MT级钢帘线用盘条均匀性关键技术及应用.pdf
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1、第 44 卷第 6 期2023 年 12 月Vol.44.No.6December 2023特殊钢SPECIAL STEELMT级钢帘线用盘条均匀性关键技术及应用高永彬,李麦麦,郭洛方,代芳音,姜军,袁相坤,张文涛(青岛特殊钢铁有限公司线材研究所,青岛 266409)摘 要:通过增加碳含量及Cr合金化的方式提高帘线钢的强度,设计了MT级钢帘线用盘条C97D2-E的化学成分;采用Scheil-Gulliver凝固微观偏析理论建立新凝固传热模型,指导C97D2-E的连铸工艺,解决了连铸坯中心偏析、疏松和内裂等缺陷,优化后半成品的碳偏析指数可控制在1.05以内;采用特殊设计的风口喷嘴配合斯太尔摩风机
2、的“佳灵”装置,进行风冷工艺优化,优化后盘条索氏体片层间距明显减小,索氏体片更加平直,索氏体片层间距控制在89 nm,珠光体团晶粒度更加均匀细小,珠光体团大小控制在20 m;成品钢丝抗拉强度达到4 089 MPa,扭转过程中无分层,捻制5 000 m无断丝,可满足20.30MT规格钢帘线的要求。关键词:MT级钢帘线用盘条;轻压下;偏析;珠光体团;索氏体片层间距DOI:10.20057/j.1003-8620.2022-00227 中图分类号:TF711Key Technology and Application of Wire Rod Uniformity for MT Grade Steel
3、 CordGao Yongbin,Li Maimai,Guo Luofang,Dai Fangyin,Jiang Jun,Yuan Xiangkun,Zhang Wentao(Institute of Wire and Rod Research,Qingdao Special Steel Co.,Ltd.,Qingdao 266409,China)Abstract:The chemical composition of C97D2-E wire rod for MT grade steel cord was designed by increasing carbon content and C
4、r alloying to improve the strength of cord steel.A new solidification heat transfer model was established by using Scheil-Gulliver solidification micro-segregation theory to guide C97D2-E continuous casting process,and the defects of central segregation,porosity and internal crack of continuous cast
5、ing slab were solved.After optimization,the carbon segregation index of semi-finished product can be controlled within 1.05.The air-cooling process was optimized by using specially designed tuyere nozzle and“optiflex”device of Stelmor,after air-cooling process optimization,the spacing between the la
6、yers of wire rod sorbite was obviously reduced,and the sorbite plate was more straight,the lamellar space of the rod was controlled at 89 nm,the particle size of the pearlite was more uniform and smaller,and the size of the pearlite was controlled at 20 m;the tensile strength of finished steel wire
7、reached 4 089 MPa,there was no delamination during torsion and no broken wire during laying to 5 000 m,which can meet the requirements of 20.30 MT steel cord.Key Words:Wire Rod for MT Grade Steel Cord;Soft Reduction;Segregation;Pearlite Nodule;Soxtenite Lamellar Spacing为响应国家“双碳”战略目标以及顺应汽车轻量化发展趋势,汽车轮
8、胎用钢帘线向着高强度、更细规格等先进技术方向发展1-2。钢帘线的强度等级由高强度(HT)向超高强度(ST)、特高强度(UT)逐步迈进。近年来,国际知名轮胎企业对钢帘线的强度等级提出了更高的标准要求,极高强(MT)钢帘线是行业中提出的更高强度级别的钢帘线3。直径0.3 mm 帘线单丝,依据 ISO178322018子午线轮胎用钢帘线国际标准,UT级别的钢帘线单丝的抗拉强度应满足(3 500150)MPa。对于 MT 级钢帘线,国际标准无明确要求,按照行业规则应符合“MT级钢帘线的单丝抗拉强度(4 700-2 000D)MPa”的要求,即钢帘线单丝的抗拉强度应达到(4 100150)MPa。目前国
9、内钢铁企业可以稳定生产高强(HT)、超高强(ST)级的钢帘线用盘条,个别企业可批量供应特高强度(UT)级钢帘线盘条,基本满足了轮胎产业的需求。由于MT级钢帘线的碳含量高(0.97%)、大应变量(3.04.0)等特点,对盘条的夹杂物、碳偏析、组织均匀性要求更高。目前,MT级钢帘线用盘条基本全部依赖进口,国内帘线钢的冶炼水平难以实现极高强度钢帘线用钢的质量要求4,国内关于极高强钢帘线用盘条的生产研究鲜有报道。目前国内帘线钢夹杂物的控制水平已经达到国际先进水平,97 级帘线的夹杂物控制难度不大。但对于“一火材”冶炼97级高碳钢盘条,在保证材料均匀性方面存在巨大挑战,因此,青岛特钢成立专门的项作者简介
10、:高永彬(1976),男,硕士,高级工程师;E-mail:;收稿日期:2022-12-0419第 44 卷 特殊钢目攻关组,开展MT级钢帘线用盘条均匀性关键技术研究及应用,以满足极高强度钢帘线钢丝的制造要求。1材料成分设计钢帘线成品钢丝抗拉强度与其化学成分和组织息息相关。在帘线钢的成分设计方面,增加帘线钢强度的重要途径是提高碳含量或者合金化。碳含量高的钢丝热处理后可获得高的抗拉强度,在后续的拉拔中也具有高的加工硬化率;Cr合金化是提高钢帘线强度的另一个重要途径,相关研究表明添加Cr可以实现线材的高强度以及高塑性5-8,Cr元素的加入降低了奥氏体中碳的扩散速度,使整个C曲线右移,从而推迟珠光体转
11、变,使得珠光体转变在更低的温度下发生,转变温度越低,索氏体的片层间距越细小,索氏体化率越高。同时添加Cr含量可抑制拉拔过程中渗碳体的溶解,从而改善钢丝的扭转分层6。MT级钢帘线的单丝抗拉强度等级应以(4 700-2 000D)MPa 要求设计,其中 D 为单丝直径(mm)。故此,0.30 mm单丝抗拉强度需要达到4 100 MPa,钢丝强度满足要求的同时要保证优异的扭转性能。影响扭转性能的因素有很多,包括镀铜丝的组织性能、拉拔工艺、渗碳体的溶解等。拉拔工艺方面,当总应变量超过一定临界值时,单丝进行扭转测试时发生分层。前期采用C82D2Cr生产20.30UT级别钢帘线,1.94 mm的镀铜丝拉拔
12、到0.30 mm的单丝,单丝抗拉强度仅达到3 850 MPa,无法满足MT级钢帘线要求。为获得 4 100 MPa的单丝强度,根据屠林科夫公式及UT级帘线钢的生产实践,热处理后镀铜丝直径设定在2.0 mm左右,则镀铜丝的目标抗拉强度应满足1 400 MPa。采用增加碳含量及Cr合金化的方式提高帘线钢的强度,设计了C97D2-E钢帘线用盘条的化学成分,其化学成分见表1。2生产工艺流程及均匀性检验评价方法青岛特钢采用180 mm240 mm连铸坯生产MT级钢帘线用盘条的生产工艺流程。KR 铁水脱硫100 吨转炉冶炼100 吨 LF 精炼 炉 精 炼 六 机 六 流 弧 形 连 铸 机 浇 注(坯
13、型180 mm240 mm、中间包等离子加热、结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下)步进式加热炉加热除鳞无扭高速线材轧机轧制斯太尔摩控制冷却盘条(5.5 mm)。MT级钢帘线用盘条的均匀性通过低倍组织、碳偏析、索氏体组织和力学性能进行对比评价分析,试验检验方法为。(1)低倍组织:铸坯和半成品样,在横截面锯切厚度为10 mm的试样,通过铣床加工,采用1 1的盐酸溶液在40 下侵蚀,对比低倍组织。(2)碳偏析:半成品样,在横截面锯切厚度为 10 mm的试样,通过铣床加工,采用钻头取屑样,进行碳偏析指数的测定,对比碳偏析。(3)力学性能:检验自然时效(15天)后盘条的力学性能,拉伸速率50 mm/m
14、in。(4)索氏体组织:采用体积分数3%的硝酸酒精腐蚀,利用金相显微镜和电镜观察盘条的显微组织,并测量索氏体片层间距和珠光体团的大小。3均匀性关键技术3.1铸坯的均匀化控制随着帘线钢碳含量的不断提高,钢的碳偏析控制难度增大,且本钢种成分设计添加了Cr元素,加剧了成分偏析的严重性9。为有效降低极高强度钢帘线用盘条中碳及合金元素的偏析,降低断丝率,提高铸坯均匀化水平尤为重要,生产实践中普遍采用凝固末端电磁搅拌、轻压下等技术解决铸坯的中心偏析和疏松等难题9。传统的凝固传热理论模型大多是基于二维传热模型,结合测温或射钉试验修正,这样得到的理论模型对无合金或合金含量较低的钢种具有适用性,但对于高碳高合金
15、钢种的凝固规律的模拟实用性较差。攻关组将Scheil-Gulliver 凝固微观偏析理论引入到连铸轻压下偏析控制模型中10,并结合小矩形坯特点和高碳钢凝固规律及特性,自主创新开发设计出一套连铸机凝固传热数学模型,并结合射钉试验修正,有效指导高碳钢连铸轻压下工艺参数的优化,微观偏析模型如图1所示。微观偏析控制方程为。CL,i=C0,i1-(1-2iki)fS(ki-1)/(1-2iki)(1)表1C97D2-E钢帘线用盘条的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of C97D2-E steel cord wire rod%项目标准实测C0.951.010.
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