硬線鋼（82B)冶煉終點C成分偏差對鋼材性能的影響

張建新，李鴻鋼，陳海軍

（寶鋼集團八鋼公司制造管理部）

1 前言

預應(yīng)力鋼絲用鋼（82B）盤條的深加工以冷拉拔為手段，其拉拔性能與鋼的組織狀態(tài)有密切關(guān)系。為了保證拉拔過程的順利進行及拉拔后鋼絲的力學性能,要求82B高碳盤條必須具有穩(wěn)定且滿足標準要求的化學成分。均勻的鋼材組織以及較高的索氏體含量，優(yōu)良的力學性能。

隨著預應(yīng)力鋼絲向高強度和大變形量方向的發(fā)展（要求鋼絲拉拔總壓縮率在85%以上、抗拉強度達到2000 MPa以上，同時應(yīng)具有良好的塑性δ100≥3.5%,因此對82B高碳鋼盤條生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。要滿足其使用的特殊性，在煉鋼工序應(yīng)滿足：（1）鑄坯C偏析盡可能小，以保證鋼材組織的均勻，性能的穩(wěn)定；（2）[O]、[N]含量盡可能低，保證成品盤條的[O]＜50×10-6，[N]＜80×10-6；（3）夾雜物級別盡可能低，一般脆性夾雜物與塑性夾雜物之和不大于3.0。因此，冶煉的過程控制對保證82B盤條質(zhì)量至關(guān)重要。筆者對八鋼開發(fā)生產(chǎn)82B盤條的性能及轉(zhuǎn)爐冶煉終點碳含量的影響進行探討，提出有針對性的操作建議，生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的82B盤條。

2 82B高碳鋼冶煉控制難點及控碳方法

82B高碳鋼盤條一般以冷拉拔為主要加工手段。當變形條件一定時,抗拉強度和延展性能與鋼的組織狀態(tài)有密切關(guān)系,為了獲得充分延展條件下的高強度和高韌性,就需要盤條的金相組織和成分處于合理均勻狀態(tài)。對82B高碳鋼來說，由于鋼在凝固過程中碳元素的選分結(jié)晶，鋼中的碳將產(chǎn)生偏析，如果在冶煉后期向鋼水中增碳，則會加劇鋼水中碳的偏析及偏聚。由于碳在連鑄坯中的不均勻分布，又極易產(chǎn)生網(wǎng)狀滲C體組織，造成盤條在拉拔過程中的脆斷。同時，由于加入大量的增碳劑，必然導致夾雜物數(shù)量增加，夾雜物的存在又破壞了金屬組織的連續(xù)性,在拉拔中容易引起應(yīng)力的集中,導致鋼絲斷裂。因此類鋼種中的夾雜物種類多以硫化物、氧化物、硅酸鹽等為主,均屬脆性夾雜物，因此應(yīng)加以嚴格控制。

據(jù)有關(guān)資料介紹[1],在一定條件下,當碳的質(zhì)量分數(shù)波動0.01%時,盤條抗拉強度將發(fā)生10MPa的波動,而按85%的總壓縮率計算,其最終將波動20MPa。盤條含碳量的波動范圍越大,鋼材抗拉強度的波動就越大。

根據(jù)分子運動學-布朗運動理論，在膠體介質(zhì)中粒子做不規(guī)則的運動，其運動的速度取決于粒子的大小、溫度以及介質(zhì)的黏度，其運動的結(jié)果必然在膠體介質(zhì)中表現(xiàn)出擴散現(xiàn)象，即：粒子能自發(fā)地從濃度高處向濃度低處擴散，由此可導出粒子在時間t內(nèi)的平均位移（s）和擴散系數(shù)之間的關(guān)系：

R為介質(zhì)的熱力學常數(shù)；No為阿弗加得羅常數(shù)；η 為介質(zhì)的黏度常數(shù)；r為粒子半徑；T為介質(zhì)溫度。

將鋼水視為膠體介質(zhì)，在一定溫度下碳粒子發(fā)生不規(guī)則的擴散運動，其運動結(jié)果與冶煉周期呈正比。因此，為保證碳粒子的均勻擴散，一定溫度下的冶煉時間必須足夠。為此進行了試驗，在出鋼時保證磷、硫有效脫除的前提下，轉(zhuǎn)爐冶煉終點保持較高的留碳量，精煉期通過合金加入，在不加或少加碳粉的基礎(chǔ)上對鋼水的含碳量進行微調(diào)，保證了擴散時間，從而達到既不改變冶煉周期，又有充足的時間及溫度保證鋼水中碳的擴散，達到均勻鋼水之目的。

另外，在冶煉過程中，鋼液脫氧和增氧過程同時存在，而脫氧主要是依靠C－O反應(yīng)生成CO氣泡，以此將鋼液中的[O]帶出而達到脫氧的目的。在脫氧過程中，鋼液脫碳速度與脫氧速度成正比，因此鋼液中碳含量高時，碳氧反應(yīng)強烈，熔池產(chǎn)生大量的CO氣泡將鋼液中的氧脫除，有效降低鋼水的氧含量。

3 冶煉82B高碳鋼的生產(chǎn)控制

化學成分的含量及小的成分波動是決定盤條的組織性能和拉拔性的關(guān)鍵因素。按85%的總壓縮率要求和國家GB/T 24238-2009《預應(yīng)力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤條》標準，經(jīng)計算在與用戶進行充分地協(xié)商的基礎(chǔ)上，制定了企業(yè)內(nèi)控標準。其化學成分設(shè)計標準見表1。

表1 硬線鋼（82B)化學成分設(shè)計的標準

八鋼冶煉82B高碳鋼的工藝流程：鐵水預處理－LD（120t轉(zhuǎn)爐）－LF（70t精煉爐）—連鑄（4機4流方坯連鑄）—軋鋼（高速線材軋機）。

冶煉過程的關(guān)鍵控制點：（1）嚴格要求鐵水裝入量，控制好鐵水與廢鋼比例，保證一定的供氧強度，根據(jù)噸鋼氧耗計算出合理的供氧強度和時間，并選擇合理的造渣冶煉操作，第一批渣料加入占總量約1/3，要求在轉(zhuǎn)爐冶煉前期早化渣，化透渣，爐渣堿度控制在3.5。采用高拉補吹，終點降槍時間大于40秒，確保爐內(nèi)鋼水成分均勻。

（2）冶煉到終點時進行高拉補吹：當碳在1.00%～1.20%時，倒爐測溫取樣，根據(jù)成分溫度確定補吹量，終點控制范圍為C≥0.60%，P≤0.008%。

（3）出鋼過程中加入一定量的脫氧合金和硅錳合金，對鋼水進行脫氧和合金化，合金不足部分在精煉爐中補加：采用電石預脫氧，電石根據(jù)終點碳適量加入；合金化則采用硅錳合金、高碳鉻鐵、鋁鐵，在鋼水出至鋼水總量的1/4～1/3時開始加入，所有鋼包內(nèi)加入的合金必須保證在鋼水出至出鋼量的3/4時加完。

（4）加入Cr的作用。Cr可提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線發(fā)生右移，減小了臨界冷卻速度，從而有效提高了鋼的淬透性又增加了索氏體量；在中、高碳鋼中加入0.2%～0.5%的Cr，可促使晶粒組織細化，使晶體組織片層變薄，從而產(chǎn)生“細晶強化”的作用。因此，LF精煉期向鋼水中加入Cr,一方面有利于形成更多的索氏體組織,改善母材的加工性能;另一方面又可使晶粒細化,增強“細晶強化”的作用，以提高預應(yīng)力鋼絲的強度和韌性。

通過大量的生產(chǎn)實踐驗證，碳的終點控制完全能滿足設(shè)定的內(nèi)控標準要求。

4 關(guān)于82B盤條轉(zhuǎn)爐冶煉終點C含量討論

4.1 82B盤條性能和冶煉終點C及鑄坯含C關(guān)系

從檢測結(jié)果（表2）可以看出：轉(zhuǎn)爐冶煉終點留C量的多少與82B盤條的抗拉強度、面縮等性能指標關(guān)系密切，由于個別爐次終點C偏低，導致82B盤條的抗拉強度及面縮偏低，甚至出現(xiàn)了脆斷現(xiàn)象；而終點留C≥0.60%的爐次其軋制15天的時效后，其檢測結(jié)果皆滿足標準要求，且在用戶使用過程中未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。經(jīng)與用戶協(xié)議確定：（1）時效15天以上；（2）抗拉強度大于1100MPa；（3）面縮大于30%。詳見表2。

4.2 熔煉成品碳含量與鋼材含[O]量對比分析

鋼中的全氧含量是指鋼中全部氧化物的總和，也是反映鋼水純凈度的重要指標，當終點碳含量低時由于加入了大量的增碳劑和脫氧劑使得鋼中的[O]含量增加。因此控制終點碳的含量就能有效的降低鋼材中[O]的含量，使得鋼中夾雜物的含量有效降低，見圖1所示。

圖1顯示，轉(zhuǎn)爐終點碳含量與鋼材含氧量有蜜切的相關(guān)性，當轉(zhuǎn)爐終點碳含量高時，鋼材的氧含量相應(yīng)降低。證明轉(zhuǎn)爐終站點碳含量的高低決定了鋼材氧含量（鋼水純凈度）。

4.3 終點C對鋼材索氏體及網(wǎng)狀滲C體的影響

硬線鋼盤條一般以拉拔為主要深加工手段，當變形條件一定時,抗拉強度和延展性能除與鋼的含C量有關(guān)外，還與鋼的組織狀態(tài)有密切關(guān)系。為了獲得充分延展條件下的高強度和高韌性,就需要軋制盤條的組織呈均勻狀態(tài)分布,因此終點C含量的高低又成為其非常重要的影響因素之一。

由于硬線鋼屬于高C鋼系列，C的偏析將使得盤條中心部位極易產(chǎn)生粗大組織和異常的網(wǎng)狀體組織,這就造成盤條拉拔時表層金屬容易流動而中心則變形困難，甚至斷裂后仍存在部分未變形的異常組織——即杯錐狀斷口,此類斷口對預應(yīng)力鋼材應(yīng)用危害極大且也是常見缺陷。

若冶煉期終點C含量偏低，則為保證其化學成份只好在LF精煉期加入大量碳粉及合金，由于鋼包低吹氬加強攪拌，降低了鋼水溫度，需消耗一定時間提升溫度、熔化合金實現(xiàn)脫氧合金化，加之受冶煉周期的制約，導致鋼包鋼水鎮(zhèn)靜時間相對減少，致使碳粒子來不及實現(xiàn)均勻的擴散，從而導致C的偏析出現(xiàn)。若要解決這一問題就需要保證一定溫度下的鎮(zhèn)靜時間必須足夠，這又與生產(chǎn)節(jié)奏產(chǎn)生矛盾。為此，在出鋼時保證磷、硫的有效脫除的前提下，保持鋼水較高的留碳量，取得了顯著效果。

一般標準中規(guī)定索氏體量含大于80%，當終點碳含量低于一定值時，索氏體含量大幅度降低并伴有網(wǎng)狀滲C體出現(xiàn)，具體情況見表3?？蓮膶ΡP條的金相組織照片中得到進一步證實。

表3 終點C量與鋼材索氏體量、網(wǎng)狀滲C體組織對比情況

圖1 金相組織圖

從金相組織照片可以看出：4號試樣終點C為0.71%，索氏體量達到90%，組織正常，拉拔情況良好；6、8、10號試樣終點C分別為0.34%、0.42%、0.48%，索氏體量分別為65%、60%、70%，心部組織中有塊狀滲碳體出現(xiàn)，拉拔中頻繁出現(xiàn)斷裂問題；7號試樣終點C為0.52%，索氏體量為65%，靠近心部組織中有夾雜物，拉拔中也頻繁出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

5 改進預應(yīng)力鋼絲用盤條質(zhì)量的冶煉操作建議

（1）提高冶煉過程的操作水平，使冶煉終點保持較高碳含量,盡量減少精煉過程的增碳量，進而減少鋼中的夾雜物含量。

（2）精練過程應(yīng)準確控制，保持各爐間化學成份的均勻穩(wěn)定，以利于軋制過程的控冷控制，為后續(xù)拉拔創(chuàng)造條件。

（3）軋制過程中應(yīng)有效控制加熱溫度和控冷條件，以保證組織的均勻。

[1]余宗森，袁澤喜，李士琦，武駿等.鋼的成分、殘留元素及其性能的定量關(guān)系.[M].1.北京：冶金工業(yè)出版社,2001.

[2]陳偉慶，馮軍.高強度預應(yīng)力鋼絞線用盤條的質(zhì)量控制.金屬制品，2005，（5）.

[3]李桂英，姜世全.82B盤條質(zhì)量研究.金屬制品，2005，（3）.