宝钢帘线钢夹杂物控制技术
雷思源 万根节 沈凯
(宝山钢铁股份有限公司)
摘 要 此文介绍轮胎帘线钢的工艺技术与产品质量的关系,通过开发非金属夹杂物的控制技术，宝钢实现了对帘线钢夹杂物的成分和形态的控制。
关键词 帘线钢夹杂物 控制技术
lei si yuan wan gen jie shen kai
(baoshan iron & steel co., ltd.)
abstractthe relationship between the processing technologies and product qualityof tire cord steel is described, the composition and shape of inclusion iscontrolled by introducing inclusion modification at baosteel.
key wordstire cord steel inclusionmodification technologies
1 前言
子午线轮胎钢帘线的直径极其细小，在其高面缩率拉拔、高扭转力合股的加工过程中，对于原料──帘线钢的成份及组织的均匀性、纯净度，尤其是夹杂物的数量、特性有极其严格的要求。
在帘线钢的冶炼时，一方面要通过各种工艺手段降低钢的夹杂物含量，另一方面要使夹杂物无害化，即控制夹杂物的类别、大小、组成等，使之转变成为可变形的塑性夹杂。后者尤为重要，技术难度更高。帘线钢的夹杂物控制技术，国外只有少数钢铁企业掌握，能稳定生产高质量的帘线钢。
2 帘线钢夹杂物控制技术
非金属夹杂物破坏了钢基体的连续性，引起应力集中，促进裂纹提前形成，降低钢的强度、塑性、韧性和疲劳性能等力学性能，使钢的冷热加工性能恶化。夹杂物对钢的性能影响程度取决于夹杂物的数量、大小、形态、组成及分布。这与工艺制度密切相关，由此形成了夹杂物控制理论的研究、工艺技术的开发。
2．1 夹杂物控制技术
炼钢工业生产中，一般采用两种终脱氧工艺来控制夹杂物，一种是铝脱氧工艺，把钢中的溶解氧降低，其脱氧产物——al2o3夹杂物一部分可以通过各种工艺手段加以排除，必要时还对夹杂物进行变性处理，如有的钢种还要进行钙处理，将残留的al2o3夹杂物变性成低熔点的危害性较轻的夹杂物，此外有的钢种要对硫化物进行球化处理；另一种是非铝脱氧工艺，采用硅锰合金进行预脱氧，再通过钢水精炼进行深脱氧，严格控制钢中的酸溶铝及钙含量，达到控制夹杂物组成和形态，使夹杂物趋向无害。
这种夹杂物控制的新理念新工艺的创新，改变拓宽了以往冶金工作者片面苛求超低氧来减少夹杂物数量达到提高钢水纯净度的传统思路，转为力图少用或不用强脱氧剂(铝合金等)，使钢水在一定的氧含量下，促使夹杂物无害化[1]，并成功地使之工业化，解决了对夹杂物要求极其严格的钢种(比如高级别弹簧钢、轮胎帘线钢)的纯净度难题。
2．2 帘线钢的夹杂物控制技术
用硅锰脱氧的帘线钢的非金属夹杂物，主要分为三大类：硫化物(a类)、氧化铝(b类)、硅酸盐(c类)。各类夹杂物数量所占比率及在钢水精炼前、中、后的变化，从一个实例大体可知，见表1。
表1各类夹杂物数量所占比率(%)
a类
b类
c类
合金化后
64.8
9.9
25.3
精炼中
37.9
6.2
55.9
精炼后
40.5
2.7
56.8
2．2．1 硫化物夹杂
帘线钢中的硫化物夹杂主要以mns及其复合夹杂物的形式出现，塑性良好变形能力较强，只要其数量、粒度在一定范围内，在钢帘线的加工过程中对延伸率、断面收缩率影响甚微，视为无害。帘线钢的硫化物夹杂物数量与钢水的硫含量的控制相关。
2．2．2 氧化铝夹杂
由炉料、合金等带入的金属铝形成的氧化铝夹杂物，对于子午线轮胎钢帘线用钢是害的，这类夹杂，如高al2o3含量的刚玉、镁铝尖晶石、钙铝酸盐等，在钢的热加工的整个温度范围内都无塑性，因而帘线钢进行轧制、拉拔、合股时，这些不变形夹杂与金属基体脱开，并使基体划伤，在夹杂物周边产生微裂纹或空洞，随后发生断裂[2]。
为了大限度地减少帘线钢中的b类夹杂，要采取各种工艺手段，如采用低铝高纯铁合金、非铝质耐材钢包、钢水脱氧剂、非铝钢渣改质剂、精炼顶渣、合适的吹氩搅拌模式等等，达到控制产生b类夹杂的源头─铝，又设法让夹杂物尤其是大颗粒夹杂充分上浮，被精炼顶渣所吸附。
2．2．3 硅酸盐夹杂
帘线钢中此类夹杂大多为复合硅酸盐夹杂，含有mno-cao- al2o3-sio2，在钢的凝固过程中，由于冷却速度快，一些液态的硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以玻璃态的形式存在。硅酸盐在热加工的温度范围（800-1300℃）内，依其组成不同塑性差别很大[3]。
硅酸盐夹杂在帘线钢钢水炉外精炼时的行为特性，如颗粒度、上浮速度、突破渣金界面进入渣层所需要的搅拌能等，决定了它比氧化铝夹杂更难以从钢水中排除[4]，由表1可略见一斑。
其变形能力即对于帘线钢的危害程度与其组成密切相关，国外多个文献指出[1][5]，硅酸盐复合夹杂物的al2o3含量对夹杂物变形能力的影响是显著的，见图1，具有变形能力的复合夹杂物的al2o3含量为20％左右，它正好落在cao-al2o3-sio2三元相图的假硅灰石与钙斜长石的共晶线附近的区域及mno-al2o3-sio2三元相图的锰铝榴石区域，见图2，即al2o3含量为20％左右，sio2含量约为45～55％，cao或mno等约为20～30％。
此外，钢水的酸溶铝含量与夹杂物al2o3含量密切相关[5]，其关系如图3所示。根据热力学理论，钢水酸溶铝的来源为炉料、合金、炉渣和耐火材料，要降低酸溶铝的生成量，主要对策为，采用低铝铁合金，达到控制钢水极低酸溶铝含量；造合适碱度的精炼渣来保持钢水的一定的氧含量，以抑制炉渣及耐材的al2o3还原。
图3 钢水酸溶铝含量与夹杂物al2o3含量的关系
用硅锰合金初脱氧的产物在钢水和夹杂物之间一般存在下列关系：
[si] + 2 mno（s） == sio2（s） + 2 [mn]
[s] + mno (s) == mns(s) + [o]
2 al2o3 （s）+ 3 [si] ==3 sio2(s) + 4 [al]
用cao- sio2- al2o3 系精炼渣以及脱氧剂进行钢水精炼时，又存在如下关系：
2 [ca] + sio2（s） ==2 cao（s） + [si]
因此，在钢水精炼结束时，夹杂物与钢水的反应趋向平衡，夹杂物的组成落在目标区域。帘线钢精炼前后的夹杂物组成变化的实例见表2。
表2精炼前后的夹杂物组成 （%）
mgo
al2o3
sio2
cao
mno
tio2
精炼前
2.19
14.27
53.69
8.79
19.47
1.59
精炼后
5.06
19.93
46.12
19.71
9.18
/
钢帘线夹杂物控制的关键正在于此。为了使帘线钢中的夹杂趋于上述组成范围，在钢水精炼工序，要采取一系列手段进行控制，其中很重要的是选择合适的精炼渣与脱氧剂，它的功效有：对钢水进行再脱氧，控制钢水酸溶铝含量，调整夹杂物的组成，吸附夹杂物等。再辅以其他工艺措施，终达到使夹杂物控制的目的[6]。
3 宝钢帘线钢夹杂物控制的实物水平
经过多年对夹杂物控制技术的探索，开发了相关的工艺技术，宝钢的帘线钢质量逐步提升。以下介绍宝钢帘线钢的夹杂物控制水平。
3．1 钢坯夹杂物的电解分析
表3 [c]＝0.72% 帘线钢坯的夹杂物总量及其分量（%）
生产厂
部位－钢坯对角线
硫化物总量
氧化物总量
sio2分量
al2o3分量
宝钢－1
1/4
0.021
0.0047
0.0029
0.0004
宝钢－2
1/4
0.017
0.0029
0.0018
0.0002
b国a厂
1/4
0.016
0.0040
0.0015
0.0004
j国b厂
1/4
0.011
0.0037
0.0020
0.0002
3．2 钢坯夹杂物评级
表4 夹杂物评级（级）
硫化物
氧化铝
硅酸盐
精炼方式1
2.0
0
2.0
精炼方式2
1.5
0
1.5
精炼方式3
1.5
0
1.0
3．3 盘条夹杂物宽度分布
图4 夹杂物宽度分布
3．4 盘条夹杂物组成
表5夹杂物组成 （%）
cao
sio2
al2o3
mgo
mno
其它
10∽20
45∽55
18∽26
<5
5∽15
余量
3．5 夹杂物形貌
4 结论
开发各种有实效的控制帘线钢夹杂物工艺技术，把帘线钢夹杂物成分控制在合适的范围，在轧制拉拔过程中延伸成丝状夹杂，其宽度≤10mm，成为无害的塑性夹杂物。
参 考 文 献
1 t.takahashi,h.satoh,nippon. steel technical report,1992(53):101∽106
2 t.gladman.ironmaking and steelmaking,1992,19(6):457∽463
3 曲英.炼钢学原理.北京：冶金工业出版社，1980
4 雷思源.硅酸盐夹杂物在帘线钢中的行为
5 （日）南田高明.钢帘线用线材的新发展.神户制钢技报,2000,50(3):31∽35
6 雷思源, 沈 凯.轮胎帘线钢脱氧技术研究.第十届全国钢质量与非金属夹杂物控制学术会议论文集