低铝436超纯铁素体不锈钢表面起皮缺陷分析与改进

方健，刘文华，徐向东，方剑锋

（鞍钢联众（广州）不锈钢有限公司，广东 广州 510760）

436超纯铁素体不锈钢通过降低C、N含量，添加一定量的Mo含量，并采用Nb、Ti等稳定化元素因而具有优异的耐蚀性能，广泛应用于汽车排气管领域[1]，市场需求量较大。鞍钢联众（广州）不锈钢有限公司在生产436超纯铁素体不锈钢时,有客户要求该钢种成品全Al含量≤0.015%，因此其VOD工序采用Si-Al复合脱氧工艺，并管控铝锭添加量。在开发初期，低铝436钢种表面起皮缺陷降级率30%以上，不良品率较高，本文在分析起皮缺陷产生原因基础上，采取了优化措施，表面起皮缺陷得到了有效改善，对此做一介绍。

1.1 工艺流程

炼钢生产工艺流程为：150 t EAF→170 t AOD→170 t VOD→170 t LF→SCC，浇铸成200 mm厚的钢坯，主要生产工艺为：

（1）VOD还原期采用Si-Al复合脱氧，其中铝锭固定添加量为3 kg/t，剩余还原物料用硅铁补充。铝锭和硅铁还原物料、石灰和萤石助溶剂物料混合在一起，通过高位料仓加入钢包。

（2）LF工序先通过喂线机喂入一定量的钛线进行钛合金化，再喂入适量高钙线进行钙处理，软吹时间≥20 min。

1.2 化学成分

试验材料取自大生产中存在起皮缺陷的钢卷样品，低铝436超纯铁素体不锈钢化学成分如表1所示。

表1 低铝436不锈钢典型化学成分（质量分数）Table 1 Typical Chemical Compositions in Low Aluminum 436 Stainless Steel（Mass Fraction） %

2.1 缺陷检测分析

低铝436超纯铁素体不锈钢冷轧后起皮缺陷目视为条状白线，如图1所示。严重时有明显起皮，缺陷长度一般在200～500 mm，严重时可达1 000 mm，缺陷随机分布于钢带表面。

图1 表面起皮缺陷形状Fig.1 Shapes of Surface Peeling Defects

利用扫描电镜（SEM）对缺陷样品微观形貌进行观察，利用能谱分析方法对缺陷处成分进行分析，表面起皮缺陷微观形貌及EDS成分分析如图2所示。

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

由图 2 可知，在缺陷处含有 Ti、Ca、Al、Mg 等的氧化物，为CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等复合型夹杂物[2]。故此复合型夹杂物是低铝436钢种表面起皮缺陷产生的直接原因。

2.2 生产数据统计分析

为分析低铝436钢种起皮缺陷发生的根本原因，分别挑选表面起皮缺陷降级率较高和降级率较低的典型炉次，在VOD、LF及连铸工序中，选取与脱氧工艺以及夹杂物元素相关的 Si、Al、Ti、Ca、O元素进行成分比较，成分对比如表2所示。

表2 炼钢工序成分比较（质量分数）Table 2 Comparison of Compositions at Each Stage of Steelmaking Process （Mass Fraction） %

通过对比，发现两者VOD出钢Al、Si含量存在差异：表面起皮缺陷降级率高的炉次，VOD出钢全Al、Si含量较低，连铸取样总氧含量较高；
表面起皮缺陷降级率低的炉次，VOD出钢全Al、Si含量较高，连铸取样总氧含量较低。

低铝436钢种VOD还原采用Si-Al复合脱氧模式，其中铝锭固定添加量约3 kg/t，剩余通过添加硅铁脱氧。如果钢液中Al含量过低，钛合金化后会生成大量Ti的氧化物[3],采用Al脱氧工艺时需要进行钙处理[4]，这使得钢液中会产生 CaO·TiO2型夹杂物。另外，钢液中还存在不可避免的Al2O3及MgO，易形成CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等复合型夹杂物。在满足成品全Al含量≤0.015%前提下，提高VOD出钢Al含量可降低此类夹杂物产生概率。

2.3 夹杂物演变过程分析

为理清CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等复合型夹杂物形成过程，取VOD还原期后、钙处理后以及LF钛合金化后三个工序测钢样成分的保留样，利用扫描电镜对其夹杂物形貌进行检测及EDS成分分析，结果分别如图3、4、5所示。

图3 VOD还原期后夹杂物形貌与EDS成分分析Fig.3 Morphology of Inclusions after Reduction by VOD and Analysis on Compositions by EDS

图4 精炼炉钙处理后夹杂物形貌与EDS成分分析Fig.4 Morphology of Inclusions after Treatment of Calcium by Refining Furnace and Analysis on Compositions by EDS

图5 精炼炉Ti合金化后夹杂物形貌与EDS成分分析Fig.5 Morphology of Inclusions after Ti-alloying by Refining Furnace and Analysis on Compositions by EDS

图3中，夹杂物呈圆球状，以 SiO2、Al2O3、CaO、MgO等为主，这是VOD还原采用的Si-Al复合脱氧而生成的SiO2、Al2O3脱氧产物；
钢液中还有不可避免的来自于炉渣中的CaO，以及炉衬耐火材料中的MgO。

图4中，夹杂物呈圆球状，以CaO和Ti的氧化物为主。由于Ca元素比Al、Ti元素更活泼，微量的Ca含量就可以生成CaO，钢液中还有不可避免存在的Al2O3、MgO氧化物，易形成CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等复合夹杂物。

图5中，夹杂物呈不规则形状，以Ti的氧化物为主，还有少量的Al2O3、CaO和MgO夹杂物。由于 VOD 出钢 Al、Si含量较低，根据文献[5]中 Al、Ti竞争性氧化热力学关系，不同温度下Ti、Al活度比值见图6。

图6 不同温度下Ti、Al活度比值Fig.6 Specific Values for Activities of Ti and Al at Different Temperatures

从图6可知，由于钢液中Al含量较低，Ti合金化后易夺取Al2O3中的氧元素生成Ti的氧化物。

文献[6]中提到，提高钢液中Al含量可以有效改善表面起皮缺陷。但为满足客户436钢种成品Al含量≤0.015%的特殊要求，VOD还原期如过多添加铝锭脱氧，成品全Al含量有超标风险。从表2中 VOD 出钢 Al、Si成分可以看出，Al、Si含量存在同时偏高或同时偏低情形,这是因为如果VOD还原料Al、Si添加量偏少，钢液中还残留游离氧会继续与Al、Si反应而导致Al、Si含量都偏低；
反之，Al、Si添加量较多，钢液中残留的游离氧较少，剩余的 Al、Si以合金成分体现出来，由于 Al、Si在脱氧过程中也存在竞争性氧化问题，最后Al与Si含量会达到一动态平衡。对VOD出钢Si含量与Al含量进行数据统计，VOD出钢Si含量与Al含量的关系见图7。从图7可以看出，VOD出钢Al含量随出钢Si含量的增加而增加，并得到出钢Si与Al含量的一次线性方程：

图7 VOD出钢Si含量与VOD出钢Al含量的关系Fig.7 Relationship between Content of Si and Content of Al during Tapping by VOD

式中，Y为VOD出钢Al含量；
X为VOD出钢Si含量。因Al含量需控制在0.015%以内，由图6可知，为降低Ti/Al活度比值，减少Ti的氧化物，也需要控制Ti含量不宜过高，经热力学计算，Ti管控在0.20%以内即可。

对VOD出钢Si含量与表面起皮缺陷降级率是否存在线性关系进行数据统计分析 （统计数据不含头坯），表面起皮缺陷降级率与VOD出钢Si含量的关系如图8所示。统计结果显示VOD出钢Si含量与表面起皮缺陷降级率有强相关性：VOD出钢Si含量越低，表面起皮缺陷降级率越高，反之则表面起皮缺陷率则越低。管控VOD出钢Si含量大于0.15%，结合线性方程（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级率。

图8 表面起皮缺陷降级率与VOD出钢Si含量的关系Fig.8 Relationship between Degradation Rate of Surface Peeling Defects and Content of Si during Tapping by VOD

综上，VOD还原期铝锭添加量固定为3 kg/t，VOD出钢Si含量控制在0.15%～0.30%，全Al含量整体控制在 0.009%～0.015%，Ti含量控制在0.20%以内，既可保证成品全Al含量≤0.015%，又能降低表面起皮缺陷。

通过管控VOD出钢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%以内。低铝436钢种表面起皮缺陷改善效果见图9，表面起皮缺陷降级率由改善前的30%以上降低至改善后的6%以下，改善效果较为明显。

图9 低铝436钢种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

（1）导致低铝436钢种易产生表面起皮缺陷的原因是VOD出钢Al、Si含量偏低，后续Ti合金化及钙处理易生成Ti的氧化物和CaO夹杂物，最终形成CaO、Ti的氧化物以及Al2O3-MgO等复合型夹杂物。

（2）VOD出钢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%以内，既能保证成品全Al≤0.015%，又改善了低铝436钢种表面起皮缺陷，起皮缺陷降级率由高于30%降低为6%以下。

猜你喜欢 钢种钢液降级 湍流器结构对感应加热中包流动影响数值模拟辽宁科技大学学报(2022年1期)2022-05-29多钢种混用波纹腹板压弯构件优势分析新疆有色金属(2022年1期)2022-03-22钢包定位系统在炼钢生产中的应用鞍钢技术(2021年2期)2021-04-20吹牛皮小雪花·初中高分作文(2019年8期)2019-10-07消费降级了吗？南风窗(2018年20期)2018-09-28采用不同钢种热冲压件的汽车侧面碰撞特性研究汽车文摘(2017年6期)2017-12-06十八大后遭“断崖式降级”的官员记者观察(2017年7期)2017-11-30Panda Priorities汉语世界(The World of Chinese)(2016年6期)2016-01-10用于耐磨和抗疲劳领域的高Si高C纳米结构贝氏体钢潜力评估汽车文摘(2015年2期)2015-12-15300 t转炉负载状态下弹簧板应力测试分析科技与创新(2015年22期)2015-12-02

推荐访问:缺陷 不锈钢 表面