易拉拔高强度高电导率电缆钢盘条及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种钢铁材料的深加工工艺，属于冶金炼钢技术领域，具体地涉及一种易拉拔高强度高电导率电缆钢盘条及其制备方法与应用。

背景技术

电缆钢盘条又称铜包钢，为主要经过酸洗、拉拔、退火、电镀等深加工处理后制得铜包钢丝，广泛应用于电子元器件用引线、通信线、电视电缆和地铁输电滑线等。由于信号的传递主要集中于导体的表层，因此铜包钢丝融合了钢材的优良力学性能，如钢丝的强度和韧性均显著优于纯铜线及具备纯铜的高导电性的特点，信号在传递过程中无蠕变，经受得起风雪冰雹的袭击，以及大跨度、盐雾和易腐蚀环境，可以减少传输信息的畸变和失真，显著提高传输质量。铜包钢丝相较于纯铜丝具有价格低廉和性能稳定的优点，是纯铜线产品的重要替代品。

随着电缆钢应用领域进一步扩展至电子元接插件、军用复线芯线和电缆编织屏蔽线等领域，对电缆钢盘条性能的要求逐步提高，主要表现在如下三方面：1)冷拉拔性能：拉拔工序是电缆钢盘条的必要加工工序，在拉拔过程中发生异常断丝至少需要1h的焊接时间，而且还会对成品丝的性能产生较大影响，因此电缆钢的拉拔性能对用户而言是首要的。电缆钢丝的规格主要集中在0.1～0.3mm，用户对于电缆钢断丝率的抱怨极限为1次/10吨，且越低越好。2)力学性能：早期的传统电缆钢采用软态设计，用户不对钢丝的强度有硬性，而且钢丝的强度越高，在拉拔过程中的断丝率越高，因此从拉拔断丝率来考虑，用户多希望盘条强度低于300MPa，且越低越好。但在某些特殊领域，用户对成品钢丝的强度和耐磨性提出了新的要求，电缆钢盘条强度范围提高至350～410MPa，同时要求延伸率A≥32％、面缩率Z≥45％。3)导电率：盘条的导电率与其制成钢丝的导电率具有显著对应关系，钢丝导电率的高低又直接决定了用户镀铜过程中的铜量消耗，据估算，钢丝导电率每增加0.1％，每吨钢就可降低约138元的铜消耗，因此电缆钢盘条的导电率是其最有经济效益的指标，用户要求电缆钢盘条的导电率不低于14.8％(外界环境温度为20℃条件下)。

然而电缆钢的易拉拔性、力学性能即强度和导电率三个指标存在相互制约及相互矛盾的关系。具体探究原因，电缆钢是一种典型的超低碳钢，其组织为铁素体，电子信号在传输过程中主要受到铁素体晶界和夹杂物的影响：铁素体晶粒尺寸越大，电子传递过程中发生的散射越小，盘条的导电率越高；夹杂物越粗大，盘条导电率越低。但是，随着电缆钢晶粒尺寸的增大，抗拉强度会显著降低，因此为了保证盘条的抗拉强度下限，盘条的晶粒尺寸不能过于粗大。此外，铁素体的均匀性是影响盘条拉拔断丝率的主要因素，为了追求低拉拔断丝率，盘条的晶粒尺寸极差需严格控制；而夹杂物可以钉扎奥氏体晶界的迁徙，也会显著影响材料的晶粒尺寸。因此为同时满足电缆钢盘条上述三方面要求，必须对电缆钢生产工艺进行合理调整以实现对内部微观组织的严格有效控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种易拉拔高强度高电导率电缆钢盘条及其制备方法与应用。该方法制得的电缆钢盘条能同时满足低拉拔断丝率、合理的力学性能及较高导电率要求，在电子元接插件、军用复线芯线和电缆编织屏蔽线等领域具备较好应用前景。

为实现上述目的，本发明公开了一种易拉拔高强度高电导率电缆钢盘条，制备所述电缆钢盘条的钢坯中各化学元素质量百分比如下：

C:0.08～0.11％、Si≤0.07％、Mn:0.09～0.13％、P≤0.02％、S≤0.015％、残余元素总量≤0.1％，所述残余元素包括Cu、Ni、Cr或其它元素中的一种以上；

所述电缆钢盘条的拉拔断丝率≤1次/10吨；抗拉强度Rm为350～410MPa，延伸率A≥32％，面缩率Z≥45％；20℃下的导电率≥14.8％。

进一步地，所述电缆钢盘条内部微观组织为全铁素体，晶粒度为5.5～7.5级，晶粒度极差≤2.0。

进一步地，所述电缆钢盘条内部夹杂物类别如下：

A类和/或C类夹杂物级别≤2.0级，B类和/或D类夹杂物级别≤1.0级。

进一步地，制备所述电缆钢盘条的钢坯中各化学元素质量百分比如下：C:0.087～0.105％、Si≤0.064％、Mn:0.093～0.122％、P≤0.016％、S≤0.014％、残余元素总量≤0.061％，所述残余元素为Cu、Ni、Cr的组合，所述电缆钢盘条的延伸率32％≤A≤42％，面缩率45％≤Z≤55％；20℃条件下的导电率14.8～15.9％。

进一步地，制备所述电缆钢盘条的钢坯中各化学元素质量百分比如下：C:0.087％、Si:0.041％、Mn:0.093％、P:0.009％、S:0.009％、残余元素总量:0.055％；且所述电缆钢盘条内部微观组织为全铁素体，晶粒度为6.5级，晶粒度极差为1.0；所述电缆钢盘条内部夹杂物类别如下：A类和/或C类夹杂物级别为0.5级，B类和/或D类夹杂物级别为0.5级。

本发明的其中一个技术目的是提供一种上述电缆钢盘条的制备方法，它包括冶炼并连铸成坯、铸坯加热、轧制、吐丝、控冷、集卷工艺各工艺，各工艺参数如下：

铸坯加热：方坯加热温度为1180±30℃，断面温差≤30℃，炉压保持32～36MPa微正压，炉内保持O

粗轧：高线轧制开轧温度为1060±20℃；

精轧：精轧机入口温度为900±15℃；减定径机入口温度为900±10℃；

吐丝：吐丝温度为910±10℃；

控冷：首先在斯太尔摩风冷线上进行保温，具体的，当外部环境温度＜5℃时，斯太尔摩风冷线上距离集卷口最近的一个风机100％开启，其余风机全关；对应的保温盖类型：距离集卷口最近的一个保温盖打开，其余保温盖全关；

当外部环境温度≥5℃时，斯太尔摩风冷线上距离集卷口最近的两个风机打开80％，其余风机全关；对应的保温盖类型：距离集卷口最近的两个保温盖打开，其余保温盖全关；

控速：斯太尔摩辊道起始速度为0.6～1.0m/s，风机关闭区域辊速保持不变，风机开启区域辊速按照1.0～1.1的极差逐渐递增。

进一步地，所述斯太尔摩辊道起始速度为0.8m/s。

进一步地，风机开启区域辊速按照1.08的极差逐渐递增。

进一步地，各风机风量为120000～130000m

本发明余下技术目的是公开上述电缆钢盘条在长距离电缆线和军用复线芯线等领域。

本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：

本发明为满足电缆钢盘条在拉拔性、力学性能及导电率三方面要求，严格控制了盘条的主要化学元素含量及夹杂物类型和级别的条件下，通过调整轧制工艺稳定控制盘条的金相组织为全铁素体，晶粒度为5.5～7.5级且极差≤2.0级，A/C类夹杂物级别≤2.0级、B/D类夹杂物级别≤1.0级，使得盘条能都满足低拉拔断丝率(≤1次/10吨)、力学性能(Rm350～410MPa、A≥32％、Z≥45％)和导电率(≥14.8％，20℃)。

附图说明

图1为本发明实施例制备的电缆钢内部微观结构示意图。

具体实施方式

本发明为同时满足电缆钢盘条在拉拔性、力学性能及导电率方面的要求，通过对电缆钢的化学成分、轧制工艺进行改进，进而严格控制盘条内部金相组织和夹杂物类别，保证了电缆钢的优异性能。

具体的，本发明公开了一种电缆钢盘条的制备方法，它包括冶炼并连铸成坯、铸坯加热、轧制、吐丝、控冷、集卷等各工艺，各工艺参数如下：

1)制备所述电缆钢盘条的钢坯中各化学元素质量百分比如下：

C:0.08～0.11％、Si≤0.07％、Mn:0.09～0.13％、P≤0.02％、S≤0.015％、残余元素总量≤0.1％，所述残余元素包括Cu、Ni、Cr或其它元素中的一种以上；这里的其它元素还包括影响盘条导电率的杂质元素。本发明还优选制备所述电缆钢盘条的钢坯中各化学元素质量百分比如下：C:0.087～0.105％、Si≤0.064％、Mn:0.093～0.122％、P≤0.016％、S≤0.014％、残余元素总量≤0.061％，所述残余元素为Cu、Ni、Cr等的组合。

2)铸坯加热：方坯加热温度为1180±30℃，断面温差≤30℃，炉压保持32～36MPa微正压，炉内保持O

其中，方坯加热温度设置原则：1)设置方坯加热温度下限是为了保证钢坯充分奥氏体化，钢坯具有组织转变驱动力。2)设置方坯加热温度上限是为了避免钢坯过烧，减少钢坯烧损率，提高成材率；同时，避免钢坯过氧化。

3)粗轧：高线轧制开轧温度为1060±20℃；本发明还优选高线轧制开轧温度为1060±10℃。

开轧温度与加热温度相匹配，具有显著对应关系。该温度的设置是为了避免钢坯在出炉口的温度急降，造成轧制应力过大，影响轧制过程的稳定性。

4)精轧：精轧机入口温度为900±15℃；减定径机入口温度为900±10℃；本发明还优选精轧机入口温度为900±10℃；减定径机入口温度为900±5℃。

以上温度参数的设置是为了保证最终轧制的吐丝温度(910±5℃)，该吐丝温度范围可以避免两相区，减少混晶的风险，保证组织晶粒度的稳定和均匀性。为了保证吐丝温度范围和轧制过程中的温度稳定性，结合轧制过程中的温升特征，对精轧机和减定径机的入口温度进行如上设定。

5)吐丝：吐丝温度为910±10℃；本发明优选吐丝温度为910±5℃。

6)控冷：首先在斯太尔摩风冷线上进行保温，具体的，当外部环境温度＜5℃时，斯太尔摩风冷线上距离集卷口最近的一个风机100％开启，其余风机全关；对应的保温盖类型：距离集卷口最近的一个保温盖打开，其余保温盖全关；

当外部环境温度≥5℃时，斯太尔摩风冷线上距离集卷口最近的两个风机打开80％，其余风机全关；对应的保温盖类型：距离集卷口最近的两个保温盖打开，其余保温盖全关。其中，各风机风量为120000～130000m

7)控速：为保证上述控冷过程中盘条晶粒同步长大，本发明优选采用两段式控制斯太尔摩辊速，斯太尔摩辊道起始速度为0.6～1.0m/s，并优选为0.8m/s，具体的，在风机关闭区域的斯太尔摩辊速保持不变，各盘条间距一致，而在风机开启区域的斯太尔摩辊速按照1.01～1.1的极差逐渐递增，优选为1.08，保证盘条间距被拉开，搭接点不固定，加大冷速，避免集卷温度过高。

7)盘条空冷至室温后进行打捆、包装。

本发明采用上述工艺控制制得的电缆钢盘条的拉拔断丝率≤1次/10吨；抗拉强度Rm为350～410MPa，延伸率A≥32％，面缩率Z≥45％；20℃下的导电率≥14.8％，且盘条成品直径为6.5mm。

进一步的观察上述电缆钢盘条的内部微观结构，结果发现内部微观组织为全铁素体，晶粒度为5.5～7.5级，晶粒度极差≤2.0。进一步识别内部夹杂物，探究发现A类和/或C类夹杂物级别≤2.0级，B类和/或D类夹杂物级别≤1.0级。

与此同时，本本申请钢坯采用上述元素的原理如下：

碳(C)：碳元素会显著降低材料的导电率，同时碳也是极强的强化元素，从盘条导电率和强度两方面考虑，碳的范围应控制在0.08～0.11％。

硅(Si)：硅元素会严重降低材料的导电率，且硅在钢中易形成非金属夹杂物，降低材料的延伸率和易拉拔性，因此需要尽可能在电缆钢中降低硅含量，要求为≤0.07％。

锰(Mn)：锰元素会严重降低材料的导电率，但一定量的锰可以与硫结合形成硫化锰，消除硫在钢中的有害影响，综合控制锰的范围为0.09～0.13％。

磷(P)：磷是有害杂质元素，会提高钢的冷脆性，且严重降低钢的导电率，应控制在0.020％以内。

硫(S)：硫是有害元素，会显著降低钢的塑韧性，需对其进行严格控制，要求为≤0.015％。

残余元素：铜、镍、铬等残余元素在电缆钢中会影响导电率，需控制它们的总含量小于0.10％。

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

本实施例公开了一种电缆钢盘条的制备方法，它包括冶炼并连铸成坯、铸坯加热、轧制、吐丝、控冷、空冷各工艺，各工艺参数如下：

1)制备所述电缆钢盘条的钢坯中各化学元素质量百分比如下：

C:0.098％、Si:0.029％、Mn:0.122％、P:0.016％、S:0.008％、残余元素总量≤0.1％，所述残余元素为Cu、Ni、Cr的组合。

2)铸坯加热：方坯加热温度为1195℃，断面温差为24℃，炉压保持微正压，炉内气氛保持弱还原性气氛，方钢坯在炉时间为195min；

3)粗轧：高线轧制开轧温度为1055℃。

4)精轧：精轧机入口温度为890℃；减定径机入口温度为905℃；

5)吐丝：吐丝温度为915℃；

6)控冷：首先在斯太尔摩风冷线上进行保温，外部环境温度为-1℃，斯太尔摩风冷线上距离集卷口最近的一个风机100％开启，其余风机全关；对应的保温盖类型：距离集卷口最近的一个保温盖打开，其余保温盖全关；且各风机风量为125000m

此外，为保证上述控冷过程中各盘条间距一致，各区域温度稳定，盘条晶粒同步长大，本发明优选采用两段式控制斯太尔摩辊速，具体的，在风机关闭区域的斯太尔摩辊速保持不变，各盘条间距一致，而在风机开启区域的斯太尔摩辊速按照1.08的极差逐渐递增，且起始辊速为0.8m/s。

7)盘条空冷至室温后进行打捆、包装。

本发明采用上述工艺控制制得的电缆钢盘条的拉拔断丝率为0.85次/10吨；抗拉强度Rm为405MPa，延伸率A为35％，面缩率Z为47％；20℃下的导电率为15.6％。

进一步的观察上述电缆钢盘条的内部微观结构，结果发现内部微观组织为全铁素体，晶粒度为6.0级，晶粒度极差为1.5。进一步识别内部夹杂物，探究发现A类和/或C类夹杂物级别为1.0级，B类和/或D类夹杂物级别为0.5级。

本发明通过对合金元素及工艺参数进行调整得到如下实施例2～实施例8，以及对比例1～对比例4，具体参数分别如表1、表2及表3所示，制得电缆钢盘条的性能及微观组织如表4所示。

表1实施例与对比例的钢坯成分列表

表2实施例与对比例的制备工艺列表(一)

表3实施例与对比例的制备工艺列表(二)

表4实施例与对比例制备的电缆钢盘条性能及内部组织列表

结合说明书附图1可知，其为上述实施例2制备的电缆钢盘条的金相组织图，由图1可看出，本发明制备的电缆钢内部显微组织为全铁素体，晶粒度为7.0级，极差1.0级。

结合上述表4可知，本发明制备的电缆钢盘条在拉拔性、力学性能及导电率三方面要求。

当盘条的化学成分、加热工艺和控冷工艺中的一项或多项参数在本专利要求范围外时，盘条的最终显微组织、力学性能或者导电率均会产生影响，盘条无法同时满足易拉拔、高强度和高电导率的要求

对1中残余元素含量大，故盘条导电率下降，对2的吐丝温度太低，容易引起混晶，对3中Si元素含量太高，盘条强度高，易断，对4的断面温差大，钢坯氧化程度高，晶粒之间极差增大。

以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。