316L不锈钢冷轧板表面缺陷成因分析

针对316L不锈钢冷轧板表面出现的线状缺陷，通过对连铸坯、热轧黑卷以及冷轧板的化学成分分析、金相分析和扫描电镜及能谱检测进行分析。结果表明：产生缺陷的316L不锈钢连铸坯表面振痕较深，有凹坑，并且存在微裂纹缺陷；热轧板表面存在线状缺陷，缺陷附近存在大面积的氧化区域；冷轧板缺陷处未发现较大尺寸的夹杂物，化学成分符合要求。因此判断冷轧板线状缺陷源来自连铸坯，在加热炉加热过程中连铸坯原始凝固缺陷或修磨后过于粗糙的痕迹被严重氧化，遗传给冷轧板导致表面线状缺陷。通过连铸工艺参数的调整及连铸坯表面修磨精细化操作，有效的改善了连铸坯表面质量，大幅减少了冷轧板表面线状缺陷。

316L不锈钢是在304不锈钢基础上发展的更耐蚀的不锈钢，添加了 2%～3%Mo元素，钼元素的加入使316L不锈钢耐稀硫酸、磷酸、各种有机酸、尿素及氯化物点蚀性能大大提高，主要用于石油石化行业，广泛用于压力容器、交通运输、金属制品、机械制造、装饰、焊管等用途。316L不锈钢冷轧板表面质量要求较高，不得有划伤、粗糙、坑疤、条纹等缺陷，在出厂前必须经过严格的表面检验。

316L不锈钢冷轧板生产流程为：EAF+AOD+LF+CC+板坯修磨 +热轧 +冷轧，其 中：EAF、AOD和 LF炉容量均为180t，板坯尺寸以200×2040m为主，热轧板厚度范围为2.5～14.0mm，冷轧板厚度范围为0.3～4.0mm。在冷板表面缺陷率最高的一类为线状缺陷，常因此缺陷导致冷板表面不合，对产品质量及成材率产生较大影响。

一、检验内容

为确定316L不锈钢冷轧板表面线状缺陷成因，对不合冷轧板同线生产的连铸坯表面及皮下质量、热轧黑卷轧向横截面、冷轧板缺陷处及轧向横截面分别进行了金相分析和扫描电镜及能谱分析，同时对成品化学成分进行了分析。

二、检验结果

1.化学成分

纯或亚纯奥氏体不锈钢在凝固过程中不发生或少发生δ相变，在树枝状晶之间硫的浓度富集，使晶间结合力及可塑性极弱，在此条件下，由于固液两相区间很宽，凝固收缩率最高，在振痕波谷产生纵向微裂纹，S在晶界富集在热轧时发生微裂纹的倾向也会增加，因此要求316L不锈钢含有较低的S含量。

同时不锈钢裂纹的敏感性与铬镍当量比有明显的关系，当铬镍当量比在 1.5以上时裂纹敏感性消失，因为当铬镍当量比大于1.5时，在凝固过程中会发生相变，成长中的硫化物被切断、分割成点状硫化物，从而抑制了硫的有害性。

基于以上原因首先对表面质量判定不合的冷轧板进行成分检测，主要关注钢中S含量及铬镍当量比情况，具体成分见表1。由表1可知，316L不锈钢中 S含量控制在较低水平，Creq/Nieq＞1.5，因此首先排除钢液成分与冷轧板线状缺陷的关系。

2.连铸坯表面缺陷检验

经过检验后发现316L不锈钢连铸坯表面缺陷主要有深振痕（深度在1.5mm附近），振痕不规则紊乱，宽面边部存在渣坑等，如图 1所示。

在振痕较深及渣坑处取试样进行金相分析，发现连铸坯表面有微裂纹缺陷，如图2所示。

通过大量的取样检测分析发现，316L不锈钢连铸坯表面缺陷位置的皮下基本都存在如图2所示的微裂纹缺陷，针对此缺陷要对连铸坯表面进行修磨，在修磨时压力过重或连续局部修磨会使裂纹继续扩展。因此通过金相显微镜观察修磨后的连铸坯表面及次表面，仍然存在裂纹缺陷如图3(a)所示，并且肉眼观察连铸坯表面修磨粗糙不均匀，如图3(b)所示，平均粗糙度Ra达250μm。

3.热轧黑卷缺陷检测

进一步取未经过酸洗的热轧黑卷试样后发现表面存在线状缺陷，在缺陷横截面处进行扫描电镜观察及能谱分析，如图4所示，图中成分为(a)点的成分。

由图4可以看出，热轧黑卷表面线状缺陷沿着表面向下形成裂纹，并且裂纹周围形成了大面积的氧化区域，成分检测后发现氧化区域含有较高的Si、O元素，由此推断大面积的氧化区域是由连铸坯表面裂纹在热轧加热炉进行长时间高温加热，炉内氧化性气氛通过裂纹渗入基体与基体内的亲氧物质Si 结合，在裂纹周围形成大面积的氧化区域，经过轧制导致了热轧黑卷表面线状缺陷，而氧化区域酸洗不净便会遗传至冷轧板，导致冷轧板表面缺陷。

4.冷轧板表面缺陷检测分析

造成冷轧板表面判定不合的线状缺陷平行于轧向分布，两边部分布较密集，长约10mm，宽约 1mm，如图 5所示。对缺陷进行扫描电镜观察与成分检测，图6中（a）点用能谱仪分析化学成分，为正常基体组织下的氧化皮成分，未发现有大尺寸夹杂物，如图6所示。

冷轧板缺陷与连铸坯表面缺陷分布在位置上有对应关系，又通过对未酸洗热轧黑卷缺陷分析证明了冷轧板线状缺陷的来源是连铸坯表面微裂纹缺陷。

三、改进措施

1.连铸坯表面轻修磨操作

由于 316L不锈钢连铸坯表面的微裂纹缺陷会导致冷轧板线状缺陷的产生，通过检测发现连铸坯表面微裂纹深度一般不超过300μm，保证修磨精细化操作的前提下，采用 20#以上砂轮轻修磨便可修磨掉缺陷。修磨工艺参数的改进情况如表2所示，连铸坯表面修磨质量改进后的皮下质量如图 7(a) 所示，连铸坯表面质量如图7(b) 所示。

由图7可以看出，采用20#砂轮精细化修磨操作，316L不锈钢修磨后的连铸坯表面经粗糙度仪检测表面粗糙度Ra由250μm降低至180μm，平整光滑，无微裂纹等缺陷。

2.连铸坯质量控制

彻底消除316L不锈钢冷轧板表面线状缺陷的根本在于提高连铸坯表面质量，经过观察，实际生产的316L不锈钢连铸坯主要表面缺陷有振痕深、渣坑和微裂纹等。

振痕是结晶器振动不可避免的产物，在负滑脱期间，弯月面初生坯壳受结晶器压力和渣圈的挤压向钢液侧弯曲；在正滑脱期间，初生坯壳受钢水静压力作用又贴向铜壁，钢水溢出到凝固壳前端而形成振痕[5]。振痕波谷处往往是板坯横裂纹的发源地和渣粒、气泡的聚集地，振痕深度增加，缺陷发生几率增加。结晶器振动形式是影响振痕深度的主要因素，众所周知，采用高频率、小振幅的振动形式，在保证铸坯顺利脱模的情况下，尽量减少负滑脱时间是减轻振痕、减少振痕下表面缺陷的有效措施。

316L不锈钢凝固初期体积收缩较大，坯壳生长不均匀，在坯壳薄弱处产生局部应力集中，结晶器内渣膜传热不均造成结晶器与铸坯间润滑不良，导致连铸坯表面凹坑的产生，部分凹坑底部可能会出现裂纹。控制表面凹坑的产生应使结晶器内保持均匀的冷却，主要控制因素是保护渣渣膜的均匀传热，要求薄厚均匀的保护渣渣膜，这与保护渣的熔点、粘度、消耗量密切相关。

随着铸坯断面尺寸的增加，钢水流量增大，结晶器内流场及温度场的不均匀性增强，产生缺陷的316L不锈钢以超宽板坯为主，板坯边部渣金界面温度更易发生不均匀的现象，如果温度过低，保护渣熔化不利，容易产生铸坯表面缺陷，如结晶器内液面波动过大，会造成卷渣，因此，结晶器内最优的钢液流动状态对生产高表面质量的连铸坯起至关重要的作用，钢液流场受浸入式水口插入深度、形状、拉速等因素影响。

从以上理论出发，改进保护渣成分，强化连铸生产工艺参数，改进前后保护渣成分如表3所示，改进前后的工艺参数如表4所示。

改进连铸工艺参数后生产的 316L不锈钢连铸坯表面质量如图8所示。

改进连铸工艺参数后生产的 316L连铸坯表面振痕平稳规律，有少量深度在 0.9～1.0mm，大多数振痕深度在 0.6mm附近，很少有渣坑振痕紊乱等面缺陷。

目前，316L不锈钢连铸坯表面进行分级确认，表面质量好的 A、B级坯可进行无修磨轧制，表面质量差的 C、D级坯经过20#砂轮轻修磨操作，也可避免冷轧板线状缺陷的发生，冷轧板线状缺陷不合率由5%降至1%以下。

四、结论

1）通过对316L不锈钢连铸坯表面、热轧黑卷表面缺陷和冷轧板表面线状缺陷的形貌和能谱分析，结果表明线状缺陷来源于连铸坯。

2）连铸坯表面微裂纹经过加热炉长时间高温加热，形成大面积氧化区域，经过轧制后遗传至冷板表面，导致冷轧板表面线状缺陷。

3）连铸坯表面渣坑、微裂纹等缺陷，经过 20#砂轮的精细化修磨后，能保证冷轧板表面质量。

4）通过改进连铸生产工艺参数，316L不锈钢连铸坯表面质量大幅度提高，冷轧板表面质量也大幅度提升。