摘要：为了减少轮胎钢丝在冷拔时的断头，除要求控制钢的成分和纯度外，还要求控制钢中夹杂物的形态。E．T．Turkdogan认为锰铝石榴子石(spessartite)对减少断头有利。为了生成spessartite，在钢包内喂入16 mm×7mml空心断面内的苏打石灰碎玻璃去除多余的Al₂O₃．G. M. Fauling认为用硅灰石作LF顶渣将spessartite变态为钙斜长石(anorthite)对冷拔性能更为有利。为了减少轮胎钢丝钢连铸大方坯的中心偏析应当采用MSR(mechanical soft reduction)。

关键词：轮胎钢丝；锰铝石榴子石；钙斜长石；硅灰石；机械轻压下

1  对轮胎钢丝钢化学成分的要求

    轮胎钢丝是很细的高碳钢丝，直径为0．15～0．40 mm。轮胎钢丝是用直径为5．5 mm的棒材冷拔成的。化学成分见表1。

为了提高高强度轮胎钢丝的扭转塑性，其化学成分应控制在w(Mn)为0．5％，ω(P、S)<0．01％，ω(N)应当低一些以消除在拔丝时的应变时效。

    乔治汤钢厂用电弧炉和小方坯连铸机来生产轮胎钢丝钢，要求钢中ω(N)在0．005％以下。为了降低钢中N含量，要求增加装入金属料中DRI(Direct Reduced Iron，直接还原铁)所占的比例(装入金属料DRI+废钢=100％)。DRI占的比例与出钢时N含量的关系见表2。

    乔治汤钢厂1996年在装入金属料中DRI占55％，废钢占45％。可见，当电弧炉装入金属料中DRI>50％时，电弧炉出钢时的N含量接近于氧气转炉出钢时的N含量。

  高强度轮胎钢丝可以减少轮胎重量和滚动阻力。汽车在公路上行驶时，轮胎的滚动阻力占油耗的7．1％，在市区内行驶时占油耗的4．2％。在美国，如果将轮胎钢丝钢的强度从3 400 MPa提高到4 700 MPa时，每年可节省汽油2．364 X10⁹ L．

2对轮胎钢丝钢中夹杂物成分的要求

  轮胎钢丝钢在拔成很细的丝时，容易断头。断头是由于钢中含有不变形夹杂(热轧后，夹杂物的长／宽比小于3时为不变形夹杂)。要求不变形夹杂的直径d<20μm。d=10~30μm的不变形夹杂几乎不可能从钢水中排出。不变形夹杂包括MgO·Al₂O₃、高熔点的铝酸钙和Al₂O₃。

  G．M．Faulring对轮胎钢丝钢的热加工和冷拔性能进行了论述。他认为锰铝石榴子石(3MnO·A1₂O₃·3SiO₂，其中w(SiO₂)=36．4%，w(A1₂O₃)=20．6％，ω(MnO)=43％)在热加工时是可变形夹杂(即玻璃体)，但在热加工后的冷却过程中会由原来的玻璃体变成结晶体。如果将结晶体的spessartite进行冷拔，则容易产生断头。他提出，在LF内加入硅灰石(wollastonite，CaO۰SiO₂，其中w(CaO)为47．5％，w(SiO₂)为51％，熔点为1 540℃)为主要成分的顶渣(与硅灰石一起加入少量萤石或Al₂O₃，可将熔点降低到1 200℃)，可以使spessartite变态为钙斜长石(CaO·A1₂O₃·2SiO₂)，其中ω(SiO₂)=43％，w(CaO)=20％，ω(A1₂0₃)=37 0 o。anorthite

在热加工时是可变形夹杂，在热加工后的冷却过程中仍然保持为玻璃体，即anorthite不但在热加工时是可变形夹杂，而且在冷加工时仍然是可变形夹杂。在热加工时产生的细长anorthite夹杂在冷加工时被破碎、分离和分布在细钢丝的长度上。这种极细的夹杂物碎片在冷加工时对钢丝断头影响较小。

    G．M．Faulring认为为了在Mn—Si脱氧时将生成的蔷薇辉石(Rhodonite，MnO·SiO₂，其中w(SiO₂)=45．9％，ω(MnO)=54．1％)转化为spessartite，无需在出钢时另外加入Al，这是因为在废钢和FeSi中含有的少量Al就足以实现这种转化。在LF内为了实现将spessartite变态为anorthite，还要具有无渣出钢或出钢后扒渣的条件。

       如果用Al₂O₃作包衬，顶渣成分应控制在ω(SiO₂)／w(CaO)=0．9，w(A1₂O₃)=10％。如果用MgO作包衬，顶渣成分应控制在w(SiO₂)／w(CaO)=0．9～1．1，ω(MgO)=15％，w(A1₂O₃)=1％，w(CaF₂)=10％。这样，可以将ω([O]_熔)控制在(10～20)×10^一6的范围内。当ω([O]_熔)>20 X 10^-6时,会生成不变形的富SiO₂夹杂，当ω([O]_熔)<10 X 10^-6时，会生成不变形的富Mg硅酸盐。

        G．M．Faulring认为，生产轮胎钢丝钢时不宜用真空脱气处理，否则将有Mg和Al从包衬和顶渣中还原出来，也不宜用CaSi处理钢水，Mg，A1和Ca会在钢水中形成不变形夹杂。

        G．M．Faulring还认为上述用熔渣工程(slag—engineering)来实现夹杂物工程(inclusion-engincering)的方法可以移植到用于高速切削的中碳易切削钢的生产。中碳易切削钢(ω(C)=0．2％，ω(Si)=0．13％～3．00%，ω(Mn)=0．60%～0．77％)的含Si量与含Mn量与轮胎钢丝钢相近。切削过程中的断屑和工具磨损与钢中夹杂物是否变形有关。如果易切屑钢中的夹杂物以anorthite状态存在，则切削性能最好，如表3所示。

    E．T．Turkdogan在谈及轮胎钢丝时有以下论述：

    轮胎钢丝钢是粗晶粒钢。这种钢的w([Al]_总)要求控制在(15～25)×10^-6很窄的范围内，以保证脱氧产物成为液态spessartite。他认为spessartite对冷拔成Φ0．2 mm的细丝有很好的伸长性。如果ω ([A1]_总)>25 X 10^-6，则会生成Al₂O₃夹杂。如果w([Al]_总)<15×10^-6  ，则会生成固态SiO₂夹杂。A1₂O₃和固态SiO₂都没有塑性，因此在冷拔时都会使细丝断头。

      为了保证脱氧产物成为spessartite，这种钢在出钢时往200 t钢水的钢包内加入Mn-Si使钢中w(Si)=0．1％～0．2％，w(Mn)≈0．5％，同时还加入约35 kg条铝，使ω([A1]_熔)<10×10^-6。为了保证去除钢水中残留的固态氧化物，钢水还常用CaSi处理。

    E．T．Turkdogan认为如果上述操作方法还不能去除钢水中的固态氧化物，他提出用喂入搀有石灰石的苏打石灰碎玻璃来净化钢水取代用CaSi处理和用Ar洗涤钢水.。

    苏打石灰玻璃和搀人的石灰石装在断面为16 mmX 7 mm的空心薄钢片内。当喂人的苏打石灰玻璃分散在钢水中时，搀入的石灰石分解，产生C0₂。

    E．T．Turkdogan认为用喂人搀有石灰石的苏打石灰玻璃取代加入CaSi和用Ar洗涤钢水，去除钢水中的固态夹杂物，可以保证钢中有spes-sartite存在，适合于冷拔成细丝。

     苏打石灰玻璃的组成及各组分对A1₂0₃的熔解度见表4。

    苏打石灰玻璃的熔点约为1 000℃，当被A1₂O₃饱和时，其液相线温度约为1 300℃。

    苏打石灰玻璃的喂人量为每吨钢水0．3 kg，另外每吨钢水搀入9 g石灰石。

    E．T．Turkdogan还谈到喂入苏打石灰碎玻璃有望改善加硫易切削钢(ω(Mn)=1.1%，ω(S)=0．3％，ω(O)=200×10^-6)的切削性能。

3减少轮胎钢丝钢连铸大方坯中心偏析 的措施

  浦项钢铁公司用连铸大方坯(250 mm×300mm)来生产轮胎钢丝钢(P70)和轴承钢(SU2)时。用S+F- EMS来减少铸坯的中心偏析。

    用S—EMS(在二冷区的电磁搅拌)时，过热温度低(△T=16℃)才能得到等轴晶结构。F—EMS(在凝固后期的电磁搅拌)对减少中心偏析有显著效果。碳含量愈高，最佳拉速应当愈低，在F—EMS装置处的最佳液穴厚度应当愈窄，见表5。

    浦项为了进一步减少连铸大方坯(250mm×330 mm)的中心偏析，除采用ΔT<15℃和S+F—EMS外还采用机械轻压下(MSR)。MSR区应在液穴末端钢水固相率f_s=0．3～0．8的范围内。液穴末端距弯月面的距离随碳含量、拉速和铸坯宽度的增加(当铸坯宽度从300mm增加到330 mm时)而增加。轻压下区距弯月面的距离选定在12．2 m和16．2 m之间。

    最佳总压缩量为6 mm。小于6 mm时，中心偏析减少的小，但内裂个数减少，见表6。

    压缩区内前两个辊子的压缩量是关键。

    浦项为了进一步减少作轮胎钢丝用的连铸大方坏(250 mm x 330 mm)的中心偏析和提高纯度，除采用以上措施外，为了抑制钢水被二次氧化，还采用中间罐保护渣代替碳化稻壳。为了使夹杂物中的A1₂O₃少于25％，还将钢包集流水口所用原材料的铁矾土上改用烧结A1₂0₃，将浸入式水口和中间罐塞棒所用原材料从A1₂O₃改用MgO基，见表7。

    采用以上各项措施后，轮胎钢丝钢在拔丝时每吨钢的断头数，见表8。

  鲁尔(Ruhort)第二炼钢厂6流265 mm x385 mm大方坯连铸机，在生产的钢种中钢丝绳占15％，滚珠轴承钢占6％，钢轨占15％。从1993年8月到1994年1月对连铸机进行了改造。拉速从改造前的0．85 m／min提高到1 m／min。改造前后的情况见表9。

      改造后M—EMS(在结晶器内的电磁搅拌)使铸坯表面上的纵裂和气孔减少。采用M+S—EMS还不足以将中心偏析降低到足够的程度。改造后MSR应装在对应于铸坯中心钢水固相率f_s=0．2～0。7的范围内。MSR装置由5个机架组成(其中3个机架的上下辊是驱动辊)，MSR机架始于距弯月面17．4 m处，全长4．6 m，拉速为0．80～0.85 m／min。结果表明，只用3个机架，总压缩量为(1+2+3)=6 mm时，就可以将ω(C)大于0．7％钢的中心偏析减少到足够的程度。

    在拉速提高后，改造后的扇形体1可以防止在铸坯上部由鼓肚使铸坯产生偏离角纵裂。为了避免铸坯内裂，改造后用两个矫直辊(一个矫直辊合并在MSR装置内)。

4  结  语

       轮胎钢丝钢的成分应将ω(Mn)控制在0．5％，w(P、S)控制在<0.01％，ω(N)控制在0．005％。钢水中初生夹杂应为spessartite，并用硅灰石作LF顶渣，将spessartite变态为anor-thite 。

      为了减少轮胎钢丝钢连铸大方坯的中心偏析，应当采用MSR。