簾線鋼中非金屬夾雜物控制技術(shù)*

蔣躍東 仇東麗 吳超 薛正良

(1.武漢科技大學(xué);2.武漢鋼鐵集團(tuán)公司研究院)

簾線鋼中非金屬夾雜物控制技術(shù)*

蔣躍東1，2仇東麗2吳超2薛正良1

(1.武漢科技大學(xué);2.武漢鋼鐵集團(tuán)公司研究院)

為了滿足高強(qiáng)度鋼簾線的生產(chǎn)要求，必須降低鋼中不變形非金屬夾雜物的尺寸和數(shù)量。本文對簾線鋼中氧化物夾雜物控制機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，并對國內(nèi)幾家著名鋼廠控制簾線鋼夾雜物的措施進(jìn)行了分析。

簾線鋼 非金屬夾雜物 線材

0 前言

汽車輪胎骨架材料用鋼簾線，是先把線徑為5.5 mm的熱軋線材冷拔成直徑為 0.15 mm～0.38 mm的鋼絲，再進(jìn)行捻股而成的。眾所周知，如果線材中存在氧化鋁(Al2O3)和尖晶石(MgO·Al2O3)等不變形非金屬夾雜物，在拉拔和捻股過程中，鋼絲就容易斷線，給生產(chǎn)帶來很大的損失［1］。2000年以前，簾線鋼線材基本依賴進(jìn)口，其主要原因就是沒有有效的夾雜物控制技術(shù)。為此，寶鋼、鞍鋼、邢鋼等企業(yè)先后開展了簾線鋼中夾雜物控制技術(shù)的研究，并各自摸索出一些簾線鋼中控制氧化物夾雜的技術(shù)訣竅，但在國內(nèi)鮮有報(bào)道。

2002～2005 年，研究院所和高等學(xué)校［2－6］開始了簾線鋼中氧化物夾雜形態(tài)控制技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，為我國精品線材的生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)已有十余家鋼廠成功研制出簾線鋼，取得比利時(shí)貝卡爾特、法國米其林等國際品牌鋼簾線生產(chǎn)廠家的認(rèn)可，并使國內(nèi)簾線鋼線材基本上取代了進(jìn)口專用線材。

1 簾線鋼中具有良好變形能力的氧化物夾雜的目標(biāo)組成范圍

為了防止鋼簾線用線材中生成Al2O3或高Al2O3含量硅鋁酸鹽類脆性非金屬夾雜物，通常采用Si－Mn對鋼水進(jìn)行脫氧，所得到的夾雜物可分為兩類:第一類是出鋼過程中用Si－Mn合金脫氧后生成的脫氧產(chǎn)物，一般為MnO－Al2O3－SiO2復(fù)合夾雜物，目標(biāo)組成為MnO－SiO2－Al2O3相圖中斜線區(qū)域，含Al2O315%～25%的錳鋁榴石(3MnO·Al2O3·3SiO2)及其周邊低熔點(diǎn)區(qū)(如圖1所示);第二類是鋼液凝固過程中析出的 CaO－SiO2－Al2O3類復(fù)合夾雜物，目標(biāo)組成為 CaO－SiO2－Al2O3相圖中鈣斜長石(CaO·Al2O3·2SiO2)與假硅灰石(CaO·SiO2)的共晶區(qū)(如圖2所示)。圖2中斜線區(qū)域夾雜物的Al2O3含量在20%左右，熔點(diǎn)低于1350℃。一般認(rèn)為位于上述成分區(qū)域內(nèi)的夾雜物為軋制過程具有良好變形能力的塑性類夾雜物［7］。

圖1 MnO－Al2O3－SiO2系夾雜相圖

圖2 CaO－Al2O3－SiO2系 夾雜相圖

2 簾線鋼中氧化物夾雜析出熱力學(xué)及成分控制

2.1 MnO－Al2O3－SiO2系夾雜析出熱力學(xué)

夾雜物的成分可以用鋼液與夾雜物間的平衡熱力學(xué)來預(yù)測，當(dāng)鋼液與夾雜物間達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，目標(biāo)夾雜組成可通過控制鋼液中各脫氧元素的相對含量來控制。

簾線鋼用Si－Mn脫氧時(shí)，鋼液中的氧勢由 Si－Mn 控制，二者存在如下平衡反應(yīng)［8－9］:

根據(jù)文獻(xiàn)［10］提供1600℃時(shí)MnO－ Al2O3－SiO2三元活度和有關(guān)熱力學(xué)參數(shù)，計(jì)算出1600℃時(shí)，夾雜物中Al2O3和鋼中酸溶鋁［Als］的關(guān)系和夾雜物的MnO/SiO2比與酸溶鋁的關(guān)系。分析結(jié)果表明，夾雜物中Al2O3含量隨［Als］含量增加而增加，當(dāng)夾雜物的MnO/SiO2=1.0時(shí)，Al2O3含量為12%～28%，與此對應(yīng)的鋼液［Als］含量為0.0002%～0.0005%［2，11］。

文獻(xiàn)［11］研究結(jié)果表明，在頂渣堿度為0.7～1.36時(shí)，隨著頂渣中 Al2O3含量的增加，夾雜物中的Al2O3含量也隨之增加。當(dāng)頂渣中Al2O3含量低于8%時(shí)，MnO－Al2O3－SiO2類夾雜物的成分在塑性區(qū)范圍。用 Si－Mn脫氧，控制 CaO－SiO2－A12O3－MnO四元系夾雜物中 Al2O3為20%，這時(shí)LF精煉爐中鋼液的酸溶鋁［A1s］應(yīng)小于3 ×10－6，溶解氧應(yīng)在 20 ×10－6～60 ×10－6之間［12］，爐渣Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須在7%以下。為此，除了須對渣料中Al2O3含量嚴(yán)加控制之外還必須對鐵合金的鋁含量、鋼包襯材料中 Al2O3含量等進(jìn)行嚴(yán)格控制［13］。

2.2 CaO－ Al2O3－SiO2系夾雜物成分的控制

CaO－Al2O3－SiO2系夾雜物屬于鋼液與爐渣作用生成的非金屬夾雜物，爐渣中Al2O3與夾雜物中Al2O3的相互作用可表示為［5］:

式中:(Al2O3)s——渣中 Al2O3;

(Al2O3)in——夾雜物中 Al2O3。兩者平衡時(shí):

式中:α(Al2O3)in——夾雜物中Al2O3的活度;

α(Al2O3)s——爐渣 Al2O3的活度。

研究結(jié)果表明:夾雜物中 Al2O3含量與鋼包爐精煉處理時(shí)頂渣中Al2O3含量，以及鋼水中［A1］s之間的關(guān)系為:

1)在采用硅脫氧的條件下，鋼中的酸溶鋁是由頂渣控制的。夾雜物中Al2O3含量隨著鋼液中酸溶鋁含量增加而增加，當(dāng)夾雜物Al2O3含量為12%～28%時(shí)，鋼液［A1s］含量應(yīng)控制在 0.0003%～0.0005%［14］。

2)當(dāng)頂渣堿度在 0.7l～1.36 之間時(shí)，頂渣中Al2O3含量低于8%，夾雜物中 Al2O3含量低于28%，能滿足塑性區(qū)中Al2O3含量的要求。

國外研究表明，選用鈣硅石(47%CaO，51%SiO2)渣系作為頂渣來進(jìn)行簾線用鋼的精煉，可以有效控制鋼中夾雜物的形態(tài)，并能將錳鋁榴石(3MnO·Al2O3·3SiO2)轉(zhuǎn)變成含鈣斜長石(CaO·Al2O3·2SiO2)成分的夾雜物，夾雜物具有低粘度、低熔點(diǎn)以及良好的上浮性能，易于去除［15］。

2.3 夾雜物中Al2O3含量的控制

為了把CaO－Al2O3－SiO2系夾雜物控制在塑性良好的區(qū)域內(nèi)，除了要求夾雜物的CaO/SiO2=0.5～1.0以外，夾雜物中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也必須在15%～25%范圍內(nèi)［6］。

當(dāng)鋼液中鋁含量足夠高時(shí)，酸溶鋁將參與脫氧，脫氧反應(yīng)式為:

鋁和硅的復(fù)合脫氧反應(yīng)式可以寫成:

根據(jù)1600℃下元素相互作用系數(shù)，可得出簾線鋼72A鋼液中硅和鋁的活度系數(shù)以及硅活度，即:

在CaO－Al2O3－SiO2三元系中具有良好變形能力的夾雜物成分區(qū)域中，夾雜物中的Al2O3含量隨著鋼液中酸溶鋁含量的增加而增加，塑性夾雜物中的CaO/SiO2比值在0.5～1.0之間，此時(shí)與鋼液平衡的夾雜物中Al2O3含量在15%～25%范圍內(nèi)，酸溶鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.00010%～0.00025%范圍內(nèi)，鋼液的氧活度必須在0.0056%～0.0l13%范圍內(nèi)。

2.4 夾雜物中CaO含量控制的熱力學(xué)

鋼中鈣與氧反應(yīng)的反應(yīng)式為:

由1600℃下鋼液有關(guān)組元的相互作用系數(shù)，可得出簾線鋼72A鋼液硅活度系數(shù)和硅活度為:

研究結(jié)果表明:當(dāng)夾雜物中CaO/SiO2比值為1.0～2.0時(shí)，CaO含量隨鋼液氧活度的增加而減少。簾線鋼鋼液中的氧活度在 0.0056% ～0.0113%范圍內(nèi)，而鋼液氧活度低是導(dǎo)致夾雜物中CaO含量高的主要原因。

3 簾線鋼夾雜物控制技術(shù)

根據(jù)以上的分析，得出以下簾線鋼夾雜物控制思路［13，18，21］:

1)確定簾線鋼中具有良好變形能力的氧化物夾雜的目標(biāo)組成范圍;

2)簾線鋼用Si－Mn脫氧時(shí)，根據(jù)MnO－Al2O3－SiO2三元活度和有關(guān)熱力學(xué)參數(shù)，確定夾雜物中Al2O3和鋼中酸溶鋁［Als］的關(guān)系，夾雜物的MnO/SiO2比與酸溶鋁的關(guān)系;

3)CaO－Al2O3－SiO2系夾雜物屬于鋼液與爐渣作用生成的非金屬夾雜物，研究夾雜物中Al2O3含量與鋼包爐精煉處理時(shí)頂渣中Al2O3含量，以及鋼水中［A1s］之間的關(guān)系;

4)為了把CaO－Al2O3－SiO2系夾雜物控制在塑性良好的區(qū)域內(nèi)，除了要求夾雜物的CaO/SiO2=0.5～1.0以外，夾雜物中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也必須在15%～25%范圍內(nèi)，CaO含量隨鋼液氧活度的增加而減少。

根據(jù)以上思路，具體冶煉工藝為［14，19－20］:①在冶煉過程中避免采用鋁，減少爐渣、包襯、合金等帶入的鋁及 Al2O3，將 Mn/Si控制2.5～3.5 之間，用金屬錳(純錳)和高純硅(低鋁低鈦)脫氧合金化;②在精煉處理過程中，鋼包爐盡早加入石英砂造酸性渣，在LF爐保證酸渣時(shí)間大于3 min。用Si－Fe粉和電石脫氧。保證渣的顏色由黑色轉(zhuǎn)成米黃色再轉(zhuǎn)成深綠色，頂渣堿度控制在0.8～1.1，Al2O3≤7%的酸性鋼包爐渣系。采用Fe－Si粉擴(kuò)散脫氧，鋼水中［A1s］≤0.0004%;③VD 真空處理，＜100 Pa保持時(shí)間大于10 min;此外，真空處理結(jié)束后，進(jìn)行軟吹氬處理，處理時(shí)間大于10 min，確保夾雜物有上浮的時(shí)間，同時(shí)避免在冶煉中后期再生成大量的Al2O3夾雜物，再次污染鋼水。

簾線鋼夾渣物的控制技術(shù)在寶鋼、鞍鋼、邢鋼等國內(nèi)幾家鋼鐵公司的應(yīng)用情況如下:

寶鋼在簾線鋼工藝開發(fā)方面，實(shí)現(xiàn)了簾線鋼盤條的夾雜物尺寸全部控制在15 μm以下，10 μm以下占 96%以上［16］;

鞍鋼生產(chǎn)簾線鋼的線材中90%以上的夾雜物粒度小于 5 μm［17］;

湘鋼在簾線鋼的全氧含量要求控制在20 ×10－6以下，全氧含量平均控制在l1.6 ×10－6范圍［13－14］;

邢鋼在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鋼中酸溶鋁含量達(dá)到0.0005%左右，夾雜物Al2O3含量達(dá)到20%～30%，形態(tài)以球狀為主，尺寸在5 μm左右，大多數(shù)在1 μm～3.0 μm 之間［21］。

分別取寶鋼、湘鋼、邢鋼的簾線鋼線材試樣，沿試樣中心縱剖，用電子探針對試樣中的典型夾雜物進(jìn)行分析，如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 變形能力較好的硅鋁酸鈣

圖4 變形能力較好的鈣長石

圖5 變形能力較好的硅鋁酸鈣

通過式(9)可以計(jì)算出夾雜物中CaO含量與鋼液中氧活度的關(guān)系。對鈣的活度系數(shù)影響最大的元素是硫和氧。鋼中硅參與脫氧時(shí)的反應(yīng)式為:

通過分析可以看出，鋼簾線用線材試樣中非金屬夾雜物大部分是塑性夾雜物，夾雜物的尺寸全部小于 10 μm，在 5 μm 左右。

4 結(jié)論

1)為了滿足鋼簾線的生產(chǎn)要求，防止鋼簾線用線材中生成Al2O3或高Al2O3含量的硅鋁酸鹽類脆性非金屬夾雜物，需要通常采用Si－Mn對鋼水進(jìn)行脫氧，脫氧后生成的脫氧產(chǎn)物，一般為含Al2O3的15%～25%錳鋁榴石(3MnO·Al2O3·3SiO2)及其周邊低熔點(diǎn)區(qū);鋼液凝固過程中析出的復(fù)合夾雜物，為鈣斜長石(CaO·Al2O3·2SiO2)與假硅灰石(CaO·SiO2)的共晶區(qū)。

2)簾線鋼用Si－Mn脫氧時(shí)，根據(jù)MnO－Al2O3－SiO2三元活度和有關(guān)熱力學(xué)參數(shù)，精煉爐中采用低Al2O3含量的酸性渣精煉鋼液，鋼液的酸溶鋁［A1s］應(yīng)小于 5 ×10－6，溶解氧應(yīng)在20 ×10－6～60×10－6之間。頂渣中Al2O3含量低于8%，Al2O3含量為12%～28%時(shí)，MnO－Al2O3－SiO2類夾雜物的成分在塑性區(qū)范圍。

3)為了把CaO－Al2O3－SiO2系夾雜物控制在塑性良好的區(qū)域內(nèi)，除了要求夾雜物的CaO/SiO2=0.5～1.0以外，夾雜物中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也必須在15%～25%范圍內(nèi)，CaO含量隨鋼液氧活度的增加而減少。

4)國內(nèi)幾家鋼鐵公司采用了簾線鋼夾雜物塑性化控制技術(shù)，在鋼簾線用線材中非金屬夾雜物大部分是塑性夾雜物，夾雜物的尺寸全部小于10 μm，在5 μm左右。

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TECHNOLOGY ON CONTROLLING THE NON－METALLIC INCLUSION IN TIRE CORD STEEL

Jiang Yuedong1，2Qiu Dongli2Wu Chao2Xue Zhengliang1
(1.Wuhan University of Science and Technology;2.Research and Development Centre of WISCO)

In order to meet the production requirement of high strength steel cord，either the size or the quantity of undeformable inclusions in the steel should be decreased.In this paper，the control mechanisms of oxide inclusions in steel cord are summarized，and the measures of controlling those inclusions in several famous steel plants are analyzed.

tire cord steel nonmetallic inclusion wire

:2012—6—21