帘线钢工艺最优化和非金属夹杂物检验方法的改进

1、帘线钢工艺最优化和非金属夹杂物检验方法的改进本文建立了基于分馏气体分析方法和定量金相学,依据非金属夹杂物数量评价帘线钢纯净度的方法。根据定量金相学的数据以及各个生产厂家的盘条试样,分析了氧化物系非金属夹杂物的体积分数、直径大于8m的大颗粒夹杂物密度以及Al2O3含量。帘线钢生产用盘条要求高加工性和均匀的显微组织。并要求最低的有色金属杂质含量,氮含量小于0.005%,氧含量小于0.0020%,氢含量小于2ppm。按照成分、形状、尺寸及分布控制非金属夹杂物组成,钢液结晶过程中出现的偏析缺陷最小。提高产品品种中高强、最高强度和超高强帘线的比率,是汽车外轮胎生产厂家的发展趋势。事先设定钢液非金属夹杂物

2、纯净度要求。这与在拉拔和捻线时,帘线断线频率与钢材抗断强度极限有关。因为在帘线钢中,80%的断丝是由于有不变形的非金属夹杂物引起。微裂纹的产生过程,取决于钢材强度和塑性及非金属夹杂物。它与基体结合的强度取决于夹杂物与基体热膨胀系数差。热塑性变形时,沿其边界产生疏松的夹杂物危害最大。疏松产生在刚玉和尖晶石的不变形非金属夹杂物附近,经受夹杂物基体边界的拉应力。因此,夹杂物表面局部塑性变形和应力区取决于其尺寸。生产帘线钢时,拉拔时线材经受拉应力和压缩应力,形成疏松的生长速度、尺寸及相应断线频率都提高。由于非金属夹杂物Al2O3含量在极大程度上影响其变形的趋势,因此应控制在15%20%。这与CaO-A

3、l2O3和SiO2-MnO-Al2O3三元易熔共晶体区范围一致。非金属夹杂物中Al2O3含量取决于钢液中铝溶解度。实验表明,变形非金属夹杂物的临界Al2O3含量与钢液中铝溶解含量0.0004%0.0006%相同。非金属夹杂物的化学成分、尺寸及在基体中的分布特征,取决于脱氧工艺和炉外处理。钢液中终氧浓度、非金属夹杂物成分和形态,及其尺寸分布,取决于脱氧剂成分、数量和加入脱氧剂的顺序和方法。帘线钢中非金属夹杂物,一般可分为外来炉衬、钢包、水口等耐火材料微粒,其成分接近于炉渣CaO-SiO2-Al2O3及脱氧反应物SiO2-MnO-Al2O3。帘线钢的化学成分,要求铝含量不大于0.003%,然而这还

4、不能完全满足钢帘线生产厂家对钢不变形、氧化铝非金属夹杂物的纯净度高的要求。通过用不含铝的脱氧剂、炉外处理控制造渣制度、选择连铸机和中间包耐火材料,能控制其最佳成分。钢中溶解铝含量随渣碱度提高而提高。炉渣成分极大影响钢液的氧浓度和夹杂物成分。同时,利用炉外处理,使Al2O3浓度不超过8%的炉渣具备低熔点和低黏度的特性。在这种钢液中,非金属夹杂物中Al2O3含量降低,且夹杂物的平均尺寸稳定。按北俄罗斯冶金厂的现行工艺出钢,在钢包内加入合金元素和脱氧剂。钢包出钢时,彻底扒除炉渣,保证合金元素最小程度的氧化。生成有规定比例的石灰和酸性氧化渣的炉渣,是获得一定非金属夹杂物成分的重要条件。钢液通过真空循环

5、处理(RH,保证有效脱碳、脱氢和脱氮,以及利用气泡上浮去除非金属夹杂物。在北俄罗斯冶金厂电炉2号车间,按照规定工艺和设计试验方案,进行了帘线钢的冶炼试验。在每次冶炼中均获取钢样,便于将来的研究。冶炼7080帘线钢种已实行了A-K试验工艺方案。它包括改变过程参数,如炉外精炼时的吹氩制度,浇铸时钢包中渣碱度和成分等。出钢前从电弧炉中取样,出钢后从钢包中取样。用图象分析器IA-3001,配合X射线分析器的电子扫描显微镜进行金相学分析,用气体分析器TC-436分馏气体分析方法,研究试验样品。每个帘线钢生产公司根据自己的生产条件,自主研制非金属夹杂物纯净度的方法。北俄罗斯冶金厂按Pirelli公司研发的

6、渣三元平衡相图评价帘线钢的纯净度。该公司采用了一种检验方法,借助扫描电子显微镜,一炉取5个试样分析非金属夹杂物密度和成分,并将数据进行统计。按照该研究方法,允许尺寸大于1m夹杂物总密度在1cm2不大于1000个。分析可得,钢中最大尺寸30m的Al2O3含量小于50%,而最大尺寸10m Al2O3的含量大于50%。同时,夹杂物密度在1cm2不应超过20个。在检验钢液非金属夹杂物纯净度方面进行的研究,普遍采用了分馏气体分析法、定量金相学法和Pirelli公司研发的方法。在炉外精炼和连铸过程中,根据钢液氧浓度变化和各类非金属夹杂物含量的变化,分别从出钢后钢包中、加脱氧剂和造渣料后、精炼容器、连铸机中

7、取样。对以上试样采用分馏气体分析法进行分析。试验结果表明,钢液在钢包炉内处理,采用如铝、钙这类的强力脱氧剂,就不能保证钢液的氧含量小于0.004%。从RH中获取的试样经分析后,发现达到了最低氧含量及非金属夹杂物的要求。通过比较帘线钢盘条试样非金属夹杂物的密度发现,不同的工艺方法冶炼结果,夹杂物数量差异较大。该研究测量了每一组非金属夹杂物的面积、长和宽(沿轧制方向,长宽比和等量直径。与Pirelli公司研发的夹杂物分析方法得到的数据相比,利用定量的光学金相法的结果最可靠。但是,该指标无法提供表示盘条拉拔断丝的不变形大夹杂物的数量,以及按尺寸分类的分布情况。对于每一种试验冶炼方案,都测量非金属夹杂

8、物面积与研究试样面积之比。该指标能够更充分地表示钢液纯净度,因为它与分析钢时测到的夹杂物成正比例。同时,该指标也说明氧化物的非金属夹杂物的体积分数,既要符合钢液总氧量的要求,又要符合不同类型夹杂物氧含量的分馏气体分析结果。按照分馏气体分析数据,考察了钢液在连铸之前钢液中硅酸盐的氧含量与渣碱度的关系。按照(CaO+MgO/(SiO2+Al2O3比值计算碱度。试验结果证明,当钢渣碱度下降时,由于变形硅酸盐夹杂物含量增加,钢液中氧含量和非金属夹杂物总量增加。通过比较帘线钢盘条试样(不少于5个试样中氧和氮的平均含量发现,试样存在标准差范围。用类似方法对北俄罗斯冶金厂的试样,也进行了帘线盘条纯净度研究。结果证明,氮含量的偏差较大。新日铁和北俄罗斯冶金厂生产的盘条偏差最小,摩尔达维亚冶金厂盘条的偏差最大。这与电弧炉选择的炉料和炼钢方法有关。比较了北俄罗斯冶金厂、新日铁、摩尔维亚钢厂、奥斯科尔电冶金公司、下塔吉尔钢铁厂的帘线盘条的非金属夹杂物的体积分数,测量了夹杂物面积与试样研究面积和大夹杂物含量之比,以及直径大于8m的非金属夹杂物的面积与试样面积之比。通过比较非金属夹杂物的体积分数和直径大于8m夹杂物的含量,发现新日铁生产的帘线钢最好,北俄罗斯冶金厂次之。根据非金属夹杂物评价各个生产厂盘条的质量时,采用氧化物中总氧量和高铝非金属夹杂物的氧含量作为衡量指