高速鋼軌脫碳層控制研究

鄧小和

（中鐵物總技術有限公司，北京 100036）

脫碳是鋼在高溫條件下，表層的碳原子由于熱擴散的原理，從內部移至表面與加熱爐內的氧化性氣體發生作用，從而導致鋼表層碳原子丟失的現象[1]。隨著我國高速鐵路的快速發展，線路運行速度的增加對鋼軌質量和性能的要求越來越高。鋼軌表面脫碳會導致其硬度、耐磨性及疲勞強度等物理性能下降[2]，高速鐵路開通運營前必須對脫碳層多次打磨進行消除，費用高昂。因此，降低脫碳層厚度，減少打磨次數，對提升鐵路鋼軌質量和運營效益具有重要意義。

1 試驗條件和方法

本試驗選用包鋼生產高速鐵路用U71MnG鋼軌坯，盡量保證鋼軌坯成分穩定，其化學成分見表1所示。加熱爐內氣氛主要通過加熱爐空燃比進行控制，實際生產所使用的加熱燃料為高爐、焦爐混合煤氣，試驗過程中盡量保證加熱爐空燃比的穩定性，上述兩種因素不作為本試驗研究對象。鋼坯加熱采用現行1號、2號加熱爐熱工制度，分別見表2、3所示。脫碳層深度的測定采用顯微組織法。

表1 重軌坯U71MnG的化學成分 %

本次試驗在現行加熱爐熱工制度的基礎上分別研究：

1）2座加熱爐在正常生產情況下爐內兩大因素。鋼軌坯在爐時間、鋼軌坯的加熱溫度對于鋼軌脫碳層的影響。

表2 加熱爐熱工制度

表3 加熱爐待軋制度

2）加熱爐燃燒系統的選型對于鋼軌坯脫碳層的影響。

3）在鋼坯表面噴涂高溫防脫碳涂層對鋼軌脫碳的影響。

1.1 鋼坯在爐時間與脫碳層的試驗

在其他影響因素相對穩定的情況下生產高速鋼軌，按照現行熱工制度采用下頁表4所示加熱制度對鋼坯進行加熱，分別在鋼坯在爐時間為180 min、210 min、240 min、270 min、300 min情況下取樣檢測鋼軌踏面的脫碳層厚度，為使試驗數據具有穩定性，每組取樣三次。

1.2 鋼坯加熱溫度與脫碳層的試驗

在其他影響因素相對穩定的情況下生產高速鋼軌，分別按照表5所示的熱工制度組織生產，加熱段和均熱段溫度逐步提升，鋼坯在爐時間3.5～4.0 h之間，為使試驗數據具有穩定性，每組取樣三次。

1.3 燃燒系統選型與脫碳層試驗

表4 加熱爐各段爐溫控制表 ℃

表5 加熱爐爐溫分布情況 ℃

包鋼軌梁廠兩座步進梁式加熱爐采用了不同的燃燒系統，1號加熱爐采用平焰燒嘴與調焰燒嘴，2號加熱爐采用燃燒效率更高的蓄熱式燒嘴，兩種不同的加熱爐燃燒系統的選型對鋼軌坯脫碳的影響不同。

1.4 防脫碳涂層與脫碳層試驗

在其他影響因素相對穩定的情況下生產高速鋼軌，加熱前在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層，然后放入1號線加熱爐加熱，加熱制度執行現行熱工制度，加熱時間在3.5～4.0 h，為使試驗數據具有穩定性，選取32支鋼坯進行脫碳層試驗，得到32個試驗樣的脫碳層數據，其中試樣編號1號—17號為噴涂防脫碳涂層所得試樣，其余為未噴涂所得試樣。

2 試驗結果分析

2.1 鋼坯在爐時間與脫碳層厚度的結果與討論

1號加熱爐由于實際生產情況復雜無法保證加熱時間180 min的要求，導致未得到試驗樣品，其余試驗結果見表6、7所示。依據表6和表7的試驗數據繪制加熱爐鋼軌坯在爐時間與脫碳層厚度的關系圖，見圖1、2所示。

表6 1號加熱爐鋼軌坯不同在爐時間與脫碳層厚度mm

由圖1、2可知，隨著鋼坯在爐時間的增加，1、2號加熱爐鋼軌脫碳層厚度均明顯增加。1號加熱爐鋼坯在爐時間達到300 min后，鋼軌脫碳層厚度已經超過《高速鐵路用鋼軌TB/T 3276—2011》標準要求。出現這種情況的原因是在高溫狀態下，鋼表層脫碳反應加劇，表層碳原子不斷與爐氣發生反應，表層碳原子不斷丟失，鋼坯內部與表面碳原子產生了較大的碳濃度梯度，內部碳原子不斷向表層擴散，存在隨著時間的延長，脫碳反應時間延長，導致脫碳層不斷增大[3]。在保證加熱充分均勻的前提下應盡量縮短鋼坯在爐時間，為使脫碳層厚度小于0.3 mm，鋼坯在爐時間不宜超過3.5 h。

表7 2號加熱爐鋼軌坯不同在爐時間與脫碳層厚度mm

圖2 2號加熱爐鋼坯在爐時間與脫碳層厚度的關系

圖1 1號加熱爐鋼坯在爐時間與脫碳層厚度的關系

2.2 加熱爐鋼坯加熱溫度與脫碳層厚度的結果

鋼軌踏面的脫碳層厚度隨加熱溫度變化的結果見表8、9所示。根據表8和表9的試驗結果可得鋼軌坯加熱溫度與脫碳層厚度的關系，如下頁圖3、4所示。

表8 1號加熱爐不同熱工制度與鋼軌脫碳層厚度mm

表9 2號加熱爐不同熱工制度與鋼軌脫碳層厚度mm

由圖3、4可知，隨著鋼坯加熱溫度、出爐溫度的升高，脫碳層厚度逐步增加。在高溫條件下，鋼表面脫碳過程經歷四個步驟：碳化物分解，碳原子擴散，與爐氣發生反應，離開金屬表面。其中，碳化物的分解和碳原子的擴散是影響脫碳層的控制因素，在初期表面碳反應完后，碳需要從鋼的內部擴散至表面，與氣體接觸發生反應，擴散要進行的快，必須有大的驅動力（碳濃度梯度）和足夠的溫度。隨著加熱溫度的升高，鋼中碳原子的活動能力增加，使鋼中碳原子擴散至表層與爐氣發生反應，鋼表層一定范圍的碳原子部分散失導致脫碳，溫度越高，表層碳原子移動速度越快，散失的碳原子越多，脫碳越劇烈。另外，高溫下鋼達到相變溫度以上，隨著鋼的奧氏體化和滲碳體的溶解，碳原子的擴散能力大大增加，也加速了脫碳過程[4-5]。從實驗結果看，加熱和出爐溫度達到1 200℃以上后，脫碳層厚度已經達到0.4 mm以上，對控制脫碳層厚度控制非常不利。當加熱、均熱溫度都控制在1 200℃以下，出爐溫度控制在1 100℃以下，鋼軌脫碳層厚度均不大于0.3 mm，脫碳層厚度控制較為理想[6]，因此，降低鋼坯加熱和出爐溫度可以有效減小鋼軌脫碳層厚度。但是鋼軌出爐溫度降低勢必要求提高軋制力，軋制力大小取決于軋機能力及軋制變形率的大小，由于軋機設備性能參數無法改變，現場實際生產中鋼坯軋制溫度降低至1 040℃時，要獲得需要的軋制變形率，軋制力已經接近極限，所以只能在現有設備性能參數的條件下，盡可能實現低溫軋制。

圖3 1號加熱爐鋼軌坯加熱溫度與脫碳層厚度的關系

圖4 2號加熱爐鋼軌坯加熱溫度與脫碳層厚度的關系

2.3 加熱爐燃燒系統的選型對于鋼軌坯脫碳層影響的討論

根據表6、7中不同在爐時間鋼軌脫碳層試驗數據繪圖，得到不同在爐時間兩個加熱爐加熱鋼軌的脫碳層厚度對比圖，見圖5、6、7、8。

由圖5—圖8可知，在加熱時間與熱工制度相同的情況下，采用蓄熱式燃燒系統的鋼軌脫碳層厚度要小于采用平焰燒嘴與調焰燒嘴燃燒系統的鋼軌脫碳層厚度，其原因是蓄熱式燃燒是在相對的低氧狀態下彌散燃燒，沒有火焰中心，鋼坯前后上下溫度更加均勻，有利于脫碳層厚度的控制[7-8]。采用2號蓄熱式燃燒系統的加熱爐生產鋼軌對控制脫碳層厚度更加有利。

2.4 鋼坯表面噴涂防脫碳涂層后對鋼軌脫碳層影響的討論

圖5 1、2號加熱爐脫碳層厚度對比（210 min）

圖6 1、2號加熱爐脫碳層厚度對比（240 min）

圖7 1、2號加熱爐脫碳層厚度對比（270 min）

圖8 1、2號加熱爐脫碳層厚度對比（300 min）

鋼坯表面噴涂防脫碳涂層試驗結果如下頁表10所示，編號1號—17號為噴涂防脫碳涂層所得鋼軌脫碳層厚度結果，編號18號—32號為未噴涂防脫碳涂層所得鋼軌脫碳層厚度結果。根據表10噴涂防脫碳涂層和未噴涂所得鋼軌脫碳層數據，繪制鋼軌脫碳層直立方圖，見圖9、10所示。

圖9 鋼軌脫碳層厚度直立方圖（噴涂涂層）

圖10 脫碳層厚度直立方圖（未處理）

在相同的加熱條件下，在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層的鋼軌脫碳層厚度主要集中在0～0.2 mm之間，平均值為0.054 mm。未在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層的鋼軌脫碳層厚度主要集中在0.35～0.42 mm之間，平均值為0.364 mm。這是由于高溫下防脫碳涂層能夠在鋼坯表面形成致密保護層，阻擋了高溫下碳、氧的擴散，抑制脫碳反應的發生，減少鋼軌脫碳層[9]。上述試驗結果說明在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層可以大幅度降低鋼軌脫碳層厚度，雖然在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層不可避免造成鋼軌生產成本上升，但防脫碳涂層在鋼軌脫碳層厚度控制方面具有非常明顯的優勢，對現場控制脫碳層厚度具有重要意義。按照規程下限進行控制。

表10 表面噴涂防脫碳涂層的鋼軌脫碳層厚度 mm

3）建議采用蓄熱式燃燒系統加熱爐生產高速鋼軌，能有效減小鋼軌脫碳層厚度。

4）防脫碳涂層對減小鋼軌脫碳層厚度效果非常明顯，建議生產高速鋼軌時在鋼坯表面噴涂防脫碳涂層以有效控制脫碳層厚度。

3 結論

1）鋼坯在爐時間越長，鋼軌脫碳層厚度越大，為保證脫碳層厚度，鋼坯在爐時間保持在3.5 h以內，不宜超過4 h。

2）鋼坯加熱溫度、均熱溫度和出爐溫度越高，鋼軌脫碳層厚度越大，為使脫碳層厚度盡量小，鋼軌加熱和均熱溫度應控制在1 200℃以下、出爐溫度控制在1 100℃以下。在滿足現場軋制的前提下，應盡量