CN112280939A - 一种低氢过共析钢轨及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢轨制备技术领域领域,公开了一种低氢过共析钢轨及其制备方法。该方法包括转炉冶炼或电炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、保护浇铸、冷却、加热炉加热、轧制、热处理和后处理;在RH真空处理过程中,向钢液中喷入萤石和CaO,且萤石与CaO的质量比为1:1‑4;真空泵***钢液的深度为450‑700mm;氩气流量为1200‑1400NL/min;真空处理时间≥15min,且真空度≤3mbar的处理时间≥12min。该发明所述的方法在降低高强过共析钢轨中氢含量的同时,能够大幅提高钢轨的综合性能,满足重载铁路用钢轨的需求,其所制备的钢轨钢中氢含量≤1.2ppm,抗拉强度≥1400MPa,延伸率≥10%。
Description
技术领域
本发明涉及钢轨制备技术领域,具体涉及一种低氢过共析钢轨及其制备方法。
背景技术
氢在钢中的危害主要表现为引起“氢脆”,“白点”以及点状偏析、静载疲劳断裂等严重缺陷,“氢脆”将使钢的塑性下降,脆性增大,并且在低于其极限强度的应力作用下造成钢件的突然脆性断裂。
钢中的氢主要在冶炼过程中,钢液凝固后,微量的氢还会留在钢中。在金属凝固的过程中,溶入其中的氢没能及时释放出来,向金属中缺陷附近扩散,到室温时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集,从而产生巨大的内压力,使金属发生裂纹。
氢脆通常表现为延迟断裂,延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷多(原子点阵错位、空穴等)。氢扩散到这些缺陷处,氢原子变成氢分子,产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残余应力及材料受的外加应力,组成一个合力,当这合力超过材料的屈服强度,就会导致断裂发生。氢脆既然与氢原子的扩散有关,扩散是需要时间的,扩散的速度与浓差梯度、温度和材料种类有关。
通常钢铁材料抗拉强度大于1200MPa时,极易引起延迟断裂。因此,对于过共析高强钢轨钢而言,氢脆需重点关注。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的钢轨钢中氢的含量较高,易引起氢脆,进而极易引起钢轨延迟断裂的问题,提供一种低氢过共析钢轨及其制备方法,该方法在降低高强过共析钢轨中氢含量的同时,能够大幅提高钢轨的综合性能,满足重载铁路用钢轨的需求。
为了实现上述目的,本发明一方面提供了一种低氢过共析钢轨的制备方法,该方法包括转炉冶炼或电炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、保护浇铸、冷却、加热炉加热、轧制、热处理和后处理;
在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入萤石和CaO,且萤石与CaO的质量比为1:1-4;真空泵***钢液的深度为450-700mm;氩气流量为1200-1400NL/min;真空处理时间≥15min,且真空度≤3mbar的处理时间≥12min。
优选地,在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入的萤石与CaO的质量比为1:1.8-2.2。
优选地,在所述RH真空处理过程中,真空泵***钢液的深度为550-650mm。
优选地,在所述RH真空处理过程中,真空处理时间≥18min,且真空度≤3mbar的处理时间≥15min。
优选地,在所述冷却过程中,采用缓冷坑进行缓冷,并控制缓冷时间≥24h。
优选地,在加热炉加热过程中,钢坯加热温度为1230-1280℃;均热段保温时间为150-240min。
优选地,所述轧制过程采用11-15道次轧制。
优选地,所述热处理过程利用轧制余热以1-4℃/s的冷却速度进行强制冷却。
优选地,所述后处理包括矫直、探伤和加工。
本发明另一方面提供了一种前文所述的方法制备的低氢过共析钢轨,以所述低氢过共析钢轨的总重量为基准,所述低氢过共析钢轨中含有0.8-1.2重量%的C。
RH真空处理是钢轨钢主要的脱氢方式,一般脱氢效率达到65%以上。本发明在RH真空处理中喷入一定比例的萤石和CaO混合粉末后,由于钢液存在大量细小弥散的固体粉剂,明显增强了钢液中气泡异相形核的能力,有利于脱氢反应,能够减少钢轨中的氢含量。
该发明所述的方法在降低高强过共析钢轨中氢含量的同时,能够大幅提高钢轨的综合性能,满足重载铁路用钢轨的需求,其所制备的钢轨钢中氢含量≤1.2ppm,抗拉强度≥1400MPa,延伸率≥10%。
附图说明
图1是钢轨钢氢试样取样位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明一方面提供了一种低氢过共析钢轨的制备方法,该方法包括转炉冶炼或电炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、保护浇铸、冷却、加热炉加热、轧制、热处理和后处理;
在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入萤石和CaO,且萤石与CaO的质量比为1:1-4;真空泵***钢液的深度为45-700mm;氩气流量为1200-1400NL/min;真空处理时间≥15min,且真空度≤3mbar的处理时间≥12min。
本发明在RH真空处理过程中,通过在钢液中添加适当比例的萤石与CaO,同时合理控制真空泵***钢液的深度、氩气流量、真空处理时间等操作条件,并且经适当的保护浇铸、钢坯奥氏体均匀化轧制及热处理,能够有效降低钢轨钢中氢的含量,减少氢脆现象,大幅提高钢轨的综合性能。
在具体实施方式中,在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入的萤石与CaO的质量比可以为1:1、1:1.3、1:1.5、1:1.7、1:2、1:2.3、1:2.5、1:2.7、3、1:3.2、1:3.5、1:3.8、4以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
在优选实施方式中,在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入的萤石与CaO的质量比为1:1.8-2.2。
在更为优选的实施方式中,在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入的萤石与CaO的质量比为1:2。
在具体实施方式中,在所述RH真空处理过程中,真空泵***钢液的深度可以为450mm、480mm、500mm、520mm、540mm、560mm、580mm、600mm、620mm、640mm、660mm、680mm或700mm。
在优选实施方式中,在所述RH真空处理过程中,真空泵***钢液的深度为550mm-650mm。
在具体实施方式中,在所述RH真空处理过程中,氩气流量可以为1200NL/min、1220NL/min、1240NL/min、1260NL/min、1280NL/min、1300NL/min、1320NL/min、1340NL/min、1360NL/min、1380NL/min或1400NL/min。
在本发明所述的方法中,为了在降低钢轨钢中氢含量的同时,能够提高钢轨的综合性能,必须合理控制RH真空处理过程中的真空处理时间以及真空度≤3mbar的处理时间。
在优选实施方式中,在所述RH真空处理过程中,真空处理时间≥17min,且真空度≤3mbar的处理时间≥14min。
在更为优选的实施方式中,在所述RH真空处理过程中,真空处理时间≥18min,且真空度≤3mbar的处理时间≥15min。
在本发明所述的方法中,除了RH真空处理过程外,对其他过程的控制也至关重要,例如冷却过程、加热炉加热过程、轧制过程、热处理过程等。
在优选实施方式中,在所述冷却过程中,采用缓冷坑进行缓冷。
在本发明所述的方法中,所述冷却过程控制缓冷时间≥24h,优选为控制缓冷时间≥26h,更为优选地,控制缓冷时间≥28h。
在本发明所述的方法中,在加热炉加热过程中,钢坯加热温度为1230-1280℃;均热段保温时间为150-240min。
在具体实施方式中,钢坯加热温度可以为1230℃、1235℃、1240℃、1245℃、1250℃、1255℃、1260℃、1265℃、1270℃、1275℃或1280℃。
在具体实施方式中,均热段保温时间可以为150min、160min、170min、180min、190min、200min、210min、220min、230min或240min。
在本发明所述的方法中,所述轧制过程可以为本领域的常规选择。在优选实施方式中,所述轧制过程采用11-15道次轧制。在具体实施方式中,所述轧制过程可以采用11、12、13、14或15道次轧制。
在本发明所述的方法中,所述热处理过程利用轧制余热以1-4℃/s的冷却速度进行强制冷却。在具体实施方式中,所述热处理过程利用轧制余热可以以1℃/s、2℃/s、3℃/s或4℃/s的冷却速度进行强制冷却。
在本发明所述的方法中,所述后处理包括热处理后的常规操作步骤;具体地,所述后处理包括矫直、探伤和加工。
本发明中,没有特别说明的操作步骤均为本领域的常规操作。
本发明另一方面提供了一种前文所述的方法制备的低氢过共析钢轨,以所述低氢过共析钢轨的总重量为基准,所述低氢过共析钢轨中含有0.8-1.2重量%的C。在具体实施方式中,所述低氢过共析钢轨中C的含量可以为0.8重量%、0.85重量%、0.9重量%、0.95重量%、1重量%、1.05重量%、1.1重量%、1.15重量%、1.2重量%以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
通过本发明所述的方法制备得到的高强高韧过共析钢轨,氢含量明显降低的同时,综合性能大幅度提高,能够满足重载铁路用钢轨的需求,具体地,本发明所述的方法制备得到的钢轨钢中氢含量≤1.2ppm,抗拉强度≥1400MPa,延伸率≥10%。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述,但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明中的实施例和对比例用于说明低氢过共析钢轨的制备过程,实施例和对比例中制备的低氢过共析钢轨具有相同的化学成分(如表1所示)。
表1
实施例1
炉料经转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、保护浇铸、冷却、加热炉加热、轧制、热处理、矫直、探伤和加工;
在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入萤石和CaO,且萤石与CaO的质量比为1:2;真空泵***钢液的深度为600mm;氩气流量为1200NL/min;真空处理时间为15min,且真空度≤3mbar的处理时间为12min;
在所述冷却过程中,采用缓冷坑进行缓冷,并控制缓冷时间为24.5h;在加热炉加热过程中,加热温度为1280℃,加热时间为150min;所述轧制过程采用15道次轧制;所述热处理过程利用轧制余热以1℃/s的冷却速度进行强制冷却。
实施例2
炉料经电炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、保护浇铸、冷却、加热炉加热、轧制、热处理、矫直、探伤和加工;
在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入萤石和CaO,且萤石与CaO的质量比为1:2;真空泵***钢液的深度为600mm;氩气流量为1200NL/min;真空处理时间为17min,且真空度≤3mbar的处理时间为14min;
在所述冷却过程中,采用缓冷坑进行缓冷,并控制缓冷时间为25h;在加热炉加热过程中,加热温度为1230℃,加热时间为240min;所述轧制过程采用11道次轧制;所述热处理过程利用轧制余热以4℃/s的冷却速度进行强制冷却。
实施例3
炉料经电炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、保护浇铸、冷却、加热炉加热、轧制、热处理、矫直、探伤和加工;
在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入萤石和CaO,且萤石与CaO的质量比为1:2;真空泵***钢液的深度为600mm;氩气流量为1200NL/min;真空处理时间为19min,且真空度≤3mbar的处理时间为16min;
在所述冷却过程中,采用缓冷坑进行缓冷,并控制缓冷时间为24h;在加热炉加热过程中,加热温度为1250℃,加热时间为200min;所述轧制过程采用13道次轧制;所述热处理过程利用轧制余热以3℃/s的冷却速度进行强制冷却。
实施例4
按照实施例3的方法实施,不同的是,在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入的萤石与CaO的质量比为1:1。
实施例5
按照实施例3的方法实施,不同的是,在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入的萤石与CaO的质量比为1:4。
实施例6
按照实施例3的方法实施,不同的是,在所述RH真空处理过程中,真空泵***钢液的深度为450mm。
实施例7
按照实施例3的方法实施,不同的是,在所述RH真空处理过程中,真空泵***钢液的深度为700mm。
实施例8
按照实施例3的方法实施,不同的是,在所述RH真空处理过程中,氩气流量为1400NL/min。
对比例1
炉料经电炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、保护浇铸、冷却、加热炉加热、轧制、热处理、矫直、探伤和加工;
在所述RH真空处理过程中,真空泵***钢液的深度为600mm;氩气流量为1200NL/min;真空处理时间为10min,且真空度≤3mbar的处理时间为8min;
在所述冷却过程中,采用缓冷坑进行缓冷,并控制缓冷时间为24h;在加热炉加热过程中,加热温度为1250℃,加热时间为200min;所述轧制过程采用13道次轧制;所述热处理过程利用轧制余热以3℃/s的冷却速度进行强制冷却。
对比例2
按照实施例3的方法实施,不同的是,在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入的萤石与CaO的质量比为1:5。
对比例3
按照实施例3的方法实施,不同的是,在所述RH真空处理过程中,真空泵***钢液的深度为400mm。
对比例4
按照实施例3的方法实施,不同的是,在所述RH真空处理过程中,真空处理时间为12min。
对比例5
按照实施例3的方法实施,不同的是,在所述RH真空处理过程中,真空度≤3mbar的处理时间为9min。
测试例
按照图1所示位置对实施例和对比例中制备的钢轨进行氢试样取样,同时在圆角位置加工和检测拉伸试样,测试方法为GB/T228.1金属拉伸试样测试方法,测试结果如表2所示。
表2
通过表1的结果可以看出,采用本发明所述的方法制备的钢轨,氢含量显著降低,延伸率显著提高,屈服强度、抗拉强度和断面收缩率均有所提高,可见,采用本发明所述的方法制备的钢轨氢含量明显降低的同时,综合性能也大幅度提高。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低氢过共析钢轨的制备方法,其特征在于,该方法包括转炉冶炼或电炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、保护浇铸、冷却、加热炉加热、轧制、热处理和后处理;
在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入萤石和CaO,且萤石与CaO的质量比为1:1-4;真空泵***钢液的深度为450-700mm;氩气流量为1200-1400NL/min;真空处理时间≥15min,且真空度≤3mbar的处理时间≥12min。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述RH真空处理过程中,向钢液中喷入的萤石与CaO的质量比为1:1.8-2.2。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在所述RH真空处理过程中,真空泵***钢液的深度为550-650mm。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,在所述RH真空处理过程中,真空处理时间≥18min,且真空度≤3mbar的处理时间≥15min。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,在所述冷却过程中,采用缓冷坑进行缓冷,并控制缓冷时间≥24h。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,在加热炉加热过程中,钢坯加热温度为1230-1280℃;均热段保温时间为150-240min。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述轧制过程采用11-15道次轧制。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述热处理过程利用轧制余热以1-4℃/s的冷却速度进行强制冷却。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述后处理包括矫直、探伤和加工。
10.权利要求1-9中任意一项所述的方法制备的低氢过共析钢轨,其特征在于,以所述低氢过共析钢轨的总重量为基准,所述低氢过共析钢轨中含有0.8-1.2重量%的C。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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