CN110951944A - 一种高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料，包括如下质量百分比的化学成分：C：0.93～1.0％；Si：05～0.6％；Mn：0.9～1.0％；P≤0.020％；S≤0.020％；Cr：0.15～0.3％；Nb：0.01～0.05％；Ni：0.15～0.5％；Ce：0.001％，余量为Fe及不可避免的杂质。还公布其生产方法。本发明制备的钢轨材料的抗拉强度≥1330MPa，伸长率≥9％，钢轨踏面硬度≥400HB。

Description

一种高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料及其生产方法
技术领域
本发明涉及冶金材料领域，尤其涉及一种高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料及其生产方法。
背景技术
铁路运输在国民经济建设中的地位举足轻重，并日益向着大运量和高效化的方向快速发展。因此对钢轨的强度和硬度提出了更高的要求，尤其在小曲线半径或弯道多的路段，常用的热轧U75V和U71Mn钢轨表现出不耐磨、易伤损等问题。为提高钢轨使用性能和延长钢轨寿命，高强度高硬度钢轨的开发成为重要课题，具有广阔的市场前景和良好的经济效益。
发明内容
为了解决上述技术问题。本发明的目的是提供一种高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料及其生产方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料，包括如下质量百分比的化学成分：C：0.93～1.0％；Si：05～0.6％；Mn：0.9～1.0％；P≤0.020％；S≤0.020％；Cr：0.15～0.3％；Nb：0.01～0.05％；Ni：0.15～0.5％；Ce：0.001％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料的生产方法，包括：冶炼、加热、轧制、空冷和热处理。
进一步的，加热温度为1200℃；出炉温度不低于1100℃；轧制温度1080℃～1150℃，终轧温度930℃～950℃。
进一步的，具体包括：
1)铁水预处理：铁水中的硫含量≤0.05％；
2)转炉冶炼：出钢C≥0.08％，出钢温度≥1600℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，进行脱氧和对炉渣改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣没有结坨现象；
3)LF炉精炼：LF精炼时控制炉渣碱度≥2.0，离位温度1490～1555℃；
4)VD真空脱气：深真空脱气时间≥15min，真空脱气后软吹时间≥14min，软吹过程控制好氩气流量，防止钢液剧烈翻滚，出现卷渣现象；
5)连铸：连铸过程采用保护浇铸，采用低铝保护渣，二冷段采用超弱冷配水，全程恒拉速操作，开启铸机电磁搅拌和轻压下，保证铸坯质量；
6)钢坯加热：铸坯加热总时间≥2.5小时，其中加热炉预热段温度≤800℃，加热一段温度≤1200℃，加热二段温度1100～1300℃，均热段：1100～1260℃；
7)轧制：铸坯经万能轧机轧制成钢轨，开轧温度控制在1080～1150℃，终轧温度930～950℃；
8)空冷和热处理工艺为在线，具体为：加热到930℃保温40分钟，空冷至700℃～765℃后雾冷加风冷热处理冷至490℃～550℃后空冷，随后降低气雾强度使钢轨内部返温和冷却强度相均衡，钢轨温度维持在450-480℃一定时间出热处理线，钢轨出热处理线后自然空冷至室温。
进一步的，所述步骤3)中钢水的化学成分重量百分比如下：C 0.86～0.98％；Si0.58～0.68％；Mn 0.85～1.10％；P≤0.020％；S≤0.025％；Cr:0.05～0.2％；Ni：0.05～0.2％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，所述步骤7)中开轧温度为1140℃，终轧温度为935℃。
进一步的，所述步骤8)中在线热处理总时间为110s。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明通过钢轨淬火可以大大提高钢轨使用寿命，延长大修周期，钢轨在线热处理工艺利用轧制余热在生产线上直接冷却钢轨，使其轨头硬化层得到细珠光体组织的一种高强度钢轨。有效增加奥氏体向珠光体转变的过冷度，获得片层间距更小的珠光体，使钢轨钢的强度和硬度提高；热处理方法生产成本低，质量好。适合于大规模生产，具有良好的推广价值。
本发明的钢轨材料的抗拉强度≥1330MPa，伸长率≥9％，钢轨踏面硬度≥400HB。
具体实施方式
下面结合具体实施例子对本发明作进一步的详细说明，以便于更加清楚地了解本发明，(以下实施例子中的百分数均为重量百分数)上述钢轨材料以质量百分计其化学成分包括：C：0.93～1.0％；Si：05～0.6％；Mn：0.9～1.0％；P≤0.020％；S≤0.020％；Cr:0.15～0.8％；Nb:0.01～0.05％；Ni:0.15～0.3％；Ce:0.001％，余量为Fe及不可避免的杂质。
该钢材中C成分设计与Fe有较大的固溶度，具有固溶强化作用，提高钢材的强度和硬度。该材料中所添加的主要合金元素Mn、Cr、Ni可提高钢轨强度和韧性，Mn在钢轨钢中是固溶强化元素，提高钢轨硬度和强度，降低珠光体的转变温度，从而降低珠光体片层间距，间接地提高钢轨的韧性和塑性。还可阻止先共析渗碳体的形成，并与s形成稳定MnS，降低S的危害作用。但当Mn含量小于0.50％时，上述作用不显著，当Mn含量超过1.50％时，会降低钢轨钢的韧性，并明显降低钢轨钢产生马氏体的临界冷速，在生产过程中因偏析，易形成马氏体和贝氏体等异常组织，从而增加钢轨断裂的危险。因此，Mn含量限制在0.50％到1.50％之间。Cr在钢轨钢中也是固溶强化元素，可提高钢轨钢的硬度和强度，降低珠光体的转变温度，细化珠光体片层间距，其强化作用与Mn相似。Cr的加入提高了钢轨钢铁素体基体的硬度，另外，Cr能置换渗碳体(Fe3C)中的Fe原子，形成合金渗碳体，从而明显强化渗碳体，增加钢轨钢的耐磨性。但当Cr含量小于0.15％时，钢轨钢强度增加不明显，当Cr含量超过1.20％时，产生马氏体的临界冷速明显降低，易形成贝氏体或马氏体组织，从而增加钢轨断裂的危险。因此，Cr含量控制在0.15到1.20％之间。当冷速在10C/s以下时，钢轨钢强度低，不能保证抗拉强度在1330MPa以上，当冷速在100C/s以上时，钢轨钢强度不能进一步增加。因此，冷速控制在10-100C/s之间，并在400～500℃时终止冷却。
一种高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料及其生产方法，包括以下步骤：
1)铁水预处理：铁水中的硫含量0.042％
2)转炉冶炼：控制出钢C含量0.16％，出钢温度1610℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，对炉渣进行改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣避免有结坨现象；
3)LF炉精炼：LF精炼时控制炉渣碱度≥2.1，离位温度1503℃；
4)VD真空脱气：深真空脱气时间18min，真空脱气后软吹14min，软吹过程氩气流量稳定，钢液蠕动并无裸露。
5)连铸：铸坯尺寸280mm×380mm，连铸过程采用保护浇铸，使用低铝保护渣和碱性覆盖剂，中包液位700mm以上。钢液相线温度1451℃，过热度ΔT：30℃，二冷段配水采用SWRH82B工艺，全程恒拉速操作，拉速0.62m/min，铸机电磁搅拌和轻压下使用正常，铸坯质量良好。
6)钢坯加热：加热总时间2小时40分，各段加热时间和加热温度见表1。
表1高强度、高硬度钢轨加热工艺
预热段 加热1段 加热2段 均热段
加热时间 25min 50min 55min 30min
温度 723℃ 935℃ 1212℃ 1244℃
7)轧制：铸坯经万能轧机轧制成钢轨，开轧温度：1140℃，终轧温度935℃。
8)在线热处理：钢轨空冷至750℃进入热处理线，采用气雾冷却方式使钢轨在热处理线快速冷却至523℃，随后降低气雾强度使钢轨内部返温和冷却强度相均衡，钢轨温度维持在465℃一定时间出热处理线，在线热处理总时间110s，钢轨出热处理线后自然空冷至室温。
其性能如下：抗拉强度达到1333MPa，断后伸长率达到10.5％，踏面硬度429HB，钢轨轨头金相组织为珠光体。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料，其特征在于，包括如下质量百分比的化学成分：C：0.93～1.0％；Si：05～0.6％；Mn：0.9～1.0％；P≤0.020％；S≤0.020％；Cr：0.15～0.3％；Nb：0.01～0.05％；Ni：0.15～0.5％；Ce：0.001％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度、高硬度在线热处理稀土钢轨材料的生产方法，其特征在于，包括：冶炼、加热、轧制、空冷和热处理。
3.根据权利要求2所述的的生产方法，其特征在于，加热温度为1200℃；出炉温度不低于1100℃；轧制温度1080℃～1150℃，终轧温度930℃～950℃。
4.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，具体包括：
1)铁水预处理：铁水中的硫含量≤0.05％；
2)转炉冶炼：出钢C≥0.08％，出钢温度≥1600℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，进行脱氧和对炉渣改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣没有结坨现象；
3)LF炉精炼：LF精炼时控制炉渣碱度≥2.0，离位温度1490～1555℃；
4)VD真空脱气：深真空脱气时间≥15min，真空脱气后软吹时间≥14min，软吹过程控制好氩气流量，防止钢液剧烈翻滚，出现卷渣现象；
5)连铸：连铸过程采用保护浇铸，采用低铝保护渣，二冷段采用超弱冷配水，全程恒拉速操作，开启铸机电磁搅拌和轻压下，保证铸坯质量；
6)钢坯加热：铸坯加热总时间≥2.5小时，其中加热炉预热段温度≤800℃，加热一段温度≤1200℃，加热二段温度1100～1300℃，均热段：1100～1260℃；
7)轧制：铸坯经万能轧机轧制成钢轨，开轧温度控制在1080～1150℃，终轧温度930～950℃；
8)空冷和热处理工艺为在线，具体为：加热到930℃保温40分钟，空冷至700℃～765℃后雾冷加风冷热处理冷至490℃～550℃后空冷，随后降低气雾强度使钢轨内部返温和冷却强度相均衡，钢轨温度维持在450-480℃一定时间出热处理线，钢轨出热处理线后自然空冷至室温。
5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述步骤3)中钢水的化学成分重量百分比如下：C 0.86～0.98％；Si 0.58～0.68％；Mn 0.85～1.10％；P≤0.020％；S≤0.025％；Cr:0.05～0.2％；Ni：0.05～0.2％，其余为Fe及不可避免的杂质。
6.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述步骤7)中开轧温度为1140℃，终轧温度为935℃。
7.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述步骤8)中在线热处理总时间为110s。
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