鋼軌軋疤缺陷產(chǎn)生原因分析

李鈞正 楊正宗

(河鋼股份有限公司邯鄲分公司)

鋼軌軋疤缺陷產(chǎn)生原因分析

李鈞正 楊正宗

(河鋼股份有限公司邯鄲分公司)

針對(duì)型鋼生產(chǎn)線鋼軌生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的批量軋疤缺陷，經(jīng)過(guò)對(duì)缺陷形貌、存在位置進(jìn)行分析，利用LEICA Q550MW型圖像分析儀進(jìn)行金相組織觀察，以探索軋疤缺陷產(chǎn)生原因。分析結(jié)果表明：鑄坯殘余流渣是造成本次鋼軌表面軋疤的直接原因，并制定了對(duì)應(yīng)的解決措施，效果顯著。

鋼軌 軋疤 缺陷

0 引言

鋼軌作為鐵路重要組成部分，起著支撐和導(dǎo)向列車(chē)的雙重作用。列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，在動(dòng)態(tài)載荷作用下，鋼軌表面缺陷部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中并擴(kuò)展，甚至產(chǎn)生斷軌影響列車(chē)運(yùn)行安全。軋疤是指在鋼軌表面有疤皮或魚(yú)鱗片狀金屬片，有的與基體相連，有的與基體不相連，由在鋼軌的頭、腰、底部等處局部粘附的金屬薄片狀疤皮而形成。軋疤缺陷外形輪廓極不規(guī)則，伴隨軋疤缺陷有許多條裂紋，軋疤缺陷伸向軌底深度較深時(shí)，矯直鋼軌會(huì)產(chǎn)生軌底裂。因此，雖然軋疤和裂紋性質(zhì)不同，但兩者互相聯(lián)系，有時(shí)保軋疤特征，有時(shí)出現(xiàn)彎彎曲曲的裂紋簇，有時(shí)兩者兼而有之，這與結(jié)疤大小、深淺及變形程度有關(guān)。結(jié)疤主要有折疤、點(diǎn)狀?yuàn)A結(jié)疤、塊狀結(jié)疤、鋸齒結(jié)疤等類(lèi)型[1]。

邯鋼公司在生產(chǎn)50 kg/m規(guī)格U75V鋼軌時(shí)出現(xiàn)了批量軋疤缺陷，有的軋疤與鋼軌基體相連，有的則在矯直后脫落。通過(guò)對(duì)軋疤缺陷宏觀形貌、存在位置進(jìn)行觀察，對(duì)比冶煉、軋鋼過(guò)程，同時(shí)利用LEICA Q550MW型圖像分析儀對(duì)軋疤缺陷、缺陷鋼軌頭部基體和鑄坯流渣進(jìn)行金相組織分析，找到了軋疤缺陷產(chǎn)生原因，并提出了對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 缺陷宏觀特征及分布規(guī)律

1.1 缺陷宏觀特征

鋼軌軋疤缺陷多數(shù)分布在距鋼軌端部4 m左右位置，最長(zhǎng)不超過(guò)10 m，缺陷位于鋼軌軌頭南、北側(cè)下顎，形貌不一，與基體不相連，有的附著在鋼軌表面(以下將此缺陷稱(chēng)為A缺陷)，有的缺陷經(jīng)矯直后脫落形成凹坑(以下將此缺陷稱(chēng)為B缺陷)，如圖1、圖2所示。

圖1 A缺陷宏觀形貌及切割位置

圖2 B缺陷宏觀形貌及切割位置

1.2 缺陷分布規(guī)律

對(duì)存在軋疤缺陷的鋼軌分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與煉鋼、軋鋼過(guò)程對(duì)應(yīng)，如圖3所示。缺陷鋼軌存在于煉鋼不同澆次，前兩個(gè)澆次缺陷鋼軌分布較少，后四個(gè)澆次缺陷鋼軌分布整體較高，且分布在不同流號(hào)中，與煉鋼澆注硫號(hào)不存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)缺陷鋼軌軋制時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，5月6日前出現(xiàn)數(shù)量較少，5月6日后出現(xiàn)數(shù)量較多，軋疤缺陷率忽高忽低，與軋鋼出現(xiàn)時(shí)間沒(méi)有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，且軋鋼生產(chǎn)四個(gè)班組均有涉及，缺陷率基本相同，因此軋疤缺陷與軋鋼班組對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。

(a)冶煉澆次的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(b)與澆注流號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(c)與軋鋼班次對(duì)應(yīng)關(guān)系

(d)與軋鋼時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 金相檢驗(yàn)

2.1 軋疤缺陷金相檢驗(yàn)

將缺陷按照?qǐng)D1、圖2標(biāo)示線方向切割，對(duì)切割試樣打磨、拋光，4%硝酸酒精腐蝕，利用LEICA Q550MW型圖像分析儀對(duì)缺陷形貌進(jìn)行觀察。

A缺陷在金相顯微鏡下觀察，缺陷形貌如圖4所示。缺陷位置基體存在脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度為0.19 mm；缺陷部分存在明顯的脫碳，且處于全脫碳狀態(tài)，金相組織異常粗大。進(jìn)一步對(duì)缺陷部位進(jìn)行高倍組織觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷內(nèi)部存在大量長(zhǎng)條狀氧化物，方向與金相組織延伸方向一致。另外在缺陷與基體之間同樣存在大量氧化物。對(duì)缺陷內(nèi)部和缺陷間氧化物物質(zhì)形貌及其存在位置進(jìn)行觀察，初步判斷為為鐵的氧化物。

B缺陷在金相顯微鏡下觀察，缺陷形貌如圖5所示。缺陷凹坑內(nèi)部形貌圓滑過(guò)渡，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋、折疊等缺陷，凹坑內(nèi)金相組織大小與基體保持一致，未見(jiàn)組織異常粗大現(xiàn)象。凹坑內(nèi)部均勻分布有脫碳，脫碳層深度與正常基體位置脫碳深度一致[2]。以上檢驗(yàn)結(jié)果表明凹坑為外來(lái)物質(zhì)壓入后脫落形成。

2.2 鑄坯殘留流渣檢驗(yàn)

對(duì)重軌生產(chǎn)鑄坯表面質(zhì)量進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)部分鑄坯兩端切割斷面存在嚴(yán)重流渣。任選流渣嚴(yán)重鑄坯進(jìn)行流渣取樣分析，流渣為疏松多孔結(jié)構(gòu)，部分孔洞與外界相連，形狀不規(guī)則，外觀呈金屬光澤，具體宏觀形貌如圖6所示。將流渣切割后鑲嵌，打磨、拋光后利用LEICA Q550MW型圖像分析儀進(jìn)行組織分析，如圖7所示。流渣微觀形貌為疏松多孔結(jié)構(gòu)，有的孔洞與外界相連，有的孔洞形成封閉空間，兩者的共同之處為孔洞中均含有大量的氧化物，分析為鐵的氧化物。

(a) A缺陷顯微組織形貌

(b) A缺陷局部放大顯微組織

(a)凹坑左側(cè)顯微組織

(b)凹坑右側(cè)顯微組織

(c)正常位置處脫碳組織

(d)缺陷位置處脫碳組織

2.3 鋼軌頭部取樣分析

任選缺陷鋼軌進(jìn)行頭部不規(guī)則位置取樣，并將試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)分析，試樣及取樣位置如圖8所示，金相檢驗(yàn)分析如圖9所示。

圖6 鑄坯流渣宏觀形貌

圖7 鑄坯流渣金相圖片

圖8 軌頭試樣形貌及取樣位置

1#試樣金相組織檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：試樣內(nèi)部存在大量的氧化鐵皮，組織類(lèi)型為魏氏體組織和鐵素體、珠光體組織的混合組織，且金相組織大小差距較大，未見(jiàn)明顯脫碳[3,4]；2#試樣存在少量的氧化鐵皮，組織類(lèi)型為魏氏體組織和鐵素體、珠光體組織的混合組織，其中試樣邊部魏氏體組織較多，部分晶粒尺寸粗大，未見(jiàn)明顯脫碳。

(a) 1#試樣金相組織

(b) 2#試樣金相組織

3 缺陷產(chǎn)生原因分析及解決措施

3.1 缺陷產(chǎn)生原因

根據(jù)軋疤缺陷存在位置進(jìn)行分析，應(yīng)為軋鋼過(guò)程鋼軌頭部撞擊軋輥造成頭部材質(zhì)脫落后粘結(jié)軋輥表面，后續(xù)軋制時(shí)壓進(jìn)鋼軌表面產(chǎn)生軋疤缺陷[5]。

通過(guò)對(duì)缺陷鋼軌頭部取樣分析，基體組織除正常的鐵素體、珠光體組織外，還發(fā)現(xiàn)存在部分魏氏體組織。結(jié)合軋鋼生產(chǎn)過(guò)程，分析認(rèn)為鋼軌頭部反復(fù)軋制產(chǎn)生多次折疊，由于鋼軌頭部各部位軋制過(guò)程壓下不同造成組織大小差異，同時(shí)鋼軌頭部相比正常部位冷卻速率較快，故產(chǎn)生魏氏體組織。

對(duì)軋疤缺陷位置進(jìn)行金相檢驗(yàn)分析，軋疤缺陷與基體分離，基體外部位存在明顯的脫碳現(xiàn)象，且金相組織粗大，說(shuō)明缺陷在高溫加熱前即存在。對(duì)比缺陷鋼軌頭部基體組織類(lèi)型，金相組織類(lèi)型不同，且脫碳效果截然相反，排除了鋼軌頭部基體撞擊軋輥掉落的可能性。

軋疤缺陷與鑄坯流渣進(jìn)行金相對(duì)比對(duì)比，兩者皆存在大量的氧化鐵皮。

綜上所述，分析認(rèn)為鑄坯兩端殘留流渣是造成本次鋼軌軋疤缺陷的直接原因。

3.2 解決措施

主要通過(guò)檢查、清理和精整，保證無(wú)缺陷鑄坯的入爐加熱、軋制；其次精確控制坯料切割尺寸、清除干凈切割端頭流渣，避免出現(xiàn)切傷、流渣殘留；第三優(yōu)化連鑄坯生產(chǎn)工藝參數(shù)，控制鑄坯鼓肚、凹陷、嚴(yán)重振痕和劃傷等表面缺陷。通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)軋制鋼軌用鑄坯應(yīng)達(dá)到以下技術(shù)要求：(1)鑄坯表面不得有目視可見(jiàn)的翻皮、結(jié)疤、夾雜、裂紋；(2)不得有深度或高度大于1.5 mm的劃痕、壓痕、擦傷、氣孔、皺紋、冷濺、凸塊、凹坑；(3)橫向振痕不大于2 mm；(4)連鑄坯橫截面不得有影響使用的縮孔、皮下氣泡、裂紋；(5)鑄坯兩端殘留流渣進(jìn)行火焰清理，鑄坯表面不得有厚度大于2 mm的流渣，端部不得有厚度大于5 mm的流渣。同時(shí)加強(qiáng)鑄坯驗(yàn)收管理,增加檢驗(yàn)頻次，按照爐次鑄坯總量的25%進(jìn)行抽檢，對(duì)不合格鑄坯進(jìn)行退料處理，并做好質(zhì)量抽查記錄。

4 應(yīng)用效果

通過(guò)制定嚴(yán)格的鑄坯驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)鑄坯驗(yàn)收檢驗(yàn)頻次等措施，鋼軌鑄坯表面質(zhì)量有了較大提升，鑄坯兩端殘留流渣得到了有效控制，鋼軌軋疤缺陷率降低到2%以下。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本次型鋼生產(chǎn)線鋼軌 生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的批量軋疤缺陷，通過(guò)對(duì)軋疤缺陷宏觀形貌進(jìn)行觀察，對(duì)缺陷、鑄坯殘留流渣以及缺陷鋼軌頭部不規(guī)則位置取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)分析，認(rèn)為鑄坯兩端殘留流渣是造成本次鋼軌軋疤缺陷的直接原因。在此基礎(chǔ)上提出了軋疤缺陷解決措施，經(jīng)實(shí)施后軋疤缺陷得到了有效控制。

[1] 劉運(yùn)圈，重軌結(jié)疤的產(chǎn)生與預(yù)防[J]，上海冶金，2008(5).45-48.

[2] 朱興元，U71Mn 60kg/m重軌結(jié)疤缺陷研究，鋼鐵技術(shù)，2008(1).24-27.

[3] 任安超，鋼軌表面結(jié)疤缺陷的檢驗(yàn)和分析.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(9)，8-10

[4] 陳沅，降低時(shí)速250km百米鋼軌表面缺陷的研究，包鋼科技 , 2010, 36(S1):21-24

[5] 陶功明，攀鋼60kg/m鋼軌軋疤缺陷原因分析及改進(jìn)措施，軋鋼，2009(12)，63-66

CAUSES ANALYSIS OF RAIL SCAR DEFECT

Li Junzheng Yang Zhengzong

(Han-Steel branch of HBIS)

Based on the mass issues of scar defects which occurred in the rail production process of the section steel production line, through analyzing the defect morphology, position and observing the microstructure by the LEICA Q550MW type image analyzer to find out the causes of the rail scar defect. The analysis results show that the bloom residual is the direct cause of the rail scar defect. The solution which based on analyzes produced a remarkable effect.

Rail Scar Defect

正，工程師，河北.邯鄲(05601),河鋼股份有限公司邯鄲分公司技術(shù)中心；

2017-1-25