提高IF鋼鋼水潔凈度工藝的實踐

張紅娟

（唐山不銹鋼有限責任公司，河北063100）

0 引言

IF鋼，即超低碳無間隙原子鋼，利用鈦、鈮等強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異的鋼材[1]。IF鋼作為冷軋薄板的重要原料，廣泛用于汽車中的各類復雜沖壓件、外板以及作為高性能鍍鋅基板[2]。鋼水潔凈度較差時，鋼中大型夾雜物往往是導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[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[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瘤，保證結晶器鋼水流場，降低鋼水卷渣幾率。

1 現狀調查

1.1 生產工藝流程

唐山不銹鋼公司的超低碳IF鋼生產采用的工藝流程為：高爐鐵水→復合噴吹脫硫→100 t頂底復吹轉爐→110 t RH爐→直弧形單流板坯連鑄機。轉爐具備基于LOMAS煙氣分析的自動化煉鋼模型，出鋼過程中隨鋼水流向鋼包內加入石灰和螢石，出鋼結束后關閉底吹，向鋼包液面加入爐渣改質劑，每爐加入的石灰、螢石和改質劑量均為固定值；RH為機械真空泵，可快速將真空度抽至2 mbar以下；連鑄具備大包下渣檢測、中包恒液位控制、VUHZ電磁結晶器液位控制系統，具備高質量汽車鋼的生產能力。采用這條產線，已成功生產出了IF鋼、雙相鋼、復相鋼等汽車用鋼。

1.2 缺陷分析

研究發現不銹鋼公司生產的深沖IF鋼，中包平均T[O]含量為30 ppm，與國內先進企業相比差距較大，見表1。部分用戶在制作油漆罐的深沖過程中，砂眼開裂比例高達22%，質量損失非常大，對我公司的市場形象造成了嚴重的影響。沖壓砂眼開裂實物見圖1（a），對缺陷進行取樣，在開裂處采用電子顯微鏡進行觀察，發現缺陷處存在異物，并用自帶的能譜儀對該異物進行化學元素分析，結果顯示該異物是Al2O3夾雜，見圖1（b）。在典型沖壓開裂缺陷的附近，沿著沖壓變形方向截取金相試樣，磨拋成鏡面后，在金相顯微鏡下發現了長度近150 μm的串聯狀夾雜物，見圖1（c）。由此可見，大尺寸的Al2O3夾雜是導致沖壓開裂的主要原因。

表1 國內外鋼鐵企業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自于脫氧產物Al2O3，被空氣或爐渣氧化而生成的二次氧化產物，以及包括卷渣和耐火材料剝落在內的外來夾雜物，見圖2。而鋼中的Al2O3夾雜物主要來自于脫氧產物和二次氧化產物。當鋼中Al2O3夾雜物較多時，在塞棒、侵入式水口內壁和側孔上存在蓄積長大和沖擊剝落的現象，大型Al2O3析出物沖入結晶器內，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源示意圖

2.2 影響因素分析

2.2.1 鐵水P含量

轉爐終渣TFe平均含量和出鋼結束后鋼包內鋼水溫度與入爐鐵水磷含量的關系如表2所示。從表2中可看出，隨著鐵水P含量的升高，轉爐終渣TFe含量顯著升高，尤其是P＞0.14%，TFe含量升至25%左右。同時，鐵水P含量升高，轉爐終點P含量也會升高，為了降低成分超標風險，被迫采用終點爐內脫磷或鋼包脫磷工藝，即利用強烈攪拌使鋼水與氧化性的高堿度爐渣進行充分接觸從而達到脫磷的目的，但是該工藝會導致溫度損失，降低爐后鋼包內鋼水溫度，提高了RH吹氧比例。

表2 鐵水[P]對轉爐終渣TFe和鋼水溫度的影響

2.2.2 轉爐底吹

圖3對比了轉爐爐役后期與新爐役的終點氧位控制情況。在爐役后期，幾乎每爐的終點氧位均大于800 ppm，顯著高于新爐役階段。這是由于爐役后期轉爐底吹系統堵塞嚴重，導致底吹效果弱，熔池脫碳反應動力學條件急劇惡化，轉爐冶煉末期鋼水過氧化現象嚴重。轉爐底吹效果差，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，隨著轉爐終點氧位的升高，連鑄中包T[O]隨之顯著升高，因此，降低轉爐終點氧位是提高鋼水潔凈度的重要措施。

圖3 轉爐爐役前后期終點氧位對比

圖4 轉爐終點氧位與連鑄中包全氧的關系

圖5 RH出站爐渣TFe與中包T[O]的關系

2.2.3 爐渣改質

中包T[O]與RH頂渣TFe含量具有如圖5所示的關系。中間包T[O]隨RH出站頂渣TFe含量的升高而顯著升高，可見RH頂渣TFe含量對鋼水潔凈度具有非常重要的影響。在現有的爐渣改質工藝條件下，RH出站TFe含量高且波動大，波動范圍為6～16%，極其不利于鋼水質量的穩定控制。

2.2.4 RH吹氧量

當鋼水溫度低時，RH只能通過鋁氧反應升溫的方式對鋼水進行補熱，但是在加鋁吹氧升溫的過程中，勢必將產生大量的Al2O3夾雜。根據生產經驗，噸鋼每吹1 Nm3氧氣，增加8 ppm氧位，將產生近17 ppm的Al2O3夾雜。產生的大量Al2O3夾雜無法在純循環過程中完全去除而殘留于鋼水中。另外，大量的Al2O3夾雜進入頂渣中，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，兩者之間的關系見表3所示。

3 改進措施

表3 吹氧量與T[O]的關系

3.1 控制鐵水P含量

冶煉品種鋼時，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，減輕了轉爐脫磷負擔。

3.2 轉爐底吹系統工藝優化

為了保證轉爐全爐役的復吹效果，降低全爐役碳氧積，降低轉爐終點鋼水和爐渣氧勢，對轉爐底吹磚的結構進行了優化，采用了三環縫底吹磚替代雙環縫底吹磚，優化了底吹工藝以及濺渣護爐工藝，同時采用了水基大面補爐料，使整個爐役的轉爐終點平均碳氧積由0.002187降低至0.001874（如圖6所示）；整爐役的轉爐平均終點氧位由716.7 ppm降低至623.8 ppm（如圖7所示），轉爐終渣的TFe含量降低了2.17%，同時脫磷率還由89.8%提高至90.9%。

3.3 優化爐渣改質

為了保證RH結束后頂渣對鋼水污染小，且具有較強的夾雜物吸附能力，頂渣的TFe含量應控制在8%以下，CaO/Al2O3比應控制在1.1～1.6之間。為了達到爐渣成分控制目標，規定了根據轉爐終點氧位加入石灰量和改質劑量。改質工藝優化后，RH爐渣改質后的平均TFe含量降至5.33%，TFe≤6%的比例達到70%。

圖6 優化前后碳氧積對比

圖7 優化前后轉爐終點氧位對比

3.4 優化RH吹氧工藝

在RH吹氧工藝優化前，為了保證自然脫碳，要求吹氧50%以后進行加鋁操作。在吹氧量大的時候，會導致鋼水氧位急劇升高，最高甚至達到1 300 ppm以上，從而造成鋼水以及爐渣的過氧化。為了避免上述工藝的弊端，根據不同的碳含量以及進站氧含量，計算出不同的吹氧量以及加鋁時機，避免鋼水過氧化。同時根據不同的鋼包狀態、進站條件、真空槽是否烘烤、連澆爐數等眾多因素進行集成，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，吹氧率降低30%，平均真空周期降低3.6 min。

通過轉爐底吹系統工藝的優化，RH爐渣改質工藝和吹氧工藝的優化，IF鋼平均中間包T[O]由之前的30 ppm降低至23 ppm，客戶沖壓開裂比例大幅降低。

4 結論

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夾雜物是導致IF鋼沖壓砂眼開裂的主要原因。圍繞Al2O3夾雜的控制，從轉爐和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，沖壓開裂比例大幅降低。主要得到以下結論：

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

（2）經過轉爐底吹系統的優化攻關，整爐役平均碳氧積降低至0.001874，平均終點氧降低至623.8 ppm。

（3）優化爐渣改質工藝，RH結束后爐渣的平均TFe含量降至5.33%，TFe≤6%的比例達到70%。

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