1、簾線鋼質(zhì)量影響因素及控制措施摘要:主要闡述了簾線鋼的質(zhì)量要求。對影響鋼中夾雜物的尺寸及形態(tài)、熱軋線材的組織及表面質(zhì)量、偏析程度的因素進行了分析，提出了有效控制夾雜物形態(tài)和降低偏析程度的技術(shù)措施。關(guān)鍵詞: 簾線鋼 夾雜物 表面質(zhì)量 偏析 鋼簾線主要用于輪胎子午線增強用的骨架，具有強度高、韌性好的特點，也是線材制品中要求極高、生產(chǎn)難度最大的產(chǎn)品之一。由于簾線用盤條要被拉拔成0.150.38mm的細絲。之后還要經(jīng)過高速雙捻機合股成繩,要求拉拔及合股過程中100km斷絲不超過1次，因此必須使用優(yōu)質(zhì)的高碳低合金線材才能滿足如此高的質(zhì)量要求。 對于簾線鋼的生產(chǎn)及質(zhì)量控制，國外鋼鐵企業(yè)如日本的神戶制鋼、新日

2、鐵、住友。以及德國薩斯特、法國梅森和韓國浦項等廠家經(jīng)過多年的研制開發(fā),積累了大量的經(jīng)驗,形成了比較成熟的工藝。其共同特點是生產(chǎn)工藝完善，產(chǎn)品化學(xué)成分均勻(如將碳含量控制在±(0.010.02)、鋼的潔凈度高(如TO20×10-6，A1T3×10-6，夾雜物級別較低，無大尺寸和脆性夾雜)、鋼坯質(zhì)量高、盤條的組織性能均勻、表面質(zhì)量好和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等。 近年來,國內(nèi)企業(yè)也陸續(xù)進行了簾線用鋼的開發(fā)與研制,經(jīng)過不斷地摸索及實踐，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。目前，國內(nèi)簾線用鋼的質(zhì)量已經(jīng)達到批量制作0.20mm以上規(guī)格鋼簾線的質(zhì)量要求。并已經(jīng)獲得著名鋼簾線生產(chǎn)廠家的質(zhì)量認證,生產(chǎn)規(guī)模逐年

3、擴大。但從質(zhì)量上看，國內(nèi)簾線用鋼與進口產(chǎn)品相比仍然存在一定的質(zhì)量差距,尚未達到制作0.20mm以下鋼簾線的技術(shù)要求。 本文主要討論影響簾線鋼質(zhì)量的各種因素以及應(yīng)該采取的相應(yīng)控制措施。1 影響簾線用鋼質(zhì)量的主要因素1.1 成分波動及有害元素的存在 簾線用鋼對于成分的要求較為嚴格，不同爐次或同爐之間要求成分必須保持均勻，波動幅度小,否則會造成盤條的通條性能不均勻，在加工過程中斷絲。 簾線鋼中有害元素含量過高,也會導(dǎo)致拉拔及合股斷絲的發(fā)生。例如，硫含量過高，會降低鋼的塑性，韌性及產(chǎn)生熱裂；磷含量過高，會造成冷脆及降低塑性；銅含量過高，會引起紅脆。此外，錳、鉻、鎳等元素的含量會影響熱處理工藝及產(chǎn)品性能

4、；而鈦、鋁會與氧或氮生成氧化鋁或氮化鈦等脆性夾雜物,導(dǎo)致拉拔和合股斷絲的產(chǎn)生。因此，必須嚴格控制鋼中有害元素的含量。1.2 成分偏析 成分偏析是影響簾線用鋼質(zhì)量的重要因素之一，具體情況如下： (1)成分偏析降低鋼材的綜合性能。明顯的中心偏析也會使偏析區(qū)碳濃度突然增加。在熱軋或其他加工條件下，該處產(chǎn)生馬氏體相變，或由于相變溫度的偏差和淬透性的不同,該處成為淬火開裂、軟點和異常變形的根源,且在偏析帶中,硫和磷等雜質(zhì)或非金屬夾雜物也多,也可能成為其他缺陷的起源，明顯縮短鋼材的使用壽命： (2)成分偏析降低鋼材韌性。對于高碳鋼來說。中心偏析使其拉絲極限和延展性降低,明顯降低其韌性，影響拉拔性能： (3

5、)成分偏析引起鋼材氫脆，降低耐腐蝕性能。對于中心偏析明顯的連鑄坯，氫氣可被偏析和疏松捕集，從而產(chǎn)生非擴散型氫偏析，既使緩冷也不能減輕其缺陷。在鋼材中，氫偏析會引起裂紋，即生成“中心偏析型”超聲波缺陷，產(chǎn)生氫脆： (4)成分偏析降低鋼材疲勞性能。中心偏析降低鋼的中心致密度，使該處成為疲勞裂紋的根源。中心偏析一般與中心疏松的加劇和非金屬夾雜物不均勻分布同時存在，這將顯著降低鋼材的疲勞性能。對于簾線鋼來講。成分偏析是影響斷絲的一個重要因素。偏析度高會對軋鋼組織的控制帶來不良影響。同時使夾雜物的分布不均，在拉拔及合股過程中產(chǎn)生斷絲。簾線用鋼的偏析標準一般不允許大于3級。1.3 全氧含量 全氧含量包括鋼

6、中的自由氧以及夾雜物中所含的氧。鋼中的非金屬夾雜物和A1203等脆性及變形性較差的夾雜物，絕大多數(shù)為氧化物系。研究結(jié)果表明,氧化物夾雜的數(shù)量隨鋼中全氧含量的增加而增加,控制鋼的潔凈度的關(guān)鍵在于把鋼中全氧含量降低到較低值。目前，國外高品質(zhì)簾線用鋼的全氧含量一般都控制在20×10-6以下。1.4 夾雜物尺寸及形態(tài) 夾雜物的控制水平是衡量簾線用鋼質(zhì)量的標志。T.Malkiewczh和S.Rudink提出了夾雜物變形指數(shù)()公式： =i/s 式中：i熱加工狀態(tài)下夾雜物的伸長率； s熱加工狀態(tài)下鋼基體的伸長率。 的取值為01。當=0時，表示夾雜物不變形而基體變形，導(dǎo)致夾雜物和基體在變形時產(chǎn)生滑

7、動，降低界面結(jié)合力。并極易產(chǎn)生裂紋源；當=1時，表明夾雜物與基體變形率一致，能夠做到良好結(jié)合；當=00.5時，容易產(chǎn)生間隙魚尾形裂紋。此外。S.Rudink的研究表明，硫化物夾雜的變形率1，而鈣鋁酸鹽、Al203和TiN等夾雜物在鋼材加熱溫度下0，屬脆性夾雜物，對鋼質(zhì)的危害較大。 由于生產(chǎn)鋼簾線的過程是將5.5 mm的盤條拉拔成0.150.38mm的單絲,此過程使線材長度增加10001400倍，截面積縮小至原來的0.08,已經(jīng)接近拉拔工藝的極限。而后還要經(jīng)過高速雙捻機合股成繩,因此對鋼中夾雜物的要求極為嚴格：較大顆粒夾雜物的存在。尤其是變形性較差的脆性夾雜物(如A1203及TiN)，是產(chǎn)生斷絲

8、的主要原因。如前所述,由于夾雜物的塑性較差，在拉拔或合股過程中。鋼基體變形而夾雜物不變形,這樣在鋼和夾雜之間首先產(chǎn)生一個裂紋源，裂紋源沿鋼基體擴展。使鋼的抗拉強度降低，當外部拉力大于該缺陷處的抗拉強度時即發(fā)生斷裂。因此，對于簾線鋼來說，必須嚴格控制夾雜物的數(shù)量及形態(tài),使夾雜物總量減少，同時避免產(chǎn)生大顆粒脆性及不變形夾雜物。1.5 盤條組織及表面質(zhì)量 鋼簾線用盤條必須具備適應(yīng)簾線加工過程的組織形態(tài),即控制索氏體率達到90以上，而且要求通條和批次間質(zhì)量均勻。 由于在制作簾線的過程中，盤條表面任何直觀可見的外部缺陷都會隨著拉拔加工深度的發(fā)展而在單絲的拉拔及后續(xù)的合股過程產(chǎn)生嚴重影響，所以，必須保證盤

9、條不存在如耳子、折疊、裂紋、結(jié)疤、軋痕、麻面、凹坑、機械劃傷及薄厚不均的氧化鐵皮以及較為嚴重的銹蝕。 此外,鋼簾線用盤條對尺寸精度、低倍缺陷和表面脫碳層等也有比較嚴格的要求。如5.5mm盤條的要求為：直徑偏差為±(0.150.30)mm(平均為±0.20mm)、脫碳層厚度小于0.10mm、氧化鐵皮含量低于0.6等。2 夾雜物控制措施及效果2.1 簾線鋼對夾雜物的要求及理想夾雜物形態(tài)控制2.1.1 簾線鋼對夾雜物的要求 由于制作鋼簾線工藝的特殊性，對于原料盤條的夾雜物也有著特殊的要求： (1)不允許含不變形的A1203及TiN夾雜； (2)對于普通強度級別(碳含量為0.72)

10、的盤條，要求脆性夾雜物粒度小于10m，對于高強度級別(碳含量為0.82以上)的盤條，要求脆性夾雜物粒度小于5m； (3)復(fù)合夾雜物中A1203的含量不大于50；2.1.2 理想夾雜物形態(tài) 圖1為MnO-A1203-Si02系相圖，圖2為CaO-A1203-Si02系相圖。就簾線鋼中理想的夾雜物形態(tài)及成分,國外專家進行了大量的工作后總結(jié)出：對采用Si-Mn脫氧的簾線鋼而言，夾雜物主要是MnO-A1203-Si02系(來自脫氧產(chǎn)物)和CaO-A1203-Si02系(來自爐渣)，對于MnO-A1203-Si02系，理想的夾雜物應(yīng)該是錳鋁榴石(3MnO·A1203·3Si02)及其

11、周圍低熔點區(qū)域物質(zhì)；對于CaO-A1203-Si02系，理想的夾雜物是鈣斜長石(CaO·A1203·2Si02)與假硅灰石(CaO·SiO2)相鄰的周邊低熔點區(qū)域，即圖l和圖2中的陰影部分,其以上區(qū)域夾雜物的熔點較低(小于或等于1500)，變形性較好，在制作簾線拔絲及合股過程不會造成斷絲。圖1 MnO-A1203-Si02系塑性夾雜物區(qū)域圖2 CaO-A1203-Si02系塑性夾雜物區(qū)域 在圖1，2的陰影內(nèi)，夾雜物中A1203含量均在20左右。根據(jù)A1203含量與夾雜物不變形指數(shù)的關(guān)系，當CaO-A1203-Si02系A(chǔ)1203含量在20左右時，夾雜物不變形指數(shù)最

12、低，對簾線拔絲及合股過程的危害最小。2.1.3 影響夾雜物中A1203含量的主要因素 根據(jù)S.Mada的研究結(jié)果，夾雜物中A1203含量在20時，夾雜物不變形指數(shù)最低，而夾雜物中A1203含量取決于鋼中酸溶鋁的濃度(見圖3)，鋼中酸溶鋁含量越高，夾雜物中A1203含量越高。因此，要將夾雜物中A1203含量控制在20左右,必須將鋼中酸溶鋁含量控制在3×10-66×10-6。圖3 鋼中酸溶鋁與夾雜物中A1203含量的關(guān)系 根據(jù)鋼渣間的平衡，利用熱力學(xué)原理可以計算出(A1203)含量及堿度對A1的影響，結(jié)果見圖4。圖4 （A1203）含量及堿度對Al含量的影響 由圖4可見，當爐渣

13、堿度不大于1.0、(A1203)含量不大于20時可以保證A1含量不大于10×10-6。2.2 夾雜物形態(tài)控制措施2.2.1 Si-Mn合金作為終脫氧劑 使用Si-Mn合金作為終脫氧劑，控制A1的含量。其反應(yīng)式和計算式如下： 2MnO(s)+Si=Si02(s)-4-2Mn (1) Go=5700-34.8 T 2/3A1203(s)+Si=Si02(s)+4/3A1(2) Go=219400-35.7 T 式中：T鋼液溫度，K。 據(jù)文獻報道，根據(jù)MnO·A1203·Si02三元活度計算，1600時，塑性區(qū)平衡的鋼中酸溶鋁的含量為0.000l0.0005。因此，為了

14、得到塑性區(qū)的MnO·A1203·SiO2夾雜物，應(yīng)該使用Si-Mn合金進行脫氧，而不能使用鋁或含鋁較高的合金進行脫氧。2.2.2 精煉采用低堿度和低A1203合成渣 當鋼渣間達到熱力學(xué)平衡時。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。理論上夾雜物的成分與鋼渣的成分是相同的,但在實際生產(chǎn)中，絕對的鋼渣平衡是很難達到的,只能在局部達到鋼與夾雜物間及渣與鋼間的準平衡狀態(tài)。 簾線鋼在精煉時，對頂渣的要求為： (1)渣的氧勢低： (2)低熔點和良好的造渣性能： (3)對脫氧產(chǎn)物和少量的初煉爐渣有強大的吸收能力： (4)低的結(jié)晶傾向； (5)凝固過程中無外來相析出，易玻璃化：

15、 (6)本身具有良好的變性能力。 Amy Elmore通過研究指出,選用鈣硅石(CaO和SiO2含量分別為47和5l)渣系作為頂渣來進行簾線用鋼的精煉，可以有效控制鋼中夾雜物的形態(tài)。因為鈣硅石渣系完全符合上述爐渣的特點。試驗證明，鈣硅石渣系易于吸收鋼中的A1203夾雜，并能將錳鋁榴石(3MnO·A1203·3SiO2)夾雜物轉(zhuǎn)變成含鈣長石(CaO·A1203·2SiO2)成分的夾雜物，且具有低粘度、低熔點及良好的上浮性能，易于去除。此外，還可以控制鋼液中鈣、鎂和鋁的含量。以免析出不變形夾雜物。 日本住友金屬工業(yè)公司在簾線鋼的生產(chǎn)中采用鈣硅石渣系(46CA

16、O-2A1203-47SiO2-5CaF2)，川崎和神戶制鋼則采用CaO、A1203、和Si02含量分別為45，10，45的精煉渣，國內(nèi)某鋼廠采用CaO、A1203、和SiO2含量分別為30-40，610和3050的渣系進行夾雜物的控制，均取得了良好的效果。3 成分偏析的控制 成分偏析的控制措施有： (1)減少易偏析元素的含量。磷和硫等元素屬于易偏析元素，應(yīng)盡量減少其含量。可在煉鋼、鐵水預(yù)處理和爐外精煉(包括真空處理和鋼包處理)過程中去除，特別是進行鐵水預(yù)處理時，可同時脫硫和磷： (2)采用低過熱度澆注。由于高碳鋼在凝固時體積收縮較大，如果鋼水過熱度太高。則連鑄坯內(nèi)柱狀晶發(fā)達，易產(chǎn)生中心疏松、

17、縮孔和內(nèi)裂；而采用較低的過熱度澆注(t25) 除使連鑄坯中心消除過熱后完全凝固，縮短柱狀晶區(qū)長度和發(fā)展等軸晶區(qū)，還使坯心成分均勻,避免中心偏析、疏松和裂紋等低倍缺陷的發(fā)生： (3)采用合理的拉速。隨著拉速的提高，連鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)停留時間變短，從而使鋼液凝固速度降低,其結(jié)果是連鑄坯液芯延長，推遲了等軸晶的形核和長大,擴大了柱狀晶區(qū)，更易形成凝固橋，造成中心偏析。因此，應(yīng)根據(jù)鋼種和澆注條件來選擇合適的拉速; (4)采用電磁攪拌技術(shù)。采用電磁攪拌可以改變柱狀晶生長方向以及促進柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。此外，電磁攪拌還具有明顯的細化晶粒作用,不論晶體的生長方式是柱狀晶還是等軸晶，電磁攪拌都可使其細化和均勻

18、，達到降低偏析的目的。目前，通常采用的是結(jié)晶器+凝固末端電磁攪拌的方法; (5)采用輕壓下技術(shù)。澆注過程中，鋼液得不到補充，或補充不足，出現(xiàn)密閉區(qū)域，形成負壓，枝晶間富集溶質(zhì)的剩余液相被吸入，富集在最后凝固的中心部位,形成周期性的所謂小鋼錠結(jié)構(gòu)。也就是周期性地出現(xiàn)疏松、偏析。如果在凝固末端施加均勻外力，形成一定的壓下量，消除密閉區(qū)域。讓枝晶間富集溶質(zhì)的剩余液相仍保留在其原來的位置,而不流到最后凝固的中心部位。就可以大大減輕甚至消除中心偏析和疏松。4 結(jié)論 (1)影響簾線用鋼質(zhì)量的主要因素包括：有害元素的存在、全氧含量、鋼中大顆粒及脆性夾雜物、盤條的組織、中心偏析及表面質(zhì)量； (2)采用Si-Mn終脫氧及低堿度鈣硅石頂渣精煉可以有效控制簾線鋼夾雜物