簾線鋼冶煉過程夾雜物轉變的控制_圖文

1、第33卷第1期 2012年2月特殊鋼SPECIAL STEELV01.33.No.1February 201241 簾線鋼冶煉過程夾雜物轉變的控制陳書浩何肖飛 姜敏王新華黃福祥王萬軍(北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院,北京100083摘要研究的簾線鋼的冶煉流程為150t LD-RH-LF一軟吹氬-CC工藝。通過LD出鋼時加入Si-Mn脫氧,并 在LF加入低堿度頂渣進行鋼渣反應控制鋼中非金屬夾雜物的塑性。結果表明,RHLF-中間包和鑄坯階段,鋼中主 要夾雜物分別為MnO-A1203-Si02(RH,CaOA1203-Si02(LF和MnO-A1203-Si02(中間包和鑄坯,采用SiMn脫氧 和S

2、iC擴散脫氧,低堿度低Al:0,頂渣精煉,控制TO20×10一,A1s0.0013%,可有效控制鋼中夾雜物數(shù)量 和尺寸,以及控制夾雜物中AI:03含量并形成可塑性夾雜。關鍵詞簾線鋼TOAIS夾雜物可塑性Control of Inclusion Transformation in Steelmaking Process of Tyre Cord Steel :Chen Shuhao,He Xiaofei,Jiang Min,Wang Xinhua,Huang Fuxiang and Wang Wanjun(School of Metallure【cal and Ecological E

3、ngineering,University of Science and Technology,Beijing 100083Abstraet The studied steelmaking flow sheet for tyre cord steel is 150t LD.RH.LF.soft argon blowing.CC process. The plasticity of non.metallic inclusions in steel is controlled by adding deoxidation reagent SiMn during LD tapping and addi

4、ng low basicity top slag during LF refining to carry out steel-slag reaction.Results show that in RH,LF,tundishbloom procedure,the main inclusions in steel are respectively MnOA1203-Si02(RH,CaOAi203-Si02(LFand MnOA1203-SiO,(tundish and bloom.It iS available to control the quantity and size of inclus

5、ions in steel and the AI,01content in in. clusions and to fo腫plastic inclusions by using Si.Mn deoxidation and using SiC diflusion deoxidation.10w basicity IOW A1201top slag refining,controlling TO20×10。andAls IO.00l 3%.Material Index Tyre Cord SteeI,TO,A1S,Inclusions,Plasticity鋼簾線是一種高技術產(chǎn)品,主要應用

6、于輪胎子 午線。鋼簾線在加工過程中,其單絲直徑小至0.15 mm,從嘶.5mm的線材開始拉拔,長度要延伸 1344倍,而且在隨后的捻制過程中還要經(jīng)受扭轉、 彎曲和拉伸等一系列變形;在工作狀態(tài)下,鋼簾線要 承受周期的推拉應力以及緊急剎車的突發(fā)應力,滿 足高強度、抗疲勞、耐沖擊等要求。這要求鋼中夾雜 物尺寸小,數(shù)量少,延展塑性好?？刂茒A雜物的低數(shù) 量和小尺寸的同時實現(xiàn)夾雜物塑性化一直是研究人 員的重要課題。研究發(fā)現(xiàn)¨.2,影響鋼中夾雜物數(shù) 量和尺寸的重要因素是TO,而熔點低的夾雜物其 變形性能好,是塑性夾雜物。為了控制夾雜物中高 熔點高硬度Al:O,的含量,簾線鋼生產(chǎn)中不采用Al 脫氧。

7、目前,國外已經(jīng)大量生產(chǎn)82A簾線鋼,少數(shù)企 業(yè)具備生產(chǎn)92A簾線的能力【3】。國內簾線鋼起步 較晚,寶鋼41和武鋼能穩(wěn)定生產(chǎn)72A和82A簾線 鋼。其它企業(yè)還不能大規(guī)模生產(chǎn)簾線鋼,鋼材質量跟 國外相比差距明顯。 l試驗方法以鋼廠生產(chǎn)的72級別簾線鋼為例,研究了150t LDRH_u'(頂渣精煉-+軟吹氬攪拌_連鑄 (380mm×280ram_+初軋(150mm x 150mm_軋 制盤條(曬.5mm工藝過程中夾雜物轉變情況。 轉爐出鋼時加入約200kg的硅鐵和600kg的金屬 錳進行SiMn復合脫氧,同時加入專用精煉渣(成分 見表1約700kg進行合成渣洗。出鋼后鋼水被送 到

8、RH進行真空處理,其真空度3×102Pa,真空處 理時間為15min。RH處理結束后鋼水到達LF精 煉,在精煉開始前加入精煉渣約1000kg進行精煉。 第1次加熱結束后再次加入精煉渣1000kg。LF精 煉進行45min后結束,對鋼水進行軟吹氬攪拌,氬 氣流量約為300L/min,吹氬時間約為30min。裹l 用于簾線鋼的精煉渣基本化學組成/%Table 1Basle chemical ingredient of refining slag for tyre cord steel/%CaO Si02A1203M90S2。5I.5039.551.261.290.0542 特殊鋼 第33

9、卷吹氬結束后鋼水到達連鑄平臺進行澆鑄,在連鑄中 間包內也加入精煉渣作為覆蓋劑。表2所示為試驗 鋼目標成分。表2試驗鋼目標成分/%Table 2Target chemical composition of test steel/% C Si Mn S T0NAIt 0.7l一0.230.47一 0.730.27O.53O.0080.0020.0060.005試驗過程中在RH、LF、軟吹氬、連鑄中間包工 序跟蹤取樣,用提桶取樣器提取鋼水樣,并取渣樣, 在澆鑄結束后,切取鑄坯、初軋方坯試樣。將所取得的試樣經(jīng)過加工后送到國家材料檢測 中心進行化學檢測。切取cP5mm的圓棒分析T0和N,切取塊樣分析C、

10、Si、Mn、S、 Ca、Mg和A1S;將渣樣經(jīng)過粉碎,除鐵,過篩 后,分析渣的化學組成。切取試樣(mm15×15×15經(jīng)過打磨拋光放在 掃描電鏡(SEM下觀察其夾雜物形貌、尺寸和分 布,并利用能譜儀(EDS對夾雜物的化學組成進行 半定量分析。2試驗結果2.1過程鋼樣成分表3是試驗鋼精煉過程鋼水樣和成品鋼樣的化 學成分。從表3中可以看出,冶煉過程中,鑄坯中的 TO已經(jīng)控制在20×10“以下;精煉過程中A1s 在10×10。6以上,在鑄坯和初軋方坯中,AIS已經(jīng) 降低到5×10一。2.2頂渣成分表4是試驗鋼冶煉過程中渣樣的化學成分。從 表4中可以看

11、出,隨著冶煉的進行,渣中二元堿度 (CaO/SiO:從RH的1.57逐漸降低到中間包的表4試驗鋼生產(chǎn)過程中渣的基本化學組成/%Table 4Basic chemical ingredient of test steel during steel-making process/%1.09。渣中A120,含量在10%以下,MnO和FeO的 含量都很低,氧化性不是很強。2.3鋼中非金屬夾雜物SEM觀測發(fā)現(xiàn),簾線鋼中非金屬夾雜物主要有 MnS、MnOSi02一A1203和CaOSi02一A1203復合氧化 物夾雜這3類。圖1所示為精煉、軟吹以及鑄坯初 軋方坯等不同工序鋼中夾雜物形狀轉變情況。 3分析和

12、討論3.1夾雜物的尺寸分布、數(shù)量和形貌轉變圖2所示為不同工序鋼中夾雜物的尺寸分布和 數(shù)量情況,統(tǒng)計以2ttm和51zm為界,小于1trm的 夾雜物不作統(tǒng)計。從圖2中可以看出,夾雜物以l一 2ttm大小的為主,占了總數(shù)的80%,大于5ttm的 夾雜物很少,在大部分試樣中不到總數(shù)的5%。在 精煉過程中夾雜物數(shù)量出現(xiàn)反復,精煉結束后夾雜 物數(shù)量減少,鑄坯和初軋方坯中夾雜物數(shù)量沒什么 變化。脫氧之后,夾雜物大量生成,鋼中夾雜物數(shù)量急 劇升高。進入RH真空處理,鋼中總氧進一步降低, 夾雜物大量上浮。LF精煉過程中,夾雜物主要經(jīng)歷 成分和形態(tài)的變化,數(shù)量呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。 在軟吹氬過程中,良好的動力

13、學條件使得夾雜物大3of test steel during steeprocess/% 霽蠢霉凳耄薹徽翥萋警霧%,I煙uY'八里口,亞似大求仞_承口捌 1磊磊_ii可面1百廣五瓜T石r 一起,使得夾雜物數(shù)量急劇上升。 面1砑r百百1麗函F百面而1而丌礦可面百1百rr面麗丁 影響鋼中夾雜物數(shù)量的首要因素是 當站0.54o2o43o懈5o18o_25o刪3o07TO。從圖3中可以看到,隨著鋼 IP 1U rain U.O U.220.440.(JOt5U.00210.003l 0.00l Z 0.0006”20lIIin 0.690.24o.460.0096o.00190.0028o.0

14、0120.0005中T0的升高,夾雜物數(shù)量逐漸 出站 o71o25o50o0098o0018o0030o001I o0004增大。軟吹氫:曲min 00:7070:225500:5501:0090096800:鯽00169:0030039500:刪0013200:咖000:精煉過程中夾雜"枷WJ形狀變化不 20. 0. . 0. . O. . . 5侗琊U任T大,水,p扒,又,l、 出站o71ot24o49o0095o0015o0036o001I oO(305大,到了鑄坯和初軋方坯中,夾雜物 cc囂包 00爿100:252500:450800:0000”8900:刪OOI 7800:

15、004”600:001000:00:咖00046形狀出現(xiàn)劇烈的變化,主要表現(xiàn)為 鑄坯 .7. . . . . . 5.。n帥例艄¨了x m工體仉/了 墊塾直塹 Q:!蘭Q:絲Q:箜Q:塑i Q:塑!壘:堅堡壁:鯉蘭壁:堂! 尺寸增大,細條化。從圖l中看到,第1期 陳書浩等:簾線鋼冶煉過程夾雜物轉變的控制 43圖1不同工序鋼中夾雜物形狀:(aI.a2BH;(bbLF;(c1,c2軟吹氬;(dd鑄坯;(e1.e2初軋 方坯;(aI.bl,C1.dl,e1氧化物夾雜;(82,b2.。2.u2.d e2MnS夾雜Fig.1Morphology ofinclusionsinsteelin di

16、fferent procedure:(al,a2RH;(b2,b2LF;(cI,02 softm'gon blowing;(d1.d2ct bloom;(。I,82primary roiled billet;(8I,b1.CI,dI.81oxideinclusions; (a2.b2,。2.d2,e2MnSinclusions圖2BH、LF、軟吹氬、中間包、鑄坯、軋坯工序試驗鋼中夾雜物數(shù)量變化和尺寸分布Fig.2Change of quantity and distribution of size of inclusionsin test steel at RH,LF,soft arg

17、on blowing,tundish,castingbloom and wring billet procedure圖3試驗鋼總氧含量對鋼中央雜物數(shù)量的影響Fig.3Effect of total oxygen content in test steel on quantityofinclusions in steel對于氧化物夾雜,在精煉和軟吹過程中都是球形,大 小從2仙m增大到4¨m左右,鑄坯中夾雜 物尺寸進一步增大,形 狀沒明顯變化,在初軋 方坯中,大量的夾雜物 隨鋼基體被壓縮伸長, 變成細條形。對于 MnS夾雜,從一開始尺 寸就比較大,在50,m 以上,其形狀從橢球形 變成近

18、球形然后在軋 制過程中伸長成條形。 3.2夾雜物的成分和 塑性轉變MnS是易變形軟體夾雜物,容易隨鋼基體的伸長而延伸,同時,氧化 物被其包裹后(圖1中鑄坯MnS夾雜也容易軟化 變形。作為一個獨立的單體夾雜物,MnS成分基本 不變,其塑性也不會變化。本文只討論氧化物復合 夾雜的成分轉變和塑性變化。如圖4所示,試驗鋼在不同工序鋼中復合氧化 物夾雜的成分轉變情況。在RH進站時,夾雜物主 要為MnO-AI:0,-SiO:類復合夾雜,而后夾雜物中 A1:0,和CaO含量逐漸上升,MnO含量逐漸下降。 在LF精煉結束時,夾雜物中CaO含量達到最高值, MnO含量達到最低值,夾雜物幾乎全部為CaO AI:0

19、,.SiO:類。此后夾雜物中CaO含量逐漸下降, MnO含量逐漸上升,到鑄坯中夾雜物主要為MnO-A1203-Si02類。RH進站時,鋼水中的脫氧反應還在激烈進行, 此時鋼中T0最高達到0.011%,鋼中夾雜物以 SiO:和MnO為主.另外鋼中存在一定含量的AIs 和ca,參與脫氧反應生成AI:0,和CaO。LF的主 要功能是加熱和夾雜物成分轉變,夾雜物中MnO被 CaO慢慢取代,夾雜物轉變效果明顯。軟吹氬的作 用除了促使夾雜物上浮之外,更重要的是促進鋼渣 反應和夾雜物轉變的繼續(xù)進行;在這里,一些A1:0, 上浮過程中聚合,但是來不及被渣層捕捉吸收就留 在鋼中.使得夾雜物中A1:0,含量較高。

20、在中間包 澆鑄和凝固過程中,夾雜物進一步上浮,大型夾雜物 大量去除,鋼中A1s急劇降低,ca上升,夾雜物 中CaO含量下降.加上凝固過程中的氧化作用, Mn降低,夾雜物中MnO含量逐漸上升。研究表明”1,夾雜物的塑性變形能力和它的熔 . 、 , 餐 球44 特殊鋼 第33卷A12%CaOSi02A1203CaO A12%MnO A1203圖4試驗鋼不同工序鋼中復合氧化物夾雜成分轉變:(aRH;(bLF;(c軟吹氬;(d鑄坯Fig.4Transformation of ingredient of composite oxide inclusions in test steel at differ

21、ent pro-cedure:(aRH;(bLF;(csoft argon blowing;(dcasting bloom 點以及體系的溫度有很密切 的關系。由于不能直接測試 夾雜物的塑性和熔點,本文 以夾雜物的成分為基礎,以 其在相圖中的位置確認其熔 點,再討論其塑性變形能力。 如圖5所示,隨著生產(chǎn) 的進行,夾雜物的熔點逐漸 降低,塑性變形能力逐漸提 高,只是在軟吹氬處理過程 中,夾雜物熔點較高。3.3鋼中夾雜物成分轉變 控制頂渣精煉控制夾雜物技 術"1是近年來高碳硬線鋼 生產(chǎn)過程中使用比較多的用 來控制鋼中夾雜物塑性的一 種方法,其基本原理是通過 鋼渣反應控制鋼中微量元素 含量,

22、再通過鋼中化學平衡 來控制鋼中夾雜物的成分。 3.3.1渣鋼反應控制鋼中 元素含量圖5試驗鋼生產(chǎn)不同工序鋼中氧化物夾雜熔點分布:(aMnO.A1203.Si02類夾雜;(bc80.A1203.Si02類夾雜Fig.5Distribution ofmelting point ofoxide inclusions in test steel at different procedure:(ainclusion 0fMnO.A1203-Si02;(binclusion of CaO-A1203一SiOz簾線鋼精煉過程中加入低堿度低m:O,含量頂渣,本次試驗所用精煉渣成分如表l所示。在鋼渣界面發(fā)生以下

23、反應:3CaO薔+2AI_3Ca+A1203渣 2鴿03渣+3Si=4AI+3Si02麓 Si02蕾+2Mn=Si+2MnO釜 (1(2(3渣中CaO與鋼中ms反應,生成Ca進入鋼 液,同時渣中的燦:o,與鋼中si發(fā)生反應,SiO:與 鋼中Mn發(fā)生反應,這樣渣鋼間反應使得鋼中存在 燦-si一Mn-Ca平衡。鋼中元素含量由渣鋼 反應控制,當渣中成分出現(xiàn)變化時,必然會影響鋼中 微量元素的含量,建立新的渣鋼反應平衡。所以,利第1期 陳書浩等:簾線鋼冶煉過程夾雜物轉變的控制 45用調整頂渣的成分來控制鋼中元素含量的方法是可 以實現(xiàn)的。3.3.2鋼中化學平衡控制夾雜物成分在鋼中存在如下脫氧反應:菇M+Y

24、0=(M,O,夾雜物 (4 式中:M代表Si、Mn、AI和Ca。夾雜物中M。O,含量 的變化主要由脫氧反應來控制,其決定因素不僅僅 是一種元素的含量,還受鋼中其它組元的影響,鋼中 還存在以下類型反應:Si02夾雜物+2Mn=Si+2MnO夾雜物 (5這樣,在鋼液和夾雜物之間建立了一個化學反 應平衡。當鋼液成分發(fā)生變化時,鋼中夾雜物的成 分必然會發(fā)生改變。作為中間因素,鋼液成分受頂渣成分影響,同時 它又對鋼中夾雜物的化學組成起著決定性的作用。 這樣,當所有化學反應達到平衡時,最終使得鋼中夾 雜物的化學組成和頂渣成分相一致。3.3.3夾雜物成分轉變機理試驗過程中,氧化物夾雜經(jīng)歷了從RH的MnO-A

25、1203-Si02到LF的CaO-A120a-Si02,再到軟吹氬和 中間包中的MnOAI:03-Si02-CaO,最后在鑄坯中以 MnO-A1203-Si02為主。鋼水到RH時,主要是復合脫氧反應,如下所示: Mn+3Si】+2A1+100=MnO-A12033Si02(6 此時鋼中存在大量的游離Mn、Si和O,存在微 量的AIs,反應的吉布斯自由能很小,很容易正向 進行。隨著真空處理的進行,T0迅速下降,渣中 的A1:03和CaO參與反應,使得夾雜物中A1203和 CaO含量逐漸升高。在LF中,加入了大量的精煉渣,渣控制鋼中微 量元素含量,鋼中發(fā)生如下反應:Ca+2Si+2A1+80= C

26、aOA12032Si02(7 隨著反應的進行,鋼中Ca降低,夾雜物中 CaO含量升高。同時,鋼液卷渣直接將CaO帶入夾 雜物,經(jīng)物理作用逐漸取代MnO。試驗中軟吹氬的作用不僅僅是促進夾雜物的上 浮,更重要的是促進鋼-渣-夾雜物系統(tǒng)反應的徹底 進行。在軟吹開始時,由于氬氣流量控制的原因發(fā) 生了局部的卷渣,渣和覆蓋劑中的Al進入鋼液中, 鋼中A1s升高,夾雜物中AI:0,含量增高。此時鋼 中Ca含量變低,Mn活度很大,夾雜物中MnO含量 逐漸升高,CaO降低。連鑄過程采用全程保護澆鑄,但是由于開澆階 段的不穩(wěn)定性和其他客觀原因還是發(fā)生了一定的二 次氧化,使T0和N有一定的增加,夾雜物MnO 含量繼

27、續(xù)增大。在凝固過程中,Mn繼續(xù)下降,鋼 中發(fā)生反應(6,夾雜物向MnO-A1:O,一Si02轉變。 本次試驗利用頂渣精煉技術,同時很好的控制 了鋼中T0水平和夾雜物的成分轉變,夾雜物的塑 性較好,在初軋方坯中基本實現(xiàn)隨鋼基體被壓縮而 伸長變形(如圖1。4結論(1簾線鋼中夾雜物主要有MnS、MnOAI:03-Si02和CaOA1203-Si02三類,MnS尺寸大,形狀多 樣化,氧化物夾雜多呈球形,2斗m左右居多。(2RH處理時鋼中氧化物夾雜物主要是MnO A1203-Si02,到了LF精煉時,夾雜物向CaOA1203一 SiO:轉變,便逐漸被完全取代,到了中間包和鑄坯 中,氧化物夾雜又向MnOAI:O,SiO:轉變。(3隨著精煉的進行,夾雜物數(shù)量降低:尺寸變 小,熔點變低,塑性提高,經(jīng)過初軋后方坯中氧化物 夾雜大部分已實現(xiàn)隨鋼基體被壓縮而伸長,MnS完 全變形。(4采用SiMn脫氧和SiC擴散脫氧,低堿度低 A1:O,頂渣精煉,控制鋼中T0和A1s,能有效控 制鋼中夾雜物數(shù)量和尺寸,同時控制夾雜物中 A1:0,的含量,實現(xiàn)夾