摘要

鐵路運輸?shù)闹剌d化和高速化對鋼軌材質的潔凈度提出了更加嚴苛的要求。國內某廠生產高速重軌鋼的過程中,存在精煉階段氧、硫含量控制不穩(wěn)定的問題,繼而造成鋼中非金屬夾雜物控制水平不穩(wěn)定的問題。為了研究重軌鋼中氧、硫元素質量分數(shù)對氧化物夾雜的影響,以此廠生產的重軌鋼為研究對象,開展實驗室熱模擬研究,調整鋼中初始硫和全氧質量分數(shù)分別為0.007%~0.016%和0.001 2%~0.004 4%,統(tǒng)計鋼渣反應前后鋼中氧化物夾雜數(shù)量密度、尺寸和成分的變化規(guī)律。結果表明,隨著鋼中氧、硫元素質量分數(shù)增加,氧化物夾雜的去除率呈升高趨勢,氧化物夾雜的平均尺寸呈減小趨勢。鋼廠可在保證渣成分穩(wěn)定、鋼液溫度降幅不大且精煉時長穩(wěn)定的情況下,改變以往過分追求低硫指標的生產習慣,利用表面活性元素氧、硫對界面張力的影響,適當提高LF進站前鋼中氧、硫元素質量分數(shù),可提高氧化物夾雜的去除率,同時降低夾雜物尺寸。

重軌鋼是鐵路承重的主要用鋼，鋼軌的質量嚴重影響高速、重載鐵路的快速發(fā)展。除要求更高的潔凈度、強度和良好的韌性外，抗疲勞性能是考核重軌鋼質量好壞的重要因素。非金屬夾雜物是破壞鋼軌抗疲勞性能最主要的原因，嚴重影響鋼軌的使用壽命和鐵路運行安全。國內重軌鋼廠一般采用硅錳復合脫氧或硅鈣鋇脫氧，嚴格控制脆性Al2O3夾雜的出現(xiàn)，從而避免對抗疲勞性能的影響。作者對重軌鋼生產的LF-RH-CC流程取連續(xù)4爐樣分析發(fā)現(xiàn)，精煉階段重軌鋼中夾雜物主要以MnS夾雜和復合型氧化物夾雜為主，鑄坯中多為以氧化物為核心包裹MnS生長的形式出現(xiàn)。因此國內對重軌鋼冶煉過程的傳統(tǒng)研究更傾向于2條路線：1)降低鋼液中的氧、硫元素含量以減少氧、硫化物夾雜的生成，尤其是嚴格控制MnS夾雜的生成；2)對MnS進行改性處理，減少長條狀MnS的析出，降低裂紋生成率，有利于提高重軌鋼的抗疲勞性能。王玉昌提出了實現(xiàn)不含鋁強化脫氧是高速重軌鋼潔凈度控制的關鍵技術，并通過工業(yè)試驗證明，在相同溫度下，硅鈣鋇比硅鈣脫氧能力更強；唐磊研究了精煉渣系對重軌鋼潔凈度的影響，揭示了相同處理工藝下，堿度為2.5的重軌鋼精煉渣脫氧、初期脫硫速率更大，更易于夾雜物去除與減小尺寸；高梓淇等研究了精煉渣中Al2O3含量對重軌鋼中夾雜物的影響，結果表明隨著渣中Al2O3含量降低，夾雜物中Al2O3含量減少，氧化物數(shù)量增多，更有利于MnS在其表面析出，且A類夾雜合格率更高；張學偉通過熱力學確定了MnS夾雜物析出發(fā)生在凝固末期，通過動力學分析表明，初始元素濃度與凝固冷卻速率會影響MnS析出的尺寸，鋼液中硫質量分數(shù)小于0.005%，可降低MnS形核率和臨界尺寸，并抑制其尺寸長大；卓超研究了Ce、Mg處理對MnS析出的影響，揭示了Ce、Mg單獨處理和復合處理后重軌鋼中夾雜物的演變機制，2種處理方式均減少了長條形MnS的析出。

由于國內某廠生產的重軌鋼中氧、硫元素含量波動范圍較大，鋼軌質量同時也受到影響。作者通過生產調研和文獻調研發(fā)現(xiàn)，鋼中夾雜物數(shù)量并不完全與氧、硫元素質量分數(shù)呈正相關，且氧、硫作為鋼中表面活性元素，對脫氧產物與鋼液間的界面張力以及渣-鋼的界面張力都有影響，從而間接影響到了脫氧產物在鋼液中的生成和運動行為。因此，通過試驗研究重軌鋼中氧、硫元素對鋼液中脫氧產物的影響，不斷突破重軌鋼實現(xiàn)更高品質的生產十分必要。

嚴格意義上來說，實際煉鋼過程中所有的界面現(xiàn)象在熱力學上都是不平衡的，要對它們進行深入的了解和量化，是一件非常困難的事情。鋼液中的表面活性元素處于渣-鋼兩相之間的非平衡狀態(tài)，可以在兩相之間轉移。因此，關注某一時刻的界面張力和鋼液成分對于一直處于非平衡狀態(tài)的渣鋼界面來說意義不大。本文以此廠生產的重軌鋼為研究對象，開展實驗室熱模擬研究，對比渣鋼反應前后夾雜物水平變化，從而得到鋼液中不同氧、硫元素含量對夾雜物的影響。

1試驗方案

1.1試驗設計

根據(jù)鋼廠實際調研結果，LF化渣后鋼中全氧質量分數(shù)為0.003%~0.013%，硫質量分數(shù)為0.003%~0.012%；鑄坯樣中全氧質量分數(shù)為0.000 5%~0.001 2%，硫質量分數(shù)為0.004%~0.010%。鑄坯樣潔凈度高，控制元素含量低，對鋼液產生的影響較小，因此以鑄坯樣為母液，逐漸提高變量元素質量分數(shù)即可探究不同活性元素含量對鋼液的影響。本研究取國內某重軌鋼廠生產的U71Mn鑄坯樣作為母液，成分見表1。共交叉設計6爐試驗鋼，旨在模擬LF精煉過程，待鋼液溶清后，將鋼液中的硫和全氧質量分數(shù)分別增加至0.007%~0.016%和0.001 2%~0.004 4%，鋼渣充分反應30 min后，取樣對結果進行分析，對比不同初始硫、全氧質量分數(shù)下鋼中夾雜物的變化。

表1熔清鋼液化學成分(質量分數(shù))

將重軌鋼鑄坯切成20 mm×15 mm×10 mm的鋼塊并打磨氧化皮，每爐試驗取約300 g鋼塊疊放在MgO質量分數(shù)為99.5%的坩堝中，并隨石墨坩堝一同放置在管式電阻爐中，調好程序緩慢加熱升溫，試驗裝置如圖1所示。當溫度升至600℃時，氬氣(質量分數(shù)為99.99%)流量控制為2.5 L/min，保持坩堝內中性氣氛，當溫度升至900℃時，氬氣流量調整為3.5 L/min，爐膛升溫至1 600℃后持續(xù)保溫30 min以保證鋼液熔化且均勻。

圖1試驗裝置示意