鋼軌超聲波探傷檢驗不合原因分析及工藝改進(jìn)

李鈞正 汪 鵬 張 軍

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司）

0 前言

隨著鐵路運輸向著高速、重載和高密度行車方向的發(fā)展，鐵路對鋼軌的質(zhì)量要求越來越高。超聲波探傷可有效檢測出鋼軌的內(nèi)部缺陷，例如裂紋、夾雜物、縮孔和夾層等，大幅提高了鋼軌產(chǎn)品的質(zhì)量和鐵路行車安全。目前國內(nèi)外的鋼軌標(biāo)準(zhǔn)均對超聲波探傷提出了明確要求：“鋼軌全長應(yīng)連續(xù)進(jìn)行超聲波探傷檢查”[1]。

河鋼集團(tuán)邯鋼公司于2012年投產(chǎn)一條鋼軌生產(chǎn)線，經(jīng)超聲波探傷檢驗，鋼軌合格率穩(wěn)定控制在98.7%以上，但仍存在部分鋼軌經(jīng)探傷檢驗后不合格而判廢。通過對生產(chǎn)過程中經(jīng)超聲波探傷檢驗不合格的鋼軌進(jìn)行取樣分析，查找不合格的原因，并對生產(chǎn)工藝進(jìn)行了針對性改進(jìn)，進(jìn)一步提高了鋼軌的探傷檢驗合格率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試驗材料及檢驗方法

1.1 試驗材料

以60N規(guī)格U75V鋼軌為研究對象，在生產(chǎn)過程中選取軌頭、軌腰處經(jīng)超聲波探傷檢驗不合格的典型鋼軌試樣各一塊，其中軌頭試樣編號1#，軌腰試樣編號2#，具體研究對象取樣信息見表1。生產(chǎn)現(xiàn)場超聲波檢驗結(jié)果如圖1所示。

表1 試驗研究對象取樣信息

1.2 檢驗方法

由于鋼軌截面形狀復(fù)雜，且內(nèi)部缺陷尺寸相對較小，很難實現(xiàn)缺陷的精確定位。本次試驗采用手持探傷+浸入式超聲波檢測的方法，精確查找到了缺陷位置及大小。首先，采用CTS9009型手持探傷儀對報傷鋼軌進(jìn)行粗略定位，并在鋼軌報傷位置切取大試樣。然后，利用浸入式超聲波檢測對試樣進(jìn)行全斷面掃描，可以精確測量缺陷尺寸和缺陷位置。在此基礎(chǔ)上沿著缺陷長度方向?qū)θ毕菰嚇舆M(jìn)行橫向切割，通過Leica MEF4A型金相顯微鏡觀察缺陷橫截面拋光后的形貌。最后，利用XL30W/TMP型掃描電子顯微鏡就缺陷處的異常位置和化學(xué)成分進(jìn)行精確分析，查明導(dǎo)致鋼軌超聲波探傷檢驗不合格的原因。

圖1 NDT超聲波探傷檢驗報傷情況

2 檢驗結(jié)果分析

2.1 浸入式超聲波檢驗分析

浸入式超聲波檢測設(shè)備可以對浸沒于水中的試樣進(jìn)行系統(tǒng)的機(jī)械化掃描，超聲波探頭放置于水中，水作為探頭和試樣之間的耦合介質(zhì)。該設(shè)備附帶探頭機(jī)械手三維自動定位系統(tǒng)，三個伺服電機(jī)控制水槽中探頭的移動，從而實現(xiàn)精確測量缺陷大小和位置的目的。

浸入式超聲波檢驗設(shè)備分析示意結(jié)果如圖2所示（其中A為側(cè)視圖， B為端視圖，C為俯視圖）。

圖2 浸入式超聲波檢驗結(jié)果

利用浸入式超聲波檢測設(shè)備對兩個缺陷試樣進(jìn)行了分析，檢驗結(jié)果表明：1#試樣缺陷長度為4.15 mm，缺陷位置為184 mm×6 mm×9 mm處；2#試樣缺陷長度為7.56 mm，缺陷位置為188 mm×6 mm×5 mm處。

2.2 光學(xué)顯微鏡分析

在浸入式超聲波檢驗對試樣缺陷精確定位的基礎(chǔ)上，依據(jù)缺陷位置將1#、2#試樣切割成15 mm×20 mm×30 mm的小試樣，然后沿著缺陷長度方向中間位置進(jìn)行垂直切割，磨制、拋光后在金相顯微鏡下觀察缺陷截面形貌，缺陷試樣加工及觀察位置示意圖如3所示，金相形貌照片如圖4所示。

圖3 缺陷試樣加工及觀察位置

圖4 金相顯微鏡下的缺陷形貌

金相顯微鏡觀察結(jié)果表明：缺陷均獨立存在且基體相連，缺陷橫截面均為扁平狀，缺陷寬度分別為391 μm和696 μm，1#試樣呈現(xiàn)中間厚兩端薄的趨勢，2#試樣中間和兩端厚度尺寸變化不明顯。

2.3 電子顯微鏡分析

利用XL30W/TMP型掃描電子顯微鏡對1#、2#試樣的缺陷進(jìn)行成分分析，夾雜物電子顯微鏡的能譜分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 試樣的夾雜物電子顯微鏡能譜分析結(jié)果

檢測結(jié)果表明： 1#和2#試樣缺陷均為硅酸鹽類氧化物夾雜，部分位置鑲嵌有多邊形的鎂鋁尖晶石，另外還發(fā)現(xiàn)了少量的K、Na元素。

2.4 檢驗結(jié)果分析

綜上所述，1#和2#試樣報傷的原因為內(nèi)部存在長條狀的大型夾雜物，夾雜物長度分別為4.15 mm和7.56 mm，寬度分別為0.391 mm和0.696 mm，屬于硅酸鹽類氧化物和鎂鋁尖晶石等混合組成的大型外來夾雜物，同時夾雜中還含有少量的K、Na元素。

外來大型夾雜物主要是鋼水與其周圍的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理作用產(chǎn)生的[2]。這些夾雜物一般尺寸較大，主要來源包括：（1）大包澆注末期保護(hù)渣隨鋼水流入中間包，在沖擊力的作用下進(jìn)入連鑄鋼水深處，不能及時上??；（2）澆注過程中中包保護(hù)渣卷入鋼水；（3）澆鋼系統(tǒng)耐火材料由于化學(xué)反應(yīng)或沖刷作用剝落后浸入鋼水；（4）連鑄長水口局部剝落，進(jìn)入鋼水中；（5）結(jié)晶器流場需要改善、鋼水過熱度低等其他原因[3]。其典型特征為：大包下渣Ca含量偏高，保護(hù)渣含K、Na元素[4]，長水口中含有Zr元素，鎂鋁尖晶石是耐火材料的主要成分[5]。由于外來夾雜物相比鋼水比重小，很容易在鋼水中浮出，因此外來夾雜物只有在鋼水快速凝固或者上浮受到限制時才會凝固在鋼水中。

通過上述分析，結(jié)合大型外來夾雜物的檢驗分析結(jié)果，認(rèn)為導(dǎo)致探傷檢驗結(jié)果不合格的主要因素是連鑄澆鋼過程中中間包耐材侵蝕脫落和中包保護(hù)渣卷入。

3 工藝優(yōu)化措施及改進(jìn)效果

針對大型外來夾雜物的產(chǎn)生原因，結(jié)合冶煉工藝及設(shè)備特點，制定了工藝優(yōu)化方案：（1）適當(dāng)提高連鑄中間包鋼水溫度，以提高夾雜物上浮能力，修改后的鋼水溫度為（1 495±20）℃；（2）加強(qiáng)結(jié)晶器水口對中、水口插入深度以及中包保護(hù)渣加入等現(xiàn)場操作管理，杜絕液面波動和操作不規(guī)范導(dǎo)致的卷渣現(xiàn)象的發(fā)生；（3）加強(qiáng)結(jié)晶器液面控制，實際澆注過程結(jié)晶器液面波動控制在±4 mm以內(nèi)；（4）連鑄澆鋼采用下渣檢測與鋼包剩鋼相結(jié)合的模式，避免大包下渣污染中間包鋼水；（5）規(guī)范RH噴補(bǔ)操作，減少噴補(bǔ)料的使用量，優(yōu)化RH浸漬管噴補(bǔ)制度。

上述措施實施后鋼軌的探傷合格率由98.7%提高到99.5%以上，效果顯著。

4 結(jié)論

（1）導(dǎo)致鋼軌超聲波探傷檢驗不合格的主要原因為鋼軌內(nèi)存在長條狀的大型外來夾雜物，夾雜物長度分別為4.15 mm和7.56 mm，由硅酸鹽類氧化物和鎂鋁尖晶石等混合組成，同時夾雜中含有少量的K、Na元素。

（2）對大型外來夾雜物的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備及工藝特點，認(rèn)為耐材脫落和中包保護(hù)渣卷入是產(chǎn)生大型夾雜物的主要原因。

（3）針對大型外來夾雜物的產(chǎn)生原因，制定了針對性的工藝優(yōu)化方案。工藝優(yōu)化方案實施后，經(jīng)超聲波探傷檢驗，鋼軌探傷合格率有了顯著提高。