铁素体不锈钢中非金属夹杂物控制关键技术

铁素体不锈钢，作为一种以铬为主要合金元素的钢种，兼具含镍不锈钢的成型性、耐蚀性和抗氧化性等性能。由于其成本低廉、耐应力腐蚀性能优异，被誉为经济型不锈钢，广泛应用于电梯面板、建筑装饰和汽车排气系统等领域。

在超纯铁素体不锈钢的生产过程中，为了有效固定不锈钢中的C、N元素，Ti元素常作为合金元素被大量加入。若控制得当，生成的TiN夹杂物将作为铁素体异质形核的核心，促进等轴晶的生长，同时还能起到细化晶粒、沉淀强化等作用。然而，若控制不当，在连铸坯表面生成大量的TiN夹杂物，将严重影响冷轧板的表面质量，如导致白色条纹缺陷等。因此，开展铁素体不锈钢中非金属夹杂物控制关键技术研究显得尤为重要。

1. 铁素体不锈钢冶炼Ti-N积控制技术 在超纯铁素体不锈钢冶炼过程中，Ti元素常被加入以固定不锈钢中的C、N元素。形成的TiN夹杂物能促进等轴晶的生长，起到细化晶粒、沉淀强化等作用。但Ti-N积若控制不当，会在连铸坯中形成分布不均匀的TiN夹杂物，轧制过程中密集分布的TiN夹杂物将沿轧制方向延展，最终在冷轧板表面形成白色条纹缺陷。图1所示为不同Ti-N积条件下对应的冷轧板表面白色条纹缺陷发生率：当Ti-N积大于0.0025时，白色条纹缺陷率急剧增加，同时也将大于20%。因此，需要将Ti-N积控制在0.0025以下。

图1：铁素体中Ti-N积与白色条纹缺陷发生率的关系

2. 氧化物异质形核技术 铁素体不锈钢连铸坯中TiN夹杂物的形核主要包括均质形核与异质形核两种方式。异质形核可以影响TiN夹杂物在连铸坯中的数量、尺寸以及分布，更有利于TiN夹杂物均匀地分布在连铸坯中。对由Mg、Al、Si、Ca四种元素组成的共15种氧化物进行异质形核核心的考察发现，促进TiN形核的氧化物主要包括五种，分别为CaO、Al2O3、Al-Ca氧化物、Mg-Al氧化物和Mg-Al-Ca氧化物，其中以含Ca的氧化物为主。值得注意的是，钢中的含Si氧化物均不能有效促进TiN夹杂物异质形核。而钢中未发现MgO作为TiN夹杂物的异质形核核心的原因可能为钢中没有纯的MgO夹杂物。

图2：不同氧化物核心对TiN形核的影响

3. 连铸坯表面精准扒皮技术 采用Aspex观测和统计TiN夹杂物在铁素体不锈钢连铸坯表层的分布情况，结果表明：越远离连铸坯的表面，TiN夹杂物的数量密度呈减小趋势，平均尺寸呈增大趋势。尤其是在连铸坯表层下4mm范围内，TiN夹杂物的数量密度很大，并且由表层向内呈快速递减趋势。同时在连铸坯表层10mm内，TiN夹杂物的数量在平行于内弧面的分布是不均匀的，尤其是在连铸坯表层4mm内，TiN夹杂物的数量密度很大，并且分布极不均匀。因此，为了避免在超纯铁素体不锈钢冷轧板表面生成白色条纹，建议将连铸坯表层的扒皮厚度为4mm。

图3：铁素体不锈钢连铸坯表层TiN夹杂物分布

成熟程度及推广应用情况：该成果已经经过实验室试验和工业应用。目前，该成果已成功应用于宝钢不锈钢有限公司，消除了400系含钛超纯铁素体不锈钢冷轧成品卷表面氮化钛条纹缺陷，奠定了我国企业生产400系不锈钢技术领先水平。本项目成果发表文章6篇，对推动我国企业400系不锈钢产品制造能力与质量水平的整体提升做出了重大贡献。

投资估算和经济效益分析：该项目的应用和推广成功为企业解决了由TiN夹杂物引起的铁素体不锈钢冷轧板表面的白色条纹缺陷，显著提升了企业产品的质量，为企业带来了可观的经济效益。

成果亮点： （1）开发了铁素体不锈钢冶炼Ti-N积控制技术，通过对现场生产数据的统计分析，并结合热力学计算，实现了对TiN夹杂物形成和析出的预测，以及对白色条纹生产的影响，降低了白色条纹发生率。 （2）探讨了不同氧化物对TiN夹杂物异质形核的影响，找到了有利于TiN夹杂物异质形核的质点，为TiN夹杂物的均匀分布提供思路。 （3）揭示了TiN夹杂物在连铸坯表层的分布，为精准扒皮提供依据，通过对连铸坯表层4mm进行扒皮操作，显著改善了超纯铁素体不锈钢冷轧成品卷表面白色缺陷。

铁素体不锈钢作为一种以铬为主要台金元素的钢种，具有含镍不锈钢所具有的成型性、耐蚀性、抗氧化性等性能，同时由于成本低、耐应力腐蚀性能优异等显著特点，被称为经济型不锈钢，而被广泛的应用于电梯面板、建筑装饰和汽车排气系统等领域。在超纯铁素体不锈钢生产过程中，为了有效固定不锈钢中的C、N元素，Ti元素常常作为台金元素而被大量加入。如果控制得当，生成的TiN夹杂物将作为铁素体异质形核的核心，促进等轴晶的生长，同时还能起到细化晶粒、沉淀强化等作用。然而，如果控制不当，在连铸坯表面生成大量的TiN夹杂物，将严重影响冷轧板的表面质量，如导致白色条纹缺陷等。因此，很有必要开展铁素体不锈钢中非金属夹杂物控制关键技术研究。

（1）铁素体不锈钢冶炼Ti-N积控制技术。在超纯铁素体不锈钢冶炼过程中，常常加入Ti元素固定不锈钢中的C、N元素，形成的TiN夹杂物能够促进等轴晶的生长，起到细化晶粒、沉淀强化等作用。然而Ti-N积如果控制不当，会在连铸坯中形成分布不均匀的TiN夹杂物，轧制过程中密集分布的TiN夹杂物将沿轧制方向延展，最终在冷轧板表面形成白色条纹缺陷。图1所示为不同Ti-N积条件下对应的冷轧板表面白色条纹缺陷发生率：当Ti-N积大于0.0025时，白色条纹缺陷率急剧增加同时也将大于20%。因此需要将Ti-N积控制在0.0025以下。

图1铁素体中Ti-N积与白色条纹缺陷发生率的关系

（2）氧化物异质形核技术。铁素体不锈钢连铸坯中TiN夹杂物的形核主要包括两种方式，即均质形核与异质形核。异质形核可以影响TiN夹杂物在连铸坯中的数量、尺寸以及分布，更有利于TiN夹杂物均匀地分布在连铸坯中。对由Mg、Al、Si、Ca四种元素组成的共15种氧化物进行异质形核核心的考察发现，促进TiN形核的氧化物主要包括五种，分别为CaO、AI2O3、Al-Ca氧化物、Mg-Al氧化物和Mg-Al-Ca氧化物，而这其中又以含Ca的氧化物，即CaO、Al-Ca氧化物和Mg-Al-Ca氧化物为主。值得注意的是，钢中的含Si氧化物，即SiO2、Si-Ca氧化物、Al-Si氧化物、Mg-Si氧化物、Mg-Al-Si氧化物、Mg-Si-Ca氧化物、Al-Si-Ca氧化物以及Mg-Al-Si-Ca氧化物均不能有效的促进TiN夹杂物异质形核。而钢中未发现MgO作为TiN夹杂物的异质形核核心的原因可能为钢中没有纯的MgO夹杂物。

图2不同氧化物核心对TiN形核的影响

(1)连铸坯表面精准扒皮技术。

采用Aspex观测和统计TiN夹杂物在铁素体不锈钢连铸坯表层的分布情况，结果表明：越远离连铸坯的表面，TiN夹杂物的数量密度呈减小的趋势，平均尺寸呈增大趋势。尤其是在连铸坯表层下4mm范围内，TiN夹杂物的数量密度很大并且由表层向内呈快速递减的趋势。同时在连铸坯表层10mm内，TiN夹杂物的数量在平行于内弧面的分布是不均匀的，尤其是在连铸坯表层4mm内，TiN夹杂物的数量密度很大并且分布极不均匀。因此，为了避免在超纯铁素体不锈钢冷轧板表面生成白色条纹，建议将连铸坯表层的扒皮厚度为4mm。

图3铁素体不锈钢连铸坯表层TiN夹杂物分布

成熟程度及推广应用情况:

已经经过实验室试验和工业应用；

该成果目前已经成功应用于宝钢不锈钢有限公司，消除了400系含钛超纯铁素体不锈钢冷轧成品卷表面氮化钛条纹缺陷，奠定了我国企业生产400系不锈钢技术领先水平。本项目成果发表文章6篇，对推动我国企业400系不锈钢产品制造能力与质量水平的整体提升做出了重大贡献。

投资估算和经济效益分析：

该项目的应用和推广成功的为企业解决了由TiN夹杂物引起的铁素体不锈钢冷轧板表面的白色条纹缺陷，显著提升了企业产品的质量，为企业带来了可观的经济效益。

成果亮点：

针对超纯铁素体不锈钢冷轧成品卷表面白色缺陷进行研究，开发了铁素体不锈钢中非金属夹杂物控制关键技术，具有以下特点：（1）开发了铁素体不锈钢冶炼Ti-N积控制技术。通过对现场生产数据的统计分析，并结合热力学计算，实现了对TiN夹杂物形成和析出的预测，以及对白色条纹生产的影响，降低了白色条纹发生率。（2）探讨了不同氧化物对TiN夹杂物异质形核的影响，找到了有利于TiN夹杂物异质形核的质点，为TiN夹杂物的均匀分布提供思路。（3）揭示了TiN夹杂物在连铸坯表层的分布，为精准扒皮提供依据，通过对连铸坯表层4mm进行扒皮操作，显著改善了超纯铁素体不锈钢冷轧成品卷表面白色缺陷。