高潔凈鋼工藝技術(shù)研發(fā)與拓展驗(yàn)證

供稿|史永振，周慎，馮哲 / SHI Yong-zhen, ZHOU Shen, FENG Zhe

內(nèi)容導(dǎo)讀

以高附加值、高潔凈度為主要屬性的高端產(chǎn)品開發(fā)日益成為先進(jìn)鋼鐵企業(yè)競爭的主要技術(shù)領(lǐng)域。某鋼廠借鑒電池殼用鋼開發(fā)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)了鍍錫板用鋼生產(chǎn)工藝流程，實(shí)現(xiàn)了夾雜物尺寸小、潔凈度高的高端DR材基料的開發(fā)。充分利用基于DR材生產(chǎn)所建立的工藝技術(shù)平臺(tái)，并拓展其范圍及功能，工藝技術(shù)研發(fā)平臺(tái)由單獨(dú)RH流程、LF流程拓展到LF+RH流程。開發(fā)出700L高強(qiáng)汽車大梁鋼，對(duì)雙相鋼WL780X和W780QX以及超低碳鋼的潔凈度實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定控制。

近年來，以高附加值、高潔凈度為主要屬性的高端產(chǎn)品開發(fā)日益成為先進(jìn)鋼鐵企業(yè)競爭的主要技術(shù)領(lǐng)域，熱門鋼種包括高潔凈度軟鋼及高強(qiáng)鋼，涵蓋汽車、家電、食品罐用鋼等[1-2]。某公司為全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)調(diào)整，提升綜合創(chuàng)效能力，也加快了汽車用鋼、高檔次鍍錫用鋼等高端產(chǎn)品的開發(fā)，這就急需探索一套科學(xué)有效的尖端產(chǎn)品開發(fā)模式和開發(fā)流程，使產(chǎn)品質(zhì)量滿足用戶多樣化和個(gè)性化要求。同時(shí)，與該公司高強(qiáng)汽車板產(chǎn)線配套的不銹鋼產(chǎn)線的轉(zhuǎn)爐容量只有100 t，使得轉(zhuǎn)爐容量小使得過程溫降大，且非穩(wěn)態(tài)澆注時(shí)間比例大，給潔凈鋼的生產(chǎn)造成較大困難，因此急需摸索出一套高端潔凈鋼生產(chǎn)工藝。

目前，行業(yè)內(nèi)還沒有中小型轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)高品質(zhì)汽車鋼的先例，在不銹鋼產(chǎn)線升級(jí)改造的基礎(chǔ)上，開展一系列潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)研究，以搭建高潔凈鋼工藝技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，為高端汽車鋼的開發(fā)提供基礎(chǔ)，可以為國內(nèi)、省內(nèi)大量的中小型轉(zhuǎn)爐鋼廠轉(zhuǎn)型升級(jí)、結(jié)構(gòu)調(diào)整提供直接借鑒。

本文以高檔次鍍錫用DR材(Double reduced tinplate)深沖用鋼為主要研發(fā)目標(biāo)，建立起一套科學(xué)有效的品種開發(fā)流程，搭建起基于100 t轉(zhuǎn)爐流程的高潔凈鋼工藝技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，不僅可以有效提升公司產(chǎn)線能力和整體技術(shù)水平，促進(jìn)其他汽車用鋼等高附加值產(chǎn)品的快速開發(fā)，同時(shí)對(duì)公司樹立品牌形象、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)意義重大。

高端DR材的開發(fā)

DR材的特點(diǎn)

DR材是通過壓下率為15%~40%二次冷軋技術(shù)生產(chǎn)的高檔鍍錫用基板，厚度減小到0.1~0.17 mm，甚至可以達(dá)到0.08 mm以下。DR材具有規(guī)格薄、強(qiáng)度高、精度高的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了鋼質(zhì)包裝材料的優(yōu)勢(shì)[2-5]。目前，我國的鍍錫板需求量較大，國內(nèi)鍍錫原板供應(yīng)不足，僅有少部分的企業(yè)能夠自供，大多數(shù)企業(yè)依靠進(jìn)口。因此，大力發(fā)展DR材是當(dāng)前鋼鐵企業(yè)的主流趨勢(shì)。

DR材工藝技術(shù)開發(fā)

由于DR材最終成品厚度非常薄，其對(duì)鋼水潔凈度和表面質(zhì)量要求也極高。參照電池殼鋼的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，充分利用基于電池殼鋼生產(chǎn)所建立的工藝技術(shù)平臺(tái)，進(jìn)行了DR材的批量開發(fā)生產(chǎn)。

鍍錫板基料原生產(chǎn)工藝為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF→連鑄→熱軋，潔凈度可以滿足一般用途[6]。根據(jù)電池殼鋼開發(fā)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)高端用途的馬口鐵、DR材基料，重新設(shè)計(jì)了鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→RH→連鑄→熱軋的生產(chǎn)工藝流程，過程控制要求參考電池殼用鋼，鋼水潔凈度更高，實(shí)現(xiàn)了高端DR材基料的開發(fā)，滿足高端用戶的使用要求?；谶@兩種工藝路線，一方面實(shí)現(xiàn)了根據(jù)用戶使用要求進(jìn)行潔凈度“定制化”設(shè)計(jì)，另一方面對(duì)這兩種精煉工藝路線生產(chǎn)潔凈鋼均有直接的指導(dǎo)意義。

潔凈度評(píng)價(jià)

DR材的夾雜物控制統(tǒng)計(jì)情況如圖1所示，從圖中可以看出，DR材所含夾雜物中硫化物尺寸均小于2 μm，Al2O3尺寸稍大，但也均小于10 μm，有效地避免了高端DR材多次減薄后夾雜物露出表面，造成沖壓砂眼缺陷。

圖1 DR材中夾雜物情況統(tǒng)計(jì)

DR材使用情況

開發(fā)的高端DR材基料發(fā)往江蘇友富、廣東鐵生輝等下游廠家使用后，其潔凈度控制、表面質(zhì)量、產(chǎn)品性能和尺寸精度等完全滿足用戶要求，使用效果良好。

高端DR材目前國內(nèi)需求旺盛，利潤空間也較高，這些高端品種通常對(duì)潔凈度和性能均勻性均有很高的要求?；贒R材生產(chǎn)，搭建起經(jīng)RH工藝流程的低碳、超低碳鋼高潔凈鋼工藝技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，使低碳類、超低碳類鋼種的潔凈度得到提高并保持穩(wěn)定。

潔凈鋼技術(shù)研發(fā)成果的拓展及驗(yàn)證

在開發(fā)出滿足用戶使用要求的DR材產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，充分利用基于DR材生產(chǎn)所建立的工藝技術(shù)平臺(tái)，并拓展其范圍及功能，工藝技術(shù)研發(fā)平臺(tái)由單獨(dú)RH流程、LF流程拓展到LF+RH流程。

高強(qiáng)汽車大梁鋼700L的開發(fā)

熱軋高強(qiáng)鋼700L主要應(yīng)用于汽車大梁類零部件的制造，根據(jù)使用部位和條件不同，分為主梁和邊梁兩大類[7-8]。通過單獨(dú)LF精煉流程生產(chǎn)工藝路線，完成了邊梁用700L的開發(fā)，滿足了用戶對(duì)邊梁的需求。但主梁作為關(guān)鍵零部件，對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能、服役性能要求更高，特別是要求具有良好的抗疲勞性能，因此需要盡量降低鋼中夾雜物數(shù)量和尺寸。根據(jù)用戶對(duì)主梁的高端要求，結(jié)合潔凈鋼平臺(tái)研究結(jié)果，通過優(yōu)化工藝參數(shù)及生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)了高潔凈度主梁用700L的開發(fā)。

邊梁用700L的生產(chǎn)工藝路線為BOF—LF—CC—1580，LF出站后鋼水進(jìn)行鈣處理，以改善夾雜物、提高可澆性。通過優(yōu)化工藝路線為BOF—LF—RH—CC—1580，取消了鈣處理，優(yōu)化了加料控制，鋼中夾雜物類型、數(shù)量、尺寸大大改善，而鋼水可澆性保持較好狀態(tài)。

選取兩種不同工藝700L的典型爐次進(jìn)行對(duì)比研究，成分控制見表1。

表1 700L樣品主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

對(duì)兩組樣品進(jìn)行了INCA夾雜物全掃觀察和記錄，將觀察結(jié)果中夾雜物數(shù)據(jù)換算為單位面積的情況。圖2給出了不同工藝流程單位面積夾雜物的數(shù)量，由圖2可知，優(yōu)化工藝后，經(jīng)RH真空處理的高強(qiáng)鋼中夾雜物數(shù)量明顯少于單LF精煉工藝的產(chǎn)品。BOF-LF-CC工藝產(chǎn)700L夾雜物單位面積數(shù)量相對(duì)較多，為45.99個(gè)/mm2，而新開發(fā)的BOF-LFRH-CC工藝產(chǎn)700L中，夾雜物數(shù)量降低至12.61個(gè)/mm2，夾雜物數(shù)量降低了72.58%，工藝改進(jìn)效果明顯。

圖2 不同工藝處理的高強(qiáng)鋼中夾雜物數(shù)量對(duì)比

不同工藝流程圖鋼中夾雜物尺寸分布情況如圖3所示。單獨(dú)LF流程生產(chǎn)的700L所含夾雜物尺寸為≤30 μm，達(dá)到了一定的潔凈化程度，并滿足使用要求。而LF+RH工藝流程生產(chǎn)的700L中，不僅夾雜物數(shù)量明顯下降，夾雜物的尺寸也呈減小趨勢(shì)，且不存在≥15 μm的夾雜物。

圖3 不同工藝處理的高強(qiáng)鋼夾雜物尺寸分布

與國內(nèi)領(lǐng)先鋼廠生產(chǎn)的700L進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)分析對(duì)比，該鋼廠700L夾雜物控制水平相當(dāng)，且部分力學(xué)性能指標(biāo)領(lǐng)先，新開發(fā)的高端主梁用700L取得了用戶的認(rèn)可。

通過700L夾雜物控制技術(shù)研究，形成了高強(qiáng)、高合金含量鋼種潔凈度控制系列技術(shù)。對(duì)于邊梁用700L，采用單獨(dú)LF流程生產(chǎn)，滿足潔凈度要求的前提下，降低成本；對(duì)于主梁用700L，采用LF+RH流程生產(chǎn)，進(jìn)一步提高潔凈度，滿足更高端的使用要求。這樣就可以根據(jù)用戶不同的使用要求，實(shí)現(xiàn)滿足不同潔凈度要求的“定制化”生產(chǎn)，達(dá)到高效低成本潔凈鋼的生產(chǎn)目標(biāo)。

雙相鋼WL780X和W780QX潔凈度控制

高強(qiáng)雙相鋼WL780X和W780QX(高鋁含量)主要用于汽車的結(jié)構(gòu)件和安全件等，對(duì)潔凈度的要求非常高，同時(shí)其對(duì)鋼中H、N含量比較敏感。參考潔凈鋼技術(shù)研發(fā)平臺(tái)研究結(jié)果，采用LF+RH流程生產(chǎn)，然后檢驗(yàn)其潔凈度情況如圖4所示。WL780X中單位面積的夾雜物數(shù)量6.05個(gè)/mm2，W780QX中單位面積的夾雜物數(shù)量5.61個(gè)/mm2。

圖4 WL780X和W780QX雙相鋼夾雜物數(shù)量

雙相鋼WL780X和W780QX所含夾雜物尺寸如圖5所示，WL780X中≤10 μm夾雜物的數(shù)量達(dá)到95.86%，W780QX≤ 10 μm夾雜 物 的 數(shù)量 達(dá) 到97.33%，且最大夾雜物的尺寸均<20 μm。

圖5 雙相鋼中夾雜物尺寸分布

目前高牌號(hào)780 MPa及以上雙相鋼經(jīng)RH真空脫氣處理后，可以實(shí)現(xiàn) [H]≤1.5×10?6，[N]≤24×10?6。同時(shí)，為了減輕鑄坯偏析及軋制帶狀組織，在鐵水預(yù)處理和LF精煉脫硫的共同作用下，控制鋼中S含量實(shí)現(xiàn)最低≤0.001%。良好的潔凈度控制保證了高強(qiáng)雙相鋼質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性。

超低碳鋼潔凈度控制

高潔凈鋼工藝技術(shù)研發(fā)平臺(tái)的建立推動(dòng)了其他品種內(nèi)在質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性的提高。在可澆性較差的加P高強(qiáng)超低碳鋼開發(fā)中，借助于高潔凈鋼工藝技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，BOF-RH-CC流程過程鋼渣TFe含量由轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)時(shí)的20%左右最終降低至RH出站時(shí)5%左右，鋼渣氧化性大大降低，鋼水潔凈度提高，該類鋼種可澆性改善明顯。RH工序優(yōu)化合金物料加入順序，雜質(zhì)元素含量高的合金于脫碳期或較早期加入，其余按金屬元素被氧化性難易程度順序加入，避免鋼水增碳及帶入雜質(zhì)，提高合金收得率的同時(shí)，提高鋼水潔凈度，并改善鋼水可澆性[9]。通過保證凈循環(huán)時(shí)間≥8 min，可以有效促進(jìn)鋼中Al2O3的聚集與上浮去除，配合RH出站至連鑄開澆合理的靜置時(shí)間控制，保證夾雜物充分上浮。連鑄進(jìn)一步提高了保護(hù)澆鑄效果，防止鋼水二次氧化及夾雜物去除效果顯著，鋼中TO和增氮控制情況如圖6所示。由圖6可知，鋼中TO在RH出站可以控制在≤30×10?6，中包降低至≤25×10?6，成品降低至15×10?6左右，連鑄增 N≤1×10?6。由此可以看出，高潔凈鋼工藝技術(shù)研發(fā)平臺(tái)取得明顯成效。

圖6 不同澆次超低碳鋼中全氧(a)和氮(b)含量變化

結(jié)束語

(1)根據(jù)電池殼鋼開發(fā)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)高端用途的馬口鐵、DR材基料，重新設(shè)計(jì)了鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→RH→連鑄→熱軋的生產(chǎn)工藝流程，鋼水潔凈度更高，實(shí)現(xiàn)了高端DR材基料的開發(fā)，滿足高端用戶的使用要求。

(2)對(duì)于邊梁用700L，采用單獨(dú)LF流程生產(chǎn)，滿足潔凈度要求的前提下，降低成本；而主梁用700L，采用LF+RH流程生產(chǎn)，進(jìn)一步提高潔凈度，滿足更高端的使用要求。

(3)雙相鋼WL780X中≤10 μm夾雜物的數(shù)量達(dá)到95.86%，W780QX≤10 μm夾雜物的數(shù)量達(dá)到97.33%，且最大夾雜物的尺寸均未超過20 μm。

(4)通過優(yōu)化RH工序合金物料的加入順序，有效避免了鋼水增碳及帶入雜質(zhì)，提高合金收得率，同時(shí)也提高鋼水的潔凈度，改善鋼水可澆性。