稀土元素对重轨钢的影响及改善工艺探究

李向川，杨吉春，白国君，樊志明

（内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古包头 014000）

0 引言

在国家大力扶持农村脱贫、乡村振兴的大背景下，铁路运输更加成为完成这些宏伟目标的最基本保障。而钢轨的产品质量直接影响铁路运输的安全与效率，因此，如何进一步提高重轨钢的性能，使其在服役期间能够保证列车高速、安全地运行，成为我们的研究目标。通过实验研究表明，钢中夹杂物是影响钢的韧性、塑性和耐磨性等一系列性能的主要因素，而稀土可以有效改善钢中夹杂物的数量、尺寸、形状等。因此，我们要更进一步发挥稀土对重轨钢性能的提升作用。

1 稀土元素介绍

1.1 稀土元素的种类

稀土虽然意为“稀有的土”，但其本质上并不是土，而是属于金属元素。稀土得名于18 世纪，包括镧系元素，以及与镧系元素在矿床中共生，且化学性质相近的钪（SC）和钇（Y），共包括17 种元素，通常镧系元素用Ln 表示，稀土元素用R 或RE 表示。

中国的稀土主要在包头的白云鄂博矿，其作为在高新技术领域具有不可替代作用的不可再生能源，被誉为新技术革命中的战略元素、新技术生长点、新材料的宝库，对于我国冶金行业技术进一步创新和产能的持续提升具有重要意义[1]。

1.2 稀土在钢中的作用

1.2.1 净化钢液

稀土对钢液的净化作用体现在其强大的脱硫脱氧作用以及对氢原子的吸附作用，Al、Mg、Ti 等强脱氧剂的脱氧能力均不及稀土元素，仅微量的稀土元素就能使钢液中的氧含量小于10-4%，且脱氧速度很快[2]。

稀土加入量在0.2%时脱硫效果显著，且脱硫率不再随着稀土加入量而发生改变。当碳含量增加时会增加脱硫效果，加入钛时效果略有增加，且当温度在1540～1590℃时脱硫率最高[3]。

稀土原子可以与氢原子形成某种吸附结合体，降低自由氢原子活度，使白点敏感度接近于零，降低氢的危害[1]。

1.2.2 变质夹杂

钢中的主要有害夹杂为MnS 和Al2O3，Wang[4]等人通过面扫和线扫研究了Al2O3的演化过程，发现在加入稀土Ce 后，可以对Al2O3起到改质的作用，其变化规律为Al2O3→Ce2O3-Al2O3→CeO2，并通过动电位阳极极化试验证明在将Al2O3转化为稀土夹杂物后钢的抗点蚀性能显著提高。

硫元素与锰元素发生偏析反应后会形成大尺寸的MnS 夹杂物，导致钢基体的连续性遭到破坏，降低钢的韧性[5]，王皓[6]等人向高强IF 钢中加入稀土Ce 后，发现稀土会先与钢中的S 元素结合，且提前于MnS 析出，生成小尺寸球状夹杂，尺寸为2～5μm，呈独立弥散分布，不会在钢轧制过程中遗传，对钢组织的连续性起到保护作用。

1.2.3 微合金化

微合金化是指在钢中加入少量合金，在保证低碳钢韧性的前提下提高强度。郑秋菊[7]等人在向Al-Si 合金中加入微合金化元素时，发现当La 的加入量为0.06%时，合金的延伸率达到了最高值，相较于不含La 的合金提高了约31%，且屈服强度和抗拉强度没有发生削弱。同时含La 合金中共晶Si 尺寸更小，形状更加趋于球形，可以有效提升合金的塑性。

2 钢中主要夹杂物介绍

根据《钢中的非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，夹杂物可分为A（硫化物类）、B（氧化铝类）、C（硅酸盐类）、D（球状氧化物类）、DS（单颗粒球状类）等五大类，而钢中我们常见的有害夹杂物为A 类的MnS，B 类的Al2O3，C类的硅酸盐类夹杂物。

2.1 硫化锰（MnS）

MnS 夹杂物一般呈长条状，会在钢材轧制过程中长大从而引起裂纹[8]。根据其形貌与分布的不同可分为3 类：第一类，由偏晶反应形成的球形复合夹杂物，任意分布于不同铝脱氧的钢中；第二类，由共晶反应形成的短棒或树枝状夹杂物，沿晶界呈链状或网状分布，存在于少量铝脱氧的钢中；第三类，由伪共晶反应生成的块状不规则夹杂物，存在于加入的铝含量高或者有残留铝的钢中[9]。

2.2 三氧化二铝（Al2O3）

Al2O3产生原因有两个：一个是真空冶炼后金属铝脱氧形成的氧化产物未能及时上浮而残留在钢基体中；另一个是在连铸过程中，钢液接触空气中的氧气，使铝发生二次氧化。相较于其他夹杂物，Al2O3更容易聚集成大颗粒夹杂物破坏钢基体的连续性，造成钢组织不均匀，因此会在钢材轧制过程中形成裂纹，对性能的危害巨大[10-12]。在冶炼过程中：精炼开始时，夹杂物中Al2O3含量被控制在很少的范围内；随后在LF 进站的钢中含量明显增加，并且在低熔点夹杂物区域附近大量分布；LF出站钢中的含量仍持续增加，并逐渐远离低熔点夹杂物区域附近；铸坯中含量继续增加，大部分远离低熔点夹杂物区域附近[13]。

2.3 硅酸盐类夹杂物

硅酸盐类夹杂物由复杂的成分构成，能够将化合物、氧化物、硫化物等溶解，也能与之形成化合物共晶体和机械混合物。在出钢过程中的弱脱氧状态下，钢中无铝或铝含量较少，此时加入的硅铁或锰铁会发生脱氧反应。出钢时，加入硅铁中的硅被钢液中高活度的氧氧化，形成大量脱氧产物SiO2，这些脱氧产物一部分与其他夹杂物形成复合氧化物夹杂物，即硅酸盐类夹杂物。硅酸盐类夹杂物的成分基本上是复相的铝硅酸盐夹杂物，以及尺寸较大、SiO2含量较高的硅酸盐类夹杂物，当夹杂物中SiO2含量越高时，夹杂物尺寸越大。硅酸盐类夹杂物大多呈球形或部分不规则形状，钢材经形变后其球形保持不变，影响钢材的性能，因此应尽量避免这类夹杂物的生成[14]。

3 稀土元素对重轨钢的影响

3.1 稀土元素对重轨钢夹杂物的影响

稀土在钢中的含量和在夹杂物中的含量规律类似，即开始时稀土含量随着加入量的增加而增加，达到一定程度后，即使继续增加加入量，钢中或夹杂物中的稀土含量都不会再增长，甚至出现下降趋势。

随着稀土加入量的增加，稀土与钢中的氧、硫等元素发生反应的几率增加，也会增加钢中夹杂物的总量。并且夹杂物长大的几率也会增大，上浮去除数量增加。稀土夹杂物数量会随着稀土加入量的增加而增加，当夹杂物增加数量大于去除数量时，夹杂物会逐渐增加；当稀土加入量增加到一定程度时，夹杂物的去除速度会大于增加速速，因此钢中的夹杂物会逐渐减少[15]。

3.2 稀土元素对重轨钢微观组织的影响

定巍[16]等人在向U71Mn 重轨钢中加入稀土La 后发现，随着加入量的增加，固溶量也显著增加，当稀土La 的加入量达到0.02%以上之后，固溶量高于夹杂量。随着稀土固溶量的增加，相变点的温度随之降低，导致奥氏体向珠光体转变的过冷度增大，减小了珠光体片间距。这也从侧面证明了钢中加入稀土La 后可以细化奥氏体晶粒。

存在偏析的磷是在晶界渗碳体触发初始微裂纹产生的原因[17]。而郭江[18]等人发现在加入稀土Ce 的重轨钢中，Ce 与P 在晶界上或者晶界附近发生了化合反应形成了稀土磷化物，形状为椭球形。这对抑制初始微裂纹具有重要意义。

稀土原子在珠光体内主要分布在合金渗碳体和界面处，加入稀土的重轨钢中，稀土原子通过置换渗碳体中的铁原子形成合金渗碳体，并且容易向铁素体和渗碳体之间的界面偏聚。在珠光体转变过程中，稀土元素可以控制渗碳体的形核与长大速度，延长珠光体转变孕育期，增大珠光体转变过冷度，细化珠光体片层结构[19]。

3.3 稀土元素对重轨钢力学性能的影响

钢的热塑性是影响钢强度和硬度的重要因素，热塑性过低会在钢的连铸过程中引起表面裂纹。其原因是在热处理过程中，铁素体优先于奥氏体完成相变，而铁素体较软，因此会出现应力集中的现象，导致板坯开裂[20]。王晓丽[21]等人经实验发现稀土可以使微合金重轨钢的高温塑性提高，因此可以改善重轨钢的强度与硬度。

于宁[22]等人提出在加入稀土后，重轨钢铁素体里的疲劳变形位错攀移会受到有效抑制，这消除或大大减弱了疲劳变形引起的强度波状分布，改善了钢轨的耐磨性；而且在加入稀土后并未影响钢轨的抗拉强度，反而显著提高了钢轨的接触疲劳性能，延长了钢轨的接触疲劳寿命；加入稀土还有减削核伤、栓孔开裂等钢轨损伤的作用。

4 改善工艺探究

近几年，国内外冶金行业的工作者和学者都不遗余力地将工作重心放在重轨钢的性能改善领域，各大高校以及钢铁企业结合重轨钢的工作环境，从其抗腐蚀性、抗疲劳韧性和耐磨性等方面着手，发明总结出许多高效的改善技术与工艺。

4.1 淬火工艺

陈林[23]等人发现在使用冷速为3℃/s、5℃/s 和空冷的淬火方式对U75V 重轨钢进行淬火试验时，会对钢的疲劳裂纹扩展速率敏感程度产生不同的影响。其中，空冷后的钢敏感性最强，导致其疲劳裂纹扩展速率最大；冷速为5℃/s 时的敏感性最弱，扩展速率最小。同时还发现空冷状态下裂纹尖端二次裂纹较少，且裂纹角度大，可以更好地阻碍裂纹扩展，降低裂纹扩展速率。

马潇[24]等人通过对经过相同淬火方式处理的U75V 进行力学性能测试后得出结论，即经5℃/s冷速淬火处理后的试样，其抗冲击性能、硬度和抗拉强度表现都优于其他两种淬火速率。

4.2 钙处理工艺

Wang[25]等人对重轨钢进行钙处理后发现钢中夹杂物CaO 会随着Ca 的增加量而增大向CaS 转变的比例。Ca 含量从3×10-4%增加到9×10-4%的过程中，CaS 会增加5.31%～16.14%，而CaO 含量会按照相同比例减少。

王建锋[26]等结合重轨钢的生产实践，通过热力学计算证明MnS 向CaS 转化的可行性，并在实际生产过程中使用钙处理工艺，得到的结果为Ca处理后钢中的硫化物呈现出以球状、链状或者具有断开趋势的长条状分布。

4.3 电磁搅拌工艺

Guo[27]等人通过电磁搅拌工艺处理发现电磁搅拌工艺可以有效减少大孔隙，改善钢的孔隙形状因子，且孔隙的行径比对力学性能有本质影响，拉伸性能与行径比呈正相关，因此电磁搅拌工艺提高了钢的力学性能。

攀钢的李红光[28]发现结晶器电磁搅拌可以有效提高重轨钢铸坯等轴晶比例，同时有效降低中心偏析度。但是在凝固末端进行电磁搅拌后，可以弥补结晶器电磁搅拌的不足，对重轨钢铸坯中心区域的偏析有明显改善作用。

4.4 外来夹杂物控制

钢中除了元素之间互相反应生成的夹杂物外，还有在冶炼过程中由于空气、耐火材料、氧化铁皮等外来物导致的夹杂物产生，这会对铸坯造成严重污染。

针对这一系列问题，陈光友[29]等人总结出了一系列的控制措施。例如，在破空后再进行吹8min 氩气的RH 软吹工艺；针对开浇炉卷渣和影响夹杂物上浮效果的中间包停留时间，进行开浇炉控制；在浇注过程中，抬高保护管、控制连浇时间、提高自浇率；对中间包进行结构优化，并结合新兴4 孔M 挡渣墙，充分发挥中间包的冶金功能，使其能够有效去除外来夹杂；使用4 孔水口的结晶器，可以使钢液对结晶器壁的冲击起到缓冲作用，使保护渣与钢液的接触更充分，更好地起到吸附夹杂的作用。

5 未来展望

十四五的到来，对铁路运输提出了更高的要求，尤其是在出疆入藏、中西部地区、沿江沿海沿边等战略骨干通道的铁路建设，这意味着钢轨的质量产量要得到双重保障。稀土元素对重轨钢的组织性能具有不可替代的作用，而各项工艺措施同样引领着钢轨发展的方向。如果能够将两者有效结合起来，双管齐下，创造出更多稀土加工工艺，相信我国的重轨钢事业会有一个质的飞跃。