冷轧薄板表面缺陷的控制

冷轧薄板表面缺陷的控制

厚度为0.15.2mm的冷板广泛应用于汽车、家电、电子、饮料等产品。除了具有良好的耐荫性外，还需要具有良好的表面质量。以汽车钢板为例,大多数汽车厂均要求汽车外板表面无缺陷(“O5”表面品质)。由于钢中非金属夹杂物是造成冷轧钢板表面缺陷的重要原因,因此对冷轧薄板钢洁净度和钢中夹杂物的控制要求非常严格。近年来国内钢铁企业生产汽车、家电等优质冷轧钢板产量增加很快,装备和工艺技术水平也有了很大提高,但许多近年新开始生产冷轧薄板的钢厂,在钢洁净度、非金属夹杂物稳定性控制方面还存在较多问题。本文结合近期首钢京唐钢铁公司与北京科技大学合作在生产优质汽车钢板方面开展的试验研究,对高品质冷轧薄板钢类非金属夹杂物控制技术进展与当前存在主要问题进行分析论述。1形缺陷提出在钢板壁由于钢中非金属夹杂物而形成的冷轧钢板表面缺陷主要为沿钢板长度方向延展的线形缺陷(sliver),图1为典型线形缺陷的照片。此类缺陷宽度在1~5mm,长度在数十毫米至数米之间,有“黑线”和“亮线”不同类型,程度较重的线形缺陷会造成钢板表面开裂,暴露于钢板表面,而较轻的缺陷可以由表面色差观察到,但触摸时感觉不到。造成冷轧钢板表面线形缺陷主要有3类非金属夹杂物:1)钢中的簇群状Al2O3夹杂物在钢板轧制时破碎,沿轧制方向铺展延伸并暴露于钢板表面;2)连铸结晶器保护渣卷入钢液形成的大型夹杂物,在轧制过程发生破碎,铺展、延伸并暴露于钢板表面;3)连铸过程为密封和防止Al2O3夹杂物在水口内壁黏接堆积,在中间包塞棒、水口、滑板处吹氩,Ar随钢液进入结晶器后,形成Ar气泡并在上浮过程中与Al2O3夹杂物碰撞并将其捕捉,形成“Ar气泡+Al2O3”结构。此类带有Al2O3夹杂物的气泡被坯壳捕捉,轧制过程破碎延伸成为钢板表面“线形”缺陷。对于冷轧薄板钢类铸坯中有害夹杂物的“临界尺寸”,即能够造成钢板表面缺陷的最小夹杂物尺寸,目前尚没有较统一认识。Emi在其著作中引用了如下数据:冷轧钢板有害夹杂物“临界尺寸”为240μm,用于制作DI罐薄板的有害夹杂物“临界尺寸”为50μm。丸川雄净提出,用于超深冲汽车钢板的铸坯中夹杂物应小于100μm。尽管对有害夹杂物“临界尺寸”具体数值有分歧,但统一一致的认识是,能够造成冷轧薄板表面缺陷的主要是钢中的大型夹杂物,即大型簇群状Al2O3、“Ar气泡+Al2O3”和结晶器保护渣卷入形成的夹杂物。2钢水净度的控制冷轧薄板多为低碳、超低碳含量的铝脱氧钢(w([Al])=0.025%~0.070%),硅含量很低,钢中内生类非金属夹杂物主要为Al2O3,以大型簇群状Al2O3、较小簇群状Al2O3和块状Al2O3等不同形式存在,其中大型簇群状Al2O3是由微小Al2O3聚合而形成的。减少大型簇群状Al2O3夹杂物,一方面要尽量由钢液中去除铝脱氧反应生成的Al2O3;另一方面要严格防止钢水被二次氧化造成Al2O3增多。目前所采取的工艺技术措施主要有:1)转炉炼钢终点钢水[O]含量与炉渣氧化性的控制;2)严格控制转炉出钢带渣;3)RH精炼快速脱碳,足够纯循环时间,严格控制加铝吹氧升温等;4)采用大容量连铸中间包促进夹杂物上浮去除;5)严密保护浇铸(钢包自开,钢包-长水口间密封,中间包内非氧化气氛控制,塞棒、滑板吹氩密封等)。由于冷轧薄板多为铝脱氧钢,因此钢的总氧含量(w(TO))能够反映钢中Al2O3夹杂物含量。日本JFE公司西日本制铁所仓甫钢厂(原川崎制铁公司水岛钢厂)对连铸中间包内钢水w(TO)与冷轧薄板表面缺陷之间关系进行了研究,发现当中间包钢水w(TO)低于30×10-6时,冷轧钢板没有表面缺陷。近年来国内钢铁企业生产优质冷轧钢板,钢的洁净度控制水平提高很快。图2为首钢京唐钢铁公司生产IF钢,不同工序钢的总氧含量变化情况。可以看到,尽管转炉终点钢水w(TO)偏高((778~1354)×10-6),但RH精炼后能够将w(TO)降低至(26~46)×10-6,中间包钢水试样w(TO)则全部在30×10-6以下,达到了JFE公司仓甫钢厂提出的总氧含量控制目标水平。图3为采用具备自动分析功能的ASPEX扫描电镜,对首钢京唐钢铁公司生产IF钢在连铸中间包钢水试样表面检测到的Al2O3夹杂物数量。可以看到,在中间包钢水试样中检测到的中Al2O3夹杂物大多在15μm以下,5~50μm夹杂物数量密度在1.1~1.6个/cm2,没有检测到大于100μm夹杂物存在。目前国内钢铁企业在优质冷轧薄板钢类的洁净度和Al2O3夹杂物控制方面,较突出问题主要为:1)转炉底吹搅拌强度低,底吹气体流量大多在0.08m3/(min·t)以下,转炉终点钢水[O]含量和炉渣FetO含量偏高;2)转炉出钢下渣量较大,所形成的高氧化性顶渣在其后精炼和连铸过程会与钢液中[Al]反应,增加Al2O3夹杂物数量;3)保护浇铸大多存在问题,尤其是连铸开浇、钢包-长水口间密封、中间包气氛控制等方面。3保护渣卷渣的缺陷连铸过程当对结晶器内钢水流动控制不当时,钢液上方的保护渣滴(或颗粒)会被卷入钢液,如被凝固坯壳捕捉便会成为非金属夹杂物。由于保护渣卷入形成的夹杂物尺寸大,且靠近铸坯表面,极易成为冷轧薄板的表面缺陷。对板坯连铸结晶器保护渣卷渣机制有很多研究,Yoshida等将卷渣归结为以下类别:1)结晶器窄边附近钢水表面折返流造成的卷渣;2)浸入式水口两侧钢水流动不对称造成的钢水表面漩涡造成卷渣;3)钢水中上浮的Ar气泡冲击搅动钢液/保护渣界面引起的卷渣;4)保护渣沿浸入式水口外表面“抽引”进入钢液造成的卷渣。对结晶器保护渣卷渣的控制主要有以下措施:1)通过优化浸入式水口(SEN)结构、SEN浸入深度、采用合理拉速、精确控制液面波动等,控制结晶器内钢水流动(上下回流比例、表面流速、液面波动等);2)减少连铸拉速波动,许多钢厂已采用“恒拉速”连铸;3)采用较高黏度结晶器保护渣;4)防止水口黏接、堵塞造成钢水正常流动模式改变(偏流)等。日本JFE公司Awajiya等对IF钢高拉速(2.33~2.41m/min)连铸坯非金属夹杂物含量进行分析研究,他们在铸坯上下表面共截取28块试样,将外表面去掉1mm后,采用光学显微镜对试样表面不小于50μm的夹杂物进行检验统计,每个试样分析检验面积为30mm×30mm,分析检验的总面积为25200mm2。表1为Awajiya等的分析测定结果,可以看到,存在于铸坯表层的大型夹杂物主要为簇群状Al2O3和“气孔+Al2O3”夹杂物,没有检测到结晶器保护渣卷渣形成的夹杂物。如考虑其分析检验面积,Awajiya等测定得到的3个试验炉次的不小于50μm夹杂物数量密度分别为0.48、0.51和0.52个/cm2。首钢京唐钢铁公司与北京科技大学合作,对IF钢连铸板坯表层试样的夹杂物也进行了测定分析,采用的连铸拉速为1.0~1.5m/min,铸坯宽度为1200mm,对铸坯在内弧侧上表面沿宽度方向截取7块70mm×50mm试样,将表面去掉0.5mm后制成分析检验用试样,采用ASPEX扫描电镜对不小于50μm夹杂物进行检验统计,在表2给出的测定结果中,簇群状Al2O3夹杂物包括了“气孔+Al2O3”类夹杂物的数量。可以看到,与JFE公司Awajiya等的结果相似,在首钢京唐公司生产的IF钢铸坯表层试样也未检测到保护渣卷渣形成夹杂物。值得关注的是,尺寸不小于50μm夹杂物数量在0.21~0.44个/cm2范围,低于JFE公司IF钢铸坯表层试样大型夹杂物数量密度(0.48~0.52个/cm2)。对于连铸结晶器保护渣卷渣,普遍认为高拉速易造成钢水液面波动和流速增加,导致保护渣卷入,因此生产优质冷轧薄板钢类不宜采用较高拉速。近年来,随着更多铸机采用具备电磁制动功能的FC结晶器、MM-EMS结晶器等,即便采用高拉速也能对结晶器钢水液面波动实施良好的控制。图4为首钢京唐钢铁公司浇铸1050mm宽、237mm厚的低碳铝脱氧钢铸坯,不同拉速条件下结晶器钢水液面的波动情况。可以看到,采用FC结晶器后,在2.1m/min高拉速下钢水液面波动仍可小于±3mm(与常规拉速下液面波动值相当)。由于可以对高拉速条件下结晶器钢水液面波动加以很好控制,日本的一些钢厂(如JFE公司西日本制铁所、新日铁公司名古屋制铁所)在生产汽车钢板时采用了2.0m/min以上高拉速,如上述Awajiya等报告的JFE西日本制铁所福山钢厂生产IF钢即采用了2.33~2.41m/min拉速。首钢京唐钢铁公司正在开展高拉速连铸试验,目前生产237mm厚板坯,最高已可采用2.4m/min拉速。表3为京唐公司生产冷轧薄板钢类,不同拉速条件下铸坯表层试样(表面0.5mm下)夹杂物数量,可以看到,同Awajiya等报告JFE福山钢厂高拉速连铸情况相似,首钢京唐公司采用高拉速,在正常浇铸铸坯表层部位也未检测到保护渣卷渣形成的大型夹杂物。近年来国内钢铁企业生产冷轧薄板钢类在控制结晶器保护渣卷渣方面进步很快,大部分钢厂都通过水模型、数值模拟等方法对结晶器钢水流动控制、合理SEN参数等进行了优化,一些钢厂还实施了“恒拉速”连铸工艺。目前存在的问题主要有:1)连铸开浇、终浇、交换钢包、快换水口等非稳态浇铸阶段,由于拉速变动造成较多卷渣;2)浸入式水口Al2O3夹杂物黏接堆积造成结晶器内钢水非正常流动,导致卷渣。4减少弯月面处“钩状”坯壳发达程度,减少钢液含量,促使钢能自然恢复连铸过程为了密封,防止钢水二次氧化和减轻Al2O3夹杂物在浇铸水口内壁的黏接、堆积、堵塞,必须在中间包塞棒、中间包水口、滑板等处吹入一定量Ar,Ar随钢液经浸入式水口进入结晶器后,形成Ar气泡在钢液内上浮,而许多Ar气泡在上浮过程会与微小Al2O3夹杂物碰撞并将其捕捉,形成较大尺寸的“Ar气泡+Al2O3”类夹杂物(图5)。此类带有Al2O3夹杂物的气泡被坯壳捕捉,轧制后破碎延伸即会生成冷轧薄板表面带状缺陷。减少“Ar气泡+Al2O3”类夹杂物的主要措施为:1)严格控制塞棒、水口、滑板等处的吹氩流量,目前高水平钢厂将Ar总流量控制在12L/min以下;2)通过优化SEN、结晶器振动参数等,使结晶器内钢水“上回流”具有足够比例,降低弯月面处“钩状”(hook)坯壳发达程度,减少被坯壳捕捉的“Ar气泡+Al2O3”量;3)采用结晶器电磁搅拌,对坯壳/钢液界面进行“清扫”,减少“Ar气泡+Al2O3”捕捉;4)降低钢液[S]含量,减少由于[S]含量高造成凝固前沿钢液表面张力降低,以减少“Ar气泡+Al2O3”向凝固坯壳运动。日本神户制钢公司等发现,“Ar气泡+Al2O3”类夹杂物造成的钢板缺陷发生率随[S]含量增加而增加,这主要是由于钢液中硫为表面活性组元且易发生凝固偏析,因此在结晶器内初生坯壳/钢液界面,存在由于硫浓度梯度引起的表面张力变化区域(图6),即靠近凝固坯壳区域硫含量高(偏析所致),表面张力降低,气泡因此向坯壳方向运动,被捕捉即会成为“Ar气泡+Al2O3”类夹杂物。目前国内许多钢厂对冷轧薄板钢类硫含量控制重视不够,一些钢厂由于铁水脱硫预处理后带渣多、转炉炼钢使用较高硫含量废钢、石灰等原因,致使冷轧钢类w([S])在0.01%以上,“Ar气泡+Al2O3”缺陷发生率增加。国内一些钢厂在控制“Ar气泡+Al2O3”缺陷方面的另一问题是对控制弯月面处“钩状”坯壳的认识不够。如图7所示,受钢液表面张力、结晶器负滑脱运动等影响,结晶器弯月面处初生坯壳向内弯曲,被称之为“hook”,即“钩状”坯壳。“钩状”坯壳向内弯曲程度(发达程度)与结晶器振动参数、保护渣性质、弯月面区域冷却等有关。如由于拉速偏低、铸坯宽度大、SEN出口向下偏角大等原因,造成钢水上回流向弯月面供热不足,即会形成发达的“钩状”坯壳,增加“Ar气泡+Al2O3”夹杂物被捕捉量。首钢京唐钢铁公司对不同拉速浇铸的冷轧薄板钢铸坯的“钩状”坯壳进行测定,证实“钩状”坯壳发达程度(深度、厚度)随拉速增加而减轻。图8为京唐钢铁公司不同拉速浇铸低碳铝脱氧钢铸坯表面0.5mm下检验到的尺寸不小于50μm夹杂物数量,可以看到,在1.0~2.0m/min拉速范围,大型夹杂物数量随拉速增加呈减少趋势。日本JFE公司西日本制铁所福山钢厂(原NKK公司)对1.8~2.4m/min拉速范围IF钢铸坯表面缺陷进行研究,也发现缺陷发生率随拉速增加而降低,即高拉速下铸坯表层夹杂物数量减少,对于首钢京唐钢铁公司和JFE福山钢厂上述研究结果应加以关注。5非稳态铸坯表面缺陷的原因表连铸开浇、终浇、炉/炉间交换钢水包、快速更换浸入式水口等阶段通称为非稳态浇铸阶段,期间由于钢水二次氧化、拉速变化等原因,会造成钢洁净度降低、非金属夹杂物含量增加,笔者曾对开浇阶段、拉速变化阶段浇铸铸坯洁净度和夹杂物进行过分析研究。对于非稳态阶段浇铸的铸坯,通常采取判废或降级等处理措施,国内许多钢铁企业在非稳态连铸质量影响和控制方面存在问题,主要表现为不能准确掌握不同类型非稳态因素对铸坯质量的影响,即所造成品质降低程度和所影响的浇铸长度。首钢京唐钢铁公司与北京科技大学合作,生产IF钢时,对连铸开浇(开浇第1,2,3块坯)、终浇(尾坯与倒数第2块坯)、炉-炉间交换钢包、快速更换浸入式水口期间所浇铸的铸坯,沿浇铸长度每隔250mm截取70mm×50mm试样,对表面0.5mm下不小于50μm夹杂物进行分析测定,表4为所得到的分析测定结果。由表4给出的不同类别铸坯表层试样夹杂物数量测定结果可以看到:1)在正常浇铸铸坯试样中未检测到保护渣卷渣形成的夹杂物,而各非稳态浇铸铸坯试样中均检测到来源于保护渣的夹杂物,表明非稳态过程钢水流动状态改变导致保护渣卷入增多;2)在各类非稳态铸坯中,开浇第1块铸坯(头坯)品质降低最为严重;3)浇铸结束尾坯试样中大型夹杂物含量与正常坯相当,但由于拉速波动造成保护渣卷渣形成的大型夹杂物数量明显多于正常坯试样;4)炉/炉间交换钢包期间浇铸铸坯(交接坯)和快换浸入式水口期间浇铸铸坯试样,大型夹杂物含量与正常坯差别不大,但来源于保护渣卷入形成的夹杂物数量多于正常坯试样。6钢类铸坯犯罪率分析如上文所述,由于连铸结晶器弯月面处“钩状”坯壳形成,钢液中聚合上浮的夹杂物易被其捕捉,导致铸坯表层部位大型夹杂物数量增多。国内外许多钢厂在生产汽车外板等高品质冷轧钢板产品时,采用表面清理(扒皮),将铸坯外表面去掉3mm左右。国内一些钢厂生产汽车钢板,出于降低生产成本考虑,对采用铸坯表面清理存有较大顾虑。北京科技大学曾与宝钢合作采用能够对大面积试样进行光谱扫描分析的原位分析仪,对冷轧钢板钢类铸坯皮下大于20μm夹杂物含量变化进行分析研究,发现夹杂物主要存在于铸坯皮下约3.5mm表层部位,超出此范围后,夹杂物数量大幅度降低。图9为北京科技大学与首钢京唐钢铁公司合作,采用ASPEX扫描电镜,对拉速1.5m/min浇铸的IF钢铸坯表层部位进行分析检验,得到不同皮下深度试样尺寸在50~100μm和大于100μm的夹杂物数量密度。可以看到,尺寸在50~100μm夹杂物数量在距表面3.5mm以上后大幅度降低,而能够造成冷轧钢板表面缺陷的100μm以上的夹杂物,则主要存在于皮下2mm以内,在距表层2.0~4.5mm试样表面,均未检测到大于100μm的有害夹杂物存在。国内许多钢厂在生产合资品牌汽车用冷轧钢板时,在满足钢板表面品质控制要求方面遇到较大困难。如某国外品牌汽车厂对向其供货的冷轧钢板,要求每10个冷轧钢卷仅能