重軌鋼中夾雜物的分析與控制

彭 泉

重軌鋼是一種高純凈度、高強(qiáng)度、高韌性、細(xì)珠光體鋼，對(duì)非金屬夾雜物的控制有著較高的要求，非金屬夾雜物的控制是高速重軌鋼生產(chǎn)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。以B類夾雜Al2O3為主的脆性?shī)A雜是引起鋼疲勞裂紋的主要原因，因此，重軌的生產(chǎn)多采用無(wú)鋁脫氧，從根源上杜絕產(chǎn)生Al2O3夾雜物。但大尺寸長(zhǎng)條狀MnS也可作為裂紋的起點(diǎn)，在應(yīng)力作用下首先于硫化物與基體的交界處形成裂紋源，隨著載荷的增加，裂紋沿著條帶狀MnS夾雜物逐漸擴(kuò)大。因此當(dāng)重軌鋼中出現(xiàn)微裂紋時(shí)，大尺寸硫化物的增加必然導(dǎo)致裂紋沿著硫化物迅速擴(kuò)展。所以，研究和控制比重日益重要。隨著鐵路運(yùn)輸技術(shù)的提高，高速、重載列車已成為發(fā)展方向。同時(shí)對(duì)重軌的質(zhì)量、數(shù)量提出了更高的要求。作為連鑄坯主要生產(chǎn)單位為后續(xù)工序提供高質(zhì)量的鑄坯已成為重中之重。目前隨著工藝的完善，重軌鋼的質(zhì)量不斷提高。但是由于夾雜物引起的缺陷一直存在。因此有效控制鋼中夾雜物已成為制約重軌鋼內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 夾雜物的來(lái)源分析及去除方法

1.1 夾雜物的來(lái)源分析

判斷夾雜物的來(lái)源，可以通過(guò)分析夾雜物的成分和形態(tài)入手，常見的夾雜物是二氧化碳或者是冶煉過(guò)程中的一些殘?jiān)?。比較典型的夾雜物當(dāng)中，鎂和鋁的含量一般都相對(duì)較高，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，鋁一般來(lái)自于脫氧過(guò)程中的殘留物，而鎂一般是從冶煉的殘?jiān)趸V氧化之后的產(chǎn)物而來(lái)。對(duì)于這種含成分比較復(fù)雜的夾雜物一般都是在生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中生成的。若是在出鋼環(huán)節(jié)當(dāng)中產(chǎn)生的夾雜物一般在經(jīng)過(guò)精煉之后，大部分都可以被去除，即便是含量比較多的夾雜物，在二次精煉的過(guò)程中也能去除大半，而對(duì)于部分比較細(xì)小的夾雜物，在經(jīng)過(guò)冶煉過(guò)程后，加上爐內(nèi)溫度較高，一般都會(huì)融化，這種情況就不再容易去除。在生產(chǎn)過(guò)程中，鋼渣在經(jīng)過(guò)高溫時(shí)會(huì)融化，然后再與爐內(nèi)的鋼液充分融合，所以原先細(xì)小的夾雜物也會(huì)慢慢的變大，從而也相對(duì)容易的被析出。從鋼軌上析出的夾雜物成分來(lái)看，一般含有硅酸鹽的夾雜物，熔點(diǎn)相對(duì)都比較低，在冶煉過(guò)程中可以熔融，經(jīng)過(guò)壓制環(huán)節(jié)會(huì)被粉碎。在70年代，德國(guó)的相關(guān)技術(shù)部門采用高強(qiáng)度的鋼軌使用潤(rùn)滑技術(shù)，從而減輕鋼軌的磨損，但依舊沒有減少鋼型疲勞斷裂的現(xiàn)象。為了使斷裂的原因能夠被快速的找出，德國(guó)聯(lián)邦鐵路局與各家鋼軌生產(chǎn)廠商聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)已經(jīng)使用5年～10年的鐵路線上，選取了部分的樣品，然后對(duì)其進(jìn)行超聲檢驗(yàn)和金相方面的研究。最后得出結(jié)果表明，導(dǎo)致鋼軌斷裂的原因是由于Al2O3夾雜物，之后有其他幾個(gè)國(guó)家陸續(xù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了此次研究結(jié)論。另外Al2O3夾雜物在面對(duì)超聲波的時(shí)候，其反射的效果極其不明顯，所以采用超聲的方式一般很難檢測(cè)出來(lái)，但是與硅酸鹽以及其他的硫化物相結(jié)合時(shí)，或者在他本體分離形成裂縫的時(shí)候，才能使用超聲波將其檢測(cè)出來(lái)，所以Al2O3是一種很難檢測(cè)但是對(duì)鋼材韌性影響較大的一種夾雜物。

1.2 夾雜物來(lái)源及其特點(diǎn)

第一，內(nèi)生性質(zhì)的夾雜物。這種夾雜物一般是在鋼水冶煉的過(guò)程中，由于脫氧而形成的產(chǎn)物，或者是在鋼材熔融時(shí)與二氧化碳反應(yīng)形成的夾雜物。這種產(chǎn)物一般具有三個(gè)特點(diǎn)，熔點(diǎn)越高，其脫氧生成的產(chǎn)物越多；這種夾雜物一般尺寸都比較??；后期精煉過(guò)程中由于大部分夾雜物上浮很容易被析出，所以對(duì)鋼材整體的質(zhì)量沒有較大的影響。第二，外生性質(zhì)的夾雜物。這種夾雜物一般是在冶煉過(guò)程中，從外部飄進(jìn)的灰塵以及煤渣等形成的，一般尺寸比較大，而且成分也比較復(fù)雜，包括夾雜物的來(lái)源也是比較廣泛的，所以對(duì)鋼材質(zhì)量影響很大。

1.3 去除方法

通過(guò)上述分析，去除夾雜物的方法主要從下述幾點(diǎn)入手：①在熔融過(guò)程中，將脫氧生成的產(chǎn)物當(dāng)中的夾雜物通過(guò)上浮的方法來(lái)去除，盡量的降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)的夾雜物含量；②在生產(chǎn)過(guò)程中，增加軟吹的時(shí)間，使夾雜物上浮去除；③加強(qiáng)對(duì)輔助材料的品質(zhì)的檢測(cè)，從原材料入手，本質(zhì)上降低夾雜物；④將夾雜物經(jīng)過(guò)變質(zhì)的處理，從而來(lái)減除夾雜物的增大。

2 生產(chǎn)工藝和存在的問(wèn)題

某鋼廠對(duì)于重軌鋼的生產(chǎn)環(huán)節(jié)為以下幾點(diǎn)，先將鐵水經(jīng)過(guò)脫硫的預(yù)處理，爐內(nèi)冶煉，精煉，真空脫氧，澆鑄，加熱，軋制，淬火，矯直，探傷，檢查。在鋼水冶煉的過(guò)程中，如果說(shuō)鐵水當(dāng)中硫的含量較高的話，將會(huì)對(duì)鋼成分以及質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至?xí)绊懙胶笃诃h(huán)節(jié)的處理，所以對(duì)于重軌鋼來(lái)說(shuō)，全部都需要進(jìn)行。脫硫的環(huán)節(jié)在實(shí)際冶煉過(guò)程中，受環(huán)境以及技術(shù)的影響，含硫量不容易控制，導(dǎo)致在脫硫的環(huán)節(jié)無(wú)法滿足析雜的高要求，所以才會(huì)提高鋁類的夾雜物含量。另外，如果夾雜物不能全部上浮，在澆鑄環(huán)節(jié)時(shí)，還會(huì)摻雜到鋼水當(dāng)中，在采用超聲波探傷時(shí)就會(huì)出現(xiàn)傷軌的情況。因此在現(xiàn)階段鋼水冶煉環(huán)節(jié)當(dāng)中，最重要的就是降低夾雜物的含量，尤其是硅酸鹽類型的夾雜物。

3 夾雜物的控制分析

3.1 熱處理對(duì)夾雜物的影響

對(duì)于重軌鋼來(lái)說(shuō)其中夾雜的硫化錳在高溫過(guò)程中即會(huì)改變其形態(tài)，研究表明，硫化錳這一類的夾雜物一般在800℃左右高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生球化反應(yīng)，而其融化的溫度是在1100℃左右。根據(jù)這一點(diǎn)可以設(shè)計(jì)熱處理的方案，研究證明，在溫度超過(guò)1200℃時(shí)，溫度越高，硫化錳的含量會(huì)越少。所以在實(shí)際冶煉工作當(dāng)中，為了降低顆粒較大的夾雜物的含量，可以通過(guò)增加高溫冶煉的時(shí)間。另外，該種方法還同樣作用于鑄坯和鋼軌上，但實(shí)驗(yàn)證明，升溫的時(shí)間越長(zhǎng)，鋼軌內(nèi)部的硫化錳的含量會(huì)減少，但是對(duì)鋼坯中的夾雜物沒有任何影響。

3.2 稀土元素對(duì)夾雜物的影響

稀土可以對(duì)晶粒進(jìn)行細(xì)化，或者對(duì)鋼液進(jìn)行凈化，其自身的活性很高。如果采用在以鋼水冶煉過(guò)程中加入稀土，這樣可以使其在鋼水內(nèi)部，與其它雜質(zhì)氣體充分反應(yīng)，從而減少其內(nèi)部夾雜物的含量，使鋼液凈化。如果在重軌鋼冶煉過(guò)程中加入稀土，大部分的鈰元素會(huì)在內(nèi)部于氧，硫，磷等元素反應(yīng)，從而形成對(duì)應(yīng)的化合物來(lái)充分吸收夾雜物。另外如果在鋼水當(dāng)中添加稀土元素，還可以使鋼水當(dāng)中的某類夾雜物變性，也可以與硅酸鹽類的夾雜物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)這樣的方式，可以利用稀土來(lái)充分吸附鋼水中的夾雜物。稀土元素除了上述功能之外，另外也會(huì)與比較脆性的氧化物發(fā)生反應(yīng)，特別是硫化錳之類的氧化物，通過(guò)跟稀土反應(yīng)可以生成結(jié)晶，從而降低鋼水當(dāng)中氧化鋁夾雜物的含量，這樣可以有效減少脆性的夾雜物產(chǎn)生的影響。

3.3 精煉渣對(duì)鋼中夾雜物的影響

在重軌鋼生產(chǎn)工藝當(dāng)中將精煉析出夾雜物酸堿度以及氧化性來(lái)分析其產(chǎn)生的影響。在精煉環(huán)節(jié)當(dāng)中，一般氧化鋁含量?jī)H在1%左右，其氧化性大概在0.6%左右，堿度在1.9～2.2之間。下圖（圖1）展示夾雜物尺寸大小與其堿度的邏輯關(guān)系。通過(guò)下圖分析可以得出，隨著精煉程度的提高，其堿度越高，夾雜物的顆粒越小，但是也伴隨著小顆粒類的夾雜物的增加。所以綜合得出，提高其內(nèi)的堿度，可以吸附夾雜物，同時(shí)減少鋼水內(nèi)夾雜物的含量。

圖1 精煉渣系堿度對(duì)夾雜物尺寸的影響

如果在精煉過(guò)程中，將堿度增加到2，檢測(cè)出其內(nèi)氧化鋁的含量上升到1.38%。下圖是夾雜物尺寸與其氧化性之間的邏輯關(guān)系。如圖所示（圖2），通過(guò)增加精煉環(huán)節(jié)當(dāng)中氧化性，其內(nèi)析出大顆粒夾雜物的比例增加，生成小顆粒夾雜物的比例減少。

圖2 精煉渣氧化性對(duì)夾雜物尺寸的影響

3.4 重軌鋼外來(lái)夾雜物的控制措施

3.4.1 開澆爐控制

在開澆爐環(huán)節(jié)，想要控制夾雜物的話，一般是通過(guò)降低卷渣和提高鋼水在其內(nèi)停留時(shí)長(zhǎng)，這樣可以有利于夾雜物的析出，所以制定了下述幾項(xiàng)措施：驗(yàn)收時(shí)應(yīng)該進(jìn)行仔細(xì)的檢查，一旦發(fā)現(xiàn)有雜質(zhì)時(shí)，必須及時(shí)清理干凈；將鑄坯的切頭長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，比如針對(duì)U75V切頭，可以從5m延長(zhǎng)至8m，U71V可以從2m延長(zhǎng)至5m；增加覆蓋劑的使用量，比如可以從13t增加到18t，并且盡可能避免覆蓋劑摻入其內(nèi)；在鋼包開澆時(shí)，也可以將其噸位提升，這樣有利于夾雜物的上浮；降低澆鑄速度，這樣可以增加鋼水在鋼包內(nèi)的停留時(shí)長(zhǎng)，也可以使夾雜物上浮析出。

3.4.2 連澆過(guò)程控制

在連澆的過(guò)程中，也制定了相關(guān)的措施：①在澆鑄接近尾聲時(shí)，可以把保護(hù)套管升高100mm～200mm。這樣主要是方便判別鋼包澆鑄的時(shí)間，可以及時(shí)的將滑板關(guān)閉，這樣可以降低精煉渣摻入鋼水的概率，另外，升高保護(hù)套管，也可以使一部分精煉的夾雜物通過(guò)縮短上浮距離，來(lái)有足夠的上浮時(shí)間從而析出；②對(duì)連澆的時(shí)間進(jìn)行控制。在上爐鋼滑板關(guān)閉之后通過(guò)更換鋼包來(lái)開啟下爐鋼滑板澆鑄。所以采取減少更換鋼包的時(shí)間，這樣可以降低澆鑄量，有效控制液位。另外，也可以縮短旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間。這樣更方便更換鋼包可以使節(jié)奏更快捷，減少澆鑄時(shí)間，由以往的200s縮短到130s，而且還大大降低了澆鑄量。

3.5 無(wú)鋁脫氧制度

重軌鋼一般都是使用無(wú)鋁脫氧的形式，這種形式不但能降低鋼水當(dāng)中氧氣的成分，另外也能降低鋼水內(nèi)部氧化鋁夾雜物，是從其本質(zhì)來(lái)對(duì)氧化鋁進(jìn)行消除的一種辦法。還有使用無(wú)鋁脫氧的方式，還可以改變鋼水當(dāng)中非金屬夾雜物的形態(tài)，使其轉(zhuǎn)化為塊狀，這樣更有利于析出。另外還可以使用VD爐來(lái)進(jìn)行脫氧的環(huán)節(jié)，這樣可以在脫氧的過(guò)程中，降低鋼水當(dāng)中氧氣的含量，也能從本質(zhì)上提高重鋼軌的純度。

3.6 中間包冶金

將擋渣壩、大型中間包和湍流器進(jìn)行有效的組合，這樣可以控制鋼水在其內(nèi)部的流向，通過(guò)控制鋼水合理分布，來(lái)提高鋼水在中間包內(nèi)的停留時(shí)長(zhǎng)。并且在澆鑄的過(guò)程中，需要時(shí)刻的控制液面的穩(wěn)定，這樣才能有利于夾雜物上浮析出，同時(shí)使用高質(zhì)的耐火材料，但同時(shí)要防止耐火材料混入雜物。

3.7 連鑄過(guò)程中夾雜物的控制

處于常規(guī)大氣壓環(huán)境下的碳，是沒有任何脫氧能力的，所以如果鋼水接觸空氣之后，其內(nèi)部的溶解氧含量就會(huì)提高，所以導(dǎo)致處于中間包內(nèi)的鋼水含氧量增加。另外，鋼液如果跟使用的耐火材料，或者是爐內(nèi)的爐渣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之后，鋼水會(huì)被二次污染，生成新的夾雜物，所以要嚴(yán)格控制，盡量保證鋼液不與空氣接觸。使用電磁也可以吸附鋼水當(dāng)中夾雜物。若想讓中間包發(fā)揮最大的冶煉效果，可以通過(guò)增大熔池深度等相關(guān)的措施來(lái)進(jìn)行優(yōu)化?？梢詫⒁缌骺诟叨忍岣?，這樣可以保證整個(gè)鋼包中鋼液的含量，也能提高鋼水在其內(nèi)部的停留時(shí)長(zhǎng)。在澆鋼環(huán)節(jié)當(dāng)中，各項(xiàng)動(dòng)作要快要迅速，防止雜質(zhì)摻入。連鑄的環(huán)節(jié)當(dāng)中，由于鋼包和中間包之間還有保護(hù)套管，所以需要采用氬氣進(jìn)行氣封，同時(shí)在套管口下方增設(shè)密封圈。中間包的水口改造成浸入式，這樣可以通過(guò)覆蓋劑來(lái)保護(hù)鋼水不被污染；澆鑄時(shí)尤其注意，需要將水口充分插入液面后，才開始澆鑄的動(dòng)作。其技術(shù)操作一定要專業(yè)，才能有效地減少鋼水與空氣接觸產(chǎn)生的污染性的夾雜物。將生產(chǎn)出的重軌鋼分組進(jìn)行抽樣檢查，檢查其夾雜物的含量是否合規(guī)合標(biāo)。在鋼材當(dāng)中一般尺寸較大的夾雜物多數(shù)都是氧化鋁產(chǎn)物，而且大小不同，形狀不一，初步分析是耐火材料當(dāng)中夾帶的雜質(zhì)；另外一種是含SI類的氧化物，常見的包括鋁、鈣等元素，經(jīng)分析是在添加保護(hù)渣時(shí)通過(guò)外部摻加進(jìn)來(lái)的。為了控制耐火材料雜質(zhì)成分以及降低對(duì)鋼液純度的影響，可以在中間包環(huán)節(jié)時(shí)使用鎂質(zhì)的材料，對(duì)于水口處的材料使用鋁碳型。對(duì)于連鑄環(huán)節(jié)控制雜質(zhì)摻入，一般采用的方法是嚴(yán)格控制鋼水液面波動(dòng)的幅度，以此減少鋼水與外部接觸面積。若使用電磁攪拌技術(shù)，應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)控其攪拌的強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度不滿足生產(chǎn)要求時(shí)應(yīng)關(guān)流控制。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)重軌鋼中夾雜物產(chǎn)生的原因，應(yīng)在平時(shí)的操作中，各工序嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)有的工藝。同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)各工序先進(jìn)性的研究，以利于重軌鋼的生產(chǎn)。此外，可采取必要的科技手段，確定夾雜物產(chǎn)生的根源，明確矛盾的主要方面，有針對(duì)性的解決。