重軌鋼中夾雜物的分析與控制

樊志明，楊吉春，朱 君，李向川，張 瀅

（1.內(nèi)蒙古科技大學 材料與冶金學院，內(nèi)蒙古包頭 014000；2.包頭天和磁材科技股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014000）

0 引言

到2035 年底，我國鐵路營業(yè)總里程預計將達到20 萬公里，其中高速鐵路以及部分城際鐵路將達到7 萬公里左右，隨著我國高鐵的快速發(fā)展，鐵路安全問題也變得更加重要，因此，對重軌鋼的質(zhì)量也有了更高的要求。由于鋼軌長期暴露在空氣中，近年來行車密度增大，鋼軌的疲勞損傷、大氣腐蝕一直是研究重點，鋼中的夾雜物是造成重軌內(nèi)部損傷及產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因。其中，影響最大的就是非金屬夾雜物，鋼中非金屬夾雜物主要有兩種，一種是內(nèi)生的夾雜物，它主要是在脫氧、二次氧化或鋼液凝固以及凝固后冷卻過程中生成的，主要是MnS、Al2O3、硅酸鹽類夾雜物；另一種是外來的夾雜物，它通常是由于鋼液沖刷耐火材料導致其剝落進入鋼液中形成的大顆粒夾雜物。要達到高速鐵路用鋼軌質(zhì)量要求，必須從源頭減少鋼中非金屬夾雜物的生成，需要對鋼中夾雜物的來源、種類、數(shù)量、大小和分布進行分析[1]，通過改變精煉渣系成分、向鋼液中添加改性劑或熱處理等方法使鋼中非金屬夾雜物變性甚至去除，從而提高鋼的潔凈度，生產(chǎn)出高質(zhì)量的重軌鋼[2]。因此，對鋼中夾雜物進行研究及控制具有重要意義。

1 夾雜物的種類

1.1 MnS 夾雜物

MnS 夾雜物是重軌鋼中最常見的夾雜物，主要是由鋼液中殘留的S 與加入的Mn 合金結(jié)合生成。在掃描電鏡下觀察，多數(shù)為淺灰色的長條狀，也有一些是球狀和多面體狀，尤其是長條狀的夾雜物對鋼軌的延展性有很大影響[3]。MnS 夾雜物的變形對鋼的磨損率有影響，在加工硬化、磨損和表面剪切層的亞表面裂紋中總會發(fā)現(xiàn)MnS 夾雜物。通常情況下，我們看到的只是夾雜物的二維圖像，難以推斷出它的具體形貌，為了更好地研究夾雜物對鋼的影響，北京科技大學張學偉等[4]采用無水有機溶液電解法分離提取重軌鋼中的MnS 夾雜物，采用掃描電鏡觀察鑄坯內(nèi)和鋼軌中MnS 夾雜物的三維形貌，這樣能直觀的看到夾雜物的具體形貌，有利于對夾雜物的研究，純硫化錳夾雜物有延展性，如果硫化物在固溶體中含有其他元素，那么他的延展性就會發(fā)生變化。

1.2 Al2O3 夾雜物

Al2O3夾雜物主要是由鋼液前期的氧化及后期的脫氧反應生成，此類夾雜物尺寸較大，熔點高，多為不規(guī)則塊狀、花瓣狀、樹枝狀和球狀，呈黑色或黑藍色顆粒，是一種脆性夾雜物[5]。此類夾雜物對鋼材的性能影響很大，是引起鋼軌疲勞裂紋的主要原因。為了減少Al2O3夾雜物，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常采用無鋁脫氧工藝，但鋼中仍然會有很多Al2O3夾雜物。由于它是脆性夾雜物，在受到壓力時會碎裂，造成鋼基體的損傷。為了減少它對鋼的傷害，一方面要改變它在鋼中的存在狀態(tài)，另一方面要通過一系列方法降低鋼中Al 的含量，從而減少鋼中Al2O3的含量。隨著數(shù)值化實驗平臺的發(fā)展，可通過傳熱和凝固過程的一體化模型，預測重軌鋼連鑄坯全斷面夾雜物的空間分布[6]，此外，一些學者還通過數(shù)值模擬方式對鋼中鋁脫氧進行了研究，計算了不同方式對氧化鋁夾雜物尺寸分布和形核時間的演化，為鋼中氧化鋁夾雜的去除提供了理論依據(jù)[7]。

1.3 硅酸鹽類夾雜物

硅酸鹽類夾雜物屬于外來夾雜物，此類夾雜物尺寸比較大，外形不規(guī)則，主要是生產(chǎn)過程中耐火材料、結(jié)晶器卷渣、爐渣等進入鋼液造成的，其在鋼液中運動時容易和脫氧產(chǎn)物結(jié)合成復合夾雜物，產(chǎn)生的Al2O3可以覆蓋在這些夾雜物表面。由于它的化學成分、力學性能等與鋼液基體截然不同，在鋼中屬于異相形式存在，因此對鋼的傷害特別大[8]，但此類夾雜物只要查明它的來源并加以控制是可以大量去除的。武鋼陳光友等人[9]采用示蹤劑試驗推斷出與鋼液接觸的材料均有可能作為外來夾雜卷入，通過一系列工藝優(yōu)化措施，有效的控制了外來夾雜物對重軌鋼鑄坯質(zhì)量的影響。

1.4 球狀氧化物類夾雜物

球狀氧化物類夾雜物無規(guī)律的分布在鋼基體中，是一種灰色或帶藍色的圓形或帶角狀顆粒，不易變形。此類夾雜物一般是脫氧反應的產(chǎn)物，在鋼液凝固前沒有上浮到鋼液表面，尺寸比較小，正確的操作和合理的工藝措施可以減少其數(shù)量和改變其成分、大小和分布情況，但一般來說是不可避免的。

2 夾雜物的控制

2.1 精煉渣對夾雜物的影響

在鋼鐵生產(chǎn)中有一句話“煉鋼就是煉渣”，可見精煉渣對鋼材質(zhì)量的影響之大，通過控制渣系成分，可以有效地減少鋼中的夾雜物。唐磊[10]在實驗室條件下設(shè)計了不同成分的渣系在不同處理工藝下對重軌鋼夾雜物的影響，實驗表明，堿度為2.5 的重軌鋼精煉渣不僅可以減少鋼中夾雜物的數(shù)目而且夾雜物尺寸也相應減小。段光豪[11]為解決重軌鋼中B 類夾雜物超標問題，通過對爐渣堿度、硅鐵加入量、吹氬流量和時間進行控制，當堿度為2～3、硅鐵加入量在300kg 以內(nèi)，吹氬流量在100L/min 下吹氬10～15min 時，重軌鋼中B 類夾雜物超標率顯著下降。精煉渣堿度控制比較矛盾，堿度高有利于脫氧、脫硫，但高堿度的精煉渣會使鋼中脆性夾雜物增多，低堿度的精煉渣可以促使重軌鋼夾雜物塑性化，減少其對鋼的傷害。針對這一問題，齊江華等[12]提出，冶煉高速重軌鋼時，在LF精煉過程，爐渣的堿度高一點，利于脫氧,在RH精煉過程,在保證脫氫效果的前提下,適當降低爐渣堿度和減少精煉時間,有利于控制鋼中夾雜物的形態(tài)。

2.2 稀土元素對夾雜物的影響

稀土有“工業(yè)維生素”之稱，有細化晶粒、微合金化、凈化鋼液等作用，由于稀土元素活性較高，在鋼中加入稀土后，首先與鋼中氣體、雜質(zhì)元素反應，起到凈化鋼液、變性夾雜的作用，隨后起到微合金化的作用。在重軌鋼中添加稀土Ce 后，大部分鈰元素都通過擴散機制偏聚在晶界處，鈰與氧、硫、磷等元素結(jié)合形成氧化鈰、硫化鈰、磷酸鈰等化合物，替換了雜質(zhì)元素在晶界的位置，強化了晶界，也改變了夾雜物的形態(tài)[13]。張英建等[14]通過在鋼中加入稀土元素Ce 后發(fā)現(xiàn)，稀土可以使MnS夾雜物由長條形轉(zhuǎn)變成紡錘形，稀土還會與硅酸鹽類夾雜物發(fā)生作用，結(jié)合形成復合夾雜物。這樣就使夾雜物聚集在含稀土夾雜物的周圍，從而減少了鋼中夾雜物的數(shù)量。微量稀土元素不僅對細長MnS 夾雜物有作用，對脆性氧化物夾雜也有重要作用，在稀土鋼中，發(fā)現(xiàn)了被MnS 夾雜包裹著的脆性氧化物夾雜，這類夾雜是以Al2O3為結(jié)晶核心，外層是淺灰色的稀土硫化物，這樣就使群聚的Al2O3夾雜物消失，減小了脆性夾雜物對鋼基體的損傷[15]。

2.3 合金元素對夾雜物的影響

對鋼進行Ca 處理可以將鋼液中不規(guī)則的Al2O3和MgO-Al2O3固態(tài)夾雜改性為球形Al2O3-CaO 和Al2O3-CaO-MgO 液態(tài)夾雜，有效控制鋼中Al2O3及其復合夾雜物，從而減輕澆注過程中水口結(jié)瘤以及脆性夾雜物對鋼基體的傷害，合理的鈣處理也可以使鋼中硫化物轉(zhuǎn)變?yōu)閺秃狭蚧铮瑥亩沽蚧镉砷L條狀向球狀、紡錘狀轉(zhuǎn)變[16]。王建鋒等[17]通過在RH 爐精煉時對重軌鋼進行Ca 處理后發(fā)現(xiàn),部分MnS 夾雜物轉(zhuǎn)變成MnS-CaS 復合夾雜物，形狀由長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)辄c狀、短條狀、球狀和有斷開趨勢的長條狀，使A 類夾雜物評級小于2.0級比例提高到75%以上,成品鋼軌的超聲波探傷合格率提高了0.8%。若鋼中鈣加入量控制不當，會生成CaS、CaO 等高熔點夾雜物[18]，因此，對鈣的精準加入量研究一直是一個難點，張立峰等[19]通過鋼水成分、溫度以及合金中鈣的含量、合金的收得率對鈣的加入量進行熱力學計算并用于指導實踐生產(chǎn)。

鎂的還原性很強，易與鋼中的氧、硫發(fā)生反應形成MgO、MgS，鎂在鋼液中不易溶解，對鋼性能影響不大。在鋼中加入適量鎂可以使鋼中夾雜物改性，夾雜物的種類、數(shù)量、大小、分布均得到有效控制。對鋼進行鎂處理后，MnS 夾雜由樹枝狀、長條狀變?yōu)榧忓N形、球形[20]。田俊[21]等對鋼進行鎂處理后發(fā)現(xiàn)，鋼中硫化物數(shù)量減少，生成的Mg-Al-O夾雜彌散分布在鋼液中，同時也使簇狀的Al2O3夾雜物得到控制。Kimura,S 等[22]使用激光共聚焦掃描顯微鏡對夾雜物進行原位觀察實驗，結(jié)果表明，含鎂的復合夾雜物不容易聚集，因此，在鋼中加入鎂可以使鋼中夾雜物彌散分布。

沈昶等[23]通過向鋼液中加入氟化物，鋼中的Al2O3夾雜物變成一種由MnS 夾雜物包裹著的復合夾雜物，由于MnS 是塑性非金屬夾雜物，使原本是韌性夾雜物的Al2O3有了一個緩沖層，從而減少了Al2O3夾雜物對鋼基體的損害。

2.4 熱處理對夾雜物的影響

齊江華等[24]對重軌鋼中MnS 夾雜物在升溫過程中的變化進行了動態(tài)原位觀察，結(jié)果顯示，MnS夾雜發(fā)生球化的溫度是600～870℃，固溶的溫度是1170～1200℃。根據(jù)原位觀察結(jié)果制定熱處理方案，結(jié)果表明，加熱溫度大于1170℃時，隨著保溫時間的增加，大尺寸的MnS 夾雜物數(shù)量減少，在實際生產(chǎn)中，為了盡可能的減少大型夾雜物的存在，可適當增加保溫時間。張學偉等[25]通過對鑄坯和鋼軌進行了加熱保溫實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著保溫時間的增加，鋼軌中的大尺寸MnS 夾雜物數(shù)量變小，但鋼坯中的MnS 夾雜物數(shù)量變化不明顯。

3 未來與展望

（1）重軌鋼中非金屬夾雜物是造成重軌內(nèi)部損傷及產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因，主要通過控制精煉渣成分、熱處理、向鋼中加入稀土元素或Ca、Mg 等合金元素從而對夾雜物進行改性以及控制其大小、種類、數(shù)目。

（2）對夾雜物進行全流程分析是當前夾雜物研究的主流研究方向，此方法可從根本上控制夾雜物，對熱處理工藝的優(yōu)化、稀土元素或Ca、Mg等合金元素的定量化研究也是未來研究的重點，針對不同的鋼種，控制夾雜物的方法不同。