm;当钻孔深度超过4mm时，裂纹 直径和深度的关系如图6和图7所示.由于取样失 深度增加明显，最大超过了2mm.为了更加清楚钻 误，部分裂纹的深度没有测量到，但仍然可以表征裂 孔深度对裂纹深度的影响，计算得到了平均裂纹深

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 计算铸坯轧制圆钢过程中的理论延伸比，选取整个 圆钢头部的 10 m 段，间隔 1 m 进行截取和酸洗． 待 圆钢裂纹酸洗暴露出来后，对对应的裂纹的深度和 长度进行测量和分析． 图 3 钻孔铸坯 Fig． 3 Billet with drilling holes 2 实验结果和分析 2. 1 裂纹宏观形貌和显微组织 轧制过程的理论延伸系数为 13 左右． 根据钻 孔的位置和间距，在圆钢的对应位置发现了有明显 的直线型裂纹． 裂纹的宏观形貌如图 4 所示． 从图 中可以看出，铸坯上三个呈一列排布的尺寸相同的 孔，在圆钢上形成三条平行分布的直线型裂纹． 直 线型裂纹长度基本相同，有的却有一定的差别． 同 时，裂纹行间距相对铸坯时的距离缩短，由 5 cm 缩 短到了 2 cm 左右． 取裂纹的横断面，进行铣磨后用硝酸酒精侵蚀， 就可以得到裂纹四周的金相组织形貌． 其结果如图5 图 4 裂纹宏观形貌 Fig． 4 Crack morphology 所示． 从图 5 中可以看出，裂纹周围部分区域有轻 微的脱碳现象发生，脱碳层厚度小于 50 μm． 这是由 于孔的直径较小，在加热炉内发生脱碳的反应时间 有限． 所以，在轧制延伸变形时，圆钢裂纹横截面的 脱碳现象不是很明显． 图 5 裂纹四周的金相组织 Fig． 5 Metallograph around cracks 2. 2 裂纹深度与钻孔尺寸的关系 每种相同尺寸的孔在铸坯上钻取三个( 其分布 如图 2 所示) ，对应到圆钢上形成三条裂纹． 直径为 1 mm，深度为 2 mm 的孔由于太小被烧损，没有形成 裂纹，其深度和长度都定为 0 mm． 裂纹深度与钻孔 直径和深度的关系如图 6 和图 7 所示． 由于取样失 误，部分裂纹的深度没有测量到，但仍然可以表征裂 纹的主要特征． 以图 6 为例，孔深为 2. 0 和 4. 0 mm 对应的相同孔径的三个裂纹数据则相对完整，而孔 深为 6. 0 mm 的裂纹只测到一组数据． 从图 6 可以 看出，裂纹深度与钻孔直径的关系不明确． 即使钻 孔直径为 1. 0 mm，仍可导致深度为 1. 5 mm 左右的 裂纹． 而对于直径为 2. 5 mm 的孔，也会产生深度只 有 0. 6 mm 的裂纹． 图 6 裂纹深度与钻孔内径的关系 Fig． 6 Ｒelationship between crack depth and drilling diameter 从图 7 中可以看出，钻孔深度对裂纹深度的影 响较为明显． 钻孔深度为 2 mm 时，对应的裂纹深度 绝大多数小于 1 mm; 当钻孔深度超过 4 mm 时，裂纹 深度增加明显，最大超过了 2 mm． 为了更加清楚钻 孔深度对裂纹深度的影响，计算得到了平均裂纹深 ·12·

增刊1 茅晓慧等：铸坯表面孔类缺陷轧制过程中演变规律 ·13· 2500F 在20号钢的连铸和轧制过程中，铸坯气孔的当 ■。▲孔径1.0mm ◆4孔径15mm 量直径绝大多数小于2mm,孔的长度一般不会超过 20P P● 孔径2.0mm票 孔径2.5mm4 女 5mm.直径为2.5mm,孔深6.0mm的气孔己属很大 1500 ★ 尺寸的气孔，而其对应的最大裂纹长度为7.7cm. 这说明铸坯孔类缺陷在轧制过程中形成的裂纹长度 A 主要分布在几厘米的数量级，这是区别于轧制划伤 500 和耳子等形成的圆钢裂纹的明显标志.另外，对于 有密集气孔的铸坯，则会在圆钢上呈现出多条间断 4 钻孔深度mm 的呈簇状分布的短裂纹 图7裂纹深度与钻孔深度的关系 8 ·。孔深2.0mm Fig.7 Relationship between crack depth and drilling depth 7 。◆。f孔深4.0mm 6 。4★孔深6.0mm : 度与钻孔深度的关系，其结果如图8所示.从图8 中可以看出，平均裂纹深度随钻孔深度变化明显 94 年 深度为2mm的钻孔在加热炉内被氧化，最终导致的 裂纹深度较浅，最深的不到0.9mm;而当钻孔深度 增加到4和6mm后，平均裂纹深度增加明显，达到 0 了将近2mm,这属于较严重的裂纹，如若再进行穿 1.0 15 2.0 2.5 管一定会形成钢管的表面外折叠.因此，结合实际 钻孔内径/mm 生产，气孔深度（或皮下气孔/渣孔的垂直于铸坯表 图9裂纹长度与钻孔直径的关系 面的长度)对圆钢裂纹深度的影响明显，当深度超 Fig.9 Relationship between crack length and drilling diameter 过4mm时，会产生深度明显的圆钢裂纹 2500F 。-孔深2.0mm 。-孔径1.0mm ·-孔深4.0mm ·孔径15mm 2000 孔径2.0mm 三6 -孔深60mm -孔径2.5mm 2 500 1.0 1.5 2.0 2.5 钻孔深度/mm 钴孔直径mm 图8平均裂纹深度与钻孔深度的关系 图10平均裂纹长度与钻孔直径的关系 Fig.8 Relationship between mean crack depth and drilling depth Fig.10 Relationship between mean crack length and drilling diame- ter 2.3裂纹长度与钻孔尺寸的关系 根据轧制过程中的变形特点，裂纹的长度应主 3结论 要受钻孔直径影响，而与裂纹深度关系较小.图9 和图10分别为测量的裂纹长度和计算的平均裂纹 (1)钻孔实验结果表明：铸坯表面孔类缺陷在 长度与钻孔直径的对应关系.由两图对比可以看 轧制圆钢过程中会形成直线型裂纹；相同尺寸的钻 出，裂纹长度随钻孔直径的增加而增加，长度整体分 孔在轧制过程中形成的裂纹呈平行线分布：裂纹四 布在1~8cm.当钻孔直径为1.0mm时，最大裂纹 周有轻微的脱碳现象. 长度超过3cm;当钻孔直径增加到1.5和2.0mm (2)圆钢裂纹的深度受钻孔深度影响明显，而 时，平均裂纹长度分布在3~4cm,相对钻孔1.0mm 与钻孔直径关系不大.当钻孔深度超过4mm时，会 时的裂纹长度增加不明显：而当钻孔直径增加到 产生深度明显的圆钢裂纹：对于细小的气孔，会在加 2.5mm后，裂纹长度增加明显，平均裂纹长度在6 热炉内被氧化消除 cm左右，最大裂纹长度为7.7cm. (3)圆钢裂纹长度受钻孔直径影响较大，随钻

增刊 1 茅晓慧等: 铸坯表面孔类缺陷轧制过程中演变规律 图 7 裂纹深度与钻孔深度的关系 Fig． 7 Ｒelationship between crack depth and drilling depth 度与钻孔深度的关系，其结果如图 8 所示． 从图 8 中可以看出，平均裂纹深度随钻孔深度变化明显． 深度为 2 mm 的钻孔在加热炉内被氧化，最终导致的 裂纹深度较浅，最深的不到 0. 9 mm; 而当钻孔深度 增加到 4 和 6 mm 后，平均裂纹深度增加明显，达到 了将近 2 mm，这属于较严重的裂纹，如若再进行穿 管一定会形成钢管的表面外折叠． 因此，结合实际 生产，气孔深度( 或皮下气孔/渣孔的垂直于铸坯表 面的长度) 对圆钢裂纹深度的影响明显，当深度超 过 4 mm 时，会产生深度明显的圆钢裂纹． 图 8 平均裂纹深度与钻孔深度的关系 Fig． 8 Ｒelationship between mean crack depth and drilling depth 2. 3 裂纹长度与钻孔尺寸的关系 根据轧制过程中的变形特点，裂纹的长度应主 要受钻孔直径影响，而与裂纹深度关系较小． 图 9 和图 10 分别为测量的裂纹长度和计算的平均裂纹 长度与钻孔直径的对应关系． 由两图对比可以看 出，裂纹长度随钻孔直径的增加而增加，长度整体分 布在 1 ～ 8 cm． 当钻孔直径为 1. 0 mm 时，最大裂纹 长度超过 3 cm; 当钻孔直径增加到 1. 5 和 2. 0 mm 时，平均裂纹长度分布在 3 ～ 4 cm，相对钻孔 1. 0 mm 时的裂纹长度增加不明显; 而当钻孔直径增加到 2. 5 mm 后，裂纹长度增加明显，平均裂纹长度在 6 cm 左右，最大裂纹长度为 7. 7 cm． 在 20 号钢的连铸和轧制过程中，铸坯气孔的当 量直径绝大多数小于 2 mm，孔的长度一般不会超过 5 mm． 直径为2. 5 mm，孔深6. 0 mm 的气孔已属很大 尺寸的气孔，而其对应的最大裂纹长度为 7. 7 cm． 这说明铸坯孔类缺陷在轧制过程中形成的裂纹长度 主要分布在几厘米的数量级，这是区别于轧制划伤 和耳子等形成的圆钢裂纹的明显标志． 另外，对于 有密集气孔的铸坯，则会在圆钢上呈现出多条间断 的呈簇状分布的短裂纹． 图 9 裂纹长度与钻孔直径的关系 Fig． 9 Ｒelationship between crack length and drilling diameter 图 10 平均裂纹长度与钻孔直径的关系 Fig． 10 Ｒelationship between mean crack length and drilling diame￾ter 3 结论 ( 1) 钻孔实验结果表明: 铸坯表面孔类缺陷在 轧制圆钢过程中会形成直线型裂纹; 相同尺寸的钻 孔在轧制过程中形成的裂纹呈平行线分布; 裂纹四 周有轻微的脱碳现象． ( 2) 圆钢裂纹的深度受钻孔深度影响明显，而 与钻孔直径关系不大． 当钻孔深度超过 4 mm 时，会 产生深度明显的圆钢裂纹; 对于细小的气孔，会在加 热炉内被氧化消除． ( 3) 圆钢裂纹长度受钻孔直径影响较大，随钻 ·13·

·14· 北京科技大学学报 第36卷 孔直径的增加而增加.对于铸坯上孔径在1.0~2.5 defects of steel plate.Res fron Steel,1995(4):29 mm的孔，形成的圆钢裂纹长度主要分布在2~8cm (张锦云，殷碧群.中厚钢板表面缺陷形成原因分析.钢铁研 究，1995(4)：29) 之间. [6]Tanaka M,Ono S,Tsuneno M.Factors contributing to crushing of voids during forging.J Jpn Soc Technol Plast,1986,27 (306): 参考文献 852 1]Chen JX.Manual of Continuous Casting.Beijing:Metallurgical 7]Sychkov A B,Zhigarev M A,Perchatkin A V,et al.The transfor- Industry Press,1991 mation of defects in continuous-cast semifinished products into sur- (陈家祥.连续铸钢手册.北京：治金工业出版社，1991) face defects on rolled products.Metallurgist,2006,50(1/2):83 Thomas BG,Jenkins MS,Mahapatra R B.Investigation of strand [8]Yu H L,Liu X H,Bi H Y,et al.Deformation behavior of inclu- surface defects using mould instrumentation and modelling.fron- sions in stainless steel strips during multi-pass cold rolling./Ma- making steelmaking,2004,31 (6):485 ter Process Technol,2009,209(1):455 B]Miyake T,Morishita M,Nakata H,et al.Influence of sulphur Wang A,Thomson P F,Hodgson P D.A Study of pore closure content and molten steel flow on entrapment of bubbles to solid/ and welding in hot rolling process.I Mater Process Technol,1996, liquid interface.ISIJ Int,2006,46(12):1817 60(1):95 4]Li JP,Ma J,Zhang YY.Cause and prevention measures of skin [10]Zhang XX,Cui Z S.Theoretical study of void closure in nonlin- blowhole in welding gas eylinder steel HP295.Chin Metall,2006, ear plastic materials.Appl Math Mech Engl Ed,2009,30(5): 16(10):20 631 (李积鹏，马杰，张有余.HP295焊瓶钢铸坯皮下气泡的成因分 [11]Son I H,Lee J D,Choi S,et al.Deformation behavior of the 析及防止措施.中国治金，2006,16(10)：20) surface defects of low carbon steel in wire rod rolling.J Mater [5]Zhang J Y,Yin B Q.Analysis on causes for formation of surface Process Technol,2008,201(13):91

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 孔直径的增加而增加． 对于铸坯上孔径在 1. 0 ～ 2. 5 mm 的孔，形成的圆钢裂纹长度主要分布在 2 ～ 8 cm 之间． 参 考 文 献 ［1］ Chen J X． Manual of Continuous Casting． Beijing: Metallurgical Industry Press，1991 ( 陈家祥． 连续铸钢手册． 北京: 冶金工业出版社，1991) ［2］ Thomas B G，Jenkins M S，Mahapatra Ｒ B． Investigation of strand surface defects using mould instrumentation and modelling． Iron￾making steelmaking，2004，31( 6) : 485 ［3］ Miyake T，Morishita M，Nakata H，et al． Influence of sulphur content and molten steel flow on entrapment of bubbles to solid / liquid interface． ISIJ Int，2006，46( 12) : 1817 ［4］ Li J P，Ma J，Zhang Y Y． Cause and prevention measures of skin blowhole in welding gas cylinder steel HP295． Chin Metall，2006， 16( 10) : 20 ( 李积鹏，马杰，张有余． HP295 焊瓶钢铸坯皮下气泡的成因分 析及防止措施． 中国冶金，2006，16( 10) : 20) ［5］ Zhang J Y，Yin B Q． Analysis on causes for formation of surface defects of steel plate． Ｒes Iron Steel，1995( 4) : 29 ( 张锦云，殷碧群． 中厚钢板表面缺陷形成原因分析． 钢铁研 究，1995( 4) : 29) ［6］ Tanaka M，Ono S，Tsuneno M． Factors contributing to crushing of voids during forging． J Jpn Soc Technol Plast，1986，27( 306) : 852 ［7］ Sychkov A B，Zhigarev M A，Perchatkin A V，et al． The transfor￾mation of defects in continuous-cast semifinished products into sur￾face defects on rolled products． Metallurgist，2006，50( 1 /2) : 83 ［8］ Yu H L，Liu X H，Bi H Y，et al． Deformation behavior of inclu￾sions in stainless steel strips during multi-pass cold rolling． J Ma￾ter Process Technol，2009，209( 1) : 455 ［9］ Wang A，Thomson P F，Hodgson P D． A Study of pore closure and welding in hot rolling process． J Mater Process Technol，1996， 60( 1) : 95 ［10］ Zhang X X，Cui Z S． Theoretical study of void closure in nonlin￾ear plastic materials． Appl Math Mech Engl Ed，2009，30( 5) : 631 ［11］ Son I H，Lee J D，Choi S，et al． Deformation behavior of the surface defects of low carbon steel in wire rod rolling． J Mater Process Technol，2008，201( 1-3) : 91 ·14·