高速鋼軌脫碳層控制研究

鄧小和

（中鐵物總技術(shù)有限公司，北京 100036）

脫碳是鋼在高溫條件下，表層的碳原子由于熱擴(kuò)散的原理，從內(nèi)部移至表面與加熱爐內(nèi)的氧化性氣體發(fā)生作用，從而導(dǎo)致鋼表層碳原子丟失的現(xiàn)象[1]。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，線路運(yùn)行速度的增加對(duì)鋼軌質(zhì)量和性能的要求越來越高。鋼軌表面脫碳會(huì)導(dǎo)致其硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度等物理性能下降[2]，高速鐵路開通運(yùn)營前必須對(duì)脫碳層多次打磨進(jìn)行消除，費(fèi)用高昂。因此，降低脫碳層厚度，減少打磨次數(shù)，對(duì)提升鐵路鋼軌質(zhì)量和運(yùn)營效益具有重要意義。

1 試驗(yàn)條件和方法

本試驗(yàn)選用包鋼生產(chǎn)高速鐵路用U71MnG鋼軌坯，盡量保證鋼軌坯成分穩(wěn)定，其化學(xué)成分見表1所示。加熱爐內(nèi)氣氛主要通過加熱爐空燃比進(jìn)行控制，實(shí)際生產(chǎn)所使用的加熱燃料為高爐、焦?fàn)t混合煤氣，試驗(yàn)過程中盡量保證加熱爐空燃比的穩(wěn)定性，上述兩種因素不作為本試驗(yàn)研究對(duì)象。鋼坯加熱采用現(xiàn)行1號(hào)、2號(hào)加熱爐熱工制度，分別見表2、3所示。脫碳層深度的測定采用顯微組織法。

表1 重軌坯U71MnG的化學(xué)成分 %

本次試驗(yàn)在現(xiàn)行加熱爐熱工制度的基礎(chǔ)上分別研究：

1）2座加熱爐在正常生產(chǎn)情況下爐內(nèi)兩大因素。鋼軌坯在爐時(shí)間、鋼軌坯的加熱溫度對(duì)于鋼軌脫碳層的影響。

表2 加熱爐熱工制度

表3 加熱爐待軋制度

2）加熱爐燃燒系統(tǒng)的選型對(duì)于鋼軌坯脫碳層的影響。

3）在鋼坯表面噴涂高溫防脫碳涂層對(duì)鋼軌脫碳的影響。

1.1 鋼坯在爐時(shí)間與脫碳層的試驗(yàn)

在其他影響因素相對(duì)穩(wěn)定的情況下生產(chǎn)高速鋼軌，按照現(xiàn)行熱工制度采用下頁表4所示加熱制度對(duì)鋼坯進(jìn)行加熱，分別在鋼坯在爐時(shí)間為180 min、210 min、240 min、270 min、300 min情況下取樣檢測鋼軌踏面的脫碳層厚度，為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性，每組取樣三次。

1.2 鋼坯加熱溫度與脫碳層的試驗(yàn)

在其他影響因素相對(duì)穩(wěn)定的情況下生產(chǎn)高速鋼軌，分別按照表5所示的熱工制度組織生產(chǎn)，加熱段和均熱段溫度逐步提升，鋼坯在爐時(shí)間3.5～4.0 h之間，為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性，每組取樣三次。

1.3 燃燒系統(tǒng)選型與脫碳層試驗(yàn)

表4 加熱爐各段爐溫控制表 ℃

表5 加熱爐爐溫分布情況 ℃

包鋼軌梁廠兩座步進(jìn)梁式加熱爐采用了不同的燃燒系統(tǒng)，1號(hào)加熱爐采用平焰燒嘴與調(diào)焰燒嘴，2號(hào)加熱爐采用燃燒效率更高的蓄熱式燒嘴，兩種不同的加熱爐燃燒系統(tǒng)的選型對(duì)鋼軌坯脫碳的影響不同。

1.4 防脫碳涂層與脫碳層試驗(yàn)

在其他影響因素相對(duì)穩(wěn)定的情況下生產(chǎn)高速鋼軌，加熱前在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層，然后放入1號(hào)線加熱爐加熱，加熱制度執(zhí)行現(xiàn)行熱工制度，加熱時(shí)間在3.5～4.0 h，為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性，選取32支鋼坯進(jìn)行脫碳層試驗(yàn)，得到32個(gè)試驗(yàn)樣的脫碳層數(shù)據(jù)，其中試樣編號(hào)1號(hào)—17號(hào)為噴涂防脫碳涂層所得試樣，其余為未噴涂所得試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鋼坯在爐時(shí)間與脫碳層厚度的結(jié)果與討論

1號(hào)加熱爐由于實(shí)際生產(chǎn)情況復(fù)雜無法保證加熱時(shí)間180 min的要求，導(dǎo)致未得到試驗(yàn)樣品，其余試驗(yàn)結(jié)果見表6、7所示。依據(jù)表6和表7的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制加熱爐鋼軌坯在爐時(shí)間與脫碳層厚度的關(guān)系圖，見圖1、2所示。

表6 1號(hào)加熱爐鋼軌坯不同在爐時(shí)間與脫碳層厚度mm

由圖1、2可知，隨著鋼坯在爐時(shí)間的增加，1、2號(hào)加熱爐鋼軌脫碳層厚度均明顯增加。1號(hào)加熱爐鋼坯在爐時(shí)間達(dá)到300 min后，鋼軌脫碳層厚度已經(jīng)超過《高速鐵路用鋼軌TB/T 3276—2011》標(biāo)準(zhǔn)要求。出現(xiàn)這種情況的原因是在高溫狀態(tài)下，鋼表層脫碳反應(yīng)加劇，表層碳原子不斷與爐氣發(fā)生反應(yīng)，表層碳原子不斷丟失，鋼坯內(nèi)部與表面碳原子產(chǎn)生了較大的碳濃度梯度，內(nèi)部碳原子不斷向表層擴(kuò)散，存在隨著時(shí)間的延長，脫碳反應(yīng)時(shí)間延長，導(dǎo)致脫碳層不斷增大[3]。在保證加熱充分均勻的前提下應(yīng)盡量縮短鋼坯在爐時(shí)間，為使脫碳層厚度小于0.3 mm，鋼坯在爐時(shí)間不宜超過3.5 h。

表7 2號(hào)加熱爐鋼軌坯不同在爐時(shí)間與脫碳層厚度mm

圖2 2號(hào)加熱爐鋼坯在爐時(shí)間與脫碳層厚度的關(guān)系

圖1 1號(hào)加熱爐鋼坯在爐時(shí)間與脫碳層厚度的關(guān)系

2.2 加熱爐鋼坯加熱溫度與脫碳層厚度的結(jié)果

鋼軌踏面的脫碳層厚度隨加熱溫度變化的結(jié)果見表8、9所示。根據(jù)表8和表9的試驗(yàn)結(jié)果可得鋼軌坯加熱溫度與脫碳層厚度的關(guān)系，如下頁圖3、4所示。

表8 1號(hào)加熱爐不同熱工制度與鋼軌脫碳層厚度mm

表9 2號(hào)加熱爐不同熱工制度與鋼軌脫碳層厚度mm

由圖3、4可知，隨著鋼坯加熱溫度、出爐溫度的升高，脫碳層厚度逐步增加。在高溫條件下，鋼表面脫碳過程經(jīng)歷四個(gè)步驟：碳化物分解，碳原子擴(kuò)散，與爐氣發(fā)生反應(yīng)，離開金屬表面。其中，碳化物的分解和碳原子的擴(kuò)散是影響脫碳層的控制因素，在初期表面碳反應(yīng)完后，碳需要從鋼的內(nèi)部擴(kuò)散至表面，與氣體接觸發(fā)生反應(yīng)，擴(kuò)散要進(jìn)行的快，必須有大的驅(qū)動(dòng)力（碳濃度梯度）和足夠的溫度。隨著加熱溫度的升高，鋼中碳原子的活動(dòng)能力增加，使鋼中碳原子擴(kuò)散至表層與爐氣發(fā)生反應(yīng)，鋼表層一定范圍的碳原子部分散失導(dǎo)致脫碳，溫度越高，表層碳原子移動(dòng)速度越快，散失的碳原子越多，脫碳越劇烈。另外，高溫下鋼達(dá)到相變溫度以上，隨著鋼的奧氏體化和滲碳體的溶解，碳原子的擴(kuò)散能力大大增加，也加速了脫碳過程[4-5]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，加熱和出爐溫度達(dá)到1 200℃以上后，脫碳層厚度已經(jīng)達(dá)到0.4 mm以上，對(duì)控制脫碳層厚度控制非常不利。當(dāng)加熱、均熱溫度都控制在1 200℃以下，出爐溫度控制在1 100℃以下，鋼軌脫碳層厚度均不大于0.3 mm，脫碳層厚度控制較為理想[6]，因此，降低鋼坯加熱和出爐溫度可以有效減小鋼軌脫碳層厚度。但是鋼軌出爐溫度降低勢必要求提高軋制力，軋制力大小取決于軋機(jī)能力及軋制變形率的大小，由于軋機(jī)設(shè)備性能參數(shù)無法改變，現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)中鋼坯軋制溫度降低至1 040℃時(shí)，要獲得需要的軋制變形率，軋制力已經(jīng)接近極限，所以只能在現(xiàn)有設(shè)備性能參數(shù)的條件下，盡可能實(shí)現(xiàn)低溫軋制。

圖3 1號(hào)加熱爐鋼軌坯加熱溫度與脫碳層厚度的關(guān)系

圖4 2號(hào)加熱爐鋼軌坯加熱溫度與脫碳層厚度的關(guān)系

2.3 加熱爐燃燒系統(tǒng)的選型對(duì)于鋼軌坯脫碳層影響的討論

根據(jù)表6、7中不同在爐時(shí)間鋼軌脫碳層試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖，得到不同在爐時(shí)間兩個(gè)加熱爐加熱鋼軌的脫碳層厚度對(duì)比圖，見圖5、6、7、8。

由圖5—圖8可知，在加熱時(shí)間與熱工制度相同的情況下，采用蓄熱式燃燒系統(tǒng)的鋼軌脫碳層厚度要小于采用平焰燒嘴與調(diào)焰燒嘴燃燒系統(tǒng)的鋼軌脫碳層厚度，其原因是蓄熱式燃燒是在相對(duì)的低氧狀態(tài)下彌散燃燒，沒有火焰中心，鋼坯前后上下溫度更加均勻，有利于脫碳層厚度的控制[7-8]。采用2號(hào)蓄熱式燃燒系統(tǒng)的加熱爐生產(chǎn)鋼軌對(duì)控制脫碳層厚度更加有利。

2.4 鋼坯表面噴涂防脫碳涂層后對(duì)鋼軌脫碳層影響的討論

圖5 1、2號(hào)加熱爐脫碳層厚度對(duì)比（210 min）

圖6 1、2號(hào)加熱爐脫碳層厚度對(duì)比（240 min）

圖7 1、2號(hào)加熱爐脫碳層厚度對(duì)比（270 min）

圖8 1、2號(hào)加熱爐脫碳層厚度對(duì)比（300 min）

鋼坯表面噴涂防脫碳涂層試驗(yàn)結(jié)果如下頁表10所示，編號(hào)1號(hào)—17號(hào)為噴涂防脫碳涂層所得鋼軌脫碳層厚度結(jié)果，編號(hào)18號(hào)—32號(hào)為未噴涂防脫碳涂層所得鋼軌脫碳層厚度結(jié)果。根據(jù)表10噴涂防脫碳涂層和未噴涂所得鋼軌脫碳層數(shù)據(jù)，繪制鋼軌脫碳層直立方圖，見圖9、10所示。

圖9 鋼軌脫碳層厚度直立方圖（噴涂涂層）

圖10 脫碳層厚度直立方圖（未處理）

在相同的加熱條件下，在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層的鋼軌脫碳層厚度主要集中在0～0.2 mm之間，平均值為0.054 mm。未在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層的鋼軌脫碳層厚度主要集中在0.35～0.42 mm之間，平均值為0.364 mm。這是由于高溫下防脫碳涂層能夠在鋼坯表面形成致密保護(hù)層，阻擋了高溫下碳、氧的擴(kuò)散，抑制脫碳反應(yīng)的發(fā)生，減少鋼軌脫碳層[9]。上述試驗(yàn)結(jié)果說明在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層可以大幅度降低鋼軌脫碳層厚度，雖然在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層不可避免造成鋼軌生產(chǎn)成本上升，但防脫碳涂層在鋼軌脫碳層厚度控制方面具有非常明顯的優(yōu)勢，對(duì)現(xiàn)場控制脫碳層厚度具有重要意義。按照規(guī)程下限進(jìn)行控制。

表10 表面噴涂防脫碳涂層的鋼軌脫碳層厚度 mm

3）建議采用蓄熱式燃燒系統(tǒng)加熱爐生產(chǎn)高速鋼軌，能有效減小鋼軌脫碳層厚度。

4）防脫碳涂層對(duì)減小鋼軌脫碳層厚度效果非常明顯，建議生產(chǎn)高速鋼軌時(shí)在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層以有效控制脫碳層厚度。

3 結(jié)論

1）鋼坯在爐時(shí)間越長，鋼軌脫碳層厚度越大，為保證脫碳層厚度，鋼坯在爐時(shí)間保持在3.5 h以內(nèi)，不宜超過4 h。

2）鋼坯加熱溫度、均熱溫度和出爐溫度越高，鋼軌脫碳層厚度越大，為使脫碳層厚度盡量小，鋼軌加熱和均熱溫度應(yīng)控制在1 200℃以下、出爐溫度控制在1 100℃以下。在滿足現(xiàn)場軋制的前提下，應(yīng)盡量