硬線鋼（82B)冶煉終點(diǎn)C成分偏差對(duì)鋼材性能的影響

張建新，李鴻鋼，陳海軍

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司制造管理部）

1 前言

預(yù)應(yīng)力鋼絲用鋼（82B）盤條的深加工以冷拉拔為手段，其拉拔性能與鋼的組織狀態(tài)有密切關(guān)系。為了保證拉拔過(guò)程的順利進(jìn)行及拉拔后鋼絲的力學(xué)性能,要求82B高碳盤條必須具有穩(wěn)定且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的化學(xué)成分。均勻的鋼材組織以及較高的索氏體含量，優(yōu)良的力學(xué)性能。

隨著預(yù)應(yīng)力鋼絲向高強(qiáng)度和大變形量方向的發(fā)展（要求鋼絲拉拔總壓縮率在85%以上、抗拉強(qiáng)度達(dá)到2000 MPa以上，同時(shí)應(yīng)具有良好的塑性δ100≥3.5%,因此對(duì)82B高碳鋼盤條生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。要滿足其使用的特殊性，在煉鋼工序應(yīng)滿足：（1）鑄坯C偏析盡可能小，以保證鋼材組織的均勻，性能的穩(wěn)定；（2）[O]、[N]含量盡可能低，保證成品盤條的[O]＜50×10-6，[N]＜80×10-6；（3）夾雜物級(jí)別盡可能低，一般脆性?shī)A雜物與塑性?shī)A雜物之和不大于3.0。因此，冶煉的過(guò)程控制對(duì)保證82B盤條質(zhì)量至關(guān)重要。筆者對(duì)八鋼開(kāi)發(fā)生產(chǎn)82B盤條的性能及轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳含量的影響進(jìn)行探討，提出有針對(duì)性的操作建議，生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的82B盤條。

2 82B高碳鋼冶煉控制難點(diǎn)及控碳方法

82B高碳鋼盤條一般以冷拉拔為主要加工手段。當(dāng)變形條件一定時(shí),抗拉強(qiáng)度和延展性能與鋼的組織狀態(tài)有密切關(guān)系,為了獲得充分延展條件下的高強(qiáng)度和高韌性,就需要盤條的金相組織和成分處于合理均勻狀態(tài)。對(duì)82B高碳鋼來(lái)說(shuō)，由于鋼在凝固過(guò)程中碳元素的選分結(jié)晶，鋼中的碳將產(chǎn)生偏析，如果在冶煉后期向鋼水中增碳，則會(huì)加劇鋼水中碳的偏析及偏聚。由于碳在連鑄坯中的不均勻分布，又極易產(chǎn)生網(wǎng)狀滲C體組織，造成盤條在拉拔過(guò)程中的脆斷。同時(shí)，由于加入大量的增碳劑，必然導(dǎo)致夾雜物數(shù)量增加，夾雜物的存在又破壞了金屬組織的連續(xù)性,在拉拔中容易引起應(yīng)力的集中,導(dǎo)致鋼絲斷裂。因此類鋼種中的夾雜物種類多以硫化物、氧化物、硅酸鹽等為主,均屬脆性?shī)A雜物，因此應(yīng)加以嚴(yán)格控制。

據(jù)有關(guān)資料介紹[1],在一定條件下,當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)0.01%時(shí),盤條抗拉強(qiáng)度將發(fā)生10MPa的波動(dòng),而按85%的總壓縮率計(jì)算,其最終將波動(dòng)20MPa。盤條含碳量的波動(dòng)范圍越大,鋼材抗拉強(qiáng)度的波動(dòng)就越大。

根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)學(xué)-布朗運(yùn)動(dòng)理論，在膠體介質(zhì)中粒子做不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的速度取決于粒子的大小、溫度以及介質(zhì)的黏度，其運(yùn)動(dòng)的結(jié)果必然在膠體介質(zhì)中表現(xiàn)出擴(kuò)散現(xiàn)象，即：粒子能自發(fā)地從濃度高處向濃度低處擴(kuò)散，由此可導(dǎo)出粒子在時(shí)間t內(nèi)的平均位移（s）和擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系：

R為介質(zhì)的熱力學(xué)常數(shù)；No為阿弗加得羅常數(shù)；η 為介質(zhì)的黏度常數(shù)；r為粒子半徑；T為介質(zhì)溫度。

將鋼水視為膠體介質(zhì)，在一定溫度下碳粒子發(fā)生不規(guī)則的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)結(jié)果與冶煉周期呈正比。因此，為保證碳粒子的均勻擴(kuò)散，一定溫度下的冶煉時(shí)間必須足夠。為此進(jìn)行了試驗(yàn)，在出鋼時(shí)保證磷、硫有效脫除的前提下，轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)保持較高的留碳量，精煉期通過(guò)合金加入，在不加或少加碳粉的基礎(chǔ)上對(duì)鋼水的含碳量進(jìn)行微調(diào)，保證了擴(kuò)散時(shí)間，從而達(dá)到既不改變冶煉周期，又有充足的時(shí)間及溫度保證鋼水中碳的擴(kuò)散，達(dá)到均勻鋼水之目的。

另外，在冶煉過(guò)程中，鋼液脫氧和增氧過(guò)程同時(shí)存在，而脫氧主要是依靠C－O反應(yīng)生成CO氣泡，以此將鋼液中的[O]帶出而達(dá)到脫氧的目的。在脫氧過(guò)程中，鋼液脫碳速度與脫氧速度成正比，因此鋼液中碳含量高時(shí)，碳氧反應(yīng)強(qiáng)烈，熔池產(chǎn)生大量的CO氣泡將鋼液中的氧脫除，有效降低鋼水的氧含量。

3 冶煉82B高碳鋼的生產(chǎn)控制

化學(xué)成分的含量及小的成分波動(dòng)是決定盤條的組織性能和拉拔性的關(guān)鍵因素。按85%的總壓縮率要求和國(guó)家GB/T 24238-2009《預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤條》標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算在與用戶進(jìn)行充分地協(xié)商的基礎(chǔ)上，制定了企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。其化學(xué)成分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 硬線鋼（82B)化學(xué)成分設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)

八鋼冶煉82B高碳鋼的工藝流程：鐵水預(yù)處理－LD（120t轉(zhuǎn)爐）－LF（70t精煉爐）—連鑄（4機(jī)4流方坯連鑄）—軋鋼（高速線材軋機(jī)）。

冶煉過(guò)程的關(guān)鍵控制點(diǎn)：（1）嚴(yán)格要求鐵水裝入量，控制好鐵水與廢鋼比例，保證一定的供氧強(qiáng)度，根據(jù)噸鋼氧耗計(jì)算出合理的供氧強(qiáng)度和時(shí)間，并選擇合理的造渣冶煉操作，第一批渣料加入占總量約1/3，要求在轉(zhuǎn)爐冶煉前期早化渣，化透渣，爐渣堿度控制在3.5。采用高拉補(bǔ)吹，終點(diǎn)降槍時(shí)間大于40秒，確保爐內(nèi)鋼水成分均勻。

（2）冶煉到終點(diǎn)時(shí)進(jìn)行高拉補(bǔ)吹：當(dāng)碳在1.00%～1.20%時(shí)，倒?fàn)t測(cè)溫取樣，根據(jù)成分溫度確定補(bǔ)吹量，終點(diǎn)控制范圍為C≥0.60%，P≤0.008%。

（3）出鋼過(guò)程中加入一定量的脫氧合金和硅錳合金，對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧和合金化，合金不足部分在精煉爐中補(bǔ)加：采用電石預(yù)脫氧，電石根據(jù)終點(diǎn)碳適量加入；合金化則采用硅錳合金、高碳鉻鐵、鋁鐵，在鋼水出至鋼水總量的1/4～1/3時(shí)開(kāi)始加入，所有鋼包內(nèi)加入的合金必須保證在鋼水出至出鋼量的3/4時(shí)加完。

（4）加入Cr的作用。Cr可提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線發(fā)生右移，減小了臨界冷卻速度，從而有效提高了鋼的淬透性又增加了索氏體量；在中、高碳鋼中加入0.2%～0.5%的Cr，可促使晶粒組織細(xì)化，使晶體組織片層變薄，從而產(chǎn)生“細(xì)晶強(qiáng)化”的作用。因此，LF精煉期向鋼水中加入Cr,一方面有利于形成更多的索氏體組織,改善母材的加工性能;另一方面又可使晶粒細(xì)化,增強(qiáng)“細(xì)晶強(qiáng)化”的作用，以提高預(yù)應(yīng)力鋼絲的強(qiáng)度和韌性。

通過(guò)大量的生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，碳的終點(diǎn)控制完全能滿足設(shè)定的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 關(guān)于82B盤條轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)C含量討論

4.1 82B盤條性能和冶煉終點(diǎn)C及鑄坯含C關(guān)系

從檢測(cè)結(jié)果（表2）可以看出：轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)留C量的多少與82B盤條的抗拉強(qiáng)度、面縮等性能指標(biāo)關(guān)系密切，由于個(gè)別爐次終點(diǎn)C偏低，導(dǎo)致82B盤條的抗拉強(qiáng)度及面縮偏低，甚至出現(xiàn)了脆斷現(xiàn)象；而終點(diǎn)留C≥0.60%的爐次其軋制15天的時(shí)效后，其檢測(cè)結(jié)果皆滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且在用戶使用過(guò)程中未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。經(jīng)與用戶協(xié)議確定：（1）時(shí)效15天以上；（2）抗拉強(qiáng)度大于1100MPa；（3）面縮大于30%。詳見(jiàn)表2。

4.2 熔煉成品碳含量與鋼材含[O]量對(duì)比分析

鋼中的全氧含量是指鋼中全部氧化物的總和，也是反映鋼水純凈度的重要指標(biāo)，當(dāng)終點(diǎn)碳含量低時(shí)由于加入了大量的增碳劑和脫氧劑使得鋼中的[O]含量增加。因此控制終點(diǎn)碳的含量就能有效的降低鋼材中[O]的含量，使得鋼中夾雜物的含量有效降低，見(jiàn)圖1所示。

圖1顯示，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量與鋼材含氧量有蜜切的相關(guān)性，當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量高時(shí)，鋼材的氧含量相應(yīng)降低。證明轉(zhuǎn)爐終站點(diǎn)碳含量的高低決定了鋼材氧含量（鋼水純凈度）。

4.3 終點(diǎn)C對(duì)鋼材索氏體及網(wǎng)狀滲C體的影響

硬線鋼盤條一般以拉拔為主要深加工手段，當(dāng)變形條件一定時(shí),抗拉強(qiáng)度和延展性能除與鋼的含C量有關(guān)外，還與鋼的組織狀態(tài)有密切關(guān)系。為了獲得充分延展條件下的高強(qiáng)度和高韌性,就需要軋制盤條的組織呈均勻狀態(tài)分布,因此終點(diǎn)C含量的高低又成為其非常重要的影響因素之一。

由于硬線鋼屬于高C鋼系列，C的偏析將使得盤條中心部位極易產(chǎn)生粗大組織和異常的網(wǎng)狀體組織,這就造成盤條拉拔時(shí)表層金屬容易流動(dòng)而中心則變形困難，甚至斷裂后仍存在部分未變形的異常組織——即杯錐狀斷口,此類斷口對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼材應(yīng)用危害極大且也是常見(jiàn)缺陷。

若冶煉期終點(diǎn)C含量偏低，則為保證其化學(xué)成份只好在LF精煉期加入大量碳粉及合金，由于鋼包低吹氬加強(qiáng)攪拌，降低了鋼水溫度，需消耗一定時(shí)間提升溫度、熔化合金實(shí)現(xiàn)脫氧合金化，加之受冶煉周期的制約，導(dǎo)致鋼包鋼水鎮(zhèn)靜時(shí)間相對(duì)減少，致使碳粒子來(lái)不及實(shí)現(xiàn)均勻的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致C的偏析出現(xiàn)。若要解決這一問(wèn)題就需要保證一定溫度下的鎮(zhèn)靜時(shí)間必須足夠，這又與生產(chǎn)節(jié)奏產(chǎn)生矛盾。為此，在出鋼時(shí)保證磷、硫的有效脫除的前提下，保持鋼水較高的留碳量，取得了顯著效果。

一般標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定索氏體量含大于80%，當(dāng)終點(diǎn)碳含量低于一定值時(shí)，索氏體含量大幅度降低并伴有網(wǎng)狀滲C體出現(xiàn)，具體情況見(jiàn)表3?？蓮膶?duì)盤條的金相組織照片中得到進(jìn)一步證實(shí)。

表3 終點(diǎn)C量與鋼材索氏體量、網(wǎng)狀滲C體組織對(duì)比情況

圖1 金相組織圖

從金相組織照片可以看出：4號(hào)試樣終點(diǎn)C為0.71%，索氏體量達(dá)到90%，組織正常，拉拔情況良好；6、8、10號(hào)試樣終點(diǎn)C分別為0.34%、0.42%、0.48%，索氏體量分別為65%、60%、70%，心部組織中有塊狀滲碳體出現(xiàn)，拉拔中頻繁出現(xiàn)斷裂問(wèn)題；7號(hào)試樣終點(diǎn)C為0.52%，索氏體量為65%，靠近心部組織中有夾雜物，拉拔中也頻繁出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

5 改進(jìn)預(yù)應(yīng)力鋼絲用盤條質(zhì)量的冶煉操作建議

（1）提高冶煉過(guò)程的操作水平，使冶煉終點(diǎn)保持較高碳含量,盡量減少精煉過(guò)程的增碳量，進(jìn)而減少鋼中的夾雜物含量。

（2）精練過(guò)程應(yīng)準(zhǔn)確控制，保持各爐間化學(xué)成份的均勻穩(wěn)定，以利于軋制過(guò)程的控冷控制，為后續(xù)拉拔創(chuàng)造條件。

（3）軋制過(guò)程中應(yīng)有效控制加熱溫度和控冷條件，以保證組織的均勻。

[1]余宗森，袁澤喜，李士琦，武駿等.鋼的成分、殘留元素及其性能的定量關(guān)系.[M].1.北京：冶金工業(yè)出版社,2001.

[2]陳偉慶，馮軍.高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線用盤條的質(zhì)量控制.金屬制品，2005，（5）.

[3]李桂英，姜世全.82B盤條質(zhì)量研究.金屬制品，2005，（3）.