簾線鋼LX72A夾雜物控制優(yōu)化實(shí)踐

桂仲林 王海洋 騰力宏

(中天鋼鐵技術(shù)中心，江蘇常州 21300)

簾線鋼LX72A夾雜物控制優(yōu)化實(shí)踐

桂仲林 王海洋 騰力宏

(中天鋼鐵技術(shù)中心，江蘇常州 21300)

結(jié)合中天鋼鐵第三煉鋼廠簾線鋼LX72A生產(chǎn)實(shí)際，通過(guò)控制鐵水[Si]、[Ti]等含量和實(shí)施轉(zhuǎn)爐“雙渣留渣”冶煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐出鋼高拉w([C])≥0.12%、低w([P])≤0.008%和低w([Ti])≤0.005%的要求，有效減少脫氧產(chǎn)物和含Ti夾雜物數(shù)量。調(diào)整精煉渣系堿度和優(yōu)化中間包流場(chǎng)，使盤(pán)條夾雜物成分達(dá)到CaO- Al2O3- SiO2系相圖塑性化控制目標(biāo)，同時(shí)使鑄坯夾雜物尺寸由最大48 μm降低到20 μm以?xún)?nèi)。

簾線鋼 夾雜物 精煉渣 中包流場(chǎng)

鋼簾線是橡膠骨架材料中發(fā)展最為廣闊的產(chǎn)品，主要應(yīng)用在汽車(chē)輪胎、傳送帶等生產(chǎn)領(lǐng)域，要求其具有動(dòng)態(tài)彈性率大、強(qiáng)度高、拉伸蠕變小、尺寸穩(wěn)定性好以及彎曲剛度高等特點(diǎn)，是金屬制品中生產(chǎn)難度最大的產(chǎn)品[1]。簾線鋼在加工過(guò)程中，需從φ5.5 mm左右的線材快速拉拔至單絲φ0.15～0.38 mm的細(xì)絲，這對(duì)鋼中夾雜物塑性要求很高，以避免在生產(chǎn)過(guò)程中斷絲。因此，要生產(chǎn)出高質(zhì)量的簾線鋼就必須努力提高簾線鋼的潔凈度，要求夾雜物尺寸小、數(shù)量少、延展塑性好[2]。研究表明[3- 4]，一般影響鋼中夾雜物數(shù)量和尺寸的重要因素是鋼中T[O]含量，但卻更加強(qiáng)調(diào)夾雜物的塑性化指標(biāo)，如夾雜物熔點(diǎn)低是變形性能好的重要特征之一。

中天鋼鐵自開(kāi)發(fā)LX72A簾線鋼以來(lái)，盤(pán)條存在大顆粒夾雜物、B類(lèi)夾雜物和縱截面夾雜物尺寸超標(biāo)等問(wèn)題，而夾雜物超標(biāo)是簾線鋼生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)斷絲的主要原因。本文通過(guò)穩(wěn)定鐵水成分和控制轉(zhuǎn)爐出鋼終點(diǎn)[C]、[P]和[Ti]含量，調(diào)整精煉渣堿度和優(yōu)化中間包流場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)減小簾線鋼中夾雜物尺寸和塑性化控制的目的。

1 夾雜物塑性化的理論基礎(chǔ)

簾線鋼中夾雜物的主要來(lái)源為內(nèi)生脫氧產(chǎn)物和外生耐材剝落物以及卷渣產(chǎn)物。而夾雜物的塑性化控制基本思想是優(yōu)化內(nèi)生夾雜物成分降低其熔點(diǎn)，在軋制溫度下隨著夾雜物熔點(diǎn)的降低，變形能力越來(lái)越好。研究表明[5]，當(dāng)夾雜物熔點(diǎn)低于1 400 ℃時(shí)，夾雜物的變形能力和同溫度下鋼的變形能力接近，即夾雜物實(shí)現(xiàn)塑性化。

目前簾線鋼主要采用低堿度的酸性渣進(jìn)行冶煉。鋼中夾雜物主要有兩種：一種是來(lái)自于Si、Mn脫氧產(chǎn)物的MnO- SiO2- Al2O3系夾雜物，目標(biāo)相圖中含15%～25% Al2O3的錳鋁榴石(3MnO·Al2O3·3SiO2)及其周邊為低熔點(diǎn)區(qū)，如圖1(a)所示；另一種是來(lái)自爐渣反應(yīng)的CaO- SiO2- Al2O3系夾雜物，目標(biāo)相圖中鈣斜長(zhǎng)石(CaO·Al2O3·2SiO2)與假硅灰石(CaO·SiO2)的共晶區(qū)為低熔點(diǎn)區(qū)，見(jiàn)圖1(b)。

圖1 (a)MnO- Al2O3- SiO2系和(b)CaO- Al2O3- SiO2系塑性?shī)A雜物成分范圍[5]Fig.1 Composition range of plastic slag inclusion of (a) MnO- Al2O3- SiO2 and (b) CaO- Al2O3- SiO2 system[5]

根據(jù)Lrunner等的研究結(jié)果[6]，夾雜物中Al2O3含量與不變形夾雜物呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)夾雜物中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，夾雜物塑性變形能力最好。在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，簾線鋼夾雜物一般是四元、五元復(fù)合夾雜物，因此，夾雜物塑性化控制并不容易。

2 生產(chǎn)過(guò)程工藝參數(shù)控制及優(yōu)化

2.1 生產(chǎn)工藝路線

LX72A簾線鋼的冶煉工藝流程為：KR鐵水預(yù)處理→120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→160 mm×160 mm小方坯連鑄機(jī)(10機(jī)10流) →高速線材軋制。表1為L(zhǎng)X72A簾線鋼的目標(biāo)化學(xué)成分。

表1 LX72A簾線鋼的目標(biāo)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of LX72A tire cold steel (mass fraction) %

2.2 轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)控制及優(yōu)化

轉(zhuǎn)爐出鋼終點(diǎn)的[C]、[P]和[Ti]含量對(duì)鋼水純凈度和夾雜物有著至關(guān)重要的影響。提高終點(diǎn)出鋼[C]含量，降低鋼水氧含量，可減少夾雜物來(lái)源；降低終點(diǎn)[P]，能夠避免P偏析導(dǎo)致盤(pán)條拉拔分層斷裂；降低[Ti]含量，能夠抑制鑄坯凝固過(guò)程中析出TiN(C)高硬質(zhì)不變形夾雜物。對(duì)于簾線鋼來(lái)說(shuō)，TiN類(lèi)夾雜物對(duì)盤(pán)條的拉拔和絞線過(guò)程危害最大。轉(zhuǎn)爐具體工藝控制優(yōu)化措施如下：

(1)為控制Ti夾雜，生產(chǎn)前對(duì)鐵水Ti含量進(jìn)行檢測(cè)，用Ti含量低的鐵水生產(chǎn)，一般要求鐵水w([Ti])≤0.05%；禁止使用含Ti的廢鋼冶煉簾線鋼。

(2)保證鐵水中的[Si]含量，要求w([Si])=0.25%～0.60%，穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐高拉碳終點(diǎn)控制，出鋼w([C])≥0.12%。

(3)轉(zhuǎn)爐采用“雙渣留渣”脫P(yáng)、脫Ti技術(shù)，要求終點(diǎn)出鋼w(P)≤0.008%，w(Ti)≤0.001%。

(4)為最大程度降低Al2O3等不變形脆性?shī)A雜物的數(shù)量，在合金化過(guò)程不得使用含鋁的脫氧劑，而采用低鋁硅鐵和金屬錳合金脫氧，高純硅預(yù)脫氧，把鋼中Als的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.001%以下。

(5)出鋼合金加入順序?qū)A雜物生成影響較大，加料順序依次為低氮增碳劑→高純硅→金屬錳→低鋁硅鐵→頂渣。

(6)嚴(yán)格控制精煉到站樣成分：w(C)=0.60%～0.68%、w(Si)=0.10%～0.15%、w(Mn)=0.45%～0.50%。精煉到站成分的精確控制有利于脫氧產(chǎn)物及時(shí)上浮，同時(shí)能夠促進(jìn)精煉過(guò)程夾雜物的變性。

(7)加強(qiáng)出鋼過(guò)程的擋渣操作，采用擋渣球和滑板雙擋渣，且出鋼扒渣。

表2為簾線鋼轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)優(yōu)化前后爐次的具體數(shù)據(jù)。從表2中不難看出，加強(qiáng)過(guò)程控制要求前，鐵水中[Si]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低為0.08%，轉(zhuǎn)爐出鋼w([C])<0.10%，w([P])>0.01%；工藝參數(shù)調(diào)整后，鐵水中的[Si]含量穩(wěn)定提高，轉(zhuǎn)爐出鋼能夠?qū)崿F(xiàn)保溫度高拉[C]、低[P]、低[Ti]出鋼，給后續(xù)精煉過(guò)程夾雜物的控制提供了有利條件。

表2 工藝參數(shù)優(yōu)化前后簾線鋼入爐鐵水和轉(zhuǎn)爐出鋼的成分及溫度變化Table 2 Variation of composition and temperature of liquid iron and BOF tapping for tire cold steel before and after process optimization

2.3 精煉渣系優(yōu)化

簾線鋼精煉過(guò)程主要通過(guò)設(shè)計(jì)頂渣堿度和Al2O3含量與鋼水化學(xué)反應(yīng)，再通過(guò)鋼水中溶解的活性[Ca]與[Al]等微量元素與夾雜物反應(yīng)，達(dá)到控制夾雜物成分的目的。如果精煉過(guò)程渣- 鋼反應(yīng)能達(dá)到熱力學(xué)平衡，則夾雜物成分和渣成分一致，但受制于動(dòng)力學(xué)條件，實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中熱力學(xué)平衡是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。簾線鋼中渣- 鋼和鋼水- 夾雜物主要有以下3個(gè)化學(xué)反應(yīng)。

2MnO(S)+[Si]=SiO2(S)+2[Mn]，

ΔG0=-5 700-34.8T

(1)

2Al2O3(S)+3[Si]=3SiO2(S)+4[Al]，

ΔG0=658 200-107.1T

(2)

2CaO(S)+[Si]=2[Ca]+SiO2(S)，

ΔG0=694 422-75.06T

(3)

簾線鋼要求鋼水純凈度高和夾雜物變形塑性良好，根據(jù)夾雜物塑性化理論分析，夾雜物的堿度(CaO/SiO2)要控制在0.6～1.0左右，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右。本文精煉渣系采用雙渣變性工藝，前期用石灰、電石、螢石造高堿度渣脫氧，后期用石英砂造低堿度渣變性。變?cè)昂笤祲A度的確定對(duì)盤(pán)條夾雜物塑性化有較大影響。表3為精煉渣系優(yōu)化調(diào)整前后渣化學(xué)成分的對(duì)比。從表3可以看出，原工藝變?cè)皦A度1.9～2.0，變?cè)髩A度1.0～1.1，工藝調(diào)整后變?cè)皦A度1.5～1.6，變?cè)髩A度0.9～1.0。

使用掃描電鏡和能譜儀分析鑄坯中夾雜物成分，圖2為精煉渣系調(diào)整前后鑄坯中夾雜物在CaO- Al2O3- SiO2相圖上的位置，陰影部分為夾雜物熔點(diǎn)低于1 400 ℃的塑性區(qū)。從圖2(a)中可以看出，渣系優(yōu)化前夾雜物基本都不在塑性區(qū)，夾雜物成分離散度大，部分夾雜物Al2O3含量嚴(yán)重偏高，其原因?yàn)?，原渣系堿度高，低SiO2含量促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)式(2)進(jìn)行，渣中的Al2O3易被還原成[Al]進(jìn)入鋼水，導(dǎo)致夾雜物中Al2O3含量偏高；圖2(b)為渣系優(yōu)化后夾雜物成分的檢測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)夾雜物基本都在塑性區(qū)，且分布集中。

2.4 中包流場(chǎng)優(yōu)化

中間包不僅是穩(wěn)壓、分配鋼液和保證鋼液連續(xù)性澆鑄的緩沖容器，還是去除鋼液中非金屬夾雜物、均勻鋼液溫度和保證鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備。中間包內(nèi)的控流元件多孔擋墻的參數(shù)設(shè)置對(duì)中間包內(nèi)非金屬夾雜物的上浮及均勻鋼液溫度起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于多流連鑄小方坯中間包，若出口溫度及所含夾雜物的大小和數(shù)量變化很大，勢(shì)必給鑄坯質(zhì)量控制帶來(lái)一定的困難。因此，優(yōu)化中間包擋墻的設(shè)置參數(shù)非常重要。

表3 精煉渣系優(yōu)化調(diào)整(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Optimization basicity of refining top slag (mass fraction) %

圖2 精煉渣系優(yōu)化(a)前、(b)后夾雜物的塑性區(qū)Fig.2 Plastic zones of inclusions (a) before and (b) after optimization of refining slag

中天鋼鐵第三煉鋼廠連鑄機(jī)為10機(jī)10流雙中間包“T”型結(jié)構(gòu)，原擋墻設(shè)計(jì)主要針對(duì)普通鋼種，不能滿(mǎn)足高品質(zhì)鋼種如簾線鋼的要求。通過(guò)與高校合作開(kāi)展中間包擋墻水模型和數(shù)值模擬設(shè)計(jì)研究，對(duì)擋墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，由原“V”兩側(cè)孔改為“V”型單側(cè)4孔擋墻，尺寸位置示意圖如圖3所示。水模擬和數(shù)值模擬的結(jié)果表明，新?lián)鯄A雜物去除率由優(yōu)化前的45.4%提高到78.9%。通過(guò)鑄流取樣，在金相顯微鏡下觀察夾雜物的數(shù)量和尺寸，結(jié)果顯示，擋墻優(yōu)化前夾雜物尺寸最大48 μm， 采用新?lián)鯄?，夾雜物尺寸基本都小于20 μm，說(shuō)明擋墻優(yōu)化后去除夾雜物效果明顯。

3 盤(pán)條夾雜物檢測(cè)結(jié)果分析

圖3 中包擋墻優(yōu)化(a)前、(b)后的形狀示意圖Fig.3 Schematic diagrams of tundish wall (a) before and (b) after optimization

簾線鋼夾雜物的檢驗(yàn)非常嚴(yán)格，下游客戶(hù)一般要求每個(gè)爐次取12根盤(pán)條樣，檢測(cè)縱截面不變形夾雜物(長(zhǎng)寬比小于3)最大寬度、橫截面夾雜物最大寬度和Ti夾雜物數(shù)量及尺寸。圖4為簾線鋼工藝參數(shù)優(yōu)化前后盤(pán)條夾雜物的形貌?？梢?jiàn)優(yōu)化前夾雜物為串狀不變形顆粒；優(yōu)化后夾雜物為塑性良好的長(zhǎng)條狀，且寬度小于5 μm。

圖4 工藝優(yōu)化(a、b)前、(c、d)后盤(pán)條夾雜物形貌的變化Fig.4 Variation of morphology of inclusions (a,b) before and (c,d) after process optimization

表4為根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)盤(pán)條B類(lèi)不變形夾雜物的評(píng)級(jí)結(jié)果?？梢钥闯?，工藝參數(shù)優(yōu)化前，B類(lèi)夾雜物平均級(jí)別為0.58～0.79，最大級(jí)別2.5級(jí)，≤1.0級(jí)合格率為41.7%～75%，滿(mǎn)足一般簾線鋼的使用要求；工藝參數(shù)優(yōu)化后，B類(lèi)夾雜物平均級(jí)別為0.17～0.21，最大級(jí)別小于1.0級(jí)，≤1.0級(jí)合格率100%。說(shuō)明工藝參數(shù)優(yōu)化后，夾雜物的尺寸明顯細(xì)化。

表4 盤(pán)條夾雜物ASTM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)結(jié)果(B類(lèi)不變形夾雜物)Table 4 Results of rating wire inclusions (B type non-deformation inclusion) according to ASTM standard

4 結(jié)論

(1)通過(guò)穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐鐵水成分中的[Si]、[P]和[Ti]含量，加入清潔廢鋼，使用低鋁低鈦合金和脫氧劑，冶煉時(shí)采用“雙渣留渣”和高拉碳技術(shù)，終點(diǎn)出鋼可滿(mǎn)足w([C])≥0.12%、w([P])≤0.008%、w([Ti])≤0.005%的要求，并有效減少脫氧產(chǎn)物和Ti夾雜物數(shù)量。

(2)采用雙渣工藝精煉，變?cè)皦A度由1.9～2.0調(diào)整到1.5～1.6，變?cè)髩A度由1.0～1.1調(diào)整到0.9～1.0，夾雜物在CaO- Al2O3- SiO2相圖的位置可由偏離塑性區(qū)的離散分布轉(zhuǎn)變?yōu)榧蟹植荚谌埸c(diǎn)低于1 400 ℃的塑性區(qū)。

(3)優(yōu)化10機(jī)10流中間包擋墻結(jié)構(gòu)，提高大顆粒夾雜物去除率，能使鑄坯中夾雜物尺寸由優(yōu)化前的最大48 μm降低到20 μm以?xún)?nèi)。

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收修改稿日期：2017- 01- 18

OptimizationPracticeofInclusionControlforLX72ATireColdSteel

Gui Zhonglin Wang Haiyang Teng Lihong
(Zenith Steel Technology Center, Changzhou Jiangsu 213000, China)

Combined with the practical production situation of LX72A tire cold steel in No.3 Steelmaking Plant of Zenith Steel Group Co., Ltd, through controlling of silicon and titanium contents in the liquid iron, practicing double slag and slag- remaining technology, the requirements of tapping withw([C])≥0.12%,w([P])≤0.008% andw([Ti])≤0.005% for converter was achieved, thus reducing the amount of deoxidation products and Ti- inclusion. The size of inclusion in billet was decreased from 48 μm to 20 μm by adjusting the basicity of refining slag and optimizing tundish fluid flow, so the chemical composition of inclusion in wire rod could reach the plastic control target of CaO- Al2O3- SiO2phase diagram.

tire cold steel，inclusion，refining slag，fluid flow in tundish

桂仲林，男，從事連鑄工藝方面的研究，Email:gui_zhong_lin@163.com