趙定國，董福勝，曾鳴，王書桓

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009)

高碳硬線鋼性能優(yōu)良，廣泛用于加工低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線、輪胎鋼絲及鋼簾線、中高強(qiáng)度的緊固件等［1～3］。鋼水潔凈度直接影響高碳硬線鋼的鑄坯質(zhì)量，鋼水中夾雜物的產(chǎn)生和分布與最終鋼的加工性能存在較大關(guān)系。研究表明，通過控制鋼液中的Al、Ca、O量可以對夾雜物成分進(jìn)行控制，本文在研究高碳硬線生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對轉(zhuǎn)爐-精煉-連鑄過程中氧含量控制措施和夾雜物的去除進(jìn)行了實(shí)踐檢驗(yàn)和分析。

1 65鋼夾雜物分析

65鋼主要化學(xué)成分為C、Mn、Si及微量元素，如表1所示，150方鑄坯生產(chǎn)線可開發(fā)和生產(chǎn)高質(zhì)量、高附加值的硬線盤條，冶煉工藝流程為100t轉(zhuǎn)爐→LF爐精煉→喂Si-Ca線→軟攪拌→150 mm×150 mm斷面小方坯連鑄。

表1 65鋼化學(xué)成分

但生產(chǎn)過程中，65鋼的冶煉存在一些質(zhì)量波動，其中夾雜物對鋼材性能有較大影響。

鋼中夾雜物主要分為內(nèi)生夾雜和外生夾雜。內(nèi)生夾雜是鋼中析出的脫氧產(chǎn)物，尺寸一般＜20μm。外生夾雜來自爐襯(鋼包、中包等)耐材的剝落，以及保護(hù)渣、覆蓋劑、爐渣等輔料的卷入，其尺寸一般＞50μm，甚至幾百微米。內(nèi)生夾雜無法根除，只能采取適當(dāng)措施減少以及改善其形態(tài);外生夾雜因尺寸大危害大，應(yīng)設(shè)法杜絕［4-6］。高碳硬線鋼中顯微夾雜主要有4類，包括塊狀和簇群狀A(yù)l2O3夾雜、球形和條塊形硅酸鹽夾雜、鈣鋁酸鹽夾雜和硫化物復(fù)合夾雜(分為塊狀CaS夾雜和CaO·Al2O3·CaS復(fù)合夾雜)。

鋁脫氧生成的Al2O3夾雜物主要為簇群狀和塊狀。堅硬的Al2O3類夾雜物軋制過程不變形，外形呈尖角、塊或鏈串狀。對高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線等硬線制品，均要求對鋼中Al2O3類夾雜物進(jìn)行嚴(yán)格控制。如果高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線等鋼種采用鋁脫氧工藝，在隨后的爐外精煉過程中必須采用高堿度和高還原性爐渣精煉。當(dāng)高堿度和高還原性爐渣形成后，由于渣鋼間的氧勢很低，渣中CaO、MgO會被還原。部分Ca和Mg進(jìn)入鋼液中，生成CaO和MgO，并與鋼液中存在的Al2O3作用，將簇群狀和塊狀A(yù)l2O3夾雜物轉(zhuǎn)化為液態(tài)鈣鋁酸鹽類夾雜物。液態(tài)夾雜物更容易聚合和長大，也有利于上浮去除，部分滯留在鋼中的該類夾雜物呈球狀［7～9］。此類夾雜物由于尺寸小且呈球狀，即便是不變形夾雜物，其對高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線等硬線制品的抗疲勞性能也無大的影響。

2 實(shí)踐結(jié)果及分析

2.1 取樣條件及鋼樣成分

高碳鋼冶煉的基本原則是按照優(yōu)化設(shè)計的成分來控制微合金化，基本工藝路線是轉(zhuǎn)爐控制碳、低磷和低氧，擋渣出鋼并爐渣改質(zhì)，鋼包爐精煉后供連鑄?，F(xiàn)場取2爐試樣進(jìn)行檢測，鋼樣化學(xué)成分見表2。

表2 鋼樣的化學(xué)成分

2.2 顯微夾雜物的數(shù)量和尺寸變化

采用掃描電鏡觀察了鋼樣各工藝階段氧化物的形貌，如圖1～圖4所示，夾雜成分和類型見表3。

表3 不同工藝階段氧化物夾雜成分和類型

結(jié)果表明，轉(zhuǎn)爐出鋼試樣中氧化物夾雜主要以FeO·CaO·SiO2、Al2O3·CaO·SiO2和SiO2·MnO類型存在。喂線前的試樣中氧化物夾雜主要有兩種類型，即CaO·SiO2·Al2O3(精煉渣與鋼液反應(yīng)生成的復(fù)合夾雜物)和SiO2·MnO·Al2O3(脫氧未排除的夾雜物)。中間包鋼樣中的氧化物夾雜主要為 CaO·Al2O3(外包CaS，為鈣處理產(chǎn)物)、MnO·SiO2·FeO和MnO·Al2O3·FeO型，后兩種類型夾雜物的出現(xiàn)說明從鋼包到中間包澆注過程中存在二次氧化。盤條中的氧化物夾雜類型主要為CaO·Al2O3型(鈣處理產(chǎn)物)，另外還出現(xiàn)CaO·CaS·MnS的復(fù)合夾雜物。

在中間包鋼樣中的夾雜物尺寸普遍較大，出現(xiàn)了35μm的鈣處理產(chǎn)物CaO·Al2O3，說明鈣處理夾雜物在中間包聚集長大上浮到鋼液上部。在盤條中發(fā)現(xiàn)有21μm鈣處理產(chǎn)物CaO·Al2O3和長度45μm的CaO·CaS·MnS復(fù)合夾雜物，說明有待進(jìn)一步加強(qiáng)鈣處理后的夾雜物去除。由鈣處理產(chǎn)物CaO·Al2O3夾雜的成分來看，夾雜物中CaO含量少，說明鈣處理效果不好(Si-Ca線喂入量不夠或Ca的收得率不高)，未生成易于上浮排除的低熔點(diǎn)12CaO·7Al2O3。

3 夾雜物控制的工藝措施

通過生產(chǎn)65鋼的實(shí)踐分析和研究，提出了夾雜物的控制措施。

1)在較高碳含量的條件下出鋼，向鋼包內(nèi)加入復(fù)合脫氧劑、合成渣等，在出鋼時鋼水的沖擊作用下脫除鋼中的氧。各合金要求粒度合適，符合標(biāo)準(zhǔn)。增碳劑可在出鋼前加入鋼包底，出鋼1/3時開始加入錳硅合金、高碳錳鐵、硅鈣鋇。

2)LF爐精煉時，采用低熔點(diǎn)、低氧化性和較好的流動性的CaO-SiO2-Al2O3-CaF2精煉渣。精煉后采用吹A(chǔ)r軟攪拌，促進(jìn)夾雜物聚集長大并上浮，控制合理的攪拌強(qiáng)度。吹氬壓力控制在0.3～0.4MPa，要經(jīng)常觀察調(diào)整，以不裸露鋼水面為準(zhǔn)。當(dāng)鋼水需增碳時，適當(dāng)增大氬氣壓力，以裸露鋼水面直徑＞300mm為宜;增碳結(jié)束后壓力恢復(fù)到 0.3 ～0.4MPa。

3)采用較大容量的中間包，控制大的中包內(nèi)鋼水深度，合理的中間包擋墻結(jié)構(gòu)和合適的中包覆蓋劑均有利于鋼水中夾雜物的上浮排除。采用中間包鎂質(zhì)工作層，鋼水的過熱度控制在20～35℃。

4)采用長水口和浸入式水口保護(hù)澆注，并加強(qiáng)密封，防止鋼水二次氧化。連鑄采用恒拉速澆注，避免結(jié)晶器液面波動和卷渣，并且結(jié)晶器保護(hù)渣要勤加、少加。

通過采用以上工藝優(yōu)化措施，65鋼中夾雜物減少，提高了冶煉鋼水的潔凈度，生產(chǎn)的盤條質(zhì)量成品率也大大提高。

4 結(jié)論

1)冶煉65鋼過程中，產(chǎn)生的氧化物夾雜影響鋼水和鋼材的質(zhì)量。轉(zhuǎn)爐出鋼試樣中氧化物夾雜主要為FeO·CaO·SiO2、Al2O3·CaO·SiO2和SiO2·MnO型。喂線前試樣中氧化物夾雜主要有CaO·SiO2·Al2O3和SiO2·MnO·Al2O3。中間包鋼樣中的氧化物夾雜主要為 CaO·Al2O3、MnO·SiO2·FeO和MnO·Al2O3·FeO型。盤條中的氧化物夾雜類型主要為CaO·Al2O3型和CaO·CaS·MnS復(fù)合夾雜物。

2)在中間包鋼樣中的夾雜物尺寸普遍較大，出現(xiàn)了35μm的鈣處理產(chǎn)物CaO·Al2O3。在盤條中發(fā)現(xiàn)有21μm鈣處理產(chǎn)物CaO·Al2O3和長度45μm的CaO·CaS·MnS的復(fù)合夾雜物。

3)提出了改善65高碳硬線鋼夾雜物的工藝措施，主要為采用成分和性能合適的原料，提高轉(zhuǎn)爐、精煉和連鑄的操作水平，改善各工序影響鋼中夾雜物的冶煉條件。

［1］ 張朝磊，劉雅政，周樂育，等.熱軋材冷拉過程65鋼硬線斷裂分析［J］.特殊鋼，2012，33(1):63-65.

［2］ Henri R Gaye.The Making，Shaping and Treating of Steel(Chapter 3 of Casting Volume).The AISE Steel Foundation，Pittsburgh，2003:112-115.

［3］ 陳書浩，何肖飛，姜敏，等.簾線鋼冶煉過程夾雜物轉(zhuǎn)變的控制［J］.特殊鋼，2012，33(1):47-51.

［4］ 薛正良，于學(xué)斌.鋼簾線用高碳鋼(82B)氧化物夾雜控制熱力學(xué)［J］.煉鋼，2002，18(2):31-34.

［5］ 柴國強(qiáng)，王福明，李長榮.硬線鋼Al2O3-SiO2-MgO-CaO-MnO系夾雜物低熔點(diǎn)區(qū)域控制［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2009，31(S1):146-149.

［6］ 王金平，蔣旭.高碳鋼連鑄鋼液過熱度的控制［J］.武鋼技術(shù)，2007，(04):15-17.

［7］ G.Bernard，P.V.Ribound.Oxideinclusions plasticity.La Revue de Metallurgy-CIT，1981，78(5):421-433.

［8］ 張愛民.連鑄坯中夾雜物的行為研究.鋼鐵，2001，36(11):7-9.

［9］ 顧克井，魏軍，蔡開科，等.72A鋼非金屬夾雜物行為［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2003，25(1):26-29.