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、热轧线材的组织及外表质量、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

外表质量

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φ0.15～0.38mm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,形成了比拟成熟的工艺。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±（0.01％～0.02％））、钢的洁净度高（如T[O]≤20×10-6，[A1]T≤3×10-6，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、外表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到达批量制作φ0.20mm以上规格钢帘线的质量要求。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,尚未到达制作φ0.20mm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。

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,否那么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，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。研究结果说明,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，国外高品质帘线用钢的全氧含量一般都控制在20×10-6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.Malkiewczh和S.Rudink提出了夹杂物变形指数（υ）公式：

υ=εi/εs

式中：εi——热加工状态下夹杂物的伸长率；

εs——热加工状态下钢基体的伸长率。

υ的取值为0～1。当υ=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υ=1时，说明夹杂物与基体变形率一致，能够做到良好结合；当υ=0～0.5时，容易产生间隙鱼尾形裂纹。此外。S.Rudink的研究说明，硫化物夹杂的变形率υ≈1，而钙铝酸盐、Al203和TiN等夹杂物在钢材加热温度下υ≈0，属脆性夹杂物，对钢质的危害较大。

由于生产钢帘线的过程是将φ5.5

mm的盘条拉拔成φ0.15～0.38mm的单丝,此过程使线材长度增加1000～1400倍，截面积缩小至原来的0.08％,已经接近拉拔工艺的极限。而后还要经过高速双捻机合股成绳,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，同时防止产生大颗粒脆性及不变形夹杂物。

1.5

盘条组织及外表质量

钢帘线用盘条必须具备适应帘线加工过程的组织形态,即控制索氏体率到达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，盘条外表任何直观可见的外部缺陷都会随着拉拔加工深度的开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、低倍缺陷和外表脱碳层等也有比拟严格的要求。如φ5.5mm盘条的要求为：直径偏差为±（0.15～0.30）mm（平均为±0.20mm）、脱碳层厚度小于0.10mm、氧化铁皮含量低于0.6％等。

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；

（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10μm，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5μm；

（3）复合夹杂物中A1203的含量不大于50％；

2.1.2

理想夹杂物形态

图1为MnO-A1203-Si02系相图，图2为CaO-A1203-Si02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-Si02系（来自脱氧产物）和CaO-A1203-Si02系（来自炉渣），对于MnO-A1203-Si02系，理想的夹杂物应该是锰铝榴石（3MnO·A1203·3Si02）及其周围低熔点区域物质；对于CaO-A1203-Si02系，理想的夹杂物是钙斜长石（CaO·A1203·2Si02）与假硅灰石（CaO·SiO2）相邻的周边低熔点区域，即图l和图2中的阴影局部,其以上区域夹杂物的熔点较低（小于或等于1500℃），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-Si02系塑性夹杂物区域

图2

CaO-A1203-Si02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-A1203-Si02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A1203含量在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3×10-6～6×10-6。

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、（A1203）含量不大于20％时可以保证[A1]含量不大于10×10-6。

2.2

夹杂物形态控制措施

2.2.1

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。其反响式和计算式如下：

2MnO（s）+[Si]=Si02（s）-4-2[Mn]

（1）

△Go=5700-34.8

T

2/3A1203（s）+[Si]=Si02（s）+4/3[A1]（2）

△Go=219400-35.7

T

式中：T—钢液温度，K。

据文献报道，根据MnO·A1203·Si02三元活度计算，1600℃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·A1203·SiO2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

精炼采用低碱度和低A1203合成渣

当钢渣间到达热力学平衡时。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到达的,只能在局部到达钢与夹杂物间及渣与钢间的准平衡状态。

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SiO2含量分别为47％和5l％）渣系作为顶渣来进行帘线用钢的精炼，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·A1203·3SiO2）夹杂物转变成含钙长石（CaO·A1203·2SiO2）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（46％CAO-2％A1203-47％SiO2-5％CaF2），川崎和神户制钢那么采用CaO、A1203、和Si02含量分别为45％，10％，45％的精炼渣，国内某钢厂采用CaO、A1203、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。

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。那么连铸坯内柱状晶兴旺，易产生中心疏松、缩孔和内裂；而采用较低的过热度浇注（△t≤25℃）

除使连铸坯中心消除过热后完全凝固，缩短柱状晶区长度和开展等轴晶区，还使坯心成分均匀,防止中心偏析、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适宜的拉速;

（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,不管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，到达降低偏析的目的。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，或补充缺乏，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存在其原来的位置,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。

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、中心偏析及外表质量；

（2）采用Si-Mn终脱氧及低碱度钙硅石顶渣精炼可以有效控制帘线钢夹杂物形态；

（3）对Si-Mn脱氧帘线钢而言，夹杂物主要为MnO-A1203-SiO2系（来自脱氧产物）和CaO-A1203-SiO2系（来自炉渣），对于MnO-A1203-SiO2系，理想的夹杂物应该是锰铝榴石（3MnO·A1203·3SiO2）及其周围的低熔点区域；对于CaO-A1203-SiO2系，理想的夹杂物是钙斜长石（CaO·A1203·2Si02）与假硅灰石（CaO·Si02）相邻的周边低熔点区域：

（4）通过减少易偏析元素含量、采用低过热度浇铸及合理的拉速、应用电磁搅拌及轻压下技术,可以有效控制偏析程度。