摘要

鐵路運(yùn)輸?shù)闹剌d化和高速化對(duì)鋼軌材質(zhì)的潔凈度提出了更加嚴(yán)苛的要求。國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)高速重軌鋼的過(guò)程中,存在精煉階段氧、硫含量控制不穩(wěn)定的問(wèn)題,繼而造成鋼中非金屬夾雜物控制水平不穩(wěn)定的問(wèn)題。為了研究重軌鋼中氧、硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氧化物夾雜的影響,以此廠生產(chǎn)的重軌鋼為研究對(duì)象,開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室熱模擬研究,調(diào)整鋼中初始硫和全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.007%~0.016%和0.001 2%~0.004 4%,統(tǒng)計(jì)鋼渣反應(yīng)前后鋼中氧化物夾雜數(shù)量密度、尺寸和成分的變化規(guī)律。結(jié)果表明,隨著鋼中氧、硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,氧化物夾雜的去除率呈升高趨勢(shì),氧化物夾雜的平均尺寸呈減小趨勢(shì)。鋼廠可在保證渣成分穩(wěn)定、鋼液溫度降幅不大且精煉時(shí)長(zhǎng)穩(wěn)定的情況下,改變以往過(guò)分追求低硫指標(biāo)的生產(chǎn)習(xí)慣,利用表面活性元素氧、硫?qū)缑鎻埩Φ挠绊?適當(dāng)提高LF進(jìn)站前鋼中氧、硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),可提高氧化物夾雜的去除率,同時(shí)降低夾雜物尺寸。

重軌鋼是鐵路承重的主要用鋼，鋼軌的質(zhì)量嚴(yán)重影響高速、重載鐵路的快速發(fā)展。除要求更高的潔凈度、強(qiáng)度和良好的韌性外，抗疲勞性能是考核重軌鋼質(zhì)量好壞的重要因素。非金屬夾雜物是破壞鋼軌抗疲勞性能最主要的原因，嚴(yán)重影響鋼軌的使用壽命和鐵路運(yùn)行安全。國(guó)內(nèi)重軌鋼廠一般采用硅錳復(fù)合脫氧或硅鈣鋇脫氧，嚴(yán)格控制脆性Al2O3夾雜的出現(xiàn)，從而避免對(duì)抗疲勞性能的影響。作者對(duì)重軌鋼生產(chǎn)的LF-RH-CC流程取連續(xù)4爐樣分析發(fā)現(xiàn)，精煉階段重軌鋼中夾雜物主要以MnS夾雜和復(fù)合型氧化物夾雜為主，鑄坯中多為以氧化物為核心包裹MnS生長(zhǎng)的形式出現(xiàn)。因此國(guó)內(nèi)對(duì)重軌鋼冶煉過(guò)程的傳統(tǒng)研究更傾向于2條路線(xiàn)：1)降低鋼液中的氧、硫元素含量以減少氧、硫化物夾雜的生成，尤其是嚴(yán)格控制MnS夾雜的生成；2)對(duì)MnS進(jìn)行改性處理，減少長(zhǎng)條狀MnS的析出，降低裂紋生成率，有利于提高重軌鋼的抗疲勞性能。王玉昌提出了實(shí)現(xiàn)不含鋁強(qiáng)化脫氧是高速重軌鋼潔凈度控制的關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)證明，在相同溫度下，硅鈣鋇比硅鈣脫氧能力更強(qiáng)；唐磊研究了精煉渣系對(duì)重軌鋼潔凈度的影響，揭示了相同處理工藝下，堿度為2.5的重軌鋼精煉渣脫氧、初期脫硫速率更大，更易于夾雜物去除與減小尺寸；高梓淇等研究了精煉渣中Al2O3含量對(duì)重軌鋼中夾雜物的影響，結(jié)果表明隨著渣中Al2O3含量降低，夾雜物中Al2O3含量減少，氧化物數(shù)量增多，更有利于MnS在其表面析出，且A類(lèi)夾雜合格率更高；張學(xué)偉通過(guò)熱力學(xué)確定了MnS夾雜物析出發(fā)生在凝固末期，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析表明，初始元素濃度與凝固冷卻速率會(huì)影響MnS析出的尺寸，鋼液中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.005%，可降低MnS形核率和臨界尺寸，并抑制其尺寸長(zhǎng)大；卓超研究了Ce、Mg處理對(duì)MnS析出的影響，揭示了Ce、Mg單獨(dú)處理和復(fù)合處理后重軌鋼中夾雜物的演變機(jī)制，2種處理方式均減少了長(zhǎng)條形MnS的析出。

由于國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的重軌鋼中氧、硫元素含量波動(dòng)范圍較大，鋼軌質(zhì)量同時(shí)也受到影響。作者通過(guò)生產(chǎn)調(diào)研和文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋼中夾雜物數(shù)量并不完全與氧、硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，且氧、硫作為鋼中表面活性元素，對(duì)脫氧產(chǎn)物與鋼液間的界面張力以及渣-鋼的界面張力都有影響，從而間接影響到了脫氧產(chǎn)物在鋼液中的生成和運(yùn)動(dòng)行為。因此，通過(guò)試驗(yàn)研究重軌鋼中氧、硫元素對(duì)鋼液中脫氧產(chǎn)物的影響，不斷突破重軌鋼實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)的生產(chǎn)十分必要。

嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，實(shí)際煉鋼過(guò)程中所有的界面現(xiàn)象在熱力學(xué)上都是不平衡的，要對(duì)它們進(jìn)行深入的了解和量化，是一件非常困難的事情。鋼液中的表面活性元素處于渣-鋼兩相之間的非平衡狀態(tài)，可以在兩相之間轉(zhuǎn)移。因此，關(guān)注某一時(shí)刻的界面張力和鋼液成分對(duì)于一直處于非平衡狀態(tài)的渣鋼界面來(lái)說(shuō)意義不大。本文以此廠生產(chǎn)的重軌鋼為研究對(duì)象，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室熱模擬研究，對(duì)比渣鋼反應(yīng)前后夾雜物水平變化，從而得到鋼液中不同氧、硫元素含量對(duì)夾雜物的影響。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼廠實(shí)際調(diào)研結(jié)果，LF化渣后鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003%~0.013%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003%~0.012%；鑄坯樣中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 5%~0.001 2%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004%~0.010%。鑄坯樣潔凈度高，控制元素含量低，對(duì)鋼液產(chǎn)生的影響較小，因此以鑄坯樣為母液，逐漸提高變量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)即可探究不同活性元素含量對(duì)鋼液的影響。本研究取國(guó)內(nèi)某重軌鋼廠生產(chǎn)的U71Mn鑄坯樣作為母液，成分見(jiàn)表1。共交叉設(shè)計(jì)6爐試驗(yàn)鋼，旨在模擬LF精煉過(guò)程，待鋼液溶清后，將鋼液中的硫和全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加至0.007%~0.016%和0.001 2%~0.004 4%，鋼渣充分反應(yīng)30 min后，取樣對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)比不同初始硫、全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下鋼中夾雜物的變化。

表1熔清鋼液化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

將重軌鋼鑄坯切成20 mm×15 mm×10 mm的鋼塊并打磨氧化皮，每爐試驗(yàn)取約300 g鋼塊疊放在MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%的坩堝中，并隨石墨坩堝一同放置在管式電阻爐中，調(diào)好程序緩慢加熱升溫，試驗(yàn)裝置如圖1所示。當(dāng)溫度升至600℃時(shí)，氬氣(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%)流量控制為2.5 L/min，保持坩堝內(nèi)中性氣氛，當(dāng)溫度升至900℃時(shí)，氬氣流量調(diào)整為3.5 L/min，爐膛升溫至1 600℃后持續(xù)保溫30 min以保證鋼液熔化且均勻。

圖1試驗(yàn)裝置示意