鋼軌超聲波探傷檢驗不合原因分析及工藝改進

李鈞正 汪 鵬 張 軍

（河鋼集團邯鋼公司）

0 前言

隨著鐵路運輸向著高速、重載和高密度行車方向的發展，鐵路對鋼軌的質量要求越來越高。超聲波探傷可有效檢測出鋼軌的內部缺陷，例如裂紋、夾雜物、縮孔和夾層等，大幅提高了鋼軌產品的質量和鐵路行車安全。目前國內外的鋼軌標準均對超聲波探傷提出了明確要求：“鋼軌全長應連續進行超聲波探傷檢查”[1]。

河鋼集團邯鋼公司于2012年投產一條鋼軌生產線，經超聲波探傷檢驗，鋼軌合格率穩定控制在98.7%以上，但仍存在部分鋼軌經探傷檢驗后不合格而判廢。通過對生產過程中經超聲波探傷檢驗不合格的鋼軌進行取樣分析，查找不合格的原因，并對生產工藝進行了針對性改進，進一步提高了鋼軌的探傷檢驗合格率和產品質量。

1 試驗材料及檢驗方法

1.1 試驗材料

以60N規格U75V鋼軌為研究對象，在生產過程中選取軌頭、軌腰處經超聲波探傷檢驗不合格的典型鋼軌試樣各一塊，其中軌頭試樣編號1#，軌腰試樣編號2#，具體研究對象取樣信息見表1。生產現場超聲波檢驗結果如圖1所示。

表1 試驗研究對象取樣信息

1.2 檢驗方法

由于鋼軌截面形狀復雜，且內部缺陷尺寸相對較小，很難實現缺陷的精確定位。本次試驗采用手持探傷+浸入式超聲波檢測的方法，精確查找到了缺陷位置及大小。首先，采用CTS9009型手持探傷儀對報傷鋼軌進行粗略定位，并在鋼軌報傷位置切取大試樣。然后，利用浸入式超聲波檢測對試樣進行全斷面掃描，可以精確測量缺陷尺寸和缺陷位置。在此基礎上沿著缺陷長度方向對缺陷試樣進行橫向切割，通過Leica MEF4A型金相顯微鏡觀察缺陷橫截面拋光后的形貌。最后，利用XL30W/TMP型掃描電子顯微鏡就缺陷處的異常位置和化學成分進行精確分析，查明導致鋼軌超聲波探傷檢驗不合格的原因。

圖1 NDT超聲波探傷檢驗報傷情況

2 檢驗結果分析

2.1 浸入式超聲波檢驗分析

浸入式超聲波檢測設備可以對浸沒于水中的試樣進行系統的機械化掃描，超聲波探頭放置于水中，水作為探頭和試樣之間的耦合介質。該設備附帶探頭機械手三維自動定位系統，三個伺服電機控制水槽中探頭的移動，從而實現精確測量缺陷大小和位置的目的。

浸入式超聲波檢驗設備分析示意結果如圖2所示（其中A為側視圖， B為端視圖，C為俯視圖）。

圖2 浸入式超聲波檢驗結果

利用浸入式超聲波檢測設備對兩個缺陷試樣進行了分析，檢驗結果表明：1#試樣缺陷長度為4.15 mm，缺陷位置為184 mm×6 mm×9 mm處；2#試樣缺陷長度為7.56 mm，缺陷位置為188 mm×6 mm×5 mm處。

2.2 光學顯微鏡分析

在浸入式超聲波檢驗對試樣缺陷精確定位的基礎上，依據缺陷位置將1#、2#試樣切割成15 mm×20 mm×30 mm的小試樣，然后沿著缺陷長度方向中間位置進行垂直切割，磨制、拋光后在金相顯微鏡下觀察缺陷截面形貌，缺陷試樣加工及觀察位置示意圖如3所示，金相形貌照片如圖4所示。

圖3 缺陷試樣加工及觀察位置

圖4 金相顯微鏡下的缺陷形貌

金相顯微鏡觀察結果表明：缺陷均獨立存在且基體相連，缺陷橫截面均為扁平狀，缺陷寬度分別為391 μm和696 μm，1#試樣呈現中間厚兩端薄的趨勢，2#試樣中間和兩端厚度尺寸變化不明顯。

2.3 電子顯微鏡分析

利用XL30W/TMP型掃描電子顯微鏡對1#、2#試樣的缺陷進行成分分析，夾雜物電子顯微鏡的能譜分析結果如圖5所示。

圖5 試樣的夾雜物電子顯微鏡能譜分析結果

檢測結果表明： 1#和2#試樣缺陷均為硅酸鹽類氧化物夾雜，部分位置鑲嵌有多邊形的鎂鋁尖晶石，另外還發現了少量的K、Na元素。

2.4 檢驗結果分析

綜上所述，1#和2#試樣報傷的原因為內部存在長條狀的大型夾雜物，夾雜物長度分別為4.15 mm和7.56 mm，寬度分別為0.391 mm和0.696 mm，屬于硅酸鹽類氧化物和鎂鋁尖晶石等混合組成的大型外來夾雜物，同時夾雜中還含有少量的K、Na元素。

外來大型夾雜物主要是鋼水與其周圍的物質發生化學反應或物理作用產生的[2]。這些夾雜物一般尺寸較大，主要來源包括：（1）大包澆注末期保護渣隨鋼水流入中間包，在沖擊力的作用下進入連鑄鋼水深處，不能及時上浮；（2）澆注過程中中包保護渣卷入鋼水；（3）澆鋼系統耐火材料由于化學反應或沖刷作用剝落后浸入鋼水；（4）連鑄長水口局部剝落，進入鋼水中；（5）結晶器流場需要改善、鋼水過熱度低等其他原因[3]。其典型特征為：大包下渣Ca含量偏高，保護渣含K、Na元素[4]，長水口中含有Zr元素，鎂鋁尖晶石是耐火材料的主要成分[5]。由于外來夾雜物相比鋼水比重小，很容易在鋼水中浮出，因此外來夾雜物只有在鋼水快速凝固或者上浮受到限制時才會凝固在鋼水中。

通過上述分析，結合大型外來夾雜物的檢驗分析結果，認為導致探傷檢驗結果不合格的主要因素是連鑄澆鋼過程中中間包耐材侵蝕脫落和中包保護渣卷入。

3 工藝優化措施及改進效果

針對大型外來夾雜物的產生原因，結合冶煉工藝及設備特點，制定了工藝優化方案：（1）適當提高連鑄中間包鋼水溫度，以提高夾雜物上浮能力，修改后的鋼水溫度為（1 495±20）℃；（2）加強結晶器水口對中、水口插入深度以及中包保護渣加入等現場操作管理，杜絕液面波動和操作不規范導致的卷渣現象的發生；（3）加強結晶器液面控制，實際澆注過程結晶器液面波動控制在±4 mm以內；（4）連鑄澆鋼采用下渣檢測與鋼包剩鋼相結合的模式，避免大包下渣污染中間包鋼水；（5）規范RH噴補操作，減少噴補料的使用量，優化RH浸漬管噴補制度。

上述措施實施后鋼軌的探傷合格率由98.7%提高到99.5%以上，效果顯著。

4 結論

（1）導致鋼軌超聲波探傷檢驗不合格的主要原因為鋼軌內存在長條狀的大型外來夾雜物，夾雜物長度分別為4.15 mm和7.56 mm，由硅酸鹽類氧化物和鎂鋁尖晶石等混合組成，同時夾雜中含有少量的K、Na元素。

（2）對大型外來夾雜物的產生原因進行了分析，結合生產設備及工藝特點，認為耐材脫落和中包保護渣卷入是產生大型夾雜物的主要原因。

（3）針對大型外來夾雜物的產生原因，制定了針對性的工藝優化方案。工藝優化方案實施后，經超聲波探傷檢驗，鋼軌探傷合格率有了顯著提高。