SPHC板卷表面缺陷來源示蹤研究

高曉杰 李京社 楊樹峰 劉成松

(北京科技大學)

0 引言

SPHC低碳低硅鋁鎮靜鋼是國內鋼企生產熱軋卷板、卷帶的重要鋼種，由于其具有較強的延伸性和冷加工性能，應用較為廣泛，市場需求較大［1-3］。國內某鋼鐵企業在生產SPHC熱軋卷板時表面時常出現夾渣缺陷，極大地影響了產品精度及內外質量，導致生產成本提高，經濟效益受損。為解決該廠SPHC熱軋卷板的表面質量問題，通過示蹤實驗［4-5］追蹤板卷表面缺陷的來源，有針對性的提出相應工藝改進措施，尋求從根本控制SPHC熱軋卷板表面質量的解決方法。

1 實驗研究方法

1.1 工藝路線

該廠生產SPHC熱軋卷板的工藝路線為：高爐鐵水→鐵水預處理→150 t BOF→150 t LF→CC→均熱爐→連軋機組→層冷→卷取機。通過此生產流程生產得到的熱軋板卷部分產品表面存在夾渣類缺陷，對產品表面質量影響較大(如圖1所示)。

圖1 SPHC熱軋卷板表面典型缺陷

1.2 試驗方法和取樣

本試驗在精煉進站造渣時向鋼包內加入渣量8%的BaCO3，中間包覆蓋劑中配入覆蓋劑量6%的SrO，中間包涂料中配入5%的La2O3，結晶器保護渣則采用傳統的Na2O、K2O元素作為示蹤元素。

研究選取某一澆次穩定后的其中三爐次進行示蹤劑試驗，分別在LF進站、LF鈣處理前、LF鈣處理后、LF出站、中間包正常澆、中間包混澆、鑄坯以及熱軋等不同工位進行了系統取樣。

2 試驗結果與分析

2.1 渣中示蹤元素分析

對試驗爐次的渣成分進行了系統取樣分析，其中的示蹤元素含量見表1。

表1 試驗鋼SPHC各工序渣中示蹤元素含量分布

由表1可以看出，隨著冶煉的進行，LF渣中的BaO含量逐漸下降，且在中間包內檢測到一定的BaO，說明鋼包向中間包澆鑄過程中存在下渣行為;在中間包覆蓋劑中檢測到SrO和微量的La2O3，說明中間包內存在一定的卷渣行為且包壁有輕微的侵蝕。同時可以根據上表來大致確定卷渣產生的缺陷內的示蹤元素的含量，即 Ba≥3%，Sr≥3%，La≥2%(包壁出現侵蝕)。

為追蹤中間包內的下渣情況，在示蹤劑試驗的第一爐次正常澆鑄時，每5 min取一次渣樣，并檢測Ba元素的含量(F-N-1至F-N-6)，并結合其他爐次渣中Ba元素的含量，準確定位鋼包內下渣到中間包內的時間點，結果如圖2所示(圖中：F為第一爐次，S為第二爐次，N為正常澆，M為混澆)。

圖2 示蹤劑Ba元素追蹤中包下渣情況

由圖2可以看出，單一爐次正常澆鑄時，Ba元素含量較為穩定呈平緩的上升趨勢，兩爐混澆時，渣中Ba元素大幅度上升，且在第二爐次混澆時也同樣存在這種現象，因此可以確定在換爐混澆時會出現下渣現象，而單一爐次澆鑄時則沒有下渣現象。

2.2 顯微夾雜分析

通過對各工位所取的金相樣進行SEM-EDS分析，統計所有顯微夾雜物的粒徑＜20 um，多為脫氧產生的內生夾雜，但有文獻提出［6］夾雜物內的Al2O3含量≥70%時，容易聚集長大形成大型夾雜物，不上浮去除的話會影響產品表面質量，因此重點通過顯微夾雜的成分關注此鋼種的脫氧制度和鈣處理效果。

圖3 LF鈣處理后夾雜物形貌及成分變化

由圖3可以看出，LF鈣處理后顯微夾雜物中仍存在高含量Al2O3的夾雜物，到LF出站時仍有部分夾雜中Al2O3超過70%，而在中間包正常澆和混澆中同樣存在變性不完全和高含量Al2O3的夾雜物。這些高含量的Al2O3很可能在后續工序聚集形成大型夾雜物，從而影響產品表面質量。

示蹤試驗主要追蹤板卷表面的夾渣來源，對大型夾雜物進行示蹤研究，而對顯微夾雜物內的示蹤元素并未做統計分析。而LF精煉過程中鈣處理不合格可能會使顯微夾雜聚集而形成大型夾雜物，因此只對顯微夾雜物中的Al2O3含量和夾雜物成分變化做了分析。

2.3 大型夾雜物示蹤元素分析

2.3.1 各工序大樣電解的大型夾雜物

根據渣中示蹤元素的含量，對各工序大樣電解得到的大型夾雜物中示蹤元素的含量進行了統計分析(如圖4所示)。根據渣中Ba元素的含量，試驗各工序含Ba大型夾雜物進行統計時，對Ba元素含量進行了限制(Ba≥3%)，排除示蹤元素在鋼水中的擴散作用對示蹤試驗的干擾。

圖4 示蹤試驗Ba元素系統統計

由圖4可以看出，在第一爐次LF精煉過程中存在較為嚴重的卷渣現象，且在第二爐和第三爐次內也存在明顯的卷渣，但程度較為輕微，分析原因可能第一爐次的操作存在一定問題而引起嚴重的卷渣;到中間包時，由LF卷渣進入鋼水中的大型夾雜物明顯減少，只在第一爐次和第三爐次正常澆檢測到含Ba的大型夾雜物;到鑄坯時，卻只在第二爐次內檢測到含Ba的大型夾雜物，可見用吊桶取樣較少且具有隨機性。因此，LF卷渣形成的大型夾雜物最終會有少部分進入到鑄坯內，很可能會引起產品表面缺陷。

同樣統計時，對大型夾雜物中的La和Sr元素進行了分析，選取La≥2%、Sr≥3%。由于統計中含La和Sr元素的大型夾雜物較少，進行了三個爐次的整體統計(未分爐次統計)，如圖5所示。

圖5 示蹤試驗La和Sr示蹤元素系統統計

由圖5可以看出，在中間包內發現示蹤元素La和Ba，說明存在輕微的卷渣和內襯侵蝕，而在鑄坯內僅發現含La的大型夾雜物，說明中包內襯侵蝕可能會使產品表面產生夾渣，但并不能說明中包卷渣不會對產品產生影響。

同時為研究結晶器內保護渣的卷渣情況，對鑄坯內得到的大型夾雜物Na元素進行了統計分析，發現Na含量＞10%的大型夾雜物(其中結晶器保護渣中的Na含量≥12%)，其所占統計的百分比為4.76%，其余的大型夾雜物部分含有微量的Na元素，對這部分并未做統計。由此可知，結晶器保護渣存在明顯的卷渣行為，且部分會最終留到鑄坯中，可能會對產品的表面質量產生影響。

2.3.2 產品缺陷樣中的大型夾雜物

示蹤試驗最終得到24塊缺陷樣，通過SEMEDS對每個缺陷樣的夾渣處進行了隨機大量打點分析，共獲得979張能譜圖，對這些能譜進行了篩選，選取Fe＜45%，且明顯含有Al、Mg、Ca等夾渣成分元素，最終得到有效能譜466張，對這些能譜中的示蹤元素進行了統計分析，結果如圖6所示。

圖6 缺陷樣中示蹤元素統計

由圖6可以看出，示蹤試驗所能確定的最大的夾渣來源為結晶器保護渣，其中共有14個缺陷樣打出Na或K元素(K元素很少，幾乎沒有)，其次為中間包覆蓋劑，共有6個缺陷樣打出Sr元素，而含Ba和La元素的缺陷樣很少，均為3個缺陷樣。

對24塊缺陷樣的主要成分進行了分析，主要可以分為兩類：A類為 Al2O3-CaO，B類為 SiO2-CaO，其中A類的Al2O3含量較高，B類的Al2O3含量低，且普遍含有Na元素。將B類的主要成分與結晶器保護渣的成分進行了對照，如圖7所示。

圖7 B類缺陷樣主要成分和結晶器保護渣主要成分比較

由圖7可以看出，各個缺陷樣與結晶器保護渣的主要成分較為接近，再次驗證了結晶器保護渣為夾渣的主要來源。

A類缺陷樣Al2O3含量普遍較高，除去卷渣引起的缺陷外，部分可能為鈣處理不合格導致脫氧產物聚集形成大型夾雜物而引起的表面缺陷。

3 結論

1)通過對中間包內渣成分每5 min進行一次取樣分析可知，在鋼包換爐混澆時出現明顯的下渣行為;

2)對鈣處理后的顯微夾雜成分分析可知，鈣處理后仍存在部分高含量Al2O3的夾雜物，說明鈣處理的效果不理想，且這些夾雜物可能會聚集在后續工序形成大型夾雜物;

3)通過示蹤劑實驗可知，結晶器保護渣為熱軋板卷表面缺陷的主要來源，其次為中間包覆蓋劑，LF精煉渣卷入和中包內襯侵蝕對表面缺陷的影響較小。

［1］ 馬曉芬，周四明，吳顯輝，等.低碳低硅SPHC鋼優化精煉工藝的生產實踐［J］.煉鋼，2013，29(1)：7-10.

［2］ 徐濤，孫彥輝，許中波，等.SPHC鋼LF精煉過程鋼水增硅分析［J］.鋼鐵，2009，44(6)：28-31.

［3］ Guo J，Cheng Z J，Cheng S S，et al.Thermodynamic Analysis of Desulfurization and Its Connection with Deoxidation and Temperature for SPHC in JISC during LF Refining Process［J］.Journal of Iron and Steel Research(International)，2011，51(S2)：135-139.

［4］ F.Fuhr，G.Torga，F.Medina，et al.Application of Slag Tracers to Investigate Source of Non-metallic Inclusions［J］.Ironmaking and Steelmaking，2007，34(6)：463-470.

［5］ T.H.English，D.J.Dyson，K.D.Walker，et al.Use of Rare Earth Tracers in Determination of Inclusions Sources and Origins at British Steel，Scunthorpe Works.Ironmaking and Steelmaking，1993，20(2)：97-103.

［6］ 蔡開科.連鑄坯質量控制［M］，北京：冶金工業出版社，2010：71-78.