霍振全

(邢臺(tái)德龍機(jī)械軋輥有限公司，河北 邢臺(tái)054001)

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車薄板用鋼質(zhì)量要求迅速提高和冷軋輥材料更新?lián)Q代速度的加快，GB/T 15547—2012《鍛鋼冷軋輥輥坯》標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定冷軋輥輥坯要進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)[1]。非金屬夾雜物是鋼鐵材料破壞的主要誘因，尤其是冷軋輥材料中夾雜物會(huì)一定程度上影響到冷軋鋼板的表面質(zhì)量，而且會(huì)降低軋輥的服役周期，給軋鋼生產(chǎn)節(jié)奏帶來(lái)不利影響。

冷軋輥鋼中的非金屬夾雜物按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》評(píng)定[2]：要求A類≤1.5級(jí)，B類≤1.5級(jí)，C類≤1.5級(jí)，D類≤1.5級(jí)，DS類≤1.5級(jí)，A+B+C+D+DS≤5.0級(jí)。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，冷軋輥高倍組織金相檢測(cè)中，主要是以單顆粒球狀DS類夾雜物為主，其余幾乎可以忽略。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005對(duì)DS夾雜物進(jìn)行明確定義：DS類夾雜物(單顆粒球狀類)呈圓形或近似圓形，直徑≥13 μm的單顆粒非金屬夾雜物，具體評(píng)級(jí)界限(最小值)見(jiàn)表1[2]。

冷軋輥鋼中的DS非金屬夾雜物尺寸雖然小，但對(duì)冷軋輥上機(jī)軋制使用以及使用壽命影響極大，因此重點(diǎn)關(guān)注DS夾雜物，最大限度地降低鋼中的單顆粒球狀非金屬夾雜物是冷軋輥用鋼冶煉生產(chǎn)中長(zhǎng)期的課題。

1 問(wèn)題引入

冷軋輥鋼從軸承鋼材質(zhì)中演化而來(lái)，屬于過(guò)共析鋼，冶煉一般采用電弧爐冶煉→LF爐精煉→VD真空精煉→電渣重熔冶煉→鍛造成形。由于工序鏈條長(zhǎng)，影響非金屬夾雜物含量的因素多，而且不同工序之間相互制約，降低和減少DS單顆粒球狀非金屬夾雜物是一個(gè)系統(tǒng)性工程[3]。

1.1 DS夾雜物的形貌及SEM掃描分析

對(duì)DS非金屬夾雜物進(jìn)行定性和定量檢測(cè)，采用金相顯微鏡和掃描電鏡SEM分析，從元素組分方面找出容易產(chǎn)生夾雜物的環(huán)節(jié)，優(yōu)化改進(jìn)工藝，減少DS夾雜物含量和降低DS夾雜物的等級(jí)，提高冷軋輥鋼的冶金質(zhì)量。

(1)DS夾雜物的形貌及大小

鍛造后冷軋輥輥坯按照GB/T 10561—2005制取試樣在金相顯微鏡下觀察，DS夾雜物的形狀及尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 冷軋輥鍛造輥坯DS夾雜物形貌Figure 1 DS inclusion morphology of cold rollforging banks

在100倍顯微鏡下，夾雜物呈單顆粒球狀，有時(shí)整個(gè)視場(chǎng)僅有1個(gè)直徑超過(guò)13 μm的夾雜物，有時(shí)有多個(gè)且直徑大小不一的夾雜物，通常采用最大的直徑判定DS夾雜物級(jí)別。

(2)DS夾雜物SEM掃描定性

對(duì)DS夾雜物做進(jìn)一步的掃描電子顯微鏡SEM分析，選取4個(gè)典型的夾雜物，進(jìn)行能譜(EDX)元素定量定性分析，如圖2所示。

檢測(cè)a～d夾雜物中的元素含量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 DS夾雜物a～d的能譜(EDX)元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 EDX element content of DS inclusions a～d(mass fraction,%)

DS夾雜物能譜分析元素主要有O、Mg、Al、Ca等元素，其中Mg、Al、Ca都是親O元素，構(gòu)成鋁鎂鈣類尖晶石，形成氧化物夾雜。

1.2 生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

冷軋輥鋼中生成DS夾雜物環(huán)節(jié)多，相互影響因素多，造成了DS夾雜物的過(guò)程追溯困難。選取生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)分析，從生產(chǎn)時(shí)間和工序環(huán)節(jié)兩個(gè)維度查找與DS夾雜物相關(guān)的工藝參數(shù)，可以通過(guò)大概率事件發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律，以便確定工藝改進(jìn)的方向，達(dá)到降低DS夾雜物含量的目的。

(1)生產(chǎn)時(shí)間維度數(shù)據(jù)分析

時(shí)間維度數(shù)據(jù)分析就是在某一特定的時(shí)間段，從“人機(jī)料法環(huán)測(cè)”方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，查找出影響工藝的因素。統(tǒng)計(jì)呈現(xiàn)出隨時(shí)間波動(dòng)的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)該時(shí)間段的因素查找，確定改進(jìn)和試驗(yàn)方向。

(2)工序環(huán)節(jié)維度數(shù)據(jù)分析

冷軋輥鋼涉及電弧爐冶煉、LF爐精煉、電極錠澆注和電渣重熔幾個(gè)工序，從工序環(huán)節(jié)有利于快速找出改進(jìn)方向。

本文主要圍繞電弧爐冶煉工序展開(kāi)，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，查找出主要影響因素，并采取試驗(yàn)的方法，逐步摸索出控制的參數(shù)范圍，以降低DS夾雜物的含量。

2 電弧爐冶煉及工藝優(yōu)化

2.1 DS夾雜物和供氧強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性

電弧爐冶煉工藝常以脫碳量、脫碳速度等作為主要技術(shù)參數(shù)[3]，隨著電弧爐冶煉成本和冶煉電耗要求越來(lái)越低，需不斷增加冶煉過(guò)程中的供氧強(qiáng)度。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電弧爐冶煉過(guò)程中，吹煉1 m3的氧氣，可節(jié)約3.84 kWh電耗。

為了查找供氧強(qiáng)度和DS夾雜物的關(guān)系，采取生產(chǎn)時(shí)間維度數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)某一時(shí)段DS夾雜物1.0級(jí)占比呈現(xiàn)一種“先升高-降低-再升高”的規(guī)律，同樣也發(fā)現(xiàn)供氧強(qiáng)度(噸鋼氧耗)也呈現(xiàn)類似規(guī)律，如表3所示。

表3 生產(chǎn)時(shí)間維度下的DS夾雜物和噸鋼氧耗統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of DS inclusions and oxygenconsumption per ton of steel under aspectof production time

DS夾雜物1.0級(jí)(尺寸19 μm)代表鋼液中小顆粒夾雜物的水平，占比越多意味著這段時(shí)間內(nèi)夾雜物多，鋼液冶金質(zhì)量較差。噸鋼氧耗>50 m3代表著供氧強(qiáng)度(噸鋼氧耗)超過(guò)50 m3以上的所占比例，占比越高意味著這段時(shí)間內(nèi)供氧強(qiáng)度越大。

兩組數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)圖3所示的規(guī)律：噸鋼氧耗變化規(guī)律與夾雜物呈現(xiàn)極強(qiáng)正相關(guān)性，即供氧強(qiáng)度增加，對(duì)應(yīng)的DS級(jí)別增高，而在5月-6月，噸鋼氧耗控制最低，DS夾雜物水平也最好。

2.2 噸鋼氧耗參數(shù)的優(yōu)化

對(duì)電弧爐爐前冶煉記錄中噸鋼氧耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按DS夾雜物級(jí)別(DS0.5級(jí))優(yōu)和級(jí)別(DS1.5級(jí))差進(jìn)行分類對(duì)應(yīng)，如圖4所示。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析：(1)DS0.5級(jí)和1.5級(jí)分界線的噸鋼氧耗控制在55 m3/t；(2)在DS0.5級(jí)時(shí)，噸鋼氧耗≤55 m3/t占比84.3%，而DS1.5級(jí)，噸鋼氧耗>55 m3/t占比65.2%。為此，從降低DS夾雜物含量的角度，將噸鋼氧耗工藝參數(shù)確定到≤55 m3/t。

要確保噸鋼氧耗≤55 m3/t，電弧爐冶煉中應(yīng)采取控制爐料塊度、延緩開(kāi)始吹氧時(shí)間、熱裝爐料等措施，縮短冶煉時(shí)間，從而降低供氧強(qiáng)度。

2.3 終點(diǎn)碳優(yōu)化與鋼液中的氧

偏心電弧爐是在鋼液氧化的條件下出鋼，終點(diǎn)碳含量代表了鋼液的氧化性，即鋼液中的[O]。由前述分析，DS夾雜物主要成分為氧化物，[O]越高，DS夾雜物含量越多。

理論證明鋼液中的[C]、[O]存在如下的碳氧平衡[4]：

[C]+[O]→CO

當(dāng)鋼水出鋼溫度在1600℃時(shí)，KCO、pCO、fC和fO為定值，故碳氧積m=0.0025；出鋼溫度T越低時(shí)，平衡常數(shù)KCO越大，碳氧積m越小。故在出鋼條件一定的情況下，保證終點(diǎn)碳越高，鋼液中氧含量越低；出鋼溫度越低，鋼液中氧含量越低。

電弧爐的出鋼溫度和終點(diǎn)碳是影響鋼水中[O]的關(guān)鍵參數(shù)，會(huì)影響到冷軋輥鋼中DS夾雜物的含量。由圖5可以看出電弧爐終點(diǎn)碳在0.20%左右時(shí)，鋼水中氧含量在(100～150)×10-6。

圖5 終點(diǎn)碳與氧含量之間的關(guān)系Figure 5 Relationship between terminal carbonand oxygen content

綜上所述，電弧爐終點(diǎn)碳工藝控制原則：不影響后期合金、渣料進(jìn)碳量及合適的出鋼溫度前提下，終點(diǎn)C越高越好，最優(yōu)區(qū)間為0.15%～0.20%。

2.4 供氧強(qiáng)度與爐后脫氧工藝

冷軋輥鋼采用兩步加鋁法脫氧，即電弧爐出鋼過(guò)程中鋁餅預(yù)脫氧+LF爐鋁線終脫氧制度。其中鋁餅預(yù)脫氧對(duì)后期鋼水的(Al2O3)類夾雜物含量影響很大，利用出鋼高溫鋼液快速熔化鋁餅，這樣產(chǎn)生的絮狀脫氧產(chǎn)物Al2O3可以有更長(zhǎng)的上浮時(shí)間。

如掃描電鏡分析，DS夾雜物主要成分是Al和O，即Al2O3類夾雜物。降低DS夾雜物就要控制好Al脫氧劑的加入量。現(xiàn)根據(jù)偏心爐出鋼過(guò)程1/3時(shí)不同的加鋁量進(jìn)行4組試驗(yàn)，找出DS夾雜物級(jí)別較低的工藝范圍，見(jiàn)表4。

表4 DS夾雜物的工藝范圍Table 4 Process range of DS inclusions

DS1.0級(jí)占比接近，第2組試驗(yàn)DS0.5級(jí)占比66.0%效果最優(yōu)，爐后加鋁量最優(yōu)范圍為0.45～0.55 kg/t。

3 結(jié)束語(yǔ)

冷軋輥鋼中的夾雜物控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須要從源頭的電弧爐冶煉開(kāi)始控制。通過(guò)對(duì)供氧強(qiáng)度與DS夾雜物之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，最終對(duì)電弧爐冶煉的關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)不斷優(yōu)化，并制定以下措施：

(1)采用控制爐料塊度、晚吹氧、熱裝爐料等措施，將噸鋼氧耗工藝參數(shù)確定到≤55 m3/t。

(2)終點(diǎn)碳是反應(yīng)鋼液中[O]的重要參數(shù)，要根據(jù)后期合金的進(jìn)碳量確定控制范圍，最優(yōu)的范圍為0.15%～0.20%。

(3)偏心電弧爐出鋼是在氧化氣氛下出鋼，從出鋼起就要考慮后期的脫氧問(wèn)題，爐后加鋁餅預(yù)脫氧是重要工藝，通過(guò)統(tǒng)計(jì)確定了范圍為0.45～0.55 kg/t。