重軌鋼中夾雜物的分析與控制

彭 泉

重軌鋼是一種高純凈度、高強度、高韌性、細珠光體鋼，對非金屬夾雜物的控制有著較高的要求，非金屬夾雜物的控制是高速重軌鋼生產中的重點與難點。以B類夾雜Al2O3為主的脆性夾雜是引起鋼疲勞裂紋的主要原因，因此，重軌的生產多采用無鋁脫氧，從根源上杜絕產生Al2O3夾雜物。但大尺寸長條狀MnS也可作為裂紋的起點，在應力作用下首先于硫化物與基體的交界處形成裂紋源，隨著載荷的增加，裂紋沿著條帶狀MnS夾雜物逐漸擴大。因此當重軌鋼中出現微裂紋時，大尺寸硫化物的增加必然導致裂紋沿著硫化物迅速擴展。所以，研究和控制比重日益重要。隨著鐵路運輸技術的提高，高速、重載列車已成為發展方向。同時對重軌的質量、數量提出了更高的要求。作為連鑄坯主要生產單位為后續工序提供高質量的鑄坯已成為重中之重。目前隨著工藝的完善，重軌鋼的質量不斷提高。但是由于夾雜物引起的缺陷一直存在。因此有效控制鋼中夾雜物已成為制約重軌鋼內部質量的關鍵環節。

1 夾雜物的來源分析及去除方法

1.1 夾雜物的來源分析

判斷夾雜物的來源，可以通過分析夾雜物的成分和形態入手，常見的夾雜物是二氧化碳或者是冶煉過程中的一些殘渣。比較典型的夾雜物當中，鎂和鋁的含量一般都相對較高，通過實驗證明，鋁一般來自于脫氧過程中的殘留物，而鎂一般是從冶煉的殘渣氧化鎂氧化之后的產物而來。對于這種含成分比較復雜的夾雜物一般都是在生產環節當中生成的。若是在出鋼環節當中產生的夾雜物一般在經過精煉之后，大部分都可以被去除，即便是含量比較多的夾雜物，在二次精煉的過程中也能去除大半，而對于部分比較細小的夾雜物，在經過冶煉過程后，加上爐內溫度較高，一般都會融化，這種情況就不再容易去除。在生產過程中，鋼渣在經過高溫時會融化，然后再與爐內的鋼液充分融合，所以原先細小的夾雜物也會慢慢的變大，從而也相對容易的被析出。從鋼軌上析出的夾雜物成分來看，一般含有硅酸鹽的夾雜物，熔點相對都比較低，在冶煉過程中可以熔融，經過壓制環節會被粉碎。在70年代，德國的相關技術部門采用高強度的鋼軌使用潤滑技術，從而減輕鋼軌的磨損，但依舊沒有減少鋼型疲勞斷裂的現象。為了使斷裂的原因能夠被快速的找出，德國聯邦鐵路局與各家鋼軌生產廠商聯合起來進行研究。通過對已經使用5年～10年的鐵路線上，選取了部分的樣品，然后對其進行超聲檢驗和金相方面的研究。最后得出結果表明，導致鋼軌斷裂的原因是由于Al2O3夾雜物，之后有其他幾個國家陸續通過實驗證實了此次研究結論。另外Al2O3夾雜物在面對超聲波的時候，其反射的效果極其不明顯，所以采用超聲的方式一般很難檢測出來，但是與硅酸鹽以及其他的硫化物相結合時，或者在他本體分離形成裂縫的時候，才能使用超聲波將其檢測出來，所以Al2O3是一種很難檢測但是對鋼材韌性影響較大的一種夾雜物。

1.2 夾雜物來源及其特點

第一，內生性質的夾雜物。這種夾雜物一般是在鋼水冶煉的過程中，由于脫氧而形成的產物，或者是在鋼材熔融時與二氧化碳反應形成的夾雜物。這種產物一般具有三個特點，熔點越高，其脫氧生成的產物越多；這種夾雜物一般尺寸都比較小；后期精煉過程中由于大部分夾雜物上浮很容易被析出，所以對鋼材整體的質量沒有較大的影響。第二，外生性質的夾雜物。這種夾雜物一般是在冶煉過程中，從外部飄進的灰塵以及煤渣等形成的，一般尺寸比較大，而且成分也比較復雜，包括夾雜物的來源也是比較廣泛的，所以對鋼材質量影響很大。

1.3 去除方法

通過上述分析，去除夾雜物的方法主要從下述幾點入手：①在熔融過程中，將脫氧生成的產物當中的夾雜物通過上浮的方法來去除，盡量的降低生產環節的夾雜物含量；②在生產過程中，增加軟吹的時間，使夾雜物上浮去除；③加強對輔助材料的品質的檢測，從原材料入手，本質上降低夾雜物；④將夾雜物經過變質的處理，從而來減除夾雜物的增大。

2 生產工藝和存在的問題

某鋼廠對于重軌鋼的生產環節為以下幾點，先將鐵水經過脫硫的預處理，爐內冶煉，精煉，真空脫氧，澆鑄，加熱，軋制，淬火，矯直，探傷，檢查。在鋼水冶煉的過程中，如果說鐵水當中硫的含量較高的話，將會對鋼成分以及質量產生嚴重的影響，甚至會影響到后期環節的處理，所以對于重軌鋼來說，全部都需要進行。脫硫的環節在實際冶煉過程中，受環境以及技術的影響，含硫量不容易控制，導致在脫硫的環節無法滿足析雜的高要求，所以才會提高鋁類的夾雜物含量。另外，如果夾雜物不能全部上浮，在澆鑄環節時，還會摻雜到鋼水當中，在采用超聲波探傷時就會出現傷軌的情況。因此在現階段鋼水冶煉環節當中，最重要的就是降低夾雜物的含量，尤其是硅酸鹽類型的夾雜物。

3 夾雜物的控制分析

3.1 熱處理對夾雜物的影響

對于重軌鋼來說其中夾雜的硫化錳在高溫過程中即會改變其形態，研究表明，硫化錳這一類的夾雜物一般在800℃左右高溫時會產生球化反應，而其融化的溫度是在1100℃左右。根據這一點可以設計熱處理的方案，研究證明，在溫度超過1200℃時，溫度越高，硫化錳的含量會越少。所以在實際冶煉工作當中，為了降低顆粒較大的夾雜物的含量，可以通過增加高溫冶煉的時間。另外，該種方法還同樣作用于鑄坯和鋼軌上，但實驗證明，升溫的時間越長，鋼軌內部的硫化錳的含量會減少，但是對鋼坯中的夾雜物沒有任何影響。

3.2 稀土元素對夾雜物的影響

稀土可以對晶粒進行細化，或者對鋼液進行凈化，其自身的活性很高。如果采用在以鋼水冶煉過程中加入稀土，這樣可以使其在鋼水內部，與其它雜質氣體充分反應，從而減少其內部夾雜物的含量，使鋼液凈化。如果在重軌鋼冶煉過程中加入稀土，大部分的鈰元素會在內部于氧，硫，磷等元素反應，從而形成對應的化合物來充分吸收夾雜物。另外如果在鋼水當中添加稀土元素，還可以使鋼水當中的某類夾雜物變性，也可以與硅酸鹽類的夾雜物產生化學反應。通過這樣的方式，可以利用稀土來充分吸附鋼水中的夾雜物。稀土元素除了上述功能之外，另外也會與比較脆性的氧化物發生反應，特別是硫化錳之類的氧化物，通過跟稀土反應可以生成結晶，從而降低鋼水當中氧化鋁夾雜物的含量，這樣可以有效減少脆性的夾雜物產生的影響。

3.3 精煉渣對鋼中夾雜物的影響

在重軌鋼生產工藝當中將精煉析出夾雜物酸堿度以及氧化性來分析其產生的影響。在精煉環節當中，一般氧化鋁含量僅在1%左右，其氧化性大概在0.6%左右，堿度在1.9～2.2之間。下圖（圖1）展示夾雜物尺寸大小與其堿度的邏輯關系。通過下圖分析可以得出，隨著精煉程度的提高，其堿度越高，夾雜物的顆粒越小，但是也伴隨著小顆粒類的夾雜物的增加。所以綜合得出，提高其內的堿度，可以吸附夾雜物，同時減少鋼水內夾雜物的含量。

圖1 精煉渣系堿度對夾雜物尺寸的影響

如果在精煉過程中，將堿度增加到2，檢測出其內氧化鋁的含量上升到1.38%。下圖是夾雜物尺寸與其氧化性之間的邏輯關系。如圖所示（圖2），通過增加精煉環節當中氧化性，其內析出大顆粒夾雜物的比例增加，生成小顆粒夾雜物的比例減少。

圖2 精煉渣氧化性對夾雜物尺寸的影響

3.4 重軌鋼外來夾雜物的控制措施

3.4.1 開澆爐控制

在開澆爐環節，想要控制夾雜物的話，一般是通過降低卷渣和提高鋼水在其內停留時長，這樣可以有利于夾雜物的析出，所以制定了下述幾項措施：驗收時應該進行仔細的檢查，一旦發現有雜質時，必須及時清理干凈；將鑄坯的切頭長度進行調整，比如針對U75V切頭，可以從5m延長至8m，U71V可以從2m延長至5m；增加覆蓋劑的使用量，比如可以從13t增加到18t，并且盡可能避免覆蓋劑摻入其內；在鋼包開澆時，也可以將其噸位提升，這樣有利于夾雜物的上浮；降低澆鑄速度，這樣可以增加鋼水在鋼包內的停留時長，也可以使夾雜物上浮析出。

3.4.2 連澆過程控制

在連澆的過程中，也制定了相關的措施：①在澆鑄接近尾聲時，可以把保護套管升高100mm～200mm。這樣主要是方便判別鋼包澆鑄的時間，可以及時的將滑板關閉，這樣可以降低精煉渣摻入鋼水的概率，另外，升高保護套管，也可以使一部分精煉的夾雜物通過縮短上浮距離，來有足夠的上浮時間從而析出；②對連澆的時間進行控制。在上爐鋼滑板關閉之后通過更換鋼包來開啟下爐鋼滑板澆鑄。所以采取減少更換鋼包的時間，這樣可以降低澆鑄量，有效控制液位。另外，也可以縮短旋轉臺的旋轉時間。這樣更方便更換鋼包可以使節奏更快捷，減少澆鑄時間，由以往的200s縮短到130s，而且還大大降低了澆鑄量。

3.5 無鋁脫氧制度

重軌鋼一般都是使用無鋁脫氧的形式，這種形式不但能降低鋼水當中氧氣的成分，另外也能降低鋼水內部氧化鋁夾雜物，是從其本質來對氧化鋁進行消除的一種辦法。還有使用無鋁脫氧的方式，還可以改變鋼水當中非金屬夾雜物的形態，使其轉化為塊狀，這樣更有利于析出。另外還可以使用VD爐來進行脫氧的環節，這樣可以在脫氧的過程中，降低鋼水當中氧氣的含量，也能從本質上提高重鋼軌的純度。

3.6 中間包冶金

將擋渣壩、大型中間包和湍流器進行有效的組合，這樣可以控制鋼水在其內部的流向，通過控制鋼水合理分布，來提高鋼水在中間包內的停留時長。并且在澆鑄的過程中，需要時刻的控制液面的穩定，這樣才能有利于夾雜物上浮析出，同時使用高質的耐火材料，但同時要防止耐火材料混入雜物。

3.7 連鑄過程中夾雜物的控制

處于常規大氣壓環境下的碳，是沒有任何脫氧能力的，所以如果鋼水接觸空氣之后，其內部的溶解氧含量就會提高，所以導致處于中間包內的鋼水含氧量增加。另外，鋼液如果跟使用的耐火材料，或者是爐內的爐渣之間發生化學反應之后，鋼水會被二次污染，生成新的夾雜物，所以要嚴格控制，盡量保證鋼液不與空氣接觸。使用電磁也可以吸附鋼水當中夾雜物。若想讓中間包發揮最大的冶煉效果，可以通過增大熔池深度等相關的措施來進行優化。可以將溢流口高度提高，這樣可以保證整個鋼包中鋼液的含量，也能提高鋼水在其內部的停留時長。在澆鋼環節當中，各項動作要快要迅速，防止雜質摻入。連鑄的環節當中，由于鋼包和中間包之間還有保護套管，所以需要采用氬氣進行氣封，同時在套管口下方增設密封圈。中間包的水口改造成浸入式，這樣可以通過覆蓋劑來保護鋼水不被污染；澆鑄時尤其注意，需要將水口充分插入液面后，才開始澆鑄的動作。其技術操作一定要專業，才能有效地減少鋼水與空氣接觸產生的污染性的夾雜物。將生產出的重軌鋼分組進行抽樣檢查，檢查其夾雜物的含量是否合規合標。在鋼材當中一般尺寸較大的夾雜物多數都是氧化鋁產物，而且大小不同，形狀不一，初步分析是耐火材料當中夾帶的雜質；另外一種是含SI類的氧化物，常見的包括鋁、鈣等元素，經分析是在添加保護渣時通過外部摻加進來的。為了控制耐火材料雜質成分以及降低對鋼液純度的影響，可以在中間包環節時使用鎂質的材料，對于水口處的材料使用鋁碳型。對于連鑄環節控制雜質摻入，一般采用的方法是嚴格控制鋼水液面波動的幅度，以此減少鋼水與外部接觸面積。若使用電磁攪拌技術，應當實時監控其攪拌的強度，當強度不滿足生產要求時應關流控制。

4 結語

綜上所述，針對重軌鋼中夾雜物產生的原因，應在平時的操作中，各工序嚴格執行現有的工藝。同時，要加強對各工序先進性的研究，以利于重軌鋼的生產。此外，可采取必要的科技手段，確定夾雜物產生的根源，明確矛盾的主要方面，有針對性的解決。