硬线钢中非金属夹杂物控制

硬线钢中非金属夹杂物控制 硬线钢中非金属夹杂物控制 第31卷第5期 Vo1.31No.5 金属制品 SteelWireProducts 2005年10月 October20o5 硬线钢中非金属夹杂物控制 王新华王立峰 (北京科技大学100083)(首钢技术研究院北京100041) 摘要不同类别硬线制品的直径不同,对钢中非金属夹杂物的控制也有所不同, 在 对子午线轮胎用帘线钢, 炉外精炼时应采用较低的炉渣碱度,炉渣AI:O,质量分数控制在7%以下,钢液W.控制在(2—5)×10一,以使钢中 夹杂物成为塑性夹杂物.对于直径大于5am的高强度预应力钢丝,钢绞线用硬线钢,则可以采用铝脱氧工艺,降 低钢中O含量,并采用高碱度和高还原性炉渣进行炉外精炼,使钢中夹杂物绝大多数为微小尺寸的球状钙硅铝酸 盐类夹杂. 关键词硬线;钢帘线;钢绞线;非金属夹杂物;炉外精炼 中图分类号TF111.18 ControloftheNon-MetallicInclusionsinHardWireSteels WangXinhua (UniversityofScienceandTechnologyBeijing100083) WangLifeng (ShougangTechnologyResearchInstituteBeijing100041) AbstractTherequestsforthenon— metallicinclusioncontrolaredifierentofhardwiresteelswhichproductsareindiffer— entdiameters.ForTyrecordsteels,lowerbasicityslagshouldbeusedinthesecondaryrefining andtheAI2O3contentofthe slagshouldbelessthan7%.The[AI]intheliquidsteelshouldbecontrolledwithintherangeof( 2,5)×10SOasto formdeformableinclusionsinthesteels.Forsteelsofhighstrengthprestressedwireandstrand edwirewhichdiametersare usuallylargerthan5am,methodofaluminumdeoxidationinsteelmakingcanbeusedtolower the[0]content.Inaddi— tion,slagofhighbasicityandlowFetOcontentshouldbemadeinthesecondaryrefining,throu ghwhichsmallsizedsphefi— calnon—metallicinclusionsofCaO—SiO2一AI2O3systemareformed. Keywordshardwiresteels;steelcord;strandedwire;non— metallicinclusions;secondaryrefining 硬线钢中的非金属夹杂物对冷拉过程断丝或硬 线制品的抗疲劳破坏性能有重要影响,这主要是因 为:(1)钢的热加工温度下夹杂物与钢基体的变形 性能差别很大,轧制过程在钢基体一夹杂物界面上 可能会形成微细裂纹,间隙等,在随后的冷拉或服役 过程中成为破坏源;(2)硬线冷拉过程非金属夹杂 物周边钢基体变形量增大,出现应力集中导致破坏; (3)在硬线制品服役过程中,非金属夹杂物周边容 易产生疲劳裂纹源.本文对硬线钢中非金属夹杂物 控制进行分析讨论,以期对提高硬线夹杂物控制水 平能够有所帮助. 1夹杂物的变形性能 硬线钢热加工过程中,非金属夹杂物的变形程 度对随后盘条冷拉性能和成品钢丝的抗疲劳破坏性 能有重要影响.钢中夹杂物的变形特性可用T. Malkiewicz和S.Rudnik_】提出的夹杂物变形指数1.3 来示: t,==?=.?.丽.? 其中8i:lnA:ln导(2) 8s= 3--- 1nh=-lnA0(3) 式(1)一(3)中: 日——夹杂物纵截面上的长轴长度; A——夹杂物纵截面上的短轴长度; A.——铸造坯的原始截面积,m; A,——热加工变形后钢材的截面积,m. 变形指数1.3=0时,表示非金属夹杂物根本不变 - l0?金属制品第31卷 1 n《'I《 oA1oo 3|ll1 . nn Ca . (14o50.90}11,l,ll b)CaO—SiO2-Al2O3 图1MnO—SiO2一Al2O3系和CaO—SiO2一Al2O3系相图 2不同类别硬线钢中夹杂物的控制要求 高强度低松弛预应力钢丝,钢绞线,帘线钢丝等 不同类别硬线钢材的直径尺寸有很大差别.用于桥 梁缆索的高强度低松弛预应力钢丝的直径一般在5 , l0mm,而帘线钢丝直径大都在0.15,0.38mm 范围.由于成品尺寸不同,对钢中非金属夹杂物的 控制要求也不同. 硬线制品中帘线钢丝的生产难度最大,工艺技 术也最复杂.加工制备帘线钢丝时,首先由直径 5.5mm左右的盘条冷拉至直径为0.15,0.38mm 不等的钢丝,随后在2000r/min以上转速下合股. 由于钢丝直径细,在冷拉或合股过程容易断丝.此 外,子午线作为轮胎的骨架材料,还要求具备良好的 承受弯曲,拉伸复合交变及冲击载荷的性能. 非金属夹杂物是造成帘线钢丝断丝的重要原因 之一.生产经验表明J,夹杂物大于被DIT_钢丝直径 的2%就会导致钢丝在冷拉和合股过程中脆性断裂. 而那些很细小的不变形夹杂物颗粒,即使通过钢丝拉 拔和合股关,也会在成品帘线的动态疲劳性能试验或 在轮胎的实际应用中导致早期断裂. 根据这一生产经验,如生产直径为0.15,0.38 mm的帘线钢丝,钢中夹杂物尺寸须控制在3, 7.6m以下.但实际生产中,目前尚无法将钢中夹 杂物全部或绝大多数控制在这一尺寸范围以下,因 此,只能采取另一对策,即将夹杂物控制为钢热轧过 程能够发生良好变形的塑性夹杂物,从而保证轧制 后盘条中夹杂物径向尺寸小于3,7.6m范围.图 2为帘线钢铸坯和轧制后盘条中夹杂物照片.由于 在轧制过程发生良好变形,盘条中夹杂物径向尺寸 在3m以下. f1)铸坯试样 b)盘条试样 图2帘线钢轧制前后夹杂物形貌 第5期王新华等:硬线钢中非金属夹杂物控制 对于高强度低松弛预应力钢丝,钢绞线等类别 硬线制品,由于直径一般大于5mm,其在冷拉过程 中由于夹杂物存在而发生断裂的几率远低于帘线钢 丝,钢中夹杂物对其抗疲劳破坏性能的影响程度也 远低于对帘线钢丝的影响,因此,对高强度低松弛预 应力钢丝,钢绞线等硬线钢产品中非金属夹杂物尺 寸控制可适当放宽到12m以下,并且允许钢中存 在非塑性夹杂物.钢中夹杂物绝大多数应为CaO— SiO一A1O,系球状夹杂物,不允许有簇群状,块状 A1O,,SiO等夹杂物存在. 3硬线钢液脱氧工艺及夹杂物控制 出于夹杂物塑性化需要,不能采 对于帘线钢丝, 用铝脱氧工艺,而且还必须对所用铁合金的铝含量, 炉外精炼钢水包衬材料的A1O,含量等进行严格控 制,以防止钢中生成A1O,或A1O,含量高的不变 形夹杂物. 需要指出的是,对于帘线钢,仅注重脱氧工艺对 钢中夹杂物的控制是不够的,还应采用如下,即 通过渣一钢精炼,调整控制炉渣成分来影响和控制 钢液的Al,Ca,O含量,再进而通过控制钢液Al,Ca, O含量对夹杂物的组成进行控制. 对子午线轮胎用帘线钢主要采用硅,锰脱氧,脱 氧反应为 [Mn]+[O]=(MnO)央杂物(4) [Si]+2[O]=(SiO2)夹杂物(5) 当钢液中Al含量足够高时(数个10),Al将 参与脱氧,脱氧反应为 2[A1]+3[O]=(A12O3)夹杂物(6) lg:一24.8l【6(一/)lg—————一?l— .,[Al.WAI.WO 由于Mn脱氧能力低,当Al参与脱氧后,可以 只考虑Al与Si的脱氧反应,脱氧反应因此表示为 4[A1]+3(SiO2)杂夹物=3[Si]+2(A12O3)夹杂物(8) lg孕:一30.511j(9)—————了一—一?[Al:.WAI.?SiO2 由(9)式得到 , :lg塑一39785+7. 628(10)lgWAIlg/=———_?——————一一——十?o6 [Al:.口SiO2 取钢液碳,硅,锰质量分数分别为0.7%, 0.25%和0.6%,由文献[6—10]分别得到钢液中 硅,铝的活度相互作用系数和CaO—SiO一A1O,系中 A1O和SiO的活度数据,即可由式(10)计算出式 (8)脱氧反应相平衡的钢液Al含量.再将Al含量 代人式(7),还可以计算出与CaO—SiO一A1O系脱 氧产物相平衡的钢液O含量. 图3中给出了以上计算得到的1873K温度下 式(8)脱氧反应与CaO—SiO一A1O系脱氧产物相平 衡的钢液Al含量及氧活度a…,图3中同时标注出 了该三元系中塑性夹杂物的成分范围.可以看到, 对帘线钢,为保证钢中夹杂物为塑性夹杂物,Al的 质量分数应控制在(2,5)×10,,与其相对应的钢 液aol值则在0.003,0.005范围. n a)Al/10 0 b1a[ol/10 图3与CaO—SiO2一A12O3系脱氧产物 平衡的钢液.和n[o] 由图3b可以看到,欲将钢中CaO—SiO一A1O,系 夹杂物控制在塑性夹杂物成分范围,夹杂物中 A1O,质量分数应控制在10%,25%,W./w则 应控制0.35,0.5之间. 帘线钢中非金属夹杂物的A1O,含量和 W../w与炉外精炼过程钢液和炉渣成分的控制 有密切关系.文献[11]曾对1873K下高碳钢液与 不同成分炉渣之间的反应,以及钢中非金属夹杂物 进行了较系统的实验室研究.图4为研究得到的钢 液Al含量与钢中夹杂物A1O,含量之间的关系. 由图4可以看到,Al含量控制对夹杂物A1O,含量 为保证夹杂物塑性化,钢液中Al 的影响非常显着. 的质量分数应控制在(2,6)×10,. 图5为笔者研究得到的炉渣A1O,含量与钢液 Al含量之间的关系.对于帘线钢,炉外精炼过程炉 ? 12?金属制品第31卷 渣A10,含量对钢液Al含量有重要影响.由图5 可以看到,为将钢液Al的质量分数控制在 (2,6)×10'.',炉渣A10质量分数必须在7%以 下.为此,除了须对渣料中A1:O,含量严加控制之 外,还必须对铁合金的铝含量,钢包衬材料中A10 含量等进行严格控制,以防由于合金中带入铝的氧 化和包衬材料熔损造成炉渣A10含量超过7%的 控制范围. \ :『 — S : 图4钢液Al含量与夹杂物AI0,含量之间关系 lO 图5炉渣AI0含量与钢液Al含量之间关系 精炼渣的碱度W./w对钢中非金属夹杂物 也有重要影响,这是因为,炉渣碱度增加时,渣中 SiO,和A10的活度均相应减少,但SiO活度降低 的幅度较A10活度的降低要大得多.由式(10)给 出的关系可以看到,当渣中SiO活度降低幅度远大 于A1:0活度降低时,钢液Al含量增加. 图6为由式(10)计算得出的不同炉渣碱度条 件下钢液Al与炉渣A10含量之间的关系.随精 炼炉渣碱度提高,钢液Al含量增加.当炉渣A10 质量分数在10%左右,炉渣碱度为1时,钢液Al的 质量分数大约为4×10-儿;当碱度增加至2时,Al的 质量分数显着增加至大约18×10,.由此可知,对 于子午线轮胎用帘线类钢,炉外精炼应采用较低的 炉渣碱度,以控制钢液Al含量,保证钢中非金属夹 杂物的塑性化. 对PC制品用钢可以适当放宽对钢中夹杂物尺 图6炉渣碱度对钢液Al含量的影响 寸和塑性化的要求,可以采用不同程度的铝脱氧 (W.=0.005%,0.02%).由于铝具备强脱氧能 力,采用铝脱氧有利于生产低氧含量硬线钢,对提高 硬线制品的抗疲劳破坏性能非常有利. 图7为Gaye?根据Al,Si,Mn的脱氧热力学计 算得到的1600oC下不同脱氧产物的优势区图. n.——[A1]的活度,n.——[si]的活度 图7Fe—Al—Si-Mo一0系统优势区图 由图7可以看出,当硬线钢中W=0.005%, 0.02%时,脱氧反应产物主要为A10,. 铝脱氧生成的A10夹杂物主要为簇群状和块 状两类(见图8a,b).A10,类夹杂物坚硬,轧制 过程不变形,外形呈尖角,块或链串状,对高强度预 应力钢丝,钢绞线等硬线制品的抗疲劳破坏性能非 常有害.高品质硬线钢制品均要求对钢中A10,类 夹杂物进行严格控制. 如果高强度预应力钢丝,钢绞线等钢种采用铝 脱氧工艺,在随后的炉外精炼过程中必须采用高碱 度和高还原性炉渣精炼.当高碱度,高还原性炉渣 第5期王新华等:硬线钢中非金属夹杂物控制?13? ? It)央杖10. m)囊群状Al0{Ic)璋状错硅酸盐夹杂物 图8铝脱氧钢中不同类型的脱氧产物 形成后,由于渣一钢间的氧势很低,渣中的CaO, Mgo会被还原,部分Ca和Mg进入钢液中,生成 CaO和Mgo,并与钢液中存在的A1:O,作用,将簇群 状或块状的A1:O夹杂物转化为液态钙铝硅酸盐类 夹杂物.液态夹杂物更容易聚合和长大,也有利于 其由钢液中上浮去除,部分滞留在钢中的该类夹杂 物多呈球状(图8b).此类夹杂物由于尺寸小且呈 球状,即便为不变形夹杂物,其对高强度预应力钢 丝,钢绞线等硬线钢种冷拉断丝和制品的抗疲劳破 坏性能也无大的影响. 不同类别硬线钢中非金属夹杂物的控制可以通 过图9加以说明. sio 00.10 区域II O.6 O.OO.2O.4\O.6O.81.O CaO区域111AI_,O 图9不同硬线钢非金属夹杂物控制示意图 对于帘线钢,钢中夹杂物应控制在图9中"区 域I",该区域内非金属夹杂物为塑性夹杂物,为 此,在炉外精炼中应将钢液.控制在(2,6)× 10,,钢液氧活度口则较高,大约在0.0025, 0.0050 对于直径在5mm左右的高强度预应力钢丝, 钢绞线用硬线钢,钢中夹杂物可控制在图9的"区 域?",该成分区域内夹杂物为不变形夹杂物,对应 的钢液l和口_o_范围分别为(15,70)×10和 0.O010,0.0025. 对于直径大于5mm的高强度预应力钢丝,钢 绞线用硬线钢,钢中夹杂物可控制在图9的"区域 ?",该成分区域内.控制在(70,200)×10,, t/,控制在0.0004,0.0010,为不变形夹杂物.对 该类别大尺寸硬线盘条,可以采用较高程度的铝脱 氧,将钢液中的0控制在很低水平,并通过高碱度 和高还原性炉渣精炼,将钢中非金属夹杂物控制在 "区域?"内. 4结论 (1)不同类别硬线钢材的直径尺寸不同,对钢 中非金属夹杂物的控制要求也有所不同.帘线钢中 夹杂物必须是轧制和拉拔过程能够发生良好变形的 塑性夹杂物,高强度低松弛预应力钢丝,钢绞线等硬 线钢,对非金属夹杂物尺寸控制可适当放宽,并允许 钢中存在非塑性夹杂物. (2)帘线用钢应通过渣一钢精炼,通过调整控 制炉渣成分来影响和控制钢液的Al,Ca,O含量,再 进而通过控制钢液中Al,Ca,O含量对夹杂物的组 成进行控制. (3)对帘线钢,炉外精炼时应采用低的炉渣碱 度,钢液l应控制在(2,5)×10,,炉渣A1:O,的 质量分数应控制在7%以下. (4)对于直径大于5mm的高强度预应力钢 采用较高程度的铝脱氧,可以 丝,钢绞线用硬线钢, 将O控制在很低水平,并通过高碱度和高还原性 炉渣精炼,将钢中非金属夹杂物控制在图9中"区 域?"内. 参考文献 1T.Malkiewicz,S.Rudnik.DeformationofNon?metallicIn? clusionontPropertiesofSteel[M].JISI,1963,201(1): 33,38 2S.Rudnik.DiscontinuitiesinHot—rolledSteelCausedby Non.metallicInclusion[M],JISI,1966,204(4):374— 376. 3T.Gladman.DevelopmentsinInclusionsControlandTheir EffectsonSteelProperties[J].IronmakingandSteelmaking, 1992,19(6):457—463 4G.Bernard,P.V.Ribound,G.Urbain.OxideInclusions Plasticity[M].LaRevuedeMetallurgie?CIT,1981,78 (5):421—433 5D.L.Runner,S.Maeda.Start—upofTireCordThroughUSS/ KOBESBilletCaster[M],1998SteelmakingConference Proceeding,Toronto,1998,81:129—136 6E.T.Turkdogan.FundamentalsofSteelmaking[J],TheIn? stituteofMaterials,TheUniversityPress,Cambridge,UK, 1996 7日本学衍振典舍第19委具舍,裂鲷反应推荧平衡值(改 打增襦)[J],1984(10):255 8C.E.Sims.TheNonmetallicConstituentsofseel[J].Trans— actionsoftheMetallurgicalSocietyofAIME,1959,215: 367393(下转第20页) ? 20?金属制品第31卷 未浸蚀 图3圆钢表面缺陷示意图 未浸蚀×50 图4裂纹型缺陷的侧面形貌图 未浸蚀×50 图5裂纹型缺陷的横截面形貌图 2分析讨论 坯料表面的裂纹不可能完全避免.较小的裂纹 (上接第13页) 9HirokiOhmandHideakiSuito.ActivitiesinMnO?SiO2? AI2O3SlagsandDeoxidationEquilibriaofMnandSi[J]. MetallurgicalandMaterialsTransactionsB,1996,27B(4): 263—270 10陈家祥.炼钢常用图表数据[M].北京:冶金工业 出版社,1998.86 11王立峰,王新华,张炯明,等.控制高碳钢中CaO?A12O3一 SiO:类夹杂物成分的研究[J].钢铁,2OO4,39(1):21—23 经过轧制基本可以愈合;而较大的裂纹由于氧化层 的存在,不能被消除,这些裂纹经轧制后被拉长,残 留在产品表面,在冷镦钢线材表面形成较细小,断续 的裂纹,从而影响产品的冷镦性能. 在轧制过程中,如果轧制压下量不当,使轧件延 伸率分配不均匀,在某一道次由于轧制压下量过大 而造成过充满,轧件上就会出现双侧耳子的现象. 耳子在经过后续道次轧制之后,在成品上形成折叠, 影响冷镦钢产品的冷镦性能.冷顶锻检验时缺陷表 现为双侧对称通长纵裂或双侧对称断续微裂. 在线材的轧制过程中,为了实现秒流量相等的 连轧条件,在轧制张力的作用下,轧件端面面积会做 适应性调整.若轧制张力分配不合理,在辊缝不变 的情况下,轧制张力较小的机架轧机轧件断面面积 相对增大,由于过充满而在轧件上形成耳子.在后 续道次轧制时这些耳子在成品上形成折叠会影响线 材产品的冷镦性能. 3结论 (1)普通碳结圆钢的表面缺陷是造成冷镦加工 过程开裂的主要原因. (2)铸坯表面的针孔和针孔群在轧制过程中的 延展,在圆钢表面形成多条分散的短缺陷. (3)轧制过程中各道次的不均匀变形和挤压褶 皱会在表面形成长条缺陷. (4)加大对坯料表面重皮,裂纹及折叠的检查 和清理力度,提高表面清理质量,可以减少材料表面 缺陷的产生. (收稿日期:2005-08—26) 作者简介 苗铁岭1963年生,高级工程师,安阳钢铁集团有限责任公 司质量监督部副部长,华中科技大学在读研究生. 12HenriRGaye.TheMaking,ShapingandTreeingofSteel (Chapter3ofCastingVolume),TheAISESteelFounda? tion,Pittsburgh,2003 (收稿日期:2005一o9—15) 作者简介 王新华1951年3月生,工学博士,北京科技大学冶金与生 态工程学院教授. 王立峰1974年8月生,首钢技术研究I%-r-学博士.