鑄坯與鋼軌成品表面缺陷繼承關(guān)系研究

陶功明，朱 軍，鄧 峰，孫 進(jìn)

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠,四川 攀枝花 617000）

0 引言

伴隨著鐵路客、貨運量的增加及車速的不斷提高，對鋼軌表面、內(nèi)部質(zhì)量要求也越來越高，鋼軌表面缺陷主要表現(xiàn)形式為結(jié)疤、折疊、軋痕、氧化鐵皮壓入、矯痕、刮傷、裂紋等。特別是當(dāng)鋼軌出現(xiàn)深度裂紋時，隨著輪軌滾動接觸導(dǎo)致的材料破壞及應(yīng)力變化，裂紋更趨惡化，致使裂紋不斷擴(kuò)大縱橫延伸，不僅影響行車的平穩(wěn)性，嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致斷軌，造成嚴(yán)重事故。裂紋的產(chǎn)生極其復(fù)雜，有由鑄坯缺陷演變而來的，也有由中間軋制產(chǎn)生的。鑄坯缺陷主要有劃傷、夾渣、凹坑、結(jié)疤等，均會對鋼軌表面質(zhì)量造成影響。然而，何種程度的鑄坯缺陷在軋制變形后的鋼軌表面得以呈現(xiàn)或消逝，如何將鋼軌成品缺陷追溯到鑄坯的原始位置，亟需研究透徹，筆者通過在鑄坯表面制作人造缺陷，通過正常軋制研究鋼軌鑄坯與成品表面缺陷的演變規(guī)律，推導(dǎo)出其繼承關(guān)系[1]，對鑄坯缺陷控制及軋制缺陷溯源提供科學(xué)依據(jù)。

1 缺陷調(diào)查分析

1.1 重軌表面缺陷調(diào)查

在鋼軌成品表面的裂紋和其他缺陷,大多源于鑄坯原始缺陷。技術(shù)人員很難通過觀察成品宏觀表面缺陷判定是軋制缺陷或是坯料缺陷。遇到表面缺陷問題時所做的一些措施并不精準(zhǔn)，甚至沒有對成品缺陷和鑄坯進(jìn)行檢測分析便作出相應(yīng)的判定和盲目采取措施。這種方式很難對問題一擊即中，且須具有甄別軋制缺陷和連鑄缺陷間的豐富經(jīng)驗。

在重軌質(zhì)量檢查過程中，發(fā)現(xiàn)鋼軌表面常出現(xiàn)縱向線紋缺陷及結(jié)疤缺陷，部分缺陷宏觀可見，部分缺陷呈閉合性，需打磨或酸洗后可見，如圖1 所示。沿垂直與裂紋方向切割取樣，可以看出裂紋深度可達(dá)1.5 mm，甚至更深，內(nèi)部氧化鐵皮厚實，邊部脫碳明顯，如圖1(c)、(f)所示。裂紋的發(fā)生基本沒有規(guī)律，偶然性較強(qiáng)，給源頭追溯帶來了極大的困難，不能明確對應(yīng)缺陷在鑄坯表面的原始位置。

圖1 鋼軌表面線紋缺陷Fig.1 Linear defects on rail surface

1.2 鑄坯表面缺陷分析

軋制前鑄坯缺陷包含鑄坯原始缺陷和鑄坯加熱后缺陷。

1.2.1 鑄坯原料典型缺陷

連鑄缺陷按照發(fā)生概率的大小順序列出了五大類缺陷，即針狀氣孔/縮孔、表面折疊、表面裂紋、角部裂紋、劃傷和切割不良等，如圖2 所示。由于這些缺陷的存在及鋼軌表面質(zhì)量的高要求，連鑄坯必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢查、清理、再檢查后才能裝爐，冗余工作嚴(yán)重阻礙了鑄坯熱送熱裝效率及節(jié)能降耗[2]。

圖2 典型鑄坯缺陷Fig.2 Typical billet defects

1.2.2 鑄坯加熱典型缺陷

加熱爐水梁墊塊硌傷缺陷是目前影響鋼軌表面質(zhì)量的極不穩(wěn)定因素，如圖3 所示。墊塊損傷及結(jié)瘤造成的鑄坯下表面凹坑缺陷在軋制重軌過程中曾階段性地出現(xiàn)過頭側(cè)和腿尖軋疤及隱蔽性線紋缺陷，其相對位置基本固定，但深淺、長度不一。由于缺陷為下表面，且部分缺陷成閉合性隱蔽狀態(tài)，完全靠后工序肉眼檢查不易發(fā)現(xiàn)，極具漏檢外發(fā)風(fēng)險并導(dǎo)致批量判廢，給生產(chǎn)帶來極大損失，引發(fā)重大質(zhì)量事故[3]。

圖3 墊塊結(jié)瘤及鋼坯“啃傷”缺陷Fig.3 Cushion block nodule and billet "gnawing" defect

2 缺陷繼承研究方法

2.1 研究方法

為找出重軌成品與鑄坯缺陷之間的繼承關(guān)系，以60 kg/m 鋼軌為例，在鑄坯5 個截面方向上人工缺陷分布位置如圖4 中數(shù)字和字母所示，通過正常軋制，觀察缺陷演變結(jié)果及繼承關(guān)系[4]。按照圖5中數(shù)字和字母所示位置分別在鑄坯上鉆孔，孔的大小為?8 mm×20 mm，正常軋制成60 kg/m 鋼軌，觀察缺陷演變后的宏觀形貌，將帶有缺陷的鋼軌針對性鋸切取樣，采用OLYMPUS 手持式渦流探傷儀、深度儀、鋼板尺、光學(xué)顯微鏡、電鏡觀察等對缺陷進(jìn)行全方位探傷檢測、測量，獲取軋制后缺陷位置、形貌及表現(xiàn)形式，再對應(yīng)鑄坯人造缺陷，擬合成鋼軌鑄坯與成品表面缺陷繼承擬合圖。

圖4 鑄坯人工孔槽缺陷分布示意Fig.4 Distribution diagram of defects in artificial hole and groove of slab

圖5 60 kg/m U75V 鋼坯和鋼軌各部位缺陷對應(yīng)情況Fig.5 Corresponding situation of defects at various parts of the 60 kg/m U75V billet and rail

2.2 工藝路線

試驗工藝路線：鑄坯準(zhǔn)備→鑄坯鉆孔→鑄坯加熱→鑄坯除鱗→鑄坯軋制→冷床預(yù)彎冷卻→矯前缺陷確認(rèn)→鋼軌矯直→樣品在線探傷（渦流、超聲波）→鋼軌鋸切取樣→樣品離線探傷（手持式渦流探傷儀）→樣品打磨-樣品檢驗（顯微、電鏡觀察）→缺陷繼承分析→缺陷繼承擬合。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 鑄坯與鋼軌對應(yīng)面缺陷分布

將制作好的人工孔槽缺陷鑄坯送往加熱爐加熱、除鱗、軋制，取樣分析鑄坯表面與鋼軌成品表面缺陷的繼承關(guān)系矩陣，并以中部4 個面進(jìn)行擬合分析。鑄坯人工孔槽及鋼軌缺陷分布情況及各部位缺陷演變規(guī)律如圖5 所示。

取軌頭側(cè)線紋樣送檢進(jìn)行脫碳分析檢驗，其線紋缺陷中間部位均與基體連接，兩端軋疤與基體有明顯的界面，軋疤脫落后有明顯的凹坑為壓入所致。試樣均存在向基體內(nèi)延伸的枝狀微裂紋，裂紋上有大量的氧化物、內(nèi)氧化質(zhì)點和嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，如圖1 的(c)、(f)所示。

3.2 不同變形區(qū)缺陷變化形式

從缺陷縱向位置分析，軌頭6 處缺陷首尾基本一致，軌腰6 處缺陷在端部時，軌頭至軌底方向上的缺陷由西向東偏移，而在中部時，軌底至軌頭方向上的缺陷向西輕微偏移，說明頭部金屬有向西碾搟的趨勢。

軌底5 處由下腿尖至上腿尖向西輕微偏移，說明金屬偏上缺陷有向西斜戳的趨勢。從缺陷位置分析，軌頭和軌底的缺陷與鑄坯缺陷相比，相對位置成正比放大。

軌腰缺陷與鑄坯缺陷相比，相對位置變化較大，金屬流動更復(fù)雜，按以往的經(jīng)驗判定，棱角缺陷應(yīng)軋制到腿尖內(nèi)側(cè)，而實際上，鑄坯上下表面靠南棱角缺陷經(jīng)軋制后均翻越腿尖，到軌底平面距離腿尖10 mm處，在軋制過程中金屬是偏向軌底流動的。

3.3 不同變形區(qū)缺陷形貌差異

從缺陷打磨后的位置分布進(jìn)行分析，鋼軌鑄坯在軋制過程中的頭、腰、底延伸系數(shù)存在差異，同一截面的缺陷在軋制過程中因不均勻變形在縱向上會形成微小位錯；軌頭部缺陷因壓縮比較小不能碾壓閉合，均形成缺陷深寬明顯且規(guī)則的線紋缺陷；軌上腰缺陷粗軋單次壓下較大，靠中部的缺陷受垂直壓力直接碾碎，形成不規(guī)則的團(tuán)狀結(jié)疤缺陷，下顎尖應(yīng)力集中也被碾碎，經(jīng)碾合形成條狀結(jié)疤缺陷；底腰、頭腰圓弧連接處缺陷受擠壓，均碾合成線紋缺陷；軌下腰部缺陷與上腰缺陷有所差異，壓縮變形較大，下腰缺陷深度較淺，均碾合成線紋缺陷；軌底部缺陷壓縮變形較大，變形較規(guī)律，相對間距較為固定，均形成線紋缺陷。

3.4 不同變形區(qū)缺陷軋制變形比

考慮鉆孔經(jīng)加熱后的氧化燒損，孔徑?8 mm 經(jīng)加熱氧化后約為?8.7 mm，在鋼軌成品上的線紋缺陷長度均為孔徑在縱向上的延伸而成?？咨?0 mm 深度方向氧化燒損忽略不計，在鋼軌成品上的線紋缺陷長度均為孔在徑向方向上的軋制延伸而成，因此鑄坯表面不同部位的人造缺陷孔徑與成品鋼軌表面對應(yīng)位置上的線紋缺陷之間所對應(yīng)的缺陷延伸比并不相同。而鋼軌成品上的線紋缺陷深度均為孔在徑深方向上軋制壓縮而成，因此鑄坯表面不同部位的人造缺陷孔深與成品鋼軌表面對應(yīng)位置上的線紋缺陷深度之間則對應(yīng)著不同壓縮比。根據(jù)上述取得的鋼軌不同部位的缺陷延伸比和不同部位的缺陷壓縮比數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)鋼軌成品表面的缺陷大小溯源出鑄坯原始缺陷的大小。

3.5 缺陷對應(yīng)性分析

通過鋼軌鑄坯表面的人工孔槽缺陷，按理論軋制延伸比，在軋制后的鋼軌成品上的表面缺陷均被逐一找到，缺陷定位位置誤差±2‰，驗證了鋼軌實際軋制延伸系數(shù)與理論基本吻合，但由于鋼軌為異形斷面，在軋制過程中受不同程度擠壓或拉縮變形的交互影響，其形貌、位置、大小均會呈細(xì)微差異性。

取軋疤、線紋樣送檢進(jìn)行脫碳分析檢驗，其檢驗結(jié)論發(fā)現(xiàn)重軌線紋缺陷中間部位均與基體連接，兩端軋疤與基體有明顯的界面，軋疤脫落后有明顯的凹坑為壓入所致。橫向金相樣觀察發(fā)現(xiàn)試樣均存在向基體內(nèi)延伸的枝狀微裂紋，裂紋上有大量的氧化物、內(nèi)氧化質(zhì)點和嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，說明此缺陷經(jīng)高溫長期加熱而成。

3.6 鑄坯-成品缺陷繼承擬合

以60 kg/m 重軌為例，綜合分析對比人造缺陷與鋼軌成品表面缺陷的位置及深寬長參數(shù)，以及各部位缺陷演變規(guī)律，可判斷鑄坯表面缺陷與鋼軌成品表面缺陷具有明顯的對應(yīng)關(guān)系，如圖6 所示，模擬出了鑄坯軋制成鋼軌后，切片重組在同斷面的相對位置關(guān)系，擬合出鋼軌鑄坯-成品缺陷繼承關(guān)系，如圖7 所示。

圖6 鑄坯-成品缺陷位置對應(yīng)關(guān)系Fig.6 Corresponding relationship between the casting billet and the rail product defect location

圖7 鑄坯-成品表面缺陷繼承擬合示意Fig.7 Schematic diagram of continuous fitting of the surface defects of the billet-finished products

4 應(yīng)用實例

通過試驗獲取到某60 kg/m 重軌不同部位的延伸系數(shù)及壓縮比，進(jìn)一步驗證了鋼軌軋制延伸系數(shù)及壓縮比與現(xiàn)有理論值的吻合性，通過缺陷溯源分析快速查找缺陷位置予以及時消除，同時也通過試驗數(shù)據(jù)確定了鑄坯表面缺陷形貌在鋼軌表面形成超標(biāo)缺陷的深寬比標(biāo)準(zhǔn)。

在280 mm×380 mm 斷面軋制60 kg/m 重軌生產(chǎn)中進(jìn)行了缺陷對應(yīng)試驗，在成品鋼軌中發(fā)現(xiàn)有缺陷時，立即對同批次加熱爐中的鋼坯打再熱進(jìn)行檢查驗證。鋼軌質(zhì)量檢查時發(fā)現(xiàn)東49.51 m 北頭側(cè)有規(guī)格為0.6 mm（深）×0.4 mm（寬）×415 mm（長）的線紋缺陷，如圖8（a）所示，通過取樣脫碳檢驗發(fā)現(xiàn)裂紋上存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，如圖8（b）所示，說明此缺陷經(jīng)高溫長期加熱而成，按照對應(yīng)的延伸系數(shù)及缺陷對應(yīng)位置擬合（圖7），反推出在鋼坯上東3.490 8 m 處可能存在缺陷規(guī)格約為9.522 0 mm（深）×6.348 0 mm（寬）×29.266 6 mm（長）的缺陷，再通過再熱坯缺陷查找對應(yīng)。對應(yīng)檢查時，在再熱坯對應(yīng)位置確實發(fā)現(xiàn)了此類缺陷，如圖8（c）所示，缺陷實際位置處于東3.495 m 處鋼坯下表面北側(cè)棱角處，規(guī)格為9.35 mm（深）×5.98 mm（寬）×28.96 mm（長），形貌相似度達(dá)到90%，位置準(zhǔn)確度高達(dá)98%，然后結(jié)合缺陷形貌判定是原料帶來缺陷還是加熱爐產(chǎn)生，最后采取鋼坯缺陷清理或調(diào)整加熱爐步距等措施予以缺陷消除。同時也通過研究數(shù)據(jù)確定了鑄坯表面缺陷形貌在鋼軌表面不會形成超標(biāo)缺陷的深寬比檢查標(biāo)準(zhǔn)，原料凹坑缺陷的深度＜5 mm 時，或是當(dāng)深度＜5 mm 且深寬比≤1∶5 時，缺陷在軋制過程中均可得到消化，或不會在鋼軌成品上形成超標(biāo)的缺陷。

通過上述試驗獲取到某60 kg/m 重軌不同部位的延伸系數(shù)及壓縮比，進(jìn)一步驗證了鋼軌軋制延伸系數(shù)及壓縮比與現(xiàn)有理論值的吻合性，通過缺陷溯源分析快速查找缺陷位置予以及時消除，同時也通過試驗數(shù)據(jù)確定了鑄坯表面缺陷形貌在鋼軌表面形成超標(biāo)缺陷的深寬比標(biāo)準(zhǔn)，對提高鋼軌質(zhì)量及良品率有著重要的意義。

5 結(jié)論

1）通過在無超標(biāo)缺陷的鑄坯表面的軋制滑移區(qū)域和軋制穩(wěn)定區(qū)域分別鉆取若干垂直于鑄坯表面的孔槽，而后向孔槽內(nèi)填充耐火材料并進(jìn)行封堵，制得了帶有人造缺陷的鑄坯，并通過正常軋制獲得了帶缺陷的鋼軌。

2）通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，鑄坯上同種缺陷出現(xiàn)在鋼軌的不同部位，因鋼軌為異形斷面，在軋制過程中受不同程度擠壓或拉縮變形影響，其形貌、位置、大小均會呈現(xiàn)差異性。同一鑄坯缺陷出現(xiàn)在軌上腰、軌下腰對稱面的形貌類似，但位置并不一致。鑄坯上同一缺陷出現(xiàn)在鋼軌上不同部位，其縱向位置會出現(xiàn)變化，會形成位錯。鑄坯上同一缺陷出現(xiàn)在鋼軌的端部和中部，其大小、位置，甚至形貌均會出現(xiàn)差異。鑄坯上同一缺陷在鋼軌上不同部位的缺陷開放性及破裂形式呈現(xiàn)不同。

3）利用該繼承關(guān)系成功將鋼軌上的缺陷溯源回鑄坯上，缺陷溯源形貌對應(yīng)度高達(dá)90%，缺陷溯源定位誤差±2‰?？梢詭椭夹g(shù)人員快速準(zhǔn)確地定位鑄坯上的缺陷位置，預(yù)估鑄坯上的缺陷形貌及產(chǎn)生區(qū)域，即時選取合適的應(yīng)對策略，進(jìn)行缺陷消除，有效提升鋼軌良品率，同時也確定了鑄坯表面缺陷形貌在鋼軌表面形成超標(biāo)缺陷的檢查標(biāo)準(zhǔn)。