（钢铁冶金专业论文）重轨钢u71mn夹杂物行为研究.pdf

0 。j 0 二：0 0 三- ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y illi-。14113。i16116ll i n v e s t i g a t i o no nb e h a v i o ro f i n c l u s i o n s i nh e a v yr a i ls t e e l ( u 71m n ) l i u z h e n t o n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a nl i y i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 拳嚣|n霉： 1。- 莨 f ： 爹。 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：妃 思0 。+ 学砬论文作者签每：多( 孝兰 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： - i - rl啼 rr， ，n ； r了 纷_l一 一kl 重轨钢( u 7 1m n ) 夹杂物行为研究 摘要 非金属夹杂物降低了钢的塑性、韧性和疲劳寿命，使钢的冷热加工性能乃至某些物 理性能变坏，对钢的强度、延伸性、韧性、切削性、抗腐蚀性能、表面光洁度、焊接性 能等各方面的性能有着直接的影响。夹杂物对钢的性能影响的具体程度决定于一系列因 素，比如夹杂物的数量、颗粒大小、形态及分布等。 冀南特钢有限公司炼钢分厂e a 卜l f c 短流程生产系统是十分具有特色的钢轨 生产线，其对钢水质量有严格的要求；该过程对显微夹杂物形成规律有较大影响，夹杂 物的类型、大小、变形行为及分布和产品质量有密切关系。 本论文主要对冶炼过程夹杂物行为进行研究，掌握过程夹杂物的来源及形成机理、 演变规律等用以指导生产，提出优化过程夹杂物的控制措施，以期获得高质量的产品。 通过对冀南特钢重轨钢生产过程夹杂物行为的研究，得出以下结论： 1 ) l f 炉精炼过程脱氧、去夹杂明显；l f 炉后至中间包夹杂物数量明显增加，这 表明在这一过程中钢液二次氧化及中包卷渣现象的存在，因此，必须做好保护浇注。 2 ) 从夹杂物的级别来看，都不算太高，但从夹杂物的分布情况来看，数量众多； 从成分来看，主要为硫化锰、硅酸盐和氧化铝及其变质体( 镁铝尖晶石) ，而其中氧化 铝的含量最多，而且颗粒比较大，说明c a 处理效果不是很理想。建议采用无铝脱氧， 从根本上解决氧化铝夹杂所带来的危害。 3 ) 从l f 炉至铸坯过程，夹杂物的粒径以1 0 “r n 以下为主，但其中5 | j a n 以下的比 例不高，说明央杂物上浮比较明显，但仍然需要进一步减小粒径的大小。其中在l f 中 夹杂物上浮比较明显，而在中间包中上浮较少，因此，应该改进中包工艺技术，以提高 中间包去除夹杂物的效果。 4 ) l f 脱硫过程中，各炉次的脱硫率波动较大，在3 3 9 - 7 7 2 之间波动，相差 4 3 3 ，个别炉次超出了 s 】含量的上限，而 s 】含量高是造成钢中m n s 夹杂过多的原因， 因此，在l f 冶炼过程中必须规范操作，严格控制l f 出钢【s 】含量。 关键词：电炉；l f 炉；重轨钢；性能；夹杂物；二次氧化 一i i 一 -fp ri q 吒囊 n骖vk一 弋一 盔a 垦盘堂塑堂垡迨塞 垫盥垦匹 ，7 i n v e s t i g a t i o no nb e h a v i o ro fi n c l u s i o n si nh e a v yr a i l s t e e l ( u 7 1m n ) a b s t r a c t t h ei n c l u s i o n sc a l lr e d u c et h e p l a s t i c i t y , t o u g h n e s sa n df a t i g u el i f eo ft h es t e e l ，m a k e c o l d - f o r m i n ga n d h o t - f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n de v e ns o m ep h y s i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es t e e l b a d i ti n f l u e n c et ot h ei n t e n s i t y , e x t e n s i o n , t o u g h n e s s ，c u t a b i l i t yc o r r o s i o n r e s i s t i n g ，s u r f a c e f m i s h ，w e l dp e r f o r m a n c eo fv a r i o u sf i e l d so fs t e e l t h ec o n c r e t ei n f l u e n c ei n t e n s i t yt h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ei n c l u s i o nt os t e e la r ed e c i d e db yas e r i e so ff a c t o r s ，s u c ha sq u a n t i t y , p a r t i c l em a g n i t u d e ，s h a p ea n dd i s t r i b u t i o na n ds oo n t h ee a f - l f c cp r o c e s ss y s t e mi nj i n a ns t e e lf a c t o r yi sar a i ls t e e lp r o d u c t i o nl i n et h a t h a st h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s i tp l a c e ss t r i c tr e q u i r e m e n to nt h em o l t e ns t e e l q u a l i t y t h i s p r o c e s sa f f e c t st h ef o r m a t i o no ft h em i c r o i n c l u s i o n si nt h em o l t e na n dt h es i z e ，m e c h a n i c a l b e h a v i o r , a n dt h ed i s p e r s i o no ft h ei n c l u s i o n sc l o s e l ya f f e c t st h ep r o d u c tq u a l i t y i nt h i st h e s i s ，as y s t e m a t i cs t u d yi sc o n d u c t e do nt h ep r o c e s si n c l u s i o n sc o u r s es o u r c e ， f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fi n c l u s i o n , d e v e l o pl a wa n ds oo ni no r d e rt og u i d et h ep r o d u c t i o n , s o m ec o n t r o lm e a s u r eo fo p t i m i z i n gt h ec o u r s ei n c l u s i o na r e p u tf o r w a r dt oo b t a i n l l i 曲- q u a l i t yt u b eb l o o m t h ec o n c l u s i o n ： i ) i ti so b v i o u sf o rd e o x i d a t i o na n dr e m o v i n gi n c l u s i o n si nt h el ff u r n a c c er e f i n i n g p r o c e s s ，b u tt h en u m b e ro fi n c l u s i o n si n c r e a s e sf r o ml ff u r n a c et ot u n d i s h w h i c hs h o w e d t h a tt h e r ea r es e c o n do x i d ea n dm o l dp o w d e ro ft u n d i s hi nt h eh o ts t e e l s oi tm u s tp r o t e c th o t s t e e l 2 ) f r o mt h el e v e lo fi n c l u s i o n , i ti sn o tt o oh i g h ，b u tt h ed i s t r i b u t i o no fi n c l u s i o n s ，t h e l a r g en u m b e r , f r o mc o m p o n e n t s ，m a i n l yf o rs u l f i d e - m a n g a n e s e ，a n da l u m i n u ms i l i c a t ea n d d e g e n e r a t i o no f ( m g ，a 1s p i n e l ) ，m a n g a n e s es u l f i d ei sm o r et h a no t h e r s ，m ：g a l 2 0 4r e l a t i v e l y l e s s ，w h i c hs h o wi n c l u s i o ni st h em a i nd e o x y - b a s e dp r o d u c t , i n t e r n a li n c l u s i o n si sm o r et h a n t h ei n c l u s i o no fe x t e r n a li n c l u s i o n ，s oi ts h o u l do p t i m i z et h ei n d u s t r i a ld e o x yf o rr e d u c i n gt h e i n c l u s i o n 3 ) f r o ml ff u r n a c et ob i l l e tp r o c e s s ，t h ei n c l u s i o ns i z eb e l o w10b mi sm a i n , b u tt h e r a t i ob e l o w5b r ni sn o th i g h , t h a ts h o wi n c l u s i o n sf l o a t e dm o r eo b v i o u s ，b u ts t i l ln e e dt o f u r t h e rr e d u c et h es i z eo ft h ep a r t i c l es i z e t h ef l o a t i n go fi n c l u s i o n si sm o r eo b v i o u si nl f ， 一i i i w h i l et h ef l o a t i n go ft u n d i s hl e s s ，t h e r e f o r e ，i ts h o u l db ei m p r o v e di n d u s t r i a lt e c h n o l o g yo f t u n d i s h 4 ) d u r i n gl fr e f i n i n gd e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s ，t h e f l u c t u a t i o n so ft h ed e s u l f u r i z a t i o n r a t ei sv e r yb i g ，f r o m2 7 5 t o51 2 8 ，ad i f f e r e n c eo f2 3 7 8 ，r e s p e c t i v e l yi n d i v i d u a l f t l r n a c eb e y o n dt h e s 】i nt h eu p p e ra n dl o w e rl i m i t s ，t h eh i g h 【s 】s c o n t e n to ft h es t e e lb e c o m e u s e f u lf o rt o om a n ym n si n c l u s i o n s ，t h e r e f o r e ，i tm u s ts t a n d a r d i z eo p e r a t i o ni ns m e l t i n g w o r k s ，a n ds t r i c t l yc o n t r o l 【s 】c o n t e n to f s t e e l i nl f ” k e yw o r d s ：e l e c t r i ca r cf u r n a c e ；l a d l ef u r n a c e ；h e a v yr a i ls t e e l ；p e r f o r m a n c e ；i n c l u s i o n s ； r e o x i d a t i o n 一一 v，fkf 哆，毒 r i t 东北大学硕士学位论文目录 一mm 1 一 目录 独创性声明i 学位论文版权使用授权书。i 摘要- i i a b s t r a c t ：i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 重轨钢夹杂物的危害1 1 2 研究目的意义及研究内容2 第2 章文献综述二_ 3 2 1 重轨钢的发展现状及趋势3 t 2 1 1 重轨钢的冶炼现状3 2 1 2 重轨钢的发展趋势：j 5 2 2 重轨钢夹杂物的研究7 2 2 1 重轨钢夹杂物研究概况7 2 2 2 夹杂物对重轨钢性能的影响“8 2 2 3 重轨钢夹杂物减少的措施一：11 第3 章重轨钢( u 7 1 m n ) 夹杂物行为研究1 6 3 1 现场冶炼过程及技术数据分析1 6 3 1 1 冀南特钢现场7 0 t 流程概况1 6 3 1 2 冶炼技术数据分析：1 9 3 2 实验结果分析：2 l ， 3 2 1 钢水洁净度的变化：j 一2 l 3 2 2 显微夹杂物分析一2 3 3 2 3 央杂物的形貌、组成、分布：3 2 一v 一 叁a 垦盘鲎塑堂焦迨耋 旦垂 第4 章结论4 3 参考文献4 4 致i 射4 6 作者简介- 。4 7 论文包含图、表、公式及文献4 8 守 l ” 。 壅韭盘茎塑鲎焦迨童笙! 主超 。 ， 一 e ， 第1 章绪论 ；i ，7 一，1 “j 铁路对钢轨使用性能的要求随铁路的发展而不断变化。在传统铁路线上，磨损是 钢轨的主要损坏形式，因此，传统铁路主要强调钢轨的耐磨性能。近年来随着铁路行 车速度的不断提高，钢轨的损坏由过去的磨损转变成各种形式的疲劳损坏，而夹杂物 5。 往往被视为显微裂纹的发源地，在疲劳裂纹和塑性加工中生成的裂纹也往往与夹杂物 一 的存在有着密切的关系1 1 ，由此可见，有必要进行重轨钢夹杂物的研究工作，从而提 高炼钢钢水质量，进而改善最终钢材产品质量。 。 i f 1 。 j ， 1 1 重轨钢夹杂物的危害 ，。 在工程结构和机械设备中，疲劳破坏的现象极为广泛，它普遍存在于每个承受反 复荷载的结构部件中，因此疲劳问题是轨道结构中一个古老而又基础的问题。而钢轨 是轨道结构中一个重要部件，是轮轨接触中的直接承重部分，承受列车荷载反复作用 。 并将重量传到轨枕和道碴，在铁路运输中起着承上启下的作用。在交变荷载的重复作 一 用下，钢轨会因为疲劳而引起剥离、掉块、核伤、孔裂、轨头裂纹等疲劳损伤，严重 ， 影响行车安全。 ，； 2 0 0 0 年1 0 月1 7 日，一列高速列车以1 8 5 k m h - 1 的速度从伦敦的k i n g sc r o s s 驶 往l e e d s 的途中，在通过距伦敦1 7 k m 、半径为1 4 6 0 m 的曲线时，列车由于曲线外侧 。 的钢轨存在疲劳裂纹，发生出轨事故，造成严重的交通事故。整个列车1 1 节车厢的。 ，后面8 节脱轨，2 节几乎完全倾覆，另有l 节客车和餐车严重损坏。车上共有1 8 2 人， 4 人死亡，7 0 人受伤【2 】。而在我国这种现象也很普遍，随着列车速度的提高、运量的 。 加大和轴重的增高，轮轨出现的破坏现象变得越来越严重，我国每年用于更换和维修 8 损伤轮轨的经费达8 0 多亿人民币。轮轨突发性破坏导致列车脱轨而造成的损失，就 易 更无法统计【3 ，4 l 。 。t f 7 研究表明，钢轨断裂是脱轨的最大原因之一，其重要性超过了另一个起显著作用 的原因车轮及车轴( 轴承) 的断裂。而且，尽管铁路部门每年对钢轨进行了大量的 检查工作，以及铺设和更换了大量新钢轨，但是伤损钢轨和与钢轨断裂有关的行车事 故仍然时有发生【5 1 。 ? ； 5 0 年前，人们第一次认识到非金属夹杂物是钢疲劳裂纹的重要起源。为了提高钢 一 一1 一 壅i 垦盘鲎塑堂焦迨塞笠! 童缝迨 的疲劳性能，多年来，各国投入了巨大的人力、物力，不断改进钢铁制造水平，利用 二次精炼技术以及其他减少非金属夹杂技术，已经极大地降低了夹杂物的尺寸与含， 量。但目前，在洁净钢中仍然含有较少的大夹杂与很多弥散的小夹杂，其中大夹杂的 存在对钢的疲劳寿命影响很可能是灾难性的，而小夹杂是几乎不可避免的。随着钢的 强度级别进一步提高，夹杂对疲劳寿命的影响就越突出【6 】。 一，、 ， - 1 2 研究目的意义及研究内容， 本研究内容是以冀南特钢有限公司炼钢分厂所炼钢种u 7 1 m n 为研究对象，该厂 于2 0 0 7 年6 月开始投产，但该厂在建厂初期出现了严重的轧制过程断裂现象，其中 5 0 0 0 吨钢材中有1 0 0 0 吨在轧制过程中产生断裂。损坏率达到了惊人的五分之一，因 为夹杂物对钢轨的断裂中起着重要的作用，因此本篇论文主要是从夹杂物方向进行研 究，通过对过程央杂物的来源及形成机理、演变规律等方面的研究，以在现有设备条 件下，提出改善生产工艺措施，尽量减少钢中夹杂物的含量，提高钢的纯净度，进而 改善钢轨的质量。 研究是通过两个部分进行的，第一部分为现场冶炼数据研究，第二部分为取样检 测分析研究。 ，。 主要研究内容： ： 1 ) 通过从电炉到浇注冶炼全过程的工艺研究找出夹杂物问题所在。 2 ) 分析钢中夹杂物来源、分布、数量以及夹杂物组成及粒径情况。 。 3 ) 检测从电炉出钢到轧制后钢中夹杂物的演变情况，以及经轧制后铸坯中夹杂 的粒度、形貌变化。 ：” ，4 ) 分析夹杂物对钢质量及性能的影响，研究夹杂物的控制方法。 ” ， 一2 一 第2 章文献综述 2 1 重轨钢的发展现状及趋势 。 从1 9 世纪中期到现在，钢轨钢的发展经历了漫长的过程，它的前1 2 0 年是一个不引 人注目的渐进的历史。在随后的时间里，钢轨钢的发展发生了一场革命，自1 9 9 0 年以 来，美国钢铁协会就先后组织了三次钢轨冶金专题讨论会。即：“优质钢轨钢一、“钢 轨钢的开发、生产与性能 和“2 l 世纪的钢轨钢 。从此以后钢轨钢得到了长足的发展。 我国现有铁路营运里程约7 5 万k m 。随着全国铁路第六次大提速，这标志着我国铁路建 设已经有了长足的进步。但是同我国的社会与经济发展需求相对照起来，铁路的运能运 力仍属限制性环节，铁路运输的高速重载化刚刚起步，我国面临着铁路运输现代化的繁 重而巨大的任务。 。 2 1 1 重轨钢的冶炼现状 - ：，-， 。一 。 与国外重轨钢生产工艺类似，目前国内重轨钢的生产也普遍采用“铁水预处理一转 炉一l f 炉外精炼一真空脱气一连铸 工艺进行生产，在各工艺环节中采用相关技术进 行钢水杂质元素的控制技术，以达到净化钢水的目的。 - 目前，国内生产重轨的厂家是攀钢、鞍钢、包钢和武钢，这四家重轨生产企业由于 条件和装备上的不同，冶炼工艺也有所差异，下面就结合这四家钢厂的生产状况，对我 国现阶段重轨钢生产工艺进行介绍。 、 ” “ ， 2 1 1 1 铁水预处理 。 ：一 一 通过对入炉前的铁水进行以脱硫、磷为主要目的的预处理，可降低铁水、钢液和钢 坯中的硫、磷含量，并可减少冶炼和精炼的难度 7 1 。我国钢轨钢生产企业，通常都要对 铁水实施预处理。攀钢采用c a c 2 基、m g 基脱硫剂进行铁水脱硫预处理，使攀钢铁水、 半钢中的硫的质量分数可稳定在0 0 2 0 以下，最低可达0 0 0 5 。采用预脱硫铁水、半 钢生产的重轨的硫化物夹杂评级能够达2 5 级以下，完全可以满足高速铁路钢轨标准对 钢轨硫化物夹杂的要求。鞍钢采用铁水预处理技术使转炉入炉铁水中p 、s 的质量分数 均降到0 0 1 0 以下。包钢8 0 t 顶底复吹转炉冶炼用的中磷铁水，经过铁水包喷粉脱硫处 理，半钢中w p 】郢0 3 5 ，w s 】郢0 1 0 。武钢采用铁水罐喷吹法脱硫，使入炉铁水中 w s z o 0 1 0 。 j - 3 - 、 丫，；， ， l 壅j 堡盘鲎亟鲎焦迨塞笙2 主耋丛绫姿 2 1 1 2 转炉吹炼 1 目前重轨钢国内四家钢厂全部采用转炉冶炼，而现在对转炉冶炼最主要的要求是碳 含量的控制，高碳出钢即可以减少增碳剂的使用量，也节省l f 工序中脱氧剂的使用。 而根据转炉吹炼c o 关系曲线，当w 【c 郢1 时，w 【o 】急剧升高。在保证去p 效果时， 使吹炼终点碳控制在0 1 左右对钢质有利，吹炼终点按目标w 【c 】芝0 1 进行控制。包钢 实际终点w 【c 】平均为0 0 9 3 ，w 【c 0 1 的比例为3 5 。 2 1 1 3 炉外精炼 为了满足重轨钢对化学成分、气体含量及非金属夹杂的严格要求，并且要求精炼过 程能在转炉与连铸之间起到缓冲协调作用，按时向连铸机提供质量、温度合格的钢水， 达到稳定连铸生产和保证铸坯质量的目的，选用的炉外精炼设备应具有以下功能9 】：具 有合金微调功能，能准确控制钢水化学成分；具有升温和保温功能，能调整和控制钢水 温度；具有真空脱气功能，能有效降低钢中气体含量；具有脱硫和去除非金属夹杂物功 能，能去除钢中有害夹杂；能在转炉与连铸之间起到缓冲协调作用。 而目前应用较广泛的带加热功能的炉外精炼设备主要是电加热的l f 炉和化学加热 的c a s - - o b 等，带真空的炉外精炼设备主要是v d 和r h 。这些设备各有特点，国内 在各个生产企业根据各厂的产品方案和实际情况来进行选取，现阶段，生产重轨钢钢厂 精炼设备主要是l f 、r h 和v d 真空精炼设备。其中，攀钢使用l f r h ，经r h 真空 处理后，重轨钢中w h 】可降到1x 1 0 。6 以下，钢轨全氧质量分数可稳定地控制在2 0 x 1 0 南 以下。另外还发现，经r h 真空处理后，钢轨中的氧化物夹杂大幅降低，钢轨夹杂总量 ( 质量分数) 降至5 0 x 1 0 击以下。其余几家采用l f v d 。钢水经过v d 处理，随着钢 液在真空室内的强烈搅拌，为夹杂物的排除提供了良好的动力学条件，经v d 处理后， 钢e e i - i 、【o 】、 n 】的质量分数可分别控制在2 5 x 1 0 西、2 0 x 1 0 。6 和6 0 x 1 0 击以下。 2 1 1 4 连铸 目前，重轨钢的生产全部采用连铸。以下是连铸对于重轨钢生产的一些优点： ( 1 ) 大幅度提高金属收得率。以包钢为例，对1 9 9 1 年生产数据分析表明，用钢锭 轧制重轨，金属收得率为7 2 1 ，用连铸坯轧重轨金属收得率为8 3 8 ，提高了1 1 7 。 此外还缩短了流程，大幅度降低能耗，提高了生产率 9 1 。 ( 2 ) 表面质量显著提高，这是连铸坯轧重轨的另一突出优点。据介绍，用连铸坯 轧制的重轨，其表面缺陷比钢锭轧制的重轨减少5 5 。 ( 3 ) 内部质量明显改善，连铸坯断面小、冷却快，铸坯内部组织比较均匀、细小 - 4 - 盔皇垦盘茎塑鲎焦迨塞笠2 童塞然绫鲨 ， 致密，与模铸相比元素偏析较轻。另外，由于连铸时严密的保护浇注，防止钢水二次氧 化，钢包、中间包和结晶器中夹杂进一步脱除，使连铸坯中夹杂总量比模铸减少4 5 t 1 0 1 。 ( 4 ) 重轨性能得到改善。包钢公司用连铸坯轧制重轨的实践表明，由于表面及内 部质量均得到明显改善，使重轨使用性能也得到提高【l l 】。该公司用连铸坯轧制的重轨经 我国铁路协会检验证明，抗拉强度、屈服强度、延伸率及断面收缩率均高于用钢锭轧制 的重轨，只是硬度略低。目前用连铸坯生产的重轨能满足几乎所有重要铁路公司的标准， 。对使用寿命和可靠性要求最高的钢轨都采用连铸坯生产。 ， i， ；2 1 2 重轨钢的发展趋势 。 。 由于列车速度和重量的同时提高，使用部门对钢轨综合性能提出了越来越高的要 求，因此形势要求钢轨向重型化、强韧化、纯净化和高精度化发展【1 2 1 。 ” 2 1 2 1 重型化 钢轨重型化增加了钢轨的刚度，列车作用于钢轨上的压力可分散在较多的轨枕上， 从而减少了轨枕、道床及路基的应力。同时，由于钢轨刚度的增加，其动力纵断面比较 平顺，产生的附加压力相应减弱，轨道结构残余变形积累也相应减少。从对轨道的动力 测试结果及计算得出：钢轨越重，钢轨非接头区的附加动力值越小，若以5 0 k g m 钢轨 附加动力值为1 ，则4 3 k g m 钢轨为1 0 8 ，7 5 k g m 钢轨为o 8 2 。可见，采用重型钢轨可 以提高轨道结构承载能力，延长线路大修周期，具有明显的技术经济效益由于钢轨重型 化后，钢轨接触疲劳伤损占伤损总数的比例提高【1 3 j 。因此，必须同时增加钢轨抗磨性及 f 抗接触疲劳能力，对其材质，尤其是轨头部分进行强韧化处理。根据经验可概略地认为 4 3 k g m 、5 0 k g m 、6 0 k g m 、7 5 k g m 重轨每提高一级可提高运量5 0 以上，轨重增加， 不仅可以提高货运密度，延长重轨使用寿命，而且可以节约钢材，见表2 1 。 、 表2 1 各种轨型使用情况 轨型用钢大修期年用钢节约钢材 由表2 1 可见，用6 0 k g m 重轨代替5 0 k g m 重轨可以节约钢材2 8 ，用7 5 k g m 重 一5 一 壅i 垦盘鲎塑堂焦途塞釜2 主盎然绽姿 轨代替5 0 k g m 重轨铺设严重超负荷线路，可以节约钢材3 5 7 。 2 1 2 2 强韧化和纯净化 经实测，轮径8 4 0 m m 、轴重2 1 t 的货车在平顺轨道上正常运行时，其轮轨接触应力 可达到1 2 3 0 m p a 以上。而目前，普通碳素钢轨极限强度u 7 1 m n 为8 8 0 m p a ，u 7 4 为 7 8 0 m p a ，淬火后也只能达到1 1 0 0 1 2 0 0 m p a 。因此，即使在现有运营情况下，钢轨的 强度已不适应【1 4 1 。从钢轨服役情况看，伤损情况较为严重，表现在轨头侧向和垂直磨耗 速度过快，剥离、压溃、波磨，甚至发生早期断裂。在全国范围内，曲线上股钢轨波磨 范围逐年增大，已成为影响钢轨寿命和行车安全的重要因素。上述钢轨存在的问题，从 钢轨材质方面分析，主要是强度低、韧性差，夹杂物多，易形成疲劳裂纹源，导致钢轨 早期失效。因此，今后钢轨应从强韧化和纯净化作为主要努力方向。解决这个问题的出 路应从强韧化和纯净化入手。 其主要措施【1 5 】： ( 1 ) 发展强度比u 7 1 m n 高一等级的钢轨，如攀钢生产的p d 3 高碳微钒轨和包钢生 产的含铌稀土轨。这两种钢轨的抗拉强度已达9 8 0 m p a 的水平，可以满足一般线路的需 要。到目前为止，p d 3 钢轨已铺设5 0 万t ，稀土轨从1 9 9 8 年推广以来，已上道1 5 万t 。 考虑到酸雨气候和长大隧道的需要，研制高强耐蚀钢轨也很有应用前景。 ( 2 ) 大力发展全长淬火钢轨。这是铁道部实行的一项主要技术路线【1 6 】。淬火轨比 轧态轨成本增加不到1 0 ，但使用寿命延长一倍，这样的技术路线符合低成本的要求。 随着列车轴重的增加，尤其要研制。注1 3 0 0 m p a 、o 之9 8 0 m p a 的超高强度钢轨，以满足 小半径曲线及繁忙、重载线路的需要。p d 3 钢轨和稀土钢轨经全长淬火能够适合铁路重 ， ， 载、繁忙干线的需要。 ( 3 ) 钢质的纯净化是钢轨重型化、强韧化的基础。我国钢轨生产厂经过技术改造， 已具备了控制杂质总量的条件。国际上，现已实现大批量生产钢中杂质总量的质量分数 w ( t 【o 】+ s + p + n 邶s 1 0 0 1 0 巧的超纯净钢，单项能做到w o _ 5 x 1 0 。6 、w h _ l x l 0 西、 w n 1 0 x 1 0 一、w 【s 】 5 1 0 币、w p l o l o 西。在钢轨中提高冶金纯净度的重点应放在【o 】 和 h 】上。2 0 0 k m h 和3 0 0 k m h 钢轨熔炼分析w o 5 2 0 1 0 币、w h 】翌5 x 1 0 南，成品中 w h s 1 5 x 1 0 6 。对夹杂物的要求，2 0 0 k m h 钢轨：a 类q 5 级，b 、c 、d 类s 1 5 级；3 0 0 k m h 钢轨：a 类翌级，b 、c 、d 类5 1 级。 ( 4 ) 关于钢轨金相组织。选择钢轨最佳金相组织越来越被世界钢轨界重视。现阶 段，就获得较好的强度和韧性而言，细珠光体组织应为理想选择。从长远看，珠光体钢 6 、 d ij， 壅j 垦盘鲎塑鲎焦迨塞笠2 童塞丛绫姿 轨组织进一步细化应为努力的方向1 7 1 。鉴于低碳贝氏体钢研究活跃，因此，低碳贝氏体 钢轨也可作为基础性研究开展，以解决珠光体钢轨进一步提高强度因其本身受到局限的 问题。 ， ( 5 ) 对冶金技术的其他要求。通过控轧控冷细化晶粒，防止晶界脆化，降低高强 度钢轨对延迟断裂的敏感性；控制凝固过程，达到钢轨材质均匀化；调整化学成分，提 高高强钢轨的焊接性能；添加合金元素进_ 步提高钢轨耐磨性能等，都是提高钢轨使用 性能的有效措施1 8 】。此外，在发展高强和耐磨钢轨问题上有两点需要冶金行业和铁路行 业共同注意：一个是高强钢轨的焊接问题。我国铺设无缝线路己超过2 5 万k m ，占我国 铁路全长长度的1 3 ，钢轨在服役过程中折断部位经常发生在焊接区域。另一个是关于 磨耗问题。要选择轮轨关系的最佳配合，统筹考虑。钢轨并非越硬越好，而是需要一定 的磨耗速率，否则最大接触应力反复出现在钢轨同一部位，会产生疲劳源而引起剥离掉 块。 2 1 2 3 高精度化 主要涉及两方面问题：断面尺寸公差和平直度。 我国现有钢轨标准中关于断面尺寸公差、平直度、扭曲及锯切、钻孔公差比e n 标 准落后，满足不了提速和高速铁路的要求。为此，1 9 9 9 年铁道部己出台了2 0 0 k m h 和 3 0 0 k m h 的钢轨暂行技术条件。应该讲，我国目前钢轨轧制水平尚不能完全达到规定的 要求，特别是断面对称性和平直度的要求。应采取的基本措施包括：第一，采用万能轧 机轧制；第二，垂直、水平联合矫直和轨端四面液压矫直；第三，采用在线激光测试仪 器严格监控和检查。 2 2 重轨钢夹杂物的研究 非金属夹杂物降低了钢的塑性、韧性和疲劳寿命，使钢的冷热加工性能乃至某些物 理性能变坏，对钢的强度、延伸性、韧性、切削性、抗腐蚀性能、表面光洁度、焊接性 能等各方面的性能有着直接的影响。由于重轨钢应用于铁路的特殊作用，因此它对夹杂 物的要求更加严格。 2 2 1 重轨钢夹杂物研究概况 目前国内外钢轨钢的炼钢生产均采用l d l f r h ( v d ) 一c c 工艺流程。国外先进 的钢轨钢生产技术已达到很高的质量水平，钢中夹杂物和连铸坯缺陷均降到很低水平， 一7 一 壅a 垦盘鲎塑圭堂焦逢主笠2 童塞然绫姿 完全符合e n 标准的要求，获得了所谓的“无缺陷钢轨”。其中，重轨钢去除夹杂物技 术水平最高的是日本，其次是欧美和韩国。日本神户制钢生产钢种全氧含量已经达到 ( 2 5 ) x 1 0 。最近，新日铁开发了控制钢中夹杂物的新技术，通过向钢水中添加镁， 控制夹杂物的成分，并细化夹杂物颗粒。采用该方法，使夹杂物的变形性能接近钢的变 形性能，可以提高产品的韧性和加工性能，从而提高产品质量【1 9 】。 国内钢轨生产企业通过近几年的技术改造，己建立了具有世界一流装备水平的生产 线，钢轨钢内部质量达到较好水平，所轧钢轨基本满足2 0 0 k m h 高速轨技术标准要求， 但与3 5 0 k m h 高速钢轨标准中的技术指标相比，仍存在较大的差距。 例如，国内重轨钢生产基地之一的攀钢，据2 0 0 4 年2 月至5 月生产的钢轨钢实物 质量的调查表明，符合3 5 0 k m h 高速轨钢水纯净度标准要求的合格率仅4 8 2 1 ，而其中 最主要问题就是在非金属夹杂物的控制上。因此，系统研究高洁净度钢轨钢的冶炼工艺 技术，尤其是非金属夹杂物控制技术已成为开发生产高速钢轨的关键环节和核心技术。 为此，全国重轨钢各大生产厂家针对性地开展了钢包底部吹氢参数优化、钢包渣组 成控制、硫化物夹杂物的钙处理变性等技术的研究。通过研究提高了a 、b 、c 、d 类夹 杂的合格率，改善了钢的质量。但是和国外的差距还比较明显。因此，重轨钢夹杂物方 面的研究有待于进一步的加强。 j 2 2 2 夹杂物对重轨钢性能的影响 钢中非金属夹杂物虽然为数不多，但对性能的影响却不可忽视。夹杂物对钢力学性 能和工艺性能的影响，主要是降低材料的塑性、韧性和疲劳性能，尤其当夹杂物以不利 的形状分布特征存在时，对材料机械性能影响更为严重【2 0 】。 统计结果表明，机器零件的失效9 0 以上为疲劳破坏。钢中非金属夹杂物的危害性 就在于它破坏了钢基体的连续性，造成了应力集中，促进了疲劳裂纹的产生，并在一定 条件下加速了裂纹的扩展，从而加速了疲劳破坏的过程。，。 衡量夹杂物对钢质量的危害时，至少应从几方面进行综合评定，即夹杂物含量，颗 粒大小和分布( 这些通称为钢的洁净度) ，以及夹杂物的类型，物理性质及其在) j 口- r 过 程中的变形能力口1 1 。 ( 1 ) 夹杂物含量 过去所谓钢的洁净度均指钢中氧和硫含量多少，这无疑是十分重要的，所以直到今 天差不多每种炼钢新工艺的出现都集中力量研究如何减少氧、硫的含量。如自从1 9 7 0 一8 一 对 i 壅韭盘堂塑鲎垡逢塞。复2 主塞然绫姿 年大规模生产高纯净钢的新技术铁水预处理，钢包二次精炼( v a d 、v o d 、a o d 、 r h 、喷粉、l f 炉) 等获得很大发展以来，钢中氧硫含量已经达到很低水平。 ( 2 ) 夹杂物的尺寸 实践已经表明，仅仅用钢中氧和硫总量反映钢的清洁度是不充分的，除去含量外， 氧化物，硫化物夹杂的尺寸也是决定钢的清洁度的重要判据。因为对钢材某性能而言， 只有那些尺寸大于“临界值的夹杂物才起重要的影响，凡是只存在尺寸小于“临界 值 夹杂物的钢，就可以认为是洁净钢。因此，夹杂物分析中一个主要问题，不仅是测 ， 控钢中夹杂物平均含量，还要确定那些对钢材有害的夹杂物数量。钢中夹杂物数量越少、 ，尺寸越小、分布越均匀、脆性夹杂物越少、形状越近似球形则钢材的疲劳寿命越长瞄，2 3 】。 、 ( 3 ) 夹杂物分布 夹杂物在钢中不是均匀分布的，它的分布状况与冶炼浇注条件有关，而且，这种分 布不均匀情况始终存在。就成品重轨钢而言，最讨厌那些存在于钢表面的夹杂物，因为 它直接损害工件的疲劳寿命和其他性能阴】。 ( 4 ) 夹杂物物理性质和变形能力 由于金属材料中分散相的几何因素即夹杂物的性质与钢基体的性质有关，因此夹杂 物的两个参数弹性模量或变形能力以及热膨胀系数对形成产品缺陷是十分重要的。 下面将分别谈谈夹杂物对重轨钢的几个主要性能的影响： 2 2 2 1 夹杂物对钢延性的影响 夹杂物的形状对横向延性具有明显的影响，随着钢中带状夹杂物的增多，横向的断 面收缩率随之降低，由于纵向试样中的条带状夹杂物与负荷的方向一致，因此高的应力 集中发生在横向试样的带状夹杂物上，而不发生在纵向试样的带状夹杂物上，所以纵向 的延性主要决定于夹杂物的总量，而横向延性则主要取决于带状夹杂物的数量【2 5 1 。 由于条带状夹杂物主要是硫化物，变形率较高，随着锻造比的增加，硫化物随着钢 基体的变形方向自由伸长，导致断面收缩率的各向异性增大，随着含硫量和硫化物长度 比的增加，横向延伸率明显地下降冈。 i i 2 2 2 2 夹杂物对钢韧性的影响 金属的断裂韧性和其他力学性质一样，都是金属的属性。一种金属材料在低于屈服 强度的应力下，抑制已存在的裂纹并阻止它开始迅速扩展的能力叫做断裂韧性。钢的断 裂韧性随含硫量的增加而降低，其原因是由于在裂纹尖端裂纹成核的数目增加导致断裂 应变减小引起的。 一9 一 。 壅韭盘鲎亟茔焦迨塞箜2 室圭然绫姿 断裂应变的减小使裂纹尖端的塑性失稳区域尺寸随之变小，因此使平面应变断裂韧 性降低。有些研究讨论了夹杂物在塑性断裂中的作用指出：试样的韧性断裂过程分为两 步，首先围绕夹杂物形成空洞，然后这些空洞长大和聚合导致裂纹扩展【2 7 1 。 2 2 2 。3 夹杂物对钢疲劳性能的影响 钢中非金属夹杂物对钢疲劳性能的影响与夹杂物的类型、大小、形状、数量和分布 有关。在高强度结构钢中非金属夹杂物作为疲劳破坏之源已被许多工作证实。目前普遍 认为氧化物，特别是铝酸钙，氧化铝和尖晶石型夹杂物引起的应力集中最为严重。所以， 这些夹杂物的存在将对钢材的疲劳性能产生明显的有害影响【2 羽。 夹杂物对疲劳性能的影响的重要因素之一是夹杂物的变形率。变形率的重要性在于 它可以指出在变形过程中钢中夹杂物的变形行为。当钢加工变形时，具有低变形率的夹 杂物可能在夹杂物与钢基体界面形成显微裂纹，这些显微裂纹便成为后来疲劳破坏之源 【2 9 1 。变形率低的夹杂物诱发钢中疲劳裂纹的原因，一是它不能传递钢基体中存在的应力， 在受力条件下，这些夹杂物的周围引起应力集中，对裂纹的形成具有直接成核的作用； 另外由于夹杂物与钢基体的热膨胀系数不同而在夹杂物周围产生内应力，在加工过程中 可能在夹杂物与钢基体界面引起显微裂纹。硫化物的变形率较高，在所有的温度条件下 都有较高的变形率，因此，在一般情况下