过共析帘线钢中钛夹杂的析出机理及其控制

摘要

帘线钢是制造汽车子午线轮胎骨架-钢帘线的理想材料，是超洁净钢的代表产品。它在生产中对冶炼、轧制、加工等每个环节都有特殊的要求，是名副其实的全过程精品钢材。帘线钢盘条被誉为“线材中的极品”、“线材皇冠上的明珠”，其生产过程包含极高的技术含量。
　　帘线钢产品的发展从二十世纪九十年代普通强度的SWRH62A、SWRH67A，到二十世纪末高强度的SWRH72A，发展到二十一世纪的超高强度级SWRH82A、SWRH90A等牌号。在制造业低碳、节能、环保和低成本生产的大背景下，帘线钢用户在拉丝工艺中省去了一道铅浴淬火工序，使得钢丝在冷加工过程中产生的加工应力无法充分释放。钢丝随后还要承受弯曲、扭转应力，因而极易造成拉拔和合股断丝。氧化物夹杂塑性化技术的发展，解决了脆性氧化物夹杂造成的帘线钢拉拔过程中的断丝问题。但随着帘线钢强度级别的提高，以及直接拉拔工艺的变化，因钛夹杂造成的拉拔断丝现象明显增加。尽管通过炉外精炼技术能够将元素Ti和N的含量控制在很低范围，但帘线钢产品中的钛夹杂依然无法控制在理想水平。对于超高强度级别的过共析帘线钢而言，尺寸大于4.0μm的钛夹杂就会显著增加钢丝的断丝次数。
　　本文在充分文献调研的基础上，结合现场实际生产数据和热力学理论，研究了过共析钢凝固过程中钛夹杂的析出条件和C、N、Ti对凝固析出钛夹杂行为的影响;分析了钛夹杂形成元素Ti和N在帘线钢生产各工序中的影响因素、变化规律和控制措施。并对帘线钢铸坯在加热过程中的分解固溶行为进行了研究和探索。以此为依据，结合某厂过共析帘线钢生产过程中钛夹杂的控制开展了工艺优化研究。结论如下:
　　(1)热力学分析表明:碳含量一定时，TiN夹杂在凝固前沿析出的决定性因素是:初始w[N]0×w[Ti]0积，与Ti或N单一元素含量的高低无关。冷却速率显著影响凝固析出TiN夹杂的最终尺寸。冷却速率和碳含量一定时，影响TiN夹杂最终尺寸的决定性因素是钢液初始N含量而不是Ti含量。
　　(2)帘线钢强度级别越高，钢的碳含量就越高，钛夹杂析出时的凝固前沿温度越低，钛夹杂形成元素的过饱和度越大，其形核-析出-长大的驱动力就越大，也就越有利于钛夹杂的析出与长大。为了控制过共析帘线钢中钛夹杂的尺寸，必须实施比亚共析帘线钢更为苛刻的炼钢和连铸工艺措施，进一步降低钢水中Ti和N的初始含量，特别是N含量的控制。
　　(3)高炉铁水中钛含量和硅含量存在一定的线性关系，硅含量（炉温）对钛含量产生显著影响。转炉终点钢液钛含量受转炉终点钢液碳含量和温度的影响，其中温度的影响尤为明显。为了降低转炉终点钛含量，适当降低转炉出钢温度，将转炉终点碳含量控制在0.06％～0.12％是必要的。为了减少精炼过程以及后续工序中钢液增钛的情况，必须严格控制转炉下渣量以及转炉终渣中的TiO2含量，降低加入炉内的造渣料中的TiO2含量。采用低钛合金及使用含TiO2量低的精炼渣、大包覆盖剂、中包覆盖剂及连铸保护渣。
　　(4)转炉冶炼中期，碳氧反应激烈，脱碳速度很大，有利于钢液中的氮脱除。为控制终点氮含量，应适当提高转炉终点碳含量。吹炼后期向炉内加入矿石或白云石使炉渣发泡，从而避免火点区钢水裸露，能够有效阻止钢水吸氮。转炉出钢过程中吸氮量的多少主要与转炉终点氧含量相关。当钢液中w[O]在0％～0.03％范围时，吸氮量△w[N]E或吸氮率ηE随着氧含量的增加而明显减小;当w[O]＞0.03％时，吸氮量△w[N]E随着氧含量的增加变化趋于平缓，此时钢液的吸氮量△w[N]E小于0.0004％。
　　(5)对72A和82A铸坯进行原位分析检测表明，帘线钢铸坯存在较为明显的中心偏析，钛夹杂主要分布在铸坯的中心和内弧区域。此次铸坯取样的72A氮含量明显高于82A，原位分析检测结果表明N含量高的72A铸坯中的钛夹杂尺寸和数量明显大于N含量低的82A铸坯。这也证明了热力学计算结果的正确性。
　　(6)模拟转炉和精炼条件下外来氮化钛颗粒的溶解行为实验表明，若在较早的冶炼工序存在外来钛夹杂，其在短时间内就可以在钢液中完全溶解。帘线钢盘条中存在的大颗粒钛夹杂，它最有可能来自连铸工序。改善连铸保护渣性能和连铸操作工艺，对于控制帘线钢盘条中可能出现的大颗粒外来钛夹杂具有重要的指导意义。
　　(7)帘线钢铸坯中的钛夹杂在加热过程中分解的热力学环境不同于钢液中钛夹杂析出的热力学环境。帘线钢强度级别越高，钛夹杂分解温度越高;对同一强度级别的帘线钢，钢中Ti或N含量越高，钛夹杂开始分解温度也越高。在1150℃～1250℃温度范围，随着加热温度的升高和保温时间的增加，钛夹杂会不断溶解，钛夹杂的尺寸和数量得到有效控制。
　　(8)结合某厂的实际生产工艺，通过优化炼钢和轧钢工艺措施，在精炼取消VD真空精炼的不利条件下，通过提高轧钢加热炉温度，铸坯中钛夹杂加速分解，82A盘条钛夹杂罚分合格率明显提高。
　　本文的创新性主要体现在以下几个方面:
　　(1)通过热力学理论计算，提出了“等氮钛积线”的概念，结合铸坯钛夹杂的原位分析检测，发现钛夹杂的最终尺寸受钢水N含量的影响远大于受钢水Ti含量的影响。提出控制帘线钢中钛夹杂的尺寸和数量，关键在于钢水中初始N含量及初始w[N]0×w[Ti]0积的控制。
　　(2)帘线钢凝固析出的钛夹杂中TiC的摩尔分数，以及钛夹杂本身尺寸取决于帘线钢C含量。帘线钢C含量越高，钛夹杂析出温度越低，钛夹杂形核-析出-长大的驱动力就越大，析出的钛夹杂中TiC的摩尔分数也越高，钛夹杂析出就越早，也就越有机会长大。
　　(3)探索了铸坯在高温加热过程中钛夹杂的分解固溶规律，帘线钢强度级别越高，钛夹杂分解温度越高;对同一强度级别的帘线钢，钢中Ti或N含量越高，钛夹杂开始分解温度也越高。并据此提出了通过适当提高帘线钢铸坯轧前加热温度控制轧后盘条中钛夹杂尺寸和数量的工艺措施。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题研究背景

1．1．1 钢帘线及帘线钢发展概述

1．1．2 国内钢厂帘线钢生产概况

1．1．3 国外钢厂帘线钢生产概况

1．1．4 高级别帘线钢生产的关键问题

1．2 本课题的研究意义

第二章 文献综述

2．1 帘线钢的生产与发展

2．1．1 钢帝线及帘线钢的生产工艺流程

2．1．2 帘线钢的质量要求

2．2 帘线钢断丝原因分析及对策

2．2．1 夹杂物引起断丝

2．2．2 偏析引起的钢丝断裂

2．2．3 轧钢工序须注意的三大因素

2．3 帘线钢中氧化物夹杂控制概述

2．4 帘线钢中钛夹杂研究进展

2．5 钢中碳氮化物的析出与固溶行为研究现状

2．6 本课题主要研究内容

第三章 帘线钢中钛夹杂析出机理分析

3．1 82A中钛夹杂凝固析出的影响因素分析

3．1．1 微观偏析模型简述

3．1．2 SWRH82A钢中元素的凝固偏析

3．1．3 TiN在凝固前沿的析出热力学条件

3．1．4 凝固过程中TiN夹杂的长大

3．1．5 氮钛积对钛夹杂析出的影响

3．1．6 TiN夹杂的均质和非均质形核

3．2 帘线钢中Ti(CxN1-x)夹杂的析出条件

3．3 本章小结

第四章 碳含量对帘线钢中钛夹杂性质的影响

4．1 碳含量对凝固析出TiN夹杂的影响

4．2 碳含量对凝固析出钛夹杂过饱和度的影响

4．3 中频感应炉试验研究

4．3．1 实验设备及原材料准备

4．3．2 实验方法

4．3．3 实验结果及分析

4．4 本章小结

第五章 帘线钢生产过程中钛的控制

5．1 铁水中的[Ti]-[Si]平衡

5．2 转炉炉渣活度计算模型

5．2．1 渣系结构单元

5．2．2 模型建立

5．2．3 渣中FeO含量对TiO2相关组元活度的影响

5．2．4 炉渣碱度对TiO2相关组元活度的影响

5．3 转炉脱钛热力学分析

5．3．1 转炉脱钛过程中的钛氧平衡

5．3．2 转炉脱钛过程中的碳钛平衡

5．4 帘线钢精炼增钛分析

5．4．1 冶炼各工序钢液钛含量变化

5．4．2 钢液糟炼增钛分析

5．5 本章小结

第六章 帘线钢生产过程中氮的控制

6．1 冶炼各工序钢液氮含量变化

6．2 转炉过程氮含量控制

6．2．1 转炉吹炼过程脱碳对钢水脱氮的影响

6．2．2 转炉终点碳含量对钢水氮含量的影响

6．2．3 转炉出钢过程中钢液吸氮动力学

6．2．4 转炉造渣料对降氮的影响

6．3 精炼过程氮含量控制

6．3．1 LF炉增氮因素及采取措施

6．3．2 VD脱氮模型及脱氮前的控制条件

6．4 连铸过程氮含量控制

6．5 本章小结

第七章 帘线钢中钛夹杂相关分析检测

7．1 帘线钢铸坯样金属原位分析检测

7．1．1 金属原位统计分布分析技术简介

7．1．2 原位分析试样制备

7．1．3 钛夹杂原位分析检测结果

7．2 钢样取样及检测分析

7．3 帘线钢盘条中大颗粒钛夹杂成因分析

7．3．1 炼钢过程中向钢液加氮化钛颗粒试验

7．3．2 试样钢钛夹杂光镜检测

7．3．3 试样钢钛夹杂扫描电镜和电解萃取分析

7．3．4 氮化钛颗粒溶解动力学

7．4 本章小结

第八章 帘线钢加热过程中钛夹杂固溶行为研究

8．1 Ti(CxN1-x)在奥氏体中的固溶热力学

8．2 Ti(CxN1-x)的Ostwald熟化过程及固溶特征

8．3 激光共聚焦高湿扫描显微镜分析

8．3．1 实验主要设备

8．3．2 实验方法

8．3．3 钛夹杂在线观察分析

8．3．4 高温前后扫描电镜分析

8．4 钛夹杂的固溶实验研究及影响因素

8．5 本章小结

第九章 工业生产工艺参数优化研究

9．1 帘线钢中钛夹杂的检测方法和评判标准

9．1．1 钛夹杂的检测方法

9．1．2 钛夹杂的评价标准

9．2 工艺优化措施

9．3 采取工艺优化措施后的效果分析

9．4 本章小结

第十章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文和专利

攻读博士学位期间取得的其他成果

攻读博士学位期间参加的科研项目