李高良 姜麗梅 周 鋼

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司）

0 前言

隨著我國(guó)汽車行業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車用鋼的需求量越來越大，客戶對(duì)鋼材表面質(zhì)量和性能的要求也日益嚴(yán)格，尤其是對(duì)車身外板、翼子板、車門等要求沖壓成型極其嚴(yán)格的零件，這就要求對(duì)原料冷軋板的表面質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

冷軋IF鋼表面翹皮缺陷是冷軋卷在退火之后進(jìn)行沖壓成形過程中零件表面產(chǎn)生的一種常見的缺陷，通常表現(xiàn)為沿軋制方向呈條狀分布，長(zhǎng)短不一，缺陷一端翹起脫離基體，另一端與鋼板基體緊密相連[1]。翹皮缺陷的頻繁發(fā)生，不僅影響產(chǎn)品的外觀，而且對(duì)性能影響很大，甚至?xí)?dǎo)致材料失效，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了解決冷軋帶鋼表面的翹皮問題，筆者采用金相顯微掃描電鏡和能譜儀等相關(guān)手段對(duì)翹皮原因進(jìn)行了研究分析，研究了缺陷的形成機(jī)理，并采取針對(duì)性的工藝措施，使該類缺陷問題得到良好解決。

1 翹皮缺陷特征及分析

1.1 翹皮缺陷形貌及特征

冷軋IF鋼鋼卷在沖壓成形過程中往往會(huì)出現(xiàn)表面翹皮缺陷，缺陷呈長(zhǎng)條狀，沿軋向分布，直徑大約2 mm，長(zhǎng)度約50～300 mm，嚴(yán)重處存在分層翹起現(xiàn)象，有手感，缺陷形貌如圖1所示。

圖1 沖壓零件“翹皮”缺陷宏觀形貌（放大）

1.2 翹皮缺陷掃描電鏡、能譜分析

對(duì)圖2缺陷處進(jìn)行切割加工制樣，將翹皮部位掀起，經(jīng)超聲波清洗后，用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在缺陷下方約25 μm處存在大量嵌入基體的顆粒物，該顆粒物呈條狀分布，形狀規(guī)則。對(duì)其進(jìn)行放大后，觀察顆粒物尺寸約20 μm，顆粒與顆粒之間存在較小的間隙。對(duì)顆粒物進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)主要含有Fe-O-Si-Al-Ca-Mg等復(fù)合雜物。

圖2 翹皮缺陷微觀形貌

圖3 翹皮缺陷能譜分析

以上分析表明，該翹皮缺陷是由呈條狀分布的細(xì)小顆粒物引起的。該缺陷沿軋向延展較長(zhǎng)，延展率約100倍左右，這說明缺陷是由煉鋼夾雜所致的，且夾雜物尺寸較大，結(jié)合能譜分析可以推斷夾雜物來源可能為水口結(jié)瘤物，水口結(jié)瘤物脫落進(jìn)入結(jié)晶器，并隨鑄坯進(jìn)入熱軋、冷軋工序。由于該類氧化物夾雜為塑性較差的夾雜，在軋制過程中破壞了鋼板基體的連續(xù)性以及晶粒之間的結(jié)合力，降低了鋼板的抗疲勞性能，產(chǎn)生裂紋源[2]，經(jīng)相互合并擴(kuò)展，連接成裂紋，最終造成一端翹起，形成翹皮缺陷。

2 翹皮缺陷成因研究分析

結(jié)合煉鋼生產(chǎn)工藝及關(guān)鍵控制因素分析，得出鑄坯內(nèi)夾雜物造成冷軋板表面翹皮缺陷的主要原因：鋼水純凈度差，鋼水中的夾雜物隨連鑄澆注帶入鑄坯。

2.1 鋼水純凈度對(duì)缺陷的影響

鋼水純凈度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)限制性因素，由于汽車用冷軋IF鋼其本身工藝特點(diǎn)，鋼包渣不進(jìn)行造“白渣”操作，所以鋼水中夾雜物的控制難度較大。當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量較高時(shí)，對(duì)應(yīng)鋼水中的氧含量較高，由于IF為鋁鎮(zhèn)靜鋼，鋼水中的氧會(huì)與鋼水中的鋁發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3夾雜；另外，IF鋼渣的氧化性比較強(qiáng)，渣中FeO含量一般為13%～17%之間，由于IF鋼冶煉不造“白渣”，因此鋼渣中較高的FeO含量會(huì)造成鋼水中Al含量不穩(wěn)定，導(dǎo)致鋼中夾雜物尤其是Al2O3類夾雜物明顯增多，造成鋼水中的夾雜物不斷碰撞、集聚、長(zhǎng)大，并在連鑄澆注過程中富集在浸入式水口表面，結(jié)瘤脫落，隨鋼液帶入鑄坯，經(jīng)后續(xù)軋制造成表面翹皮缺陷。

2.2 塞棒吹氬對(duì)缺陷的影響

目前，塞棒吹氬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于實(shí)際大生產(chǎn)中，塞棒吹氬可有效防止水口堵塞，改善結(jié)晶器流場(chǎng)，避免鋼水二次氧化，延長(zhǎng)水口使用壽命等[3]。但是生產(chǎn)實(shí)際表明，塞棒吹氬量直接影響鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定性。

塞棒吹氬量過小，水口內(nèi)壁富集的Al2O3夾雜易造成水口堵塞，塞棒上漲，夾雜掉塊；塞棒吹氬量過大，結(jié)晶器內(nèi)的鋼液易暴露于空氣中發(fā)生二次氧化，同時(shí)引發(fā)液面翻騰，出現(xiàn)卷渣[4]。

2.3 浸入式水口插入深度對(duì)缺陷的影響

當(dāng)拉速一定時(shí)，浸入式水口插入深度越大，結(jié)晶器液面波動(dòng)越小，越有利于防止結(jié)晶器液面卷渣，但是會(huì)造成結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)整體下移，增加了結(jié)晶器內(nèi)鋼水中夾雜物的上浮時(shí)間，不利于鋼水中的夾雜物上浮的去除[5]；浸入式水口插入深度越小，越有利于結(jié)晶器內(nèi)細(xì)小夾雜物的充分上浮，但是出水口的流股向上回流流動(dòng)的動(dòng)力增加，極易造成結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)紊亂，引起結(jié)晶器表面鋼水裸露，發(fā)生二次氧化，甚至卷渣。因此，選擇合適的浸入式水口插入深度是至關(guān)重要的。

3 改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化鋼包頂渣改質(zhì)

盡管在轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)采用下渣檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了滑板擋渣操作，但是仍然不可避免的有一部分轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)渣隨鋼水進(jìn)入鋼包，這部分轉(zhuǎn)爐渣稱之為鋼包頂渣[6]。

通過跟蹤生產(chǎn)和取樣分析發(fā)現(xiàn)鋼渣中的FeO含量為13%～17%，鋼渣中的FeO含量高，渣中的氧含量就會(huì)偏高，使渣中氧傳向鋼水中，造成鋼水中Al含量不穩(wěn)定，導(dǎo)致鋼中夾雜物，尤其是Al2O3類夾雜物明顯增多，影響鋼水純凈度，導(dǎo)致連鑄澆注過程中水口堵塞，引起塞棒上漲掉塊等工藝異常情況。因此，在冶煉IF鋼時(shí)，需要對(duì)頂渣改質(zhì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，以降低渣中的FeO含量。

頂渣改質(zhì)工藝主要為在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中加入一定量的石灰和改質(zhì)劑，從而達(dá)到頂渣改質(zhì)的效果。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頂渣結(jié)團(tuán)不化的現(xiàn)象，為保證頂渣具有較好的吸附夾雜的能力，頂渣應(yīng)具有一定的流動(dòng)性，從CaO-Al2O3系相圖可以看出，當(dāng)CaO/Al2O3比控制在1.0～1.2之間時(shí)，頂渣處于低熔點(diǎn)區(qū)，具有較好的流動(dòng)性。

為穩(wěn)定鋼包頂渣流動(dòng)性和頂渣氧化性的控制，在轉(zhuǎn)爐出鋼采用下渣檢測(cè)和滑板擋渣的條件下，對(duì)不同頂渣改質(zhì)劑鋁渣和石灰的加入量進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，并對(duì)RH出站取渣樣進(jìn)行分析，具體結(jié)果見表1。

表1 頂渣化學(xué)成分分析

從表1可以看出，改質(zhì)劑加入400 kg、鋁渣配吃500 kg石灰時(shí)，渣中的CaO/Al2O3在1.0～1.2之間，同時(shí)RH出站TFe含量均在9%以內(nèi)，改質(zhì)效果良好。

頂渣改質(zhì)前后效果對(duì)比如圖4、圖5所示。頂渣改質(zhì)優(yōu)化后連鑄澆注順利，結(jié)晶器液面控制良好。

圖4 頂渣改質(zhì)前結(jié)團(tuán)嚴(yán)重

圖5 頂渣改質(zhì)后熔化較好

3.2 塞棒吹氬量的改進(jìn)優(yōu)化

針對(duì)IF鋼系列鋼種，由于鋼水中的碳含量低，氧含量偏高，極易與鋼水中的Al發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生Al2O3夾雜。采用塞棒吹氬，一方面鋼水中上浮的氬氣可使保護(hù)渣變得疏松，有利于結(jié)晶器的潤(rùn)滑；另一方面塞棒吹入鋼水中的氬氣泡可加速鋼液中夾雜物的上浮。但是，塞棒吹氬量過大或過小均會(huì)影響連鑄澆注順行。因此，對(duì)塞棒吹氬量進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)跟蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)晶器液面出現(xiàn)“魚吐泡”似的均勻氬氣泡時(shí)為最佳狀態(tài)，此時(shí)塞棒吹氬量為3.5～6 L/min；同時(shí)，為減少浸入式水口下吐出孔某一側(cè)堵塞造成水口偏流現(xiàn)象，在第3爐開澆時(shí)塞棒吹氬量在前兩爐的基礎(chǔ)上增加1 L/min，以減少夾雜物附著幾率。通過以上措施的實(shí)施，IF鋼結(jié)晶器液面波動(dòng)基本控制在≤±5 mm，未出現(xiàn)鋼水裸露及卷渣現(xiàn)象。結(jié)晶器最佳狀態(tài)塞棒吹氬效果如圖6所示。

圖6 結(jié)晶器最佳狀態(tài)塞棒吹氬效果

3.3 浸入式水口插入深度的改進(jìn)優(yōu)化

對(duì)不同斷面的浸入式水口插入深度進(jìn)行試驗(yàn)，選取現(xiàn)場(chǎng)100組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)斷面分別為900 mm×230 mm，1 200 mm×230 mm、1 500 mm×230 mm、1 800 mm×230 mm、2 150 mm×230 mm，各試驗(yàn)20組，觀察在不同拉速、不同渣厚條件下，結(jié)晶器液面情況。找出不同斷面與之匹配的最佳水口浸入深度、拉速和渣厚，保證結(jié)晶器液面較活躍，無裸露、卷渣現(xiàn)象為最佳狀態(tài)。

100組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究表明，斷面為900 mm、1 200 mm、1 500 mm、1 800 mm、2 150 mm對(duì)應(yīng)的最佳浸入水口深度分別為105 mm、100 mm、95 mm、95 mm、90 mm，具體對(duì)應(yīng)參數(shù)見表2。

4 效果驗(yàn)證

采取以上措施后，汽車用冷軋帶鋼表面翹皮缺陷得以良好控制，沖壓零件表面實(shí)物檢測(cè)如圖7所示。

5 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化鋼包頂渣改質(zhì)，將渣中的CaO/Al2O3控制在1.0～1.2之間，RH出站TFe含量控制在9%以內(nèi)。在提高渣的流動(dòng)性的同時(shí)降低了渣中的氧化性，大大減少了鋼水中夾雜物的產(chǎn)生幾率。

表2 各斷面最優(yōu)浸入水口深度及工藝參數(shù)

圖7 沖壓零件表面實(shí)物檢測(cè)

（2）對(duì)塞棒吹氬技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際發(fā)明了一種結(jié)晶器液面“魚吐泡”似的最佳吹氬效果，使結(jié)晶器卷渣發(fā)生率得到了有效控制。

（3）根據(jù)不同斷面制定不同的水口浸入深度，在避免結(jié)晶器卷渣的同時(shí)保證了夾雜物充分上浮。

（4）采取優(yōu)化改進(jìn)后，客戶對(duì)汽車用冷軋帶鋼沖壓零件表面使用情況反應(yīng)良好，沖壓零件表面翹皮缺陷比例由原來的0.56%降低至0.23%。