超低碳無間隙原子鋼表面卷渣夾雜控制實踐

王佳明，賈國軍，王曉飛，韋健恒

（寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波 315807）

1 前言

超低碳無間隙原子鋼（IF）利用鈦、鈮等強碳氮化合物形成元素，將超低碳鋼中的碳、氮等間隙原子完全固定為碳氮化合物，基本為單一的鐵素體組織，具有非常好的塑性變形能力，特別是較低的屈強比和非常高的塑性應變比，使得IF鋼具有優異的深沖性能，終端產品廣泛應用于汽車、家電等行業。為了實現高檔冷軋薄板國產化，近年來，國內鋼鐵企業不斷加大IF鋼板的生產和研發力度，目前IF鋼不但生產冷軋和熱軋鋼板，而且包括鍍鋅鋼板、高強度鋼板、隔音鋼板等。隨著汽車、家電行業需求的不斷提升，對IF鋼的質量要求也越來越高，特別是對表面質量的要求，而IF鋼的主要表面缺陷是由鑄坯中尤其是表層中夾雜物造成的，在軋制過程中，夾雜物會暴露延展成線性缺陷，造成冷軋表面出現亮線、暗線、結疤、翹皮等缺陷，影響產品的正常使用［1］。

2 生產工藝

2.1 產品成分

寧波鋼鐵有限公司（簡稱寧鋼）采取超低碳、超低氮、低磷、低硫設計，結合鈦元素強固碳氮作用，保證IF鋼優異的深沖性能及無時效性，化學成分如表1所示。

表1 IF鋼化學成分（質量分數） %

2.2 工藝流程

寧鋼結合自身具備的KR脫硫、頂底復吹轉爐、RH 真空精煉爐、直弧型板坯連鑄機、1 780 熱軋產線等工藝設備，形成從鐵水、煉鋼到熱軋的超低碳IF 鋼生產工藝，整個生產過程以保證產品鋼質純凈、高表面質量、高延展性為目標。

3 試驗材料與檢測方法

3.1 冷軋鍍鋅鋼帶缺陷檢測

試驗材料選自現場大生產帶缺陷的IF 鋼冷軋鍍鋅鋼帶，冷軋鍍鋅鋼帶表面出現非連續性翹皮缺陷，嚴重部位存在孔洞，主要分布于鋼帶邊部20～50 mm位置。

為便于SEM掃描電鏡儀檢測分析，將缺陷部位切成適合的尺寸試樣。為降低鍍鋅層對缺陷分析的影響，首先采用稀鹽酸對缺陷板表面進行脫鋅處理［2］，配置一定濃度的稀鹽酸。脫鋅過程要防止腐蝕過度，盡可能保留基板表面原有缺陷信息，脫鋅完畢后將試樣放入酒精溶液，超聲波清洗，吹干，利用SEM 掃描電鏡配合能譜觀察。通過掃描電鏡觀察，在缺陷帶表面發現有許多微小的孔洞分布，孔洞內部可以觀察到不同形貌的顆粒物（見圖1）。對顆粒物進行能譜分析，結果見表2，存在O、Si、Al、K、Ca等元素，符合夾雜物特征。

圖1 電鏡掃描缺陷形貌

表2 缺陷能譜分析結果 %

3.2 熱軋鋼帶缺陷檢測

通過熱軋表面檢測儀查看，出現翹皮缺陷的冷軋鋼帶同批次生產的熱軋鋼帶表面也存在非連續性的條狀缺陷。通過平整切取缺陷樣板，條狀缺陷主要分布距離帶鋼邊部20～50 mm位置，與冷軋鋼帶缺陷位置基本一致，缺陷長度100～300 mm，通過酸洗冷軋后延伸長度可達到500～1 000 mm，嚴重影響帶鋼表面質量。

同樣，將缺陷部位切成適合的尺寸試樣后通過SEM掃描電鏡儀進行檢測分析，熱軋鋼帶表面缺陷的顆粒及翹皮形貌更加明顯（見圖2）。同時通過缺陷位置面掃，存在O、Ca、Al、Si 等元素富集情況（見圖3），能譜進一步分析顆粒物，存在O、Si、Al、K、Ca、Na等元素（見表3），與冷軋鋼帶缺陷基本一致，為大尺寸夾雜缺陷導致。

圖2 電鏡掃描缺陷形貌

圖3 缺陷元素富集情況

表3 缺陷能譜分析結果 %

4 原因分析

綜合上述冷軋板及熱軋板試樣微觀組織檢測結果可得出結論：冷軋鍍鋅鋼帶表面線狀缺陷形成的根本原因是煉鋼連鑄過程中保護渣卷入鋼水所致。Na、F、Al、Si、Ca、O是保護渣典型成分，是判斷保護渣卷入的重要依據。從缺陷形成規律來看，連鑄坯卷渣部位以邊部為主，中間部位也有極少量卷渣存在。小團狀卷渣在隨后的軋制過程中不斷被拉長，且隨著厚度的減薄逐漸暴露在帶鋼表面，最終形成線狀缺陷。而對于大多數發生在帶鋼邊部20～50 mm范圍內的缺陷，說明卷渣缺陷主要發生在板坯邊角部，這與熱軋超低碳鋼卷渣缺陷表面發生規律的統計結果一致［3］。

對于連鑄過程卷渣缺陷的發生機理，諸多研究者歸結為3 個方面主要原因：一是非穩態澆注，如開澆，換水口，鋼包下渣等造成澆注過程結晶器液面波動；二是人為干預澆注，過分追求產量，提升連鑄過程拉速，或為匹配前道工序，頻繁調節拉速造成鋼流波動；三是結晶器保護渣的適用性，不同類型結晶器保護渣的黏度、熔點、熔速、鋼液之間的表面張力等性能，一方面影響對鋼液內夾雜物的吸附，另一方面影響液渣層穩定性，造成澆注過程卷渣。

5 工藝改進

通過原因分析，針對超低碳無間隙原子鋼連鑄澆注卷渣缺陷，生產過程中穩態澆注控制及結晶器保護渣優化是工藝改進的重點。

5.1 穩態澆注控制

5.1.1 恒拉速控制

針對該產品，限定常規拉速控制范圍1.1～1.3 m/min，恒拉速比例作為技術控制指標，避免高拉速的同時減少拉速頻繁波動。

5.1.2 水口插入深度控制

通過對比試驗，浸入式水口插人深度由原來120 mm 增加至150 mm，可以有效減輕上升流的強度，減輕澆注時鋼水流動對結晶器液面的干擾，同時要求水口使用過程不換渣線，避免更換過程影響結晶器液面穩定。

5.1.3 液面波動控制

通過反查卷渣缺陷發生板坯與液面波動參數相關性發現，部分發生卷渣缺陷的板坯在生產過程中其液面波動＞±5 mm，實際在6～10 mm 波動居多。而液面波動控制在±3 mm 的板坯卷渣缺陷發生率較低。針對液面穩定控制，應用連鑄結晶器液面自動控制系統，實時監測液面波動情況，要求波動幅度≥5 mm 板坯下線清理表面，檢驗合格后軋制。

5.1.4 異常澆注板坯控制

在生產過程中難免會出現異常澆注情況，如開澆、換水口、停澆等常規非穩態作業過程往往伴隨著拉速的較大波動。通過多方研究，該部分板坯的卷渣缺陷相比正常澆注板坯更嚴重［4］，同時也很難控制消除，只能通過下線表面清理才能降低缺陷比例。通過對比試驗，不同作業狀態下的板坯采用相應的清理位置和方式，可以提升清理效率和清理質量，例如針對開澆頭坯，頭部加大清理深度后板坯軋制表面質量有明顯改善，夾雜缺陷改判率由25%降低至10%以下。

5.2 結晶器保護渣優化

在結晶器內，保護渣的主要作用是防止鋼水氧化、防止液面溫降過大、吸附夾雜物以及潤滑結晶器內初生坯殼等。為降低保護渣中的碳質材進入鋼液當中，導致鑄坯碳含量升高，在超低碳無間隙原子鋼生產中對應采用超低碳鋼結晶器保護渣，其理化性能見表4。

表4 結晶器保護渣理化性能

在渣鋼界面，會有液態鋼水的液滴進入渣相或是渣相的小液滴進入鋼水，渣相進入鋼水如果不能及時浮出就極有可能成為保護渣卷入的來源，因此提高液態渣的黏度和界面張力，可以減少夾渣的出現［5］。

通過現場生產對比試驗，采用熔點和黏度較高的XB-2 型保護渣夾雜缺陷率0.95%，熔點和黏度較低的XB-1 型結晶器保護渣夾雜缺陷率2.36%，基于試驗結果超低碳無間隙原子鋼統一采用優化后的XB-2結晶器保護渣。

6 結語

（1）應用掃描電鏡分析、能譜分析手段對冷軋鍍鋅鋼帶、熱軋鋼帶表面線狀缺陷微觀組織進行了全面分析，結果表明缺陷產生的原因是連鑄坯連鑄過程保護渣卷入。

（2）通過優化拉速、適當增加浸入式水口插入深度、控制液面波動等穩態澆注措施，可有效降低卷渣缺陷發生率。

（3）通過優化結晶器保護渣理化性能，適當提高保護渣熔點、黏度，提升液態渣的表面張力，能有效減少澆注過程卷渣。

（4）超低碳無間隙原子鋼表面夾雜控制是一項系統工程，隨著鋼包下渣檢測自動控制系統、結晶器液面自動控制系統、機器人自動加渣設備等先進技術的不斷提高，為夾雜缺陷控制提供了有力支撐。