簾線鋼氮化鈦夾雜的控制實踐

李泊 ，李冰 ，王爽 ，陶功捷 ，馬超

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團招標有限公司，遼寧 鞍山 114033）

簾線鋼能大大提高橡膠制品的強度和彈性，被廣泛應用于汽車輪胎及傳輸皮帶等工業領域。簾線鋼每提高一個等級，汽車輪胎就相應減重10%[1]。國內外鋼企都把高等級簾線鋼盤條的開發作為首要研究課題，日本神戶制鋼的超高強簾線鋼涵蓋 90、92 和 97 級別[2]；韓國浦項制鋼和日本新日鐵公司，92級別簾線鋼已經實現工業化生產；中國寶鋼成功試制出92和96級別簾線鋼[3]。

鞍鋼于2010年試制成功92級簾線鋼[4]，但是氮化鈦夾雜控制不穩定，嚴重影響簾線鋼的產品質量，簾線鋼氮化鈦夾雜罰分平均高達32.5。陳書浩等人的研究結果表明[5]，降低TiN夾雜的根本措施就是降低簾線鋼冶煉過程中的鈦、氮含量。為此，在對氮化鈦形成機理及簾線鋼中鈦夾雜評價方法闡述的基礎上，介紹了簾線鋼中Ti和N元素的控制現狀，分析了TiN偏高的原因，提出了相應的控氮、控鈦解決措施。

1 TiN析出的條件

鋼液凝固后，由于各溶質元素的偏析行為，當凝固前沿Ti和N的實際活度積達到凝固前沿溫度下的平衡活度積時，就會按式（1）析出 TiN夾雜[6]。

實際鋼水凝固過程中，存在碳偏析現象。在簾線鋼凝固過程首先形成奧氏體，式（2）用于計算碳元素在固相和液相的再分布情況[7]，碳元素的再分布影響固相和液相的界面溫度，溫度的變化對氮化鈦的析出有一定的影響。

根據郭大勇[8]等人的研究，隨著鋼液溫度的降低，TiN所需的平衡濃度積下降。這表明，在氮、鈦含量一定的條件下，TiN夾雜易于在較低的溫度條件下形成。同時，研究表明簾線鋼鋼中碳含量的差異對同一溫度條件下的TiN的平衡濃度積影響不大，TiN的平衡濃度積只與溫度有關。

2 簾線鋼中鈦夾雜的危害及評價標準

簾線鋼在加工過程中，需要從直徑5.5 mm左右的線材快速拉拔至單絲直徑0.15～0.35 mm的鋼絲，還要經受扭轉、彎曲、拉伸等一系列變形。所以，簾線鋼對夾雜物的控制要求極嚴，其中鈦夾雜的控制是業界公認的難題。鈦夾雜即TiN或Ti（C,N）夾雜，多為棱角狀，在顯微鏡下呈桔紅到粉紅色，硬度高，屬不變形夾雜[9]。生產經驗表明，鈦夾雜對后續的拉拔捻股會造成斷絲、分層和惡化疲勞性能，80級以上簾線鋼的生產尤其嚴重。

國家標準GB/T27691-2011僅對簾線鋼盤條鈦夾雜的最大尺寸提出了要求，如LX70A和LX80A盤條中鈦夾雜尺寸不大于10 μm，LX70B和LX80B盤條中鈦夾雜尺寸不大于5 μm。貝爾卡特簾線鋼公司根據簾線鋼盤條中鈦夾雜的尺寸和數量建立了鈦夾雜罰分體系[10]。

3 生產工藝及成分控制現狀

鞍鋼生產簾線鋼的流程為：鐵水預處理→轉爐煉鋼→LF爐精煉→大方坯連鑄。取樣分析改進前各工序的Ti、N含量見表1。貝爾卡特公司[10]要求鋼中鈦含量不大于0.001 0%，氮含量不大于0.004%。從表1可以看出，簾線鋼中Ti和N的含量偏高。

表1 改進前各工序Ti和N含量 %

通過理論分析得出，在溫度一定的條件下，要控制TiN的含量，就要相應地控制Ti和N的含量，這樣才可破壞TiN在凝固時的析出條件，減少TiN的生成。

4 原因分析及控制措施

4.1 Ti的來源及控制措施

4.1.1 入爐鐵水

生產實踐表明，轉爐終點Ti含量與鐵水Ti含量成正相關關系，即鐵水Ti含量高，轉爐終點的Ti含量也高。尤其當高爐使用一些含Ti礦進行護爐操作時，鐵水的Ti含量一般控制在0.10%～0.20%，這種條件不適合生產簾線鋼。所以采取了選鐵冶煉，減少入爐鐵水鈦含量。

4.1.2 合金和鋼包

Ti的另一個來源是合金和鋼包的帶入。在加入的合金中，Ti屬于殘余元素。采用了簾線鋼專用合金和專業鋼包，加強對合金中Ti含量的控制。

4.1.3 轉爐下渣

Ti在轉爐中氧化進入渣中，出鋼時隨爐渣倒出，所以在出鋼時需嚴格控制下渣量，出鋼后進行鋼水扒渣操作，避免回鈦。

4.2 氮的來源及控制措施

4.2.1 轉爐

生產簾線鋼時，如果磷含量未達到內控目標，就要進行兩次甚至多次點吹。由于轉爐點吹會使平靜的熔池出現大幅波動，鋼水和空氣接觸的面積增大，增加了鋼水增氮的幾率。因此，針對不同級別的簾線鋼，對鐵水溫度和Si、P、S等元素進行嚴格控制，在保證終點磷含量合格的情況下，在一定的高碳范圍內一次拉碳點吹操作。

同時，選擇低氮合金可以有效減少氮元素入爐。簾線鋼出鋼過程要加入大量的增碳劑，普通增碳劑較輕，氮含量大于0.3%，加入后需要大氬氣攪拌，增碳劑自身的氮和攪拌的增氮使鋼水氮含量增高。因此，簾線鋼生產中應選擇低氮增碳劑。

此外，出鋼時間長或出鋼口形狀不規則，會造成出鋼過程散流，導致鋼液吸氮。試驗后確定轉爐出鋼時間為5 min左右。

4.2.2 LF爐

LF爐在處理簾線鋼時，加熱、合金微調和氬氣攪拌等操作不當都能使鋼液增氮。首先要保證入爐鋼水溫度和成分的合格率。同時，在LF處理的首次加熱時，要加入電石對頂渣進行處理，通過CaC2與氧反應生成氣體達到發泡效果，減少因在電弧的高溫區電離產生的氮氣進入鋼液。每次測溫前和配碳后，可進行短時間的大氬氣攪拌，攪拌時間不得大于1 min。如無特殊需要，其余操作均采取小氬氣量。

由于氧是表面活性物質，可占據鋼水的自由表面，適當提高氧含量可減少增氮，既滿足了合金的收得率，又滿足低增氮的要求。簾線鋼生產采取單LF爐的供鋼方式，縮短LF爐處理時間，緊湊生產節奏，減少空氣與鋼水的直接接觸機會，可以有效降低LF爐處理過程中的增氮量。

4.2.3 機前

連鑄長水口密封效果差是造成簾線鋼鋼水增氮的主要原因。試驗后確定長水口氬氣開口度選擇30%～40%。

中包覆蓋劑要求使用鎂質預熔覆蓋劑，保證中包液面完全被覆蓋。要求每罐鋼換罐后，在澆鑄孔、流間及時加入覆蓋劑，澆注過程根據液面波動情況適當補加覆蓋劑。

5 取得的效果

5.1 降低Ti含量

通過采取控鈦措施，中間包的鋼水Ti含量可穩定的控制在0.001 0%以下，改進效果達到40%左右。各工序Ti含量的改進效果如圖1所示。圖中改進效果=減少的Ti含量/改進前的Ti含量。

5.2 降低N含量

LF爐采取控氮措施后，LF爐處理過程的增氮量小于 0.001 0%，LF出站鋼水 N含量小于0.003 5%。機前采取控氮措施后，機前增氮量小于0.000 5%。最終成品N含量小于0.004 0%，改進效果達到35%左右。各工序N含量的改進效果如圖2所示。圖中改進效果=減少的N含量/改進前的N含量。

圖1 各工序Ti含量的改進效果

圖2 各工序N含量的改進效果

采取控Ti、N措施后，簾線鋼成品Ti、N含量顯著降低，降低了夾雜物生成幾率，Ti夾雜罰分顯著降低，由改進前的32.5降低到14.8，簾線鋼實物質量得到顯著提高。

6 結語

理論分析認為，溫度一定的條件下，控制Ti和N的含量，才能破壞TiN在凝固時的析出條件，減少TiN夾雜的生成。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠優化選擇了簾線鋼冶煉所用鐵水、合金和鋼包，轉爐采用高拉碳一次點吹和低氮增碳劑，LF采取造泡沫渣和鋼水弱脫氧工藝，機前長水口吹氬開口度選擇30%～40%。結果簾線鋼中間包鋼水Ti含量控制在0.001 0%以下，最終成品N含量小于0.004 0%，簾線鋼TiN夾雜罰分由平均32.5降低到14.8，簾線鋼實物質量得到顯著提高。