冶金过程中帘线钢夹杂物成分控制

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.041.005 第25卷第4期 北京科技大学学报 VoL.25 No.4 2003年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2003 冶金过程中帘线钢夹杂物成分控制 王立峰卓晓军张炯明王新华 北京科技大学治金学院，北京100083 摘要通过热力学计算分析了生产帘线钢生产工艺中生产条件对钢中夹杂物成分的影响. 从控制夹杂物成分的角度，提出了采用不含铝的S-M血合金进行脱氧，控制酸溶铝的含量在 1×10-5×10(质量分数)范围内，不采用铝质包衬的钢包，提高VD真空度在300Pa以上，取消 喂SiCa丝等建议. 关键词热力学计算；夹杂物；渣；脱氧；帘线钢 分类号T℉703.6 脆性夹杂物是影响帘线钢、重轨钢和弹簧钢 常明显， 等高碳钢疲劳寿命和疲劳强度的一个重要原因. 研究表明钢中夹杂物主要为CaO-SiO2-AlO, 对于变形指数v=0.5-1.0的夹杂物在轧制过程中 类夹杂物和MnO-Al,O,-SiO2类夹杂物，其中 能够随着基体的变形而变形，在夹杂物和钢基体 CaO-SiO2-Al,O,类夹杂物占夹杂物总数的82% 之间很少产生裂纹；而对于v<0.5的夹杂物在轧 (质量分数)，MnO-AlO,-SiO2类夹杂物占总数的 制过程容易在夹杂物和钢基体之间产生鱼尾状 18%.如图1所示，对于Mn0-A2OSiO2三元夹 裂纹和热撕裂现象，严重损害钢的疲劳强度和疲 劳寿命，同时对于帘线钢来说，脆性夹杂物和碳 (a) 偏析是影响拉丝断头率的主要因素.在冶炼高碳 钢的过程中，一般不采用铝脱氧而用硅锰脱氧， 钢中的夹杂物除了少量的MnS外，绝大部分是 MnO-AlO,-SiO2类夹杂物和CaO-AlO1SiO2类夹 杂物，其中前者是硅锰脱氧产物，后者是脱氧产 物和精炼渣复合作用产生的.本文根据热力学计 算和结合生产过程实际，讨论了帘线钢获得良好 变形能力的夹杂物所需的脱氧和精炼工艺. 1夹杂物的变性指数及目标范围 夹杂物的变形能力一般沿用Malkiewicz和 Rudnik四提出的夹杂物变形指数公式v=6e,来表 示，，e,分别是热加工状态下夹杂物的真实延伸 率和基体钢的真实延伸率， Ruddnik研究指出：夹杂物的变形指数 v=0.5~1.0时，在钢与夹杂物的界面上很少产生 0.t 形变裂纹；v=0.030.5时，经常产生带有锥形间 图1(a)Mn0-SiO-Ah0,系和(b)Ca0-SiOg-AlD,系中 隙的鱼尾形裂纹；V=O时，锥形间隙与热撕裂非 塑性夹杂物成分范围 Fig.1 Plastic area of inclusions for(a)MnO-SiO,-Al,O, 收稿日期2003-03-26 王立峰，男，29岁，博士研究生 system and (b)Cao-SiO:-Al,O,system *国家自然科学基金资助项目(No.50274006)

第 2 5 卷 第 4 期 2 0 0 3 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e rs ity o f s e ie n e e a n d 介e h n o lo gy B e ij in g V b L 2 5 N 0 . 4 A u g. 20 03 冶金过程 中帘线钢夹杂物成分控制 王 立峰 卓晓 军 张 炯 明 王 新 华 北 京科 技大 学冶 金学 院 , 北 京 10 0 0 83 摘 要 通 过热 力 学计 算分 析 了生 产帘 线钢 生 产工 艺 中生 产条 件 对钢 中夹 杂物 成 分 的影 响 . 从 控制 夹 杂物 成分 的角度 , 提 出了采 用 不含铝 的 S i es N n[ 合 金进 行脱 氧 , 控制 酸 溶铝 的含 量 在 l xl o币 ~ x5 l护(质 量 分数 ) 范 围内 , 不采 用铝 质 包衬 的钢包 , 提 高 V D 真 空 度在 3 0 P a 以上 , 取 消 喂 5 1曰 C a 丝 等 建议 , 关键 词 热 力 学计 算 ; 夹 杂物 ; 渣 ; 脱氧 ; 帘线钢 分 类号 开 7 0 3 . 6 脆性 夹杂物是 影 响 帘线 钢 、 重轨 钢 和 弹簧钢 等 高碳 钢 疲 劳寿 命 和 疲 劳 强度 的一个 重要 原 因 . 对 于 变 形 指数 v = .0 5 一 1 . 0 的 夹杂 物 在 轧制 过 程 中 能够 随着基体 的变 形 而变 形 , 在 夹杂物 和钢 基 体 之 间很 少 产 生裂 纹 ; 而 对 于 v < .0 5 的夹 杂物 在 轧 制 过程 容易 在夹 杂物 和 钢 基 体 之 间产 生 鱼 尾状 裂 纹 和热 撕裂现象 , 严 重 损 害钢 的疲劳 强度 和 疲 劳寿 命 . 同时对 于 帘 线钢 来说 , 脆 性 夹杂 物 和 碳 偏 析 是影 响 拉丝 断头 率的主要 因素 . 在 冶炼高碳 钢 的过 程 中 , 一般 不 采用 铝 脱 氧而 用硅 锰 脱 氧 , 钢 中 的夹 杂物 除 了少 量 的 M n S 外 , 绝 大 部 分 是 M n o 一 A七0 3名 10 2类夹 杂物 和 C a o 卜 A 12 0 3一iq 类夹 杂 物 , 其 中前 者 是硅 锰脱 氧 产 物 , 后 者 是 脱 氧产 物 和精 炼 渣复合 作用 产 生 的 . 本 文根据热 力 学计 算和 结合 生产过 程 实际 , 讨论 了帘线钢 获得 良好 变形 能力 的夹 杂 物所 需 的脱氧 和 精炼 工 艺 . 常 明显 . 研 究表 明钢 中夹 杂 物 主 要 为 C a o 卜 5 10 2 , A 12O 3 类夹 杂 物和 M n o 一 A1 2 q 一 51 0 2类夹 杂物 , ,4J , 其 中 C a o 卜 is O Zes A ho , 类夹 杂 物 占夹 杂 物 总 数 的 82 % (质 量分 数 ) , M n O 气 A 1 2 03 一iS q 类 夹 杂 物 占总数 的 18 % . 如 图 1 所示 , 对于 M n o 一 A 1 2 q 名i q 三 元 夹 1 夹 杂 物 的 变性 指 数及 目标范 围 夹 杂物 的 变 形 能 力 一 般 沿 用 M a ld e w i c z 和 R*u d n ik 川 提 出的 夹 杂物 变 形 指 数 公式 v = ￡i / e . 来表 示 , 日 , 几 分 别 是 热加 工 状 态 下 夹杂 物 的真实延 伸 率和 基 体钢 的真 实 延 伸率 . Ru d dn 众 仪, 研 究 指 出 : 夹 杂 物 的 变 形 指 数 v = .0 5一 1 . 0 时 , 在 钢 与 夹 杂物 的界 面 上很 少 产 生 形 变 裂 纹 ; v = .0 03 一.0 5 时 , 经 常 产生 带有锥 形 间 隙 的鱼尾形 裂 纹 ; v = O 时 , 锥形 间 隙 与热 撕 裂 非 收稿 日期 20 03 刁 3一6 王 立峰 , 男 , 29 岁 , 博士 研 究生 * 国家自然 科学基 金 资助项 目 ( oN .5 02 74 0 6) 图 l ( a ) M n o 卜5 10 犷A I 2 0 , 系和 ( b ) C a o 一 Si o -r A ` 0 3 系 中 塑性 夹杂 物 成分 范 围 F ig · 1 P la s t ic a er a o f in e l u s fo n s fe r ( a ) M n o 一 5 10 2 ·月 1 0 , sy s et m a n d (b) C a o 一 510 :一12认 sy s et 口 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 04. 005

VoL.25 No.4 王立峰等：冶金过程中帘线钢夹杂物成分控制 ·309· 杂物，具有良好变形能力的夹杂物组成分分布在 SiO, 0.1.0 锰铝榴石(3MnO·Al2O,·3SiO2)及其周围的低熔点 1873K 一Iso-Mn,% 区，在该区域内A10的相成分在15%~30%.而 0.2 0.8 C,0.6% 在Ca0-Al,O,-SiO2三元夹杂物中，钙斜长石(Ca0 Si,0.21% Mn0.6% AlO,·2SiO2)与磷石英和假硅灰石(Ca0·Si02)相 0.4 06 邻的周边低熔点区有良好的变形能力阿 0.6 0.2 0.4 2常见的帘线钢冶炼工艺 6 0.8 0.2 .0 目前我国常见的高碳合金钢的冶炼工艺为： 3.0 1.0 0 转炉出钢后首先进行合金化，进入LF精炼炉进 MnO 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 行精炼，经VD处理后进行浇铸.其中LF精炼过 SiO2 程对控制钢中夹杂物的成分和性质是关键的环 01.0 1873K 节 0.2 Is0-AL,10+ 21钢包合金化和酸溶铝的控制 C,0.61% Si,0.21% 对于高碳Si-Mn脱氧钢，用Si-Mn合金的脱 Mn,0.6% 0.4 6 氧化学反应分别为： 2MnO(s)+[Si]=SiO2(s)+2[Mn] 0.6 △G9=-5700-34.8T(J/mol) (1) 子A0.s+S1=Si0,sH[A 0.8 0.2 △G=219400-35.7T(0/mol) (2) 1.0 据文献[1]，1600℃时的MnO-Al,0-Si02三元 MnO 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 活度和有关的热力学参数，计算出C的质量分数 图21873K时Mn0-A,0-Si0,系中(a)等Mn线和(b) 为0.6%，Si为0.2%和Mn为0.6%时的等锰线和等 等AI线 硅线，如图2所示. Fig.2 Iso-Mn and Iso-Al in the MnO-Al,O,-SiO:ternary 由图2(a)可见，为了得到塑性区的夹杂物，钢 diagram at 1 873 K 液中锰的质量分数应该在02%3.0%之间，与 存在钢液中的[Si]和酸溶铝[A]s的平衡以及[Si 0.6%C和0.2%Si平衡的0.6%的等Mn线上所代 与自由氧[O]的平衡，分别由下列化学反应式表 表的夹杂物成分就是钢液与夹杂物达到平衡态 示6刀： 时的夹杂物成分.由图2(b)可见，与塑性区平衡 的酸溶铝[A1s含量是1×10~7×106之间.考虑到 号ALO,6HS]=SiO+学al 钢液中C,Si和Mn的含量，与图中的0.6%Mn线 △G9=219400-35.7T(J/mol) (3) 平衡，同时塑性区的酸溶铝含量应该在1×106 K=粉园=验尚w咄 (4) o4s制osWs ~5×10之间.由图2(a)和(b)的计算值可知，在治 其中，w,ws分别为钢液中Al,Si的质量分数 金过程中为了得到塑性区的MnO-Al,O,-SiO的 [Si1]+2[O]-(SiO) 夹杂物，应该采用Si-M血脱氧，而不能加铝或含 △G8=-581900+221.8T(J/mol)(5) 铝较高的合金进行脱氧， 根据文献[1]和文献[]提供的1600℃时的 2.2LF精炼渣精炼 CaO-AlO,SiO2三元活度和有关的热力学参数， 钢水进入LF后造精炼渣进行精炼，国内钢 计算出C的质量分数为0.6%，Si为0.2%和Mn为 厂常见的精炼渣的碱度为2.03.0，精炼时间为40 0.6%时的等铝线和等氧线，如图3所示.钢液、夹 ~80min之间，有的可能长达120min.在加入精炼 杂物和渣之间都达到热力学平衡时，夹杂物的成 渣后，钢液、夹杂物和渣的平衡体系发生变化，夹 分与炉渣的组成趋于一致.为了得到图中所示的 杂物和钢液的环境不再是MnO-Al,O,-SiO2体系， 塑性区内的夹杂物，钢液中的酸溶铝[As含量应 而变为CaO-Al,O-SiO2体系，在这一体系环境中 该在0.1×103.0×10之间，自由氧含量[0]应该

VO I 一 25 N O 一 4 王立 峰等 : 冶金 过程 中帘线钢 夹杂 物成 分控 制 . 3 09 杂 物 , 具 有 良好 变 形能 力 的夹杂 物组 成 分分 布在 锰 铝榴 石 (3 M n .o 1A 2 O 3 , 3S iq ) 及 其周 围的低熔 点 区 , 在 该区域 内 A几q 的相成 分 在 15 % ~3 O% . 而 在 C a o 一A 12O 3一 51 0 2三 元 夹杂物中 , 钙斜长 石 ( C ao · A 1 2 0 3 · 2 5 10 2 ) 与 磷石 英 和假 硅 灰石 ( C aO · 5 10 2 ) 相 邻 的周 边低 熔 点 区有 良好 的变形 能力 `5, . 5 10 2 0 ` 1 . 0 1 8 7 3 K — 15 0次加 , % C , 0 . 6% 5 1 , 0 . 2 1% N加 , 0 . 6% A O 0 一比é、工é、R 、气ú”一ù .0.00 2364 丫 1 . 0 尸 2 . 0 3 . 0 1 . 0 日 M n 0 0 5 10 2 0 ` 1 . 0 1 8 7 3 K 0 . 汾紧 …6 胭 A O n ù 0 义一冷.08l 2 常见 的 帘线 钢 冶 炼 工 艺 目前我 国常见 的高碳 合金 钢 的 冶炼 工艺 为 : 转炉 出钢 后 首先 进 行合 金 化 , 进 入 LF 精炼 炉进 行 精 炼 , 经 V D 处 理 后进 行 浇铸 . 其 中 LF 精炼 过 程 对控 制钢 中夹杂 物 的 成分 和 性 质是 关键 的环 节 . .2 1 钢 包 合金 化 和酸 溶 铝 的控 制 对 于高 碳 5 1习绒n 脱氧 钢 , 用 5 1月M n[ 合 金 的脱 氧 化 学反 应`钊分 别 为 : ZN 伍0 ( s ) + [5 1] = 5 10 2 ( s ) + 2 [M n l △讲 二 一 5 7 0 0 一 3 4 . 8 T ( Jm/ 0 1) ( l ) 部 、 0 3 ( s +) : 5 1, 一 s` 0 2 ( s )号, ` , 活度 据 和 文 有 △ 献 关 谓 【 的 l] = , 热 2 1 1 力 60 9 4 0 学 0 ℃ 0 参 一 时 数 3 的 5 . , 7 M 计 T n 算 住 ( 1 出 ~ / A m 几 C o 认 l 的 ) 一 质 iS 认 量 三 分 ( 元 数 2 ) 黝 为 .0 6% , is 为 .0 2 % 和 M n 为 .0 6% 时 的等 锰 线和 等 硅线 , 如 图 2 所示 . 由图 2( a) 可见 , 为 了得到 塑性 区 的夹杂物 , 钢 液中锰 的质 量 分数 应 该 在 0 .2 % 一.3 0 % 之 间 , 与 .0 6 % C 和 .0 2 % is 平 衡 的 .0 6 % 的等 M n 线上 所 代 表 的夹 杂 物 成 分就 是 钢 液 与 夹 杂物 达 到 平 衡 态 时 的夹 杂物 成 分 . 由 图 2 伪) 可 见 , 与 塑 性 区平 衡 的酸 溶 铝 A[ 1 5含 量 是 1 ` 10 一 6一7 “ 1『 ` 之 间 . 考 虑 到 钢液 中 C , is 和 M n 的含 量 , 与 图 中的 .0 6 % 脸 , 线 平 衡 , 同 时 塑 性 区 的酸 溶 铝 含 量 应 该 在 lx l 护 一 x5 l护 之 间 . 由图 2( a) 和 伪)的计 算值 可 知 , 在 冶 金过 程 中 为 了得 到 塑性 区的 M n C卜 A L0 3一is Q 之 的 夹杂 物 , 应 该采 用 5 1-] 她n 脱 氧 , 而不 能 加铝 或 含 铝较高 的合 金 进行 脱氧 . .2 2 L F 精 炼 渣 精炼 钢 水 进入 L F 后造精炼渣 进行 精炼 , 国 内钢 厂 常见 的精炼 渣 的碱度 为 .2 0一3 . 0 , 精炼 时间 为 40 一 8 0 m in 之 间 , 有 的可能 长达 12 0 m in . 在加入 精 炼 渣 后 , 钢 液 、 夹杂物和 渣 的平衡 体系 发 生变化 , 夹 杂 物和 钢液 的环 境 不再 是 M n o , A1 2 q 一iq 体 系 , 而变 为 C a o 一A 1 2 0 厂 5 10 2 体 系 , 在 这一 体 系环 境 中 1 . 0 之 M n 0 0 图 2 1 8 73 K 时 M n o 卜A 】1 0 厂 510 : 系 中 ( a )等 M n 线 和 ( b ) 等 lA 线 F ig . 2 I s o . M n a n d I s o . A I in ht e M n o 一从0 , · 5 10 : t e口 a 叮 d i a g r a m a t 1 873 K 存在钢 液中 的 〔51 1和 酸 溶铝 A[ 1 , 的平衡 以及 [ is ] 与 自由氧 [o] 的平衡 , 分别 由下列 化 学 反应 式表 示 6I,n : 补 1 2 0 3 ( s , 〔5 1】一 5 10 2 号 【A 】I △诱 = 2 19 4 0 0一 3 5 . 7 T ( Jm/ 0 1) ( 3) K 一 黯 一 黔焉 (4) 其 中 , w l^ , ws i分 别 为钢 液 中 A I , is 的质 量 分 数 . [5 1] + 2 [O ] ” (5 10 2 ) △厌 = 一 5 8 1 9 0 0 + 2 2 1 . 8 T (刀m o l) (5 ) 根据 文 献 【l] 和文 献 9[ ] 提 供 的 1 60 ℃ 时 的 C a C卜 A 1 2 O犷51 0 2 三 元活 度 和 有 关 的热 力 学参 数 , 计算 出 C 的质 量 分数 为 .0 6% , iS 为 .0 2% 和 M n 为 .0 6% 时 的等铝 线和 等氧 线 , 如 图 3 所 示 . 钢 液 、 夹 杂物 和渣 之 间都 达 到热 力学 平衡 时 , 夹 杂物 的成 分 与炉渣 的组成 趋 于一 致 . 为了得 到 图中所示 的 塑 性 区 内的夹 杂物 , 钢 液 中的酸 溶铝 A[ 1 5含量应 该 在 0 . 1 ` 1 0 币 一3 . 0 ` 1护 之 间 , 自 由氧含量 [o] 应 该

·310· 北 京科技大学学报 2003年第4期 SiO, 一环，一般来说VD真空处理的目的是降低钢中 01.0 的自由氧含量，同时降低总氧和提高纯净度；VD 6.升 1873K Iso-Al,10 处理的另外一个重要功能是脱氢，目前还未有研 0.2 0.8 C.0.61% Si,0.21% 究表明钢中微量氢对帘线钢拉丝时的拉断率有 n.0.6% 0.4 0.6 何影响，但在生产中技术人员仍然保留了VD工 艺.下式是在真空状态下钢液中碳与钢包材质中 0.6 4 的A1O的化学反应周： 3[C]+(AlO)=2[AI]+3C0 0.2 △G9=1198499-388.7T(J/mol) (6) 3 假定钢液的化学成分：C的质量分数为0.6 0 A103 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 %,Si为0.2%，Mn为0.6%，S为0.01%，ao=1,利 SiO, 用文献[)提供的热力学活度相互作用系数计算 01.0 1873K 出f=1.16,6=1.07.利用以上数据计算出1873K 1s0-0,106 0.2 0.8 C.0.61% 时不同真空度下的酸溶铝的变化，如图4所示， 0210 120 L,0.42% 由图可知，在1873K时，当VD真空度为300Pa 0.4 110 0.6 时钢液中的酸溶铝为8×10左右，当真空度降为 100 50Pa时，酸溶铝增加至33×10左右.由计算可 0.6 00 知，经VD真空处理后，酸溶铝会急剧增加，从而 导致钢中夹杂物中的A12O,含量增加，因而在冶 0.8 40 0.2 炼高碳合金钢时可以考虑取消VD处理，如果采 20 1.04 0A10 用VD处理工艺，应提高VD处理的真空度在300 CaO 0 0.2 0.40.6 0.8 1.0 Pa以上，钢包的材质应该用钙质、镁质或锆质材 图31873K时Ca0-A山，0，Si0,系中(a)等A线和(b)等 料. 0线 1873K Fig.3 (a)Iso-Al and (b)Iso-O in CaO-Al,O,-SiO,ternary 100 diagram at 1 873 K % 在60×10120x×10之间.国内钢厂在LF炉精炼 -01/M 60 过程中钢液的酸溶铝含量在5×10~10×10之间， 自由氧含量在20×10640×10之间，钢中夹杂物 的成分如图中的块状的点所示，与热力学理论计 20 算值符合得非常好.由图可知，现在的夹杂物由 0 200400 6008001000 于CaO/SiO,过大而偏离塑性区，为了降低夹杂物 Pc/Pa 的CaO/SiO2比，应该继续降低酸溶铝[Als的含 图4VD处理过程中酸溶铝随真空度的变化 量，同时提高钢液中自由氧[O]的含量，而不再追 Fig.4 Variation of dissolved aluminum with vacuum de- 求钢的高纯净度，为了达到这一目的，需要造低 gree in the VD treatment process 碱度的精炼渣，同时控制渣中AlO的含量，通过 精炼渣来控制钢液中酸溶铝和自由氧的含量，进 3喂SiCa丝对钢中酸溶铝的影响 而通过钢液中[A]和[O]来控制夹杂物的成分. 前面提到国内钢厂常见的精炼渣碱度在2.0~3.0 传统的冶炼工艺中常常采用喂SiCa线对夹 之间，由图3可知，应该尽量将渣的碱度控制在 杂物进行变性处理，对于铝镇静钢来说可以得到 1.0以内. 低熔点的钙铝酸盐，但对于不用铝脱氧的钢种来 23VD真空处理和钢包包衬材质对钢液酸溶铝 说，钙容易与渣中的AlO和钢包包衬中的A山O 的影响 反应，增加钢液中的酸溶铝含量.钙与AlO反应 VD真空处理是现代冶金过程中比较重要的 为o:

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 03 年 第 4 期 5 10 2 0 、 1 . 0 1 8 7 3 K 0 . 6 测 靡朗 币 0 A O 、2.0 n `、、 l ó、、10 .、ǐ60、 、nUl、 邢偿{ n ó n l C a o S iq 0 人 1 8 7 3 K 4 }孤到 0 20 .08 羚摹戳 弋 _ 1 .0 C a o . 咬 . 代 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 0 A 1 2 0 3 0 圈 3 i o 73 K 时 C a o 卜 A l 二 0 声10 : 系中 a( ) 等 lA 线和 (b ) 等 0 线 F i g J ( a ) Ios . A I a o d ( b )伽 一 0 恤 C a o . A `认 · 5 10 : t e r n a ry d恤 g ar . a t 1 8 73 K 在 60 、 1护一 120 ` 1护 之 间 . 国 内钢 厂 在 L F 炉精炼 过程 中钢液 的酸 溶铝 含量 在 s xl o 诵~ 1x0 l0 书 之 间 , 自由氧含 量在 ZOxl o 币~ 4 0对沪 之 间 , 钢 中夹 杂 物 的成 分如 图 中 的块状 的点所 示 , 与热 力 学理 论 计 算值 符合 得 非 常 好 . 由图可 知 , 现在 的夹 杂 物 由 于 C a o / 5 10 2过 大 而 偏 离塑 性 区 , 为 了降低 夹杂 物 的 C a o /5 10 2 比 , 应 该继 续 降低 酸溶 铝 A[ l] , 的含 量 , 同时提高钢 液 中 自由氧【o1 的含量 , 而不 再 追 求 钢 的高纯净 度 . 为 了达 到这 一 目的 , 需要 造低 碱 度 的 精炼 渣 , 同时 控制 渣 中 A LO , 的含 量 , 通 过 精炼 渣来控 制 钢液 中酸溶铝 和 自由氧 的含 量 , 进 而 通过 钢 液 中 A[ l] , 和 【o] 来 控 制夹 杂 物的 成分 . 前 面提 到 国 内钢 厂 常 见 的 精炼 渣碱度 在 2一3 . 0 之 间 , 由 图 3 可 知 , 应 该 尽 量 将渣 的碱 度 控 制在 1 . 0 以 内 . .2 3 V D 真空 处 理 和钢 包包 衬材 质对 钢 液 酸溶铝 的影 响 V D 真 空处 理 是 现 代冶 金 过 程 中 比较重 要 的 一环 , 一 般 来 说 V D 真空 处理 的 目的 是 降低 钢 中 的 自由氧 含量 , 同时 降低 总 氧和 提高 纯净度 ; V D 处 理 的另 外一 个 重要 功 能是 脱氢 . 目前还 未有研 究表 明钢 中微 量 氢 对 帘 线钢 拉丝 时 的拉 断率有 何 影 响 , 但在 生 产 中技 术人 员 仍 然保 留了 V D 工 艺 . 下式 是 在真 空 状态 下钢 液 中碳 与 钢 包材质 中 的 A loz , 的化学 反应 sI] : 3 [C ] + (A h O 3 ) = 2 A[ l] + 3 C 0 △瞬 = 1 19 8 4 9 9 一 3 8 8 . 7 T ( J 1/ n o l) ( 6) 假 定钢 液 的化 学成 分 : C 的 质量 分数为 0 .6 % , is 为 .0 2 % , M n 为 .0 6 % , S 为 .0 01 % 刀人即3= 1 , 利 用 文 献 7[ 〕提 供 的热 力学活 度 相互 作用 系 数 计算 出九= 1 . 16 关= 1 . 0 7 . 利用 以上 数据 计 算出 1 8 73 K 时不 同真 空度 下 的酸溶 铝 的变化 , 如 图 4 所示 . 由图可 知 , 在 1 8 73 K 时 , 当 V D 真空 度为 3 0 P a 时钢 液 中 的酸 溶铝 为 8 ” 1沪 左 右 , 当真空度 降为 50 aP 时 , 酸 溶铝 增 加 至 3 3 ` 1护 左 右 . 由计 算可 知 , 经 V D 真 空处 理后 , 酸溶铝会 急剧 增 加 , 从而 导 致钢 中夹 杂 物 中 的 A 儿O , 含 量 增 加 . 因而 在冶 炼 高 碳 合金 钢 时 可 以考 虑 取 消 V D 处理 , 如 果采 用 V D 处 理 工 艺 , 应 提 高 V D 处 理 的真 空度 在 3 0 P a 以上 , 钢 包 的材 质应 该用 钙 质 、 镁质或错 质 材 料 . 1 87 3 K : 图 4 V泛D 处理 过 程 中酸溶铝 随真 空度 的 变化 F哈4 va iar iot n of ids so vl ed a lu ln in u ln 侧妞h va cu u ln -de g er e in t h e V D t ear mt e o t P or c es s 3 喂 S卜C a 丝对 钢 中酸溶铝 的影响 传 统 的冶 炼 工 艺 中 常常 采用 喂 5 1一C a 线 对夹 杂 物进 行 变性处 理 , 对 于铝 镇 静钢来 说 可 以得 到 低 熔点 的钙 铝酸 盐 , 但 对 于不 用 铝脱 氧 的钢 种 来 说 , 钙 容 易与 渣 中 的 1A 2 O , 和 钢 包 包衬 中 的 A 取q 反应 , 增 加钢 液 中 的酸 溶 铝 含 量 . 钙 与 A 1 2 O , 反 应 为 〔, , , 。 , :

VoL.25 No.4 王立峰等：冶金过程中帘线钢夹杂物成分控制 ·311 (CaO+2/3[Al]=1/3(Al,O,+[Ca) (3)VD真空处理过程，使得钢液中的酸溶铝 △G8=244500-19.9T(J/mol) (7) 含量增高，在对氢含量许可的条件下提高真空度 计算时假定aAo,=1和aeo=L,由于对钙的活 至300Pa以上，采用钙质、镁质或锆质的包衬. 度系数f,影响最大的元素是S和O,但各研究者 (4)喂SiCa线对控制夹杂物的成分不利，钙 给出e8的值相差甚大四，为了方便直接采用ac来 还原渣和包衬中A1,O,使得钢液中酸溶铝含量 进行计算，计算结果如图5所示，由图可知钢液 增加，从控制高碳合金钢中夹杂物成分的角度考 中钙的含量对酸溶铝的影响非常明显，当钙的活 虑，建议不采用喂SiCa丝， 度为5×10时，通过还原包衬和渣中的A10使得 钢液中的酸溶铝含量为5.5×10°.因而从控制夹 参考文献 杂物成分的角度说，喂SiCa线是不利的. 1 Malkiew icz T,Rudnik S.Deformation of non-metallic in- clusion on the properties of steel [J].Iron Steel Inst,1963 (1:33 1873K 2 Rudnik S.Discontinuities in hot-rolled steel caused by 0.3 non-metallic inclusion [J].JISI,1966,204(4):374 3王新华.重轨钢中非金属夹杂物的研究[R]北京： 90.2 北京科技大学，2001 4王新华，王立峰，卓晓军，等.70钢非金属夹杂物的 0.1 研究].北京：北京科技大学，2003 5 Bernard G,Ribound P V,Urbain G.Oxide inclusions plas- 0 0.5 1.0 1.5 2.0 ticity [A].La Revue de Metallurgie-CTT [C],Mai,1981: ac/10-1 421 图5酸溶铝[A小s随钙活度的变化 6 Maeda S,Soejima T.Shape control of inclusions in wire Fig.5 Variation of dissolved aluminum [Alls with the ac- rods for high tensile tire cord by refining with synthetic tivity of calcium slag [A].Steelmaking Conference Proceedings [C].To- ky0,1989.379 4结论 7 Elliott J F,Gleiser M,Ramakrishna V.Thermochemistry for Steelmaking,Vol.II [M].London:Sddision-Wesley (1)为得到塑性的MnO-AlO,-SiO2夹杂物， Pub Co,1963 应采用纯度高的Si-Mn合金进行脱氧，不用铝和 8 Turkdogan E T.Physical Chemistry of High Temperature 含铝较高的合金进行脱氧，将钢液中的酸溶铝含 Technology [M].New York:Academic Press,1980 9曲英，炼钢学原理[M.北京：怡金工业出版社，1981. 量控制在1×105×10范围内. 257 (2)为得到塑性的CaO-Al,O,-SiO,夹杂物，LF 10陈家祥.炼钢常用图表数据手册M).北京：冶金工 炉精炼时钢液中的酸溶铝[A]s含量应该在0.1× 业出版社，1998 10-3.0×10之间，自由氧含量[O]应该在60× 11陈襄武.炼钢过程的脱氧[M.北京：冶金工业出版 10120×10之间，精炼渣的碱度在1.0左右. 社，1991 Controlling Inclusion Composition in Steelmaking Process for Tire Cord Steel WANG Lifeng,ZHOU Xiaojun,ZHANG Jiongming,WANG Xinhua Metallurgical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing,100083,China ABSTRACT The effect of various process factors for producing tire cord steel on inclusion composition was di- scussed by thermodynamic calculations.Some advice was proposed for controlling inclusion composition,which includes deoxidization with the Si-Mn alloy without aluminum,dissolved aluminum controlled within 1x10 5x10 in mass fraction,using ladle lining without alumina,increasing vacuum degree over 300 Pa and canceling feed Si-Ca line. KEY WORDS thermodynamic calculation;Inclusion;slag;deoxidization;tire cord steel

V N 5 2 如 L 0 . 王 立峰 等 4 : 冶 金过 程 中帘线 钢夹 杂物 成分 控 制 . 11 3 - ( C O ) a + I 3 ] 2 A [ / 3 = / l ( 1 A 2 O 3 ) + C ] [ a 1 5 2 △嵘 二 9 一 0 0 4 4 . ( J T g / m o ) l ( 7 ) 计 算 时假 定 二 ^ a 1 = c 和 a 1 = o a , 由于对 钙 的活 度 系数太 . 影 响 最大 的元 素是 S 和 O , 但 各 研究者 给 出皓 的值 相 差 甚大〔, l] , 为 了方 便直 接 采用 al ca] 来 进 行计 算 , 计 算 结 果如 图 5 所 示 . 由图可 知钢 液 中钙 的含 量对 酸 溶铝 的 影响 非常 明显 , 当钙 的活 度 为 x5 l护 时 , 通 过 还原 包衬 和渣 中的 1A 2 O 3使 得 钢液 中的 酸溶 铝 含量 为 5 . x5 l 护 . 因而 从控 制 夹 杂物 成 分 的角度说 , 喂 5 1一C a 线是 不利 的 . (3 ) V D 真 空 处理 过程 , 使得 钢 液 中 的酸溶 铝 含量增 高 , 在对 氢 含量 许 可 的条件 下提 高 真 空度 至 3 0 0 P a 以上 , 采 用钙 质 、 镁质 或 错 质 的包 衬 . (4 ) 喂 is 一 a 线对 控制 夹 杂物 的成 分 不利 , 钙 还 原渣 和包 衬 中 A h0 3 , 使 得钢 液 中酸溶 铝 含量 增加 , 从 控制 高碳合 金钢 中夹杂物成 分 的角 度考 虑 , 建 议不 采 用 喂 is 一 a 丝 . 参 考 文 献 nU 门l . t l!l l 才, |we .2J 1 8 7 3 K 2 ` 1. 0 八1 次、汪丑 。匕` 二二止一一一 0 0 . 5 1 . 0 a lc矿1 0 一, 图 5 酸 溶铝 【A I】 s 随钙 活度的变 化 F ig · S Va 山t io n o f d is s o vl e d a l u m i n u m IA l l s w it h t h . , a e - t iv iyt o f e a l e i u m a cl . l 4 结论 ( l) 为 得到 塑 性 的 M n O 一 A LO犷51 0 2夹 杂物 , 应 采 用 纯度 高 的 5 1 一 M n 合金 进 行脱 氧 , 不用 铝和 含 铝较高 的合 金进 行脱 氧 , 将钢 液中 的酸溶 铝含 量 控制 在 1 ` 10气s xl 护 范 围内 . (2 ) 为得到塑 性 的 C a o 一 A 1 2 0 , 一5 10 2夹 杂物 , L F 炉 精炼 时钢 液 中 的酸溶 铝 A[ l] , 含 量 应 该在 0 . lx 10 荀 一 3 . 0 、 1护 之 间 , 自 由氧 含 量 [O ] 应 该在 6 x0 10 币~ 12 0 xl 0 币 之 间 , 精 炼 渣 的碱 度在 1 . 0 左 右 . 1 M a dl e w i e z T, R u d n议 S . D e fo mr iat o n o f on n 一 m e t a lli e i n - e l u s i on on ht e P r o P e rt l e s o f s t e e l [J] . l r o n Set e l nI s t, 196 3 ( l ) : 33 2 R u dn i k S . D i s e o nt i un i ti e s in h ot 一 or ll e d s t e e l e au s e d b y n o n 一 m e alt li e i n e l u s i o n [J ] . JI SI , 1 9 6 6 , 2 0 4 (4 ) : 3 7 4 3 王 新 华 . 重轨钢 中非金 属夹 杂物 的研 究 【R] . 北 京 : 北 京科 技大 学 , 2 0 01 4 王新 华 , 王立 峰 , 卓 晓军 , 等 . 70 一钢 非金属 夹杂 物的 研 究 [R] . 北京 : 北京 科 技大 学 , 2 003 5 B e m ar d G , 形b o un d P V, U r b a i n G . 0 x i d e i n e l u s i o n s Plas - ti e i yt [A ] . L a eR v-u e de Me t a ll u gr i e 一 C T [ C ] , M a i , 1 9 8 1 : 42 1 6 M a e da S , S o ej i m a .T S h叩e e o in or l o f i n e l u s i on s i n w ier r o d s fo r h igh et n s il e t i r e e o dr by er 助ign w iht s y n th e t i e s lag A[ ] . S et e lm ak i n g C on fe er cn e P r o e e e d i n gs [ C ] . oT - k y o , 1 9 8 9 . 3 7 9 7 E lli ot J F, G l e i s e r M , R 别肚砍r l s lm a V Th e mr o e he m i s tyr fo r Set e ln a ki n g , VO I . 11 [M ] . L o n d o n : S d i s i o -n W七s l e y P ub C o , 1 96 3 8 T u r k d o g an E .T Phy s i e a l C he m i s坷 o f H ihg 介m P e r a t u er 介e hn o l o gy [M ] . N e w OY kr : A e a d e m i e P er s s , 19 80 9 曲英 , 炼钢 学 原理 〔M 】 . 北京 : 冶 金工 业 出版社 , 19 81 . 2 5 7 10 陈家祥 . 炼钢 常用 图表 数据 手册 [M ] . 北 京 :冶 金工 业 出版 社 , 19 9 8 1 陈襄 武 . 炼钢 过 程 的脱氧 [M ] . 北 京 : 冶金 工业 出版 社 , 199 1 . C o ntr o lli n g I n e l u s i o n C o m P o s i t i o n i n St e e lm iak n g P r o e e s s fo r iT r e C o r d S et e l 环月刃召 L 诉” 9, Z H O U」几a ’ouj ,n 乙阮 4N G iJ 。 ” g 洲, 功 g 恻刃 G j 住n加口 M e at l】ur g ic at 助g i n e r i n g S c ho o l , U n iV e sr iyt o f s c i enc e an d T 巴e hn o 】o gy B e ij ing , B e ij i n g , 10 0 0 8 3 , C h ina A B S T RA C T hT e e fe ct o f v iar o u s Por e e s s fac t `〕r s for Por d u e i n g t ier e o dr s et e I o n in e luS ion e om P o s it i o n w a s id - s e us s e d by ht e mr o d y n am i e e a l e u l at i o n s . S o m e a d v i e e w a s P or P o s e d fo r e o ntr o lling inc lus ion e o m P o s it i o n , w h i o h icn 】u d e s de ox i di atZ i o n w it h t h e 5 1 一 M n al loy iw th o ut a l uj m i n u 刃n , d i s s o l v e d a luj m i n uj m e o n t r o ll e d iw t h i n l x 10 币~ s x l o 硒 in m as s fr a c it o n , u s i n g l a dl e lin ign w it h o u t a l切m in a, i cn er as i n g v a c u 切 m d e ger e o v e r 3 0 0 P a an d c an c e li n g fe e d 5 1 一 C a li n e . K E Y W O R D S het mr o d y n am i e e al e u l iat o n : Icn lus i o n : s lag ; d e o x iid z at ion ; it r e e o r d st e e l