連退FD 表面缺陷控制研究

吳 倫，李 勤，孫曼華

（1.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司制造部，河北 唐山 063200；2.北京首鋼自動化信息技術有限公司，河北 唐山 063200）

隨著汽車行業的競爭日趨白熱化，汽車企業愈加重視降本增效的研究。其中免中涂工藝作為汽車企業降本工作的重要措施，得到越來越多汽車企業的認可。在推廣免中涂工藝過程中，由于汽車企業的涂漆工藝對表面缺陷的掩蓋能力較低，汽車企業對外板的表面質量提出了更加嚴苛的要求。同時，隨著汽車外形設計的復雜化，汽車外板沖壓成型難度越來越大，對汽車外板的性能、成分均勻性和隱形夾雜等缺陷也提出了更高的要求。汽車板作為某公司戰略產品，近年來得到了大力發展，市場占有率逐年提高，同時也得到了客戶認可。從目前某公司汽車外板生產過程來看，連退產品汽車外板在生產過程中卷渣、夾雜缺陷造成降級比率較高，對公司制造成本、交貨期管理產生較大影響。因此，對連退FD 表面缺陷控制研究對某公司連退汽車外板的品牌發展有著深遠意義。

1 項目背景

1—10 月，連退FD 月均煉鋼缺陷降級率為7.00%，鍍鋅FD 的該指標為3.45%，連退FD 月均缺陷率約為鍍鋅FD 的2 倍，具體降級情況如圖1 所示。

圖1 1—10 月連退、鍍鋅FD 煉鋼缺陷降級情況

2 FD 表面煉鋼缺陷分析

對連退FD 鋼卷表面煉鋼缺陷取樣，電鏡結果顯示連退FD 表面條狀缺陷主要有兩種類型，即Al2O3類夾雜物和保護渣類缺陷。

2.1 Al2O3 夾雜缺陷

冷軋卷表面可見銀白色或黑色條狀缺陷，白色居多，沿著軋制方向呈斷續分布，無手感，長度范圍很大，短的只有幾十厘米，長的可達數米，寬度約0.5～3 mm 不等，電鏡觀察位置寬度為3 mm，如下頁圖2 所示。通過電鏡對比冷軋板表面試樣正常位置與缺陷處可以看到，缺陷處具有較明顯的起皮分層現象，并且皮下及周邊含有較多的黑色點狀物質，而正常處表面較為平整，如下頁圖3 所示。下頁圖4 為缺陷典型位置在100×、250×和500×下的EDS 能譜分析結果，由能譜結果可知，缺陷處主要成分為Al2O3，其在缺陷附近離散分布。選取圖3 中缺陷處為代表，作面掃描分析，結果如下頁圖5 所示。從面掃描結果也可以清楚地看出缺陷處的主要成分為Al和O，由此也可進一步確定其為Al2O3夾雜物，且呈顆粒狀聚集分散在缺陷位置，尺寸在幾微米到十幾微米不等。Al2O3類夾雜條狀缺陷產生的主要原因有兩種，一是鋼中的簇群狀Al2O3夾雜物在鋼板軋制時破碎；二是裹挾Al2O3夾雜物的氣泡被坯殼捕捉，在軋制過程破碎[1]。

圖2 條狀缺陷宏觀照片圖

圖3 正常處與缺陷處電鏡對比

圖4 缺陷典型位置能譜分析結果

圖5 缺陷處的面掃描分析結果

2.2 保護渣缺陷

保護渣類線形缺陷在熱軋板表面可見明顯灰黑色線狀缺陷，沿著軋制方向呈連續分布，嚴重時有手感，兩面都有，長度范圍很大，短的只有幾十厘米，長的可達1 m，寬度約2～5 mm 不等，如圖6 所示。冷軋板表面可見銀白色或黑色條狀缺陷，沿著軋制方向呈斷續分布，輕微時無手感，嚴重時有手感，兩面都有，長度范圍很大，短的只有幾十厘米，長的可達數米，寬度約1～3 mm 不等。

圖6 線狀缺陷宏觀形貌

3 連退FD 煉鋼缺陷降級原因分析

3.1 連鑄過程鋼水二次氧化

煉鋼工序從液態鋼水到固態鑄坯歷經環節多，夾雜物成因復雜，盡管煉鋼、精煉環節均會導致夾雜產生，但連鑄過程的二次氧化無疑會加劇鋼水潔凈度惡化。鋼流二次氧化不僅會增加鋼中的細小氧化物夾雜的含量，造成流鋼通道堵塞，導致結晶器內流場紊亂，結晶器內自由液面波動加劇、卷渣幾率大幅上升，而且會增加鋼中大型氧化物夾雜的數量，尤其是簇狀Al2O3夾雜，會在冷軋卷表面形成線狀質量缺陷，導致產品降級[2]。

3.2 保護渣性能有待優化

對超低碳鋼保護渣性能進行測試，跟蹤超低碳鋼熱、冷軋卷表面卷渣缺陷發生情況發現，超低碳鋼保護渣存在以下問題：超低碳鋼保護渣中Na2O 含量較高，這會降低保護渣與鋼水的界面張力；超低碳鋼保護渣1 300 ℃下的黏度偏低，為0.44 Pa·s；保護渣堿度較低，渣膜在彎月面區域傳熱能力較強，促進了初生鉤狀坯殼（hook）的生長[3]。

3.3 過程指標控制有待提高

鍍鋅FD 產品訂單較為集中，便于集中組織生產，過程參數比較穩定。而連退FD 訂單比較分散，集中生產組織比較困難，與鍍鋅FD 相比，存在個別指標控制稍差的現象，具體如表1 所示。

表1 連退FD 與鍍鋅FD 過程指標對比

3.4 其他

產銷一體化系統上線后，煉鋼板坯品質判定模型參考某先進鋼廠模式。其判定模式與某公司的生產節奏和控制水平不太適應。系統上線后，發現按照原來38 條判定規則應該降級的板坯，沒有在煉鋼工序中被識別，造成部分不符合FD 訂單板坯進入FD軋制序列。

此外，因冷軋重卷產線不具備外板剪切能力，造成部分物料缺陷在頭、尾處鋼卷整卷降級。

4 連退FD 煉鋼缺陷控制方案

4.1 中間包封閉澆注，降低鋼水二次氧化

連鑄過程鋼水二次氧化來源有：注流與空氣接觸直接吸收空氣中的氧；注流卷入的空氣與中間包、結晶器內鋼水的相互作用；耐火材料與鋼水的相互作用以及卷入的渣滴與鋼水的相互作用[4]。因此，主要針對以上來源開展工作。

4.1.1 中間包全密封攻關

設計中間包包蓋吹氬，開發烘烤孔、沖擊區專用密封石棉板，開展溢溜槽、塞棒孔密封等，實現了中間包開孔的全密封。

連鑄保護澆鑄中主要采用了固體保護的方式，其主要目的是隔絕空氣，避免空氣中的氧氣和高溫鋼水發生氧化反應，降低鋼水中雜質含量，提高鋼水潔凈度[5]。為降低空氣中氧氣和高溫鋼水接觸的幾率，降低二次氧化幾率，針對性地開發了以下專用耐材和保護澆鑄技術：

1）中間包烘烤前，包沿和包蓋間使用專用耐火泥密封，塞棒孔使用耐火石棉氈密封，如圖7-1；

2）停止烘烤后，立即使用專用石棉蓋板覆蓋烘烤孔，使用專用石棉氈遮蓋溢溜槽，如圖7-2；

3）開澆后，長水口沖擊區使用專用防護板覆蓋，如圖7-3。

圖7 中間包全密封保護澆鑄圖

執行中間包密封措施后，中間包全氧（質量分數）均值降低約0.5×10-6。

4.1.2 中間包包蓋吹氬

開發吹氬包蓋。為了在中間包內形成惰性氣體保護氛圍，開發了連鑄用吹氬型中間包包蓋。在永久層上部埋入吹氬導管，并通過吹氬支管穿過工作層與吹氬導管相連，使吹氬支管位于鋼液面之上，氬氣經吹氬導管后由吹氬支管吹入鋼液面，形成氬氣氛圍，從而隔絕空氣，避免了二次氧化[6]。包蓋吹氬示意圖如圖8 所示。

圖8 包蓋吹氬示意圖（mm）

采取中間包預吹氬技術。該技術的工藝原理是：在開澆前的規定時間內，向中間包內吹入一定量的氬氣。由于氬氣的密度比空氣小，在中間包內擴散后，將包內空氣排出。從而使中間包內形成氬氣氛圍，阻止了空氣與鋼水接觸，有效地避免了鋼水二次氧化。包蓋吹氬實物如圖9 所示。

圖9 中間包包蓋吹氬實物圖

4.1.3 中間包自動高液位開澆

通過對原有開澆技術進行總結和歸納，同時結合實際生產，提高中間包開澆噸位，即由25 t 開澆提高至50 t 開澆，進一步促進夾雜物上浮，并在中間包噸位為30 t 時向2 個塞棒孔加入覆蓋劑，以減少鋼水裸露導致的二次氧化。

4.1.4 中間包恒噸位控制

穩定控制中間包噸位是連鑄生產的一項重要指標，保持中間包噸位恒定，才能確保中間包內鋼液面穩定，避免因液面迅速變化影響鋼水表面覆蓋劑的均勻覆蓋，降低二次氧化。通過開發自動化程序，成功將中包噸位手動控制升級為恒噸位自動控制，澆鑄過程中包噸位變化控制在≤±0.7 t 以內，有效實現了中間包內鋼液面穩定，改造前后中包噸位變化情況如下頁圖10 所示。

圖10 改造前后中包噸位變化情況

4.2 優化保護渣表面張力、黏度和堿度

目前某公司超低碳鋼澆鑄過程結晶器內卷渣的發生方式主要為剪切卷渣和旋渦卷渣。其中剪切卷渣是鋼液流動產生的剪切力克服了渣鋼界面的界面張力從而使渣滴脫離鋼渣界面的過程。因此鋼渣界面張力越低，就越容易產生卷渣。發生剪切卷渣的臨界速度為：

式中：ρs為保護渣密度，kg/m3；ρm為鋼水密度，kg/m3；μs為保護渣運動黏度，m2/s；μm為鋼水運動黏度，m2/s；g 為重力加速度，m/s2；σms為鋼渣界面張力，N/m；uc為臨界速度，m/s；C0為相關系數。

由臨界速度公式可知，鋼渣界面張力越小，產生卷渣的臨界速度就越小，就越容易產生卷渣。圖11為鋼渣界面張力對卷渣影響的水模實驗結果。從圖中可以看出，卷渣次數隨著鋼渣間界面張力的減小而增加[7]。

圖11 卷渣與渣鋼界面張力的關系

圖12 為液渣黏度對卷渣影響的水模實驗結果，從圖中可以看出，卷渣次數隨著液渣黏度的減小而增加。這是因為液渣層黏度的增加會增加液渣層對結晶器表面水平流動鋼液的黏性阻力，從而使結晶器表面的鋼液流速減慢，從而降低卷渣發生幾率。需要注意的是，圖中的液渣黏度是在約1 550 ℃鋼水溫度下的液渣黏度，而慣常保護渣測試給出的是1 300 ℃下的黏度。根據保護渣黏度-溫度特性，由阿倫尼烏斯公式推導可得，圖中黏度為0.125～0.20 Pa·s 的保護渣對應1 300 ℃下的黏度應為0.577～0.924 Pa·s。

圖12 液渣黏度對卷渣的影響

保護渣堿度較低時，由于渣膜在彎月面區域有較強的傳熱能力，能夠促進初生鉤狀坯殼（hook）的生長。一旦保護渣被卷入鋼液中，將會有很高的幾率被凝固溝捕捉，凝固溝越大，保護渣越容易被捕捉[8]。因此，通過調控保護渣堿度來達到調控保護渣轉折溫度（凝固溫度）的目的，降低結晶器坯殼與銅板間的熱流密度，間接抑制凝固溝的生長，從而降低保護渣被凝固溝捕捉的幾率。根據以上理論分析，再結合生產實踐，對超低碳鋼保護渣的界面張力、黏度以及堿度進行了優化，保護渣優化前、后理化指標情況如表2 所示。

表2 保護渣優化前、后理化指標

4.3 品質判定模型優化

反查降級鋼卷對應板坯，板坯異常信息見表3。

表3 異常板坯信息

1）異常信息：液面波動5～8 mm。按照某先進鋼廠判定模式，可以判定為外板板坯，但是按照某公司38 條判據，液位波動5～8 mm，不能判定為外板板坯。發現此問題后，協同某公司制造部產品室和技術管理室一起，增加系統異常信息代碼。

2）異常信息：變拉速坯。按照某公司38 條判定規則，低斜率變拉速變化＞0.5 m/min2，不能作為外板板坯。通過跟蹤發現，FD 低斜率變拉速坯降級情況達到50%，產銷系統中修訂為變拉速即降級。

3）異常信息：異鋼種連澆和尾坯。產銷系統中有相應的異常代碼，但是煉鋼PES 系統沒有執行該鋼規則。與產銷團隊一起修訂系統漏洞，防止異常板坯流入FD 訂單。

4.4 軋鋼工序工作開展

對9 月份實際降級的FD 產品進行分析。9 月份連退FD 產品實際降級46 卷，重502 t。通過工序一貫制系統，對該批次降級的產品進行反查：降級缺陷與熱軋表檢有對應關系的12 卷，所占比例26%；降級缺陷所在位置距帶頭帶尾10 m 左右的8 卷，所占比例17.4%；降級缺陷所在位置距帶剛邊部小于100 mm 的3 卷，所占比例6.5%。后續根據這三種情況，展開以下工作：

1）熱軋開展缺陷打磨工作，降低原料缺陷帶來的影響；

2）冷軋開展頭、尾切除缺陷工作，切除后若滿足訂單單重要求，則去重卷切除頭尾缺陷，減少因頭、尾缺陷導致的整卷降級；

3）制造部產品室與客戶協商缺陷交貨標準（缺陷位于邊部≤100 mm），或對缺陷位置進行劃線，減少因不滿足大卷交貨帶來的整卷降級。

5 結論

1）針對連退FD 煉鋼缺陷率高的問題，分析了缺陷類型，由此確認了連退FD 煉鋼缺陷主要為Al2O3夾雜和保護渣。

2）從減少鋼水二次氧化和保護渣卷入兩方面入手，開發了中包全密封澆鑄、包蓋吹氬、高噸位開澆及恒噸位澆鑄技術，以實現澆鑄過程的全保護澆鑄，同時提高了保護渣的黏度、表面張力及堿度，降低了剪切卷渣的幾率。

3）優化了煉鋼品質判定模型中FD 訂單板坯挑選規則。

4）通過相關措施的執行，有效降低了連退FD煉鋼缺陷降級率，降級率由6 月的6.3%降至10 月的4.1%。