簾線鋼氮化鈦夾雜的控制實(shí)踐

李泊 ，李冰 ，王爽 ，陶功捷 ，馬超

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團(tuán)招標(biāo)有限公司，遼寧 鞍山 114033）

簾線鋼能大大提高橡膠制品的強(qiáng)度和彈性，被廣泛應(yīng)用于汽車輪胎及傳輸皮帶等工業(yè)領(lǐng)域。簾線鋼每提高一個(gè)等級(jí)，汽車輪胎就相應(yīng)減重10%[1]。國(guó)內(nèi)外鋼企都把高等級(jí)簾線鋼盤條的開發(fā)作為首要研究課題，日本神戶制鋼的超高強(qiáng)簾線鋼涵蓋 90、92 和 97 級(jí)別[2]；韓國(guó)浦項(xiàng)制鋼和日本新日鐵公司，92級(jí)別簾線鋼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；中國(guó)寶鋼成功試制出92和96級(jí)別簾線鋼[3]。

鞍鋼于2010年試制成功92級(jí)簾線鋼[4]，但是氮化鈦夾雜控制不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響簾線鋼的產(chǎn)品質(zhì)量，簾線鋼氮化鈦夾雜罰分平均高達(dá)32.5。陳書浩等人的研究結(jié)果表明[5]，降低TiN夾雜的根本措施就是降低簾線鋼冶煉過程中的鈦、氮含量。為此，在對(duì)氮化鈦形成機(jī)理及簾線鋼中鈦夾雜評(píng)價(jià)方法闡述的基礎(chǔ)上，介紹了簾線鋼中Ti和N元素的控制現(xiàn)狀，分析了TiN偏高的原因，提出了相應(yīng)的控氮、控鈦解決措施。

1 TiN析出的條件

鋼液凝固后，由于各溶質(zhì)元素的偏析行為，當(dāng)凝固前沿Ti和N的實(shí)際活度積達(dá)到凝固前沿溫度下的平衡活度積時(shí)，就會(huì)按式（1）析出 TiN夾雜[6]。

實(shí)際鋼水凝固過程中，存在碳偏析現(xiàn)象。在簾線鋼凝固過程首先形成奧氏體，式（2）用于計(jì)算碳元素在固相和液相的再分布情況[7]，碳元素的再分布影響固相和液相的界面溫度，溫度的變化對(duì)氮化鈦的析出有一定的影響。

根據(jù)郭大勇[8]等人的研究，隨著鋼液溫度的降低，TiN所需的平衡濃度積下降。這表明，在氮、鈦含量一定的條件下，TiN夾雜易于在較低的溫度條件下形成。同時(shí)，研究表明簾線鋼鋼中碳含量的差異對(duì)同一溫度條件下的TiN的平衡濃度積影響不大，TiN的平衡濃度積只與溫度有關(guān)。

2 簾線鋼中鈦夾雜的危害及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

簾線鋼在加工過程中，需要從直徑5.5 mm左右的線材快速拉拔至單絲直徑0.15～0.35 mm的鋼絲，還要經(jīng)受扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸等一系列變形。所以，簾線鋼對(duì)夾雜物的控制要求極嚴(yán)，其中鈦夾雜的控制是業(yè)界公認(rèn)的難題。鈦夾雜即TiN或Ti（C,N）夾雜，多為棱角狀，在顯微鏡下呈桔紅到粉紅色，硬度高，屬不變形夾雜[9]。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，鈦夾雜對(duì)后續(xù)的拉拔捻股會(huì)造成斷絲、分層和惡化疲勞性能，80級(jí)以上簾線鋼的生產(chǎn)尤其嚴(yán)重。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T27691-2011僅對(duì)簾線鋼盤條鈦夾雜的最大尺寸提出了要求，如LX70A和LX80A盤條中鈦夾雜尺寸不大于10 μm，LX70B和LX80B盤條中鈦夾雜尺寸不大于5 μm。貝爾卡特簾線鋼公司根據(jù)簾線鋼盤條中鈦夾雜的尺寸和數(shù)量建立了鈦夾雜罰分體系[10]。

3 生產(chǎn)工藝及成分控制現(xiàn)狀

鞍鋼生產(chǎn)簾線鋼的流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF爐精煉→大方坯連鑄。取樣分析改進(jìn)前各工序的Ti、N含量見表1。貝爾卡特公司[10]要求鋼中鈦含量不大于0.001 0%，氮含量不大于0.004%。從表1可以看出，簾線鋼中Ti和N的含量偏高。

表1 改進(jìn)前各工序Ti和N含量 %

通過理論分析得出，在溫度一定的條件下，要控制TiN的含量，就要相應(yīng)地控制Ti和N的含量，這樣才可破壞TiN在凝固時(shí)的析出條件，減少TiN的生成。

4 原因分析及控制措施

4.1 Ti的來源及控制措施

4.1.1 入爐鐵水

生產(chǎn)實(shí)踐表明，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)Ti含量與鐵水Ti含量成正相關(guān)關(guān)系，即鐵水Ti含量高，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的Ti含量也高。尤其當(dāng)高爐使用一些含Ti礦進(jìn)行護(hù)爐操作時(shí)，鐵水的Ti含量一般控制在0.10%～0.20%，這種條件不適合生產(chǎn)簾線鋼。所以采取了選鐵冶煉，減少入爐鐵水鈦含量。

4.1.2 合金和鋼包

Ti的另一個(gè)來源是合金和鋼包的帶入。在加入的合金中，Ti屬于殘余元素。采用了簾線鋼專用合金和專業(yè)鋼包，加強(qiáng)對(duì)合金中Ti含量的控制。

4.1.3 轉(zhuǎn)爐下渣

Ti在轉(zhuǎn)爐中氧化進(jìn)入渣中，出鋼時(shí)隨爐渣倒出，所以在出鋼時(shí)需嚴(yán)格控制下渣量，出鋼后進(jìn)行鋼水扒渣操作，避免回鈦。

4.2 氮的來源及控制措施

4.2.1 轉(zhuǎn)爐

生產(chǎn)簾線鋼時(shí)，如果磷含量未達(dá)到內(nèi)控目標(biāo)，就要進(jìn)行兩次甚至多次點(diǎn)吹。由于轉(zhuǎn)爐點(diǎn)吹會(huì)使平靜的熔池出現(xiàn)大幅波動(dòng)，鋼水和空氣接觸的面積增大，增加了鋼水增氮的幾率。因此，針對(duì)不同級(jí)別的簾線鋼，對(duì)鐵水溫度和Si、P、S等元素進(jìn)行嚴(yán)格控制，在保證終點(diǎn)磷含量合格的情況下，在一定的高碳范圍內(nèi)一次拉碳點(diǎn)吹操作。

同時(shí)，選擇低氮合金可以有效減少氮元素入爐。簾線鋼出鋼過程要加入大量的增碳劑，普通增碳劑較輕，氮含量大于0.3%，加入后需要大氬氣攪拌，增碳劑自身的氮和攪拌的增氮使鋼水氮含量增高。因此，簾線鋼生產(chǎn)中應(yīng)選擇低氮增碳劑。

此外，出鋼時(shí)間長(zhǎng)或出鋼口形狀不規(guī)則，會(huì)造成出鋼過程散流，導(dǎo)致鋼液吸氮。試驗(yàn)后確定轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)間為5 min左右。

4.2.2 LF爐

LF爐在處理簾線鋼時(shí)，加熱、合金微調(diào)和氬氣攪拌等操作不當(dāng)都能使鋼液增氮。首先要保證入爐鋼水溫度和成分的合格率。同時(shí)，在LF處理的首次加熱時(shí)，要加入電石對(duì)頂渣進(jìn)行處理，通過CaC2與氧反應(yīng)生成氣體達(dá)到發(fā)泡效果，減少因在電弧的高溫區(qū)電離產(chǎn)生的氮?dú)膺M(jìn)入鋼液。每次測(cè)溫前和配碳后，可進(jìn)行短時(shí)間的大氬氣攪拌，攪拌時(shí)間不得大于1 min。如無特殊需要，其余操作均采取小氬氣量。

由于氧是表面活性物質(zhì)，可占據(jù)鋼水的自由表面，適當(dāng)提高氧含量可減少增氮，既滿足了合金的收得率，又滿足低增氮的要求。簾線鋼生產(chǎn)采取單LF爐的供鋼方式，縮短LF爐處理時(shí)間，緊湊生產(chǎn)節(jié)奏，減少空氣與鋼水的直接接觸機(jī)會(huì)，可以有效降低LF爐處理過程中的增氮量。

4.2.3 機(jī)前

連鑄長(zhǎng)水口密封效果差是造成簾線鋼鋼水增氮的主要原因。試驗(yàn)后確定長(zhǎng)水口氬氣開口度選擇30%～40%。

中包覆蓋劑要求使用鎂質(zhì)預(yù)熔覆蓋劑，保證中包液面完全被覆蓋。要求每罐鋼換罐后，在澆鑄孔、流間及時(shí)加入覆蓋劑，澆注過程根據(jù)液面波動(dòng)情況適當(dāng)補(bǔ)加覆蓋劑。

5 取得的效果

5.1 降低Ti含量

通過采取控鈦措施，中間包的鋼水Ti含量可穩(wěn)定的控制在0.001 0%以下，改進(jìn)效果達(dá)到40%左右。各工序Ti含量的改進(jìn)效果如圖1所示。圖中改進(jìn)效果=減少的Ti含量/改進(jìn)前的Ti含量。

5.2 降低N含量

LF爐采取控氮措施后，LF爐處理過程的增氮量小于 0.001 0%，LF出站鋼水 N含量小于0.003 5%。機(jī)前采取控氮措施后，機(jī)前增氮量小于0.000 5%。最終成品N含量小于0.004 0%，改進(jìn)效果達(dá)到35%左右。各工序N含量的改進(jìn)效果如圖2所示。圖中改進(jìn)效果=減少的N含量/改進(jìn)前的N含量。

圖1 各工序Ti含量的改進(jìn)效果

圖2 各工序N含量的改進(jìn)效果

采取控Ti、N措施后，簾線鋼成品Ti、N含量顯著降低，降低了夾雜物生成幾率，Ti夾雜罰分顯著降低，由改進(jìn)前的32.5降低到14.8，簾線鋼實(shí)物質(zhì)量得到顯著提高。

6 結(jié)語

理論分析認(rèn)為，溫度一定的條件下，控制Ti和N的含量，才能破壞TiN在凝固時(shí)的析出條件，減少TiN夾雜的生成。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠優(yōu)化選擇了簾線鋼冶煉所用鐵水、合金和鋼包，轉(zhuǎn)爐采用高拉碳一次點(diǎn)吹和低氮增碳劑，LF采取造泡沫渣和鋼水弱脫氧工藝，機(jī)前長(zhǎng)水口吹氬開口度選擇30%～40%。結(jié)果簾線鋼中間包鋼水Ti含量控制在0.001 0%以下，最終成品N含量小于0.004 0%，簾線鋼TiN夾雜罰分由平均32.5降低到14.8，簾線鋼實(shí)物質(zhì)量得到顯著提高。