一种帘线钢LX72A非金属夹杂物控制的方法与流程

本发明涉及钢帘线盘条领域，具体为一种帘线钢LX72A非金属夹杂物控制的方法。
背景技术：
：钢帘线主要用于轮胎子午线增强用骨架，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。根据轮胎产品性能的发展需求和钢帘线生产企业的需求，帘线钢向着高强、超高强发展，帘线钢每提高一个等级，汽车轮胎就可相应减重10％。在生产帘线过程中，要将Φ5.5mm盘条拉拔成Φ0.15mm的细丝，线材长度增至原来的1345倍，截面积缩至0.07％，接近拉拔工艺的极限，之后还要经过高速双捻机合股成绳,要求断丝率极低。较大颗粒夹杂物的存在，尤其是变形性较差的脆性夹杂物是产生断丝的主要原因。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，裂纹源延钢基体扩展，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。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种帘线钢LX72A非金属夹杂物控制的方法，严格控制夹杂物的数量及形态，使夹杂物总量减少，同时避免产生大颗粒脆性及不变形夹杂物。本发明的技术方案是：一种帘线钢LX72A非金属夹杂物控制的方法，工艺流程为：混铁炉→铁水预处理，脱S、扒渣→120吨顶底复吹转炉→钢包底吹氩→LF炉精炼→150mm×150mm方坯连铸；其中，(1)转炉采用高拉碳工艺，终点碳含量0.45～0.55wt％，终点磷含量0.010～ 0.016wt％，转炉终点温度1620～1640℃；(2)渣中CaO的控制，ω(CaO)＝40～50wt％，终渣碱度R≥2.8；(3)LF炉精炼的“白渣”操作，保持渣中ω(FeO)降到1.0wt％以下，形成强还原性气氛；(4)在精炼LF炉处理结束后，对钢水进行软吹氩处理。所述的帘线钢LX72A非金属夹杂物控制的方法，渣中CaO的控制中，终渣碱度R＝2.9～3.2。所述的帘线钢LX72A非金属夹杂物控制的方法，渣中FeO的控制：ω(FeO)＝14～18wt％，ω(CaO)/ω(FeO)＝2.5～3.0；渣中Al2O3的控制：ω(Al2O3)＝18～22wt％。所述的帘线钢LX72A非金属夹杂物控制的方法，LF炉精炼的“白渣”操作过程如下：(1)挡渣出钢，控制钢包内渣量厚度不大于50mm；(2)在白渣形成后，对炉渣进行改质，通过加入石英砂，来提高渣中ω(SiO2)含量，降低炉渣碱度，使其碱度控制在0.8～1.2；(3)控制LF炉内气氛为还原性气氛；(4)底吹氩搅拌。所述的帘线钢LX72A非金属夹杂物控制的方法，软吹氩气流量控制在80～110L/min，吹氩10～15min。本发明的优点及有益效果是：1、本发明采用混铁炉→铁水预处理(脱S、扒渣)→120吨顶底复吹转炉(副枪)→钢包底吹氩→LF炉精炼→150mm×150mm方坯连铸的工艺路线生产帘线钢LX72A是可行的。2、本发明帘线钢LX72A属高碳钢，开发了转炉吹炼终点“高碳低磷”控制技术，转炉吹炼终点得到有效控制，C、P、T均能满足质量、工艺要求。3、本发明优化了LF精炼造“白渣”工艺和“软吹氩”工艺，使得夹杂物处在钙斜长石和假硅灰石相邻周边低熔点区域。保证了夹杂物的尺寸、形态，更有利于夹杂物的充分上浮，提高了钢水的纯净度。附图说明图1为夹杂物碰撞长大图。图2为CaO-Al2O3-SiO2系三元相图。图3为终点碳与温度影响关系图。图4为渣中ω(CaO)与磷的分配比的关系。具体实施方式在具体实施过程中，本发明帘线钢LX72A的生产工艺流程为：混铁炉→铁水预处理(脱S、扒渣)→120吨顶底复吹转炉(副枪)→钢包底吹氩→LF炉精炼→150mm×150mm方坯连铸。(一)夹杂物控制理论依据1、转炉吹炼终点“高碳低磷”控制理论分析LX72A是碳含量高、磷硫含量低的钢种，其生产工艺与传统产品存在一定差异，对冶炼钢水的纯净度要求更高，对冶炼工艺要求更加苛刻。转炉冶炼帘线钢的主要困难是：首先，吹炼终点碳高，吹炼时间短，吹炼终点正处于降碳速度较快的阶段，不利于化渣、脱磷和终点控制；其次，冶炼帘线钢时，“拉碳”时间短，将影响终点温度。而转炉吹炼终点要求的钢水温度很高，当终点碳高时，钢水的温度不易达到目标值，补吹提温又保不了碳含量。低温有利于脱磷，即使在较低的炉渣碱度和较低渣中T.Fe条件下，采用小渣量也可以保证较好的脱磷效果。在1350℃下，渣-钢间磷的分配比700；而在高温条件下(1660℃)，即使提高了渣中T.Fe和炉渣碱度(有利于脱磷)，对应的磷分配比仅为97(不足低温条件下分配系数的1/7)。因此，造成两种工况下对应的理论渣量差别也很大。由此看出，复吹转炉吹炼过程脱磷的最佳时机在吹炼前期，而前期脱磷的效果主要取决于熔池的动力学条件：(1)熔池内有足够强的搅拌动能，促进钢-渣间的平衡；(2)保证一定的脱磷时间。2、脱氧产物上浮基本理论图1为实验过程中拍摄到的夹杂物碰撞长大图。控制钢中夹杂物，一是要从源头上减少夹杂物的产生和外来夹杂的进入，二是要在处理过程中使夹杂物变性， 通过热力学和动力学条件使其充分上浮、排除钢液。脱氧产物迅速上浮排除基于以下理论：(1)低熔点理论。此理论认为，在脱氧过程中只有形成液态脱氧产物，才容易由细小颗粒碰撞合并、聚集、粘附而长大上浮，也只有液态脱氧产物呈球形，其上浮速度将随下列因素而加快，如颗粒度的增大、钢水黏度的减小、钢水与脱氧产物密度差的增大等。(2)吸附理论。实际上有些钢种，大量的用单一元素脱氧，尽管形成了许多细小、高熔点脱氧产物，最终成品钢中的夹杂物含量并不高，钢质量也很好。所以，吸附理论认为，上述低熔点理论不够全面，没有考虑到夹杂物与钢水之间的相互作用。脱氧产物的颗粒细小，但其比表面积很大，也可以从钢水中排除。3、帘线钢中夹杂物形态控制研究关于帘线钢中夹杂物形态及成分的控制，国内外专家研究表明：当采用Si-Mn脱氧时，夹杂物主要是MnO-Al2O3-SiO2系(来自脱氧产物)和CaO-Al2O3-SiO2系(来自炉渣)。对于MnO-Al2O3-SiO2系，理想的夹杂应该是锰铝榴石(3MnO-Al2O3-3SiO2)及其周边的低熔点区域；对于CaO-Al2O3-SiO2系，理想的夹杂物是钙斜长石(CaO-Al2O3-2SiO2)与假灰硅石(CaO·SiO2)相邻的周边低熔点区域，即图2中的阴影部位。以上两个区域夹杂物熔点较低(≤1500℃)，变形性较好，在制作帘线拔丝及合股过程不会断丝。在以上区域内，夹杂物中Al2O3含量均在20wt％左右，根据Al2O3含量与夹杂物不变形指数的关系，Al2O3含量在20wt％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。(二)转炉吹炼终点“高碳低磷”控制技术研究1、废钢加入量对吹炼终点温度的影响(1)钢种碳含量对废钢加入量的影响为实现高碳钢转炉终点温度与碳同时命中要求，根据热平衡计算、结合终点碳与温度关系以及大量生产实践的经验(1t废钢冷却效应值12～14℃)，制定转炉废钢加入参考量如表1所示。表1碳钢转炉装入参考量注：铁水加入量作相应调整，总装入量不变(2)转炉吹炼终点碳含量对终点温度的影响转炉吹炼终点碳含量对终点温度的影响如图3示。由图3可见，随着转炉吹炼终点碳含量的提高，对终点温度的影响值降低，呈线性反比关系。计算得出，每提高终点碳含量0.01wt％，终点温度降低1.4℃。(3)废钢加入量对终点温度的影响废钢加入量与终点温度变化情况如表2所示。表2废钢加入量与终点温度变化情况转炉工艺高拉碳工艺高拉碳工艺高拉碳工艺废钢平均加入量/t161111终点平均碳含量wt％0.480.520.54终点平均温度/℃162016381639由表2可见，通过降低废钢加入量，终点温度可提高平均20℃。减轻了LF精炼的升温负担，可以满足LF精炼造渣、脱硫的温度要求。2、渣碱度控制(1)渣中ω(CaO)含量对磷分配比的影响石灰中CaO参与了脱磷反应，所以最终脱磷结果与渣中(CaO)活度有关。图4为渣中ω(CaO)与磷分配比的关系。由图4可见，随着渣中ω(CaO)含量的增加，亦即增加自由CaO(不与酸性氧化物结合)的浓度，有利于磷及其氧化物与(CaO)反应，会使钢中[P]降低。当渣中ω(CaO)为40wt％左右时，磷的分配比达到最大值。但渣中ω(CaO)含量过高时，炉渣变稠，影响脱磷反应动力学条件，反而了阻碍了脱磷反应，磷的分配比随之降低。(2)石灰加入时机及加入量为了保证冶炼高碳钢渣中ω(CaO)含量，达到良好的脱磷效果，提高转炉前期第一批石灰入炉量(即增加约10kg/t)，ω(CaO)含量控制40～50wt％，保证提高前期碱度，促进去磷。同时控制好过程渣，确保终渣碱度R≥2.8(目标：2.9～3.2)。3、渣中(FeO)的控制(1)渣中ω(FeO)含量对磷分配比的影响渣中ω(FeO)对石灰的熔化速度具有决定性的影响，它是石灰熔化的基本熔剂。(FeO)与(CaO)对脱磷反应的影响比较复杂，当ω(FeO)很低时，石灰不能很好熔化，显然不能脱磷。但若ω(FeO)过高，将使CaO活度显著降低，稀释(CaO)的脱磷作用甚至产生严重喷溅。吹炼前期要保持渣中适当高的ω(FeO)，使石灰迅速熔化；吹炼中期渣中ω(FeO)通常不得低于8wt％～9wt％，以避免炉渣“返干”。炉渣中的ω(FeO)和ω(CaO)/ω(FeO)存在一组最佳值：ω(FeO)＝14～18wt％，ω(CaO)/ω(FeO)＝2.5～3.0。在后者过大的情况下，a(FeO)低，石灰熔解困难，在后者过小的情况下，a(CaO)低。(2)矿石加入量的控制吹炼前期要保持渣中适当高的ω(FeO)，使石灰迅速熔化；吹炼中期渣中ω(FeO)通常不得低于8wt％～9wt％，以避免炉渣“返干”。为有效控制渣中ω(FeO)，促进去磷效果，满足低温、高氧化性条件，调整渣料加入时机，即随第一批料适当加入矿石(500～1000kg/炉)，同时在碳氧反应较剧烈时(即吹炼6～9min)，少批量加入矿石(约500kg/批)。吹炼过程渣中ω(FeO)含量平均20wt％，基本可满足脱磷的需要。4、过程温度控制(1)温度控制低温对脱磷有利，仅仅从热力学角度看是正确的，提高熔池温度会使磷的分配比降低，对磷从金属向炉渣的转移不利。但温度升高降低了炉渣的粘度，加速了石灰的熔解，从而有利于磷从金属向炉渣转移。理论研究表明，最有效的脱磷有一个最佳的温度范围(1450～1500℃)。转炉冶炼高碳钢时应视具体情况采用不同的操作制度。铁水温度低(1280℃以下)，要采用低枪位操作以提高熔池温度，加速石灰的熔解，迅速形成初期渣，充分利用前期炉渣FeO高、炉温低的优势，快速脱磷。Si氧化后应提高枪位，同时降低供氧流量，延长冶炼在低温区(1500℃以下)的运行时间，保证去磷效果。为避免熔池快速升温，矿石、青石等要分批错开加入，这样既能保证炉渣活跃，又能避免炉渣返干、回磷。(2)吹炼过程温度变化转炉吹炼“高拉碳”工艺操作时，不仅吹炼前期温度较低，整个吹炼过程的钢水温度较低，平均1585℃，这有利于脱磷反应的进行。5、转炉冶炼终点控制情况转炉冶炼终点C、P、T控制情况如表3所示。表3转炉吹炼终点控制情况项目最高最低平均终点C/wt％0.620.460.52终点P/wt％0.0160.0060.012终点温度/℃164016201630(三)LF精炼渣系及“软吹氩”工艺的研究1、炉外精炼的目的和手段钢水炉外精炼就是将炼钢炉中初炼的钢水移到钢包或其它专用容器中进行精炼，也称为二次精炼。炉外精炼的目的是：在真空、惰性气氛或可控气氛的条件下进行深脱碳、脱硫、脱氧、除气、调整成分和调整温度并使其均匀化，去除夹杂物，改变夹杂物形态和组成等。钢水炉外精炼是为适应钢的品种质量的提高，生产新钢种以及生产过程合理化，为连铸对钢水成分、温度、纯净度和时间等衔接的严格要求，不可缺少的工序，成为现代炼钢、连铸生产中的重要环节。2、LF炉工艺的主要优点LF炉称为钢包炉，是20世纪70年代初由日本开发成功的，现已大量推广应用，成为当代最主要的炉外精炼设备。LF炉通过电弧加热、炉内还原气氛、造白渣精炼、气体搅拌等手段，强化热力学和动力学条件，使钢水在短时间内达到脱氧、脱硫、合金化、升温等综合精炼效果。确保达到钢水成分精确，温度均匀，夹杂物充分上浮净化钢水的目的，同时很好地协调炼钢和连铸工序，保证多炉连浇的顺利进行。LF炉有四个独特的精炼功能：埋弧加热、氩气搅拌、炉内还原气氛、白渣精炼。LF炉的四大精炼功能相互渗透、互相促进。炉内的还原气氛，在加热条件下的吹氩搅拌，提高了白渣的精炼能力，创造了一个理想的精炼环境，从而使钢的质量显著提高。3、渣系的控制(1)“白渣”操作LF炉吹氩操作就是在精炼过程通过钢包的底吹氩装置向钢水中吹入一定量的氩气使之带动钢水循环，以均匀成分和温度，促进夹杂物的集聚及上浮。从而达到均匀钢水温度和成分、稳定浇铸工艺、降低钢中夹杂及气体含量，改善钢的质量。LF炉脱氧、脱硫通过精炼过程造白渣来实现，精炼渣的基本功能是深脱硫、深脱氧，起泡埋弧；去非金属夹杂，净化钢液；改变夹杂物形态；防止钢液二次氧化。LF炉白渣精炼工艺要点：①挡渣出钢，控制钢包内渣量不大于50mm。②钢包渣改质，控制钢包渣碱度。③要求炉渣保持良好的流动性，保证脱硫、脱氧效果。④控制LF炉内气氛为还原性气氛，避免炉渣再氧化。⑤良好的底吹氩搅拌，保证炉内具有较高的传质速度。总之，LF炉造渣要求“快”，“白”，“稳”，“快”就是要在较短时间内造出白渣，处理周期一定，白渣形成越早，精炼时间越长，精炼效果越好；“白”就是要求ω(FeO)降到1.0wt％以下，形成强还原性气氛；“稳”有两方面含义，一是炉与炉之间渣子性质要稳定，不能时好时坏；二是同一炉次的白渣造好后要保持渣中ω(FeO)≤1.0wt％，提高精炼效果。(2)“白渣”改质由前面理论分析可知，理想的夹杂物是钙斜长石(CaO-Al2O3-2SiO2)与假灰硅石(CaO·SiO2)相邻的周边低熔点区域，以上区域夹杂物熔点较低(≤1500℃)，变形性较好，在制作帘线拔丝及合股过程不会断丝。因此要在白渣形成后，对炉渣进行改质，通过加入石英砂，来提高渣中ω(SiO2)含量，降低炉渣碱度，使其碱度控制在0.8～1.2。4、“软吹氩”工艺的研究在精炼LF炉处理结束后，需要对钢水进行软吹氩处理。搅动的钢水促进了 钢中非金属夹杂物碰撞长大，上浮的氩气泡能够吸收钢中的气体，同时粘附悬浮于钢水中的夹杂物并带至钢水表面被渣层所吸收。软吹氩处理是小流量的吹氩方式，氩气搅拌的强度很低。(1)钢包软吹氩流量对夹杂物去除效果的研究软吹氩气流量对钢中夹杂物的上浮去除影响很大；当氩气流量在80～110L/min时钢中夹杂物去除效果最好，去除指数在0.97～1.0之间；随着软吹流量的增加，夹杂物的去除指数降低，当软吹氩气流量在120L/min时，夹杂物去除指数是0.94；而当软吹氩气流量增加到220L/min时，夹杂物去除指数降低到0.79。研究表明，软吹氩气流量小时，钢水中的氩气泡均匀、细小、数量多而且分散，有利于对钢中细小夹杂物的捕捉和上浮去除，但氩气流量过小时，单位时间内进入钢水的氩气泡数量减少，也会影响夹杂物的去除效果；当软吹氩气流量最大时，气泡脱离透气砖后相互碰撞合成大气泡，造成钢水中氩气泡集中而且数量减少，从而影响了对夹杂物捕捉和去除的效率。同时大的软吹氩气流量会把钢水表面吹开，造成钢水二次氧化，而且当软吹氩气流量过大时，钢包中的钢水容易形成环流，使得经处理后的已经非常细小的夹杂物沿环流的轨迹进入到钢渣中。所以，为了最大限度地降低钢水中夹杂物，应当保持合理的软吹氩气流量，以保证进入钢水中的氩气泡数量。因此，软吹氩气流量控制在80～110L/min，对钢中的夹杂物去除最有效。(2)钢包软吹氩时间对夹杂物去除效果的研究随着软吹时间的延长，钢种Al2O3夹杂物得到了上浮去除，但在10min后继续延长吹氩时间则对夹杂物去除不再有效。在10min之内，钢中总氧含量随软吹时间的增加不断降低，而超过10min后，软吹对钢中夹杂物的去除效果减弱，钢中总氧几乎不再变化。在合理的吹氩流量条件下，软吹氩气时间越长，钢中夹杂物去除效果越好，但在实际生产中，由于生产周期的限制，不可能无限制延长软吹氩气时间，而且时间延长以后，在某一时间段后，夹杂物变化不大。所以，在合理软吹氩气流量的研究基础上进行了确定合适吹氩处理时间的研究。钢液总氧含量表征了夹杂物水平，通过取样进行全氧分析来确定随吹氩时间夹杂物的变化。随软吹时间的延长，全氧含量呈下降趋势。前15min内，全氧含量下降明显，吹氩15min后，趋势减弱。因此，LF处理后软吹氩时间保证不低于15min。实施例在实施例中，LX72A的的生产成分按表4的要求执行。表4帘线钢LX72A的标准成分与目标要求表其它：①Cu≤0.050％、Ni≤0.050％、Cr≤0.050％、Als≤0.005％、N≤0.007％；②碳当量Ceq计算公式Ceq＝C+0.3*(Mn-0.4)。影响帘线钢产品质量的主要因素是钢中夹杂物的大小及夹杂物类型，根据夹杂物变形情况可将其分为塑性夹杂和脆性夹杂。塑性夹杂即可变形夹杂，在钢热加工状态下能随钢机体发生变形的夹杂；脆性夹杂根据来源主要有脆性氧化类夹杂及TiN夹杂，均是不变形夹杂，在钢热加工过程中夹杂物不随钢机体变形或者变形量较小，这种夹杂物是帘线钢生产中必须要严格控制的非金属夹杂。由于塑性夹杂为可变形夹杂，其夹杂物在钢材中成线性分布，通过截取横向试样可以检测钢中夹杂物，故可变形的塑性夹杂也称为横向夹杂，其主要来源于钢中的熔点低于1500℃的脱氧产物或侵蚀脱落进入钢水中的各种耐火材料。相反，不能变形的脆性氧化物夹杂称为纵向夹杂，其主要来源是高熔点的脱氧产物，如Al2O3及含高CaO高Al2O3含量的硅酸盐、钙铝酸盐等，还有钢中少量的残余Ti与钢中的N结合形成高熔点的TiN夹杂。采用本发明方法帘线钢LX72A盘条中的非金属夹杂物级别符合表5的要求。表5非金属夹杂物级别的要求类别ABCD级别不大于1.51.01.51.0其它：①塑性夹杂物和脆性夹杂物尺寸小于35μm；②钛夹杂尺寸小于5μm。实施例结果表明，本发明通过对帘线钢生产工艺流程的一系列的研究工作， 帘线钢LX72A工业批量生产结果表明：钢中夹杂物得到有效地去除，钢水纯净度提高。其它检验项目均满足BYL041-2011标准要求。本发明通过帘线钢大颗粒夹杂控制技术研究项目，大大减少了钢中夹杂物数量，提高了帘线钢的质量，技术经济效益和社会效益显著，具有很大的成本优势和市场前景。当前第1页1 2 3