低鋁436超純鐵素體不銹鋼表面起皮缺陷分析與改進

方健，劉文華，徐向東，方劍鋒

（鞍鋼聯眾（廣州）不銹鋼有限公司，廣東 廣州 510760）

436超純鐵素體不銹鋼通過降低C、N含量，添加一定量的Mo含量，并采用Nb、Ti等穩定化元素因而具有優異的耐蝕性能，廣泛應用于汽車排氣管領域[1]，市場需求量較大。鞍鋼聯眾（廣州）不銹鋼有限公司在生產436超純鐵素體不銹鋼時,有客戶要求該鋼種成品全Al含量≤0.015%，因此其VOD工序采用Si-Al復合脫氧工藝，并管控鋁錠添加量。在開發初期，低鋁436鋼種表面起皮缺陷降級率30%以上，不良品率較高，本文在分析起皮缺陷產生原因基礎上，采取了優化措施，表面起皮缺陷得到了有效改善，對此做一介紹。

1 生產工藝

1.1 工藝流程

煉鋼生產工藝流程為：150 t EAF→170 t AOD→170 t VOD→170 t LF→SCC，澆鑄成200 mm厚的鋼坯，主要生產工藝為：

（1）VOD還原期采用Si-Al復合脫氧，其中鋁錠固定添加量為3 kg/t，剩余還原物料用硅鐵補充。鋁錠和硅鐵還原物料、石灰和螢石助溶劑物料混合在一起，通過高位料倉加入鋼包。

（2）LF工序先通過喂線機喂入一定量的鈦線進行鈦合金化，再喂入適量高鈣線進行鈣處理，軟吹時間≥20 min。

1.2 化學成分

試驗材料取自大生產中存在起皮缺陷的鋼卷樣品，低鋁436超純鐵素體不銹鋼化學成分如表1所示。

表1 低鋁436不銹鋼典型化學成分（質量分數）Table 1 Typical Chemical Compositions in Low Aluminum 436 Stainless Steel（Mass Fraction） %

2 表面起皮缺陷分析

2.1 缺陷檢測分析

低鋁436超純鐵素體不銹鋼冷軋后起皮缺陷目視為條狀白線，如圖1所示。嚴重時有明顯起皮，缺陷長度一般在200～500 mm，嚴重時可達1 000 mm，缺陷隨機分布于鋼帶表面。

圖1 表面起皮缺陷形狀Fig.1 Shapes of Surface Peeling Defects

利用掃描電鏡（SEM）對缺陷樣品微觀形貌進行觀察，利用能譜分析方法對缺陷處成分進行分析，表面起皮缺陷微觀形貌及EDS成分分析如圖2所示。

圖2 表面起皮缺陷微觀形貌及EDS成分分析Fig.2 Microscopic Morphology of Surface Peeling Defects and Analysis on Compositions by EDS

由圖 2 可知，在缺陷處含有 Ti、Ca、Al、Mg 等的氧化物，為CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等復合型夾雜物[2]。故此復合型夾雜物是低鋁436鋼種表面起皮缺陷產生的直接原因。

2.2 生產數據統計分析

為分析低鋁436鋼種起皮缺陷發生的根本原因，分別挑選表面起皮缺陷降級率較高和降級率較低的典型爐次，在VOD、LF及連鑄工序中，選取與脫氧工藝以及夾雜物元素相關的 Si、Al、Ti、Ca、O元素進行成分比較，成分對比如表2所示。

表2 煉鋼工序成分比較（質量分數）Table 2 Comparison of Compositions at Each Stage of Steelmaking Process （Mass Fraction） %

通過對比，發現兩者VOD出鋼Al、Si含量存在差異：表面起皮缺陷降級率高的爐次，VOD出鋼全Al、Si含量較低，連鑄取樣總氧含量較高；表面起皮缺陷降級率低的爐次，VOD出鋼全Al、Si含量較高，連鑄取樣總氧含量較低。

低鋁436鋼種VOD還原采用Si-Al復合脫氧模式，其中鋁錠固定添加量約3 kg/t，剩余通過添加硅鐵脫氧。如果鋼液中Al含量過低，鈦合金化后會生成大量Ti的氧化物[3],采用Al脫氧工藝時需要進行鈣處理[4]，這使得鋼液中會產生 CaO·TiO2型夾雜物。另外，鋼液中還存在不可避免的Al2O3及MgO，易形成CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等復合型夾雜物。在滿足成品全Al含量≤0.015%前提下，提高VOD出鋼Al含量可降低此類夾雜物產生概率。

2.3 夾雜物演變過程分析

為理清CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等復合型夾雜物形成過程，取VOD還原期后、鈣處理后以及LF鈦合金化后三個工序測鋼樣成分的保留樣，利用掃描電鏡對其夾雜物形貌進行檢測及EDS成分分析，結果分別如圖3、4、5所示。

圖3 VOD還原期后夾雜物形貌與EDS成分分析Fig.3 Morphology of Inclusions after Reduction by VOD and Analysis on Compositions by EDS

圖4 精煉爐鈣處理后夾雜物形貌與EDS成分分析Fig.4 Morphology of Inclusions after Treatment of Calcium by Refining Furnace and Analysis on Compositions by EDS

圖5 精煉爐Ti合金化后夾雜物形貌與EDS成分分析Fig.5 Morphology of Inclusions after Ti-alloying by Refining Furnace and Analysis on Compositions by EDS

圖3中，夾雜物呈圓球狀，以 SiO2、Al2O3、CaO、MgO等為主，這是VOD還原采用的Si-Al復合脫氧而生成的SiO2、Al2O3脫氧產物；鋼液中還有不可避免的來自于爐渣中的CaO，以及爐襯耐火材料中的MgO。

圖4中，夾雜物呈圓球狀，以CaO和Ti的氧化物為主。由于Ca元素比Al、Ti元素更活潑，微量的Ca含量就可以生成CaO，鋼液中還有不可避免存在的Al2O3、MgO氧化物，易形成CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等復合夾雜物。

圖5中，夾雜物呈不規則形狀，以Ti的氧化物為主，還有少量的Al2O3、CaO和MgO夾雜物。由于 VOD 出鋼 Al、Si含量較低，根據文獻[5]中 Al、Ti競爭性氧化熱力學關系，不同溫度下Ti、Al活度比值見圖6。

圖6 不同溫度下Ti、Al活度比值Fig.6 Specific Values for Activities of Ti and Al at Different Temperatures

從圖6可知，由于鋼液中Al含量較低，Ti合金化后易奪取Al2O3中的氧元素生成Ti的氧化物。

3 改進措施

文獻[6]中提到，提高鋼液中Al含量可以有效改善表面起皮缺陷。但為滿足客戶436鋼種成品Al含量≤0.015%的特殊要求，VOD還原期如過多添加鋁錠脫氧，成品全Al含量有超標風險。從表2中 VOD 出鋼 Al、Si成分可以看出，Al、Si含量存在同時偏高或同時偏低情形,這是因為如果VOD還原料Al、Si添加量偏少，鋼液中還殘留游離氧會繼續與Al、Si反應而導致Al、Si含量都偏低；反之，Al、Si添加量較多，鋼液中殘留的游離氧較少，剩余的 Al、Si以合金成分體現出來，由于 Al、Si在脫氧過程中也存在競爭性氧化問題，最后Al與Si含量會達到一動態平衡。對VOD出鋼Si含量與Al含量進行數據統計，VOD出鋼Si含量與Al含量的關系見圖7。從圖7可以看出，VOD出鋼Al含量隨出鋼Si含量的增加而增加，并得到出鋼Si與Al含量的一次線性方程：

圖7 VOD出鋼Si含量與VOD出鋼Al含量的關系Fig.7 Relationship between Content of Si and Content of Al during Tapping by VOD

式中，Y為VOD出鋼Al含量；X為VOD出鋼Si含量。因Al含量需控制在0.015%以內，由圖6可知，為降低Ti/Al活度比值，減少Ti的氧化物，也需要控制Ti含量不宜過高，經熱力學計算，Ti管控在0.20%以內即可。

對VOD出鋼Si含量與表面起皮缺陷降級率是否存在線性關系進行數據統計分析 （統計數據不含頭坯），表面起皮缺陷降級率與VOD出鋼Si含量的關系如圖8所示。統計結果顯示VOD出鋼Si含量與表面起皮缺陷降級率有強相關性：VOD出鋼Si含量越低，表面起皮缺陷降級率越高，反之則表面起皮缺陷率則越低。管控VOD出鋼Si含量大于0.15%，結合線性方程（1）可知，全Al含量控制在0.009%以上，可有效降低表面起皮缺陷降級率。

圖8 表面起皮缺陷降級率與VOD出鋼Si含量的關系Fig.8 Relationship between Degradation Rate of Surface Peeling Defects and Content of Si during Tapping by VOD

綜上，VOD還原期鋁錠添加量固定為3 kg/t，VOD出鋼Si含量控制在0.15%～0.30%，全Al含量整體控制在 0.009%～0.015%，Ti含量控制在0.20%以內，既可保證成品全Al含量≤0.015%，又能降低表面起皮缺陷。

4 實施效果

通過管控VOD出鋼Si含量在0.15%～0.30%，全Al含量控制在0.009%～0.015%，Ti含量控制在0.20%以內。低鋁436鋼種表面起皮缺陷改善效果見圖9，表面起皮缺陷降級率由改善前的30%以上降低至改善后的6%以下，改善效果較為明顯。

圖9 低鋁436鋼種表面起皮缺陷改善效果Fig.9 Improvement Effect of Peeling Defects on Surface of Low Aluminum 436 Steel Coils

5 結論

（1）導致低鋁436鋼種易產生表面起皮缺陷的原因是VOD出鋼Al、Si含量偏低，后續Ti合金化及鈣處理易生成Ti的氧化物和CaO夾雜物，最終形成CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等復合型夾雜物。

（2）VOD出鋼Si含量控制在0.15%～0.30%，全Al含量控制在0.009%～0.015%，Ti含量控制在0.2%以內，既能保證成品全Al≤0.015%，又改善了低鋁436鋼種表面起皮缺陷，起皮缺陷降級率由高于30%降低為6%以下。