中厚板边部折叠模拟实验及机理研究

工程科学学报，第37卷，第12期：1630-1636,2015年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.12:1630-1636,December 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.12.015;http://journals..ustb.edu.cn 中厚板边部折叠模拟实验及机理研究 马忠伟12四，张慧》，胡鹏2，赵沛》，宋波” 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京100081 ☒通信作者，E-mail:shiliushuma@126.com 摘要通过对中厚板边部折叠试样的检测分析，对其产生机理和影响因素进行研究.结果显示，中厚板边部折叠现象是板 材横轧宽展过程中侧面材料在轧制中受轧辊作用而翻转到板材表面的结果.折叠缺陷处所观察到的微观组织结构，是轧制 前板材表面在高温下形成的氧化铁及脱碳层形成的.建立了轧制有限元数值模型，证实折叠缺陷是在轧制过程中由侧面的 折叠翻转所造成的.通过实验室实验，得到铸坯边部质量、轧制制度、宽展道次及轧制压下量对中厚板折叠缺陷的影响.实验 结果表明横轧宽展导致折叠缺陷的出现，铸坯边部质量对其没有影响，轧制过程中铸坯侧边的折叠经翻平形成表面折叠缺 陷，随着横轧展宽的道次及压下量增加，折叠缺陷距边部距离变大. 关键词板材：轧制：边部折叠：形成机理：模拟实验 分类号TG335.5 Simulation experiments and mechanism of medium plate edge folding MA Zhong-ce,ZHANG Hui,HU Peng,ZHAO Pei,SONG Bo 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)National Engineering Research Center of Continuous Casting Technology,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China Corresponding author,E-mail:shiliushuma@126.com ABSTRACT The formation mechanism and influencing factors of fold defects at the medium plate edge were studied by detecting and analyzing edge folding samples.It is found that the plate edge folding phenomenon results from the transformation of slab lateral side to plate surface during the broadside rolling process.The microstructure observed at the fold defects is composed of iron oxide and a de- carburization layer formed at high temperature in the plate surface before rolling.Finite element numerical simulation of the rolling process confirms that the folding defects are mainly caused by the transformation of lateral side.The influences of slab defects,rolling procedures,broadening passes and reduction on the plate fold defects were obtained by rolling experiments.Experimental results show that rolling spread leads to the fold edge defects,which do not depend on the quality of the slab.In the process of rolling,the folding of lateral side transfers to the plate surface and changes to be edge seam defects.The distance of folding to the edge increases with the increment of broadside rolling passes and reduction. KEY WORDS steel plates:rolling;edge folding;formation mechanisms:simulation experiments 中厚板因其广泛应用于众多领域，如建筑结构、工 陷可，严重影响后续加工使用，因此实际生产中对中厚 程机械、海洋平台和石油化工，而成为整个钢铁生 板边部折叠缺陷的处理主要通过大切边和表面修磨完 产水平的重要标志.然而，中厚板生产过程中经常会 成.这种缺陷使得中厚板产品质量下降，生产效率降 出现边部折叠缺陷，即从加热炉出来的铸坯进行热轧 低，成本效益受损日.因此，研究中厚板折叠缺陷对指 后，会在钢板表面靠近边部处形成一条或多条直线状 导实际生产具有重要意义. 缺陷，成为热轧微合金化钢板中常见的表面质量缺 对于热轧中厚板边部折叠的形成机理较多，如非 收稿日期：201508-13

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期: 1630--1636，2015 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 12: 1630--1636，December 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 12． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 中厚板边部折叠模拟实验及机理研究 马忠伟1，2) ，张 慧2) ，胡 鹏2) ，赵 沛2) ，宋 波1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京 100081  通信作者，E-mail: shiliushuma@ 126． com 摘 要 通过对中厚板边部折叠试样的检测分析，对其产生机理和影响因素进行研究． 结果显示，中厚板边部折叠现象是板 材横轧宽展过程中侧面材料在轧制中受轧辊作用而翻转到板材表面的结果． 折叠缺陷处所观察到的微观组织结构，是轧制 前板材表面在高温下形成的氧化铁及脱碳层形成的． 建立了轧制有限元数值模型，证实折叠缺陷是在轧制过程中由侧面的 折叠翻转所造成的． 通过实验室实验，得到铸坯边部质量、轧制制度、宽展道次及轧制压下量对中厚板折叠缺陷的影响． 实验 结果表明横轧宽展导致折叠缺陷的出现，铸坯边部质量对其没有影响，轧制过程中铸坯侧边的折叠经翻平形成表面折叠缺 陷，随着横轧展宽的道次及压下量增加，折叠缺陷距边部距离变大． 关键词 板材; 轧制; 边部折叠; 形成机理; 模拟实验 分类号 TG335. 5 Simulation experiments and mechanism of medium plate edge folding MA Zhong-wei1，2)  ，ZHANG Hui2) ，HU Peng2) ，ZHAO Pei2) ，SONG Bo1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) National Engineering Ｒesearch Center of Continuous Casting Technology，Central Iron and Steel Ｒesearch Institute，Beijing 100081，China  Corresponding author，E-mail: shiliushuma@ 126． com ABSTＲACT The formation mechanism and influencing factors of fold defects at the medium plate edge were studied by detecting and analyzing edge folding samples． It is found that the plate edge folding phenomenon results from the transformation of slab lateral side to plate surface during the broadside rolling process． The microstructure observed at the fold defects is composed of iron oxide and a de￾carburization layer formed at high temperature in the plate surface before rolling． Finite element numerical simulation of the rolling process confirms that the folding defects are mainly caused by the transformation of lateral side． The influences of slab defects，rolling procedures，broadening passes and reduction on the plate fold defects were obtained by rolling experiments． Experimental results show that rolling spread leads to the fold edge defects，which do not depend on the quality of the slab． In the process of rolling，the folding of lateral side transfers to the plate surface and changes to be edge seam defects． The distance of folding to the edge increases with the increment of broadside rolling passes and reduction． KEY WOＲDS steel plates; rolling; edge folding; formation mechanisms; simulation experiments 收稿日期: 2015--08--13 中厚板因其广泛应用于众多领域，如建筑结构、工 程机械、海洋平台和石油化工［1--2］，而成为整个钢铁生 产水平的重要标志． 然而，中厚板生产过程中经常会 出现边部折叠缺陷，即从加热炉出来的铸坯进行热轧 后，会在钢板表面靠近边部处形成一条或多条直线状 缺陷，成为热轧微合金化钢板中常见的表面质量缺 陷［3］，严重影响后续加工使用，因此实际生产中对中厚 板边部折叠缺陷的处理主要通过大切边和表面修磨完 成． 这种缺陷使得中厚板产品质量下降，生产效率降 低，成本效益受损［4］． 因此，研究中厚板折叠缺陷对指 导实际生产具有重要意义． 对于热轧中厚板边部折叠的形成机理较多，如非

马忠伟等：中厚板边部折叠模拟实验及机理研究 ·1631· 均匀双鼓回、金属夹杂物作用因、微裂纹氧化扩展切 高温脆性区断裂网，表面或皮下纵裂纹遗传扩展回，这 些折叠缺陷机理研究都直接或间接与铸坯边部缺陷相 关，而少有考虑轧制中侧边折叠翻转对表层缺陷的作 用.本文先基于对现场板材边部折叠曲线的宏观和微 观组织结构检测，分析得到折叠缺陷形成机制，随后借 助有限元仿真模拟，对中厚板轧制边部折叠的形成机 制进行研究，最后通过有实验室实验验证中厚板边部 折叠形成过程及其影响因素. 1实验材料与方法 图1热轧试验机 Fig.1 Hot rolling machine 实验材料选用典型的Q345B微合金化钢，成分如 表1所示.在国内某钢厂获得了工业实际生产时有边 2结果与讨论 部折叠缺陷的中厚板.为对缺陷区进行细致分析，先 对缺陷区酸洗进行宏观观察，随后再对中厚板边部缺 2.1工业生产中厚板边部折叠形貌及分析 陷区取样，经研磨、抛光和腐蚀后观察了金相组织，最 Q345B微合金化钢在实际生产中进行的轧制工艺 后对缺陷部位成分进行能谱分析. 为1道纵轧4道横轧宽展至精轧结束.图2是边部折 叠的宏观形貌.可以看出：边部折叠缺陷（图中黑色线 表1实验坯钢种成分 Table 1 Chemical composition of the slab 条所示位置)在距板材边部（板材两侧均会出现）距离 C Si Mn P S Ni Ti Al Als 约20~80mm的位置出现，边部折叠缺陷区部分深度 0.190.271.320.220.00350.01180.00390.0210.014 最小值在0.2mm左右，而缺陷最大深度达到2~3 mm;缺陷整体基本与边部平行，但在一定长度后连续 实验室模拟实际工业生产热轧过程时，轧机为 性被打断，又再次形成新的边部折叠缺陷. 中750mm×550mm高刚度二辊热轧机组，如图1所示. 为了更细致地了解边部折叠区处形貌，对图2(b) 该轧机刚度高，压下量大，可控轧制功能强，还具有组 中所出现折叠缺陷及包围它的密集灰黑色点进行分 合式控制冷却功能：此外还可对开轧温度、终轧温度、 析，对缺陷区多处金相组织进行观察，典型结果如图3 冷却速度等工艺参数进行控制，可较好地模拟工业实 所示，图中红框所示区域即对应于图2(b)中黑色线条 际轧制过程.实验室模拟实际工业生产热轧过程时所 的缺陷区.图3(a)表明，热轧结束后的中厚板，经空 用坯料，取自现场无缺陷铸坯，以保证实验室轧制材料 冷形成晶粒尺寸约18μm的铁素体和珠光体共同构成 初始状态与工业生产中坯料的材质一致，坯料保留一 的平衡组织，除去折叠区外的基体组织中，珠光体基本 边为原始边，其余边为切割边.坯料尺寸分为两种： 均匀分布.图3(b)中所示的缺陷内黑色区是裂纹，裂 200mm厚度，长宽均为200mm:250mm厚度，长宽均 纹处于基体相连附近上存有暗灰色物质，无法用金相 为300mm.在轧制实验过程中没有采用水冷，轧制后 辨别，因此对该区进行能谱检测，结果如图4所示 采用空冷.轧制实验结束后，对获得的坯料缺陷形貌 通过场发射扫描电镜实现对缺陷区形貌进一步的 进行了宏观检测. 放大分析及成分的检测，结果如图4所示.由图4十 (b) (a) 图2中厚板上表面边部折叠缺路.(a)连续型：(b)非连续型 Fig.2 Folding defects at the plate edge:(a)continuous type:(b)non-continuous type

马忠伟等: 中厚板边部折叠模拟实验及机理研究 均匀双鼓［5］、金属夹杂物作用［6］、微裂纹氧化扩展［7］、 高温脆性区断裂［8］、表面或皮下纵裂纹遗传扩展［9］，这 些折叠缺陷机理研究都直接或间接与铸坯边部缺陷相 关，而少有考虑轧制中侧边折叠翻转对表层缺陷的作 用． 本文先基于对现场板材边部折叠曲线的宏观和微 观组织结构检测，分析得到折叠缺陷形成机制，随后借 助有限元仿真模拟，对中厚板轧制边部折叠的形成机 制进行研究，最后通过有实验室实验验证中厚板边部 折叠形成过程及其影响因素． 1 实验材料与方法 实验材料选用典型的 Q345B 微合金化钢，成分如 表 1 所示． 在国内某钢厂获得了工业实际生产时有边 部折叠缺陷的中厚板． 为对缺陷区进行细致分析，先 对缺陷区酸洗进行宏观观察，随后再对中厚板边部缺 陷区取样，经研磨、抛光和腐蚀后观察了金相组织，最 后对缺陷部位成分进行能谱分析． 表 1 实验坯钢种成分 Table 1 Chemical composition of the slab C Si Mn P S Ni Ti Al Als 0. 19 0. 27 1. 32 0. 22 0. 0035 0. 0118 0. 0039 0. 021 0. 014 图 2 中厚板上表面边部折叠缺陷． ( a) 连续型; ( b) 非连续型 Fig． 2 Folding defects at the plate edge: ( a) continuous type; ( b) non-continuous type 实验室模拟实际工业生产热轧过程时，轧机为 750 mm × 550 mm 高刚度二辊热轧机组，如图 1 所示． 该轧机刚度高，压下量大，可控轧制功能强，还具有组 合式控制冷却功能; 此外还可对开轧温度、终轧温度、 冷却速度等工艺参数进行控制，可较好地模拟工业实 际轧制过程． 实验室模拟实际工业生产热轧过程时所 用坯料，取自现场无缺陷铸坯，以保证实验室轧制材料 初始状态与工业生产中坯料的材质一致，坯料保留一 边为原始边，其余边为切割边． 坯料尺寸分为两种: 200 mm 厚度，长宽均为 200 mm; 250 mm 厚度，长宽均 为 300 mm． 在轧制实验过程中没有采用水冷，轧制后 采用空冷． 轧制实验结束后，对获得的坯料缺陷形貌 进行了宏观检测． 图 1 热轧试验机 Fig． 1 Hot rolling machine 2 结果与讨论 2. 1 工业生产中厚板边部折叠形貌及分析 Q345B 微合金化钢在实际生产中进行的轧制工艺 为 1 道纵轧 4 道横轧宽展至精轧结束． 图 2 是边部折 叠的宏观形貌． 可以看出: 边部折叠缺陷( 图中黑色线 条所示位置) 在距板材边部( 板材两侧均会出现) 距离 约 20 ～ 80 mm 的位置出现，边部折叠缺陷区部分深度 最小值在 0. 2 mm 左右，而缺陷最大深度达到 2 ～ 3 mm; 缺陷整体基本与边部平行，但在一定长度后连续 性被打断，又再次形成新的边部折叠缺陷． 为了更细致地了解边部折叠区处形貌，对图 2( b) 中所出现折叠缺陷及包围它的密集灰黑色点进行分 析，对缺陷区多处金相组织进行观察，典型结果如图 3 所示，图中红框所示区域即对应于图 2( b) 中黑色线条 的缺陷区． 图 3( a) 表明，热轧结束后的中厚板，经空 冷形成晶粒尺寸约 18 μm 的铁素体和珠光体共同构成 的平衡组织，除去折叠区外的基体组织中，珠光体基本 均匀分布． 图 3( b) 中所示的缺陷内黑色区是裂纹，裂 纹处于基体相连附近上存有暗灰色物质，无法用金相 辨别，因此对该区进行能谱检测，结果如图 4 所示． 通过场发射扫描电镜实现对缺陷区形貌进一步的 放大分析及成分的检测，结果如图 4 所示． 由图 4 十 · 1361 ·

·1632 工程科学学报，第37卷，第12期 b 20 gm 图3中厚板折叠缺陷金相组织()及放大图(b) Fig.3 Microstructure of the plate folding defect (a)and enlarged view (b) 1000 (b) 0 800 Fe 600 400 Fe 200 10 pm 01234567891011 能量keV 图4中厚板折叠缺路扫描电镜照片(a)和能谱(b) Fig.4 SEM image (a)and EDS spectrum (b)of the plate folding defect 字标所示可看出，微观组织结构从距离缺陷较远处的 纵轧 横轧 基体向缺陷中心的变化，依次是基体材料→浅灰色区 90° +黑色点构成过度区域→暗灰色区→黑色裂纹缺陷 轧制方向 区.经扫描电镜形貌确认，黑色点是微小孔洞，浅灰色 区碳含量低，暗灰色物质是氧化铁，其他金属元素和非 金属元素的含量都很低，表明折叠缺陷区夹杂物含量 低，说明所分析的中厚板折叠缺陷并不是由夹杂物形 成.铸坯未轧制前整体温度较高(1100℃)，与空气直 图5热轧模型 接接触的铸坯表层在高温和富氧条件下易被氧化而形 Fig.5 Illustrate of the hot rolling process 成氧化铁，同时表层一定厚度区域材料中的碳元素在 在轧制中一般无塑性变形，在有限元中模型假设为刚 高温下也会烧损，使铸坯次表层形成一定厚度脱碳层. 体；轧件坯料在轧制中有较大塑型变形，在有限元模型 靠近折叠缺陷区不同位置的微观组织结构与未轧制前 中设为变形体，为保证计算精度并增加计算效率，与轧 铸坯表层厚度区微观组织结构表现出的相似性，说明 辊直接接触的坯料表层用小网格划分，远离表层区则 折叠缺陷可能是轧制过程中，铸坯表层逐步翻转的 用大网格划分，构建的轧制有限元模型考虑了坯料沿 结果. 中心面对称，轧制过程中坯料经受典型的热力耦合作 2.2轧制过程的有限元模型及分析 用，单元类型采用三维六面体热力耦合八节点缩减积 2.2.1轧制过程的有限元模型 分单元(C3D8RT).坯料热物性参数及应力应变曲线 通过Abaqus软件构建了轧制有限元模型，对边部 取自文献0-11].轧辊与轧件间的摩擦模型选用库 折叠起源于横轧宽展道次边角部附近形成的折叠进行 伦摩擦，摩擦系数取定值0.3，坯料轧制过程中发生的 验证.研究有限元轧制模型表层边部节点在轧制过程 塑性变形在形成塑性变形功产生热量后，会引起坯料 中翻转，最终在侧边形成折叠缺陷 形变温度的升高，本文所取热塑性转化系数为0.9，实 所构建的三维有限元轧制模型如图5所示.轧辊 际轧制过程中未采用水冷冷却轧辊与坯料接触区，辊 与坯料几何模型取自实验室轧制实验.轧辊强度高， 间传热系数为10MW·(m2K),辐射系数为0.8

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 图 3 中厚板折叠缺陷金相组织( a) 及放大图( b) Fig． 3 Microstructure of the plate folding defect ( a) and enlarged view ( b) 图 4 中厚板折叠缺陷扫描电镜照片( a) 和能谱( b) Fig． 4 SEM image ( a) and EDS spectrum ( b) of the plate folding defect 字标所示可看出，微观组织结构从距离缺陷较远处的 基体向缺陷中心的变化，依次是基体材料→浅灰色区 + 黑色点构成过度区域→暗灰色区→黑色裂纹缺陷 区． 经扫描电镜形貌确认，黑色点是微小孔洞，浅灰色 区碳含量低，暗灰色物质是氧化铁，其他金属元素和非 金属元素的含量都很低，表明折叠缺陷区夹杂物含量 低，说明所分析的中厚板折叠缺陷并不是由夹杂物形 成． 铸坯未轧制前整体温度较高( 1100 ℃ ) ，与空气直 接接触的铸坯表层在高温和富氧条件下易被氧化而形 成氧化铁，同时表层一定厚度区域材料中的碳元素在 高温下也会烧损，使铸坯次表层形成一定厚度脱碳层． 靠近折叠缺陷区不同位置的微观组织结构与未轧制前 铸坯表层厚度区微观组织结构表现出的相似性，说明 折叠缺陷可能是轧制过程中，铸坯表层逐步翻转的 结果． 2. 2 轧制过程的有限元模型及分析 2. 2. 1 轧制过程的有限元模型 通过 Abaqus 软件构建了轧制有限元模型，对边部 折叠起源于横轧宽展道次边角部附近形成的折叠进行 验证． 研究有限元轧制模型表层边部节点在轧制过程 中翻转，最终在侧边形成折叠缺陷． 所构建的三维有限元轧制模型如图 5 所示． 轧辊 与坯料几何模型取自实验室轧制实验． 轧辊强度高， 图 5 热轧模型 Fig． 5 Illustrate of the hot rolling process 在轧制中一般无塑性变形，在有限元中模型假设为刚 体; 轧件坯料在轧制中有较大塑型变形，在有限元模型 中设为变形体，为保证计算精度并增加计算效率，与轧 辊直接接触的坯料表层用小网格划分，远离表层区则 用大网格划分，构建的轧制有限元模型考虑了坯料沿 中心面对称，轧制过程中坯料经受典型的热力耦合作 用，单元类型采用三维六面体热力耦合八节点缩减积 分单元( C3D8ＲT) ． 坯料热物性参数及应力应变曲线 取自文献［10--11］． 轧辊与轧件间的摩擦模型选用库 伦摩擦，摩擦系数取定值 0. 3，坯料轧制过程中发生的 塑性变形在形成塑性变形功产生热量后，会引起坯料 形变温度的升高，本文所取热塑性转化系数为 0. 9，实 际轧制过程中未采用水冷冷却轧辊与坯料接触区，辊 间传热系数为 10 MW·( m2 ·K) － 1，辐射系数为 0. 8． · 2361 ·

马忠伟等：中厚板边部折叠模拟实验及机理研究 ·1633· 2.2.2有限元计算结果 应力为压应力和拉应力交替出现的，即相邻的两个单 第一道次纵轧的压下较小，而主要作用又仅在于 元一个受拉应力一个受压应力，相邻的两个单元所受 平整铸坯形状，形变较小，因此不分析第一道次纵轧对 应力不同是造成凹凸现象的主要原因.图中可看出在 缺陷形成的影响.铸坯经3道次横轧宽展后，在轧材 板材的表面出现折叠，在板材的边角部有凹凸现象发 的表面出现折叠缺陷并且在轧材侧面形成折叠，如图 生.对模型角部单元的位置进行跟踪，轧制前铸坯角 6(a)所示.铸坯侧面形成的折叠是由于在轧制过程中 部单元的编号8415，经轧制后缺陷处的单元编号也为 应力不同而造成的.通过等效应力在x方向的分量分 8415,表明该处缺陷由原始铸坯角部经过展宽轧制，流 布（图6(）)可看出，铸坯侧面单元在x方向上所受的 转到表面形成折叠所而造成的，如图7所示. (b) 图6宽展后铸坯侧边变形(a)及应力分布(b) Fig.6 Slab deformation (a)and stress distribution (b)after broadening 间 0 12810414 t251 254 255 256 2524250 26 50 图7轧制前(a)后(b)角部单元变形 Fig.7 Change of elements near the comer region before (a)and after (b)rolling 在轧制过程中，金属向入口侧流动容易，向出口侧 用下翻平到表面，并且形成压应变，而轧材原表面以及 流动较少，金属质点向入口侧流动形成后滑，向出口侧 轧材内部形成拉应变，在不同应变分布的作用下，角部 流动形成前滑.由于金属质点流动的不均匀性，进入 附近受到挤压向上突起.在横轧第2道次后，轧材角 变形区轧件的厚度逐渐减小，根据变形后体积不变的 部为压应变，并且在原角部靠近窄面区域也为压应变 原理，变形区内金属的质点运动速度不可能一样，进而 分布，原轧材表面以及轧材内部为拉应变分布，在此作 金属内质点所受的应力存在很大的差异 用下，第1道次形成的突起，在挤压作用下进一步向轧 图8中显示横轧宽展3道次过程中角部附近区域 材表面流转，并使得原始角部覆盖到原轧材表面形成 的等效应变x方向分量的分布.从图8(a)可看出，在 折叠，如图8(b)所示.图8(c)可看出该处的折叠缺陷 横轧第1道次后，角部以及附近的窄面在轧制力的作 完全被压入到轧材的表面，形成折叠缺陷 应变 应变 园变 图8不同道次下缺陷处的应变分布.(a)第1道次：(b)第2道次：(c)第3道次 Fig.8 Strain distribution of the defects under different passes:(a)first pass:(b)second pass:(c)third pass 2.3实验室模拟轧制结果 轧方式，生产热轧中厚板.为了探究工业生产轧制中 国内钢厂目前主要采用一次纵轧加多道(>2)横 折叠边部缺陷机制，本文通过实验室模拟轧制的方法

马忠伟等: 中厚板边部折叠模拟实验及机理研究 2. 2. 2 有限元计算结果 第一道次纵轧的压下较小，而主要作用又仅在于 平整铸坯形状，形变较小，因此不分析第一道次纵轧对 缺陷形成的影响． 铸坯经 3 道次横轧宽展后，在轧材 的表面出现折叠缺陷并且在轧材侧面形成折叠，如图 6( a) 所示． 铸坯侧面形成的折叠是由于在轧制过程中 应力不同而造成的． 通过等效应力在 x 方向的分量分 布( 图 6( b) ) 可看出，铸坯侧面单元在 x 方向上所受的 应力为压应力和拉应力交替出现的，即相邻的两个单 元一个受拉应力一个受压应力，相邻的两个单元所受 应力不同是造成凹凸现象的主要原因． 图中可看出在 板材的表面出现折叠，在板材的边角部有凹凸现象发 生． 对模型角部单元的位置进行跟踪，轧制前铸坯角 部单元的编号 8415，经轧制后缺陷处的单元编号也为 8415，表明该处缺陷由原始铸坯角部经过展宽轧制，流 转到表面形成折叠所而造成的，如图 7 所示． 图 6 宽展后铸坯侧边变形( a) 及应力分布( b) Fig． 6 Slab deformation ( a) and stress distribution ( b) after broadening 图 7 轧制前( a) 后( b) 角部单元变形 Fig． 7 Change of elements near the corner region before ( a) and after ( b) rolling 在轧制过程中，金属向入口侧流动容易，向出口侧 流动较少，金属质点向入口侧流动形成后滑，向出口侧 流动形成前滑． 由于金属质点流动的不均匀性，进入 变形区轧件的厚度逐渐减小，根据变形后体积不变的 原理，变形区内金属的质点运动速度不可能一样，进而 金属内质点所受的应力存在很大的差异． 图 8 中显示横轧宽展 3 道次过程中角部附近区域 的等效应变 x 方向分量的分布． 从图 8( a) 可看出，在 横轧第 1 道次后，角部以及附近的窄面在轧制力的作 用下翻平到表面，并且形成压应变，而轧材原表面以及 轧材内部形成拉应变，在不同应变分布的作用下，角部 附近受到挤压向上突起． 在横轧第 2 道次后，轧材角 部为压应变，并且在原角部靠近窄面区域也为压应变 分布，原轧材表面以及轧材内部为拉应变分布，在此作 用下，第 1 道次形成的突起，在挤压作用下进一步向轧 材表面流转，并使得原始角部覆盖到原轧材表面形成 折叠，如图 8( b) 所示． 图 8( c) 可看出该处的折叠缺陷 完全被压入到轧材的表面，形成折叠缺陷． 图 8 不同道次下缺陷处的应变分布． ( a) 第 1 道次; ( b) 第 2 道次; ( c) 第 3 道次 Fig． 8 Strain distribution of the defects under different passes: ( a) first pass; ( b) second pass; ( c) third pass 2. 3 实验室模拟轧制结果 国内钢厂目前主要采用一次纵轧加多道( ＞ 2) 横 轧方式，生产热轧中厚板． 为了探究工业生产轧制中 折叠边部缺陷机制，本文通过实验室模拟轧制的方法， · 3361 ·

·1634 工程科学学报，第37卷，第12期 对工艺轧制生产中可能影响折叠边缺陷的参数（如铸 都先经过1道次纵轧 坯边部质量、轧制方式、道次数和压下量)进行研究 实验中所采用的轧制方式、实验目的及实验结果 文中所用轧制工艺源于现场轧制制度，所有坯料轧前 如表2所示，表中分数为每一横轧道次的压下量 表2坯料的轧制工艺、实验目的及实验结果 Table 2 Rolling process,experiment purpose and experimental results of the slabs 坯号 轧制方式 实验目的 实验结果 1+ 1道次转向+单向横轧 原始边展宽方向轧制是 头尾裂纹 3 无转向单向纵轧 否产生边部折叠 无 3# 2道次11%展宽轧制+精轧 证明边部切割无益消除 切割边上表面裂纹 ? 2道次7%展宽轧制+精轧 边部折叠 原始边下表面裂纹 5+ 3道次15%展宽+精轧 原始边上下表面裂纹 6 3道次15%展宽（不再轧） 三道次展宽轧制，边部 展宽后侧面近角部裂纹 折叠开始道次 3道次15%展宽轧+粗轧 原始边下表面裂纹 8* 4道次15%展宽+精轧 原始边下表面裂纹 四道次展宽轧制，边部 9 4道次15%展宽（不再轧） 展宽后侧面近角部裂纹 折叠开始道次 10* 4道次15%展宽轧+粗轧结束 原始边下表面裂纹 研究表明轧制方式对板型有着重要的影响，如表 边距边7mm.这表明同道次不同压下量宽展轧制会影 2所示，1和2坯料被用于探究轧制中横轧与否对边 响边部折叠距边的距离. 部折叠缺陷影响.2实验坯料的轧制工艺为全纵轧， a 出轧厚度为60mm,观察钢板没有在边部及头尾发现 缺陷.1·实验坯料经1道次纵轧后转钢横轧宽展至精 轧结束，出轧厚度为42.4mm,轧制后在钢板头尾部出 现裂纹缺陷，如图9所示.由此可知单向纵轧铸坯不 会产生边部折叠现象，横轧展宽可能是产生边部折叠 的重要影响因素. 图103(a)和4()坯料形成的边部折叠 Fig.10 Edge folding formed in Slabs 3*(a)and 4(b) 轧制道次数也是轧制工艺参数中的重要参量.本 文研究等压下量条件下(15%)，宽展轧制道次数分别 为3和4，对折叠边缺陷影响，同时还考虑了精扎和粗 轧的影响，实验制度如表2所示.5~7坯料为3道次 15%的横向宽展轧制，结果如图11所示.5坯料宽展 后继续轧制至精轧结束，酸洗后在板材的原始边上下 表面均有边部折叠缺陷，距边l6mm:6坯料宽展后就 图9单向横轧产生的裂纹 不再轧制，酸洗后可在板材的边角部发现折叠现象：7 Fig.9 Cracks caused by one-way broadening rolling 坯料至粗轧结束，酸洗后在原始边的下表面发现边部 为验证铸坯侧边缺陷是否为边部折叠缺陷产生 折叠缺陷，距边10mm,可发现边部折叠缺陷在横轧宽 源，将原始坯料边部切除后，再进行轧制实验，编号为 展后就产生了，如果对坯料进行后续轧制，则边部折叠 3和4，实验参数如表2所示，所得结果如图10所示. 缺陷会翻平到板材的表面. 由图10知，切割原始边的坯料在一次纵轧和一次横轧 8~10坯料为4道次15%的横向宽展轧制，结果 后会出现折叠缺陷，表明铸坯的原始边和切割边都会 如图12所示.8坯料至精轧结束，酸洗后在板材的原 产生边部折叠现象.采用11%压下量宽展轧制的3*坯 始边下表面发现折叠缺陷，距边约20mm:9坯料横轧 料，形成的折叠缺陷位于切割边距边8mm;采用7%压 宽展后不再轧制，对中间坯的边部取样酸洗后可在板 下量宽展轧制的4坯料，所形成的折叠缺陷位于原始 材的角部发现折叠缺陷，已经有向表面翻平的趋势：

工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 对工艺轧制生产中可能影响折叠边缺陷的参数( 如铸 坯边部质量、轧制方式、道次数和压下量) 进行研究． 文中所用轧制工艺源于现场轧制制度，所有坯料轧前 都先经过 1 道次纵轧． 实验中所采用的轧制方式、实验目的及实验结果 如表 2 所示，表中分数为每一横轧道次的压下量． 表 2 坯料的轧制工艺、实验目的及实验结果 Table 2 Ｒolling process，experiment purpose and experimental results of the slabs 坯号 轧制方式 实验目的 实验结果 1# 1 道次转向 + 单向横轧 2# 无转向单向纵轧 原始边展宽方向轧制是 否产生边部折叠 头尾裂纹 无 3# 2 道次 11% 展宽轧制 + 精轧 4# 2 道次 7% 展宽轧制 + 精轧 证明边部切割无益消除 边部折叠 切割边上表面裂纹 原始边下表面裂纹 5# 3 道次 15% 展宽 + 精轧 6# 3 道次 15% 展宽( 不再轧) 7# 3 道次 15% 展宽轧 + 粗轧 三道次展宽轧制，边部 折叠开始道次 原始边上下表面裂纹 展宽后侧面近角部裂纹 原始边下表面裂纹 8# 4 道次 15% 展宽 + 精轧 9# 4 道次 15% 展宽( 不再轧) 10# 4 道次 15% 展宽轧 + 粗轧结束 四道次展宽轧制，边部 折叠开始道次 原始边下表面裂纹 展宽后侧面近角部裂纹 原始边下表面裂纹 研究表明轧制方式对板型有着重要的影响，如表 2 所示，1# 和 2# 坯料被用于探究轧制中横轧与否对边 部折叠缺陷影响． 2# 实验坯料的轧制工艺为全纵轧， 出轧厚度为 60 mm，观察钢板没有在边部及头尾发现 缺陷． 1# 实验坯料经 1 道次纵轧后转钢横轧宽展至精 轧结束，出轧厚度为 42. 4 mm，轧制后在钢板头尾部出 现裂纹缺陷，如图 9 所示． 由此可知单向纵轧铸坯不 会产生边部折叠现象，横轧展宽可能是产生边部折叠 的重要影响因素． 图 9 单向横轧产生的裂纹 Fig． 9 Cracks caused by one-way broadening rolling 为验证铸坯侧边缺陷是否为边部折叠缺陷产生 源，将原始坯料边部切除后，再进行轧制实验，编号为 3# 和 4# ，实验参数如表 2 所示，所得结果如图 10 所示． 由图 10 知，切割原始边的坯料在一次纵轧和一次横轧 后会出现折叠缺陷，表明铸坯的原始边和切割边都会 产生边部折叠现象． 采用 11% 压下量宽展轧制的 3# 坯 料，形成的折叠缺陷位于切割边距边 8 mm; 采用 7% 压 下量宽展轧制的 4# 坯料，所形成的折叠缺陷位于原始 边距边 7 mm． 这表明同道次不同压下量宽展轧制会影 响边部折叠距边的距离． 图 10 3# ( a) 和 4# ( b) 坯料形成的边部折叠 Fig． 10 Edge folding formed in Slabs 3# ( a) and 4# ( b) 轧制道次数也是轧制工艺参数中的重要参量． 本 文研究等压下量条件下( 15% ) ，宽展轧制道次数分别 为 3 和 4，对折叠边缺陷影响，同时还考虑了精扎和粗 轧的影响，实验制度如表 2 所示． 5# ～ 7# 坯料为 3 道次 15% 的横向宽展轧制，结果如图 11 所示． 5# 坯料宽展 后继续轧制至精轧结束，酸洗后在板材的原始边上下 表面均有边部折叠缺陷，距边 16 mm; 6# 坯料宽展后就 不再轧制，酸洗后可在板材的边角部发现折叠现象; 7# 坯料至粗轧结束，酸洗后在原始边的下表面发现边部 折叠缺陷，距边 10 mm，可发现边部折叠缺陷在横轧宽 展后就产生了，如果对坯料进行后续轧制，则边部折叠 缺陷会翻平到板材的表面． 8# ～ 10# 坯料为 4 道次 15% 的横向宽展轧制，结果 如图 12 所示． 8# 坯料至精轧结束，酸洗后在板材的原 始边下表面发现折叠缺陷，距边约 20 mm; 9# 坯料横轧 宽展后不再轧制，对中间坯的边部取样酸洗后可在板 材的角部发现折叠缺陷，已经有向表面翻平的趋势; · 4361 ·

马忠伟等：中厚板边部折叠模拟实验及机理研究 ·1635· (b) 图11坯料形成的边部折叠.(a)5:(b)6#:(c)7 Fig.11 Edge folding formed in slabs:(a)5*:(b)6*:(c)7* b (e) 图12坯料形成的边部折叠.(a)8:(b)9:()10* Fig.12 Edge folding formed in slabs:(a)8*;(b)9*;(c)10* 10坯料至粗轧结束，酸洗后在原始边下表面可看到边 42.4mm时在轧材的头尾部发现缺陷，说明轧材的缺 部折叠缺陷，距边18mm.在相同的压下量下，8*坯料 陷是由横轧所造成的.通过轧制实验中采用不同的横 宽展4道次形成的边部折叠比5坯料宽展3道次形成 轧压下量可知，在横轧宽展的过程中采用小的压下量 的折叠距边大4mm. 可以使得边部折叠距边的距离变小，如果压下量很小， 对比10块坯料在不同轧制工艺下生产的板材可 这种折叠缺陷可能不会翻平到板材的表面.在横轧展 知，横轧决定边部折叠缺陷是否出现，铸坯原始边质量 宽的过程中，铸坯的侧边会形成深浅不一的折叠，随着 不是边部折叠产生的起源.横轧宽展轧制时在坯料的 轧制的进行，铸坯的侧边会翻平到板材的表面，浅的折 侧边会形成折叠现象，随着轧制的进行这种折叠会翻 叠会被压平，而较深的折叠会出现在板材表面的边部. 平到板材的表面形成边部折叠缺陷，横向轧制宽展时 压下量与边部折叠距板材边部的距离成正比，如图13 3结论 所示，横轧展宽时压下量越大，翻平量就越大，边部折 (1)对工业生产所得中厚板折叠缺陷区的检测表 叠距边的距离就越远 明，缺陷区内大部分为铁的氧化物，缺陷区外围小区域 25 范围内为脱碳层，其中基体组织上还存在许多微小孔 口宽展后 20 口粗轧后 洞，这与铸坯边部组织形貌形似，表明表层缺陷可能是 y精轧后 轧制过程中铸坯边部折叠后再翻转到表面形成 (2)通过模拟轧制实验，研究轧制制度、坯料边部 10 及轧制参数对中厚板边部折叠缺陷的影响，结果表明 其是由轧制过程中的横向宽展轧制所造成.对铸坯边 6 9 部切边后再经横轧后仍能导致轧板表层出现缺陷，表 宽展道次-3，宽展道次=4，宽展道次-2，宽展道次=2 明铸坯边部质量对折叠缺陷影响可能较小。 0=15% 0=15% 0=11% 0=7% (3)宽展轧制在铸坯的侧边形成折叠，随着后续 宽展方式 轧制的进行翻转到板材的表面，而宽展的道次越多及 图13边部折叠距边部距离 压下量越大则边部折叠缺陷距边越远 Fig.13 Edge folded distance away from the edge (4)通过有限元软件对3道次横轧宽展轧制进行 通过实验室模拟轧制实验结果可看出，对铸坯进 有限元模拟，模拟结果表明在轧制过程中坯料边部在 行单向纵轧最终出轧厚度为60mm时轧材的边部没有 不同方向应力的作用下形成凸起，这种凸起在后续的 发现折叠缺陷，对铸坯进行单向横轧最终出轧厚度为 轧制过程中会被轧平最终形成边部折叠缺陷

马忠伟等: 中厚板边部折叠模拟实验及机理研究 图 11 坯料形成的边部折叠． ( a) 5# ; ( b) 6# ; ( c) 7# Fig． 11 Edge folding formed in slabs: ( a) 5# ; ( b) 6# ; ( c) 7# 图 12 坯料形成的边部折叠． ( a) 8# ; ( b) 9# ; ( c) 10# Fig． 12 Edge folding formed in slabs: ( a) 8# ; ( b) 9# ; ( c) 10# 10# 坯料至粗轧结束，酸洗后在原始边下表面可看到边 部折叠缺陷，距边 18 mm． 在相同的压下量下，8# 坯料 宽展 4 道次形成的边部折叠比 5# 坯料宽展 3 道次形成 的折叠距边大 4 mm． 对比 10 块坯料在不同轧制工艺下生产的板材可 知，横轧决定边部折叠缺陷是否出现，铸坯原始边质量 不是边部折叠产生的起源． 横轧宽展轧制时在坯料的 侧边会形成折叠现象，随着轧制的进行这种折叠会翻 平到板材的表面形成边部折叠缺陷，横向轧制宽展时 压下量与边部折叠距板材边部的距离成正比，如图 13 所示，横轧展宽时压下量越大，翻平量就越大，边部折 叠距边的距离就越远． 图 13 边部折叠距边部距离 Fig． 13 Edge folded distance away from the edge 通过实验室模拟轧制实验结果可看出，对铸坯进 行单向纵轧最终出轧厚度为 60 mm 时轧材的边部没有 发现折叠缺陷，对铸坯进行单向横轧最终出轧厚度为 42. 4 mm 时在轧材的头尾部发现缺陷，说明轧材的缺 陷是由横轧所造成的． 通过轧制实验中采用不同的横 轧压下量可知，在横轧宽展的过程中采用小的压下量 可以使得边部折叠距边的距离变小，如果压下量很小， 这种折叠缺陷可能不会翻平到板材的表面． 在横轧展 宽的过程中，铸坯的侧边会形成深浅不一的折叠，随着 轧制的进行，铸坯的侧边会翻平到板材的表面，浅的折 叠会被压平，而较深的折叠会出现在板材表面的边部． 3 结论 ( 1) 对工业生产所得中厚板折叠缺陷区的检测表 明，缺陷区内大部分为铁的氧化物，缺陷区外围小区域 范围内为脱碳层，其中基体组织上还存在许多微小孔 洞，这与铸坯边部组织形貌形似，表明表层缺陷可能是 轧制过程中铸坯边部折叠后再翻转到表面形成． ( 2) 通过模拟轧制实验，研究轧制制度、坯料边部 及轧制参数对中厚板边部折叠缺陷的影响，结果表明 其是由轧制过程中的横向宽展轧制所造成． 对铸坯边 部切边后再经横轧后仍能导致轧板表层出现缺陷，表 明铸坯边部质量对折叠缺陷影响可能较小． ( 3) 宽展轧制在铸坯的侧边形成折叠，随着后续 轧制的进行翻转到板材的表面，而宽展的道次越多及 压下量越大则边部折叠缺陷距边越远． ( 4) 通过有限元软件对 3 道次横轧宽展轧制进行 有限元模拟，模拟结果表明在轧制过程中坯料边部在 不同方向应力的作用下形成凸起，这种凸起在后续的 轧制过程中会被轧平最终形成边部折叠缺陷． · 5361 ·

·1636· 工程科学学报，第37卷，第12期 参考文献 [6]Powers J S.Emling W H,Tomazin C E.Refinement of casting 1]WangG D.Thick Plate Rolling Technology and Equipment in Chi- parameters for improved surface quality of cold rolled AKDQ na.Beijing:Metallurgical Industry Press,2004 sheet.fron Steelmaker,1989,11:37. 7]Moir S.Preston J.Surface defects-evolution and behavior from (王国栋。中厚板轧制技术及设备.北京：治金工业出版社， 2004) cast slab to coated strip.J Mater Process Technol,2002,125: 2]Zahumensky P,Merwin M.Evolution of artificial defects from slab 720 [8]Zhang Y F,Gu W,Tian S P.The causes and control of longitudi- to rolled products.J Mater Process Technol,2008,196(13): nal edge cracks of the plate.Steel Rolling,2012(4):16 266 B3]Peng QC.Zhao J T.Tian J,et al.Analysis of surface "black (张跃飞，郭伟，田士平.中厚板纵向边裂产生原因与控制方 line"defect in cold-rolled sheet at WISCO.China Metall,2010 法.轧钢，2012(4)：16) (1):21 [9]Zeze M,Tanaka A,Tsujino R.Formation mechanismof sliver-type (彭其春，赵金涛，田俊，等。武钢冷轧板表面“黑线”缺陷分 surface defect with oxide scale on sheet and coil.Tetsu-o- Hagane,2001,87(2）:85 析.中国治金，2010(1)：21) 4]Ko D C,Lee S H,Kim D H,et al.Design of sizing press anvil [10]Uekaji H.Mechanism of defect formation in plate rolling.CAMP- /S0,1993,6:1353 for decrease of defect in hot strip.J Mater Process Technol,2007, 187(12):738 [11]Qu LJ,Li H Q.Wang Y Q,et al.Material properties of Q345 5]Zhang H,Ni H W.Formation and control of edge cracks on medi- (16Mn )steel under loading and constant temperature.China Civ um and heavy plate.J Wuhan Univ Sci Technol Nat Sci Ed,2006, EngJ,2008,41(7):33 29(3):30 (屈立军，李焕群，王跃琴，等.国产钢结构用Q345(16M) 钢高温力学性能的恒温加载试验研究.土木工程学报，2008， (张华，倪红卫.中厚板边裂的形成与控制.武汉科技大学学 报：自然科学版，2006,29(3)：30) 41(7):33)

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