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技术研究:国外优质钢轨生产工艺

2016-05-17 11:15:42   来源:炼钢   评论:0 点击:
内容摘要:俄罗斯铁路运输科研所开展的批量试验结果表明,钢轨使用寿命不仅取决于钢中的氧含量,而且也取决于非金属夹杂的类型。

        目前,俄罗斯冶金行业具有足够强大的技术装备,能够有效地改进钢轨的冶金质量。由于实施一系列措施,包括研究熔炼工艺、采用综合脱氧方法、利用钢轨变形处理以及精炼和真空处理装置,有可能将钢轨中的氧含量降至20ppm,并同时降低非金属夹杂的夹杂度。
 
完善精炼装置中的精炼工艺,采用保证钢轨中氧含量降低的脱氧新制度,依据氧含量确定钢中非金属夹杂的特性和数量。当氧含量降低到25ppm时,基本以脆性断裂氧化夹杂为主;而当氧含量大于40ppm时,则以塑性硅酸盐为主要形态。
 
新库兹涅茨克钢铁公司利用电炉生产铁路用钢轨。一台型号为ДСП--100H10(凸窗出钢、95MVA变压器、BSE公司的供氧系统);另一台型号为ДСП—100И7(虹吸出钢、80MVA变压器、弯形门式氧气风嘴)。这两台电炉利用25%~40%液态铁水进行熔炼,在上炉留下的15~30t炉渣和金属内,加入金属废钢装料。为了加快炉中金属料和碳氧化物的熔炼过程,利用有效的氧气喷嘴,BSE公司的喷嘴或者门式氧气风嘴Fuchs和弯形风嘴。鼓入氧气的一般消耗量达到1万m3/h。
 
铁水在装入废金属前直接注入,当达到目标温度,且碳含量大于0.7%时,在电炉启动的情况下,将非脱氧金属排放到无渣罐。在往罐中排放的过程中添加造渣剂。造渣剂由石灰和萤石,以及通过计算锰在成品钢中最低含量的硅锰合金组成。在排放的过程中,通过底部多孔风嘴对罐中的钢水吹入氮气,压力为0.7Mpa,消耗量为20m3/h。排完以后,进入精炼装置,继续对钢水进行处理,以达到要求的化学成分及浇注温度。
 
为降低钢水中碳含量,在精炼装置中开发了精炼新工艺。当带有金属的罐进入精炼炉后,通过底部多孔风嘴以20m3/h的消耗量进行提前3min吹氩,进行温度测量、提取金属和钢渣试样,继续利用夹送器按125g/tCa的计算量添加硅钙合金丝。通过添加ФС75渣、0.4~0.7kg/t焦炭粉和石灰,造Fe0含量小于0.5%和碱度2.5~3.0的液态渣。
 
当得到罐中金属试样的化学分析结果后,再加入铁合金及其他合金。第二次按125g/tCa加入硅钙合金丝,进行最终脱氧,但不早于精炼结束前5min。利用HeraeusElectr0-Nite公司的Hydris仪器,在完成阶段确定温度和氧含量。经过炉外精炼,钢水在尺寸为300mm×300mm的结晶器,四流连铸机上进行浇铸。
 
由于在精炼装置中完善精炼工艺,并采用脱氧新制度,新库兹涅茨克钢铁公司钢轨钢中平均氧含量达到27.8ppm。这种情况下,氧化夹杂脆性链的平均长度为0.18mm。
 
为了确立依氧含量变化的钢轨中非金属夹杂数量和特性关系,进行了不同氧含量钢的金相研究。在成品轨氧含量小于25ppm时,夹杂物基本上是钙铝酸盐脆性断裂线条(Ca0.Al203)。
 
在这种氧含量下,最大夹杂长度不超过10μm,钢的钙铝酸盐夹杂度水平评价平均不超过ГОСТ1778—70渣1级。尽管在脱氧工艺中去除了含铝材料,在非金属夹杂线条中仍存在Al203。显然,铁合金和罐中渣是铝产生的源头。
 
随着氧含量升高到40ppm时,非金属夹杂的特性和数量明显地发生了变化。脆性断裂氧化夹杂数量减少,而产生应变的硅酸盐的比例增加。在硅酸盐夹杂的里还存在铝和钙,在显微切片上看到的硅酸盐夹杂,其形式是长度为0.12~0.30mm黑灰色细的均匀分布线条。
 
在更高的氧含量下,非金属夹杂基本上是长度为0.25~0.53mm的单一硅酸盐。这些夹杂物的钢夹杂度平均与ГОСТ1778—70渣2级相符。
 
由于与脆性断裂氧化夹杂相比,微小塑性硅酸盐对投入运行的钢轨寿命影响很小。含有塑性硅酸盐外壳的铝氧化物是比较安全的夹杂种类。
 
除此而外,还可以确定不依氧含量为转移,与内源夹杂一样,在钢轨中遇见的还有少数长度达1.5mm外源特性的夹杂。一般来说,这样的夹杂具有多相组成,且基本上是进入结晶器中的渣滴和耐火材料或造渣剂的微粒。
 
依据组成不同而变化的多相渣夹杂在轧制中表现出不一样的变形。一些氧化物夹杂,形成带有尖的或纵向裂开端的粗糙线条,其组成元素的顺序为[Mn]>[Si]>[Al]>[Ca]>[S],在轧制时会产生塑性变形。而另一些夹杂,氧化物为波浪形线条,其组成的元素顺序为[Ca]>[Si]>[Mn]>[Al]>[Ti]>[Mg]>[K]>[S],该夹杂在轧制时不会产生变形。
 
通常情况下,外源氧化夹杂具有偶然性,在钢轨钢中极少遇到。
 
研究表明,钢中氧含量的降低,会使应变硅酸盐夹杂数量的明显减少,而脆性断裂复杂氧化物比例增加。因此,这是一个不良的倾向。
 
俄罗斯铁路运输科研所开展的批量试验结果表明,具有硅酸盐高份额的К23批次钢轨与Т17-22批次钢轨相比,其使用寿命要长。而Т17-22钢轨是利用真空炼钢,硅酸盐含量较低,而钙铝酸盐含量较高。该结果证明,钢轨使用寿命不仅取决于钢中的氧含量,而且也取决于非金属夹杂的类型。
 
为了保证钢轨更优良的使用特性,理论上最好使非金属夹杂的夹杂度最小。但与此同时,在钢中氧含量降低的同时,如何保证非金属夹杂确定形式和组成的问题也逐渐显现出来。

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