張紅娟

（唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北063100）

0 引言

IF鋼，即超低碳無(wú)間隙原子鋼，利用鈦、鈮等強(qiáng)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，從而得到深沖性能優(yōu)異的鋼材[1]。IF鋼作為冷軋薄板的重要原料，廣泛用于汽車(chē)中的各類(lèi)復(fù)雜沖壓件、外板以及作為高性能鍍鋅基板[2]。鋼水潔凈度較差時(shí)，鋼中大型夾雜物往往是導(dǎo)致表面缺陷和沖壓缺陷的主要因素[3-4]，然而該鋼種的固有特性又決定了IF鋼的潔凈度提升難度較大。如何提高IF鋼的潔凈度依然是目前的研究熱點(diǎn)[5-10]。IF鋼潔凈度常用連鑄中包全氧含量（T[O]）作為衡量指標(biāo)[11]，中包 T[O]越低，氧化物夾雜越少，鋼水潔凈度越高，能大幅降低浸入式水口結(jié)瘤，保證結(jié)晶器鋼水流場(chǎng)，降低鋼水卷渣幾率。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 生產(chǎn)工藝流程

唐山不銹鋼公司的超低碳IF鋼生產(chǎn)采用的工藝流程為：高爐鐵水→復(fù)合噴吹脫硫→100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→110 t RH爐→直弧形單流板坯連鑄機(jī)。轉(zhuǎn)爐具備基于LOMAS煙氣分析的自動(dòng)化煉鋼模型，出鋼過(guò)程中隨鋼水流向鋼包內(nèi)加入石灰和螢石，出鋼結(jié)束后關(guān)閉底吹，向鋼包液面加入爐渣改質(zhì)劑，每爐加入的石灰、螢石和改質(zhì)劑量均為固定值；RH為機(jī)械真空泵，可快速將真空度抽至2 mbar以下；連鑄具備大包下渣檢測(cè)、中包恒液位控制、VUHZ電磁結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)，具備高質(zhì)量汽車(chē)鋼的生產(chǎn)能力。采用這條產(chǎn)線，已成功生產(chǎn)出了IF鋼、雙相鋼、復(fù)相鋼等汽車(chē)用鋼。

1.2 缺陷分析

研究發(fā)現(xiàn)不銹鋼公司生產(chǎn)的深沖IF鋼，中包平均T[O]含量為30 ppm，與國(guó)內(nèi)先進(jìn)企業(yè)相比差距較大，見(jiàn)表1。部分用戶在制作油漆罐的深沖過(guò)程中，砂眼開(kāi)裂比例高達(dá)22%，質(zhì)量損失非常大，對(duì)我公司的市場(chǎng)形象造成了嚴(yán)重的影響。沖壓砂眼開(kāi)裂實(shí)物見(jiàn)圖1（a），對(duì)缺陷進(jìn)行取樣，在開(kāi)裂處采用電子顯微鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷處存在異物，并用自帶的能譜儀對(duì)該異物進(jìn)行化學(xué)元素分析，結(jié)果顯示該異物是Al2O3夾雜，見(jiàn)圖1（b）。在典型沖壓開(kāi)裂缺陷的附近，沿著沖壓變形方向截取金相試樣，磨拋成鏡面后，在金相顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)度近150 μm的串聯(lián)狀?yuàn)A雜物，見(jiàn)圖1（c）。由此可見(jiàn)，大尺寸的Al2O3夾雜是導(dǎo)致沖壓開(kāi)裂的主要原因。

表1 國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)IF鋼潔凈鋼控制水平

圖1. 深沖鋼沖壓砂眼缺陷（a）宏觀形貌；（b）能譜圖；（c）金相圖片

2 缺陷原因分析

2.1氧化物夾雜

鋼中氧化物夾雜主要來(lái)自于脫氧產(chǎn)物Al2O3，被空氣或爐渣氧化而生成的二次氧化產(chǎn)物，以及包括卷渣和耐火材料剝落在內(nèi)的外來(lái)夾雜物，見(jiàn)圖2。而鋼中的Al2O3夾雜物主要來(lái)自于脫氧產(chǎn)物和二次氧化產(chǎn)物。當(dāng)鋼中Al2O3夾雜物較多時(shí)，在塞棒、侵入式水口內(nèi)壁和側(cè)孔上存在蓄積長(zhǎng)大和沖擊剝落的現(xiàn)象，大型Al2O3析出物沖入結(jié)晶器內(nèi)，被凝固坯殼捕獲而形成皮下夾雜缺陷，從而造成IF鋼的表面和加工缺陷。為了控制Al2O3夾雜，就必須緊緊圍繞“氧”控制主線，進(jìn)行全流程、全要素的原因分析和措施制定。

圖2 鋼中氧化物夾雜的來(lái)源示意圖

2.2 影響因素分析

2.2.1 鐵水P含量

轉(zhuǎn)爐終渣TFe平均含量和出鋼結(jié)束后鋼包內(nèi)鋼水溫度與入爐鐵水磷含量的關(guān)系如表2所示。從表2中可看出，隨著鐵水P含量的升高，轉(zhuǎn)爐終渣TFe含量顯著升高，尤其是P＞0.14%，TFe含量升至25%左右。同時(shí)，鐵水P含量升高，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)P含量也會(huì)升高，為了降低成分超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，被迫采用終點(diǎn)爐內(nèi)脫磷或鋼包脫磷工藝，即利用強(qiáng)烈攪拌使鋼水與氧化性的高堿度爐渣進(jìn)行充分接觸從而達(dá)到脫磷的目的，但是該工藝會(huì)導(dǎo)致溫度損失，降低爐后鋼包內(nèi)鋼水溫度，提高了RH吹氧比例。

表2 鐵水[P]對(duì)轉(zhuǎn)爐終渣TFe和鋼水溫度的影響

2.2.2 轉(zhuǎn)爐底吹

圖3對(duì)比了轉(zhuǎn)爐爐役后期與新?tīng)t役的終點(diǎn)氧位控制情況。在爐役后期，幾乎每爐的終點(diǎn)氧位均大于800 ppm，顯著高于新?tīng)t役階段。這是由于爐役后期轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致底吹效果弱，熔池脫碳反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件急劇惡化，轉(zhuǎn)爐冶煉末期鋼水過(guò)氧化現(xiàn)象嚴(yán)重。轉(zhuǎn)爐底吹效果差，不僅增加了鋼水氧化性，爐渣的氧化性也大幅增加，轉(zhuǎn)爐終渣TFe含量增加至25%以上，極大地惡化了鋼水潔凈度。從圖4可看出，隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧位的升高，連鑄中包T[O]隨之顯著升高，因此，降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧位是提高鋼水潔凈度的重要措施。

圖3 轉(zhuǎn)爐爐役前后期終點(diǎn)氧位對(duì)比

圖4 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧位與連鑄中包全氧的關(guān)系

圖5 RH出站爐渣TFe與中包T[O]的關(guān)系

2.2.3 爐渣改質(zhì)

中包T[O]與RH頂渣TFe含量具有如圖5所示的關(guān)系。中間包T[O]隨RH出站頂渣TFe含量的升高而顯著升高，可見(jiàn)RH頂渣TFe含量對(duì)鋼水潔凈度具有非常重要的影響。在現(xiàn)有的爐渣改質(zhì)工藝條件下，RH出站TFe含量高且波動(dòng)大，波動(dòng)范圍為6～16%，極其不利于鋼水質(zhì)量的穩(wěn)定控制。

2.2.4 RH吹氧量

當(dāng)鋼水溫度低時(shí)，RH只能通過(guò)鋁氧反應(yīng)升溫的方式對(duì)鋼水進(jìn)行補(bǔ)熱，但是在加鋁吹氧升溫的過(guò)程中，勢(shì)必將產(chǎn)生大量的Al2O3夾雜。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，噸鋼每吹1 Nm3氧氣，增加8 ppm氧位，將產(chǎn)生近17 ppm的Al2O3夾雜。產(chǎn)生的大量Al2O3夾雜無(wú)法在純循環(huán)過(guò)程中完全去除而殘留于鋼水中。另外，大量的Al2O3夾雜進(jìn)入頂渣中，將降低爐渣的CaO/Al2O3，降低爐渣吸附夾雜的能力。吹氧量越大，中包T[O]越高，兩者之間的關(guān)系見(jiàn)表3所示。

3 改進(jìn)措施

表3 吹氧量與T[O]的關(guān)系

3.1 控制鐵水P含量

冶煉品種鋼時(shí)，使用低磷鐵礦確保鐵水P含量≤0.120%，降低終渣的TFe含量，減少鋼水溫降。目前IF鋼用鐵水P含量控制均滿足要求，減輕了轉(zhuǎn)爐脫磷負(fù)擔(dān)。

3.2 轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)工藝優(yōu)化

為了保證轉(zhuǎn)爐全爐役的復(fù)吹效果，降低全爐役碳氧積，降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水和爐渣氧勢(shì)，對(duì)轉(zhuǎn)爐底吹磚的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，采用了三環(huán)縫底吹磚替代雙環(huán)縫底吹磚，優(yōu)化了底吹工藝以及濺渣護(hù)爐工藝，同時(shí)采用了水基大面補(bǔ)爐料，使整個(gè)爐役的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)平均碳氧積由0.002187降低至0.001874（如圖6所示）；整爐役的轉(zhuǎn)爐平均終點(diǎn)氧位由716.7 ppm降低至623.8 ppm（如圖7所示），轉(zhuǎn)爐終渣的TFe含量降低了2.17%，同時(shí)脫磷率還由89.8%提高至90.9%。

3.3 優(yōu)化爐渣改質(zhì)

為了保證RH結(jié)束后頂渣對(duì)鋼水污染小，且具有較強(qiáng)的夾雜物吸附能力，頂渣的TFe含量應(yīng)控制在8%以下，CaO/Al2O3比應(yīng)控制在1.1～1.6之間。為了達(dá)到爐渣成分控制目標(biāo)，規(guī)定了根據(jù)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧位加入石灰量和改質(zhì)劑量。改質(zhì)工藝優(yōu)化后，RH爐渣改質(zhì)后的平均TFe含量降至5.33%，TFe≤6%的比例達(dá)到70%。

圖6 優(yōu)化前后碳氧積對(duì)比

圖7 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧位對(duì)比

3.4 優(yōu)化RH吹氧工藝

在RH吹氧工藝優(yōu)化前，為了保證自然脫碳，要求吹氧50%以后進(jìn)行加鋁操作。在吹氧量大的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致鋼水氧位急劇升高，最高甚至達(dá)到1 300 ppm以上，從而造成鋼水以及爐渣的過(guò)氧化。為了避免上述工藝的弊端，根據(jù)不同的碳含量以及進(jìn)站氧含量，計(jì)算出不同的吹氧量以及加鋁時(shí)機(jī)，避免鋼水過(guò)氧化。同時(shí)根據(jù)不同的鋼包狀態(tài)、進(jìn)站條件、真空槽是否烘烤、連澆爐數(shù)等眾多因素進(jìn)行集成，建立了RH溫度控制模型，降低吹氧比例，縮短真空周期。溫度控制模型投用以來(lái)，吹氧率降低30%，平均真空周期降低3.6 min。

通過(guò)轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)工藝的優(yōu)化，RH爐渣改質(zhì)工藝和吹氧工藝的優(yōu)化，IF鋼平均中間包T[O]由之前的30 ppm降低至23 ppm，客戶沖壓開(kāi)裂比例大幅降低。

4 結(jié)論

本文采用電子顯微鏡和金相顯微鏡分析手段，分析出鋼中大尺寸Al2O3夾雜物是導(dǎo)致IF鋼沖壓砂眼開(kāi)裂的主要原因。圍繞Al2O3夾雜的控制，從轉(zhuǎn)爐和RH工序制定了一系列措施，連鑄中間包平均T[O]由之前的30 ppm降低至23 ppm，沖壓開(kāi)裂比例大幅降低。主要得到以下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)爐底吹效果差、RH結(jié)束爐渣氧化性高、RH吹氧量大是造成鋼中Al2O3夾雜物多的主要原因。

（2）經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)的優(yōu)化攻關(guān)，整爐役平均碳氧積降低至0.001874，平均終點(diǎn)氧降低至623.8 ppm。

（3）優(yōu)化爐渣改質(zhì)工藝，RH結(jié)束后爐渣的平均TFe含量降至5.33%，TFe≤6%的比例達(dá)到70%。

（4）RH吹氧工藝的優(yōu)化和RH溫度控制模型的建立，降低了鋼水在RH吹氧過(guò)程的過(guò)氧化程度。