重轨钢中夹杂物的分析与控制

2021-04-02樊志明杨吉春李向川

中国铸造装备与技术 2021年5期

樊志明，杨吉春，朱君，李向川，张滢

（1.内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头 014000；2.包头天和磁材科技股份有限公司，内蒙古包头 014000）

0 引言

到2035 年底，我国铁路营业总里程预计将达到20 万公里，其中高速铁路以及部分城际铁路将达到7 万公里左右，随着我国高铁的快速发展，铁路安全问题也变得更加重要，因此，对重轨钢的质量也有了更高的要求。由于钢轨长期暴露在空气中，近年来行车密度增大，钢轨的疲劳损伤、大气腐蚀一直是研究重点，钢中的夹杂物是造成重轨内部损伤及产生疲劳破坏的主要原因。其中，影响最大的就是非金属夹杂物，钢中非金属夹杂物主要有两种，一种是内生的夹杂物，它主要是在脱氧、二次氧化或钢液凝固以及凝固后冷却过程中生成的，主要是MnS、Al2O3、硅酸盐类夹杂物；另一种是外来的夹杂物，它通常是由于钢液冲刷耐火材料导致其剥落进入钢液中形成的大颗粒夹杂物。要达到高速铁路用钢轨质量要求，必须从源头减少钢中非金属夹杂物的生成，需要对钢中夹杂物的来源、种类、数量、大小和分布进行分析[1]，通过改变精炼渣系成分、向钢液中添加改性剂或热处理等方法使钢中非金属夹杂物变性甚至去除，从而提高钢的洁净度，生产出高质量的重轨钢[2]。因此，对钢中夹杂物进行研究及控制具有重要意义。

1 夹杂物的种类

1.1 MnS 夹杂物

MnS 夹杂物是重轨钢中最常见的夹杂物，主要是由钢液中残留的S 与加入的Mn 合金结合生成。在扫描电镜下观察，多数为浅灰色的长条状，也有一些是球状和多面体状，尤其是长条状的夹杂物对钢轨的延展性有很大影响[3]。MnS 夹杂物的变形对钢的磨损率有影响，在加工硬化、磨损和表面剪切层的亚表面裂纹中总会发现MnS 夹杂物。通常情况下，我们看到的只是夹杂物的二维图像，难以推断出它的具体形貌，为了更好地研究夹杂物对钢的影响，北京科技大学张学伟等[4]采用无水有机溶液电解法分离提取重轨钢中的MnS 夹杂物，采用扫描电镜观察铸坯内和钢轨中MnS 夹杂物的三维形貌，这样能直观的看到夹杂物的具体形貌，有利于对夹杂物的研究，纯硫化锰夹杂物有延展性，如果硫化物在固溶体中含有其他元素，那么他的延展性就会发生变化。

1.2 Al2O3 夹杂物

Al2O3夹杂物主要是由钢液前期的氧化及后期的脱氧反应生成，此类夹杂物尺寸较大，熔点高，多为不规则块状、花瓣状、树枝状和球状，呈黑色或黑蓝色颗粒，是一种脆性夹杂物[5]。此类夹杂物对钢材的性能影响很大，是引起钢轨疲劳裂纹的主要原因。为了减少Al2O3夹杂物，现在工业生产中常采用无铝脱氧工艺，但钢中仍然会有很多Al2O3夹杂物。由于它是脆性夹杂物，在受到压力时会碎裂，造成钢基体的损伤。为了减少它对钢的伤害，一方面要改变它在钢中的存在状态，另一方面要通过一系列方法降低钢中Al 的含量，从而减少钢中Al2O3的含量。随着数值化实验平台的发展，可通过传热和凝固过程的一体化模型，预测重轨钢连铸坯全断面夹杂物的空间分布[6]，此外，一些学者还通过数值模拟方式对钢中铝脱氧进行了研究，计算了不同方式对氧化铝夹杂物尺寸分布和形核时间的演化，为钢中氧化铝夹杂的去除提供了理论依据[7]。

1.3 硅酸盐类夹杂物

硅酸盐类夹杂物属于外来夹杂物，此类夹杂物尺寸比较大，外形不规则，主要是生产过程中耐火材料、结晶器卷渣、炉渣等进入钢液造成的，其在钢液中运动时容易和脱氧产物结合成复合夹杂物，产生的Al2O3可以覆盖在这些夹杂物表面。由于它的化学成分、力学性能等与钢液基体截然不同，在钢中属于异相形式存在，因此对钢的伤害特别大[8]，但此类夹杂物只要查明它的来源并加以控制是可以大量去除的。武钢陈光友等人[9]采用示踪剂试验推断出与钢液接触的材料均有可能作为外来夹杂卷入，通过一系列工艺优化措施，有效的控制了外来夹杂物对重轨钢铸坯质量的影响。

1.4 球状氧化物类夹杂物

球状氧化物类夹杂物无规律的分布在钢基体中，是一种灰色或带蓝色的圆形或带角状颗粒，不易变形。此类夹杂物一般是脱氧反应的产物，在钢液凝固前没有上浮到钢液表面，尺寸比较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。

2 夹杂物的控制

2.1 精炼渣对夹杂物的影响

在钢铁生产中有一句话“炼钢就是炼渣”，可见精炼渣对钢材质量的影响之大，通过控制渣系成分，可以有效地减少钢中的夹杂物。唐磊[10]在实验室条件下设计了不同成分的渣系在不同处理工艺下对重轨钢夹杂物的影响，实验表明，碱度为2.5 的重轨钢精炼渣不仅可以减少钢中夹杂物的数目而且夹杂物尺寸也相应减小。段光豪[11]为解决重轨钢中B 类夹杂物超标问题，通过对炉渣碱度、硅铁加入量、吹氩流量和时间进行控制，当碱度为2～3、硅铁加入量在300kg 以内，吹氩流量在100L/min 下吹氩10～15min 时，重轨钢中B 类夹杂物超标率显著下降。精炼渣碱度控制比较矛盾，碱度高有利于脱氧、脱硫，但高碱度的精炼渣会使钢中脆性夹杂物增多，低碱度的精炼渣可以促使重轨钢夹杂物塑性化，减少其对钢的伤害。针对这一问题，齐江华等[12]提出，冶炼高速重轨钢时，在LF精炼过程，炉渣的碱度高一点，利于脱氧,在RH精炼过程,在保证脱氢效果的前提下,适当降低炉渣碱度和减少精炼时间,有利于控制钢中夹杂物的形态。

2.2 稀土元素对夹杂物的影响

稀土有“工业维生素”之称，有细化晶粒、微合金化、净化钢液等作用，由于稀土元素活性较高，在钢中加入稀土后，首先与钢中气体、杂质元素反应，起到净化钢液、变性夹杂的作用，随后起到微合金化的作用。在重轨钢中添加稀土Ce 后，大部分铈元素都通过扩散机制偏聚在晶界处，铈与氧、硫、磷等元素结合形成氧化铈、硫化铈、磷酸铈等化合物，替换了杂质元素在晶界的位置，强化了晶界，也改变了夹杂物的形态[13]。张英建等[14]通过在钢中加入稀土元素Ce 后发现，稀土可以使MnS夹杂物由长条形转变成纺锤形，稀土还会与硅酸盐类夹杂物发生作用，结合形成复合夹杂物。这样就使夹杂物聚集在含稀土夹杂物的周围，从而减少了钢中夹杂物的数量。微量稀土元素不仅对细长MnS 夹杂物有作用，对脆性氧化物夹杂也有重要作用，在稀土钢中，发现了被MnS 夹杂包裹着的脆性氧化物夹杂，这类夹杂是以Al2O3为结晶核心，外层是浅灰色的稀土硫化物，这样就使群聚的Al2O3夹杂物消失，减小了脆性夹杂物对钢基体的损伤[15]。

2.3 合金元素对夹杂物的影响

对钢进行Ca 处理可以将钢液中不规则的Al2O3和MgO-Al2O3固态夹杂改性为球形Al2O3-CaO 和Al2O3-CaO-MgO 液态夹杂，有效控制钢中Al2O3及其复合夹杂物，从而减轻浇注过程中水口结瘤以及脆性夹杂物对钢基体的伤害，合理的钙处理也可以使钢中硫化物转变为复合硫化物，从而使硫化物由长条状向球状、纺锤状转变[16]。王建锋等[17]通过在RH 炉精炼时对重轨钢进行Ca 处理后发现,部分MnS 夹杂物转变成MnS-CaS 复合夹杂物，形状由长条状转变为点状、短条状、球状和有断开趋势的长条状，使A 类夹杂物评级小于2.0级比例提高到75%以上,成品钢轨的超声波探伤合格率提高了0.8%。若钢中钙加入量控制不当，会生成CaS、CaO 等高熔点夹杂物[18]，因此，对钙的精准加入量研究一直是一个难点，张立峰等[19]通过钢水成分、温度以及合金中钙的含量、合金的收得率对钙的加入量进行热力学计算并用于指导实践生产。

镁的还原性很强，易与钢中的氧、硫发生反应形成MgO、MgS，镁在钢液中不易溶解，对钢性能影响不大。在钢中加入适量镁可以使钢中夹杂物改性，夹杂物的种类、数量、大小、分布均得到有效控制。对钢进行镁处理后，MnS 夹杂由树枝状、长条状变为纺锤形、球形[20]。田俊[21]等对钢进行镁处理后发现，钢中硫化物数量减少，生成的Mg-Al-O夹杂弥散分布在钢液中，同时也使簇状的Al2O3夹杂物得到控制。Kimura,S 等[22]使用激光共聚焦扫描显微镜对夹杂物进行原位观察实验，结果表明，含镁的复合夹杂物不容易聚集，因此，在钢中加入镁可以使钢中夹杂物弥散分布。

沈昶等[23]通过向钢液中加入氟化物，钢中的Al2O3夹杂物变成一种由MnS 夹杂物包裹着的复合夹杂物，由于MnS 是塑性非金属夹杂物，使原本是韧性夹杂物的Al2O3有了一个缓冲层，从而减少了Al2O3夹杂物对钢基体的损害。

2.4 热处理对夹杂物的影响

齐江华等[24]对重轨钢中MnS 夹杂物在升温过程中的变化进行了动态原位观察，结果显示，MnS夹杂发生球化的温度是600～870℃，固溶的温度是1170～1200℃。根据原位观察结果制定热处理方案，结果表明，加热温度大于1170℃时，随着保温时间的增加，大尺寸的MnS 夹杂物数量减少，在实际生产中，为了尽可能的减少大型夹杂物的存在，可适当增加保温时间。张学伟等[25]通过对铸坯和钢轨进行了加热保温实验，结果发现，随着保温时间的增加，钢轨中的大尺寸MnS 夹杂物数量变小，但钢坯中的MnS 夹杂物数量变化不明显。