紡織工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，梳理機(jī)是實(shí)現(xiàn)纖維梳理核心工序的主要設(shè)備。針布作為梳理機(jī)等紡織機(jī)械的核心組件，主要用于粗紡、開松、除雜、精細(xì)梳理等紡織環(huán)節(jié)，由底布和穿過底布的U形鋼針組成。針布鋼絲是制造針布的基礎(chǔ)材料，其直徑為0.15~0.18mm，同時具備高強(qiáng)度、高彈性、耐磨、耐腐蝕等特性，其強(qiáng)度高達(dá)2000MPa以上。針布鋼絲以針布鋼熱軋盤條為拉拔原料，對鋼中夾雜物的控制極為嚴(yán)苛，夾雜物的尺寸、數(shù)量、分布及類型直接影響拉拔穩(wěn)定性及針布成品的服役性能。
當(dāng)前高純凈度冶煉技術(shù)顯著減少了夾雜物的數(shù)量，但微米級非金屬夾雜物仍不可避免。由于非金屬夾雜物與基體的彈性模量、熱膨脹系數(shù)存在顯著差異，在外部載荷的作用下會產(chǎn)生非協(xié)調(diào)變形，進(jìn)而在相界面處形成應(yīng)力集中區(qū)域，直接影響材料的加工成形性能。研究表明：夾雜物的數(shù)量、密度、粒徑分布、組織形貌等顯著影響材料的綜合性能；以MnS為代表的塑性夾雜物在軋制加工時易發(fā)生延展變形；而臨界尺寸以上的，以Al2O3為代表的脆性夾雜物因塑性差，易引起材料發(fā)生拉拔斷裂。
非金屬夾雜物不僅關(guān)系到針布鋼的性能指標(biāo)，對加工成品率及構(gòu)件服役的可靠性也具有顯著影響；在特定工況條件下，夾雜物的形態(tài)特征成為決定材料失效模式的主要因素。為此，需嚴(yán)格控制針布鋼熱軋盤條中非金屬夾雜物（如氧化物、TiN、硫化物等）的種類、含量、尺寸及形態(tài)。研究人員對比了國內(nèi)外針布鋼熱軋盤條中的夾雜物情況，并從鋼渣反應(yīng)角度提出該類鋼種夾雜物控制的冶煉技術(shù)方向。
01試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)材料分別選用進(jìn)口與國產(chǎn)針布鋼熱軋盤條，其化學(xué)成分如表1所示。由表1可知：針布鋼屬于中高碳鋼系列，3種試樣的成分相似，潔凈度水平較為一致，僅在Cr、Al、Mn元素含量的控制上存在差異；其中進(jìn)口S鋼的Cr元素含量較高，采用鋁脫氧冶煉工藝，Mn元素含量較國內(nèi)產(chǎn)品略高；國產(chǎn)試樣則采用低Al含量的控制路線。
采用掃描電鏡及能譜儀分析針布鋼
中典型夾雜物的組織形貌與成分，利用全自動夾雜物分析系統(tǒng)對3種針布鋼熱軋盤條內(nèi)夾雜物的成分、數(shù)量及尺寸等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)時重點(diǎn)關(guān)注盤條中縱向等效圓直徑不小于1μm的夾雜物。
02試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 夾雜物密度與尺寸統(tǒng)計(jì)
不同針布鋼盤條中的夾雜物尺寸與分布特征如表2所示。統(tǒng)計(jì)出3組試樣的視場總面積為24~29mm2，其中G鋼的夾雜物密度僅為16.5個/mm2，遠(yuǎn)低于S鋼的69.8個/mm2和N鋼的65.1個/mm2；G鋼夾雜物的數(shù)量最少、面積最小、長寬比最低，而平均尺寸最大，達(dá)到2.73μm，這是因?yàn)楸P條中主要為變形系數(shù)較大的MnS 等夾雜物。
2.2 夾雜物類型分析
3種針布鋼盤條中典型夾雜物的微觀形貌如圖1~3所示，能譜分析結(jié)果如表3~5所示。 由圖1~3可知：進(jìn)口S鋼中大部分為MnS夾雜物及Al、Si、Mg、Ca 等元素形成的復(fù)合氧化物，部分復(fù)合脫氧產(chǎn)物被MnS包裹；國產(chǎn)N鋼和G鋼中的典型夾雜物相似，主要為單一純MnS夾雜、Al-Si-Ca-Mg復(fù)合脫氧產(chǎn)物、被MnS包裹的氧化物，以及含有少量CaS和TiN的夾雜物；進(jìn)口S鋼盤條中的夾雜物類型較簡單，僅含氧化物和硫化物兩類，且伴有部分硫化物包裹氧化物的現(xiàn)象；國產(chǎn)鋼盤條中除硫化物、氧化物外，還存在少量CaS和TiN，夾雜物類型相對復(fù)雜。
3種針布鋼盤條中不同類型夾雜物質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表6所示（采用夾雜物自動分析系統(tǒng)測試，以進(jìn)一步表征3組試樣的差異）。為簡化分類，將硫化物包裹的氧化物統(tǒng)一歸為氧化物類別，TiN及被硫化物包裹的TiN統(tǒng)一歸為TiN類，硫化錳與硫化鈣統(tǒng)一歸為硫化物。進(jìn)口S鋼盤條中夾雜物的類型簡單，無TiN夾雜物，硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)也遠(yuǎn)高于N鋼和G鋼。國產(chǎn)N鋼與G鋼盤條的夾雜物類型較復(fù)雜，二者顯著區(qū)別在于：N鋼中TiN和硫化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而G鋼中氧化物夾雜物質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上。
由于脫氧制度、渣系等不同，在3個 盤條中發(fā)現(xiàn)的氧化物類型差別較大，其成分分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4~6所示。 重點(diǎn)關(guān)注Al2O3、SiO2和MgO+CaO三組氧化物含量的區(qū)別。由圖4~6可知：進(jìn)口S鋼盤條中的大部分成分點(diǎn)靠近圖中的左上部，主要為SiO2和Al2O3；國產(chǎn)N鋼盤條中氧化物夾雜主要為Al2O3，幾乎沒有SiO2；G 鋼盤條中氧化物類型較為復(fù)雜，包括Al2O3、MgO、CaO、SiO2。
2.3 夾雜物尺寸分布
通過全自動夾雜物分析系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)得到 3種試樣中夾雜物的尺寸分布，結(jié)果如圖 7所示。其中進(jìn)口S鋼的平均夾雜物尺寸最小，1~2μm的夾雜物含量最高；N鋼和G鋼的平均夾雜物尺寸依次增大，10μm 以上的大尺寸夾雜物數(shù)量也隨之增多，這與表4中各試樣夾雜物的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合。
根據(jù)3種鋼的成分，利用熱力學(xué)計(jì)算軟件FactSage計(jì)算了冷卻過程中夾雜物的轉(zhuǎn)變規(guī)律（假設(shè)冷卻時間足夠長，確保所有反應(yīng)達(dá)到平衡），結(jié)果如圖8所示。對于S鋼，液態(tài)夾雜物會首先轉(zhuǎn)化為CaMg2、Al16O27（CM2A16）和MgO，平衡后夾雜物主要為Al2O3、MnS、MgS 及CaS。國產(chǎn)N鋼的液相夾雜物首先轉(zhuǎn)化為C2M2A16和MgO，冷卻過程中會析出TiN和MnS，其中MnS的析出溫度達(dá)1200℃，為3組中最高溫度。G鋼中TiN 存在“先析出后消失”的規(guī)律，該計(jì)算結(jié)果可與夾雜物成分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相互印證。
03夾雜物綜合對比評價與控制
3.1 夾雜物控制評價
根據(jù)鋼中各類夾雜物的變形特征，可將其分為4類，如圖9所示。由圖9可知：Ⅰ類夾雜物中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（>70%），為硅酸鹽、鈣鋁酸鹽、高熔點(diǎn)硫化物（如CaS）及氮化物等，變形能力最差，極易引發(fā)拉拔斷裂；Ⅱ類夾雜物為Al2O3、尖晶石型復(fù)合氧化物等高熔點(diǎn)、高硬度夾雜物，同樣對拉拔及服役性能產(chǎn)生不良影響；Ⅲ類夾雜物為硫化物包裹的各類復(fù)合夾雜物，對拉拔性能的影響介于Ⅱ類與Ⅳ類夾雜物之間；Ⅳ類夾雜物中FeS、MnS及SiO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（40%~60%），為低熔點(diǎn)硅酸鹽夾雜，變形能力較好。結(jié)合針布鋼的應(yīng)用特點(diǎn)，夾雜物的控制思路為：尺寸小、熔點(diǎn)低，且在拉拔過程中易變形，以滿足細(xì)絲拉拔需求與使用壽命要求。
針布鋼絲生產(chǎn)需經(jīng)歷熱軋與冷拉拔加工階段，這兩個過程中，夾雜物的變形能力對生產(chǎn)影響顯著。在熱軋過程中，夾雜物的變形能力主要與熔點(diǎn)有關(guān)，熔點(diǎn)越高，變形能力越差；在冷拉拔及冷加工過程中，夾雜物的變形能力主要與其彈性模量有關(guān)，彈性模量越小，變形能力越強(qiáng)。文獻(xiàn)中列出了不同學(xué)者測得鋼中各類氧化物的彈性模量?？梢娋C合控制夾雜物的低熔點(diǎn)與低彈性模量，是保障針布鋼絲生產(chǎn)順行的關(guān)鍵。
綜合對比3種針布鋼盤條夾雜物可知：進(jìn)口S鋼中的夾雜物尺寸小，但多為Al2O3含量較高的復(fù)合氧化物，熔點(diǎn)高，彈性模量大；國產(chǎn)N鋼夾雜物中TiN含量過高，這對其深拉拔極為不利。
國產(chǎn)G 鋼中氧化物夾雜的成分統(tǒng)計(jì)如圖10所示。由圖10可知：國產(chǎn)G鋼中夾雜物SiO2含量更加合理，夾雜物變形能力好，且夾雜物的熔點(diǎn)較低，平均尺寸在3μm以下。
3.2 針布鋼冶煉工藝設(shè)計(jì)
基于針布鋼的生產(chǎn)、加工及使用特性，結(jié)合不同廠家針布鋼中夾雜物的控制現(xiàn)狀，建議采用鋁脫氧工藝，但需將鋼水中的鋁含量控制在較低水平。同時，依據(jù)鋼渣反應(yīng)規(guī)律設(shè)計(jì)爐渣成分，可以促進(jìn)對夾雜物的改質(zhì)與吸附，使盤條中最終保留的夾雜物（尤其是氧化物）滿足低熔點(diǎn)與低彈性模量的要求。研究人員采用電爐→ LF（鋼包精煉爐）→ VD（真空脫氣）工藝生產(chǎn)針布鋼，具體工藝設(shè)計(jì)如下所述。
3.2.1 電爐出鋼
出鋼前，向鋼包中預(yù)先加入預(yù)熔復(fù)合精煉渣和部分低氮增碳劑，預(yù)熔復(fù)合精煉渣中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39%~46%，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于 3%，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于4%，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%~54%，TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%。出鋼過程中，按以下順序加入物料：剩余增碳劑→硅錳合金、石灰、SiC → 20kg 鋁粒，以此完成初始脫氧合金化。出鋼過程采用少量鋁與硅、錳元素聯(lián)合脫氧，既能強(qiáng)化脫氧效果、實(shí)現(xiàn)快速低硫控制，又有利于在出鋼渣洗過程中生成MnO-Al2O3-SiO2復(fù)相夾雜物，該類夾雜物更易被爐渣吸收。
3.2.2 LF-VD過程
LF采用兩段分步造渣工藝。進(jìn)站后，先加入少量預(yù)熔復(fù)合精煉渣與石灰，再配合出鋼渣料及脫氧劑產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)快速造渣；整個過程不使用螢石，既能減輕包襯腐蝕程度，又能避免產(chǎn)生外生夾雜，同時有利于后期實(shí)現(xiàn)精煉終渣的低堿度控制。精煉全程吹氬攪拌，確保鋼水?dāng)噭恿己们也宦懵?。精煉初始階段，需將精煉渣控制為較高堿度，其主要成分中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%~56%，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 16%~20%，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%~16%，精煉渣堿度R控制為 2.5~3.5，CaO與Al2O3的比值控制為 2.5~3.5。精煉過程中禁止任何形式的鋁（Al）脫氧，僅采用SiC渣面擴(kuò)散脫氧，并與預(yù)熔復(fù)合精煉渣配合使用，以逐步降低渣堿度，VD處理前精煉渣的主要成分中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%~52%，SiO2 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%~28%，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4%~6%，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%~8%，F(xiàn)eO+MnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于1%，R控制為1.7~2.2。分步造渣的目的為：（1）前期借助較高堿度的爐渣實(shí)現(xiàn)快速深度脫硫（S），實(shí)踐證明，當(dāng)S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.005%時，有利于提高鋼材的深拉拔性能；（2）后期采用低堿度、低Al2O3含量的爐渣，增強(qiáng)精煉渣對球狀不變形夾雜物及Al2O3夾雜物的吸附與去除能力；（3）使渣系維持在較低熔點(diǎn)和較低張力狀態(tài)，便于真空環(huán)境下鋼水破渣裸露脫氣，尤其能減小電爐鋼氮含量偏高對冷拉工藝的不利影響。
通過上述冶煉工藝路線，針布鋼熱軋盤條的夾雜物控制效果達(dá)到國內(nèi)G鋼同類產(chǎn)品的同等水平。該熱軋盤條經(jīng)用戶深拉拔加工后，可制成直徑為0.15~0.18mm 的最細(xì)絲徑產(chǎn)品，用于生產(chǎn)各類強(qiáng)度等級的針布鋼絲；其斷針率僅為2%~3%，使用壽命延長了20%，具備行業(yè)推廣價值。
04結(jié)論
（1）不同廠家采用不同的合金化方式生產(chǎn)針布鋼，均遵循潔凈鋼的生產(chǎn)路線，成品總氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)均可控制在1.5×10-5以下。
（2）不同廠家的冶煉工藝差異導(dǎo)致成品盤條中夾雜物類型存在顯著差距。其中，國外S鋼中鋁元素含量較高試樣的夾雜物多以Al2O3含量高的復(fù)合氧化物為主；國內(nèi)N鋼與G鋼中鋁元素含量較低的試樣中氧化物類型則更為復(fù)雜。此外，鋼的成分差異會影響MnS的析出溫度，且鋼中硫、鈦等元素的含量還會對夾雜物的總量與長寬比產(chǎn)生影響。
（3）綜合對照3組試樣可知，在潔凈度一致的前提下，控制鋼中夾雜物的低熔點(diǎn)與低彈性模量，可充分滿足針布鋼的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，且國產(chǎn)G鋼產(chǎn)品的夾雜物控制效果最優(yōu)。
（4）依據(jù)夾雜物控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了LF-VD雙聯(lián)針布鋼冶煉工藝。該工藝采用鋁脫氧合金化，同時搭配LF爐渣改質(zhì)與VD處理，最終實(shí)現(xiàn)了對夾雜物的有效控制。
京公網(wǎng)安備11010802046783號
