簾線鋼LX72A夾雜物控制優化實踐

桂仲林 王海洋 騰力宏

(中天鋼鐵技術中心，江蘇常州 21300)

簾線鋼LX72A夾雜物控制優化實踐

桂仲林 王海洋 騰力宏

(中天鋼鐵技術中心，江蘇常州 21300)

結合中天鋼鐵第三煉鋼廠簾線鋼LX72A生產實際，通過控制鐵水[Si]、[Ti]等含量和實施轉爐“雙渣留渣”冶煉技術，實現轉爐出鋼高拉w([C])≥0.12%、低w([P])≤0.008%和低w([Ti])≤0.005%的要求，有效減少脫氧產物和含Ti夾雜物數量。調整精煉渣系堿度和優化中間包流場，使盤條夾雜物成分達到CaO- Al2O3- SiO2系相圖塑性化控制目標，同時使鑄坯夾雜物尺寸由最大48 μm降低到20 μm以內。

簾線鋼 夾雜物 精煉渣 中包流場

鋼簾線是橡膠骨架材料中發展最為廣闊的產品，主要應用在汽車輪胎、傳送帶等生產領域，要求其具有動態彈性率大、強度高、拉伸蠕變小、尺寸穩定性好以及彎曲剛度高等特點，是金屬制品中生產難度最大的產品[1]。簾線鋼在加工過程中，需從φ5.5 mm左右的線材快速拉拔至單絲φ0.15～0.38 mm的細絲，這對鋼中夾雜物塑性要求很高，以避免在生產過程中斷絲。因此，要生產出高質量的簾線鋼就必須努力提高簾線鋼的潔凈度，要求夾雜物尺寸小、數量少、延展塑性好[2]。研究表明[3- 4]，一般影響鋼中夾雜物數量和尺寸的重要因素是鋼中T[O]含量，但卻更加強調夾雜物的塑性化指標，如夾雜物熔點低是變形性能好的重要特征之一。

中天鋼鐵自開發LX72A簾線鋼以來，盤條存在大顆粒夾雜物、B類夾雜物和縱截面夾雜物尺寸超標等問題，而夾雜物超標是簾線鋼生產過程中出現斷絲的主要原因。本文通過穩定鐵水成分和控制轉爐出鋼終點[C]、[P]和[Ti]含量，調整精煉渣堿度和優化中間包流場，以實現減小簾線鋼中夾雜物尺寸和塑性化控制的目的。

1 夾雜物塑性化的理論基礎

簾線鋼中夾雜物的主要來源為內生脫氧產物和外生耐材剝落物以及卷渣產物。而夾雜物的塑性化控制基本思想是優化內生夾雜物成分降低其熔點，在軋制溫度下隨著夾雜物熔點的降低，變形能力越來越好。研究表明[5]，當夾雜物熔點低于1 400 ℃時，夾雜物的變形能力和同溫度下鋼的變形能力接近，即夾雜物實現塑性化。

目前簾線鋼主要采用低堿度的酸性渣進行冶煉。鋼中夾雜物主要有兩種：一種是來自于Si、Mn脫氧產物的MnO- SiO2- Al2O3系夾雜物，目標相圖中含15%～25% Al2O3的錳鋁榴石(3MnO·Al2O3·3SiO2)及其周邊為低熔點區，如圖1(a)所示；另一種是來自爐渣反應的CaO- SiO2- Al2O3系夾雜物，目標相圖中鈣斜長石(CaO·Al2O3·2SiO2)與假硅灰石(CaO·SiO2)的共晶區為低熔點區，見圖1(b)。

圖1 (a)MnO- Al2O3- SiO2系和(b)CaO- Al2O3- SiO2系塑性夾雜物成分范圍[5]Fig.1 Composition range of plastic slag inclusion of (a) MnO- Al2O3- SiO2 and (b) CaO- Al2O3- SiO2 system[5]

根據Lrunner等的研究結果[6]，夾雜物中Al2O3含量與不變形夾雜物呈指數關系。當夾雜物中Al2O3質量分數為20%時，夾雜物塑性變形能力最好。在工業生產實踐中，簾線鋼夾雜物一般是四元、五元復合夾雜物，因此，夾雜物塑性化控制并不容易。

2 生產過程工藝參數控制及優化

2.1 生產工藝路線

LX72A簾線鋼的冶煉工藝流程為：KR鐵水預處理→120 t頂底復吹轉爐→LF精煉爐→160 mm×160 mm小方坯連鑄機(10機10流) →高速線材軋制。表1為LX72A簾線鋼的目標化學成分。

表1 LX72A簾線鋼的目標化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of LX72A tire cold steel (mass fraction) %

2.2 轉爐工藝參數控制及優化

轉爐出鋼終點的[C]、[P]和[Ti]含量對鋼水純凈度和夾雜物有著至關重要的影響。提高終點出鋼[C]含量，降低鋼水氧含量，可減少夾雜物來源；降低終點[P]，能夠避免P偏析導致盤條拉拔分層斷裂；降低[Ti]含量，能夠抑制鑄坯凝固過程中析出TiN(C)高硬質不變形夾雜物。對于簾線鋼來說，TiN類夾雜物對盤條的拉拔和絞線過程危害最大。轉爐具體工藝控制優化措施如下：

(1)為控制Ti夾雜，生產前對鐵水Ti含量進行檢測，用Ti含量低的鐵水生產，一般要求鐵水w([Ti])≤0.05%；禁止使用含Ti的廢鋼冶煉簾線鋼。

(2)保證鐵水中的[Si]含量，要求w([Si])=0.25%～0.60%，穩定轉爐高拉碳終點控制，出鋼w([C])≥0.12%。

(3)轉爐采用“雙渣留渣”脫P、脫Ti技術，要求終點出鋼w(P)≤0.008%，w(Ti)≤0.001%。

(4)為最大程度降低Al2O3等不變形脆性夾雜物的數量，在合金化過程不得使用含鋁的脫氧劑，而采用低鋁硅鐵和金屬錳合金脫氧，高純硅預脫氧，把鋼中Als的質量分數控制在0.001%以下。

(5)出鋼合金加入順序對夾雜物生成影響較大，加料順序依次為低氮增碳劑→高純硅→金屬錳→低鋁硅鐵→頂渣。

(6)嚴格控制精煉到站樣成分：w(C)=0.60%～0.68%、w(Si)=0.10%～0.15%、w(Mn)=0.45%～0.50%。精煉到站成分的精確控制有利于脫氧產物及時上浮，同時能夠促進精煉過程夾雜物的變性。

(7)加強出鋼過程的擋渣操作，采用擋渣球和滑板雙擋渣，且出鋼扒渣。

表2為簾線鋼轉爐工藝參數優化前后爐次的具體數據。從表2中不難看出，加強過程控制要求前，鐵水中[Si]的質量分數偏低為0.08%，轉爐出鋼w([C])<0.10%，w([P])>0.01%；工藝參數調整后，鐵水中的[Si]含量穩定提高，轉爐出鋼能夠實現保溫度高拉[C]、低[P]、低[Ti]出鋼，給后續精煉過程夾雜物的控制提供了有利條件。

表2 工藝參數優化前后簾線鋼入爐鐵水和轉爐出鋼的成分及溫度變化Table 2 Variation of composition and temperature of liquid iron and BOF tapping for tire cold steel before and after process optimization

2.3 精煉渣系優化

簾線鋼精煉過程主要通過設計頂渣堿度和Al2O3含量與鋼水化學反應，再通過鋼水中溶解的活性[Ca]與[Al]等微量元素與夾雜物反應，達到控制夾雜物成分的目的。如果精煉過程渣- 鋼反應能達到熱力學平衡，則夾雜物成分和渣成分一致，但受制于動力學條件，實際工業化生產中熱力學平衡是無法實現的。簾線鋼中渣- 鋼和鋼水- 夾雜物主要有以下3個化學反應。

2MnO(S)+[Si]=SiO2(S)+2[Mn]，

ΔG0=-5 700-34.8T

(1)

2Al2O3(S)+3[Si]=3SiO2(S)+4[Al]，

ΔG0=658 200-107.1T

(2)

2CaO(S)+[Si]=2[Ca]+SiO2(S)，

ΔG0=694 422-75.06T

(3)

簾線鋼要求鋼水純凈度高和夾雜物變形塑性良好，根據夾雜物塑性化理論分析，夾雜物的堿度(CaO/SiO2)要控制在0.6～1.0左右，Al2O3的質量分數在20%左右。本文精煉渣系采用雙渣變性工藝，前期用石灰、電石、螢石造高堿度渣脫氧，后期用石英砂造低堿度渣變性。變渣前后渣系堿度的確定對盤條夾雜物塑性化有較大影響。表3為精煉渣系優化調整前后渣化學成分的對比。從表3可以看出，原工藝變渣前堿度1.9～2.0，變渣后堿度1.0～1.1，工藝調整后變渣前堿度1.5～1.6，變渣后堿度0.9～1.0。

使用掃描電鏡和能譜儀分析鑄坯中夾雜物成分，圖2為精煉渣系調整前后鑄坯中夾雜物在CaO- Al2O3- SiO2相圖上的位置，陰影部分為夾雜物熔點低于1 400 ℃的塑性區。從圖2(a)中可以看出，渣系優化前夾雜物基本都不在塑性區，夾雜物成分離散度大，部分夾雜物Al2O3含量嚴重偏高，其原因為，原渣系堿度高，低SiO2含量促進化學反應式(2)進行，渣中的Al2O3易被還原成[Al]進入鋼水，導致夾雜物中Al2O3含量偏高；圖2(b)為渣系優化后夾雜物成分的檢測結果，可見夾雜物基本都在塑性區，且分布集中。

2.4 中包流場優化

中間包不僅是穩壓、分配鋼液和保證鋼液連續性澆鑄的緩沖容器，還是去除鋼液中非金屬夾雜物、均勻鋼液溫度和保證鑄坯質量的關鍵設備。中間包內的控流元件多孔擋墻的參數設置對中間包內非金屬夾雜物的上浮及均勻鋼液溫度起著至關重要的作用。對于多流連鑄小方坯中間包，若出口溫度及所含夾雜物的大小和數量變化很大，勢必給鑄坯質量控制帶來一定的困難。因此，優化中間包擋墻的設置參數非常重要。

表3 精煉渣系優化調整(質量分數)Table 3 Optimization basicity of refining top slag (mass fraction) %

圖2 精煉渣系優化(a)前、(b)后夾雜物的塑性區Fig.2 Plastic zones of inclusions (a) before and (b) after optimization of refining slag

中天鋼鐵第三煉鋼廠連鑄機為10機10流雙中間包“T”型結構，原擋墻設計主要針對普通鋼種，不能滿足高品質鋼種如簾線鋼的要求。通過與高校合作開展中間包擋墻水模型和數值模擬設計研究，對擋墻的結構進行了優化，由原“V”兩側孔改為“V”型單側4孔擋墻，尺寸位置示意圖如圖3所示。水模擬和數值模擬的結果表明，新擋墻夾雜物去除率由優化前的45.4%提高到78.9%。通過鑄流取樣，在金相顯微鏡下觀察夾雜物的數量和尺寸，結果顯示，擋墻優化前夾雜物尺寸最大48 μm， 采用新擋墻后，夾雜物尺寸基本都小于20 μm，說明擋墻優化后去除夾雜物效果明顯。

3 盤條夾雜物檢測結果分析

圖3 中包擋墻優化(a)前、(b)后的形狀示意圖Fig.3 Schematic diagrams of tundish wall (a) before and (b) after optimization

簾線鋼夾雜物的檢驗非常嚴格，下游客戶一般要求每個爐次取12根盤條樣，檢測縱截面不變形夾雜物(長寬比小于3)最大寬度、橫截面夾雜物最大寬度和Ti夾雜物數量及尺寸。圖4為簾線鋼工藝參數優化前后盤條夾雜物的形貌?？梢妰灮皧A雜物為串狀不變形顆粒；優化后夾雜物為塑性良好的長條狀，且寬度小于5 μm。

圖4 工藝優化(a、b)前、(c、d)后盤條夾雜物形貌的變化Fig.4 Variation of morphology of inclusions (a,b) before and (c,d) after process optimization

表4為根據ASTM標準對盤條B類不變形夾雜物的評級結果?？梢钥闯觯に噮祪灮?，B類夾雜物平均級別為0.58～0.79，最大級別2.5級，≤1.0級合格率為41.7%～75%，滿足一般簾線鋼的使用要求；工藝參數優化后，B類夾雜物平均級別為0.17～0.21，最大級別小于1.0級，≤1.0級合格率100%。說明工藝參數優化后，夾雜物的尺寸明顯細化。

表4 盤條夾雜物ASTM標準評級結果(B類不變形夾雜物)Table 4 Results of rating wire inclusions (B type non-deformation inclusion) according to ASTM standard

4 結論

(1)通過穩定轉爐鐵水成分中的[Si]、[P]和[Ti]含量，加入清潔廢鋼，使用低鋁低鈦合金和脫氧劑，冶煉時采用“雙渣留渣”和高拉碳技術，終點出鋼可滿足w([C])≥0.12%、w([P])≤0.008%、w([Ti])≤0.005%的要求，并有效減少脫氧產物和Ti夾雜物數量。

(2)采用雙渣工藝精煉，變渣前堿度由1.9～2.0調整到1.5～1.6，變渣后堿度由1.0～1.1調整到0.9～1.0，夾雜物在CaO- Al2O3- SiO2相圖的位置可由偏離塑性區的離散分布轉變為集中分布在熔點低于1 400 ℃的塑性區。

(3)優化10機10流中間包擋墻結構，提高大顆粒夾雜物去除率，能使鑄坯中夾雜物尺寸由優化前的最大48 μm降低到20 μm以內。

[1] MINAMIDA T，HIRAGA N，SHIBATA T. Developments in steel cord wire rods[J]. Kobe Steel Engineering Reports,2000,50(3):31- 35.

[2] 趙中福，余新河，洪軍，等. 簾線鋼中非金屬夾雜物控制技術研究[J]. 煉鋼，2009，44(3)：40- 44.

[3] 劉中柱，蔡開科. 純凈鋼生產技術[J]. 鋼鐵，2000，35(2)：64- 69.

[4] 沈奎，廖舒綸，于學森,等.減少簾線鋼改判率的工藝實踐[J].上海金屬，2015，37(3)：66- 70.

[5] BERNARD G, RIBOUND P V, URBAIN G. Oxide inclusions plasticity[J]. La Revue de Metallurgies- CIT,1981,78(5):421- 433.

[6] RUNNER D L, MAEDA S,GALE J P, et al. Start- up of Tire Cord through USS/KOBE's Billet Caster[C]// Steelmaking Conference Proceeding. Toronto, 1998,81:129- 136.

收修改稿日期：2017- 01- 18

OptimizationPracticeofInclusionControlforLX72ATireColdSteel

Gui Zhonglin Wang Haiyang Teng Lihong
(Zenith Steel Technology Center, Changzhou Jiangsu 213000, China)

Combined with the practical production situation of LX72A tire cold steel in No.3 Steelmaking Plant of Zenith Steel Group Co., Ltd, through controlling of silicon and titanium contents in the liquid iron, practicing double slag and slag- remaining technology, the requirements of tapping withw([C])≥0.12%,w([P])≤0.008% andw([Ti])≤0.005% for converter was achieved, thus reducing the amount of deoxidation products and Ti- inclusion. The size of inclusion in billet was decreased from 48 μm to 20 μm by adjusting the basicity of refining slag and optimizing tundish fluid flow, so the chemical composition of inclusion in wire rod could reach the plastic control target of CaO- Al2O3- SiO2phase diagram.

tire cold steel，inclusion，refining slag，fluid flow in tundish

桂仲林，男，從事連鑄工藝方面的研究，Email:gui_zhong_lin@163.com