帘线钢质量影响因素及控制措施

1、精品整理帘线钢质量影响因素及控制措施摘要：主要阐述了帘线钢的质量要求。对影响钢中夹杂物的尺寸及形 态、热轧线材的组织及表面质量、偏析程度的因素进行了分析，提出 了有效控制夹杂物形态和降低偏析程度的技术措施。关键词：帘线钢 夹杂物 表面质量 偏析钢帘线主要用于轮胎子午线增强用的骨架，具有强度高、韧性好 的特点，也是线材制品中要求极高、生产难度最大的产品之一。由于 帘线用盘条要被拉拔成 © 0.150.38mm的细丝。之后还要经过高速 双捻机合股成绳，要求拉拔及合股过程中100km断丝不超过1次，因 此必须使用优质的高碳低合金线材才能满足如此高的质量要求。对于帘线钢的生产及质量控制，国外

2、钢铁企业如日本的神户制钢、 新日铁、住友。以及德国萨斯特、法国梅森和韩国浦项等厂家经过多 年的研制开发，积累了大量的经验，形成了比较成熟的工艺。其共同特 点是生产工艺完善，产品化学成分均匀（如将碳含量控制在 士 （0.01 %0.02 %）、钢的洁净度高（如 Tm < 20X10-6, A1 t< 3X 10-6，夹杂物级别较低，无大尺寸和脆性夹杂）、钢坯质量 高、盘条的组织性能均匀、表面质量好和产品质量稳定等。近年来，国内企业也陆续进行了帘线用钢的开发与研制，经过不断地摸索及实践，产品质量不断提高。目前，国内帘线用钢的质量已经 达到批量制作© 0.20mm以上规格钢帘线

3、的质量要求。并已经获得著 名钢帘线生产厂家的质量认证，生产规模逐年扩大。但从质量上看， 国内帘线用钢与进口产品相比仍然存在一定的质量差距，尚未达到制作© 0.20mm以下钢帘线的技术要求。本文主要讨论影响帘线钢质量的各种因素以及应该采取的相应控 制措施精品整理1 影响帘线用钢质量的主要因素1.1 成分波动及有害元素的存在帘线用钢对于成分的要求较为严格，不同炉次或同炉之间要求成 分必须保持均匀，波动幅度小 , 否则会造成盘条的通条性能不均匀， 在加工过程中断丝。帘线钢中有害元素含量过高 , 也会导致拉拔及合股断丝的发生。 例 如，硫含量过高，会降低钢的塑性，韧性及产生热裂；磷含量过高，

4、 会造成冷脆及降低塑性；铜含量过高，会引起红脆。此外，锰、铬、 镍等元素的含量会影响热处理工艺及产品性能； 而钛、铝会与氧或氮 生成氧化铝或氮化钛等脆性夹杂物 , 导致拉拔和合股断丝的产生。因 此，必须严格控制钢中有害元素的含量。1.2 成分偏析成分偏析是影响帘线用钢质量的重要因素之一，具体情况如下 ：(1) 成分偏析降低钢材的综合性能。 明显的中心偏析也会使偏析区 碳浓度突然增加。在热轧或其他加工条件下，该处产生 马氏体相变 ， 或由于相变温度的偏差和淬透性的不同 , 该处成为淬火开裂、软点和 异常变形的根源 ,且在偏析带中 ,硫和磷等杂质或非金属夹杂物也多 , 也可能成为其他缺陷的起源，明

5、显缩短钢材的使用寿命：(2) 成分偏析降低钢材韧性。 对于高碳钢来说。 中心偏析使其拉丝 极限和延展性降低 , 明显降低其韧性，影响拉拔性能：(3) 成分偏析引起钢材氢脆， 降低耐腐蚀性能。 对于中心偏析明显 的连铸坯，氢气可被偏析和疏松捕集，从而产生非扩散型氢偏析，既 使缓冷也不能减轻其缺陷。 在钢材中，氢偏析会引起裂纹， 即生成“中 心偏析型”超声波缺陷，产生氢脆：(4) 成分偏析降低钢材疲劳性能。 中心偏析降低钢的中心致密度， 使该处成为疲劳裂纹的根源。 中心偏析一般与中心疏松的加剧和非金精品整理 属夹杂物不均匀分布同时存在， 这将显著降低钢材的疲劳性能。 对于 帘线钢来讲。 成分偏析是

6、影响断丝的一个重要因素。 偏析度高会对轧 钢组织的控制带来不良影响。 同时使夹杂物的分布不均， 在拉拔及合 股过程中产生断丝。帘线用钢的偏析标准一般不允许大于 3 级。1.3 全氧含量 全氧含量包括钢中的自由氧以及夹杂物中所含的氧。 钢中的非金 属夹杂物和 A1203 等脆性及变形性较差的夹杂物，绝大多数为氧化物 系。研究结果表明 , 氧化物夹杂的数量随钢中全氧含量的增加而增加 , 控制钢的洁净度的关键在于把钢中全氧含量降低到较低值。 目前，国 外咼品质帘线用钢的全氧含量一般都控制在 20x 106以下。1.4 夹杂物尺寸及形态 夹杂物的控制水平是衡量帘线用钢质量的标志。 T.Malkiewc

7、zh 和S.Rudink提出了夹杂物变形指数（u ）公式：u = £ i / £ s式中：£ i 热加工状态下夹杂物的伸长率；£ s热加工状态下钢基体的伸长率。U的取值为01。当U =0时，表示夹杂物不变形而基体变形， 导致夹杂物和基体在变形时产生滑动， 降低界面结合力。 并极易产生 裂纹源；当 u =1 时，表明夹杂物与基体变形率一致，能够做到良好 结合；当 u =00.5 时，容易产生间隙鱼尾形裂纹。此外。 S.Rudink 的研究表明，硫化物夹杂的变形率u -1,而钙铝酸盐、Al2O3和TiN等夹杂物在钢材加热温度下 u 0,属脆性夹杂物，对钢质的

8、危害较 大。由于生产钢帘线的过程是将© 5.5 mm的盘条拉拔成© 0.150.38mm的单丝，此过程使线材长度增加10001400倍，截面积缩小 至原来的 0.08,已经接近拉拔工艺的极限。而后还要经过咼速双捻精品整理机合股成绳 , 因此对钢中夹杂物的要求极为严格：较大颗粒夹杂物的 存在。尤其是变形性较差的脆性夹杂物(如A1203及TiN),是产生断丝 的主要原因。如前所述 ,由于夹杂物的塑性较差，在拉拔或合股过程 中。钢基体变形而夹杂物不变形 , 这样在钢和夹杂之间首先产生一个 裂纹源，裂纹源沿钢基体扩展。使钢的抗拉强度降低，当外部拉力大 于该缺陷处的抗拉强度时即发生断

9、裂。因此，对于帘线钢来说，必须 严格控制夹杂物的数量及形态 , 使夹杂物总量减少，同时避免产生大 颗粒脆性及不变形夹杂物。1.5 盘条组织及表面质量 钢帘线用盘条必须具备适应帘线加工过程的组织形态 , 即控制索 氏体率达到 90以上，而且要求通条和批次间质量均匀。由于在制作帘线的过程中，盘条表面任何直观可见的外部缺陷都 会随着拉拔加工深度的发展而在单丝的拉拔及后续的合股过程产生 严重影响，所以，必须保证盘条不存在如耳子、折叠、裂纹、结疤、 轧痕、麻面、凹坑、机械划伤及薄厚不均的氧化铁皮以及较为严重的 锈蚀。此外 ,钢帘线用盘条对尺寸精度、 低倍缺陷和表面脱碳层等也有比较严格的要求。如©

10、; 5.5mm盘条的要求为：直径偏差为士 (0.15 0.30)mm(平均为士 0.20mm)脱碳层厚度小于0.10mm 氧化铁皮含量 低于 0.6 等。2 夹杂物控制措施及效果2.1 帘线钢对夹杂物的要求及理想夹杂物形态控制2.1.1 帘线钢对夹杂物的要求 由于制作钢帘线工艺的特殊性，对于原料盘条的夹杂物也有着特殊的要求：(1) 不允许含不变形的A1203及TiN夹杂；精品整理（2）对于普通强度级别 （ 碳含量为 0.72 ） 的盘条，要求脆性夹杂 物粒度小于10卩m对于高强度级别（碳含量为0.82 %以上）的盘条， 要求脆性夹杂物粒度小于5卩m（3）复合夹杂物中AI2O3的含量不大于50%

11、;2.1.2 理想夹杂物形态图 1 为 MnO-A1203-Si0 2系相图，图 2为 CaO-A1203-Si0 2系相图。就 帘线钢中理想的夹杂物形态及成分 , 国外专家进行了大量的工作后总 结出：对采用 Si-Mn 脱氧的帘线钢而言， 夹杂物主要是 MnO-A1203-Si0 2 系（来自脱氧产物 ）和 CaO-A1203-Si0 2系（来自炉渣），对于 MnO-A1203-Si0 2系，理想的夹杂物应该是锰铝榴石（3MnO AI2O3 3SiO 2）及其周围低熔点区域物质；对于 CaO-A103-Si0 2 系，理想的夹杂物是钙斜长石（CaO- AI203 2Si02）与假硅灰石（Ca

12、O- SiO2）相邻的周边低熔点区域，即图I和图2中的阴影部分，其 以上区域夹杂物的熔点较低（小于或等于1500C），变形性较好，在 制作帘线拔丝及合股过程不会造成断丝。图 1 MnO-A1203-Si0 2系塑性夹杂物区域图 2 CaO-A1203-Si0 2系塑性夹杂物区域在图1,2的阴影内，夹杂物中A1203含量均在20%左右。根据A1203 含量与夹杂物不变形指数的关系，当CaO-A103-Si0 2系A1203含量在20%左右时, 夹杂物不变形指数最低, 对帘线拔丝及合股过程的危害 最小。2.1.3影响夹杂物中A1203含量的主要因素根据S.Mada的研究结果，夹杂物中A%03含量在

13、20%时，夹杂物 不变形指数最低，而夹杂物中A1203含量取决于钢中酸溶铝的浓度（见 图3），钢中酸溶铝含量越高，夹杂物中 A1203含量越高。因此，要将 夹杂物中A1203含量控制在20%左右,必须将钢中酸溶铝含量控制在精品整理3X 10-6 6X 10-6。图 3 钢中酸溶铝与夹杂物中 A1203 含量的关系根据钢渣间的平衡，利用热力学原理可以计算出(A1203) 含量及碱度对A1的影响，结果见图4。图4(A1203)含量及碱度对Al含量的影响由图4可见，当炉渣碱度不大于1.0、(A1 203)含量不大于20%时 可以保证A1含量不大于10X10-6。2.2 夹杂物形态控制措施2.2.1

14、Si-Mn 合金作为终脱氧剂使用 Si-Mn 合金作为终脱氧剂，控制 A1 的含量。其反应式和计 算式如下：2MnO(s)+Si=Si0 2(s)-4-2Mn(1)Go=5700-34.8 T2/3A1 203(s)+Si=Si02(s)+4/3A1(2)Go=219400-35.7 T式中：T钢液温度，K。据文献报道，根据MnO AI2O3 Si0 2三元活度计算，1600C时，塑 性区平衡的钢中酸溶铝的含量为 0.000l %0.0005%。因此，为了 得到塑性区的MnO AI2O3 SiQ夹杂物，应该使用Si-Mn合金进行脱 氧，而不能使用铝或含铝较高的合金进行脱氧。2.2.2精炼采用低

15、碱度和低AI2O3合成渣当钢渣间达到热力学平衡时。夹杂物的成分可以用钢液与夹杂物 间的平衡热力学来预测。理论上夹杂物的成分与钢渣的成分是相同 的,但在实际生产中， 绝对的钢渣平衡是很难达到的 , 只能在局部达到 钢与夹杂物间及渣与钢间的准平衡状态。精品整理帘线钢在精炼时，对顶渣的要求为：(1) 渣的氧势低：(2) 低熔点和良好的造渣性能：(3) 对脱氧产物和少量的初炼炉渣有强大的吸收能力：(4) 低的结晶倾向；(5) 凝固过程中无外来相析出，易玻璃化：(6) 本身具有良好的变性能力。Amy Elmore通过研究指出，选用钙硅石(CaO和SiO?含量分别为47和 5l ) 渣系作为顶渣来进行帘线

16、用钢的精炼，可以有效控制钢 中夹杂物的形态。 因为钙硅石渣系完全符合上述炉渣的特点。 试验证 明，钙硅石渣系易于吸收钢中的 A1203 夹杂，并能将锰铝榴石(3MnO AI2O3 3SQ2)夹杂物转变成含钙长石(CaO- AI2O3 2SQ2)成 分的夹杂物，且具有低粘度、低熔点及良好的上浮性能，易于去除。 此外，还可以控制钢液中钙、 镁和铝的含量。 以免析出不变形夹杂物。日本住友金属工业公司在帘线钢的生产中采用钙硅石渣系(46CAO-2 AI2O3-47 %SQ2-5 %CaF2)，川崎和神户制钢则采用 CaO AI2O3、 和Si02含量分别为45%, 10%, 45%的精炼渣，国内某钢厂

17、采用CaO A12O3、和SiO2含量分别为30%-40 %, 6%10%和30%50%的渣 系进行夹杂物的控制,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) 减少易偏析元素的含量。 磷和硫等元素属于易偏析元素, 应尽 量减少其含量。可在炼钢、铁水预处理和炉外精炼 (包括真空处理和 钢包处理)过程中去除, 特别是进行铁水预处理时, 可同时脱硫和磷：(2) 采用低过热度浇注。 由于高碳钢在凝固时体积收缩较大, 如果 钢水过热度太高。则连铸坯内柱状晶发达,易产生中心疏松、缩孔和精品整理内裂；而采用较低的过热度浇注( t <25C)除使连铸坯中心消除过 热后完全凝固， 缩

18、短柱状晶区长度和发展等轴晶区， 还使坯心成分均 匀,避免中心偏析、疏松和裂纹等低倍缺陷的发生：(3) 采用合理的拉速。 随着拉速的提高， 连铸坯在结晶器内停留时 间变短，从而使钢液凝固速度降低 , 其结果是连铸坯液芯延长，推迟 了等轴晶的形核和长大 ,扩大了柱状晶区，更易形成凝固桥，造成中 心偏析。因此，应根据钢种和浇注条件来选择合适的拉速 ;(4) 采用电磁搅拌技术。 采用电磁搅拌可以改变柱状晶生长方向以 及促进柱状晶向等轴晶的转变。 此外，电磁搅拌还具有明显的细化晶 粒作用 , 不论晶体的生长方式是柱状晶还是等轴晶，电磁搅拌都可使 其细化和均匀，达到降低偏析的目的。目前，通常采用的是结晶器 + 凝固末端电磁搅拌的方法 ;(5) 采用轻压下技术。 浇注过程中，钢液得不到补充， 或补充不足， 出现密闭区域，形成负压，枝晶间富集溶质的剩余液相被吸入，富集 在最后凝固的中心部位 ,形成周期性的所谓小钢锭结构。也就是周期 性地出现疏松、偏析。如果在凝固末端施加均匀外力，形成一定的压 下量，消除密闭区域。 让枝晶间富集溶质的剩余液相仍保留在其原来 的位置, 而不流到最后凝固的中心部位。就可以大大减轻甚至消除中 心偏析和疏松。4 结论(1) 影响帘线用钢质量的主要因素包括： 有害元素的存在、 全氧含 量、钢中大颗粒及脆性夹杂物、盘条的组织、中心偏析及表面质量；(2) 采用 Si-Mn