冷軋汽車板鋼質純凈度控制的研究進展

趙春暉 胡吟萍

（武鋼研究院 湖北 武漢：430080）

近些年來，隨著汽車行業(yè)產銷量的大幅增加，對優(yōu)質冷軋汽車用鋼的需求也迅速增長。尤其對于汽車外板，在其性能滿足沖壓成形的同時，鋼板的表面質量也要達到非常高的水平，不能出現(xiàn)嚴重影響外觀的線狀或點狀缺陷，而這些缺陷的形成是由于煉鋼過程鑄坯中的夾雜物在后續(xù)軋制過程中被碾碎、拉長所致［1－2］。為減少成品缺陷率，提高冷軋汽車板表面質量，對汽車板冶煉過程中的鋼質純凈度有著嚴格的要求。

鋼材的純凈度反映了鋼的總體質量水平，也是鋼材內在品質的保證指標。鋼的純凈度通常由鋼中夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸及有害元素的含量來評價［3］。非金屬夾雜物對超低碳鋼的影響尤為顯著，在生產時必須嚴格控制夾雜物的含量、尺寸及分布形式［4］。不同用途的鋼種對純凈度的要求是不同的。對于冷軋超深沖汽車用鋼，鋼中夾雜物的尺寸必須控制在100μm以下［4－5］。此外，在鋼材冶煉過程中要求［C］＜0.003%，［N］＜0.003%，T［O］＜0.002%，才能保證較高的鋼質純凈度，從而生產出高品質的汽車板［6］。

1 影響冷軋汽車板鋼質純凈度的因素

目前冷軋汽車板普遍的冶煉流程為鐵水預處理—轉爐煉鋼—RH精煉—連鑄。每個環(huán)節(jié)鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸、形態(tài)及雜質元素的控制水平都會影響到鋼質純凈度，而RH精煉和連鑄兩個環(huán)節(jié)對鋼質純凈度的影響尤為關鍵。

1.1 典型夾雜物控制

通過實驗分析得到冷軋超低碳鋼鑄坯中的夾雜物，按照其形貌和成分主要可分為以下幾種類型［7－10］：

1.1.1 Al2O3夾雜物

Al2O3夾雜是冷軋超低碳鋼中廣泛存在的一種夾雜物，其主要存在方式有三種：

群絡狀Al2O3夾雜由顆粒狀夾雜物互相聚集長大形成，尺寸一般較大，有些甚至可以達到100μm，主要分布在頭坯表層；顆粒狀Al2O3夾雜主要為脫氧產物，一般尺寸小于10μm，但數(shù)量較多；塊狀Al2O3夾雜的尺寸較大且形狀不規(guī)則，可能由于鋼水二次氧化而產生。

較大尺寸Al2O3夾雜軋制后將形成夾雜物條帶，嚴重影響成品質量。

1.1.2 Al2O3－TiN夾雜物

這類夾雜物的外層形狀多為方形的TiN，而中心細小的Al2O3作為外層TiN的異質形核中心。此類夾雜大量分布在鋼中，尺寸一般小于5μm。

1.1.3 Ar氣泡＋Al2O3夾雜物

連鑄過程為密封和防止Al2O3夾雜黏接、堆積在水口內壁，需要在中間包塞棒、水口、滑板處吹氬，進入結晶器后的氬形成Ar氣泡，在上浮過程中碰撞捕捉Al2O3夾雜物，從而形成Ar氣泡＋Al2O3結構。這類氣泡被坯殼捕捉在后續(xù)軋制過程中破碎、延伸，從而形成鋼板表面線形缺陷。

1.1.4 SiO2－CaO－Na2O復合夾雜物

這類夾雜物直徑為100～200μm，含有K、Na、Si、Ca、Al、Mg等元素，與保護渣成分基本吻合，是由于卷入結晶器保護渣形成。因其尺寸較大，故對成品質量危害很大。

由上所述，脫氧產物類夾雜物由于分布彌散且粒度較小，一般對成品質量影響較小。但二次氧化類和保護渣類夾雜物由于粒度較大、數(shù)量較多且難以去除，嚴重影響了鋼材的純凈度，容易導致成品出現(xiàn)各種缺陷。

1.2 全氧T［O］含量控制

在煉鋼過程中，控制鋼液中的氧含量是非常重要的。鋼中全氧為溶解氧與結合氧的總和。冷軋深沖鋼在RH精煉中用鋁脫氧，鋼液中的溶解氧與鋼中溶解的鋁元素互相平衡，其含量很低且波動較小，結合氧則以夾雜物的形式分布在鋼液中。因此全氧含量可以代表鋼液中顯微夾雜物的水平［11－12］。值得注意的是，全氧含量代表鋼中尺寸較小的氧化夾雜物的數(shù)量，而顯著影響產品質量的是夾雜物的類別、尺寸、形貌以及分布等。全氧含量作為評價鋼質的一項重要指標只有在鋼質相對純凈的條件下才有意義。

有文獻報道［13］，當結晶器中全氧含量（質量分數(shù)）低于0.002%時，冷軋板表面的線形和鼓包缺陷數(shù)量明顯減少。關于冷軋板缺陷和中間包鋼水中T［O］的關系，川崎Mizushima廠進行了實驗，結果顯示中間包T［O］＜0.003%時，鋼板缺陷很少；T［O］在0.003%～0.005%范圍內時，鋼板可能會產生缺陷；當T［O］＞0.0055%時，鋼板自動降級使用。

1.3 非穩(wěn)態(tài)澆鑄

非穩(wěn)態(tài)澆鑄是指開澆、澆鑄結束、換鋼包、快速更換浸入式水口等鋼液面出現(xiàn)較大波動，拉速頻繁變化的狀態(tài)。非穩(wěn)態(tài)情況下鋼水的二次氧化以及湍流卷渣比較嚴重，造成鋼中夾雜物增加，降低了鋼質純凈度和鑄坯質量［14－15］。

根據(jù)實驗研究［16－17］可知，開澆頭坯中大型夾雜物的數(shù)量明顯大于正常值，這往往是由于開澆階段的二次氧化所致。鋼水中合金元素與保護渣、空氣中的氧以及其它外來氧化物發(fā)生化學反應，繼而生成新的氧化物造成污染。對于拉速快的薄板坯連鑄連軋，更容易卷渣引發(fā)二次氧化［18］。同樣在停澆尾坯及換包交接坯中也存在很多大型保護渣類夾雜物，雖然數(shù)量相對于頭坯較少，但仍會對產品質量造成很大影響。

各鋼廠對于非穩(wěn)態(tài)澆鑄的鑄坯通常降級或判廢處理，采用此法經(jīng)常會發(fā)生漏判或錯判，導致鋼板缺陷增加。因此非穩(wěn)態(tài)澆鑄過程的控制水平很大程度上決定了鋼質純凈度及冷軋汽車板表面質量。

1.4 鋼包頂渣成分

在汽車用鋼轉爐冶煉過程中，雖然出鋼時采取了擋渣處理，仍然會有部分爐渣隨著鋼水進入到鋼包中，稱為鋼包頂渣［19］。一般鋼包頂渣的氧化性比較強，其中FeO的質量分數(shù)可以達到11%－17%，容易使鋼中的夾雜物增加，尤其容易產生大顆粒Al2O3夾雜。一方面造成Al、Ti的收得率下降；另一方面，形成的夾雜物可能會引起水口結瘤或殘留于鋼中，降低鋼液純凈度，嚴重影響冷軋板表面質量。

2 冷軋汽車板鋼質純凈度提高措施

提高鋼的純凈度，控制鋼中非金屬夾雜物的途徑首先是減少冶煉及澆鑄工藝操作過程中夾雜物的產生和外來夾雜物對鋼水的污染，其次是設法排出已存在于鋼水中的夾雜物。為了保證鋼質純凈度，需要對全流程冶煉過程進行嚴格控制，減少夾雜物，提高純凈度。

2.1 轉爐冶煉控制

轉爐冶煉終點時的工藝過程控制非常關鍵。此時鋼水氧含量經(jīng)常有很大波動，為了減少夾雜物的數(shù)量，必須降低冶煉終點的氧含量，按其波動范圍的最下限進行控制。

控制轉爐鋼水氧含量主要采取以下措施［20］：氧氣頂?shù)讖痛缔D爐，能保證較好的底吹攪拌效果；煉鋼終點自動控制技術，可以盡量提高終點控制精度，減少過吹以及后吹；出鋼擋渣對于生產純凈鋼也至關重要，避免因為鋼水溫度不均勻引發(fā)的自然對流以及澆鑄過程造成的鋼水流動。冶煉純凈鋼的前提是控制好轉爐下渣量。為了避免下渣，保證轉爐擋渣效果，在吹煉后期加入適量石灰，把終渣堿度提高到4.5以上，提高鋼渣黏度。同時出鋼前期使用擋渣塞，后期使用擋渣棒，最大程度避免下渣，使鋼水純凈度得到保證，為精煉過程營造良好條件［21］。

2.2 精煉過程控制

二次精煉的主要作用是調節(jié)鋼液成分、溫度及去除夾雜物，精煉過程可以去除鋼液中80%左右的夾雜物，是冶煉純凈鋼的重要環(huán)節(jié) 其中RH精煉是將真空精煉和鋼水循環(huán)流動結合起來，可以均勻鋼水成分和溫度，實現(xiàn)脫氧、微合金化、吹氧深脫碳等效果，具有精煉效果好、處理周期短、生產能力強的特點。

RH精煉前期鋼水夾雜物數(shù)量較多且存在較大顆粒的顯微夾雜。鋼水在鋁氧升溫及循環(huán)脫碳過程后，夾雜物的數(shù)量與進站時基本一致，可知在精煉前期升溫生成的夾雜物數(shù)量和循環(huán)上浮到鋼渣中的數(shù)量一致，大顆粒夾雜物能上浮到鋼渣中，但是鋁氧升溫會使得鋼渣全體系夾雜物數(shù)量增加，若生成的夾雜物數(shù)量過多則會影響鋼渣夾雜物的飽和度，從而影響精煉后期夾雜吸附能力。因此降低或避免精煉過程鋁氧升溫是提高鋼水純凈度的基礎［23］。

在RH精煉后期加鋁脫氧后，鋼水中夾雜物數(shù)量明顯降低。崔衡［24］通過實驗研究了鋼液循環(huán)過程中全氧含量與氮含量的變化，結果發(fā)現(xiàn)隨著純循環(huán)時間的增加，鋼液全氧含量逐漸下降；而氮含量基本不變。在鋼液溫度和現(xiàn)場生產允許的條件下，適當延長純循環(huán)時間有利于鋼液純凈度的提高。

2.3 連鑄過程控制

鋼水精煉后能達到很高的純凈度，連鑄工序對鋼的純凈度影響同樣很大，如果控制良好，則可更進一步提高鋼的純凈度。采用保護澆注、新型中間包覆蓋劑、調整保護渣性能及設置電磁攪拌等手段可繼續(xù)去除及控制夾雜物，降低廢品率。

2.3.1 全程保護澆鑄

如何保持精煉后鋼水的純凈度是連鑄工序中需要解決的問題。目前世界各鋼廠廣泛采用鋼包—中間包—結晶器全過程保護澆鑄，避免鋼水的二次氧化。在結晶器中使用性能相適的保護渣從而在液面上形成熔渣層，隔離鋼液與空氣，使鋼液不被氧化。此外它還能吸收聚集在鋼－渣界面處的夾雜物，凈化鋼－渣界面。保護渣應當有良好的鋪展性、保溫性、透氣性及與鋼種相匹配性，才能實現(xiàn)均勻流入、吸附夾雜、提高潤滑、減少散熱等作用［25］。

2.3.2 中間包控制操作

中間包操作對鋼的純凈度影響很大。連鑄過程中大部分夾雜物來自中間包。為了減少中間包夾雜物或者防止夾雜物進入結晶器，可以采取如下措施：

一方面促使夾雜物上浮、分離并排除。在液面深度不變的情況下，增加中間包的容量，相當于延長了鋼液在中間包的停留時間，促進夾雜物上?。涣硪环矫?，換鋼包時保持中間包穩(wěn)定澆注，可以防止液面低于臨界值，產生渦流而導致卷渣。此外，在中間包中設置擋渣墻，延長鋼液的停留時間，并消除底部死區(qū)，改善鋼水的流動軌跡，使鋼水沿著鋼渣界面流動，縮短夾雜物的上浮距離，有利于吸收渣子，避免卷渣［25］。此外，采用合適的中間包覆蓋劑以及合理控制中間包內流場，都有利于提高夾雜物的去除效率。

2.3.3 結晶器液面控制

結晶器液面波動過大容易破壞保護渣的平衡，把融化的保護渣卷到鑄坯中形成夾雜物。影響結晶器液面波動的因素很多，一般從以下幾個方面采取措施：第一，精煉過程中保證早脫氧、造渣，脫氧劑使用鋁粒替代鋼芯鋁。脫氧完成后通過軟吹促使夾雜物上浮充分，盡量減少夾雜物，防止保護渣變性，減小結晶器液面波動。第二，使用對夾雜物吸附能力較強的優(yōu)質保護渣，避免保護渣吸附夾雜以后變性，使得結晶器液面波動較大。第三，保證鑄機機況良好，隨時要監(jiān)測鑄機低倍以及二冷水流量狀況，加強塞棒機構的維護，避免因為設備原因導致結晶器液面出現(xiàn)大幅度波動［21］。

2.3.4 非穩(wěn)態(tài)澆鑄控制

近年來國內鋼鐵企業(yè)生產冷軋薄板時在控制結晶器保護渣卷渣方面進步很快，大部分鋼廠通過水模型以及數(shù)值模擬等方法對結晶器內鋼水流動控制以及合理浸入式水口參數(shù)等進行了優(yōu)化。目前存在的主要問題是開澆、終澆、換包及快換水口等非穩(wěn)態(tài)澆鑄階段由于拉速變化引起卷渣；此外，Al2O3夾雜物黏接堆積在浸入式水口造成結晶器內鋼水流動異常導致卷渣。非穩(wěn)態(tài)澆鑄在很多情況下難以避免，在線更換浸入式水口前后拉速變化較大，并且結晶器內的流場發(fā)生了較大變化，易于卷渣形成夾雜物。對于超低碳鋼而言，為了減少在冷軋階段出現(xiàn)夾雜缺陷，連鑄機更換水口前后的兩支鑄坯在訂單匹配時只送熱軋，盡可能不再送冷軋。其他異常情況出現(xiàn)時，要嚴格執(zhí)行非穩(wěn)態(tài)鑄坯管理辦法，以保證冷軋的原料質量［21］。

3 結束語

目前純凈鋼生產是煉鋼技術的重要發(fā)展方向。冷軋汽車板在純凈生產和技術操作上已沒有理論方面的障礙，也可以被充分理解應用。生產時要加強冶煉終點精確控制、精煉、防止再污染等幾個關鍵環(huán)節(jié)的管控，保證各道工序正確配合，才能生產出滿足用戶要求的純凈鋼。未來努力的方向是降低純凈鋼生產成本，實現(xiàn)純凈鋼大批量穩(wěn)定高效的生產。

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