重軌鋼中非金屬夾雜物控制關鍵技術
鐵路作為一種現代化交通運輸工具,在世界范圍內具有廣闊的發展前景。目前鐵路發展的整體趨勢是高速和重載化,對重軌鋼質量提出了更高的要求,不僅要求高潔凈度,高強度、高韌性,而且必須具有良好的抗疲勞性能。重軌鋼生產過程及使用過程中,非金屬夾雜物是影響其質量最重要的原因之一,常引起探傷不合、易產生疲勞裂紋等,主要是由于其鋼中非金屬夾雜物控制存在以下三個難題:(1)夾雜物尺寸大且化學成分復雜;(2)冶煉工藝復雜,尤其在于脫氧及精煉等重要環節;(3)尖晶石類夾雜物突出,嚴重惡化鋼軌性能。因此,合理控制重軌鋼中的非金屬夾雜物,對重軌鋼產品質量的提生及鐵路事業的進步具有重要意義。
(1)重軌鋼冶煉脫氧及原輔料成分設計技術。重軌鋼采用無鋁脫氧工藝,但是在脫氧劑的使用方式及用量上缺乏理論指導,因此,重軌鋼脫氧過程中必須對脫氧劑的使用方式及用量進行合理優化控制,本項目提出僅在轉爐出鋼時加入少量硅鈣鋇脫氧劑控氧,同時配合精煉擴散脫氧,能將鋼中 T.O. 含量控制在 10 ppm以下,不僅有效節約了生產成本,而且促進了夾雜物的去除、有效降低了夾雜物的尺寸。在重軌鋼冶煉原材料的控制方面,國內企業生產時更傾向于買價格低廉的鐵合金等原材料,從而降低生產成本,但是對于鐵合金及鐵合金對重軌冶煉的影響研究幾乎為空白。本項目提出了使用低鋁鐵合金,降低鋼中的酸溶鋁含量,抑制鋼中高 Al 2 O 3 夾雜物的形成,從而提升夾雜物變形能力,有效防止因脆性夾雜物造成的疲勞缺陷。
(2)重軌鋼中硫化物夾雜控制技術. 由于 MnS 有良好的變形能力,而且重軌鋼軋制過程中變形量大,MnS 夾雜物可能延伸很長,可能成為夾雜物超標和引起超聲波探傷不合的重要原因之一。此外,大尺寸長條狀 MnS 可能成為裂紋的起點,在應力作用下首先在和鋼基體的交界處形成裂紋源。本項目首先通過優化精煉造渣制度進一步去除鋼中 S 含量,提出將鋼中得 S 降低到 40ppm 以下。其次,通過對重軌鋼連鑄坯及鋼軌硫化物的分布進行研究分析,從而對冷卻制度進行優化,提出先若冷后強冷的原則,使激冷層優先析出的大量細小的 MnS,減小其他凝固區的 S 的壓力,從而來控制重軌鋼中硫化物。此外,還提出了使用 CSC(Comparison-Segmentation-Combination)方法,計算了 MnS 在不同溫度下在不同溫度范圍內的準確的熱力學生成曲線,并研究了熱處理工藝升溫速率、保溫溫度和保溫時間等對 MnS 夾雜物的影響,促進已生成的長條狀 MnS 向彌散的紡錘形轉變,從而達到控制 MnS 形態的目的。
(3)重軌鋼中尖晶石類夾雜控制技術 重軌鋼采用無鋁脫氧工藝,但是鋼中發現MgO-Al 2 O 3 夾雜物,且部分尺寸較大,嚴重影響產品質量。本項目首先對重軌鋼中尖晶石夾雜物的形成機理進行研究,得出重軌鋼中危害較大的尖晶石類夾雜物來源于鋼中復雜氧化物夾雜在降溫冷卻過程中的析出,從而提出使用低鋁低鎂合金,VD 前扒渣降低耐材侵蝕等減少夾雜物中 Al 2 O 3 和 MgO 含量,抑制尖晶石夾雜物的析出。此外,VD 前扒渣也有利于控制復雜氧化物夾雜中 CaO 含量的成分,對控制夾雜物的尺寸及提高產品質量有重要作用。
北京科技大學
2021-04-13