CN111593182B - 一种耐腐蚀贝马复相组织钢轨的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种贝马复相组织耐腐蚀钢轨的生产方法，依次包括冶炼、连铸、加热炉加热、开坯、粗轧、中轧、精轧、冷却和矫直、在线控冷热处理；整个轧制过程中，钢坯的加热温度要控制在1100‑1125℃，钢轨的精轧终轧温度控制在850‑890℃。这种方法生产的钢轨，表面形成以Fe2O3为主的致密氧化薄膜，可阻止进一步氧化。

Description

一种耐腐蚀贝马复相组织钢轨的生产方法
技术领域
本发明涉及钢轨，特别是一种耐腐蚀贝马复相组织钢轨的生产方法。
背景技术
随着我国铁路事业的发展，钢轨的需求日益增长。我国地域广大，各地的气候自然条件差距巨大。特别是在气候潮湿的沿海和隧道频繁的山区，在钢轨使用过程中，受到周围环境的影响，尤其是受周围大气、海洋潮汐等因素的共同作用下，使钢轨在使用不久就发生各种腐蚀，在钢轨表面出现锈蚀、麻点、脱皮等影响钢轨使用的缺陷，这些缺陷的发生发展降低了钢轨的使用寿命。这一问题不仅在我国发生，也是困扰世界铁路发展的一大障碍。
钢轨的耐腐蚀，目前主要通过提高材料本身的耐腐蚀性进行解决，主要手段是降低C含量，通过Cr、Ni、Mo、Cu等元素的合金化设计来实现。例如 CN107130171A的“一种中低碳高强度高韧耐腐蚀贝氏体钢、钢轨及制备方法”，除了用Cr、Ni、Mo、Cu外，还要控制Ni/Cu>1.8。而CN108531833A的“一种耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨及其生产方法”，在前述合金元素基础上还要添加B、Nb、Sb。CN109182820A的“一种搞湿热与腐蚀环境的轨道交通用贝氏体钢轨轮及其制程方法”，更是还要添加W、V、Nb、B.然而，合金化设计对材料的影响是复杂的，材料的强度、韧性、硬度等均与合金元素及其含量有关，而且影响产品的经济性。
另一种途径是，通过改进钢轨钢的冶炼、轧制和精整工艺，使钢的晶粒细化，提高其组织的致密度来改善其耐腐蚀性。
北京特冶工贸有限公司，经过多年的研究、试验，开发出了BTF贝氏体钢及钢轨，为了在降低碳含量而不影响其强度和综合性能，在钢中加进了合金元素Ni、Mo、Cr，这样保证了BTF钢具有超高强度和良好韧性，同时使该钢具有贝马复相组织。这一钢种成分设计在国内外具有独创性，它比传统的钢轨钢采用Cu合金性能更优越。该钢种通过控轧控冷，使奥氏体转变成为细小的贝氏体板条，并通过Ni、Mo等合金元素的析出强化，使其屈服强度和抗涨强度大幅提高，钢的韧性大大改善。经过在大秦线等线路试用，钢轨的强度、韧性、硬度、抗腐蚀等综合性能，均满足了重载、曲线的铁路要求，并优于传统的钢轨，而低合金也带来了经济优势。
北京特冶工贸有限公司在多年的钢轨研制和生产过程中发现，由于钢轨生产过程中无论怎么进行除鳞处理，很快就会有氧化层出现，而通过对工艺的改进和控制，利用表层氧化特点，也可以达到提高钢轨耐腐蚀性的效果，经过在钢轨生产工艺上进行了多项创新，并得到本发明。
发明内容
本发明的目的在于，针对BTF贝马复相组织钢轨，提供一种耐腐蚀的生产方法，是通过对钢轨生产工艺进行改进和控制，在生产过程中控制钢轨表面的氧化，使钢轨表面形成致密的氧化层(膜)，可以阻止或延缓钢轨的腐蚀。
为了实现上述目的，本发明提供的贝马复相组织耐腐蚀钢轨的生产方法，依次包括冶炼、连铸、加热炉加热、开坯、粗轧、中轧、精轧、冷却和矫直、在线控冷热处理；整个轧制过程中，钢坯的加热温度要控制在1100-1125℃，钢轨的精轧终轧温度控制在850-890℃，优选875-890℃。
所述的贝马复相组织钢轨，优先采用北京特冶工贸有限公司的BTF贝马复相组织钢轨，包含20～50％的贝氏体，40～70％的马氏体，其合金元素重量百分含量为冶炼合金成份为C 0.12-0.22，Mn 1.8-2.3，Si 0.6-1.2，Cr 0.5-1.0，Mo 0.25-0.45，Ni 0-0.38，其余部分为Fe和不可避免的杂质元素。
虽然温度是影响表面氧化物成份的关键因素，但钢组织中的氧化物以及表面的碳含量也是氧化腐蚀的重要影响因素，特别对氧化速度和温度的影响，也需要重视。因此，在其他工序中，最好还要进行如下控制：
在所述冶炼和连铸过程中，通过真空脱气严格控制钢水中的O、N、H的含量为：10ppm、2ppm、40ppm，对钢包和中间罐采用长水口，中间罐和结晶器采用侵入式水口，通过对中间罐、结晶器采取保护渣对浇注全过程保护，防止钢水在浇注过程中被二次氧化，使钢中夹杂物含量显著降低。同时在结晶器处安装电磁搅拌装置，在连铸末端对连铸坯进行轻压下，改善铸坯内部和表面质量。
要严格控制加热炉内高温段炉内气氛，保持还原性气氛，即空气过剩系数在0.9-1.0为好。这样即可减少钢坯表面脱碳，又有利于在炉内生成的氧化铁皮薄而致密。同时还要控制钢坯在加热炉内高温段的停留时间，一般不要超过2.5 小时。
钢坯出炉后，进入开坯轧机前，要采用高压水对钢坯四面除鳞作业，防止氧化铁皮在轧制过程中压入钢坯，形成轧痕、结巴等缺陷，同时也为在高温阶段钢坯表面形成新的氧化铁皮创造条件。
在钢坯进入精轧机组前，要再次对轧件四面用高压水除鳞，这次除去的是在轧制过程中新生的氧化铁皮，保证在轧后形成的氧化铁皮薄和致密。
进一步地，轧件在冷床冷却前要采取反向预弯，降低冷却时的弯曲变形量，以减轻钢轨矫直压力。同时对钢轨的矫直采用轻压力矫直，保护钢轨表面生成的致密氧化层不产生脱落或裂纹。
目前，贝氏体钢轨开坯前的加热温度一般1150-1300℃，精轧的终轧温度≥ 900℃。申请人在研究过程中发现，钢轨的加工过程中的氧化，产物为FeO、 Fe3O4、Fe2O3的混合体。而当控制钢坯的加热温度要控制在<1150℃，钢轨的精轧终轧温度控制在<900℃，氧化物是以Fe3O4为主，然而，加工过程中温度的影响是多方面的，例如轧制性能和金相组织，考虑到BTF钢轨的生产工艺和金相组织，本发明采用钢坯的加热温度要控制在1100-1125℃，钢轨的精轧终轧温度控制在850-890℃，然后再进行热处理以形成贝马复相组织，在钢轨表面生成的是致密的Fe3O4为主的薄皮，其致密性阻止了氧、水等的侵入，阻止内部进一步被氧化腐蚀，这是一种更为经济的提高钢轨耐腐蚀性的方法。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
实施例1耐腐蚀钢轨
生产方法依次为
冶炼，冶炼合金成份为C 0.12-0.22，Mn 1.8-2.3，Si 0.6-1.2，Cr 0.5-1.0， Mo0.25-0.45，Ni 0-0.38，其余为Fe，连铸成钢坯，在所述冶炼和连铸过程中，采用LF精炼和VD真空脱气技术，可有效控制钢中O、N、H的含量分别小于：10ppm、2ppm、40ppm，同时采取保护浇注技术，对钢包和中间罐采用长水口，中间罐和结晶器采用侵入式水口，并使用中间罐覆盖剂、结晶器采取保护渣对浇注全过程保护，防止钢水在浇注过程中被二次氧化；同时在结晶器处安装电磁搅拌装置，在连铸末端对连铸坯进行轻压下，改善铸坯内部和表面质量。
对钢坯采用高压水对钢坯四面进行除鳞作业，除去氧化铁皮。
除鳞后的钢坯，进加热炉加热钢坯到1100-1125℃，要严格控制加热炉内高温段炉内气氛，保持还原性气氛，即空气过剩系数在0.9-1.0为好。同时还要控制钢坯在加热炉内高温段的停留时间，一般不要超过2.5小时。
进行开坯，万能轧机进行粗轧、中轧，中轧后再次进行高压水除鳞。
用万能轧机进行精轧，精轧温度控制在850℃-890℃。
坯件反向预弯，然后冷却床冷却，轻压力矫直，矫直压力控制在屈服强度与断裂强度之间，通过反向预弯可以避免冷却时的弯曲变形量，结合轻压力矫直，避免对氧化膜的破坏，例如出现裂纹或脱落。
将钢轨自然冷却至踏面温度为650～850℃，将钢轨踏面以0.1～5℃/s的冷却速度冷却至150～450℃；将钢轨自然冷却至室温；将钢轨在200～400℃回火6- 60小时，得到贝马复相贝氏体钢轨。
检测钢轨表面为Fe3O4含量，表明防腐效果良好。
对比例：与实施例相比，加热炉加热温度为1200℃，精轧温度为940℃，其他与实施例相同。
结果如下
加热温度 精轧温度 预顶弯 Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>占％ 厚度
实施例1 1100 855 有 80％ 1.5μm
实施例2 1110 875 有 79％ 2μm
实施例3 1120 880 有 77％ 2μm
实施例4 1125 890 有 74％ 2.3μm
实施例5 1125 890 无 71％ 2.6μm
对比例 1200 940 无 50％ 4.5μm
综合考虑氧化膜中Fe3O4含量和成膜厚度，以及后续加工过程中膜太厚易因钢轨加工时的形变产生裂纹、起皮，实施例2-4将更优，氧化膜厚度太簿对空气隔绝效果不佳，太厚易于在加工过程中产生裂纹或脱落，经过试验以2- 3μm为宜。

Claims (3)

1. 一种贝马复相组织耐腐蚀钢轨的生产方法，所述的贝马复相组织钢轨包含20~50%的贝氏体，40~70%的马氏体，其合金元素重量百分含量为冶炼合金成份为C 0.12-0.22，Mn1.8-2.3，Si 0.6-1.2，Cr 0.5-1.0，Mo 0.25-0.45，Ni 0-0.38，其余部分为Fe和不可避免的杂质元素；其生产方法依次包括冶炼、连铸、加热炉加热、开坯、粗轧、中轧、精轧、反向预弯、冷却和矫直、在线控冷热处理；整个轧制过程中，钢坯的加热温度要控制在1100-1125℃，钢轨的精轧终轧温度控制在850-890℃；所述矫直采用轻压力矫直，矫直压力控制在屈服强度与断裂强度之间；
控制加热炉内高温段炉内气氛，保持还原性气氛，空气过剩系数在0.9-1.0，以使钢坯脱碳层厚度控制在小于0.15毫米；控制钢坯在加热炉内高温段的停留时间不超过2.5小时；
钢坯出炉后，进入开坯轧机前，要采用高压水对钢坯四面除鳞作业；在钢坯进入精轧机组前，要再次对轧件四面用高压水除鳞。
2.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于：在所述冶炼和连铸过程中，采用LF精炼和VD真空脱气技术，有效控制钢中O、N、H的含量分别小于：10ppm、2ppm、40ppm，同时采取保护浇注技术，对钢包和中间罐采用长水口，中间罐和结晶器采用侵入式水口，并使用中间罐覆盖剂、结晶器采取保护渣对浇注全过程保护，防止钢水在浇注过程中被二次氧化；同时在结晶器处安装电磁搅拌装置，在连铸末端对连铸坯进行轻压下，改善铸坯内部和表面质量。
3.如权利要求1或2所述的生产方法，其特征在于：所述精轧温度控制在875-890℃。
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