低温条件下55Q轻轨断裂原因分析及生产工艺改进

供稿|张万庆，李秋京，张毅军，李坤 /

内容导读

唐钢中型线在冬季0～20 ℃低温条件下生产55Q材质轻轨时矫直和加工断裂率高达15%。本文从轻轨轧后冷却速率、化学成分、金相组织、夹杂物等方面进行了分析，确定了轻轨断裂的主要原因为轧后冷却速率过快、化学成分C含量较高、受夹杂物的影响及磕碰损伤。通过在成品轧机与冷床之间的输送窄辊道上安装保温罩、优化55Q化学成分、严格控制夹杂物的数量和等级、对冷床收集槽进行改造等生产工艺改进，轻轨断裂率由15%降低至0.02%以下。

唐钢中型线生产的55Q材质轻轨为中碳钢，C质量分数为0.50%～0.60%。由于C含量较高，降低了轻轨的塑性和韧性，冬季低温条件下生产时矫直和加工断裂率高达15%以上，用户提出的断裂质量异议较多，而且在产品使用过程中存在着严重的安全隐患。因此，在每年冬季取暖期唐钢中型线无法进行轻轨生产，严重影响了中型线轻轨产品的市场占有率和产品创效能力。本文对轻轨断裂原因进行了全面分析，并有针对性地进行了生产工艺优化，成功地解决了中型线低温条件下55Q材质轻轨生产断裂率偏高的问题。

轻轨断裂原因分析

轧后冷却速率

中型线冬季生产55Q材质轻轨时，终轧温度约为800～900 ℃，上冷床温度约为550～650 ℃。对终轧温度和上冷床温度进行测量，结果表明轻轨在精轧机出口到上冷床前平均冷却速度约为2.48 ℃/s，期间温度范围约为550～800 ℃，发生奥氏体向铁素体和珠光体转变，由于没有任何缓冷设施，冷速过快，热应力不均，珠光体片层间距较小，脆性增加。

化学成分

对55Q 30 kg/m轻轨断裂部位进行取样，检验结果见表1。该试样C含量偏高，达到国标上限，而且与精炼站出站样成分碳含量偏差较大，说明在精炼站取完出站样至浇注完成过程中存在钢水增碳情况，其他元素含量均在标准范围之内。

显微组织

对55Q 30 kg/m 轻轨断裂部位进行金相组织检测，其显微组织形态主要为网状铁素体+珠光体(图1)。图1(a)边部存在轻微脱碳现象，为轧制过程中轧件表面脱碳所致，属于正常现象；图1(b)中部存在屈氏体等过冷组织。

表1 断裂轻轨化学成分(质量分数，%)

图1 55Q 30 kg/m轻轨断裂部位金相组织

夹杂物

对55Q 30kg/m轻轨断裂部位取样，进行夹杂物检测，发现该断裂部位存在C类夹杂物，级别达到2.5～3.0级，对轻轨的韧性影响较大，见图2。

图2 轻轨断裂部位夹杂物

电镜分析

对轻轨断裂部位进行SEM分析，结果显示该轻轨断裂部位存在着Si、Mg、O的夹杂物(图3)，其中O质量分数为57.81%，Mg为 13.92%，Si 为21.71%。通过夹杂物的形貌和成分判断该夹杂物为外来夹杂物，推断可能是耐材侵蚀所致。

断裂部位宏观形貌

对轻轨断裂部位宏观形貌进行观察，发现个别断裂部位轨底存在磕碰损伤(图4)，使得在矫直或加工过程中容易引发断裂。

生产工艺改进

化学成分优化及控制

钢中含Mn可以帮助提高韧性，随着Mn质量分数的增加，脆性转变温度降低；Si、P、S等杂质易偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶断裂，同时降低脆断应力，从而降低Si及S、P等杂质的含量以提高韧性[1]。

图3 轻轨断裂部位电镜分析

图4 轻轨断裂部位宏观形貌

针对冬季气温较低的特殊情况，并综合考虑各元素对轻轨产品性能的影响，设计了低温条件下55Q材质轻轨生产的化学成分。碳含量按照国家标准要求中下限进行窄范围控制，同时适当提高Mn含量降低Si含量，减少P、S的含量，在保证轻轨的化学成分和产品性能均满足国家标准要求的同时，提高轻轨的韧性，降低轻轨的脆性转变温度。

在生产过程中跟踪转炉、精炼、铸坯碳含量变化，确定增碳原因，重点防范控制，达到稳定控制C含量的目标。

夹杂物控制

提高转炉终点C含量，降低氧位；精炼按照中上限控制还原渣碱度，提高脱氧深度；控制好吹氩强度，避免裸露钢水，软吹时间10～15 min；稳定控制中包液位，减少结晶器卷渣；严格落实保护浇注措施，减少钢水二次氧化。通过以上措施，减少外来夹杂物和内生夹杂物的数量，提高钢水洁净度。

加装保温罩

在成品轧机出口与热锯入口之间的输送窄辊道上，设计并安装了保温罩，用于冬季低温条件下生产轻轨时进行缓冷，有效地降低了轻轨在相变区间的冷却速度，提高了轻轨的上冷床温度。保温罩投入使用后，轻轨上冷床温度提高了约50 ℃，在从轧机到上冷床期间冷却速度减缓了约0.8 ℃/s。

冷床收集槽改造

对冷床收集槽进行了改造，冷床收集槽与钢材接触面更宽，下钢斜面斜度趋缓，而且设置了带有配重的缓降链，缓降链高度随收集量逐步下降，有效地减少了轻轨下冷床过程中产生的磕碰损伤，降低了后续的矫直或加工断裂的风险。

优化冷床冷却工艺

轻轨上冷床后进行堆冷，达到下冷床数量后，集中下冷床，降低轻轨的冷却速度，提高轻轨的下冷床温度，避免轻轨在下冷床和吊运时发生蓝脆现象。

实施效果

对生产工艺进行改进后，采暖期期间先后组织中型线进行了5次轻轨生产，累计产量达6558 t，生产轻轨期间最低气温–16 ℃，轻轨矫直和加工断裂率降低至0.02%以下，低于全年平均水平，产品尺寸和性能全部满足国家标准要求，而且根据用户反馈信息，在此期间生产的轻轨使用全部正常。对改进后生产的轻轨取样进行夹杂物检测，未发现可评级夹杂物，夹杂物控制得到明显改善。

结束语

本文对轻轨断裂原因进行了分析，采取一系列优化措施改进了低温条件下55Q材质轻轨生产工艺：(1)合理设计55Q材质轻轨冬季生产的化学成分，提高了轻轨的韧性，降低了轻轨的脆性转变温度；(2)优化冶炼、浇注工艺，有效地减少了夹杂物的数量，降低了夹杂物的级别；(3)在成品轧机出口与冷床之间的输送窄辊道上设计并安装了缓冷设施，同时在冷床上采取堆冷工艺，有效地降低了轻轨在相变区间的冷却速率；(4)对冷床收集槽进行改造，优化了轻轨吊运工具，有效地减少了轻轨的磕碰损伤，避免了矫直过程中的应力集中。生产工艺改进后有效地降低了轻轨断裂率，解决了制约中型线低温条件下轻轨生产的难题，提高了中型线的产品创效能力，为其他企业解决类似难题提供了很好的借鉴作用。