冷轧汽车板钢质纯净度控制的研究进展

赵春晖 胡吟萍

（武钢研究院 湖北 武汉：430080）

近些年来，随着汽车行业产销量的大幅增加，对优质冷轧汽车用钢的需求也迅速增长。尤其对于汽车外板，在其性能满足冲压成形的同时，钢板的表面质量也要达到非常高的水平，不能出现严重影响外观的线状或点状缺陷，而这些缺陷的形成是由于炼钢过程铸坯中的夹杂物在后续轧制过程中被碾碎、拉长所致［1－2］。为减少成品缺陷率，提高冷轧汽车板表面质量，对汽车板冶炼过程中的钢质纯净度有着严格的要求。

钢材的纯净度反映了钢的总体质量水平，也是钢材内在品质的保证指标。钢的纯净度通常由钢中夹杂物的数量、形态、尺寸及有害元素的含量来评价［3］。非金属夹杂物对超低碳钢的影响尤为显著，在生产时必须严格控制夹杂物的含量、尺寸及分布形式［4］。不同用途的钢种对纯净度的要求是不同的。对于冷轧超深冲汽车用钢，钢中夹杂物的尺寸必须控制在100μm以下［4－5］。此外，在钢材冶炼过程中要求［C］＜0.003%，［N］＜0.003%，T［O］＜0.002%，才能保证较高的钢质纯净度，从而生产出高品质的汽车板［6］。

1 影响冷轧汽车板钢质纯净度的因素

目前冷轧汽车板普遍的冶炼流程为铁水预处理—转炉炼钢—RH精炼—连铸。每个环节钢中非金属夹杂物的数量、尺寸、形态及杂质元素的控制水平都会影响到钢质纯净度，而RH精炼和连铸两个环节对钢质纯净度的影响尤为关键。

1.1 典型夹杂物控制

通过实验分析得到冷轧超低碳钢铸坯中的夹杂物，按照其形貌和成分主要可分为以下几种类型［7－10］：

1.1.1 Al2O3夹杂物

Al2O3夹杂是冷轧超低碳钢中广泛存在的一种夹杂物，其主要存在方式有三种：

群络状Al2O3夹杂由颗粒状夹杂物互相聚集长大形成，尺寸一般较大，有些甚至可以达到100μm，主要分布在头坯表层；颗粒状Al2O3夹杂主要为脱氧产物，一般尺寸小于10μm，但数量较多；块状Al2O3夹杂的尺寸较大且形状不规则，可能由于钢水二次氧化而产生。

较大尺寸Al2O3夹杂轧制后将形成夹杂物条带，严重影响成品质量。

1.1.2 Al2O3－TiN夹杂物

这类夹杂物的外层形状多为方形的TiN，而中心细小的Al2O3作为外层TiN的异质形核中心。此类夹杂大量分布在钢中，尺寸一般小于5μm。

1.1.3 Ar气泡＋Al2O3夹杂物

连铸过程为密封和防止Al2O3夹杂黏接、堆积在水口内壁，需要在中间包塞棒、水口、滑板处吹氩，进入结晶器后的氩形成Ar气泡，在上浮过程中碰撞捕捉Al2O3夹杂物，从而形成Ar气泡＋Al2O3结构。这类气泡被坯壳捕捉在后续轧制过程中破碎、延伸，从而形成钢板表面线形缺陷。

1.1.4 SiO2－CaO－Na2O复合夹杂物

这类夹杂物直径为100～200μm，含有K、Na、Si、Ca、Al、Mg等元素，与保护渣成分基本吻合，是由于卷入结晶器保护渣形成。因其尺寸较大，故对成品质量危害很大。

由上所述，脱氧产物类夹杂物由于分布弥散且粒度较小，一般对成品质量影响较小。但二次氧化类和保护渣类夹杂物由于粒度较大、数量较多且难以去除，严重影响了钢材的纯净度，容易导致成品出现各种缺陷。

1.2 全氧T［O］含量控制

在炼钢过程中，控制钢液中的氧含量是非常重要的。钢中全氧为溶解氧与结合氧的总和。冷轧深冲钢在RH精炼中用铝脱氧，钢液中的溶解氧与钢中溶解的铝元素互相平衡，其含量很低且波动较小，结合氧则以夹杂物的形式分布在钢液中。因此全氧含量可以代表钢液中显微夹杂物的水平［11－12］。值得注意的是，全氧含量代表钢中尺寸较小的氧化夹杂物的数量，而显著影响产品质量的是夹杂物的类别、尺寸、形貌以及分布等。全氧含量作为评价钢质的一项重要指标只有在钢质相对纯净的条件下才有意义。

有文献报道［13］，当结晶器中全氧含量（质量分数）低于0.002%时，冷轧板表面的线形和鼓包缺陷数量明显减少。关于冷轧板缺陷和中间包钢水中T［O］的关系，川崎Mizushima厂进行了实验，结果显示中间包T［O］＜0.003%时，钢板缺陷很少；T［O］在0.003%～0.005%范围内时，钢板可能会产生缺陷；当T［O］＞0.0055%时，钢板自动降级使用。

1.3 非稳态浇铸

非稳态浇铸是指开浇、浇铸结束、换钢包、快速更换浸入式水口等钢液面出现较大波动，拉速频繁变化的状态。非稳态情况下钢水的二次氧化以及湍流卷渣比较严重，造成钢中夹杂物增加，降低了钢质纯净度和铸坯质量［14－15］。

根据实验研究［16－17］可知，开浇头坯中大型夹杂物的数量明显大于正常值，这往往是由于开浇阶段的二次氧化所致。钢水中合金元素与保护渣、空气中的氧以及其它外来氧化物发生化学反应，继而生成新的氧化物造成污染。对于拉速快的薄板坯连铸连轧，更容易卷渣引发二次氧化［18］。同样在停浇尾坯及换包交接坯中也存在很多大型保护渣类夹杂物，虽然数量相对于头坯较少，但仍会对产品质量造成很大影响。

各钢厂对于非稳态浇铸的铸坯通常降级或判废处理，采用此法经常会发生漏判或错判，导致钢板缺陷增加。因此非稳态浇铸过程的控制水平很大程度上决定了钢质纯净度及冷轧汽车板表面质量。

1.4 钢包顶渣成分

在汽车用钢转炉冶炼过程中，虽然出钢时采取了挡渣处理，仍然会有部分炉渣随着钢水进入到钢包中，称为钢包顶渣［19］。一般钢包顶渣的氧化性比较强，其中FeO的质量分数可以达到11%－17%，容易使钢中的夹杂物增加，尤其容易产生大颗粒Al2O3夹杂。一方面造成Al、Ti的收得率下降；另一方面，形成的夹杂物可能会引起水口结瘤或残留于钢中，降低钢液纯净度，严重影响冷轧板表面质量。

2 冷轧汽车板钢质纯净度提高措施

提高钢的纯净度，控制钢中非金属夹杂物的途径首先是减少冶炼及浇铸工艺操作过程中夹杂物的产生和外来夹杂物对钢水的污染，其次是设法排出已存在于钢水中的夹杂物。为了保证钢质纯净度，需要对全流程冶炼过程进行严格控制，减少夹杂物，提高纯净度。

2.1 转炉冶炼控制

转炉冶炼终点时的工艺过程控制非常关键。此时钢水氧含量经常有很大波动，为了减少夹杂物的数量，必须降低冶炼终点的氧含量，按其波动范围的最下限进行控制。

控制转炉钢水氧含量主要采取以下措施［20］：氧气顶底复吹转炉，能保证较好的底吹搅拌效果；炼钢终点自动控制技术，可以尽量提高终点控制精度，减少过吹以及后吹；出钢挡渣对于生产纯净钢也至关重要，避免因为钢水温度不均匀引发的自然对流以及浇铸过程造成的钢水流动。冶炼纯净钢的前提是控制好转炉下渣量。为了避免下渣，保证转炉挡渣效果，在吹炼后期加入适量石灰，把终渣碱度提高到4.5以上，提高钢渣黏度。同时出钢前期使用挡渣塞，后期使用挡渣棒，最大程度避免下渣，使钢水纯净度得到保证，为精炼过程营造良好条件［21］。

2.2 精炼过程控制

二次精炼的主要作用是调节钢液成分、温度及去除夹杂物，精炼过程可以去除钢液中80%左右的夹杂物，是冶炼纯净钢的重要环节 其中RH精炼是将真空精炼和钢水循环流动结合起来，可以均匀钢水成分和温度，实现脱氧、微合金化、吹氧深脱碳等效果，具有精炼效果好、处理周期短、生产能力强的特点。

RH精炼前期钢水夹杂物数量较多且存在较大颗粒的显微夹杂。钢水在铝氧升温及循环脱碳过程后，夹杂物的数量与进站时基本一致，可知在精炼前期升温生成的夹杂物数量和循环上浮到钢渣中的数量一致，大颗粒夹杂物能上浮到钢渣中，但是铝氧升温会使得钢渣全体系夹杂物数量增加，若生成的夹杂物数量过多则会影响钢渣夹杂物的饱和度，从而影响精炼后期夹杂吸附能力。因此降低或避免精炼过程铝氧升温是提高钢水纯净度的基础［23］。

在RH精炼后期加铝脱氧后，钢水中夹杂物数量明显降低。崔衡［24］通过实验研究了钢液循环过程中全氧含量与氮含量的变化，结果发现随着纯循环时间的增加，钢液全氧含量逐渐下降；而氮含量基本不变。在钢液温度和现场生产允许的条件下，适当延长纯循环时间有利于钢液纯净度的提高。

2.3 连铸过程控制

钢水精炼后能达到很高的纯净度，连铸工序对钢的纯净度影响同样很大，如果控制良好，则可更进一步提高钢的纯净度。采用保护浇注、新型中间包覆盖剂、调整保护渣性能及设置电磁搅拌等手段可继续去除及控制夹杂物，降低废品率。

2.3.1 全程保护浇铸

如何保持精炼后钢水的纯净度是连铸工序中需要解决的问题。目前世界各钢厂广泛采用钢包—中间包—结晶器全过程保护浇铸，避免钢水的二次氧化。在结晶器中使用性能相适的保护渣从而在液面上形成熔渣层，隔离钢液与空气，使钢液不被氧化。此外它还能吸收聚集在钢－渣界面处的夹杂物，净化钢－渣界面。保护渣应当有良好的铺展性、保温性、透气性及与钢种相匹配性，才能实现均匀流入、吸附夹杂、提高润滑、减少散热等作用［25］。

2.3.2 中间包控制操作

中间包操作对钢的纯净度影响很大。连铸过程中大部分夹杂物来自中间包。为了减少中间包夹杂物或者防止夹杂物进入结晶器，可以采取如下措施：

一方面促使夹杂物上浮、分离并排除。在液面深度不变的情况下，增加中间包的容量，相当于延长了钢液在中间包的停留时间，促进夹杂物上浮；另一方面，换钢包时保持中间包稳定浇注，可以防止液面低于临界值，产生涡流而导致卷渣。此外，在中间包中设置挡渣墙，延长钢液的停留时间，并消除底部死区，改善钢水的流动轨迹，使钢水沿着钢渣界面流动，缩短夹杂物的上浮距离，有利于吸收渣子，避免卷渣［25］。此外，采用合适的中间包覆盖剂以及合理控制中间包内流场，都有利于提高夹杂物的去除效率。

2.3.3 结晶器液面控制

结晶器液面波动过大容易破坏保护渣的平衡，把融化的保护渣卷到铸坯中形成夹杂物。影响结晶器液面波动的因素很多，一般从以下几个方面采取措施：第一，精炼过程中保证早脱氧、造渣，脱氧剂使用铝粒替代钢芯铝。脱氧完成后通过软吹促使夹杂物上浮充分，尽量减少夹杂物，防止保护渣变性，减小结晶器液面波动。第二，使用对夹杂物吸附能力较强的优质保护渣，避免保护渣吸附夹杂以后变性，使得结晶器液面波动较大。第三，保证铸机机况良好，随时要监测铸机低倍以及二冷水流量状况，加强塞棒机构的维护，避免因为设备原因导致结晶器液面出现大幅度波动［21］。

2.3.4 非稳态浇铸控制

近年来国内钢铁企业生产冷轧薄板时在控制结晶器保护渣卷渣方面进步很快，大部分钢厂通过水模型以及数值模拟等方法对结晶器内钢水流动控制以及合理浸入式水口参数等进行了优化。目前存在的主要问题是开浇、终浇、换包及快换水口等非稳态浇铸阶段由于拉速变化引起卷渣；此外，Al2O3夹杂物黏接堆积在浸入式水口造成结晶器内钢水流动异常导致卷渣。非稳态浇铸在很多情况下难以避免，在线更换浸入式水口前后拉速变化较大，并且结晶器内的流场发生了较大变化，易于卷渣形成夹杂物。对于超低碳钢而言，为了减少在冷轧阶段出现夹杂缺陷，连铸机更换水口前后的两支铸坯在订单匹配时只送热轧，尽可能不再送冷轧。其他异常情况出现时，要严格执行非稳态铸坯管理办法，以保证冷轧的原料质量［21］。

3 结束语

目前纯净钢生产是炼钢技术的重要发展方向。冷轧汽车板在纯净生产和技术操作上已没有理论方面的障碍，也可以被充分理解应用。生产时要加强冶炼终点精确控制、精炼、防止再污染等几个关键环节的管控，保证各道工序正确配合，才能生产出满足用户要求的纯净钢。未来努力的方向是降低纯净钢生产成本，实现纯净钢大批量稳定高效的生产。

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