邯鋼高速軌生產(chǎn)鑄坯質(zhì)量控制

郭朝軍， 王建鋒， 楊正宗

（河鋼集團邯鋼公司， 河北 邯鄲 056015）

鋼軌是鐵路安全、穩(wěn)定運營的重要組成部分，產(chǎn)品質(zhì)量影響著鐵路安全和使用壽命，因此鐵路建設(shè)的快速發(fā)展對鋼軌的質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。相比普速鋼軌，高速軌在夾雜物控制、脫碳層深度、表面質(zhì)量、尺寸精度和平直度方面均提出了更高的要求。另外，由于鋼軌質(zhì)量直接影響到行車安全，尤其要確保高速鐵路運行穩(wěn)定。高速鐵路用鋼軌的材質(zhì)應(yīng)具備“高純凈度、高強度、高韌性、高精度和良好可焊性”[1]。

1 高速軌生產(chǎn)工藝流程及性能指標(biāo)要求

1.1 高速軌生產(chǎn)工藝流程

高爐初煉→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 精煉→RH 精煉→大方坯連鑄→鑄坯緩冷→鑄坯發(fā)運。

1.2 高速軌性能指標(biāo)要求

表1 高速軌夾雜物要求

2 試驗方法及結(jié)果討論

2.1 非金屬夾雜物控制

夾雜物的去除上浮與鋼包頂渣成分直接相關(guān)[2，3]河鋼邯鋼在普速鋼軌生產(chǎn)時，精煉造渣工藝為硅灰石和活性石灰，頂渣堿度控制在1.5~1.8 左右，主要在LF 添加輔料造渣，這種造渣主要缺點是鋼水出鋼后鋼水液面上渣層極薄（主要是脫氧產(chǎn)物和少量爐渣），鋼水液面存在裸露現(xiàn)象，且出鋼后溫降較大，另外，LF 精煉爐白渣期相對較短，對夾雜物去除和上浮不利。如何進一步提升LF 精煉過程去除夾雜的能力，并針對高速軌對鋼水潔凈度的嚴(yán)格要求，河鋼邯鋼技術(shù)人員通過開發(fā)鋼軌鋼專用合成渣，其具有熔化快，成渣快的特點，通過將造渣時間前移，由原來的單純在LF 進行加料造渣，改為在轉(zhuǎn)爐出鋼時加入一定量的合成渣，這樣的做法，保證了鋼水由轉(zhuǎn)爐進LF 處理前即成渣，大大地延長了精煉白渣時間；相應(yīng)的脫氧產(chǎn)物從轉(zhuǎn)爐出鋼即開始吸附夾雜；另外，也具有可減少鋼水裸露造成的二次氧化，降低轉(zhuǎn)爐出鋼后溫降等優(yōu)點；同時針對渣洗料使用后的特點，對LF 精煉的硅灰石和石灰加入量進行優(yōu)化調(diào)整，使得鋼軌的LF精煉渣系組元保持原有結(jié)構(gòu)，確保夾雜物上浮效果。在冶煉完后續(xù)經(jīng)過軋制，在鋼軌成品進行非金屬夾雜物的檢測與分析，從實際檢測結(jié)果來看，B 類、C 類、DS 類明顯減少且穩(wěn)定，探傷合格率大幅提高，鋼軌夾雜物控制水平明顯提升。合成渣的成分設(shè)計見表1。

表2 重軌專用合成渣成分 %

通過在轉(zhuǎn)爐加入一定量的合成渣，保證精煉快速成渣，夾雜物充分上浮等夾雜物技術(shù)的開發(fā)，河鋼邯鋼生產(chǎn)的鐵標(biāo)U71Mn 和U75V 系列產(chǎn)品，在國內(nèi)最權(quán)威檢測機構(gòu)中國鐵道科學(xué)院實驗室進行產(chǎn)品各項性能指標(biāo)檢測，結(jié)果顯示，河鋼邯鋼鋼軌產(chǎn)品各項指標(biāo)均滿足TB/T 3276—2011 標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其是夾雜物控制，完全滿足高速要求，檢測結(jié)果見下頁表3。

2.2 高均質(zhì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量控制

文獻研究表明，連鑄浸入式水口的結(jié)構(gòu)，對結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動狀況和鑄坯質(zhì)量有著極大的影響[4，5]。在普速鋼軌冶煉時，連鑄澆鑄采用直孔浸入水口，鋼液自水口流出并迅速向下運動，中心流流股向下逐漸擴散至一定深度時形成一股回旋流并向上達到自由液面，但自由液面速度較小，故液面波動?。?.01 m/s），但同時在結(jié)晶器豎直面上形成了大漩渦，其渦心距離液面較遠，沖擊深度很深，不利于夾雜物的上浮和去除。另外，直筒型水口條件下，射流對坯殼的沖擊很小，只是在結(jié)晶器出口附近出現(xiàn)的上升流股對坯殼略有沖擊。鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的行程最短，鋼液中夾雜物在結(jié)晶器中停留時間較短，不利于夾雜物的充分上浮，從而對鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

表3 高速軌夾雜物檢測結(jié)果

針對高速軌對高均質(zhì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的要求，通過實驗?zāi)M等方式，完成了以側(cè)開水口代替直水口的研發(fā)。采用側(cè)開水口時，鋼液從側(cè)孔流出后形成射流，到達窄面后，一部分沿著坯殼向下運動，另一部分向上運動，形成明顯的上回流和下回流。鋼水澆注時，流股沖擊深度較直筒型水口淺，給夾雜物的上浮去除創(chuàng)造了有利條件，還可以增加液面活躍程度，防止結(jié)殼。同時，鋼液從水口出來后，在沖擊點上下貼近窄面坯殼的地方湍動能值約為0.003 m2/s2，鋼水在沖擊點附近流動并不強烈，對坯殼沖刷不嚴(yán)重，側(cè)開孔浸入水口，極大地改善了結(jié)晶器中流場的分布，提高了鑄坯等軸晶比例，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)停留時間較長，有效地改善了夾雜物的上浮效果。水口改進后，鑄坯軋后探傷合格率大幅提升。采用側(cè)開式水口代替直水口后，使得鋼軌鑄坯內(nèi)部質(zhì)量得到了明顯的提升，低倍檢驗照片見圖1。鋼軌經(jīng)軋制后，在NDT探傷工序進行檢驗，合格率大幅攀升。改進前，鋼軌探傷合格率在93.5%，改進后，鋼軌探傷合格率攀升至98.5%，高速軌綜合合格率也達到了90%以上。

2.3 高品質(zhì)鑄坯表面質(zhì)量控制技術(shù)

由于連鑄鑄坯采用火焰切割，熔融液體沿切割斷面流下形成外弧黏渣，鑄坯表面流渣的存在對后續(xù)軋鋼過程存在一定的影響，部分會造成軋鋼產(chǎn)生一定的表面缺陷，使得鋼軌成品無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。相比普速軌，高速軌對成品表面質(zhì)量要求更為苛刻，進而對鋼軌鑄坯質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。所以，為了保證高速軌在后續(xù)軋制過程中避免出現(xiàn)類似的表面缺陷等問題。針對鑄坯表面存在的流渣問題，河鋼邯鋼技術(shù)人員通過研發(fā)在線清渣裝置，減少鑄坯外弧的黏渣，進而為后續(xù)軋制生產(chǎn)提供優(yōu)良坯料。

斷面清渣裝置主要是對切割車設(shè)備進行改造，在切割槍外側(cè)鑄坯外弧處安裝側(cè)向噴嘴，在鑄坯切割時，打開氣體閥門，利用壓縮空氣的壓力將流渣吹掃干凈，減少了高溫流渣黏附在鑄坯外弧。清掃后，效果明顯，鑄坯端部基本沒有流渣。

采用鑄坯表面流渣清除裝置以前，煉鋼鑄坯發(fā)運至軋鋼時有發(fā)生因流渣量超標(biāo)而退后的問題，改進后，生產(chǎn)一年以來，從未發(fā)生一起因為鑄坯流渣超標(biāo)而造成鑄坯退回的問題，同時，也未發(fā)生一起因為鑄坯流渣造成的軋制過程出現(xiàn)缺陷的問題。鑄坯表面質(zhì)量得到了很好地提升，改進后鑄坯表面質(zhì)量如圖2。

圖1 鋼軌鑄坯低倍檢驗

圖2 連鑄鑄坯表面質(zhì)量

3 結(jié)論

1）通過轉(zhuǎn)爐加入專用合成渣，可以使鋼水進LF精煉爐即可成渣，不僅延長了精煉白渣時間，而且使得脫氧產(chǎn)物也充分上浮，提升了鋼水潔凈度，鋼軌成品完全滿足TB/T 3276—2011 高速軌標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）通過側(cè)開水口的開發(fā)，減少了由于直開水口澆鑄過程中的鑄流沖擊深度大、夾雜物上浮流場不好，熱區(qū)下移對等軸晶形成不利等問題，使得鑄坯內(nèi)部質(zhì)量得到顯著提升，鋼軌成品NDT 探傷合格率大幅攀升。

3）鑄坯表面清渣裝置對鑄坯表面質(zhì)量的提升效果非常明顯，避免了由于鑄坯流渣造成的后續(xù)軋制過程中出現(xiàn)的各類缺陷，提升鋼軌軋制綜合合格率。