CN114045426B

CN114045426B - 一种生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法

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Publication number: CN114045426B
Application number: CN202111346816.6A
Authority: CN
Inventors: 袁俊; 邹明; 邓勇; 杨大巍
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2041-11-15
Also published as: WO2023082661A1; AU2022215193A1; CN114045426A

Abstract

本发明公开一种生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法，该方法包括铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸以及钢坯加热、轧制以及轧后热处理得到钢轨；轧后热处理包括将轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位进行加速冷却和空冷，加速冷却的开冷温度为650‑900℃，冷却速度为1.0‑5.0℃/s，终冷温度为400‑550℃；到达终冷温度后停止加速冷却并且空冷至室温；以钢轨的总质量为基准，钢轨的化学成分包括0.9质量％‑1.2质量％的C。本发明的生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法制造的过共析钢轨，踏面硬度＞420HB，钢轨实验室磨损量小于0.2g，接触疲劳性能提高20％。该过共析钢轨纯净度更高，抗接触疲劳性能更优，同时兼顾良好的耐磨性能。

Description

一种生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法

技术领域

本发明属于钢轨生产技术领域，具体涉及一种生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法，更具体地讲，涉及一种强度高、韧性高的高耐磨抗接触疲劳伤损的重载铁路用过共析钢轨的生产方法。

背景技术

随着国内外重载铁路运量的提高、形成密度的增加，列车轴重逐渐增加，对钢轨强度、韧性、耐磨性和抗接触疲劳性能的要求越来越高。

目前，世界主要重载铁路倾向于使用硬度达到400HB以上的过共析钢轨，强度和耐磨性基本满足线路使用要求，但需要勤加打磨，消除剥离掉块，降低钢轨伤损进一步扩展发展。为提高钢轨的抗接触疲劳性能，目前钢轨领域普遍采用高纯净度、低夹杂冶炼工艺，即低P、低S、低O、低N、低H和低的非金属夹杂物。

为提高钢轨的纯净度，目前普遍采用了炉外精炼工艺流程，它已成为现代炼钢工艺中不可缺少的重要环节。炉外精炼技术已成为当今世界钢铁冶金发展的方向。炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程，是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来，出钢前尽量除去氧化渣，在钢包内重新造还原渣,保持包内还原性气氛。炉外精炼的目的是降低钢中的C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量，以免产生偏析、白点、大颗粒夹杂物，降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。

精炼工序在整个流程中起到至关重要的作用，一方面通过这道工序可以提高钢的纯净度、去除有害夹杂、进行微合金化和夹杂物变性处理；另一方面，精炼又是一个缓冲环节,有利于连铸生产均衡地进行。

其特点与功能如下:

1)可以改变冶金反应条件。炼钢中脱氧、脱碳、脱气的反应产物为气体，精炼可以在真空条件下进行，有利于反应的正向进行，通常工作压力≥50Pa，适于对钢液脱气。

2)可以加快熔池的传质速度。液相传质速度决定冶金反应速度的快慢，精炼过程采用多种搅拌形式(气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌)使***内的熔体产生流动，加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。

3)可以增大渣钢反应的面积。各种精炼设备均有搅拌装置，搅拌过程中可以使钢渣乳化，合金、钢渣随气泡上浮过程中发生熔化、熔解、聚合反应。

4)可以在电炉(转炉)和连铸之间起到缓冲作用，精炼炉具有灵活性，使作业时间、温度控制较为协调，与连铸形成更加通畅的生产流程。

但是，基于现有的工艺制备出的过共析钢轨极易出现接触疲劳掉块，严重影响线路的运行效率和运行安全。

基于以上，有必要开发一种强度高、韧性高的高耐磨抗接触疲劳伤损的重载铁路用过共析钢轨的生产方法。

发明内容

本发明的目的在于提高过共析钢轨抗接触疲劳掉块方法，在提高过共析钢轨强度的同时，提高钢轨的韧塑性。

基于此，有必要针对上述技术问题，采用以下技术方案：

本发明提供一种生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法，该方法包括铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸以及钢坯加热、轧制以及轧后热处理得到钢轨；

所述轧后热处理包括将轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位进行加速冷却和空冷，所述加速冷却的开冷温度为650-900℃，冷却速度为1.0-5.0℃/s，终冷温度为400-550℃；到达终冷温度后停止加速冷却并且空冷至室温；

以钢轨的总质量为基准，所述钢轨的化学成分包括0.9质量％-1.2质量％的C。

进一步地，以钢轨的总质量为基准，所述钢轨的化学成分还包括：

0.5质量％≤Si+Mn+P+S+Cr≤3.5质量％，0.01质量％-0.12质量％的V，余量为Fe及不可避免的杂质

进一步地，所述钢轨中的P含量≤0.015质量％。更进一步地，所述钢轨中的P含量≤0.008质量％。

进一步地，所述钢轨的气体含量包括氢≤0.00012质量％；氧含量≤0.0008质量％；氮含量≤0.0035质量％。

进一步地，所述加速冷却的冷却介质为压缩空气和/或水雾混合气，优选为0.1-0.2MPa的风压配合200-350L/h的水量混合喷出的水雾混合气。

进一步地，LF精炼包括采用渣料进行渣面脱氧，渣料包含10质量％-30质量％的碳化硅、5-20质量％的萤石、30-40质量％的石英砂。

进一步地，钢水的渣料厚度控制在30-100mm。

进一步地，每10min补充添加5质量％的渣料。

进一步地，RH精炼的真空脱气处理前再添加10-30％的活性石灰石、5-25％的电石和300-1500m的钙线；真空脱气处理后，不在添加。

进一步地，所述轧制的过程中钢轨压缩比≥12。

进一步地，钢轨A类夹杂物≤1.5；

进一步地，钢轨B类夹杂物≤1.0；

进一步地，钢轨C类夹杂物≤1.0；

进一步地，钢轨D类夹杂物≤1.0；

进一步地，所述钢轨的性能如下：

①C*HBW/[(P+S)+(H+O+N)*100]≥15000；

②HBW/(A+B+C+D)≥200；

③Rm*A≥11000。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明的生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法制造的过共析钢轨，踏面硬度＞420HB，钢轨实验室磨损量小于0.2g，接触疲劳性能提高20％。该过共析钢轨纯净度更高，抗接触疲劳性能更优，同时兼顾良好的耐磨性能。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明实施例进一步详细说明。

炉外精炼主要工艺流程包含LF精炼和RH精炼工序。

LF精炼(钢包精炼炉法)：用电弧加热,包底吹氩搅拌。

工艺优点

1)电弧加热热效率高,升温幅度大,控温准确度可达±5℃；

2)具备搅拌和合金化的功能,吹氩搅拌易于实现窄范围合金成份控制，提高产品的稳定性；

3)设备投资少，精炼成本低，适合生产超低硫钢、超低氧钢。

LF精炼的生产工艺要点

1)加热与控温LF采用电弧加热,热效率高,钢水平均升温1℃耗电0.5～0.8kW·h，LF升温速度决定于供电比功率(kVA/t),而供电的比功率又决定于钢包耐火材料的熔损指数。因采用埋弧泡沫渣技术,可减少电弧的热辐射损失,提高热效率10％～15％,终点温度的精确度≤±5℃。

2)采用白渣精炼工艺。下渣量控制在≤5kg/t,一般采用包渣碱度R≥3,以避免炉渣再氧化。吹氩搅拌时避免钢液裸露。

3)合金微调与窄成份范围控制。据试验报道,使用合金芯线技术可提高金属回收率。

RH精炼(真空循环脱气法),其基本原理是利用气泡将钢水不断的提升到真空室内进行脱气、脱碳,然后回流到钢包中。

RH精炼的优点

1)反应速度快。真空脱气周期短,一般10分钟可以完成脱气操作,5分种能完成合金化及温度均匀化,可与转炉配合使用。

2)反应效率高。钢水直接在真空室内反应,钢中可达到[H]≤1.0×10^-6,[N]≤25×10^-6,[C]≤10×10^-6的超纯净钢。

3)可进行吹氧脱碳和二次燃烧热补偿，减少精炼过程的温降。

本发明的实施例提供一种生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法，该方法包括铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸以及钢坯加热、轧制以及轧后热处理得到钢轨。

在本发明的实施例中，所述钢轨的钢材的冶炼过程没有特别的限定，按照常规的冶炼方法进行即可，例如，在所述钢轨的钢材冶炼过程中，入炉铁水的S含量较低，可以≤0.015重量％；精炼渣的碱度优选为3-5，例如为三氧化二铝、氧化钡和氟化钙的混合物，优选其中Al₂O₃的含量为20-25重量％，BaO的含量为8-12重量％，CaF₂的含量为3-8重量％；使用增碳剂，所用增碳剂为无烟煤和低N合金；在LF炉加热过程中使用发泡剂。钢轨在冶炼得到钢液之后的连铸过程没有特别的限定，例如，所述钢轨的连铸过程可以包括：将冶炼所得钢液浇铸成钢坯，将该钢坯缓冷至室温，接着送入加热炉加热并保温，然后进行轧制。

轧后热处理包括将轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位进行加速冷却和空冷，加速冷却的开冷温度为650-900℃，冷却速度为1.0-5.0℃/s，终冷温度为400-550℃；到达终冷温度后停止加速冷却并且空冷至室温；

以钢轨的总质量为基准，钢轨的化学成分包括0.9质量％-1.2质量％的C，0.5质量％≤Si+Mn+P+S+Cr≤3.5质量％，0.01质量％-0.12质量％的V，余量为Fe及不可避免的杂质

钢轨中的P含量≤0.015质量％。优选地，钢轨中的P含量≤0.008质量％。

钢轨还包含气体，气体含量包括氢≤0.00012质量％；氧含量≤0.0008质量％；氮含量≤0.0035质量％。

加速冷却的冷却介质为压缩空气和/或水雾混合气，优选为0.1-0.2MPa的风压配合200-350L/h的水量混合喷出的水雾混合气。

LF精炼包括采用渣料进行渣面脱氧，渣料包含10质量％-30质量％的碳化硅、5-20质量％的萤石、30-40质量％的石英砂。

钢水的渣料厚度控制在30-100mm。

每10min补充添加5质量％的渣料。

RH精炼的真空脱气处理前再添加10-30％的活性石灰石、5-25％的电石和300-1500m的钙线；真空脱气处理后，不在添加。

在本发明的实施例中，所述钢轨的钢材的LF精炼和RH精炼除了上述条件外没有特别的限定，按照常规的LF精炼和RH精炼方法进行即可。

轧制的过程中钢轨压缩比≥12。

钢轨A类夹杂物≤1.5；钢轨B类夹杂物≤1.0；钢轨C类夹杂物≤1.0；钢轨D类夹杂物≤1.0。

钢轨的性能如下：

①C*HBW/[(P+S)+(H+O+N)*100]≥15000；

②HBW/(A+B+C+D)≥200；

③Rm*A≥11000。

本发明涉及一种抗接触疲劳过共析钢轨的生产方法，对钢轨钢在冶炼过程采用低S入炉铁水和高碱度精炼渣，并全程保护浇注；增碳剂采用无烟煤和低N的合金。LF和RH工序，降低C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量。LF钢水全程渣料包含10％-30％的碳化硅、5-20％萤石、30-40％石英砂。真空处理前额外添加10-30％的活性石灰石、5-25％的电石和300-1500m的钙线；真空处理后，不在添加。钢水渣料厚度控制在30-100mm，每10min额外补充添加5％的混合渣料；LF和RH工序，降低C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量。轨底中心部位在900℃-650℃范围内施加一定的冷却介质；其中，轨头踏面、轨头与轨底中心冷速为1.0-5.0℃/s，当轨头踏面温度降至400-550℃时停止加速冷却并空冷至室温。采用该方法制造的过共析钢轨，踏面硬度＞420HB，钢轨实验室磨损量小于0.2g，接触疲劳性能提高20％。该过共析钢轨纯净度更高，抗接触疲劳性能更优，同时兼顾良好的耐磨性能。因此，在提高过共析钢轨强度的同时，韧塑性也大幅提高。最终，所生产的钢轨提高了抗接触疲劳性能。

在下文中，将结合实施例来具体描述本发明中高强高韧过共析的生产方法。

本发明实施例以及相应的对比例均选用以下九组钢轨化学成分。表1为了说明通过冶炼工艺控制，得到不同的C、P、S、H、O、N含量。

表1实施例及对比例化学成分/质量％

本发明中的对比例采用与实施例相同的冶炼、加热及热处理工艺。

分别在钢轨轨头的两侧根据标准要求检验实施例和对比例钢轨的拉伸性能，在轨头踏面位置检验踏面硬度试样，测试结果见表2。表2为了说明在表1所述的C、P、S、H、O、N含量下，成品钢轨拉伸性能中抗拉强度Rm和延伸率A的变化值，以及对应得公式值。HBW的数值越大越耐磨。C*HBW/[(P+S+H+O+N)]的数值越大抗疲劳性能越好。Rm*A数值越大，表示钢轨又耐磨又抗疲劳性能好。

表2本发明实施例、对比例拉伸性能及踏面硬度

按照TB/T 2344-2012《43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》要求，在轨头踏面下10-15mm检验非金属夹杂物，并评级，如表3所示。表3为了说明在表1所述C、P、S、H、O、N含量下，钢轨内部非金属夹杂物所呈现的级别大小，以及与成品钢轨顶面中线线硬度HBW之间的关系。

表3本发明实施例、对比例非金属夹杂物

分别在实施例和对比例的钢轨轨头处取磨损试样，测试结果见表4。

表4为了说明在表1所述C、P、S、H、O、N含量下，钢轨顶面中心线硬度对成品钢轨的磨损量。磨损量与钢轨硬度有密切关系。通过提高钢轨碳含量、辅以热处理工艺，提高钢轨顶面中心线硬度，进而降低钢轨磨损量。

表4本发明实施例及对比例钢轨轨头磨损

分别在实施例和对比例的钢轨轨头处取接触疲劳试样，测试结果见表5。

表5为了说明在表1所述C、P、S、H、O、N含量下，钢轨接触疲劳性能与硬度和内部硬度由密切关系。通过降低C、P、S、H、O、N，可以提高钢轨的疲劳性能。

表5本发明实施例及对比例钢轨接触疲劳

综上所述，本发明中过共析钢轨的生产方法提供了一种有用于提高钢轨强度的同时，提高钢轨抗接触疲劳性能的有效方法。产品适用于大轴重，高密度重载线路。

以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims

1.一种生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法，其特征在于，该方法包括铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸以及钢坯加热、轧制以及轧后热处理得到钢轨；

所述轧后热处理包括将轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位进行加速冷却和空冷，所述加速冷却的开冷温度为650-900℃，冷却速度为1.0-5.0℃/s，终冷温度为400-550℃；到达终冷温度后停止加速冷却并且空冷至室温；所述加速冷却的冷却介质为0.1-0.2MPa的风压配合200-350L/h的水量混合喷出的水雾混合气；LF精炼包括采用渣料进行渣面脱氧,钢水的渣料厚度控制在30-100mm, 每10min补充添加5质量%的渣料；

以钢轨的总质量为基准，所述钢轨的化学成分为0.9质量%-1.2质量%的C，0.5质量%≤Si+Mn+P+S+Cr≤3.5质量%，0.01质量%-0.12质量%的V，余量为Fe及不可避免的杂质；其中，所述钢轨中的P含量≤0.015质量%；所述钢轨的气体含量包括氢≤0.00012质量%；氧含量≤0.0008质量%；氮含量≤0.0035质量%；

钢轨A类夹杂物≤1.5；钢轨B类夹杂物≤1.0；钢轨C类夹杂物≤1.0；钢轨D类夹杂物≤1.0；

钢轨的性能如下：

①C*HBW/[（P+S）+(H+O+N)*100]≥15000；其中，C表示碳含量；P表示磷含量；H表示氢含量；O表示氧含量；N表示氮含量；HBW表示钢轨顶面中线线硬度；

②HBW/（A+B+C+D）≥200；其中，A表示钢轨A类夹杂物含量；B表示钢轨B类夹杂物含量；C表示钢轨C类夹杂物含量；D表示钢轨D类夹杂物含量；HBW表示钢轨顶面中线线硬度；

③Rm*A≥11000，其中，Rm表示钢轨的抗拉强度，A表示钢轨的延伸率。

2.根据权利要求1所述的生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法，其特征在于，LF精炼的渣料包含10质量%-30质量%的碳化硅、5-20质量%的萤石、30-40质量%的石英砂。

3.根据权利要求1所述的生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法，其特征在于，RH精炼的真空脱气处理前再添加10-30%的活性石灰石、5-25%的电石和300-1500m的钙线；真空脱气处理后，不再添加。

4.根据权利要求1所述的生产抗接触疲劳过共析钢轨的方法，其特征在于，所述轧制的过程中钢轨压缩比≥12。