轨道交通用钢中Ds夹杂物特征及控制.pdf

2024.3,4（2）|专题:交通用钢与冶金智能化轨道交通用钢中 Ds夹杂物特征及控制王民章，金友林（马鞍山钢铁股份有限公司特钢公司，安徽 马鞍山 243000）摘要：为有效控制轨道交通用钢中夹杂物危害，借助扫描电镜和能谱分析对钢中 DS夹杂物特征进行了分析。Ds夹杂物形状呈现典型球形，夹杂物成分主要为钙铝酸盐，尺寸在 206 m 左右，且周围包裹一层 CaS夹杂物。通过对生产过程关键技术指标的分析，认为形成该类 DS夹杂物主要原因为钙处理过程夹杂物上浮去除时间不足以及 RH 过程中 Alt收得率低。通过优化改进钙处理工艺及RH运行工艺和洗槽工艺，取得明显效果，实现了钢中 Ds夹杂物有效控制。关键词：夹杂物；脱氧工艺；RH真空处理；保护浇铸The characteristics and control of Ds inclusions in rail transit steelWANG Minzhang,JIN Youlin（Special Steel Plant，Ma anshan Iron&Steel Company Ltd.，Ma anshan 243000，China）Abstract：In order to effectively control the harm of inclusions in steel for rail transit，the characteristics of Ds inclusions are analyzed by means of scanning electron microscopy and energy spectrum analysis.The shape of inclusions in steel is typical spherical.The composition of inclusions is mainly calcium aluminate with wrapping layer of CaS inclusions，and the size is about 206 m.The analysis of process technical indicators shows that Ds inclusions is caused by insufficient time of removal of inclusions during calcium treatment process and the low yielding rat of Alt during RH vacuum degassing process.Some optimizations and improvements are carried out from the aspects of calcium treatment process and RH process.The corresponding effects are achieved.The effective control of Ds inclusions in the steel is realized.Key words：inclusion；deoxidation technique，RH vacuum treatment，casting protection引 言轨道交通用钢应用范围广泛，应用领域包括轨道线路、车辆制造、基础建筑等。由于轨道交通用钢的特殊性，其必须具有足够的强度、硬度、韧性及良好的焊接性能1-3。由于其特殊用途，在轨道交通用钢的冶炼过程中，需对各工艺环节严格把控，提高控制水平，将冶炼过程中的夹杂物种类及数量降低4。夹杂物的危害程度与夹杂物种类、形状和尺寸密切相关，准确判断夹杂物的形成机理和解析夹杂物的特征，是控制和降低轨道交通用钢中 Ds 夹杂物的关键5。现有资料报道6-10，Ds 夹杂物是轨道交通用钢中一类具有特定形态和分布的夹杂物，对于钢材的性能具有中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2024）02-0009-05DOI:10.3969/j.issn.2097-017X.2024.02.003收稿日期：2024-01-16基金项目：安徽省科技重大专项（202003a05020038）。作者简介：王民章(1973)，男，硕士，高级工程师。研究方向：炼钢工艺及新技术。9重要影响。因此，研究轨道交通用钢中 Ds夹杂物的特征及控制技术对于提高钢材的质量和性能具有重要意义 11-14。本文以某钢厂轨道交通用钢为研究对象，针对原工艺存在的问题，从整体冶炼流程出发，对不同精炼渣系、软吹工艺以及连铸保护浇铸等进行了优化改进，并对成品取样和借助电镜检测对夹杂物进行统计和分析，得出工艺改进和优化后的夹杂物控制效果。1冶炼工艺简介目前轨道交通用钢生产工艺流程为：EAFLF精炼炉RH 真空脱气圆坯 CCM。为降低成品中夹杂物数量，对冶炼过程中的不同工艺环节进行分析优化，主要包括：电炉终点控制、脱氧合金化改进、LF 精炼控制及连铸保护浇注等。典型钢种的主要成分如表 1所示。分析轨道交通用钢的某一生产炉次，表 2 为该炉钢冶炼过程中成分变化。由表 2 可见，该炉钢冶炼过程中钢中成分变化基本正常，没有明显异常情况。2夹杂物特征及工艺优化2.1工艺改进前夹杂物特征及危害工艺改进前，对轨道交通用钢轧制的产品进行取样，并进行夹杂物统计和分析。钢中存在大尺寸夹杂物典型特征如图 1和图 2所示。通过检测分析，夹杂物主要成分为钙铝酸盐，钙铝比有所不同，图 1中夹杂物钙铝比较低，为 0.57，夹杂物在轧制过程中出现破碎。从夹杂物成分和形状判断，该类夹杂物均为精炼过程中钙处理后未能上浮去除而残留在钢中形成的夹杂物。对超标的 Ds 显微夹杂物进行了扫描电镜和能谱分析，如图 3 所示，夹杂物尺寸在 206 m 左右，呈现典型球形。球形夹杂物主要成分为钙铝酸盐，其周围包裹一层 CaS 夹杂物，夹杂物中间含有镁铝尖晶石夹杂物。通过分析夹杂物物相和成分，结合相关文献，认为该类夹杂物为钢中内生夹杂物，是由钙处理后钢中内生夹杂物未上浮去除而残留在钢中形成。表 1主要化学成分Tab.1Mail chemical compositionw（C）/%0.480.0.54w（Si）/%0.200.35w（Mn）/%0.700.90w（P）/%0.010w（S）/%0.006w（Cr）/%0.150.25w（Al）/%0.0150.025表 2冶炼过程钢水成分变化Tab.2Composition change during steel making取样位置EAFLF3RH2RH2CCM次数终点-12-w（C）/%0.100.490.490.490.50w（Si）/%0.0020.2980.2960.2960.300w（Mn）/%0.040.770.760.750.75w（P）/%0.0050.0080.0080.0080.008w（S）/%0.0240.00030.00030.00050.0008w（AlT）/%0.772570.035410.034430.028530.02399w（AlS）/%0.75570.0340.03390.02790.0236w（Ca）/%0.000340.005060.003530.001160.00066图 1试样 1中典型夹杂物特征（w（CaO）/w（Al2O3）=0.57）Fig.1Characteristic of typical inclusions for sample 1（w（CaO）/w（Al2O3）=0.57）10轨道交通用钢中 Ds夹杂物特征及控制 王民章 等由于 Ds 类夹杂物的膨胀系数与钢基体不同，在轨道交通用钢工作过程中所产生的交变应力的作用下，易引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低钢的疲劳寿命。此外，夹杂物与钢形成较弱的结合界面，易产生不变形张力，导致孔洞的形成，进而影响钢的质量和性能，最终会对运行的安全性能及稳定性能造成影响15-17。2.2LF精炼分析脱氧工艺直接影响到钢中全氧（T O）控制水平和夹杂物类型及尺寸，根据冶金热力学和动力学条件，初炼炉出钢过程中采用铝脱氧，形成的脱氧产物为簇群状氧化铝夹杂，此类夹杂物容易上浮去除18-20。从国内外对钢轨性能的研究结果分析21，铝脱氧中的 Al2O3类夹杂是钢轨产生疲劳断裂的主要根源。许多钢厂采用了无铝脱氧工艺，出钢时对钢水进行弱脱氧，同时结合 RH 真空处理时的碳脱氧。轨道交通用钢采用铝脱氧工艺，并对氧化铝夹杂物进行喂钙线变性处理。钢水精炼过程中精炼渣系的重要作用之一是吸附去除钢水中夹杂物，因此精炼渣系优劣对钢中夹杂物控制至关重要。表 3和表 4是该炉次 LF精炼工艺参数和精炼渣成分。由表可见，LF 后期喂钙线前、后软吹时间均较短，少于工艺标准要求 8 min，其他过程控制、精炼渣成分及过程质量指标正常。钙处理前后软吹时间短，不利于夹杂物变性处理及变性后夹杂物充分上浮去除，分析认为：（1）LF 精炼后期喂钙线前软吹时间短，喂铝线后氧化铝夹杂物未充分上浮去除，降低钙处理效果；（2）LF 精炼后期喂钙线后软吹时间短，钙处理后变性的夹杂物未充分上浮去除，增加钙处理后夹杂物残留在钢中的几率。2.3RH真空处理工艺分析RH 真空精炼作为洁净钢生产的重要工艺之一，具有处理周期短、精炼效果好和容易操作等一系列优点，在优质钢生产方面的优越性突出，被广泛应用在炼钢生产中。关于 RH 真空过程夹杂物的去除机理主要有两种观点：一种观点认为夹杂物的碰撞、聚集、长大并上浮去除是夹杂物数量降低的主要原表 3LF精炼控制参数Tab.3Process control parameters during LFLF进站 Als0.024%出站温度/1590LF过程加铝粒/kg115喂钙线后软吹时间/min5最后加 Al线量/m90石灰热渣回收/t1.5喂钙线前软吹时间/min4LF精炼周期/min57钙线量/m160白渣保持时间/min30喂钙后钢中 Ca含量/%0.0051图 2试样 2中典型夹杂物（w（CaO）/w（Al2O3）=1.48）Fig.2Characteristic of typical inclusions for sample 2（w（CaO）/w（Al2O3）=1.48）图 3Ds夹杂物微观形貌及元素组成Fig.3Microstructure and composition of Ds inclusions 11因；另一种观点认为由于固态夹杂物与钢液之间的接触角大于 90，固态夹杂物被选择性去除。RH 工序关键过程控制及质量指标情况如表 5所示。由表5 可见，该炉次（炉序号 1-2）RH 过程 Alt 收得率为66%，RH 过程中 Als 损较大，对钢水纯净度产生不利影响，增加了形成钙铝酸盐类夹杂物的概率。2.4连铸过程分析图 4 是连铸过程中结晶器液位曲线、塞棒棒位曲线及拉速曲线。由图 4 可见，该组生产过程恒拉速浇铸，浇铸过程稳定，塞棒和棒位曲线稳定。整组液面波动均未超过5 mm。同时从实际使用情况来看，结晶器电磁搅拌、铸中、末端电磁搅拌设置和实际情况均符合要求，无明显异常，连铸保护浇铸状况良好。3轨道交通用钢中夹杂物控制效果通过该炉次超标夹杂物的显微形貌及成分分析，结合生产过程关键技术指标分析，认为该类夹杂物为钢中内生夹杂物。该炉次在生产过程中，钙处理过程夹杂物未充分上浮去除，而且 RH 真空处理过程中 Alt收得率为 66%，铝衰减偏大，增加内生夹杂物数量和尺寸，从而导致钢中 Ds夹杂物异常。为了有效控制钢中 Ds夹杂物，结合生产过程分析，采取以下优化改进措施：（1）适当增加钙处理过程喂线量，并分别增加喂线前后软吹时间至 8 min和 10 min。（2）根据钢种成分特点，优化生产计划排产，保持 RH 槽体运行稳定，提高 RH 真空过程中 Alt 收得率。（3）RH 槽体按照一定制度进行洗槽管理，优化洗槽工艺，提高洗槽后槽体运行质量。通过以上工艺优化措施实施，取得了明显效果，不仅 RH 工艺过程运行稳定，而且真空过程中 Als衰减得到明显改善。图 5 为工艺优化后统计了 248 炉次的真空过程中铝损 Alt收得率情况。由图 5可见，改进后 RH 真空过程中铝损得到明显提升，Alt收得率基本都在 0.70以上，平均 Alt收得率在 85%，过程质量指标得到明显提升，提高了钢水质量，降低了钢中夹杂物风险。表 4LF精炼渣系Tab.4Composition of refining slag阶段LF1（成白渣）LF2（终渣）w（CaO）/%56.1657.27w（SiO2）/%8.079.11w（MnO）/%0.0740.083w（Al2O3）/%26.526.9w（TFe）/%0.680.61w（MgO）/%5.75.2R6.966.29表 5RH工序关键过程控制及质量指标情况Tab.5 Process control parameters during RH炉序号工艺要求111213真空保持时间/min20202020终点 Als/%/0.02380.0230.0263Alt收得率/%756678RH软吹时间/min20283630钢水 H/ppm1.50.70.70.7RH终点温度/15451555156015621553图 4连铸浇铸过程曲线Fig.4Graph of continuous casting process图 5RH真空过程 Alt收得率统计 12轨道交通用钢中 Ds夹杂物特征及控制 王民章 等改进后生产 14炉同一钢种，跟踪轧制轨道交通产品后，Ds夹杂物级别均控制在 1.5级以内，随机统计试样中 100 个微观球状钙铝酸盐类夹杂物，尺寸均在 38 m 以内。由此表明，工艺优化措施对夹杂物控制具有明显改善效果。4结 论（1）工艺改进前轨道交通用钢中存在大尺寸球状钙铝酸盐类夹杂物，该类夹杂物为精炼过程中钙处理后钢中残留的内生夹杂物，该类夹杂物影响到轨道交通产品的冶金质量和使用性能。（2）通过对钢中 Ds夹杂物以及生产过程关键技术指标分析，认为形成该类 Ds夹杂物主要原因为钙处理过程夹杂物上浮去除时间不足，以及 RH 过程中 Als 收得率低，由此产生了大量内生钙铝酸盐类夹杂物未及时上浮而残留钢中，形成球状 Ds 类夹杂物。（3）通过工艺优化措施实施，RH 真空过程中铝衰减得到有效控制，Alt收得率均在 0.70 以上，提高了钢水质量，降低了钢中夹杂物风险；跟踪 14 炉轨道交通产品的 Ds 夹杂物级别均控制在 1.5 级以内，随机统计 100 个微观球状钙铝酸盐类夹杂物，其尺寸均在 38 m 以内。工艺优化措施对夹杂物控制具有明显改善效果。参考文献：1 周叶迪.我国城市轨道交通用钢发展前景分析 J.冶金经济与管理，2023（1）：34-36.2 王兴艳，李丹.轨道交通用钢的现状及趋势 J.新材料产业，2017（2）：5-8.3 李恩波，王宇，谢海光.交通轨道用 Al-Mg-Si 系铝合金时效工艺的研究 J.热处理技术与装备，2022，43（6）：22-26.4 丁小明，李涛，郭晓培，等.中碳车轮钢中 MnS-Al2O3复 合 夹 杂 物 的 研 究J.钢 铁 钒 钛，2023，44（4）：183-189.5 康伟，金友林.抗疲劳应力钢中的夹杂物控制 J.钢铁，2019，54（5）：27-31.6 徐匡迪.关于洁净钢的若干基本问题 J.金属学报，2009，45（3）：257-269.7 王 仲 亮，包 燕 平，顾 超，等.基 于 非 铝 脱 氧 工 艺 的GCr15 轴承钢中 Ds 类夹杂物控制 J.特殊钢，2022，43（6）：8-12.8 赵东伟，李海波，高攀，等.非钙处理铝脱氧车轮钢夹杂物形成及变形行为 J.钢铁，2016，51（1）：25-32.9 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