連退FD 表面缺陷控制研究

吳 倫，李 勤，孫曼華

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司制造部，河北 唐山 063200；2.北京首鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司，河北 唐山 063200）

隨著汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化，汽車企業(yè)愈加重視降本增效的研究。其中免中涂工藝作為汽車企業(yè)降本工作的重要措施，得到越來越多汽車企業(yè)的認(rèn)可。在推廣免中涂工藝過程中，由于汽車企業(yè)的涂漆工藝對(duì)表面缺陷的掩蓋能力較低，汽車企業(yè)對(duì)外板的表面質(zhì)量提出了更加嚴(yán)苛的要求。同時(shí)，隨著汽車外形設(shè)計(jì)的復(fù)雜化，汽車外板沖壓成型難度越來越大，對(duì)汽車外板的性能、成分均勻性和隱形夾雜等缺陷也提出了更高的要求。汽車板作為某公司戰(zhàn)略產(chǎn)品，近年來得到了大力發(fā)展，市場(chǎng)占有率逐年提高，同時(shí)也得到了客戶認(rèn)可。從目前某公司汽車外板生產(chǎn)過程來看，連退產(chǎn)品汽車外板在生產(chǎn)過程中卷渣、夾雜缺陷造成降級(jí)比率較高，對(duì)公司制造成本、交貨期管理產(chǎn)生較大影響。因此，對(duì)連退FD 表面缺陷控制研究對(duì)某公司連退汽車外板的品牌發(fā)展有著深遠(yuǎn)意義。

1 項(xiàng)目背景

1—10 月，連退FD 月均煉鋼缺陷降級(jí)率為7.00%，鍍鋅FD 的該指標(biāo)為3.45%，連退FD 月均缺陷率約為鍍鋅FD 的2 倍，具體降級(jí)情況如圖1 所示。

圖1 1—10 月連退、鍍鋅FD 煉鋼缺陷降級(jí)情況

2 FD 表面煉鋼缺陷分析

對(duì)連退FD 鋼卷表面煉鋼缺陷取樣，電鏡結(jié)果顯示連退FD 表面條狀缺陷主要有兩種類型，即Al2O3類夾雜物和保護(hù)渣類缺陷。

2.1 Al2O3 夾雜缺陷

冷軋卷表面可見銀白色或黑色條狀缺陷，白色居多，沿著軋制方向呈斷續(xù)分布，無手感，長(zhǎng)度范圍很大，短的只有幾十厘米，長(zhǎng)的可達(dá)數(shù)米，寬度約0.5～3 mm 不等，電鏡觀察位置寬度為3 mm，如下頁圖2 所示。通過電鏡對(duì)比冷軋板表面試樣正常位置與缺陷處可以看到，缺陷處具有較明顯的起皮分層現(xiàn)象，并且皮下及周邊含有較多的黑色點(diǎn)狀物質(zhì)，而正常處表面較為平整，如下頁圖3 所示。下頁圖4 為缺陷典型位置在100×、250×和500×下的EDS 能譜分析結(jié)果，由能譜結(jié)果可知，缺陷處主要成分為Al2O3，其在缺陷附近離散分布。選取圖3 中缺陷處為代表，作面掃描分析，結(jié)果如下頁圖5 所示。從面掃描結(jié)果也可以清楚地看出缺陷處的主要成分為Al和O，由此也可進(jìn)一步確定其為Al2O3夾雜物，且呈顆粒狀聚集分散在缺陷位置，尺寸在幾微米到十幾微米不等。Al2O3類夾雜條狀缺陷產(chǎn)生的主要原因有兩種，一是鋼中的簇群狀A(yù)l2O3夾雜物在鋼板軋制時(shí)破碎；二是裹挾Al2O3夾雜物的氣泡被坯殼捕捉，在軋制過程破碎[1]。

圖2 條狀缺陷宏觀照片圖

圖3 正常處與缺陷處電鏡對(duì)比

圖4 缺陷典型位置能譜分析結(jié)果

圖5 缺陷處的面掃描分析結(jié)果

2.2 保護(hù)渣缺陷

保護(hù)渣類線形缺陷在熱軋板表面可見明顯灰黑色線狀缺陷，沿著軋制方向呈連續(xù)分布，嚴(yán)重時(shí)有手感，兩面都有，長(zhǎng)度范圍很大，短的只有幾十厘米，長(zhǎng)的可達(dá)1 m，寬度約2～5 mm 不等，如圖6 所示。冷軋板表面可見銀白色或黑色條狀缺陷，沿著軋制方向呈斷續(xù)分布，輕微時(shí)無手感，嚴(yán)重時(shí)有手感，兩面都有，長(zhǎng)度范圍很大，短的只有幾十厘米，長(zhǎng)的可達(dá)數(shù)米，寬度約1～3 mm 不等。

圖6 線狀缺陷宏觀形貌

3 連退FD 煉鋼缺陷降級(jí)原因分析

3.1 連鑄過程鋼水二次氧化

煉鋼工序從液態(tài)鋼水到固態(tài)鑄坯歷經(jīng)環(huán)節(jié)多，夾雜物成因復(fù)雜，盡管煉鋼、精煉環(huán)節(jié)均會(huì)導(dǎo)致夾雜產(chǎn)生，但連鑄過程的二次氧化無疑會(huì)加劇鋼水潔凈度惡化。鋼流二次氧化不僅會(huì)增加鋼中的細(xì)小氧化物夾雜的含量，造成流鋼通道堵塞，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)紊亂，結(jié)晶器內(nèi)自由液面波動(dòng)加劇、卷渣幾率大幅上升，而且會(huì)增加鋼中大型氧化物夾雜的數(shù)量，尤其是簇狀A(yù)l2O3夾雜，會(huì)在冷軋卷表面形成線狀質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品降級(jí)[2]。

3.2 保護(hù)渣性能有待優(yōu)化

對(duì)超低碳鋼保護(hù)渣性能進(jìn)行測(cè)試，跟蹤超低碳鋼熱、冷軋卷表面卷渣缺陷發(fā)生情況發(fā)現(xiàn)，超低碳鋼保護(hù)渣存在以下問題：超低碳鋼保護(hù)渣中Na2O 含量較高，這會(huì)降低保護(hù)渣與鋼水的界面張力；超低碳鋼保護(hù)渣1 300 ℃下的黏度偏低，為0.44 Pa·s；保護(hù)渣堿度較低，渣膜在彎月面區(qū)域傳熱能力較強(qiáng)，促進(jìn)了初生鉤狀坯殼（hook）的生長(zhǎng)[3]。

3.3 過程指標(biāo)控制有待提高

鍍鋅FD 產(chǎn)品訂單較為集中，便于集中組織生產(chǎn)，過程參數(shù)比較穩(wěn)定。而連退FD 訂單比較分散，集中生產(chǎn)組織比較困難，與鍍鋅FD 相比，存在個(gè)別指標(biāo)控制稍差的現(xiàn)象，具體如表1 所示。

表1 連退FD 與鍍鋅FD 過程指標(biāo)對(duì)比

3.4 其他

產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)上線后，煉鋼板坯品質(zhì)判定模型參考某先進(jìn)鋼廠模式。其判定模式與某公司的生產(chǎn)節(jié)奏和控制水平不太適應(yīng)。系統(tǒng)上線后，發(fā)現(xiàn)按照原來38 條判定規(guī)則應(yīng)該降級(jí)的板坯，沒有在煉鋼工序中被識(shí)別，造成部分不符合FD 訂單板坯進(jìn)入FD軋制序列。

此外，因冷軋重卷產(chǎn)線不具備外板剪切能力，造成部分物料缺陷在頭、尾處鋼卷整卷降級(jí)。

4 連退FD 煉鋼缺陷控制方案

4.1 中間包封閉澆注，降低鋼水二次氧化

連鑄過程鋼水二次氧化來源有：注流與空氣接觸直接吸收空氣中的氧；注流卷入的空氣與中間包、結(jié)晶器內(nèi)鋼水的相互作用；耐火材料與鋼水的相互作用以及卷入的渣滴與鋼水的相互作用[4]。因此，主要針對(duì)以上來源開展工作。

4.1.1 中間包全密封攻關(guān)

設(shè)計(jì)中間包包蓋吹氬，開發(fā)烘烤孔、沖擊區(qū)專用密封石棉板，開展溢溜槽、塞棒孔密封等，實(shí)現(xiàn)了中間包開孔的全密封。

連鑄保護(hù)澆鑄中主要采用了固體保護(hù)的方式，其主要目的是隔絕空氣，避免空氣中的氧氣和高溫鋼水發(fā)生氧化反應(yīng)，降低鋼水中雜質(zhì)含量，提高鋼水潔凈度[5]。為降低空氣中氧氣和高溫鋼水接觸的幾率，降低二次氧化幾率，針對(duì)性地開發(fā)了以下專用耐材和保護(hù)澆鑄技術(shù)：

1）中間包烘烤前，包沿和包蓋間使用專用耐火泥密封，塞棒孔使用耐火石棉氈密封，如圖7-1；

2）停止烘烤后，立即使用專用石棉蓋板覆蓋烘烤孔，使用專用石棉氈遮蓋溢溜槽，如圖7-2；

3）開澆后，長(zhǎng)水口沖擊區(qū)使用專用防護(hù)板覆蓋，如圖7-3。

圖7 中間包全密封保護(hù)澆鑄圖

執(zhí)行中間包密封措施后，中間包全氧（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）均值降低約0.5×10-6。

4.1.2 中間包包蓋吹氬

開發(fā)吹氬包蓋。為了在中間包內(nèi)形成惰性氣體保護(hù)氛圍，開發(fā)了連鑄用吹氬型中間包包蓋。在永久層上部埋入吹氬導(dǎo)管，并通過吹氬支管穿過工作層與吹氬導(dǎo)管相連，使吹氬支管位于鋼液面之上，氬氣經(jīng)吹氬導(dǎo)管后由吹氬支管吹入鋼液面，形成氬氣氛圍，從而隔絕空氣，避免了二次氧化[6]。包蓋吹氬示意圖如圖8 所示。

圖8 包蓋吹氬示意圖（mm）

采取中間包預(yù)吹氬技術(shù)。該技術(shù)的工藝原理是：在開澆前的規(guī)定時(shí)間內(nèi)，向中間包內(nèi)吹入一定量的氬氣。由于氬氣的密度比空氣小，在中間包內(nèi)擴(kuò)散后，將包內(nèi)空氣排出。從而使中間包內(nèi)形成氬氣氛圍，阻止了空氣與鋼水接觸，有效地避免了鋼水二次氧化。包蓋吹氬實(shí)物如圖9 所示。

圖9 中間包包蓋吹氬實(shí)物圖

4.1.3 中間包自動(dòng)高液位開澆

通過對(duì)原有開澆技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和歸納，同時(shí)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，提高中間包開澆噸位，即由25 t 開澆提高至50 t 開澆，進(jìn)一步促進(jìn)夾雜物上浮，并在中間包噸位為30 t 時(shí)向2 個(gè)塞棒孔加入覆蓋劑，以減少鋼水裸露導(dǎo)致的二次氧化。

4.1.4 中間包恒噸位控制

穩(wěn)定控制中間包噸位是連鑄生產(chǎn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，保持中間包噸位恒定，才能確保中間包內(nèi)鋼液面穩(wěn)定，避免因液面迅速變化影響鋼水表面覆蓋劑的均勻覆蓋，降低二次氧化。通過開發(fā)自動(dòng)化程序，成功將中包噸位手動(dòng)控制升級(jí)為恒噸位自動(dòng)控制，澆鑄過程中包噸位變化控制在≤±0.7 t 以內(nèi)，有效實(shí)現(xiàn)了中間包內(nèi)鋼液面穩(wěn)定，改造前后中包噸位變化情況如下頁圖10 所示。

圖10 改造前后中包噸位變化情況

4.2 優(yōu)化保護(hù)渣表面張力、黏度和堿度

目前某公司超低碳鋼澆鑄過程結(jié)晶器內(nèi)卷渣的發(fā)生方式主要為剪切卷渣和旋渦卷渣。其中剪切卷渣是鋼液流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力克服了渣鋼界面的界面張力從而使渣滴脫離鋼渣界面的過程。因此鋼渣界面張力越低，就越容易產(chǎn)生卷渣。發(fā)生剪切卷渣的臨界速度為：

式中：ρs為保護(hù)渣密度，kg/m3；ρm為鋼水密度，kg/m3；μs為保護(hù)渣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；μm為鋼水運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；g 為重力加速度，m/s2；σms為鋼渣界面張力，N/m；uc為臨界速度，m/s；C0為相關(guān)系數(shù)。

由臨界速度公式可知，鋼渣界面張力越小，產(chǎn)生卷渣的臨界速度就越小，就越容易產(chǎn)生卷渣。圖11為鋼渣界面張力對(duì)卷渣影響的水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，卷渣次數(shù)隨著鋼渣間界面張力的減小而增加[7]。

圖11 卷渣與渣鋼界面張力的關(guān)系

圖12 為液渣黏度對(duì)卷渣影響的水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，卷渣次數(shù)隨著液渣黏度的減小而增加。這是因?yàn)橐涸鼘羽ざ鹊脑黾訒?huì)增加液渣層對(duì)結(jié)晶器表面水平流動(dòng)鋼液的黏性阻力，從而使結(jié)晶器表面的鋼液流速減慢，從而降低卷渣發(fā)生幾率。需要注意的是，圖中的液渣黏度是在約1 550 ℃鋼水溫度下的液渣黏度，而慣常保護(hù)渣測(cè)試給出的是1 300 ℃下的黏度。根據(jù)保護(hù)渣黏度-溫度特性，由阿倫尼烏斯公式推導(dǎo)可得，圖中黏度為0.125～0.20 Pa·s 的保護(hù)渣對(duì)應(yīng)1 300 ℃下的黏度應(yīng)為0.577～0.924 Pa·s。

圖12 液渣黏度對(duì)卷渣的影響

保護(hù)渣堿度較低時(shí)，由于渣膜在彎月面區(qū)域有較強(qiáng)的傳熱能力，能夠促進(jìn)初生鉤狀坯殼（hook）的生長(zhǎng)。一旦保護(hù)渣被卷入鋼液中，將會(huì)有很高的幾率被凝固溝捕捉，凝固溝越大，保護(hù)渣越容易被捕捉[8]。因此，通過調(diào)控保護(hù)渣堿度來達(dá)到調(diào)控保護(hù)渣轉(zhuǎn)折溫度（凝固溫度）的目的，降低結(jié)晶器坯殼與銅板間的熱流密度，間接抑制凝固溝的生長(zhǎng)，從而降低保護(hù)渣被凝固溝捕捉的幾率。根據(jù)以上理論分析，再結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)超低碳鋼保護(hù)渣的界面張力、黏度以及堿度進(jìn)行了優(yōu)化，保護(hù)渣優(yōu)化前、后理化指標(biāo)情況如表2 所示。

表2 保護(hù)渣優(yōu)化前、后理化指標(biāo)

4.3 品質(zhì)判定模型優(yōu)化

反查降級(jí)鋼卷對(duì)應(yīng)板坯，板坯異常信息見表3。

表3 異常板坯信息

1）異常信息：液面波動(dòng)5～8 mm。按照某先進(jìn)鋼廠判定模式，可以判定為外板板坯，但是按照某公司38 條判據(jù)，液位波動(dòng)5～8 mm，不能判定為外板板坯。發(fā)現(xiàn)此問題后，協(xié)同某公司制造部產(chǎn)品室和技術(shù)管理室一起，增加系統(tǒng)異常信息代碼。

2）異常信息：變拉速坯。按照某公司38 條判定規(guī)則，低斜率變拉速變化＞0.5 m/min2，不能作為外板板坯。通過跟蹤發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)D 低斜率變拉速坯降級(jí)情況達(dá)到50%，產(chǎn)銷系統(tǒng)中修訂為變拉速即降級(jí)。

3）異常信息：異鋼種連澆和尾坯。產(chǎn)銷系統(tǒng)中有相應(yīng)的異常代碼，但是煉鋼P(yáng)ES 系統(tǒng)沒有執(zhí)行該鋼規(guī)則。與產(chǎn)銷團(tuán)隊(duì)一起修訂系統(tǒng)漏洞，防止異常板坯流入FD 訂單。

4.4 軋鋼工序工作開展

對(duì)9 月份實(shí)際降級(jí)的FD 產(chǎn)品進(jìn)行分析。9 月份連退FD 產(chǎn)品實(shí)際降級(jí)46 卷，重502 t。通過工序一貫制系統(tǒng)，對(duì)該批次降級(jí)的產(chǎn)品進(jìn)行反查：降級(jí)缺陷與熱軋表檢有對(duì)應(yīng)關(guān)系的12 卷，所占比例26%；降級(jí)缺陷所在位置距帶頭帶尾10 m 左右的8 卷，所占比例17.4%；降級(jí)缺陷所在位置距帶剛邊部小于100 mm 的3 卷，所占比例6.5%。后續(xù)根據(jù)這三種情況，展開以下工作：

1）熱軋開展缺陷打磨工作，降低原料缺陷帶來的影響；

2）冷軋開展頭、尾切除缺陷工作，切除后若滿足訂單單重要求，則去重卷切除頭尾缺陷，減少因頭、尾缺陷導(dǎo)致的整卷降級(jí)；

3）制造部產(chǎn)品室與客戶協(xié)商缺陷交貨標(biāo)準(zhǔn)（缺陷位于邊部≤100 mm），或?qū)θ毕菸恢眠M(jìn)行劃線，減少因不滿足大卷交貨帶來的整卷降級(jí)。

5 結(jié)論

1）針對(duì)連退FD 煉鋼缺陷率高的問題，分析了缺陷類型，由此確認(rèn)了連退FD 煉鋼缺陷主要為Al2O3夾雜和保護(hù)渣。

2）從減少鋼水二次氧化和保護(hù)渣卷入兩方面入手，開發(fā)了中包全密封澆鑄、包蓋吹氬、高噸位開澆及恒噸位澆鑄技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)澆鑄過程的全保護(hù)澆鑄，同時(shí)提高了保護(hù)渣的黏度、表面張力及堿度，降低了剪切卷渣的幾率。

3）優(yōu)化了煉鋼品質(zhì)判定模型中FD 訂單板坯挑選規(guī)則。

4）通過相關(guān)措施的執(zhí)行，有效降低了連退FD煉鋼缺陷降級(jí)率，降級(jí)率由6 月的6.3%降至10 月的4.1%。