IF 鋼連鑄坯及熱軋板夾雜物研究

李巖， 張炯明， 尹延斌

（北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京100083）

0 引 言

IF 鋼（interstitial atom free steel） ，即無間隙原子鋼，因為具有優(yōu)越的深沖性能、高塑性應變比、高延伸率、高的硬化指數、較低的屈強比和優(yōu)異的非時效性，廣泛應用于汽車制造業(yè)，已成為一個國家汽車用鋼水平的標志[1-2]。 用于制造汽車面板的IF 鋼冷軋薄板，對表面質量要求非常高，而薄板的表面缺陷一般是由鑄坯中尤其是表層中夾雜物造成的。連鑄坯在軋制時，鑄坯中尤其是表層中夾雜物會暴露出來形成線性或斑點缺陷， 嚴重時會破壞IF 鋼的連續(xù)性和均勻性， 造成冷軋板表面出現亮線/暗線 （sliver）、 結疤（scabs）、翹皮（shell）等缺陷，不僅會導致軋制合格率和成材率下降，損害企業(yè)的效益；還會對終端產品的質量造成嚴重危害，使下游用戶對高質量產品的需求得不到滿足[3-4]。

近年來，國內外學者對連鑄坯中夾雜物的分布已有大量研究。苑鵬等通過對IF 鋼皮下夾雜的研究，發(fā)現20~50 μm 的夾雜物在皮下0~1 mm 呈現增加趨勢，1~5 mm 呈現減少趨勢[5]；吳國榮等通過對 IF 鋼連鑄坯厚度方向夾雜物的研究，發(fā)現在距鑄坯表層0~3 mm 夾雜逐漸減少，3~6 mm 先增加后減少，6~9 mm逐漸增多[6]；周力等通過對連鑄坯潔凈度的研究，發(fā)現大尺寸夾雜物在鑄坯近表層2 mm 和20 mm 左右均會發(fā)生聚集現象[7]；肖鵬程等研究了連鑄坯顯微夾雜物含量分布，沿鑄坯寬度方向一般1/4 處最多，1/2 處最少，沿鑄坯厚度方向，內外弧附近明顯高于連鑄坯中心位置[8]；田恩華等研究發(fā)現，鑄坯內弧和外弧表層非金屬夾雜物含量及粒徑的趨勢基本吻合[9]。

上述文獻中對連鑄坯夾雜物的研究，主要關注連鑄坯厚度方向和寬度方向夾雜物的變化、工藝參數對夾雜物分布的影響、大顆粒夾雜的分布及形成機理研究。 但是IF 鋼熱軋板全斷面夾雜物分布和熱軋板中不同類型夾雜物的成分和形貌的研究卻并未涉及，他們的研究重點均放在了IF 鋼連鑄坯上。 作為生產冷軋薄板的原材料，IF 鋼連鑄坯和熱軋板的夾雜物控制水平均至關重要。 此文的研究重點放在IF 鋼熱軋板上，分析熱軋板全斷面夾雜物的分布規(guī)律和不同尺寸夾雜物所占百分比。將連鑄坯和熱軋板中夾雜物的數量、形貌等進行對比，探究兩者之間的差異，希望能為現場生產提供理論參考。

1 生產流程及研究方法

1.1 生產流程

某鋼廠生產IF 鋼的流程為: 鐵水預處理→頂底復吹轉爐→RH 真空精煉→連鑄→熱軋→冷軋→退火→平整。 采用立彎式連鑄機進行澆鑄，斷面規(guī)格為1 050 mm×247 mm，正常拉速為2.0 m/min，平均過熱度為30 ℃，采用1 580 mm 熱軋線，配置的是半連續(xù)式軋機。

1.2 連鑄坯的取樣及分析方法

IF 鋼連鑄坯的化學成分見表1 所列，規(guī)格為1 050 mm×247 mm。 按照圖 1 所示的加工方法，在1 050 mm 寬的連鑄坯邊部、1/4、1/2 位置分別切取3塊金相試樣，共切取9 塊金相試樣。 距內弧最近的試樣大小為 20.00 mm×20.00 mm×10.00 mm， 其余6 塊試樣大小為 20.00 mm×20.00 mm×20.00 mm。 大樣電解試樣在連鑄坯寬度方向1/4 處切取，方向沿連鑄坯厚度方向，規(guī)格為20.00 mm×20.00 mm×30.00 mm。以連鑄坯寬度方向中心線上所取的3 個金相試樣為例，分別分析距內弧10，30，50 mm 的表面。 尹延斌研究指出絕大多數大顆粒夾雜物分布在連鑄坯表層50 mm 以內， 距表面50 mm 以下連鑄坯區(qū)域內大顆粒夾雜物極少[10]，因此本文主要分析距內弧表面50 mm 以內的夾雜物特征。 所有金相試樣進行粗磨、細磨和拋光后，在金相顯微鏡放大倍數500 倍下，連續(xù)觀察100個視場，統(tǒng)計夾雜物的數量、尺寸。 然后通過FEI Quanta 多用途掃描電子顯微鏡， 觀察試樣表面夾雜物的尺寸和形貌， 并用X 射線能譜儀分析夾雜物的成分。

表1 IF 鋼化學成分Table 1 Chemical composition of IF steel 單位：質量分數，%

1.3 熱軋板的取樣及分析方法

IF 鋼熱軋板和連鑄坯化學成分相同， 見表1 所列，熱軋板規(guī)格為 5.00 mm×1 580 mm。 由圖 2 所示的加工方法， 在1 580 mm 寬的熱軋板邊部、1/4、1/2位置分別切取9 塊金相試樣，3 個位置共切取27 塊金相試樣，試樣大小為20.00 mm×20.00 mm×5.00 mm。大樣電解試樣在熱軋板寬度方向的1/4 處切取， 方向沿拉坯方向，規(guī)格為30.00 mm×50.00 mm×5.00 mm。以熱軋板寬度方向中心線上所取的9 個金相試樣為例，分析 距 內 弧 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 mm和4.5 mm 的表面。 熱軋板所有金相試樣進行的處理操作和連鑄坯金相試樣相同。

2 試驗結果與分析

2.1 連鑄坯試樣金相法分析

通過單位面積內夾雜物的個數 （當量直徑7.5 μm）來表征夾雜物含量。統(tǒng)計每一個金相試樣單位面積內夾雜物的個數，如圖 3（a）、圖 3（b）所示。

由圖3（a）可知，連鑄坯在邊部、1/4 和中心處具有相同的夾雜物指數分布：在距內弧30 mm 處夾雜物指數最大，平均為7.4 個/mm2,其次為距內弧10 mm 處夾雜物指數，平均為4.27 個/mm2，距內弧50 mm 處夾雜物指數最小，平均為1.53 個/mm2，夾雜物在距內弧側30 mm 處發(fā)生聚集現象。由圖3（b）可知，連鑄坯寬面各位置的夾雜物指數分布不在同一水平，1/4 處夾雜物指數最高，中心處最低。 這是由于結晶器內寬度方向1/4 處表面流速較快，流場復雜，更易發(fā)生保護渣卷渣及坯殼捕集夾雜物等行為，造成顯微夾雜含量增高[8]。 統(tǒng)計連鑄坯中 0~20 μm,20~50 μm,50 μm 以上夾雜物所占百分比，統(tǒng)計連鑄坯中4 類夾雜所占百分比，并將兩者與后文熱軋板中數據進行對比。 統(tǒng)計得到連鑄坯中 0~20 μm 夾雜占 97.6 %,20~50 μm 夾雜占 1.63 %,50 μm 以上夾雜占 0.77 %。 連鑄坯中Al2O3類夾雜占比 91.52 %，TiN 夾雜占比 3.1 %，Al2O3-TiOx類夾雜占比3.88 %，SiO2類復合夾雜占比1.5 %。 連鑄坯中主要夾雜物類型為氧化鋁夾雜。

2.2 熱軋板試樣金相法分析

統(tǒng)計每一個金相試樣單位面積內夾雜物的個數，如圖 4 所示。分析發(fā)現，距內弧表面 0.5，1.0，2，2.5，3，3.5，4，4.5 mm 時， 邊部顯微夾雜物的數目明顯高于寬度方向1/4、1/2 處顯微夾雜物的數目；距內弧表面1.5 mm 時， 邊部顯微夾雜物的數目略低于1/4 處顯微夾雜物的數目。 由此可以推測得到：熱軋板邊部夾雜物的數量要高于寬度方向1/4、1/2 處。由于IF 鋼連鑄坯窄面內夾雜物經軋制后，在鑄坯邊部形成了夾雜物密集分布的區(qū)域，最終熱軋板邊部的夾雜物數量明顯高于其他部位，這也是Sliver 缺陷在軋板邊部多發(fā)的原因[11]。

統(tǒng)計熱軋板中 0~20 μm,20~50 μm,50 μm 以上夾雜物所占百分比。 熱軋板中 0~20 μm 夾雜占98.32 %,20~50 μm 夾雜占 1.11 %,50 μm 以上夾雜占0.57 %。 可見熱軋板中夾雜物尺寸主要集中在20 μm 以下，并且隨著夾雜物尺寸的增大，夾雜物所占的數量百分比逐漸降低。 熱軋板中Al2O3類夾雜占比 92.3 %，TiN 夾雜占比 3.1 %，Al2O3-TiOx類夾雜占比3.4 %，SiO2類復合夾雜占比1.2 %。熱軋板中主要夾雜物類型也為氧化鋁夾雜。

圖5 所示為距內弧0.5~4.5 mm 處的夾雜物數量變化。熱軋板厚度方向從內弧到外弧的夾雜物數量先減少后增加，最后緩慢減少。從總體趨勢來看，熱軋板內弧的夾雜物的數目要多于熱軋板中心和外弧。生產IF 鋼連鑄坯時，使用的是立彎式連鑄機，在生產過程中，夾雜物會上浮至內弧表面。 這是熱軋板內弧面的夾雜物數目多于中心和外弧的主要原因。

2.3 連鑄坯中典型夾雜物類型及尺寸分析

IF 鋼連鑄坯中夾雜物類型、形貌、尺寸等特征前人已有研究。 胡招凡認為，IF 鋼連鑄坯中夾雜物主要是 Al2O3、TiN、和 Al2O3-TiN、Al2O3-Ti2O3、Al2O3-Ti2Ox-TiN 型復合夾雜物[12]；李金柱研究認為，高拉速連鑄坯表層夾雜物主要有簇群狀氧化鋁、氣泡+簇狀氧化鋁、塊狀氧化鋁、CaO-Al2O3-MgO 夾雜物[13]。 與文獻中稍有不同， 本文借助掃描電鏡和能譜分析的手段發(fā)現連鑄坯中主要有4 類顯微夾雜物。 Al2O3類夾雜物，尺寸大小在5~35 μm 之間均有分布，尺寸越大的夾雜，數目相對越少。 TiN 夾雜物和熱軋板中的TiN夾雜差別不大，尺寸較小，在2~12 μm 不等。 Al2O3-TiOx類夾雜物，尺寸在 5~25 μm 不等。SiO2類復合夾雜物，尺寸大部分分布在25~35 μm 之間，一般認為是結晶器保護渣卷入鋼水所致。

2.4 熱軋板中典型夾雜物形貌及來源分析

IF 鋼熱軋板典型夾雜物有Al2O3類、TiN、Al2O3-TiOx類、SiO2類、Al2O3類夾雜物、形貌和能譜分析如圖6。借助掃描電鏡和能譜分析發(fā)現熱軋板中主要有4 類顯微夾雜物，分別為 Al2O3類、TiN、Al2O3-TiOx類和SiO2類復合夾雜物。

1）Al2O3類夾雜物。 IF 鋼采用鋁脫氧工藝，因此很大一部分夾雜物為氧化鋁夾雜。如圖6（a）所示，塊狀的Al2O3類夾雜，尺寸在5~25 μm 之間均有分布，尺寸越大的夾雜，數目相對越少。 還有一些是長條狀的 Al2O3類夾雜，如圖 6（b）所示，尺寸為 45 μm 左右。 還有一些少量的團簇狀Al2O3類夾雜，如圖6（c）所示。較大尺寸的Al2O3類夾雜在軋制時容易形成表面條狀缺陷，沿軋制方向延伸，呈細線狀或帶狀，程度較重的線性缺陷會造成鋼板表面開裂， 暴露于鋼板表面，使產品質量嚴重下降[14-15]。

2）TiN 夾雜物。 IF 鋼通過添加 Ti 元素和 C、N 結合來消除間隙原子， 因此TiN 夾雜也是IF 鋼中普遍存在的夾雜物類型之一。 如圖7 所示，這類夾雜物尺寸較小，一般在2~12 μm 不等，基本以立方體存在。TiN 夾雜物在鋼液中不容易生成，只有在凝固過程中由于溫度降低和元素偏析作用， 促使TiN 在凝固前沿固相中析出[16]。雖然冷軋板中由TiN 類夾雜引起的缺陷較少， 但王睿在深沖件中發(fā)現了由TiN 夾雜引起的針孔狀的缺陷[15]。岳峰等[2]研究發(fā)現，鋼水凝固過程中立方晶體TiN 將Al2O3六方晶體的面作為生長基面，形成含有Al2O3核心的粗大TiN。 將熱軋板中TiN 夾雜和鑄坯中TiN 夾雜對比， 發(fā)現兩者差別不大， 可見熱軋工藝對IF 鋼中TiN 夾雜的形貌和尺寸影響較小。

3）Al2O3-TiOx類夾雜物。 如圖 8 所示，此類夾雜物在熱軋板中含量并不多， 并且Ti 的含量也不盡相同，形狀不規(guī)則，尺寸在3~20 μm 不等。 這類夾雜是由Al2O3和TiOx復合形成，自身延展性較低，比較硬比較脆， 粒徑較大的Al2O3-TiOx類夾雜會對鋼種性能有較大影響[2]。

4）SiO2類復合夾雜物。 如圖 9 所示，此類夾雜物在熱軋板中含量相對較少一些，尺寸分布在20~30 μm 之間，也有極少量夾雜為大顆粒夾雜物，尺寸大于50 μm。 在顯微夾雜范圍內的SiO2類復合夾雜物的尺寸也相對較大，尤其是大于50 μm 的SiO2類復合夾雜物， 都會對IF 鋼熱軋板及冷軋板質量產生比較嚴重的影響。 石紹清[17]，唐萍[18]在 IF 鋼中也發(fā)現了SiO2類復合夾雜物。 SiO2的來源可能有3 處：結晶器保護渣卷渣；耐火材料的侵蝕；鋼液中Si 元素發(fā)生二次氧化。 由于IF 鋼鋼水中Si 含量處于很低的水平，SiO2類復合夾雜來源于Si 的二次氧化的可能性不大。通過對SiO2類復合夾雜物的能譜分析，組成中含保護渣基料物質CaO 和K、Na 等元素的夾雜物，一般認為是結晶器保護渣卷入鋼水所致， 需要優(yōu)化保護渣成分抑制卷渣[19]。 組成中不包含CaO 和K、Na等元素的夾雜物，推測來源于水口耐材的侵蝕，需要選用材質更好的水口耐材減輕侵蝕帶來的風險。

2.5 連鑄坯與熱軋板大樣電解實驗數據分析

采用非水溶液電解方法對鑄坯試樣和熱軋板試樣進行電解， 試樣電解后分離得到的鋼中大型夾雜物多呈不規(guī)則形狀， 連鑄坯試樣中夾雜物以角狀、塊狀和球狀為主，熱軋板試樣中夾雜物大部分為角狀、塊狀，另有少量球狀，如圖10所示。

應用掃描電鏡和能譜儀， 分析了40 個大型夾雜物的形貌和成分， 熱軋板和連鑄坯中絕大多數大顆粒夾雜物為Al2O3類， 此外還有少量的Al2O3-TiOx類、TiN 類，SiO2類復合夾雜物。 圖 11 中（a）、圖 11（b）、圖11（c）為連鑄坯中無水電解提取的典型Al2O3類夾雜物在掃描電鏡下的形貌。 圖 11（d）、圖 11（e）、圖11（f）為熱軋板中無水電解提取的典型Al2O3類夾雜物形貌。 經過數據分析， 發(fā)現連鑄坯電解出的Al2O3類夾雜物88.24%為塊狀，11.76%為圓球狀，熱軋板電解出Al2O3類夾雜物93.28%為塊狀，5.52%為圓球狀，1.2%為狹長角狀。 分析認為熱軋工藝的軋制作用將連鑄坯中圓球狀和塊狀的氧化鋁夾雜擠壓變形為熱軋板中的狹長角狀， 這和金相實驗的結果具有一致性。

2.6 連鑄坯與熱軋板實驗數據對比

由實驗可知，連鑄坯寬度方向上1/4 處夾雜物指數最高，中心處最低。 熱軋板邊部夾雜物的數量要高于寬度方向1/4、中心處。 不難發(fā)現，熱軋工藝使連鑄坯中夾雜物在寬度方向上的分布規(guī)律發(fā)生了變化，夾雜物指數最高處由1/4 處變?yōu)檫叢俊?文獻[10]針對IF鋼熱軋過程，建立三維有限元軋制數學模型，采用節(jié)點追蹤的方法研究了連鑄坯表層50 mm 內大顆粒夾雜物在軋制過程中的位置演變。研究表明連鑄坯窄面內夾雜物經軋制后，在鑄坯邊部會形成夾雜物密集分布的區(qū)域，造成熱軋板邊部的夾雜物數量明顯高于其他部位， 這也是Sliver 缺陷在軋板邊部多發(fā)的原因。連鑄坯中夾雜物在1/4 處聚集，而熱軋板的大顆粒夾雜物在邊部聚集，經分析可能是熱軋工藝的軋制作用使連鑄坯1/4 處聚集的夾雜物向邊部遷移，最終造成熱軋板邊部夾雜物指數最高，進而證明夾雜物聚集帶在軋制過程中具有遺傳性。

由實驗可知， 連鑄坯中0~20 μm 夾雜占97.6 %,20~50 μm 夾雜占 1.63 %,50 μm 以上夾雜占 0.77 %。熱軋板中 0~20 μm 夾雜占 98.32 %,20~50 μm 夾雜占1.11%,50 μm 以上夾雜占0.57 %。 由此可見，熱軋板中夾雜物尺寸主要集中在20 μm 以下，并且隨著夾雜物尺寸的增大，夾雜物所占的數量百分比逐漸降低。熱軋板中 0~20 μm 夾雜比連鑄坯中多 0.72 %，50 μm 以上夾雜比連鑄坯中少0.2%，初步分析認為是熱軋工藝的軋制作用將連鑄坯中大顆粒夾雜物在熱軋工藝中被擠壓，軋碎所致。 丸川雄凈認為，超深沖汽車板鑄坯中有害夾雜物尺寸不應超過100 μm[11]。雖然本次實驗所檢測到的50 μm 以上夾雜占比不大， 但在后續(xù)冷軋過程中，依然有可能形成薄板的表面缺陷。

由實驗可知，連鑄坯中氧化鋁夾雜大多呈圓球狀、塊狀，熱軋板中氧化鋁夾雜一部分呈塊狀如圖6（a）所示，還有一部分呈長條狀如圖6（b）所示。 鄧建軍等認為鑄坯中大型氧化鋁夾雜在冷軋時沿軋制方向破碎，形成長短不一的缺陷，最終形成整體不連續(xù)分布的直線形條狀缺陷[20]。但是他沒有考慮熱軋時夾雜物的形貌變化，文中實驗表明鑄坯中一些大顆粒氧化鋁夾雜在熱軋時已經發(fā)生變形、破碎，這會造成后續(xù)沿軋制方向延展的線條狀缺陷的產生。

由實驗可得，熱軋板厚度方向從內弧到外弧的夾雜物數量增減趨勢和連鑄坯從內弧到外弧的夾雜物數量增減趨勢具有一致性。夾雜物在連鑄坯中距內弧側30 mm 處存在聚集現象，與之相對應，熱軋板中距內弧側0.5 mm 處夾雜物指數最高。 對比發(fā)現軋制后，夾雜物聚集帶向表層遷移。 這主要是由于軋制時鑄坯表層的等效應變大于鑄坯內部的等效應變， 使得鑄坯內大顆粒夾雜物在軋制過程中越來越向表層靠近[10]。

由實驗可得，IF 鋼連鑄坯中Al2O3類夾雜占比91.52 %，TiN 夾雜占比 3.1 %，Al2O3-TiOx類夾雜占比3.88 %，SiO2類復合夾雜占比1.5 %。 熱軋板中Al2O3類夾雜占比 92.3 %，TiN 夾雜占比 3.1 %，Al2O3-TiOx類夾雜占比3.4 %，SiO2類復合夾雜占比1.2 %。 不難發(fā)現，IF 鋼連鑄坯和熱軋板中具有相同的夾雜物成分， 分別為 Al2O3類夾雜、TiN 夾雜、Al2O3-TiOx類夾雜和SiO2類復合夾雜。 兩者中各類夾雜物所占百分比差別不大，夾雜物的主要類型是氧化鋁夾雜。 文獻[1]研究認為IF 鋼連鑄坯中主要是Al2O3類、TiN、Al2O3-TiOx類和 Al2O3-TiN 類夾雜， 并沒有本文中發(fā)現的SiO2類復合夾雜。 分析認為是連鑄過程中發(fā)生結晶器卷渣現象，才會導致連鑄坯和熱軋板中均檢測到SiO2類復合夾雜。 大顆粒的SiO2類復合夾雜也是造成軋板線性缺陷的主要原因，建議可以采用優(yōu)化保護渣成分，提高保護渣黏度等措施來抑制卷渣，降低大顆粒夾雜物對軋板質量的影響。

3 結 論

1）熱軋工藝的軋制作用使連鑄坯寬度方向1/4 處聚集的夾雜物向邊部遷移， 最終造成熱軋板邊部夾雜物指數最高，說明夾雜物聚集帶在軋制過程中具有遺傳性。

2） 熱軋板中20 μm 以下夾雜百分比與連鑄坯中夾雜相比稍有增大,50 μm 以上夾雜百分比稍有降低。

3） 連鑄坯中氧化鋁夾雜大多呈塊狀，而熱軋板中一部分呈塊狀，一部分呈長條狀。大樣電解結果顯示熱軋工藝的軋制作用，會將連鑄坯中大顆粒氧化鋁夾雜擠壓變形為熱軋板中的長條狀，容易形成表面條狀缺陷。

4） 夾雜物在連鑄坯距內弧側30 mm 處存在聚集現象，熱軋板距內弧側0.5 mm 處夾雜物指數最高,等效應變不同使夾雜物聚集帶向表層遷移。

5） IF 鋼連鑄坯和熱軋板具有相同的夾雜物成分， 分別為 Al2O3類、TiN、Al2O3-TiOx類和 SiO2類復合夾雜。 兩者中各類夾雜物所占百分比差別不大，且主要的夾雜物類型為氧化鋁夾雜。由結晶器卷渣引入的SiO2類復合夾雜可通過優(yōu)化保護渣成分， 提高保護渣黏度等措施減小其影響。