帘线钢中非金属夹杂物控制关键技术

钢帘线被誉为是线材中的顶级产品，被誉为“皇冠上的明珠”。它是伴随着

子午线轮胎的发展而发展起来的。以钢帘线为骨架材料的子午线轮胎具有高速、

高载、耐久等一系列优良特性。随着汽车工业的发展，用于制造子午线轮胎的钢

帘线需求量不断增加，同时对钢帘线的品种、性能及质量提出新的要求。作为生

产钢帘线的原材料，帘线钢质量很大程度上决定了帘线的品质。帘线钢的洁净度，

元素偏析等级，尤其是钢中夹杂物的形态对后续产品有着极大的影响。非金属夹

杂物易引起钢丝拉拔和合股过程中断丝的发生，因此要求帘线钢中夹杂物尺寸小，

且在轧制和冷拔等加工过程中具有良好的变形性能。根据子午轮胎产品性能和太

阳能级硅产业的发展要求，钢帘线和切割丝向着超高强度（4000 MPa 及以上）

方向发展，开发高强度、超高强度帘线钢丝，对实现轮胎的轻量化、降低用燃料

的费用、降低生产成本意义重大。目前国内依旧不能稳定、高效的生产高牌号的

帘线钢，开发帘线钢冶炼关键技术对提升企业生产技术水平和质量控制水平，取

代进口高端钢帘线产品意义重大。

（1）帘线钢冶炼过程原辅料成分设计技术。帘线钢生产过程中一般采用

Si-Mn 复合脱氧，但由于合金和辅料中存在 Al 的来源，帘线钢主要的夹杂物为

MnO-Al 2 O 3 -SiO 2 系和 CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 系两类。其中，MnO-Al 2 O 3 -SiO 2 为脱氧反应产

物，CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 为钢渣反应生成。不同工序氧化物复合夹杂类型会发生转变，

大量研究表明转炉出钢、精炼过程随着钢液成分的变化，夹杂物的成分在不断变

化中。实际生产中使用的各种物料，包括合金、脱氧剂及钢包内衬直接影响钢液

成分，进而改变钢液中非金属夹杂物的成分。高端帘线钢中非金属夹杂物主要成

分为 SiO 2 -MnO，几乎没有 Al 2 O 3 的存在，因此在实际的生产过程中杜绝任何含 Al

的原料。国内企业在实际生产时更倾向于使用价格低廉的合金、脱氧剂等原料以

降低生产成本，为此本项目不仅研究了合金、脱氧剂、耐材等物料中 Al 的含量，

还研究了各物料对钢液成分以及非金属夹杂物成分的影响程度，以选择更高性价

比的物料搭配。在使用不同物料后取样分析，发现合金对钢液中非金属夹杂物的

影响最大，低铝硅铁和普通硅铁对钢液中非金属夹杂物的成分影响如图 1，可以

看出合金的使用直接改变夹杂物的体系。实际生产过程中可根据产品等级和各物

料对钢中非金属夹杂物的影响，针对性的使用物料控制生产成本。（2）帘线钢精炼渣成分设计技术. 炉渣成分对钢液成分有着直接影响，帘

线钢精炼一般采用 CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 渣系，精炼渣的成分对钢中夹杂物的控制起重

要作用。研究表明精炼渣中相同 Al 2 O 3 含量的条件下，钢液中[Al]s 含量随精炼

渣碱度增高而增高；相同碱度的条件下，钢液中 Als 含量随精炼渣中 Al 2 O 3 含量

增加而增加。当精炼渣的碱度为 1.0 时，钢液中[Al]s 随渣中 Al 2 O 3 含量增加亦

呈增加趋势， [Al]s 增量有限。同时，夹杂物中 Al 2 O 3 和 MnO 含量取决于渣-钢

间的氧势，如氧势高，则夹杂物中 MnO 含量高。反之，当系统氧势低时，渣中

CaO 和 Al 2 O 3 会有少部分被还原进入钢液，夹杂物 CaO 和 Al 2 O 3 含量增加，MnO 含

量减少。在实际的冶炼过程中，精炼渣进入钢液是不可能完全避免的，精炼渣进

入钢液后将形成含大量 CaO、Al 2 O 3 的夹杂物。对此为控制钢中非金属夹杂物的成

分将精炼渣的碱度控制在 CaO/SiO 2 ≤1，实际生产过程中，精炼渣的最佳成分还

应根据精炼过程的渣钢比，所使用合金、脱氧剂、耐材等条件进行优化。

（3）帘线钢中夹杂物变形性能评估模型。许多研究认为低熔点夹杂物在轧制和

加工过程中变形更好。如果轧制过程中夹杂物是液态的，那这毫无疑问是对的。

 102 / 298

然而，实际的轧制温度往往大部分都低于夹杂物的熔点。在轧制温度降到夹杂物

固相线温度以前，虽然夹杂物不是液态，但是由于软化它们仍然具有一定的变形

性。然而，当温度降低至固相线以下时，夹杂物将完全转变为固态。并且，钢的

变形不仅包括轧制，还包括其他冷加工，譬如，帘线钢冷拔过程的温度基本为室

温，显著低于夹杂物的固相线温度。因此，只用熔点来评估冷拔或冷轧过程中夹

杂物的变形性能不太合理或者说不太全面。本项目提出使用低温下夹杂物的杨氏

模量评估变形能力的模型，认为氧化物变形能力与杨氏模量大小成反比，并拟合

了低温下的氧化物杨氏模量与平均原子体积关系：

2.939811 E V ，对Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO 系和 Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO

系氧化物的低温杨氏模量进行了计算，如图 2

所示。由于冷拔过程氧化物变形能力与杨氏模量大小成反比，为了降低冷拔过程

的断丝率，夹杂物需要控制到图中所示的深蓝色区域，即要求具有很高的 SiO 2

含量和极低的 Al 2 O 3 含量。由图还可知，由于具有最大的杨氏模量，Al 2 O 3 对帘线

钢中氧化物的变形性能最为有害，这也是为什么帘线钢生产过程中需要严格控制

钢中 Al 含量。