重軌鋼質(zhì)量控制實(shí)踐

王寧，金紀(jì)勇，常宏偉，張銳，孫振宇，李旭

（1. 鞍鋼股份有限公司 產(chǎn)品發(fā)展部，遼寧 鞍山 114021；2. 鞍鋼股份有限公司 技術(shù)中心，遼寧 鞍山 114009；3. 鞍鋼股份有限公司 煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

0 引言

隨著我國(guó)鐵路大范圍提速和高鐵的快速發(fā)展，對(duì)重軌鋼的質(zhì)量要求也不斷提高，對(duì)重軌鋼的有害元素和夾雜物含量等要求更加嚴(yán)格，因此必須對(duì)重軌鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高重軌鋼的純凈度，滿足用戶更高的要求[1]。困擾重軌鋼生產(chǎn)的主要問題是重軌鋼的中心偏析、夾雜物控制以及氫的控制問題。

1 重軌鋼生產(chǎn)質(zhì)量影響因素分析

1.1 鑄坯內(nèi)部質(zhì)量

方坯連鑄生產(chǎn)重軌鋼等高碳鋼品種，中心縮孔和中心偏析的質(zhì)量控制是關(guān)鍵問題[1]。鞍鋼股份有限公司煉鋼一分廠連鑄方坯規(guī)格為280 mm×380 mm，通過精煉-連鑄生產(chǎn)工藝，采用結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)、合理的二冷制度，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量明顯提高。

1.2 夾雜物分析

為了解重軌鋼連鑄坯的夾雜物狀態(tài)及水平，對(duì)鑄坯取樣進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)分析。部分檢驗(yàn)結(jié)果的非金屬夾雜物形貌見圖1。

檢驗(yàn)結(jié)果表明：重軌鋼連鑄坯夾雜物類型主要為硅系氧化物和枝晶狀硫化物，連鑄坯中心區(qū)域和靠近下表面的四分之一區(qū)域處夾雜物較多。連鑄坯全斷面檢測(cè)到的夾雜物數(shù)量約為54.59個(gè)/mm2，夾雜物直徑主要集中在30～70 μm范圍內(nèi)。

連鑄坯軋制鋼軌的非金屬夾雜物評(píng)級(jí)情況見表1，在金相顯微鏡下觀察到的鋼軌中非金屬夾雜物形貌見圖2。由表1和圖2可知，夾雜物以球、點(diǎn)狀氧化物和枝晶狀硫化物為主，評(píng)級(jí)結(jié)果滿足43～75 kg/m鋼訂貨技術(shù)條件，但A類、B類非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果存在超出高速重軌技術(shù)條件的評(píng)級(jí)上限要求。

1.3 探傷缺陷鋼軌

1.3.1 偏析位置組織分析

圖1 重軌鋼連鑄坯非金屬夾雜物形貌

表1 鋼軌中非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

對(duì)多個(gè)超聲波探傷不合格的鋼軌進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傷軌中心處有偏析帶，偏析帶處的金相組織見圖3。

鋼軌基體金相組織為細(xì)片狀珠光體，偏析帶處的珠光體相對(duì)細(xì)小，不同形態(tài)的夾雜物形貌見圖4、圖5。

探傷檢測(cè)出的“點(diǎn)狀”“分層”缺陷是由于軌腰中心層內(nèi)的氧化物聚集所引起的，分布范圍的差異導(dǎo)致對(duì)基體組織結(jié)構(gòu)的連續(xù)性破壞程度有所差別，使超聲波探傷反映出2種不同的缺陷形態(tài)。

1.3.2 內(nèi)部夾渣造成的缺陷

對(duì)超聲波探傷不合格的鋼軌進(jìn)行檢驗(yàn)，傷軌中心處金相組織見圖6。缺陷是由于在軌腰中心層內(nèi)存在夾渣而引起的，夾渣的尺寸大小及分布范圍的差異也使超聲波探傷反映出不同的缺陷形態(tài)。

圖2 金相顯微鏡下觀察到的鋼軌中非金屬夾雜物形貌

圖3 偏析帶處的金相組織

圖4 軌腰中心附近條狀?yuàn)A雜物形貌

圖5 軌腰中心附近塊狀?yuàn)A雜物形貌

圖6 傷軌中心處金相組織

1.4 含氫問題

氫在鋼軌上產(chǎn)生的主要缺陷是白點(diǎn)，即鋼軌縱向斷口軸心部位出現(xiàn)銀亮小點(diǎn)，在鋼軌橫斷面表現(xiàn)為肉眼能見到的發(fā)紋或鋸齒形小裂紋。白點(diǎn)產(chǎn)生的機(jī)理為：當(dāng)鋼材內(nèi)部較多的氫來不及擴(kuò)散，處于過飽和狀態(tài)，這些氫原子將向鋼材的缺陷處聚集，形成氫分子時(shí)體積增大，壓力增高，造成很大的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)該內(nèi)應(yīng)力超過鋼材的斷裂強(qiáng)度時(shí)，引起斷裂，形成白點(diǎn)。白點(diǎn)缺陷破壞鋼的連續(xù)性，減少白點(diǎn)危害的有效措施就是降低鋼中氫含量。氫的危害還表現(xiàn)為氫脆，即固溶于鋼中的氫使其塑性、韌性下降，在低于極限強(qiáng)度應(yīng)力作用下服役一定時(shí)間后突然斷裂[2]，是重軌產(chǎn)生斷裂的原因之一。

中間包氫含量在1.8 ppm以上，澆次首罐由于中間包增氫嚴(yán)重往往更高，雖然滿足重軌鋼氫含量的標(biāo)準(zhǔn)要求，但仍需進(jìn)一步降低氫含量，以確保鋼軌內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定。

2 相應(yīng)措施

2.1 改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，減少中心偏析

2.1.1 低過熱澆注

鋼水澆注溫度是控制中心偏析、影響等軸晶與柱狀晶比率的重要因素。資料表明：重軌鋼鋼水過熱度控制在15～25 ℃，不僅中心等軸晶區(qū)擴(kuò)大，中心偏析明顯減輕，而且能夠避免因過熱度低使鋼水流動(dòng)性變差造成水口堵塞的問題。

通過穩(wěn)定過程參數(shù)、加強(qiáng)溫度控制等手段，在原有重軌鋼過熱度的基礎(chǔ)上降低了9 ℃，改善了中心偏析程度，使鑄坯等軸晶與柱狀晶比率提高9.4%。

2.1.2 結(jié)晶器電磁攪拌

電磁攪拌是借助電磁力的作用，強(qiáng)化液相穴鋼水的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，改善鋼水在凝固過程中的流動(dòng)、傳熱和合金元素的均勻分布，改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。采用結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)，隨著電流強(qiáng)度的增加，中心碳元素偏析指數(shù)下降，并具有較好的線性關(guān)系。可適當(dāng)加大電流強(qiáng)度，獲得更好的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。

2.1.3 合理的連鑄拉速和冷卻速度

重軌鋼碳含量較高，裂紋敏感性強(qiáng)，連鑄時(shí)采用高拉速工藝，一方面容易造成鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，另一方面延緩等軸晶區(qū)的晶體形核和長(zhǎng)大，擴(kuò)大柱狀晶區(qū)，加重中心偏析程度。因此，重軌鋼連鑄采用低拉速和澆注過程中恒拉速操作，避免產(chǎn)生上述問題，減少因拉速波動(dòng)造成的卷渣、接痕等情況。連鑄采用弱冷技術(shù)，能夠保證較好的表面質(zhì)量，并改善鑄坯的等軸晶比率。

2.2 夾雜物控制

重軌鋼鑄坯夾雜物類型主要為硅系氧化物和枝晶狀硫化物，為減少鋼軌中氧化物夾雜物，通常要求鋼中總氧量≤0.000 2%。

2.2.1 無鋁脫氧制度

重軌鋼采用無鋁脫氧制度，不僅可以降低鋼水中的氧含量，也能顯著降低鋼中的Al2O3脆性?shī)A雜物，從根本上消除Al2O3夾雜的來源。無鋁脫氧劑成分見表2。另外，采用無鋁脫氧技術(shù)還能改善鋼中的非金屬夾雜物形態(tài)，減少條帶狀?yuàn)A雜物，使夾雜物為分布均勻的球、點(diǎn)狀。

同時(shí)采用VD真空精煉爐（簡(jiǎn)稱VD爐）脫氧工藝，通過碳脫氧使鋼水中溶解氧進(jìn)一步降低，使重軌鋼達(dá)到較高的純凈度。

2.2.2 重軌鋼渣系研究

重軌鋼渣系的工藝調(diào)整是通過控制渣系合理的堿度，以達(dá)到改善夾雜物的目的。實(shí)際鑄坯檢驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)渣系后的夾雜物主要為球、點(diǎn)狀的硫化物，有少量的氧化物。鑄坯夾雜物數(shù)量較調(diào)整精煉渣系前降低了8.31個(gè)/mm2，夾雜物直徑集中在10～50 μm，夾雜物尺寸明顯降低，數(shù)量也明顯減少（見表3），夾雜物評(píng)級(jí)見表4。

表2 無鋁脫氧劑成分

調(diào)整渣系的鋼軌B類和D類非金屬夾雜物評(píng)級(jí)明顯降低，但該渣系脫硫能力下降，因此A類非金屬夾雜物評(píng)級(jí)超標(biāo)較多，需要從轉(zhuǎn)爐控制脫硫滿足要求。通過鐵水預(yù)處理脫硫扒渣和精煉重軌渣系相結(jié)合，可達(dá)到有效控制夾雜物的目的。

重軌鋼渣系和鐵水脫硫相結(jié)合后，通過對(duì)30個(gè)澆次高速重軌進(jìn)行跟蹤，驗(yàn)證其非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果滿足高速重軌標(biāo)準(zhǔn)要求（見表5）。

表4 渣系改進(jìn)后鋼軌非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

表5 渣系改進(jìn)與鐵水脫硫結(jié)合后鋼軌非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

表3 渣系改進(jìn)前后鑄坯非金屬夾雜物對(duì)比

2.2.3 中間包冶金

采用大T型中間包，配以湍流器、擋渣壩，可以組織鋼水合理流動(dòng)，熱流能合理分布，延長(zhǎng)鋼水在中間包停留時(shí)間。澆注過程中采用高液位操作，保持液面穩(wěn)定，可促進(jìn)夾雜物的上浮，同時(shí)配以優(yōu)質(zhì)的耐火材料，避免耐火材料卷入大顆粒夾雜物。

2.3 氫的控制

2.3.1 原材料要求

對(duì)冶煉重軌鋼的溶劑、合金、渣料等原材料從嚴(yán)管理，保證溶劑清潔、干燥，保證合金烘烤后使用，從而確保入爐原材料的干燥，盡可能減少原材料增氫。

2.3.2 脫氧制度

脫氧制度不僅能保證鋼軌中的總氧量，控制鋼中的氧化物夾雜，還可降低渣中氧含量，從而保證VD爐的預(yù)抽、保壓效果，進(jìn)而達(dá)到發(fā)揮VD爐最大脫氧能力的目的。

2.3.3 精煉造渣制度

在出鋼過程中加入適量白灰、螢石造渣材料，達(dá)到先期渣洗的目的。在VD爐采用大渣量操作，加入足夠的白灰，造高堿度、大粘度的渣系，達(dá)到脫硫和易于VD爐操作的目的。

2.3.4 VD爐操作制度

通過對(duì)脫氧、造渣工藝的要求，入VD爐可保證低氧化性、較大粘度、利于VD爐處理的渣系，保證預(yù)抽時(shí)間、保壓時(shí)間，適當(dāng)調(diào)整底吹氬氣量，控制VD爐氫含量在較低的水平。

2.3.5 中間包澆注過程增氫控制

中間包增氫不可避免，尤其是首罐，減少中間包增氫勢(shì)在必行。通過延長(zhǎng)中間包烘烤時(shí)間，確保中間包干燥是減少中間包增氫的手段之一。延長(zhǎng)中間包烘烤1 h后，澆次首罐增氫得到一定改善。

選擇鋪展性好、水分低、吸附夾雜能力強(qiáng)的中間包覆蓋劑，不僅可以減少增氫、做好保護(hù)澆注，還能有效控制夾雜。

2.4 氮含量控制工藝

高碳鋼由于增碳劑等材料的加入和冶煉過程中的配碳吹氬攪拌會(huì)增加氮含量，因此控制高碳鋼氮含量一直是煉鋼的技術(shù)難題。通過采用高碳點(diǎn)吹控氮技術(shù)和有效提高澆注效果，來滿足高速重軌鋼氮含量控制要求。

2.4.1 轉(zhuǎn)爐高碳點(diǎn)吹控氮技術(shù)

高碳鋼出鋼氮含量隨出鋼碳含量增加呈降低趨勢(shì)，考慮到后期精煉工序和合金增氮，轉(zhuǎn)爐出鋼氮含量以控制在低于0.002 5%為宜。從出鋼碳含量和出鋼氮含量對(duì)應(yīng)關(guān)系看，當(dāng)出鋼碳含量超過0.3%時(shí)，出鋼氮含量可以穩(wěn)定在0.002 5%，這和氧含量的趨勢(shì)基本相同（見圖7），因此采取高碳含量出鋼不僅可以降低全氧含量也可以降低氮含量，但出鋼氮含量的高低并不完全取決于出鋼碳含量，與轉(zhuǎn)爐二次吹氧次數(shù)也有關(guān)聯(lián)，通常吹氧次數(shù)越多氮含量越高。此外，實(shí)踐驗(yàn)證二次吹氧時(shí)的碳含量也影響鋼水增氮，在碳含量為0.2%～0.4%時(shí)進(jìn)行二次吹氧，由于此時(shí)頂渣較稀而且渣面活躍，造成吸入空氣增氮較多；當(dāng)碳含量為0.4%～0.8%時(shí)，此時(shí)頂渣較干，渣面也不十分活躍，因此吸氮減弱；但當(dāng)碳含量超過0.8%時(shí)，由于爐內(nèi)碳含量不均，在倒?fàn)t放渣時(shí)爐內(nèi)鋼水翻騰較大，選擇在此時(shí)二次吹氧，其增氮量又會(huì)升高（見圖8），因此選擇合適的高碳位進(jìn)行二次吹氧可有效降低增氮量。

2.4.2 LF爐一次性調(diào)碳工藝

LF爐精煉過程也是增氮的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，從工藝角度控制調(diào)碳次數(shù)，從而減少氬氣攪拌次數(shù)，可以有效降低LF爐增氮量。同時(shí)采用一次性調(diào)碳還可以減少加熱次數(shù)，減少LF爐電離增氮。采用一次性調(diào)碳工藝可以把LF爐增氮量控制在0.001%以下。

2.4.3 保護(hù)澆注

圖7 出鋼碳含量和出鋼氮含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖8 二次吹氧時(shí)碳含量和增氮量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

鑄機(jī)保護(hù)澆注也是控制增氮的重要環(huán)節(jié)。鑄機(jī)增氮主要發(fā)生在鋼包和中間包之間，除采用覆蓋劑覆蓋外，還可采用長(zhǎng)水口進(jìn)行保護(hù)澆注，長(zhǎng)水口要連接氬氣和纖維體密封。此外，隨著連澆爐數(shù)的增加，長(zhǎng)水口保護(hù)澆注效果下降，機(jī)前增氮幅度也增加，這與長(zhǎng)水口的密封效果有關(guān)，一般在澆注第7～8罐后，增氮量呈明顯上升趨勢(shì)（見圖9），因此采用鑄中快速更換長(zhǎng)水口可有效降低澆注后期大幅度增氮[3]。

圖9 連澆罐數(shù)和增氮量對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 優(yōu)化效果

通過上述工藝優(yōu)化，高鐵鋼軌中各有害元素和非金屬夾雜物得到有效控制：鋼軌成品氫含量不大于0.000 15%的比例達(dá)到99.93%；氮含量滿足不大于0.008%的要求，合格率達(dá)到100%，其中93%滿足煉鋼總廠內(nèi)控氮含量不大于0.006%的要求；全鋁含量和全氧含量合格率達(dá)到100%；非金屬夾雜物除A類夾雜物合格率為99.5%外，其他夾雜物合格率均達(dá)到100%。

4 結(jié)論

（1）采用低過熱澆注、結(jié)晶器電磁攪拌、嚴(yán)格控制拉速、制定合理的冷卻制度等措施，可有效改善鑄坯中心偏析程度，提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

（2）采用無鋁脫氧工藝，可減少氧化物夾雜，并使其球化；采用首罐酸性渣技術(shù)，可顯著降低夾雜物數(shù)量，但吸附硫化物夾雜能力較差，可在精煉工藝先脫硫，再造酸性渣；對(duì)于VD爐弱氬攪拌技術(shù)，可促進(jìn)鋼中較小尺寸的夾雜物上??；采用優(yōu)質(zhì)中間包耐材、大T型包、擋渣壩等措施，可減少鋼中卷入大顆粒夾雜物。

（3）采用合金烘烤制度、精煉造渣技術(shù)、確保VD爐保壓時(shí)間等措施，可進(jìn)一步降低鋼中氫含量；通過延長(zhǎng)中間包烘烤時(shí)間、選擇低水分中間包覆蓋劑，可降低澆次首罐的中間包增氫。

（4）通過采用高碳點(diǎn)吹控氮技術(shù)和鑄中快速更換長(zhǎng)水口，使重軌鋼成品氮含量不大于0.008%的合格率達(dá)到100%。