硬线钢（82B)冶炼终点C成分偏差对钢材性能的影响

张建新，李鸿钢，陈海军

（宝钢集团八钢公司制造管理部）

1 前言

预应力钢丝用钢（82B）盘条的深加工以冷拉拔为手段，其拉拔性能与钢的组织状态有密切关系。为了保证拉拔过程的顺利进行及拉拔后钢丝的力学性能,要求82B高碳盘条必须具有稳定且满足标准要求的化学成分。均匀的钢材组织以及较高的索氏体含量，优良的力学性能。

随着预应力钢丝向高强度和大变形量方向的发展（要求钢丝拉拔总压缩率在85%以上、抗拉强度达到2000 MPa以上，同时应具有良好的塑性δ100≥3.5%,因此对82B高碳钢盘条生产工艺提出了更高的要求。要满足其使用的特殊性，在炼钢工序应满足：（1）铸坯C偏析尽可能小，以保证钢材组织的均匀，性能的稳定；（2）[O]、[N]含量尽可能低，保证成品盘条的[O]＜50×10-6，[N]＜80×10-6；（3）夹杂物级别尽可能低，一般脆性夹杂物与塑性夹杂物之和不大于3.0。因此，冶炼的过程控制对保证82B盘条质量至关重要。笔者对八钢开发生产82B盘条的性能及转炉冶炼终点碳含量的影响进行探讨，提出有针对性的操作建议，生产出质量稳定的82B盘条。

2 82B高碳钢冶炼控制难点及控碳方法

82B高碳钢盘条一般以冷拉拔为主要加工手段。当变形条件一定时,抗拉强度和延展性能与钢的组织状态有密切关系,为了获得充分延展条件下的高强度和高韧性,就需要盘条的金相组织和成分处于合理均匀状态。对82B高碳钢来说，由于钢在凝固过程中碳元素的选分结晶，钢中的碳将产生偏析，如果在冶炼后期向钢水中增碳，则会加剧钢水中碳的偏析及偏聚。由于碳在连铸坯中的不均匀分布，又极易产生网状渗C体组织，造成盘条在拉拔过程中的脆断。同时，由于加入大量的增碳剂，必然导致夹杂物数量增加，夹杂物的存在又破坏了金属组织的连续性,在拉拔中容易引起应力的集中,导致钢丝断裂。因此类钢种中的夹杂物种类多以硫化物、氧化物、硅酸盐等为主,均属脆性夹杂物，因此应加以严格控制。

据有关资料介绍[1],在一定条件下,当碳的质量分数波动0.01%时,盘条抗拉强度将发生10MPa的波动,而按85%的总压缩率计算,其最终将波动20MPa。盘条含碳量的波动范围越大,钢材抗拉强度的波动就越大。

根据分子运动学-布朗运动理论，在胶体介质中粒子做不规则的运动，其运动的速度取决于粒子的大小、温度以及介质的黏度，其运动的结果必然在胶体介质中表现出扩散现象，即：粒子能自发地从浓度高处向浓度低处扩散，由此可导出粒子在时间t内的平均位移（s）和扩散系数之间的关系：

R为介质的热力学常数；No为阿弗加得罗常数；η 为介质的黏度常数；r为粒子半径；T为介质温度。

将钢水视为胶体介质，在一定温度下碳粒子发生不规则的扩散运动，其运动结果与冶炼周期呈正比。因此，为保证碳粒子的均匀扩散，一定温度下的冶炼时间必须足够。为此进行了试验，在出钢时保证磷、硫有效脱除的前提下，转炉冶炼终点保持较高的留碳量，精炼期通过合金加入，在不加或少加碳粉的基础上对钢水的含碳量进行微调，保证了扩散时间，从而达到既不改变冶炼周期，又有充足的时间及温度保证钢水中碳的扩散，达到均匀钢水之目的。

另外，在冶炼过程中，钢液脱氧和增氧过程同时存在，而脱氧主要是依靠C－O反应生成CO气泡，以此将钢液中的[O]带出而达到脱氧的目的。在脱氧过程中，钢液脱碳速度与脱氧速度成正比，因此钢液中碳含量高时，碳氧反应强烈，熔池产生大量的CO气泡将钢液中的氧脱除，有效降低钢水的氧含量。

3 冶炼82B高碳钢的生产控制

化学成分的含量及小的成分波动是决定盘条的组织性能和拉拔性的关键因素。按85%的总压缩率要求和国家GB/T 24238-2009《预应力钢丝及钢绞线用热轧盘条》标准，经计算在与用户进行充分地协商的基础上，制定了企业内控标准。其化学成分设计标准见表1。

表1 硬线钢（82B)化学成分设计的标准

八钢冶炼82B高碳钢的工艺流程：铁水预处理－LD（120t转炉）－LF（70t精炼炉）—连铸（4机4流方坯连铸）—轧钢（高速线材轧机）。

冶炼过程的关键控制点：（1）严格要求铁水装入量，控制好铁水与废钢比例，保证一定的供氧强度，根据吨钢氧耗计算出合理的供氧强度和时间，并选择合理的造渣冶炼操作，第一批渣料加入占总量约1/3，要求在转炉冶炼前期早化渣，化透渣，炉渣碱度控制在3.5。采用高拉补吹，终点降枪时间大于40秒，确保炉内钢水成分均匀。

（2）冶炼到终点时进行高拉补吹：当碳在1.00%～1.20%时，倒炉测温取样，根据成分温度确定补吹量，终点控制范围为C≥0.60%，P≤0.008%。

（3）出钢过程中加入一定量的脱氧合金和硅锰合金，对钢水进行脱氧和合金化，合金不足部分在精炼炉中补加：采用电石预脱氧，电石根据终点碳适量加入；合金化则采用硅锰合金、高碳铬铁、铝铁，在钢水出至钢水总量的1/4～1/3时开始加入，所有钢包内加入的合金必须保证在钢水出至出钢量的3/4时加完。

（4）加入Cr的作用。Cr可提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线发生右移，减小了临界冷却速度，从而有效提高了钢的淬透性又增加了索氏体量；在中、高碳钢中加入0.2%～0.5%的Cr，可促使晶粒组织细化，使晶体组织片层变薄，从而产生“细晶强化”的作用。因此，LF精炼期向钢水中加入Cr,一方面有利于形成更多的索氏体组织,改善母材的加工性能;另一方面又可使晶粒细化,增强“细晶强化”的作用，以提高预应力钢丝的强度和韧性。

通过大量的生产实践验证，碳的终点控制完全能满足设定的内控标准要求。

4 关于82B盘条转炉冶炼终点C含量讨论

4.1 82B盘条性能和冶炼终点C及铸坯含C关系

从检测结果（表2）可以看出：转炉冶炼终点留C量的多少与82B盘条的抗拉强度、面缩等性能指标关系密切，由于个别炉次终点C偏低，导致82B盘条的抗拉强度及面缩偏低，甚至出现了脆断现象；而终点留C≥0.60%的炉次其轧制15天的时效后，其检测结果皆满足标准要求，且在用户使用过程中未出现异常现象。经与用户协议确定：（1）时效15天以上；（2）抗拉强度大于1100MPa；（3）面缩大于30%。详见表2。

4.2 熔炼成品碳含量与钢材含[O]量对比分析

钢中的全氧含量是指钢中全部氧化物的总和，也是反映钢水纯净度的重要指标，当终点碳含量低时由于加入了大量的增碳剂和脱氧剂使得钢中的[O]含量增加。因此控制终点碳的含量就能有效的降低钢材中[O]的含量，使得钢中夹杂物的含量有效降低，见图1所示。

图1显示，转炉终点碳含量与钢材含氧量有蜜切的相关性，当转炉终点碳含量高时，钢材的氧含量相应降低。证明转炉终站点碳含量的高低决定了钢材氧含量（钢水纯净度）。

4.3 终点C对钢材索氏体及网状渗C体的影响

硬线钢盘条一般以拉拔为主要深加工手段，当变形条件一定时,抗拉强度和延展性能除与钢的含C量有关外，还与钢的组织状态有密切关系。为了获得充分延展条件下的高强度和高韧性,就需要轧制盘条的组织呈均匀状态分布,因此终点C含量的高低又成为其非常重要的影响因素之一。

由于硬线钢属于高C钢系列，C的偏析将使得盘条中心部位极易产生粗大组织和异常的网状体组织,这就造成盘条拉拔时表层金属容易流动而中心则变形困难，甚至断裂后仍存在部分未变形的异常组织——即杯锥状断口,此类断口对预应力钢材应用危害极大且也是常见缺陷。

若冶炼期终点C含量偏低，则为保证其化学成份只好在LF精炼期加入大量碳粉及合金，由于钢包低吹氩加强搅拌，降低了钢水温度，需消耗一定时间提升温度、熔化合金实现脱氧合金化，加之受冶炼周期的制约，导致钢包钢水镇静时间相对减少，致使碳粒子来不及实现均匀的扩散，从而导致C的偏析出现。若要解决这一问题就需要保证一定温度下的镇静时间必须足够，这又与生产节奏产生矛盾。为此，在出钢时保证磷、硫的有效脱除的前提下，保持钢水较高的留碳量，取得了显著效果。

一般标准中规定索氏体量含大于80%，当终点碳含量低于一定值时，索氏体含量大幅度降低并伴有网状渗C体出现，具体情况见表3。可从对盘条的金相组织照片中得到进一步证实。

表3 终点C量与钢材索氏体量、网状渗C体组织对比情况

图1 金相组织图

从金相组织照片可以看出：4号试样终点C为0.71%，索氏体量达到90%，组织正常，拉拔情况良好；6、8、10号试样终点C分别为0.34%、0.42%、0.48%，索氏体量分别为65%、60%、70%，心部组织中有块状渗碳体出现，拉拔中频繁出现断裂问题；7号试样终点C为0.52%，索氏体量为65%，靠近心部组织中有夹杂物，拉拔中也频繁出现断裂现象。

5 改进预应力钢丝用盘条质量的冶炼操作建议

（1）提高冶炼过程的操作水平，使冶炼终点保持较高碳含量,尽量减少精炼过程的增碳量，进而减少钢中的夹杂物含量。

（2）精练过程应准确控制，保持各炉间化学成份的均匀稳定，以利于轧制过程的控冷控制，为后续拉拔创造条件。

（3）轧制过程中应有效控制加热温度和控冷条件，以保证组织的均匀。

[1]余宗森，袁泽喜，李士琦，武骏等.钢的成分、残留元素及其性能的定量关系.[M].1.北京：冶金工业出版社,2001.

[2]陈伟庆，冯军.高强度预应力钢绞线用盘条的质量控制.金属制品，2005，（5）.

[3]李桂英，姜世全.82B盘条质量研究.金属制品，2005，（3）.