车轴钢中非金属夹杂物钙处理变性研究

高建兵， 邬中华， 王玉玲

（山西太钢不锈钢股份有限公司， 山西 太原 030003）

车轴钢中非金属夹杂物钙处理变性研究

高建兵， 邬中华， 王玉玲

（山西太钢不锈钢股份有限公司， 山西 太原 030003）

通过对比分析，采用加入和未加入Ca-Si线两种生产工艺，研究了车轴钢中非金属夹杂物的组成与形貌。结果表明，采用钙处理后钢中非金属夹杂物由脆性向塑性转变，并且得到了明显的球化处理。

钙处理 车轴钢 非金属夹杂 变性

随着铁路高速、重载的发展，铁道车辆对关键的运转部件的要求越来越高。

车轴是列车运行的重要承重部件，列车所有的重量均压在车轴上，且在运行中承受各种交变应力。因此，可以说车轴质量是列车安全运行的前提保障。

有研究表明，钢中非金属夹杂物会降低钢材的强度和韧性，非金属夹杂往往是钢疲劳破坏的起源［1］。对于列车关键承重部件——车轴，要求必须严格控制其材质中非金属夹杂数量、分布及形态、消除钢中大颗粒夹杂和脆性夹杂物。

本文通过对比分析，采用加入和未加入Ca-Si线两种生产工艺，研究了车轴钢中非金属夹杂物的变性处理。

1 工艺试验

在特殊钢冶炼厂碳钢生产线进行车轴钢的试制，其工艺流程为：EBT-EAF→LF精炼→VD真空处理→模注。在LF工序进行合金成分调配，并进行渣系的调整，充分降低钢中的S、T.O含量。在VD真空处理过程中，底吹氩气，对钢液充分脱气，使钢液中非金属夹杂上浮。在VD真空处理结束后进行钙处理，通过喂丝机向钢液中喂入一定数量的Ca-Si线。喂线操作完成后，禁止再向钢液中喂入Al线，并保证足够的钢液镇静时间。

为研究钙处理对车轴钢中非金属夹杂的影响，冶炼了两炉车轴钢。对于其中一炉，在VD真空处理完后不喂入Ca-Si线，底部软吹氩气15 min后直接浇注；对于另一炉，在VD真空处理结束后，按0.75～1.0 kg/t的速度快速喂入Ca-Si线进行钙处理，底部软吹氩气15 min后吊往注台浇注。试验两炉钢主要化学成分控制如表1。

表1 试验用钢的冶炼成分 %

由表1可知：未进行钙处理的钢液中w（Ca）= 0.000 5%，其m（Ca）/m（S）=0.17；而喂入Ca-Si线的钢液中w（Ca）=0.002 4%，其m（Ca）/m（S）=1.2，满足文献［3］的研究条件：钢中m（Ca）/m（S）在1～2的范围，钢中夹杂物球化程度较好。

2 试验结果

将模注的钢锭通过初轧开坯后轧制成260 mm×260 mm规格的方坯，在相当于钢锭头部的方坯取样，并按照图1所示锯取20 mm×10 mm的金相试样，将其磨平抛光后对轧向截面进行非金属夹杂物分析。取样位置及分析部分如图1所示。

图1 分析取样位置示意图（单位：mm）

利用金相显微镜对抛光的试样进行截面观察，发现1号（未进行钙处理）钢中非金属颗粒尺寸较大，约50 μm，而2号（进行钙处理后）钢中非金属夹杂物的尺寸细小，在10～15 μm左右，且明显得到了球化，如下页图2所示。

从分析结果来看，1号钢中非金属夹杂以A类夹杂为主，而2号钢中非金属夹杂物为球状的D类夹杂，且尺寸明显细化。

图2 钢中非金属夹杂物分析

3 分析与讨论

钙处理是目前冶炼品种钢的重要炉外精炼手段［2］，通常通过向钢液中喂入一定量的Ca-Si线，增加钢中的有效Ca含量。冶炼车轴钢采用的脱氧工艺为加Al脱氧，在LF钢包精炼和VD脱气完成后，测得钢液中自由氧含量（质量分数）已降低至4×10-6左右，此时进行钙处理，钢中Ca主要与团絮状的Al2O3发生反应变成低熔点复合夹杂物，夹杂物在底吹氩气的作用下上浮，达到净化钢液的目的，其反应方式可用下式［4］表示：

一般认为低熔点复合夹杂物为12CaO·7A12O3。

另一方面，进行钙处理后的钢水在凝固过程中提前形成高熔点CaS（熔点2 400℃），抑制了钢水生成枝晶状的MnS的数量和聚集程度，起到控制MnS的形态和组成的作用，并使得枝晶状MnS转化成球状的CaS。

通过扫描电镜和能谱分析可以看出，未进行钙处理的钢液中非金属夹杂物主要为长条状硫化物（MnS），并伴有氧化物的存在，沿轧制方向呈长条状，如图3所示。

图3 未进行钙处理钢中非金属夹杂SEM形貌与组成

进行钙处理后的钢水中非金属夹杂物呈球状，通过能谱分析可以看到，球状非金属夹杂物外部为CaS，在其内部也可以看到有CaS的存在，但主要组成仍是Al2O3、MgO夹杂，结构表现为CaS外壳包裹着Al3O2-MgO的球状，如图4所示。这是由于经过钙处理后，钢水中团絮状的Al2O3逐渐转变为铝酸钙，MnS转变为CaS，同时CaS能极大地溶解于铝酸钙中，所以可以看到球状铝酸钙夹杂内部也有CaS的存在，表现为渗透性包裹复合相。

图4 进行钙处理后钢中非金属夹杂SEM形貌与组成

通过能谱分析可以看出，这种球状的非金属夹杂物为CaS-Al2O3-MgO的复合相，试样中未发现有单独的脆性相夹杂。这种改性的球形夹杂对材料的危害作用大大减弱了，从而提高了钢材的质量，增加了车轴的使用安全性。

4 应用效果

在对钢质洁净度有更高要求的高速车轴钢冶炼生产中，应用此Ca处理工艺，取得了较好的效果：夹杂物以球状D类夹杂为主，B类非金属夹杂物降低到0.5级以下，且尺寸在10 μm以内，冲击韧性（U型槽，2 mm）提高到60 J以上。

5 结论

1）LF和VD精炼完成后，钢中S含量、T.O含量被脱除到很低水平，此时进行钙处理，在钢水中m（Ca）/m（S）≈1时，可以达到较好的钙处理效果。

2）未进行钙处理的钢中夹杂物以Al2O3和MnS为主；采用钙处理后的钢中非金属夹杂为球状CaS-Al2O3-CaO复合夹杂，且夹杂物尺寸明显细化。

3）该工艺应用于高速车轴钢的生产中，效果良好。

［1］ 张爱梅.非金属夹杂物对钢性能的影响［J］.物理测试，2006，24（4）：42-44.

［2］ 刘钢，张旺胜，李斌.钙处理工艺对夹杂物变性理论分析与实践［J］.江西冶金，2009，29（3）：3-5.

［3］ 李纪祥.高韧性低合金钢喂Ca-Si线工艺优化及夹杂物控制研究［D］.沈阳：东北大学，2004：27.

［4］ 张莉萍，葛建国，赵爱军.浅谈钢中夹杂物的控制对钢质量的影响［J］.包钢科技，2002，28（4）：85-87.

（编辑：胡玉香）

The Degeneration Study of Calcium Treatment on the Non-metallic Inclusions in Axle Steel

GAO Jianbing，WU Zhonghua，WANG Yuling
（Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003）

The compositions and morphologies of the non-metallic inclusions with and without calcium treatment in the process of axle steel smelting are compared.The results show that the non-metallic inclusions undergo a transition from brittleness to plasticity by the calcium treatment and are spheroidized significantly.

calcium treatment，axle steel，non-metallic inclusions，degeneration

TG115.21+3.3

A

1672-1152（2016）05-0004-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.02

2016-09-21

高建兵（1976—），男，高级工程师，从事碳钢和不锈钢品种开发、质量改进和工艺优化等相关工作。