碳含量對簾線鋼凝固析出TiN夾雜的影響

雷家柳，薛正良，蔣躍東，2，張 京，熊 銳，鄒 峰

(1.武漢科技大學 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，武漢 430081; 2.武漢鋼鐵 (集團)公司研究院，武漢430080)

碳含量對簾線鋼凝固析出TiN夾雜的影響

雷家柳1，薛正良1，蔣躍東1，2，張 京1，熊 銳1，鄒 峰1

(1.武漢科技大學 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，武漢 430081; 2.武漢鋼鐵 (集團)公司研究院，武漢430080)

對含碳量 (質量分數)分別為0.72%、0.82%和0.95%的簾線鋼凝固析出TiN夾雜進行熱力學研究，結果表明:碳含量對于不同強度級別的簾線鋼中TiN夾雜的析出有著明顯的影響.隨著簾線鋼碳含量增加，凝固前沿溫度逐漸降低，析出TiN夾雜所需的氮鈦活度積也逐漸下降.在相同的鋼液初始Ti、N含量條件下，較高碳含量的簾線鋼中析出的TiN夾雜尺寸會大于較低碳含量簾線鋼中析出的TiN夾雜尺寸.為了控制超高強度級別的過共析簾線鋼中TiN夾雜的析出對簾線鋼加工性能的有害影響，必須通過冶煉工藝進一步降低鋼液中的鈦、氮含量.

過共析簾線鋼;TiN夾雜;碳含量;熱力學

簾線鋼是一類高強度有著特殊用途的高碳鋼，具有提高輪胎強度、韌性以及耐疲勞性能的作用，其盤條主要用于生產轎車輪胎子午線鋼絲.隨著汽車輕量化及從提高轎車安全性出發，轎車輪胎簾線鋼絲的強度級別在不斷提高.20世紀90年代以前輪胎鋼絲用鋼的主流牌號是1 750 MPa級普通強度的SWRH62A和SWRH67A，20世紀90年代以后輪胎鋼絲用鋼主流是1 870 MPa級高強度的SWRH72A.進入21世紀，輪胎鋼絲產品主流是超高強度級的過共析鋼SWRH82A及含碳質量分數達到0.92%～0.95%的更高強度級別的牌號.因而其對鋼中不變形鈦夾雜的要求也更為苛刻，為了控制過共析簾線鋼中鈦夾雜對盤條拉拔性能的危害，各鋼廠實施了苛刻的煉鋼和精煉工藝措施，以盡最大可能將鋼液中的雜質元素Ti和N去除到極限含量.盡管如此，在目前煉鋼生產技術所能達到的簾線鋼Ti、N含量水平下，凝固前沿析出鈦夾雜仍然是無法避免的［1］.本文用熱力學方法研究不同強度級別的簾線鋼的碳含量對鋼液凝固析出TiN夾雜的影響規律，為超高強度級別的過共析簾線鋼TiN夾雜控制提供理論指導.

1 簾線鋼凝固前沿溫度變化

鋼液凝固前沿溫度(Ts－l)即凝固界面溫度，該溫度值介于固相線溫度(Ts)與液相線溫度(Tl)之間，且與固液兩相區的凝固率(g)有關.鋼液凝固前沿溫度按公式(1)［2］計算:

上式中:To為Fe的熔點1 538℃，液相線溫度(Tl)和固相線溫度(Ts)按公式(2)和公式(3)計算:

式(2)、(3)中的w［C］、w［Si］、w［Mn］等分別代表鋼中［C］、［Si］、［Mn］等的質量分數(/%).計算使用的簾線鋼化學成分見表1.

表1 高碳簾線鋼化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition(mass fraction)of high carbon tire cord steel %

按表1中簾線鋼成分計算得到各鋼種的液相線溫度(Tl)和固相線溫度(Ts)如表2所示.隨著碳含量增加，液相線溫度(Tl)和固相線溫度(Ts)都逐漸降低，固液相線溫度差逐漸變大.

表2 不同碳含量簾線鋼的Tl和Ts(℃)Table 2 The value of Tland Tsfor tire cord steel with different carbon(℃)

凝固前沿溫度(Ts－l)隨凝固率的變化如圖1所示.

圖1表明，凝固前沿溫度(Ts－l)隨著凝固進程的發展不斷下降.當凝固進程相同時，簾線鋼的碳含量越高，凝固前沿溫度也就越低.

2 碳含量對簾線鋼凝固析出TiN夾雜的影響

鋼液在凝固過程中，由于溶質元素的凝固偏析，在凝固前沿Ti和N不斷富集，當Ti和N的實際活度積大于TiN析出的平衡活度積時，會按下式析出TiN夾雜［4］:

上式中KTiN為Ti、N平衡活度積，與凝固前沿溫度有關.隨著固液兩相區凝固率(g)增加，凝固前沿溫度下降，按公式(5)計算的KTiN也相應下降.

圖1 不同碳含量簾線鋼凝固前沿溫度與凝固率的關系Fig.1 Relationship between temperature in the front of solidification and solidification rate for tire cord steel with different carbon

鋼液凝固前沿Ti和N的實際活度積為:

fTi和fN分別為Ti和N在凝固前沿溫度下的活度系數，可通過式(7)和式(8)計算:

式(7)和式(8)中fTi(1873)和fN(1873)分別為元素Ti和N在1 600℃時的活度系數.

鋼液凝固過程中，由于溶質元素的凝固偏析，凝固前沿溶質元素不斷富集，因此公式(9)和公式(10)中w［j］是固液兩相區凝固率(g)的函數［7］:

公式(11)用于計算凝固前沿Ti、Si、Mn的質量分數(%)，公式(12)用于計算凝固前沿C、N、P、S的質量分數(%);w［j］0為鋼液中溶質元素j的初始質量分數(%)，k為各溶質元素在鋼液和γ－Fe中的平衡分配系數，可由文獻［8，9］獲得.

由公式(6)至公式(12)可計算出鋼液凝固前沿Ti和N的實際活度積QTiN，當凝固前沿Ti、N實際活度積QTiN大于平衡活度積KTiN時，在凝固前沿就會析出TiN夾雜.若簾線鋼中Ti、N的初始質量分數分別為0.0006%和0.004%，對于72 A、82 A、95 A，TiN夾雜在凝固前沿析出時的凝固前沿溫度和凝固率見圖2.

圖2 簾線鋼碳含量對凝固前沿析出TiN夾雜的影響Fig.2 Effect of carbon on TiN inclusion precipitation in tire cord steel

由圖2可知，隨著簾線鋼碳含量的增加，TiN夾雜析出時所對應的凝固前沿溫度下降，形成TiN夾雜所需的平衡Ti、N活度積也下降(見圖2 (a)).此外，隨著簾線鋼中碳含量的增加，TiN夾雜也就較早在凝固前沿析出(見圖2(b))，因而，TiN夾雜也越容易長大.

綜上可知，碳含量對于不同級別的簾線鋼中TiN夾雜的析出有著明顯的影響.碳含量越高，在鋼液凝固過程中TiN夾雜也就越容易在凝固前沿中析出和長大.

由圖2(b)可知，對于簾線鋼72 A，在凝固率達到92.4%時，才開始析出TiN夾雜，而82 A和95 A析出 TiN夾雜時的凝固率分別提前到91.9%和91.2%.因此降低鋼水初始N含量可以推遲TiN夾雜的析出，若把簾線鋼82 A和95 A中析出 TiN夾雜時的鋼水凝固率也推遲到92.4%，則在鋼水初始 Ti含量質量分數均為0.000 6%條件下，應將82 A和95 A的初始N含量質 量分數 分別降 低 到 0.003 36%和0.002 63%.

因此，為了控制超高強度級別過共析簾線鋼中TiN夾雜的尺寸，必須實施比亞共析簾線鋼更為苛刻的煉鋼和連鑄工藝措施，進一步降低鋼水中的N和Ti初始含量.由于N對TiN夾雜長大的影響大于Ti的影響［1］，因此，實際生產過程中進一步降低過共析簾線鋼的N含量尤為重要.

生產實踐中可采取降低高爐爐料中TiO2含量和降低鐵水含硅量來控制鐵水中的鈦含量，同時做好轉爐終點碳溫控制、出鋼擋渣控制及控制LF精煉渣料和中包覆蓋劑中的 TiO2含量.通過這些措施可有效降低高碳簾線鋼鋼水中的Ti含量.簾線鋼中氮的控制主要從以下幾方面入手: (1)減少終點補吹;(2)轉爐出鋼使用預熔渣覆蓋鋼液，減少吸氣;(3)用低氮增碳劑增碳;(4)控制LF精煉渣量及吹氬強度;(5)通過真空處理進一步降低鋼水溶解氧和氮含量.

3 結論

(1)凝固前沿溫度(Ts－l)隨著凝固進程的發展不斷下降.當凝固進程相同時，簾線鋼的碳含量越高，凝固前沿溫度也就越低.

(2)碳含量對于不同級別的簾線鋼中TiN夾雜的析出有著明顯的影響.碳含量越高，在鋼液凝固過程中TiN夾雜就越容易析出和長大.

(3)為了控制超高強度級過共析簾線鋼中TiN夾雜的尺寸，必須實施比亞共析簾線鋼更為苛刻的煉鋼和連鑄工藝措施，進一步降低鋼水中N和Ti的初始含量.

［1］Lei Jialiu，Xue Zhengliang，Jiang Yuedong，et al.Study on TiN precipitation during solidification of hypereutectoid tire cord steel［J］.Metalurgia International，2012，17(9):10－15.

［2］Ohnaka I.Mathematical analysis of solute redistribution during solidification with diffusion in solid phase［J］.Transaction ISIJ，1986，26(12):1045－1051.

［3］陳恩普.鐵基、鎳基、鈷基合金熔點計算方法和經驗公式［J］.特殊鋼，1992，13(2):25－30.

(Chen Enpu.Calculation method and empirical formula for melting point of Fe－based，Ni－based and Co－based alloy［J］.Special Steel，1992，13(2):25－30.)

［4］傅杰、朱劍，迪林，等.微合金鋼中TiN的析出規律研究［J］.金屬學報，2000，36(8):801－804.

(Fu Jie，Zhu Jian，Di Lin，et al.Research on precipitation regularity of TiN in micro alloy steel［J］.Acta Metallurgica Sinica，2000，36(8):801－804.)

［5］梁連科.冶金熱力學及動力學［M］.沈陽:東北大學出版社，1990，30－31.

(Liang Lianke.Metallurgical thermodynamics and kinetics［M］.Shenyang:Northeast University Press，1990，30－31.)

［6］Ma Zhongting， Janke Dieter. Characteristic ofoxide precipitation and growth during solidification of deoxidized steel［J］.ISIJ Interational，1988，1(38):46－52.

［7］曲英.煉鋼學原理［M］.北京:冶金工業出版社，1983，8: 294－313.

(Qu Ying.Steelmaking principles［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1983，8:294－313.)

［8］Ueshima Y Mizoguchi S，Matsumiya T.Analysis of solute distribution in dendrites of carbon steel with δ/γ transformation solidification［J］.Metallurgical Transaction，1986，17B(4): 845－859.

［9］Manohar P A，Dunne D P，Chandra T，et al.Grain growth predictions in microalloyed steels［J］.ISIJ Interational，1996，36(2):194.

Effect of carbon content on TiN inclusion precipitation in tire cord steel

Lei Jialiu1，Xue Zhengliang1，Jiang Yuedong1，2，Zhang Jing1，Xiong Rui1，Zou Feng1

(1.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China;2.Research and Development Center of Wuhan Iron＆Steel Group，Wuhan 430080，China)

Precipitation of TiN inclusion during solidification of tire cord steel containing different carbon(0.72%，0.82% ，0.95%)was studied by thermodynamics.The results showed that carbon content has obvious effect on TiN inclusion precipitation for different strength of tire cord steel.With increment of carbon content，temperature in the front of solidification drops gradually and the activity product of titanium and nitrogen for TiN inclusion precipitation declines gradually.When the steel contains the same Ti and N，the higher carbon content is，the larger TiN inclusion is.In order to control the harmful effect of TiN inclusion，it must reduce Ti and N content in the steel.

hypereutectoid tire cord steel;TiN inclusion;carbon content;thermodynamics

TF 703.5

A

1671-6620(2014)02-0125-03

2013-08-11.

武漢市科技攻關計劃項目資助 (項目編號:201210321098).

雷家柳 (1987—)，男，武漢科技大學博士研究生，E－mail:710158466@qq.com.

book=5,ebook=51