CN109023035A - 超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢及其生产方法，该钢轨钢中化学成分及其重量百分含量为：C：0.10％～0.25％，Si：1.50％～1.90％，Mn：1.40％～1.90％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr：1.10％～1.50％，Mo：0.40％～0.70％，Ni：0.40％～0.75％，V：0.04％～0.15％，Alt≤0.004％，其余为Fe和不可避免杂质。本发明的生产方法采用顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼及RH真空处理的方法，可使贝氏体钢轨钢中全铝含量有效控制在40×10‑4％以下，有效降低了钢中氧化铝夹杂物的危害。

Description

超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及适于铁路领域应用的钢轨钢，具体地指一种超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢及其生产方法。
背景技术
我国地域辽阔、人口众多，铁路被认为是最重要的交通方式，其运输压力远大于其他国家。作为铁路支撑材料的钢轨，使用性能及寿命需不断提升以满足苛刻的运输条件。贝氏体钢轨强度高、韧塑性好，可以在保证高强度的条件下，保持极高的韧性，最高可以达到珠光体钢轨钢的5倍，是国际上公认的优质钢种。
贝氏体钢轨钢采用低碳高合金钢种，合金元素总量占比达到5.5％～6.5％，全铝含量可控范围在50～70ppm。然而，当全铝含量较高时，随铁合金进入钢中的铝含量将大幅升高，会大量生成氧化铝夹杂，氧化铝夹杂物硬而脆，在轧制过程中破碎成链状，在钢轨使用过程中易形成应力集中，严重时可转变为核伤甚至断轨，从而降低钢轨的抗疲劳性能及使用寿命。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢及其生产方法，该生产方法得到的贝氏体钢轨钢中全铝含量有效控制在40×10-4％以下，有效降低了钢中氧化铝夹杂物的危害。
为实现上述目的，本发明所提供的一种超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢，该钢轨钢中化学成分及其重量百分含量为：C：0.10％～0.25％，Si：1.50％～1.90％，Mn：1.40％～1.90％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr：1.10％～1.50％，Mo：0.40％～0.70％，Ni：0.40％～0.75％，V：0.04％～0.15％，Alt≤0.004％，其余为Fe和不可避免杂质。
优选地，该钢轨钢中化学成分及其重量百分含量为：C：0.15％～0.20％，Si：1.65％～1.85％，Mn：1.65％～1.85％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr：1.20％～1.40％，Mo：0.5％～0.65％，Ni：0.55％～0.65％，V：0.08％～0.12％，Alt≤0.003％，其余为Fe和不可避免杂质。
最佳地，该钢轨钢中化学成分及其重量百分含量为：C：0.18％，Si：1.75％，Mn：1.75％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：1.30％，Mo：0.58％，Ni：0.60％，V：0.10％，Alt≤0.0025％，其余为Fe和不可避免杂质。
本发明还提供了一种超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢的生产方法，包括脱硫预处理、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼、RH真空处理、以及浇铸的步骤，所述转炉冶炼步骤中，采用转炉顶底复合吹炼，终渣碱度控制为3.0～4.0，转炉吹炼终点钢水碳含量为0.04～0.10％，吹炼终点钢水磷含量≤0.015％，出钢温度为1680～1720℃；所述LF精炼步骤中，炉渣碱度控制为2.4～3.0，钢水离站温度控制为1595～1615℃，钢水硫含量≤0.012％；所述RH真空处理步骤中，真空度≤100Pa，真空处理时间15～20min，真空处理结束后，钢水氢含量[H]≤2ppm，钢水离站温度控制为1545～1565℃。
进一步地，所述脱硫预处理步骤中，采用喷吹镁粉与机械扒渣法相结合对高炉铁水进行脱硫预处理，控制铁水中硫含量≤0.015％。
进一步地，所述转炉冶炼步骤中，供氧强度为18000～23000Nm3/h，吹炼时间900～950s；在出钢1/4时，开始加入硅铁10～25Kg/吨钢水、高碳铬铁8～25Kg/吨钢水、硅锰15～40Kg/吨钢水、钼铁5～20Kg/吨钢水、镍铁2～15Kg/吨钢水、钒铁合金0.5～2Kg/吨钢水，出钢4/5时全部加完，最后加入活性石灰，活性石灰的加入量为3Kg/吨钢水。
进一步地，所述吹氩处理步骤中，吹氩时间8～15min，氩气压力0.5～0.7MPa，流量为50～70Nm3/h。
进一步地，所述LF精炼处理步骤中，全程底吹氩气，氩气压力0.45～0.6MPa，流量为40～60Nm3/h，加入活性石灰2～3Kg/吨钢水、萤石1～2Kg/吨钢水，电石0.5～1Kg/吨钢水，炉渣碱度控制在2.4～3.0，离站温度控制在1595～1615℃，硫含量≤0.010％。
进一步地，所述RH真空处理步骤中，插入管氩气流量为70～90Nm3/h，氩气压力0.45～0.6MPa，真空度≤100Pa，真空处理时间15～20min，钢水离站温度控制为1545～1565℃。
再进一步地，所述浇铸步骤中，采用全程保护浇铸，大包至中包采用长水口保护浇铸，中间包至结晶器采用浸入式水口保护浇铸。
更进一步地，所述浇铸步骤中，结晶器保护渣采用高合金钢专用保护渣，中间包钢水温度控制在1510～1530℃，二冷段采用弱冷水进行冷却，铸坯断面为280×380mm，铸坯拉速为0.4～0.6m/min，浇铸完后铸坯在缓冷坑缓冷72～90小时，铸坯表面温度低于60℃后解除缓冷，得到坯钢。
本发明钢中各元素的作用机理：
C是提高钢材强度最有效的元素，因为贝氏体形核必须在低碳区，因此，本发明C选择在0.1～0.25％。
Si可促使尚未转变的奥氏体富集碳，形成无碳化物贝氏体，提高贝氏体钢的韧性，本发明中选择Si的范围在1.5～1.9％。
Mn是扩大奥氏体区的元素，Mn原子在界面富集，导致碳在奥氏体中扩散速度降低，进一步抑制铁素体的生长，使钢的共析转变温度下降，并推迟过冷奥氏体的珠光体转变，从而能显著提高钢的淬透性，锰低时，发挥不了上述作用，锰过高，加剧其在钢中的偏析，而使钢的韧性急剧降低，所以选择Mn的范围在1.4～1.9％。
P、S作为有害元素，其含量越低越好，所以选择P≤0.025％，S≤0.025％。
V是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一。钒的作用是通过形成VN、V(CN)来影响钢的组织和性能，它主要是在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，细化铁素体晶粒，从而提高材料的强度和低温韧性。
Cr能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时会降低塑性和韧性；同时铬是提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐蚀的主要元素，是耐热钢的重要合金元素，在高温下能促使金属表面生成致密的氧化膜，防止继续氧化，提高钢的耐高温性能。
Mo作为强碳化元素。细化钢的晶粒，提高淬透性和热强性能，在高温时能够保持足够的强度和抗蠕变能力，也能提高钢的红硬性。
Ni作为提高耐腐蚀性能的合金元素，同时镍固溶在钢中，富集于靠近基体的金属锈层中，形成致密、粘附性强，接近于非晶态的稳定锈层，能够阻碍腐蚀性介质向基体渗透，增加钢的耐蚀性，镍还能改善钢的低温韧性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明的生产方法能将贝氏体钢轨钢中全铝含量控制在40×10-4％以下，避免产生大量氧化铝夹杂，提高了钢轨的抗疲劳能力及使用寿命将坯钢经过轧制成钢轨，钢轨抗拉强度为≥1380MPa、延伸率≥12％，踏面硬度400～460HB，以较低的成本得到了超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢。
其二，本发明采用喷吹镁粉结合扒渣的方法对高炉铁水进行脱硫预处理，铁水喷粉脱硫是以气体为载体将脱硫剂通过喷枪喷入铁水中，与铁水中的硫发生反应，从而达到脱硫的目的，反应产物上浮进入渣中，采用机械设备扒除顶渣，从而保证进入转炉的铁水硫含量≤0.015％。
其三，本发明的转炉钢水脱氧采用硅钡钙、硅铁等无铝脱氧合金，减少了钢中酸溶铝含量及氧化铝内生夹杂物的含量。
其四，本发明的LF精炼采用精炼渣配比方式，使钢渣碱度控制在2.4～3.0，有利于去除钢水中的铝含量，提高了钢水的纯净度。
其五，本发明采用全程保护浇铸，保证中包和结晶器进一步去夹杂的能力，浇铸完后铸坯在缓冷坑缓冷72～90小时，可有效避免铸坯开裂等缺陷。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢的生产方法，包括如下步骤：
1)脱硫预处理：采用喷吹镁粉结合扒渣的方法对高炉铁水进行脱硫预处理，铁水喷粉脱硫是以气体为载体将脱硫剂通过喷枪喷入铁水中，与铁水中的硫发生反应，从而达到脱硫的目的，反应产物上浮进入渣中，采用机械设备扒除顶渣，保证进入转炉的铁水硫含量≤0.015％。
2)转炉冶炼：采用转炉顶底复合吹炼，供氧强度为18000～23000Nm3/h，吹炼时间910s，终渣碱度控制在3.2，吹炼终点碳含量0.05％，终点磷含量≤0.012％，出钢温度1687℃，出钢采用滑板挡渣。在出钢1/4时，开始加入硅铁15Kg/吨钢水、高碳铬铁12Kg/吨钢水、硅锰18Kg/吨钢水、钼铁11Kg/吨钢水、镍铁4.5Kg/吨钢水、钒铁合金1.2Kg/吨钢水，出钢4/5时全部加完，出钢过程全程底吹氩气，最后加入活性石灰作为顶渣，加入量控制在3Kg/吨钢水。由于加入合金量较大，可采取在钢包内预热合金的方法以减少出钢时钢水的温降，预热温度控制在600℃以上。
3)吹氩处理：氩站吹氩时间8min，氩气压力0.5MPa，流量50Nm3/h，以利于合金及钢水温度均匀化，以及顶渣的熔化。
4)LF精炼：通过电极加热对钢水进行温度补偿，加入活性石灰2Kg/吨钢水、萤石1Kg/吨钢水，电石0.5Kg/吨钢水，调整熔渣碱度及熔融状态，炉渣碱度为2.3，有利于深脱硫及脱氧等，离站温度控制在1598℃，硫含量0.006％。
5)RH真空处理：真空度10Pa，纯真空处理时间15min，真空处理结束后，钢水氢含量[H]0.7ppm，钢水温度控制在1547℃。
6)浇铸：采用全程保护浇铸，大包至中包采用长水口、中间包至结晶器采用浸入式水口保护浇铸，采用结晶器电磁搅拌及铸坯动态轻压下等措施减少铸坯内部缺陷。结晶器保护渣采用高合金钢专用保护渣，中间包钢水温度控制在1510℃，二冷段采用弱冷水进行冷却，铸坯断面为280×380mm，拉速0.45m/min，浇铸完后铸坯在缓冷坑缓冷72小时，得到坯钢。
7)轧制：将坯钢经过轧制成钢轨，钢轨抗拉强度为1460MPa、延伸率12％，踏面硬度430HB。
通过上述生产方法，可得到化学成分满足：C：0.20％，Si：1.56％，Mn：1.49％，P：0.012％，S：0.006％，Cr：1.15％，Mo：0.49％，Ni：0.49％，V：0.06％，Alt：0.0037％的合格铸坯，成品钢轨氧化铝夹杂物评级为1级。
实施例2～8：
实施过程除以下不同外，其余均同实施例1，表1和表2为各实施例的主要工艺参数，表3为各实施例中钢的化学成分及氧化铝夹杂物控制水平。
表1
表2
表3
对比例1：
1)转炉冶炼：采用转炉顶底复合吹炼，吹炼时间1010s，终渣碱度3.0，吹炼终点碳含量0.09％，终点磷含量0.020％，出钢温度1656℃，出钢采用挡渣球挡渣。出钢过程采用铝脱氧工艺，深脱氧后开始加入合金。
2)LF精炼：加入活性石灰3Kg/吨钢水、萤石1Kg/吨钢水，电石0.5Kg/吨钢水，炉渣碱度为2.9，离站温度1579℃，硫含量0.012％。
3)RH真空处理：真空度65Pa，纯真空处理时间15min，真空处理结束后，钢水[H]1.5ppm，钢水离站温度1549℃。
4)浇铸：采用全程保护浇铸，中间包钢水温度控制在1515℃，铸坯拉速0.40m/min，得到坯钢。
通过上述生产方法，由于铝脱氧工艺，钢中全铝含量0.0079％，成品钢轨氧化铝夹杂物评级为2.5级。
对比例2：
1)转炉冶炼：采用转炉顶底复合吹炼，吹炼时间990s，终渣碱度3.8，吹炼终点碳含量0.12％，终点磷含量0.019％，出钢温度1669℃，出钢采用挡渣球挡渣。出钢过程采用铝脱氧工艺，深脱氧后开始加入合金。
2)LF精炼：加入活性石灰4Kg/吨钢水、萤石0.5Kg/吨钢水，电石0.5Kg/吨钢水，炉渣碱度为3.2，离站温度1585℃，硫含量0.009％。
3)RH真空处理：真空度15Pa，纯真空处理时间16min，真空处理结束后，钢水[H]1.2ppm，钢水离站温度1544℃。
4)浇铸：采用全程保护浇铸，中间包钢水温度控制在1517℃，铸坯拉速0.42m/min，得到坯钢。
通过上述生产方法，钢中全铝含量0.0081％，成品钢轨氧化铝夹杂物评级为2.5级。
从对比例1～2中可以看出，常规的生产方法得到的钢中全铝含量大于0.0079％，含铝量大，而且成品钢轨氧化铝夹杂物评级为2.5级。实施例1～8采用本发明的生产方法，全铝含量控制在40×10-4％以下，成品钢轨氧化铝夹杂物评级为1级，避免产生大量氧化铝夹杂，提高了钢轨的抗疲劳能力及使用寿命将坯钢经过轧制成钢轨，钢轨抗拉强度为≥1380MPa、延伸率≥12％，踏面硬度400～460HB，以较低的成本得到了超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢。
上述实施案例只为说明本发明的技术方案及特点，其目的在于更好的让熟悉该技术的人士予以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，均在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢，其特征在于：该钢轨钢中化学成分及其重量百分含量为：C：0.10％～0.25％，Si：1.50％～1.90％，Mn：1.40％～1.90％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr：1.10％～1.50％，Mo：0.40％～0.70％，Ni：0.40％～0.75％，V：0.04％～0.15％，Alt≤0.004％，其余为Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢，其特征在于：该钢轨钢中化学成分及其重量百分含量为：C：0.15％～0.20％，Si：1.65％～1.85％，Mn：1.65％～1.85％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr：1.20％～1.40％，Mo：0.5％～0.65％，Ni：0.55％～0.65％，V：0.08％～0.12％，Alt≤0.003％，其余为Fe和不可避免杂质。
3.根据权利要求2所述的超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢，其特征在于：该钢轨钢中化学成分及其重量百分含量为：C：0.18％，Si：1.75％，Mn：1.75％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：1.30％，Mo：0.58％，Ni：0.60％，V：0.10％，Alt≤0.0025％，其余为Fe和不可避免杂质。
4.一种权利要求1所述的超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢的生产方法，包括脱硫预处理、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼、RH真空处理、以及浇铸的步骤，其特征在于：所述转炉冶炼步骤中，采用转炉顶底复合吹炼，终渣碱度控制为3.0～4.0，吹炼终点钢水碳含量为0.04～0.10％，终点钢水磷含量≤0.015％，出钢水温度为1680～1720℃；所述LF精炼步骤中，炉渣碱度控制为2.4～3.0，钢水离站温度控制为1595～1615℃，钢水硫含量≤0.012％；所述RH真空处理步骤中，真空度≤100Pa，真空处理时间15～20min，真空处理结束后，钢水氢含量≤2ppm，钢水离站温度控制为1545～1565℃。
5.根据权利要求4所述的超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢的生产方法，其特征在于：所述脱硫预处理步骤中，采用喷吹镁粉与机械扒渣法相结合对高炉铁水进行脱硫预处理，控制铁水中硫含量≤0.015％。
6.根据权利要求4所述的超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢的生产方法，其特征在于：所述转炉冶炼步骤中，供养强度为18000～23000Nm3/h，吹炼时间900～950s；在出钢1/4时，开始加入硅铁10～25Kg/吨钢水、高碳铬铁8～25Kg/吨钢水、硅锰15～40Kg/吨钢水、钼铁5～20Kg/吨钢水、镍铁2～15Kg/吨钢水、钒铁合金0.5～2Kg/吨钢水，出钢4/5时全部加完，最后加入活性石灰作为顶渣，活性石灰的加入量为3Kg/吨钢水。
7.根据权利要求4所述的超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢的生产方法，其特征在于：所述吹氩处理步骤中，氩气压力0.5～0.7MPa，流量为50～70Nm3/h，吹氩时间8～15min。
8.根据权利要求4所述的超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢的生产方法，其特征在于：所述LF精炼步骤中，通过电极加热对钢水进行温度补偿，加入活性石灰2～2.7Kg/吨钢水、萤石1～1.9Kg/吨钢水，电石0.5～0.8Kg/吨钢水，调整熔渣碱度至2.4～3.0。
9.根据权利要求4所述的超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢的生产方法，其特征在于：所述浇铸步骤中，采用全程保护浇铸，大包至中包采用长水口保护浇铸，中间包至结晶器采用浸入式水口保护浇铸。
10.根据权利要求9所述的超低铝含量高强度贝氏体钢轨钢的生产方法，其特征在于：所述浇铸步骤中，中间包钢水温度控制在1510～1530℃，二冷段采用弱冷水进行冷却，铸坯断面为280mm×380mm，铸坯拉速0.4～0.6m/min，浇铸完后铸坯在缓冷坑缓冷72～90小时，铸坯表面温度低于60℃后解除缓冷，得到坯钢。
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