350 Km／h高速轨用钢的关键冶金技术研究.pdf

2 0 1 4年第 1 期 现代冶金 2 7 3 5 0 K m ／ h高速轨用钢的关键冶金技术研究 中国 J ． H ． Z e n g等 摘要 3 5 0 K m ／ h高速轨对铸坯洁净度 以及质量提出更高的要求， 本文主要讨论 了提 高攀枝花钢铁集 团公司 3 5 0 K m ／ h 高速轨用钢洁净度以及铸坯质量的技术方法。通过采取一系列集成创新技术， 象 B O F脱磷 、 钢包精炼、 结晶 器电磁搅拌以及动态轻压下、 脱磷率、 洁净度以及形态控制等方面得到了很大提升。成分满足[ S ] ≤0 ． 0 1 5 ％， [ P ] ≤ 0 ． 0 2 5 ％， [ H] ≤1 ． 5 X 1 0 ～， A l s ≤0 ． 0 0 4 ％， T[ O] ≤2 01 0～， 铸坯中心疏松和偏析≤1 ． 0 ， 中心裂纹和中间裂纹≤0 ． 5 ， 中心碳偏析指数≤1 ． 0 5 ， A类和 B类夹杂物控制水平分别≤2 ． 0和 1 ． 0 ， 优化后的工艺满足生产3 5 0 K m ／ h高速轨用钢 技术需求 ， 并且实现了稳定生产。 关键词 洁净度； 高速轨用钢； 内部质量； 非金属夹杂物 1 前言 近年来 ， 众多冶金工作者在提高高速轨洁净度 、 强度 、 韧性以及焊接性等方面做 了很多努力工作 ， 以 满足用户对高速轨质量 日益增长的需求。 为了生产高品质钢轨用钢 ， 攀枝花钢铁集团公司 近年来完成 了很多有关重轨工艺的系统研究， 涉及领 域包括铁水预处理 、 B O F脱磷 、 二次精炼 、 连铸等， 通 过优化精炼渣 、 有效气体喷吹 、 良好 的电磁搅拌以及 动态轻压下等技术可提高连铸坯治净度和质量 。攀 枝花钢铁集团公司也在这些方面做 了优化 ， 结果在生 产 3 5 0 K m ／ h高速轨用钢时， 取得 了很大进步。事实 上， 2 0 0 8年 ， 由攀枝花钢铁集团公司为北京一天津铁 路建设提供 了2 7 5 0 0 t 高速轨。 本文对攀枝花钢铁集团公 司在过去几年来的工 业试验以及得到的结果予以总结 ， 详细 内容如下面章 节 所述 。 2 装备及工艺操作 图 1 略 给出了钢铁集团公司生产 3 5 0 K m ／ h高 速轨用钢采用 的技术工艺流程示 意图。正如 图中所 示 ， 整体工艺主要包括铁水予处理 、 复合吹炼 B O F、 钢 包精炼和 R H真空精炼以及连铸和热装 、 热送。 与原有生产重轨钢工艺相 比， 现有工艺做了一系 列优化 ， 例如 ， 在生产 3 5 0 K m ／ h高速轨用钢过程中的 脱磷技术、 在 L F精炼过程中添加特殊精炼渣以控制 精炼渣的终点组成 、 在 R H工位 喂线 、 夹杂物变性以 及在中间包采用碱性覆盖剂等。 2 ． 1 在 B O F中优化脱磷 由于高炉炼铁使用钛磁铁矿， 攀钢铁水成分磷含 量为 0 ． 0 7 ％ ～ 0 ． 1 0 ％ 、 钒含量为 0 ． 2 9 ％ ， 因此在 B O F 炼钢前应完成提钒任务 ， 也就是所谓提钒后 的半钢 ， 其硅含量水平相 当低 ， 导致生产重轨冶炼时成渣困 难 、 脱磷效果不佳。为了提高 B O F脱磷率 ， 首先研究 了高拉补吹以及低拉碳方法 ， 具体如表 1 所示。从表 中可见 ， 当高拉补吹方法改变到低拉碳工艺时， 脱磷 率从原来 的 6 5 ． 2 9 ％增加 到 8 2 ． 3 ％ ， 终点 [ P] 介 于 0 ． 0 l l ％和 0 ． 0 2 0 ％之间的比例 占总炉次的 8 2 ％。 表 1 通过优化操作提高脱磷率 为了进一步提高 B O F中的脱磷率， 也优化 了造 渣材料 ， 象在转炉喷吹的高氧化铁材料， 例如 B O F炼 钢前期产生的污泥， 结果脱磷率增加到 8 9 ． 4 ％， 终点 磷含量低于0 ． 0 1 1 ％。优化的造渣工艺如表 2所示。 表2 优化造渣方法提高脱磷率／ ％ 2 0 1 4年第 1 期 2 9 从 图 4和表 5所见 ， 经钙 处理后 的铸坯 中硫化 物夹杂形态为点状或球状 ， 轧制后均匀地分 布在钢 中。这种夹杂物含有一定数量的 C a ， 其组成为 C a ， Mn ， F e S复合物质 ， 该物质据报道可 以保持其原有 点状形态 。特别是探测不到枝晶状硫化物或类似链 状硫化物 。因此 ， 控制最为严重 的 A类夹杂物水平 小于 2 ． 0 ， 其 不会 对最 终产 品质量 产生 不利 影响。 同时 ， 优化钙处理证 明了不会 对控制其它种类非金 属夹杂物产生负面作用 ， 如表 5所示 。 表 5 非金属夹杂物的夹杂物比例 4 O 35 3o 25 碹20 蓁1 5 l O 5 O 电磁搅拌电流，A 图5 结晶器电磁搅拌 电流对等轴晶粒 比的影 响 n1 2 0炉 图6给出了[ C a ] ／ [ S ] 对 A类夹杂物组成的影 响。从 图中可 以看到 随着 [ C a ] ／ [ S ] 比的增加 ， 对 应地小于 1 ． 5级的 A类夹杂物比例也有所增加 ， 而 当此 比值小于 0 ． 1时 ， A类夹杂物水平超过 2 ． 0级 。 因此 ， 非常重要的一点是确保在实际生产 中保持较 高的[ C a ] ／ [ S ] 比 0 ． 1 。 昌 ● 籁 瓣 塔 翠 0 1 00 2 00 30 0 40 0 So o 6 00 试样长度，1 111 1 1 1 图6 软压下模型对 中心碳偏析指数的影响 2 ． 3 提 高铸坯 内部质量 为了提高钢轨用钢 内部质量 ， 系统研究 了连铸 工艺的电磁搅拌 、 二冷动态控制 、 凝 固末端动态软压 下技术等。 经过对 1 2 0炉进行统计分析 ， 结果表明 结晶器 电磁搅拌电流对铸坯中心等轴晶比有巨大影响。当 搅拌电流从 1 1 增 加到 l 5时 ， 等轴晶 比例从 1 8 ． 8 ％ 增加到 3 6 ． 2 4 ％ ， 如图 5所示。同时 ， 大大减少了铸 坯 中心疏 松 ， 小 于 1 ． 0级 的 比例 从 3 3 ． 3 ％增 加 到 8 7 ． 5％ 表 6 [ c ] ／ [ S ] 对 A类夹杂物组成影响 埔 舯 3 0 2 0 1 4年第 1 期 图 6给出了不同动态软压下模型对中心碳偏析 的影响 ， 采用 A S T CV E R YH A R D动态软压下工 艺后 ， 中心碳偏析指数从 1 ． 1 l 一1 ． 1 8 平均值 1 ． 1 5 减少到 1 ． 0 1 1 ． 0 5 平均值 1 ． 0 2 。中心疏松控制 在 1 ． 5以下 ， 超 过 1 ． 5的 比例 从 7 3 ． 6 9 ％ 减 少 到 4 ． 1 7 ％ ， 1 ． 0级 的 比例从 1 0 ． 5 3 ％增加 到 2 5 ％ ， 0 ． 5 级的比例从 1 5 ． 7 9 ％增力 旺0 6 6 ． 6 7 ％。 为 了优化二冷系统 ， 完成了一系列研究 ， 例如测 试钢轨用钢高温延展性 、 建立连铸凝固传热模型 、 测 量表面温度等， 建立了生产钢轨用钢的合适二冷 系 统 。图7给出了二冷系统对中心裂纹和中间裂纹的 影响 ， 正如图中所示 ， 中心裂纹和中间裂纹分数大大 降低 ， 控制在 1 ． 0级 以下 ， ≥1 ． 0级 的中心裂纹和中 间裂纹 比例从 1 1 ． 3 6 ％减少到 1 ． 3 5 ％。 褥 太 Oa r 二 睦 露 8 0 I 蜀键 6O } 2 ． 0 l S 1 ． 0 ． 5 O 中心 裂纹水平 图7 优q E ． z - 冷前 、 后的中心裂纹和 中间裂纹分布比例 3 生产 结 果 通过上述提到的研究和技术 ， 明显提高了钢轨 用钢的纯净度以及铸坯 内部质量 ， 建立 了一 系列生 产3 5 0 K m ／ h 高速轨用钢 的冶金技术。2 0 0 8年， 攀枝 花钢铁集 团有 限公 司为 北京 奥林 匹克 项 目提供 2 7 5 0 0 t 钢轨 ， 也就是北京 至天津 的3 5 0 K m ／ h 高速 轨。表 7和表 8给出了用户 的试验结果， 象化学组 成 、 非金属夹杂物 、 T [ O] 和 T[ H] 含量 ， 从 图中可以 看到 最终产品的化学组成 、 非金属夹杂物 、 T [ O] 和 T[ H] 含量完全满足用户要求 ， 且标准较 高， 合 格率 达 1 0 0 ％ 。 通常采 用宏 观 检 验 和 硫 印 检验 检测 1 O 0件 3 5 0 K m ／ h 高速轨用钢铸坯 内部质量 ， 表 9和图 8分 别给出了检测结果以及宏观相片。根据表中数据可 以推断 ， 重轨钢坯具有较好的内部质量 ， 因为对中心 偏析 、 中心疏松 、 缩孔 、 中心裂纹 、 中间裂纹以及角部 内裂纹均小于 1 ． 0级。 表 7高速 轨成 分控 制水 平 显然 ， 集成技 术满足生产 3 5 0 K m ／ h高速 轨用 钢工业规模需求 ， 并且将此集成创新技术也应用于 3 5 0 K m ／ h高 速轨 用 钢 、 3 8 0 K m ／ h高速 轨 用 钢 、 2 5 0 K n r ／ h 高速轨用钢 、 6 0 D 4 0 A道岔钢轨用 钢生产 艺 中。 表 8 非金属夹杂物、 T [ O ] 和[ H] 结果 ～ ～ ～ ～ ． 一 ～ 一 一 董 一 ∞ o 2 0 1 4年第 1 期 3 1 横 向 纵 向 叶 | 心疏松、偏析 、缩4 L 0 ． 5 ， O 5 ， 0 图8 3 5 0 K m／ h高速轨 用钢铸坯 中的 典型宏观相 片 4结论 1 通过将高拉碳 方式改变成低拉碳 方式 、 并 且喷吹快速成渣原料 ， 象 B O F炼钢 中的转炉污泥 ， 可使脱磷率增加到 8 9 ． 4 ％， 最终产 品中的磷 含量小 于 0 ． 0 2 5 ％ ， 平均磷含量大约为 0 ． 0 1 4 ％ 。 ” ” ”一”“”” 2 通 过优化 吹氩 工艺 ， 提高 了夹杂物去除能 力 。在 精 炼 前 期 阶段 采 用 强 搅 拌 模 式 3 ． 0 3 ． 7 L m i n ～ t ， 钢包精炼结束前 ， 采用弱搅拌 模式 0 ． 40 ． 7 Lmi n～ t ‘ 。 ， 小 流量 时 间为 6 ra i n 。综合精炼渣 以及结晶器 电磁搅拌系统优化 ， 钢轨用钢中 T [ O] 水平减少到小于 1 0 X 1 0 ～， B、 C、 D类夹杂物水平小于 1 ． 0 。 ‘ 3 对[ s ] ≥0 ． 0 0 8 ％ 以及 [ A 1 ] ≤0 ． 0 0 4 ％的液 态钢水采用钙处理 ， 成功地将初始硫化物修正并且 将其水平降至小于 2 ． 0级。 4 通过在凝 固末端动态软压下过程中实施较 大的压下量 以及采用 电磁搅拌技术 ， 极 大地改善了 铸坯 内部质量 ， 满足 了高速轨用钢要求。铸坯 中心 缺陷 ， 象偏析 、 疏松 、 缩孔和裂纹也成功地控制分别 小于 1 ． 0 、 0 ． 5和 0 ． 5 ， 同 时控 制碳 偏 析指 数 小 于 1 ． 0 5 张怀军译 自 S t e e l R e s e a r c h i n t 2 0 l 1 ， N o ． 5 兰 岳光校 -- _ 一 - 卜 ”*” ” ” 卜 ”卜” - -一卜” - 卜 ”卜 攀钢跻身研究生产高强高耐候热轧钢板企业行列 由攀钢研究院和攀钢西昌钢钒共同承担的 高强高耐候热轧钢板开发 项 目取得重大进展， 攀钢高耐候 S 4 5 0 E W 钢板 E t 前顺利通过了 1 8家铁路货车制造单位组成的评审组 的评 审认证 ， 标志着攀钢成为 国内第二 家研究生产高强高耐候铁道车辆用热轧钢板的企业 。 2 0世纪 6 0年代以来 ， 铁路重载运输首先在美国、 加拿大 、 南非等一些地域广阔 、 矿产资源丰富的国家发 展起来。随后 ， 欧洲一些国家在提高旅客列车速度的同时， 也加大货物列车的重量和长度 ， 提高重载运输量 ， 普遍取得 良好 的经济效益。重载运输对提高运输效率意义重大 ， 已成为世界铁路运输技术发展的一个重要 趋势 。同时 ， 车辆长寿化还可大大降低用户的生产成本。 随着冶金装备更新和技术进步 ， 为生产铁道车辆用新一代高强度高耐候腐蚀钢创造 了条件 ， 攀钢作为国 内最大的铁路用钢生产基地 ， 于 2 0 1 2年立项开展研究 。课题组针对铁道 车辆高强减重及长寿化需要 ， 通过 实验室深入研究了高耐候钢板的组织特性， 分析了合金元素对耐蚀性能、 焊接性能、 低温冲击等影响， 进行了 成分和工艺设计 ， 工业试验打通 了冶炼 、 轧制工艺流程 ， 产品力学性能 、 低 温冲击性 能优 良， 耐蚀性能比现有 产 品提高约一倍 ， 实现 了铁道车辆用钢前沿技术产品的生产 ， 进一步巩 固了以钢轨为龙头的攀钢产品在铁路 用钢 中的领先地位 。