■ 吳義強(qiáng)　耿恒亮　廖楊標(biāo)　王歡泉　黃光新

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高速鐵路重軌鋼精煉工藝優(yōu)化和實(shí)踐

■ 吳義強(qiáng)耿恒亮廖楊標(biāo)王歡泉黃光新

摘 要：論述高速鐵路重軌鋼技術(shù)條件與工藝流程和重軌鋼中的夾雜物變化，從LF爐精煉工藝、RH爐真空脫氣、工藝優(yōu)化及其在實(shí)踐中的應(yīng)用效果方面分析高速重軌鋼精煉工藝，提出高速鐵路重軌鋼中硫含量盡可能控制在0.006%以下，可有效控制A類夾雜，以及通過優(yōu)化LF、RH軟吹和鑄機(jī)平臺的靜止工藝，鋼液中夾雜物的數(shù)量和大小均有降低，有利于提高鋼水潔凈度等結(jié)論。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；重軌鋼；精煉；工藝優(yōu)化；潔凈度；軟吹工藝

隨著現(xiàn)代鐵路高速、重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，對重軌鋼的質(zhì)量和性能提出了更高、更苛刻的要求。重軌鋼的主要發(fā)展趨勢是高強(qiáng)度、高韌性和高純凈化。鋼軌良好的抗疲勞性能和焊接性能是高速鐵路用鋼軌的基本特征。要保證鋼軌各項性能達(dá)到要求，在對鋼的成分和組織進(jìn)行嚴(yán)格控制的同時，還要求重軌鋼具有較高的純凈度，即降低鋼中的有害元素和氣體的含量，減少鋼中的夾雜物。鋼水爐外精煉是最重要的一個冶煉環(huán)節(jié)，只有爐外精煉過程科學(xué)、有效、合理，才能保證最終成品鋼軌中氫含量最低、夾雜低、材質(zhì)均勻、機(jī)械性能滿足250 km/h及以上高速鐵路用鋼軌要求。

1　高速鐵路重軌鋼技術(shù)條件與工藝流程

高速鐵路重軌的技術(shù)條件對鋼軌質(zhì)量提出了更高的要求，TB/T 2344—2012中的普通鋼軌標(biāo)準(zhǔn)與《時速250 km客運(yùn)專線鐵路用鋼軌標(biāo)準(zhǔn)》中的高速鐵路重軌標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)對比見表1。

武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司重軌鋼生產(chǎn)工藝流程：鐵水脫硫預(yù)處理→120 t氧氣轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉→LF爐外精煉→RH真空精煉脫氣→大方坯連鑄→軋制。其中鋼液爐外精煉包括LF爐和RH爐，爐外精煉滿足重軌鋼對化學(xué)成分、氣體含量及非金屬夾雜的要求，并要求在精煉過程中，轉(zhuǎn)爐與連鑄之間起到緩沖協(xié)調(diào)作用，達(dá)到穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)和保證鑄坯質(zhì)量的目的。

表1　鋼軌標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對比

2　重軌鋼中的夾雜物變化

轉(zhuǎn)爐冶煉結(jié)束，出鋼過程中合金大量熔化，Si脫氧產(chǎn)物大量產(chǎn)生，且此時的夾雜物尺寸較大；LF爐升溫過程中不斷加入渣料進(jìn)行造渣，其夾雜物中CaO、Al2O3含量增加，夾雜物轉(zhuǎn)化為SiO2-Al2O3-CaO復(fù)合型，SiO2的含量仍然較高；LF爐脫硫后，其鋼中硫化物夾雜數(shù)量急劇減少；RH真空精煉結(jié)束后，大顆粒的夾雜被排除，小顆粒的脆性夾雜增多。

3　高速重軌鋼精煉工藝

3.1LF爐精煉工藝

（1）無鋁脫氧工藝控制氧化物夾雜?？刂其撝醒鹾浚紫纫刂妻D(zhuǎn)爐初煉后鋼水的溶解氧，在后期的脫氧過程中最大限度地脫去鋼液中的自由氧，并且最大限度地去除氧化物夾雜（化合氧），同時生產(chǎn)中要防止鋼液發(fā)生二次氧化。硅鈣鋇是一種無鋁脫氧劑，脫氧能力強(qiáng)，可使鋼液中氧活度降低，形成的脫氧產(chǎn)物為低熔點(diǎn)化合物。通過氧的來源分析，采取合理的脫氧方法尤為重要。轉(zhuǎn)爐采取高碳出鋼的原則，降低鋼中的溶解氧；出鋼過程中采用滑板或擋渣塞擋渣，控制下渣量，渣層厚度不得>50 mm；根據(jù)實(shí)際終點(diǎn)碳含量，加入不同量的硅鈣鋇、硅錳脫氧劑，使鋼水的氧活度不大于0.004%。

當(dāng)高碳出鋼的鋼液到達(dá)LF爐時，LF爐根據(jù)到達(dá)的渣況和溫度，采用擴(kuò)散脫氧工藝進(jìn)行無鋁脫氧，以此提高硅的脫氧能力，進(jìn)一步降低鋼水氧含量。LF爐加熱升溫過程的同時進(jìn)行快速造白渣操作，迅速改變渣的吸附能力，降低鋼中的夾雜物。

在無鋁脫氧過程中，合理控制爐渣成分便可控制爐渣中的SiO2活度。當(dāng)爐渣堿度在2.0～3.0，渣中w（Al2O3）≤10%，w（CaO）在45%～50%時，其渣中的SiO2活度可控制在0.05～0.20，使SiO2的脫氧能力得以提升。

渣中w（FeO+MnO）與成品鋼中w[O]含量的關(guān)系見圖1。只要控制w（FeO+MnO）<1.0%，即可保證鋼中全氧含量在0.002%以下，達(dá)到鋼水脫氧的要求。

（2）深脫硫工藝控制硫化物夾雜。據(jù)相關(guān)研究表明，硫化錳易在鑄坯中心和1/4處大量析出。在鑄坯厚度中心線上，從左至右存在嚴(yán)重的S正偏析，在距中心3/4處也存在S正偏析。由于MnS的特性，析出的凝固分率≥0.992，是在凝固末期析出，凝固前端會出現(xiàn)硫的高度富集。因此，其臨界析出硫含量很低，為<0.005%，即一般情況下凝固過程始終有MnS析出；鑄坯存在枝晶疏松、中心疏松等缺陷時，加劇了MnS在其間的析出。

圖1　渣中w（FeO+MnO）與鋼中w [O]含量的關(guān)系

CaO+S=CaS+O；K=a（CaS）·a[O]/a[S]· a（CaO）。根據(jù)兩個公式和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗，可以確定有效脫硫的熱力學(xué)和動力學(xué)條件是低氧勢、高CaO活度、高溫、流動性較好的鋼渣、足夠的渣量、足夠的精煉時間和良好的攪拌力。在實(shí)際工藝路線中，為減小S的嚴(yán)重偏析及硫化物夾雜的產(chǎn)生，采取鐵水脫硫預(yù)處理與LF精煉深脫硫并用方式進(jìn)行鋼水深脫硫，以達(dá)到滿足臨界析出S含量的目的。

3.2RH爐真空脫氣

鋼中氣體主要是氫、氧、氮。氫在鋼軌上產(chǎn)生的主要缺陷是白點(diǎn)，即鋼軌縱向斷口軸心部位出現(xiàn)銀亮色小點(diǎn)，在鋼軌橫斷面表現(xiàn)為可視裂紋，降低了鋼軌的力學(xué)性能，尤其是抗疲勞性能，嚴(yán)重影響鋼軌質(zhì)量和行車安全。氧不僅帶來鑄坯皮下氣泡的形成，還使內(nèi)生氧化類夾雜物增多，影響夾雜物的數(shù)量、大小和分布，污染鋼液，降低潔凈度，從而降低鋼的機(jī)械性能和疲勞壽命。氮以氮化物的形式在晶界上析出，使鋼斷裂；但這種析出過程緩慢，時間往往很長，最終使鋼“老化”。

RH真空處理過程中影響脫氣效率的主要因素有真空度、脫氣時間、鋼中原始?xì)浜?、?qū)氣強(qiáng)度、真空室與插入管耐火材料的干燥程度、拱頂積渣等。氫、氮在鋼液中的溶解過程均適用于平方根定律。真空條件下，脫氫比脫氮效率更高，脫氮較為困難，僅在強(qiáng)脫氧、大氬流量、強(qiáng)真空條件下可使含氮量降低30%左右。

高速鐵路重軌鋼中碳含量較高，有利于真空條件下的碳氧反應(yīng)。在真空條件下，鋼液中的[C]、[O]反應(yīng)生成的CO氣體，降低真空室中CO分壓，使[C]和[O]的反應(yīng)向生成CO氣體的方向進(jìn)行，從而達(dá)到降低鋼中氧含量的目的。

高速鐵路重軌鋼在RH真空處理中，真空度達(dá)0.3 kPa以下，吹氬流量在60～80 m3/h時，真空處理時間與鋼液氫含量的關(guān)系為：初始?xì)?.000 6%，需要15 min才能使氫含量達(dá)到0.000 2%。此時的氧含量僅為15 ppm，平均50 ppm以下的氮含量也較TB標(biāo)準(zhǔn)要求更嚴(yán)格。

3.3工藝優(yōu)化

3.3.1靜止鋼液的夾雜物上浮

在靜止鋼液條件下，鋼液中夾雜物的去除主要依賴于其在鋼液中的上浮速度，而夾雜物的上浮速度傳統(tǒng)上認(rèn)為應(yīng)服從斯托克斯定律。根據(jù)流體力學(xué)原理，單顆粒夾雜物在鋼液中的運(yùn)動，與夾雜物的種類和尺寸、流體的速度和性質(zhì)等因素有關(guān)。根據(jù)雷諾數(shù)大小的不同，將單顆粒球形夾雜物的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系分為斯托克斯定律區(qū)、過渡區(qū)、牛頓定律區(qū)等，在不同區(qū)域中夾雜物的極限運(yùn)動速度與雷諾數(shù)的關(guān)系分別為：

（1）斯托克斯定律區(qū)：Re<1。

（2）過渡區(qū)：1

（3）牛頓定律區(qū)：500

式中：ν1為夾雜物的極限上浮速度，m/s；pk為夾雜物顆粒的密度，kg/m3；pf為鋼水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；μ為鋼水的動力黏度，kg/m·s；d為夾雜物的當(dāng)量直徑，m。

假設(shè)夾雜物為球形，將pf=7 100 kg/m3，pk= 2 700 kg/m3，μ=5.5×10-3kg/m·s作為參數(shù)調(diào)整的基準(zhǔn)數(shù)值，將實(shí)際生產(chǎn)中的夾雜物直徑、夾雜物密度、鋼水密度黏度等值帶入公式進(jìn)行計算得出：ν1=0.004 9 m/s，將ν1帶入式（4）進(jìn)行雷諾數(shù)的驗證，Re=0.69<1，滿足條件。

鋼水罐從底部到渣線位置的深度約為3.0 m。在鋼水靜止?fàn)顟B(tài)下，要想使夾雜物從底部上浮至渣中，大約需要10.2 min。因此在工藝路線中，要求鋼液必須在上一罐澆筑結(jié)束12 min前到達(dá)連鑄平臺，給夾雜物充分的靜止上浮時間。

3.3.2攪拌鋼液的夾雜物上浮

（1）夾雜物上浮的理論依據(jù)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在鋼液熔池攪拌的情況下，脫氧產(chǎn)物粒子從鋼液中分離去除的速度比較快，而脫氧產(chǎn)物粒子的排出速度又與脫氧劑種類、脫氧劑用量、鋼液溫度、爐襯材料等因素有關(guān)。

鋼液熔池在攪拌條件下的脫氧速率可用C=Coe-kt表示，k為速率常數(shù)，其與脫氧劑的加入量、鋼液溫度、容量、鋼液攪拌強(qiáng)度等因素有關(guān)，可用來衡量夾雜物排出的速度。

當(dāng)鋼液溫度、容量、脫氧劑用量一定時，鋼中的夾雜物排出速度就取決于鋼液的攪拌強(qiáng)度。在加強(qiáng)鋼液攪拌強(qiáng)度后，其對應(yīng)湍流狀態(tài)下鋼液中的Al2O3類夾雜物排出速度較SiO2類夾雜物要快。在實(shí)際軟吹工藝中，鋼液攪拌強(qiáng)度應(yīng)控制在一定范圍，過大易使鋼水裸露，與空氣接觸帶來二次污染，并會加速鋼液的溫度損失；過小會降低夾雜物上浮的帶動作用，延長夾雜物排出的時間。

經(jīng)計算得出，當(dāng)氬氣攪拌強(qiáng)度為40 L/min時，氣體上升帶動夾雜物上浮的速度增加0.001 4 m/s。夾雜物實(shí)際上浮速度變?yōu)?.006 3 m/s，其上升至渣面需7.94 min；此時鋼液面呈蠕動狀態(tài)，較好地防止了鋼液污染。因此，將軟吹工藝置于精煉結(jié)束，盡可能給夾雜物充分上浮的時間。

（2）LF和RH軟吹工藝的差異。LF爐精煉結(jié)束后，鋼液中的大顆粒夾雜物有所增多，其主要來源于精煉過程加入的渣料、脫氧和合金化材料、大罐耐火材料的侵蝕，以及夾雜物變性等。通過軟吹工藝，將變性的夾雜物和大型夾雜物盡可能排出，為下道工序減小去除夾雜物的壓力。

RH爐真空過程會使氣體含量減小，但隨著鋼液再一次被氧化，其夾雜物顆粒將有所增多，而且插入管的嚴(yán)重侵蝕和噴補(bǔ)料會帶入大量的外來夾雜物。經(jīng)實(shí)際測算，真空室插入管的厚度每分鐘會被侵蝕0.068 mm；而每生產(chǎn)一爐鋼，會消耗掉大約150 kg噴補(bǔ)料。因此，RH軟吹工藝不只是減少內(nèi)生夾雜物，主要是排出大量大型外來夾雜物。

3.4 工藝優(yōu)化在實(shí)踐中的應(yīng)用效果

（1）硫化物類夾雜控制效果。通過精煉過程有效控制鋼中的氧，采取深脫硫工藝，使鋼坯中S含量保持在0.006%以下，不僅降低了S偏析的概率，還使MnS的析出減少，從而有效控制了硫化物在軋制過程中的長大。2014年與2015年硫化物超標(biāo)爐數(shù)對比見圖2。

（2）軟吹和靜止工藝控制效果。LF精煉結(jié)束軟吹時間大于10 min，RH真空去氣后的軟吹、鑄機(jī)平臺靜止＞12 min等工藝的實(shí)施，使各工序夾雜物的數(shù)量、尺寸均呈現(xiàn)出明顯變化，大大改善了鋼質(zhì)，提升了鋼水潔凈度。各工序夾雜物平均尺寸變化趨勢見圖3，夾雜物最大尺寸變化趨勢見圖4。

圖2　硫化物超標(biāo)爐數(shù)對比

圖3　各工序夾雜物平均尺寸變化趨勢

圖4　夾雜物最大尺寸變化趨勢

4　結(jié)論

（1）通過對爐渣強(qiáng)化脫氧，控制渣中w（FeO+ MnO）<1.0%，可使LF精煉脫氧效率達(dá)到40%。

（2）高速鐵路重軌鋼中硫含量盡可能控制在0.006%以下，可有效控制A類夾雜物。

（3）通過優(yōu)化LF、RH軟吹和鑄機(jī)平臺的靜止工藝，鋼液中夾雜物的數(shù)量和大小均有降低，有利于提高鋼水潔凈度。

（4）采用上述工藝，武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司可生產(chǎn)出具有較高技術(shù)含量的w[A1]≤0.004%， wt [O]≤0.002%，w[H]≤0.000 15%，非金屬夾雜物類別中A≤2.0級、B≤1.0級、C≤1.0級、D≤1.0級的速度250 km/h及以上的高速鐵路鋼軌用鋼。

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吳義強(qiáng)：武漢鋼鐵股份有限公司條材總廠，工程師，湖北武漢，430083

耿恒亮：武漢鋼鐵股份有限公司條材總廠，高級工程師，湖北 武漢，430083

廖楊標(biāo)：武漢鋼鐵股份有限公司條材總廠，助理工程師，湖北 武漢，430083

王歡泉：武漢鋼鐵股份有限公司條材總廠，技師，湖北武漢，430083

黃光新：武漢鋼鐵股份有限公司條材總廠，技師，湖北武漢，430083

責(zé)任編輯 高紅義

中圖分類號：TF4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-061X（2016）02-0040-04