碳含量对帘线钢凝固析出TiN夹杂的影响

雷家柳，薛正良，蒋跃东，2，张 京，熊 锐，邹 峰

(1.武汉科技大学 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，武汉 430081; 2.武汉钢铁 (集团)公司研究院，武汉430080)

碳含量对帘线钢凝固析出TiN夹杂的影响

雷家柳1，薛正良1，蒋跃东1，2，张 京1，熊 锐1，邹 峰1

(1.武汉科技大学 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，武汉 430081; 2.武汉钢铁 (集团)公司研究院，武汉430080)

对含碳量 (质量分数)分别为0.72%、0.82%和0.95%的帘线钢凝固析出TiN夹杂进行热力学研究，结果表明:碳含量对于不同强度级别的帘线钢中TiN夹杂的析出有着明显的影响.随着帘线钢碳含量增加，凝固前沿温度逐渐降低，析出TiN夹杂所需的氮钛活度积也逐渐下降.在相同的钢液初始Ti、N含量条件下，较高碳含量的帘线钢中析出的TiN夹杂尺寸会大于较低碳含量帘线钢中析出的TiN夹杂尺寸.为了控制超高强度级别的过共析帘线钢中TiN夹杂的析出对帘线钢加工性能的有害影响，必须通过冶炼工艺进一步降低钢液中的钛、氮含量.

过共析帘线钢;TiN夹杂;碳含量;热力学

帘线钢是一类高强度有着特殊用途的高碳钢，具有提高轮胎强度、韧性以及耐疲劳性能的作用，其盘条主要用于生产轿车轮胎子午线钢丝.随着汽车轻量化及从提高轿车安全性出发，轿车轮胎帘线钢丝的强度级别在不断提高.20世纪90年代以前轮胎钢丝用钢的主流牌号是1 750 MPa级普通强度的SWRH62A和SWRH67A，20世纪90年代以后轮胎钢丝用钢主流是1 870 MPa级高强度的SWRH72A.进入21世纪，轮胎钢丝产品主流是超高强度级的过共析钢SWRH82A及含碳质量分数达到0.92%～0.95%的更高强度级别的牌号.因而其对钢中不变形钛夹杂的要求也更为苛刻，为了控制过共析帘线钢中钛夹杂对盘条拉拔性能的危害，各钢厂实施了苛刻的炼钢和精炼工艺措施，以尽最大可能将钢液中的杂质元素Ti和N去除到极限含量.尽管如此，在目前炼钢生产技术所能达到的帘线钢Ti、N含量水平下，凝固前沿析出钛夹杂仍然是无法避免的［1］.本文用热力学方法研究不同强度级别的帘线钢的碳含量对钢液凝固析出TiN夹杂的影响规律，为超高强度级别的过共析帘线钢TiN夹杂控制提供理论指导.

1 帘线钢凝固前沿温度变化

钢液凝固前沿温度(Ts－l)即凝固界面温度，该温度值介于固相线温度(Ts)与液相线温度(Tl)之间，且与固液两相区的凝固率(g)有关.钢液凝固前沿温度按公式(1)［2］计算:

上式中:To为Fe的熔点1 538℃，液相线温度(Tl)和固相线温度(Ts)按公式(2)和公式(3)计算:

式(2)、(3)中的w［C］、w［Si］、w［Mn］等分别代表钢中［C］、［Si］、［Mn］等的质量分数(/%).计算使用的帘线钢化学成分见表1.

表1 高碳帘线钢化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition(mass fraction)of high carbon tire cord steel %

按表1中帘线钢成分计算得到各钢种的液相线温度(Tl)和固相线温度(Ts)如表2所示.随着碳含量增加，液相线温度(Tl)和固相线温度(Ts)都逐渐降低，固液相线温度差逐渐变大.

表2 不同碳含量帘线钢的Tl和Ts(℃)Table 2 The value of Tland Tsfor tire cord steel with different carbon(℃)

凝固前沿温度(Ts－l)随凝固率的变化如图1所示.

图1表明，凝固前沿温度(Ts－l)随着凝固进程的发展不断下降.当凝固进程相同时，帘线钢的碳含量越高，凝固前沿温度也就越低.

2 碳含量对帘线钢凝固析出TiN夹杂的影响

钢液在凝固过程中，由于溶质元素的凝固偏析，在凝固前沿Ti和N不断富集，当Ti和N的实际活度积大于TiN析出的平衡活度积时，会按下式析出TiN夹杂［4］:

上式中KTiN为Ti、N平衡活度积，与凝固前沿温度有关.随着固液两相区凝固率(g)增加，凝固前沿温度下降，按公式(5)计算的KTiN也相应下降.

图1 不同碳含量帘线钢凝固前沿温度与凝固率的关系Fig.1 Relationship between temperature in the front of solidification and solidification rate for tire cord steel with different carbon

钢液凝固前沿Ti和N的实际活度积为:

fTi和fN分别为Ti和N在凝固前沿温度下的活度系数，可通过式(7)和式(8)计算:

式(7)和式(8)中fTi(1873)和fN(1873)分别为元素Ti和N在1 600℃时的活度系数.

钢液凝固过程中，由于溶质元素的凝固偏析，凝固前沿溶质元素不断富集，因此公式(9)和公式(10)中w［j］是固液两相区凝固率(g)的函数［7］:

公式(11)用于计算凝固前沿Ti、Si、Mn的质量分数(%)，公式(12)用于计算凝固前沿C、N、P、S的质量分数(%);w［j］0为钢液中溶质元素j的初始质量分数(%)，k为各溶质元素在钢液和γ－Fe中的平衡分配系数，可由文献［8，9］获得.

由公式(6)至公式(12)可计算出钢液凝固前沿Ti和N的实际活度积QTiN，当凝固前沿Ti、N实际活度积QTiN大于平衡活度积KTiN时，在凝固前沿就会析出TiN夹杂.若帘线钢中Ti、N的初始质量分数分别为0.0006%和0.004%，对于72 A、82 A、95 A，TiN夹杂在凝固前沿析出时的凝固前沿温度和凝固率见图2.

图2 帘线钢碳含量对凝固前沿析出TiN夹杂的影响Fig.2 Effect of carbon on TiN inclusion precipitation in tire cord steel

由图2可知，随着帘线钢碳含量的增加，TiN夹杂析出时所对应的凝固前沿温度下降，形成TiN夹杂所需的平衡Ti、N活度积也下降(见图2 (a)).此外，随着帘线钢中碳含量的增加，TiN夹杂也就较早在凝固前沿析出(见图2(b))，因而，TiN夹杂也越容易长大.

综上可知，碳含量对于不同级别的帘线钢中TiN夹杂的析出有着明显的影响.碳含量越高，在钢液凝固过程中TiN夹杂也就越容易在凝固前沿中析出和长大.

由图2(b)可知，对于帘线钢72 A，在凝固率达到92.4%时，才开始析出TiN夹杂，而82 A和95 A析出 TiN夹杂时的凝固率分别提前到91.9%和91.2%.因此降低钢水初始N含量可以推迟TiN夹杂的析出，若把帘线钢82 A和95 A中析出 TiN夹杂时的钢水凝固率也推迟到92.4%，则在钢水初始 Ti含量质量分数均为0.000 6%条件下，应将82 A和95 A的初始N含量质 量分数 分别降 低 到 0.003 36%和0.002 63%.

因此，为了控制超高强度级别过共析帘线钢中TiN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，进一步降低钢水中的N和Ti初始含量.由于N对TiN夹杂长大的影响大于Ti的影响［1］，因此，实际生产过程中进一步降低过共析帘线钢的N含量尤为重要.

生产实践中可采取降低高炉炉料中TiO2含量和降低铁水含硅量来控制铁水中的钛含量，同时做好转炉终点碳温控制、出钢挡渣控制及控制LF精炼渣料和中包覆盖剂中的 TiO2含量.通过这些措施可有效降低高碳帘线钢钢水中的Ti含量.帘线钢中氮的控制主要从以下几方面入手: (1)减少终点补吹;(2)转炉出钢使用预熔渣覆盖钢液，减少吸气;(3)用低氮增碳剂增碳;(4)控制LF精炼渣量及吹氩强度;(5)通过真空处理进一步降低钢水溶解氧和氮含量.

3 结论

(1)凝固前沿温度(Ts－l)随着凝固进程的发展不断下降.当凝固进程相同时，帘线钢的碳含量越高，凝固前沿温度也就越低.

(2)碳含量对于不同级别的帘线钢中TiN夹杂的析出有着明显的影响.碳含量越高，在钢液凝固过程中TiN夹杂就越容易析出和长大.

(3)为了控制超高强度级过共析帘线钢中TiN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N和Ti的初始含量.

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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.

武汉市科技攻关计划项目资助 (项目编号:201210321098).

雷家柳 (1987—)，男，武汉科技大学博士研究生，E－mail:710158466@qq.com.

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