SPHC板卷表面缺陷來源示蹤研究

高曉杰 李京社 楊樹峰 劉成松

(北京科技大學(xué))

0 引言

SPHC低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼是國內(nèi)鋼企生產(chǎn)熱軋卷板、卷帶的重要鋼種，由于其具有較強的延伸性和冷加工性能，應(yīng)用較為廣泛，市場需求較大［1-3］。國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)SPHC熱軋卷板時表面時常出現(xiàn)夾渣缺陷，極大地影響了產(chǎn)品精度及內(nèi)外質(zhì)量，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，經(jīng)濟效益受損。為解決該廠SPHC熱軋卷板的表面質(zhì)量問題，通過示蹤實驗［4-5］追蹤板卷表面缺陷的來源，有針對性的提出相應(yīng)工藝改進措施，尋求從根本控制SPHC熱軋卷板表面質(zhì)量的解決方法。

1 實驗研究方法

1.1 工藝路線

該廠生產(chǎn)SPHC熱軋卷板的工藝路線為：高爐鐵水→鐵水預(yù)處理→150 t BOF→150 t LF→CC→均熱爐→連軋機組→層冷→卷取機。通過此生產(chǎn)流程生產(chǎn)得到的熱軋板卷部分產(chǎn)品表面存在夾渣類缺陷，對產(chǎn)品表面質(zhì)量影響較大(如圖1所示)。

圖1 SPHC熱軋卷板表面典型缺陷

1.2 試驗方法和取樣

本試驗在精煉進站造渣時向鋼包內(nèi)加入渣量8%的BaCO3，中間包覆蓋劑中配入覆蓋劑量6%的SrO，中間包涂料中配入5%的La2O3，結(jié)晶器保護渣則采用傳統(tǒng)的Na2O、K2O元素作為示蹤元素。

研究選取某一澆次穩(wěn)定后的其中三爐次進行示蹤劑試驗，分別在LF進站、LF鈣處理前、LF鈣處理后、LF出站、中間包正常澆、中間包混澆、鑄坯以及熱軋等不同工位進行了系統(tǒng)取樣。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 渣中示蹤元素分析

對試驗爐次的渣成分進行了系統(tǒng)取樣分析，其中的示蹤元素含量見表1。

表1 試驗鋼SPHC各工序渣中示蹤元素含量分布

由表1可以看出，隨著冶煉的進行，LF渣中的BaO含量逐漸下降，且在中間包內(nèi)檢測到一定的BaO，說明鋼包向中間包澆鑄過程中存在下渣行為;在中間包覆蓋劑中檢測到SrO和微量的La2O3，說明中間包內(nèi)存在一定的卷渣行為且包壁有輕微的侵蝕。同時可以根據(jù)上表來大致確定卷渣產(chǎn)生的缺陷內(nèi)的示蹤元素的含量，即 Ba≥3%，Sr≥3%，La≥2%(包壁出現(xiàn)侵蝕)。

為追蹤中間包內(nèi)的下渣情況，在示蹤劑試驗的第一爐次正常澆鑄時，每5 min取一次渣樣，并檢測Ba元素的含量(F-N-1至F-N-6)，并結(jié)合其他爐次渣中Ba元素的含量，準確定位鋼包內(nèi)下渣到中間包內(nèi)的時間點，結(jié)果如圖2所示(圖中：F為第一爐次，S為第二爐次，N為正常澆，M為混澆)。

圖2 示蹤劑Ba元素追蹤中包下渣情況

由圖2可以看出，單一爐次正常澆鑄時，Ba元素含量較為穩(wěn)定呈平緩的上升趨勢，兩爐混澆時，渣中Ba元素大幅度上升，且在第二爐次混澆時也同樣存在這種現(xiàn)象，因此可以確定在換爐混澆時會出現(xiàn)下渣現(xiàn)象，而單一爐次澆鑄時則沒有下渣現(xiàn)象。

2.2 顯微夾雜分析

通過對各工位所取的金相樣進行SEM-EDS分析，統(tǒng)計所有顯微夾雜物的粒徑＜20 um，多為脫氧產(chǎn)生的內(nèi)生夾雜，但有文獻提出［6］夾雜物內(nèi)的Al2O3含量≥70%時，容易聚集長大形成大型夾雜物，不上浮去除的話會影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，因此重點通過顯微夾雜的成分關(guān)注此鋼種的脫氧制度和鈣處理效果。

圖3 LF鈣處理后夾雜物形貌及成分變化

由圖3可以看出，LF鈣處理后顯微夾雜物中仍存在高含量Al2O3的夾雜物，到LF出站時仍有部分夾雜中Al2O3超過70%，而在中間包正常澆和混澆中同樣存在變性不完全和高含量Al2O3的夾雜物。這些高含量的Al2O3很可能在后續(xù)工序聚集形成大型夾雜物，從而影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。

示蹤試驗主要追蹤板卷表面的夾渣來源，對大型夾雜物進行示蹤研究，而對顯微夾雜物內(nèi)的示蹤元素并未做統(tǒng)計分析。而LF精煉過程中鈣處理不合格可能會使顯微夾雜聚集而形成大型夾雜物，因此只對顯微夾雜物中的Al2O3含量和夾雜物成分變化做了分析。

2.3 大型夾雜物示蹤元素分析

2.3.1 各工序大樣電解的大型夾雜物

根據(jù)渣中示蹤元素的含量，對各工序大樣電解得到的大型夾雜物中示蹤元素的含量進行了統(tǒng)計分析(如圖4所示)。根據(jù)渣中Ba元素的含量，試驗各工序含Ba大型夾雜物進行統(tǒng)計時，對Ba元素含量進行了限制(Ba≥3%)，排除示蹤元素在鋼水中的擴散作用對示蹤試驗的干擾。

圖4 示蹤試驗Ba元素系統(tǒng)統(tǒng)計

由圖4可以看出，在第一爐次LF精煉過程中存在較為嚴重的卷渣現(xiàn)象，且在第二爐和第三爐次內(nèi)也存在明顯的卷渣，但程度較為輕微，分析原因可能第一爐次的操作存在一定問題而引起嚴重的卷渣;到中間包時，由LF卷渣進入鋼水中的大型夾雜物明顯減少，只在第一爐次和第三爐次正常澆檢測到含Ba的大型夾雜物;到鑄坯時，卻只在第二爐次內(nèi)檢測到含Ba的大型夾雜物，可見用吊桶取樣較少且具有隨機性。因此，LF卷渣形成的大型夾雜物最終會有少部分進入到鑄坯內(nèi)，很可能會引起產(chǎn)品表面缺陷。

同樣統(tǒng)計時，對大型夾雜物中的La和Sr元素進行了分析，選取La≥2%、Sr≥3%。由于統(tǒng)計中含La和Sr元素的大型夾雜物較少，進行了三個爐次的整體統(tǒng)計(未分爐次統(tǒng)計)，如圖5所示。

圖5 示蹤試驗La和Sr示蹤元素系統(tǒng)統(tǒng)計

由圖5可以看出，在中間包內(nèi)發(fā)現(xiàn)示蹤元素La和Ba，說明存在輕微的卷渣和內(nèi)襯侵蝕，而在鑄坯內(nèi)僅發(fā)現(xiàn)含La的大型夾雜物，說明中包內(nèi)襯侵蝕可能會使產(chǎn)品表面產(chǎn)生夾渣，但并不能說明中包卷渣不會對產(chǎn)品產(chǎn)生影響。

同時為研究結(jié)晶器內(nèi)保護渣的卷渣情況，對鑄坯內(nèi)得到的大型夾雜物Na元素進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)Na含量＞10%的大型夾雜物(其中結(jié)晶器保護渣中的Na含量≥12%)，其所占統(tǒng)計的百分比為4.76%，其余的大型夾雜物部分含有微量的Na元素，對這部分并未做統(tǒng)計。由此可知，結(jié)晶器保護渣存在明顯的卷渣行為，且部分會最終留到鑄坯中，可能會對產(chǎn)品的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2.3.2 產(chǎn)品缺陷樣中的大型夾雜物

示蹤試驗最終得到24塊缺陷樣，通過SEMEDS對每個缺陷樣的夾渣處進行了隨機大量打點分析，共獲得979張能譜圖，對這些能譜進行了篩選，選取Fe＜45%，且明顯含有Al、Mg、Ca等夾渣成分元素，最終得到有效能譜466張，對這些能譜中的示蹤元素進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 缺陷樣中示蹤元素統(tǒng)計

由圖6可以看出，示蹤試驗所能確定的最大的夾渣來源為結(jié)晶器保護渣，其中共有14個缺陷樣打出Na或K元素(K元素很少，幾乎沒有)，其次為中間包覆蓋劑，共有6個缺陷樣打出Sr元素，而含Ba和La元素的缺陷樣很少，均為3個缺陷樣。

對24塊缺陷樣的主要成分進行了分析，主要可以分為兩類：A類為 Al2O3-CaO，B類為 SiO2-CaO，其中A類的Al2O3含量較高，B類的Al2O3含量低，且普遍含有Na元素。將B類的主要成分與結(jié)晶器保護渣的成分進行了對照，如圖7所示。

圖7 B類缺陷樣主要成分和結(jié)晶器保護渣主要成分比較

由圖7可以看出，各個缺陷樣與結(jié)晶器保護渣的主要成分較為接近，再次驗證了結(jié)晶器保護渣為夾渣的主要來源。

A類缺陷樣Al2O3含量普遍較高，除去卷渣引起的缺陷外，部分可能為鈣處理不合格導(dǎo)致脫氧產(chǎn)物聚集形成大型夾雜物而引起的表面缺陷。

3 結(jié)論

1)通過對中間包內(nèi)渣成分每5 min進行一次取樣分析可知，在鋼包換爐混澆時出現(xiàn)明顯的下渣行為;

2)對鈣處理后的顯微夾雜成分分析可知，鈣處理后仍存在部分高含量Al2O3的夾雜物，說明鈣處理的效果不理想，且這些夾雜物可能會聚集在后續(xù)工序形成大型夾雜物;

3)通過示蹤劑實驗可知，結(jié)晶器保護渣為熱軋板卷表面缺陷的主要來源，其次為中間包覆蓋劑，LF精煉渣卷入和中包內(nèi)襯侵蝕對表面缺陷的影響較小。

［1］ 馬曉芬，周四明，吳顯輝，等.低碳低硅SPHC鋼優(yōu)化精煉工藝的生產(chǎn)實踐［J］.煉鋼，2013，29(1)：7-10.

［2］ 徐濤，孫彥輝，許中波，等.SPHC鋼LF精煉過程鋼水增硅分析［J］.鋼鐵，2009，44(6)：28-31.

［3］ Guo J，Cheng Z J，Cheng S S，et al.Thermodynamic Analysis of Desulfurization and Its Connection with Deoxidation and Temperature for SPHC in JISC during LF Refining Process［J］.Journal of Iron and Steel Research(International)，2011，51(S2)：135-139.

［4］ F.Fuhr，G.Torga，F(xiàn).Medina，et al.Application of Slag Tracers to Investigate Source of Non-metallic Inclusions［J］.Ironmaking and Steelmaking，2007，34(6)：463-470.

［5］ T.H.English，D.J.Dyson，K.D.Walker，et al.Use of Rare Earth Tracers in Determination of Inclusions Sources and Origins at British Steel，Scunthorpe Works.Ironmaking and Steelmaking，1993，20(2)：97-103.

［6］ 蔡開科.連鑄坯質(zhì)量控制［M］，北京：冶金工業(yè)出版社，2010：71-78.