CN111041350A - 一种低温冲击性能高的轧态钢轨及其生产方法 - Google Patents

一种低温冲击性能高的轧态钢轨及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温冲击性能高的轧态钢轨，其原料中含有以下质量百分比的化学成分：C 0.60～0.75；Si 0.45～0.80；Mn 0.85～1.20；Cr 0.15～1.0；V 0.02～0.10；P≤0.025；S≤0.025；RE合金加入量为0.002～0.01％；其余为Fe和不可避免的杂质。提供的低温冲击性能高的轧态钢轨的力学性能为：屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥1029MPa，屈强比≤0.58，伸长率≥14.5％，布氏硬度≥302HB，‑40℃冲击功≥13.5J，具有很好的抗拉强度、踏面硬度、低温韧性和冲击功。

Description

一种低温冲击性能高的轧态钢轨及其生产方法
技术领域
本发明属于炼钢技术领域，具体涉及一种低温冲击性能高的轧态钢轨及其生产方法，尤其涉及一种高寒地区用低温冲击性能高的轧态钢轨及其生产方法。
背景技术
据《中国交通运输发展》白皮书显示：截至2016年底中国铁路营运里程达12.1万公里，如此高速度增长，钢轨服役工况环境必然会更加复杂。其中，我国大部分地区冬季寒冷漫长，部分地区冬季气温有时低于-40℃。钢轨长时间在低温环境下服役可能会出现脆断问题，直接影响铁路运输的安全。这就需要研究并设法提升钢轨低温力学性能指标。从钢轨标准来看，各国对钢轨钢的低温性能没有具体规定，只有俄罗斯ГОСТР51685-2013标准中有耐低温钢轨，但也只对踏面硬度350HB这一级别的钢轨有低温技术要求，检测方法为钢轨低温回火后进行冲击性能测试。一些研究学者研究表明，常温下，U71Mn钢轨硬度平均值为275HB，抗拉强度值为930MPa，低温-40℃轨头U型冲击值为7J左右，低温-60℃轨头U型冲击功为5J左右。热处理是提高钢轨强韧性一个重要手段，通过在线余热，在钢轨珠光体转变温度范围内，进行快速冷却细化珠光体片层间距，这种工艺可同时提高钢轨的强度、硬度和韧性指标。但热处理钢轨生产成本较高，并且成材率和表面质量均较低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题的一个或多个，本发明的一个方面提供一种低温冲击性能高的轧态钢轨，其原料中含有以下质量百分比的化学成分：C 0.60～0.75；Si 0.45～0.80；Mn 0.85～1.20；Cr 0.15～1.0；V 0.02～0.10；P≤0.025；S≤0.025；RE合金加入量为0.002～0.01％；其余为Fe和不可避免的杂质；
其中所述低温冲击性能高的轧态钢轨的力学性能为：屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥1029MPa，屈强比≤0.58，伸长率≥14.5％，布氏硬度≥302HB，-40℃冲击功≥13.5J。
本发明另一方面提供一种低温冲击性能高的轧态钢轨的生产方法，包括将上述的原料经过炼钢生产工艺和钢轨轧制工艺，其中所述炼钢生产工艺包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→VD→连铸→缓冷48小时以上；所述钢轨轧制工艺包括以下步骤：方坯→锯切→加热→BD1轧制→BD2轧制→CCS万能轧机连轧→锯切→冷却→切头尾→矫直→检查→包装→过磅→入库。
上述转炉冶炼采用无铝脱氧合金化，全过程按精炼正常吹氩；真空度≤0.10KPa，深真空时间≥18min，过热度ΔT≤30℃，稀土合金在VD工位加入。
上述方坯加热预热段温度不大于900℃；总加热时长不小于3小时45分钟；出炉温度为不低于1100℃，开轧温度≥1050℃，终轧温度850～960℃。
基于以上技术方案提供的一种高寒地区用高冲击轧态钢轨及其生产方法，利用金属元素合金化提高钢轨强度、硬度，同时合理设计成分和钢轨中加入最优的Cr、V合金元素，细化钢轨微观组织片层间距。在轧制工艺下提高钢轨的抗拉强度、伸长率、踏面硬度、耐磨、冲击韧性等性能。用其生产的轧态钢轨，具有很好的抗拉强度、踏面硬度、低温韧性和冲击功。生产得到的轧态钢轨的力学性能满足：屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥1029MPa，屈强比≤0.58，伸长率≥14.5％，布氏硬度≥302HB，-40℃冲击功≥13.5J。本发明的含稀土高寒地区用耐低温耐磨轧态钢轨具有独特的生产工艺，生产效率高(产量为25支/时)、成本较低，经济效益好，且成材率和钢轨表面质量均较高，适合于大规模生产，具有良好的推广价值。
具体实施方式
客观存在的环境情况要求钢轨低温性能更加突出，特别是高寒地区的运营能力增强，显著的加大钢轨在低温环境条件下工作的性能要求，包括对其踏面硬度、韧性要求更高。本发明的目的是提供一种具有高强耐磨高冲击韧性适应于高寒地区的钢轨及其制备方法。
本发明在生产低温冲击性能高的轧态钢轨时，采用的钢铁材料含有以下质量百分比的化学成分：C 0.60～0.75；Si 0.45～0.80；Mn0.85～1.20；Cr0.15～1.0；V0.02～0.10；P≤0.025；S≤0.025；RE合金加入量为0.002～0.01％；其余为Fe和不可避免的杂质。
该材料中所添加的主要合金元素Si、Mn、Cr、Mn，目的是提高钢轨强度能力和相变转变温度适宜热处理线。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，但是，C含量的增加将降低钢轨韧性，因此本发明C含量同时考虑强韧性。Mn扩大奥氏体相区，增加钢的过冷奥氏体的稳定性，显著提高钢的淬透性。Si降低奥氏体到铁素体转变速度，提高钢的强度、弹性和抗回火稳定性，同时考虑到钢轨焊接性，Si含量不宜过高，因为Si传热性差，不利于钢轨焊接；Cr的加入可提高钢轨强度，因为Cr元素在奥氏体中与Fe元素可无限固溶。且使得钢轨C曲线向右移动，对生产钢轨相变温度和转变时间具有积极的作用。V具有细化晶粒的作用，目前研究已经表明，晶粒细化可同时提高钢的强度和韧性。此外，加入的RE元素为稀土合金，稀土的基础理论研究已经证明，钢中含稀土具有控制冶炼过程中硫化物的形态作用，形成稀土的硫氧化合物并减少其他金属硫化合物的形成，这种新的硫化合物在轧制过程中不变形或很小，使得钢材中的晶粒得到细化。
本发明钢轨材料炼钢生产工艺为：铁水→转炉冶炼→LF精炼→VD→连铸→缓冷48小时以上。转炉冶炼采用无铝脱氧合金化，全过程按精炼正常吹氩；真空度≤0.10KPa，深真空时间≥18min，过热度ΔT≤30℃，稀土合金在VD工位加入。
所述钢轨轧制工艺为：方坯→锯切→加热→BD1轧制→BD2轧制→CCS万能轧机连轧→锯切→冷却→切头尾→矫直→检查→包装→过磅→入库。其方坯加热预热段温度不大于900℃；总加热时长不小于3小时45分钟。出炉温度为不低于1100℃，开轧温度≥1050℃，终轧温度850～960℃。
通过以下具体实施例详细说明本发明。
实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，实施例将有助于理解本发明，但不作为对本发明内容的限制。
本发明各实施例的化学成分见表1。经过以下炼钢生产工艺：铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→VD→连铸→缓冷48小时以上，其中转炉冶炼采用无铝脱氧合金化，全过程按精炼正常吹氩；真空度≤0.10KPa，深真空时间≥18min，过热度ΔT≤30℃。其他工艺流程均按照常规炼钢方法进行(例如参见：王国新等，包钢350km/h高速轨用钢连铸动态轻压下技术应用研究，连铸，2011.09：434-440；赵爱军等，包钢钢轨生产工艺与质量控制，包钢科技，2000.09，第26卷第3期：6-12)。
表1各实施例化学成分(质量百分数/％)
Figure BDA0002293070460000031
随后经过以下轧制工艺：方坯→锯切→加热→BD1轧制→BD2轧制→CCS万能轧机连轧→锯切→冷却→切头尾→矫直→检查→包装→过磅→入库。其中方坯加热预热段温度不大于900℃；加热时长不小于3小时45分钟。出炉温度为不低于1100℃，开轧温度≥1050℃，终轧温度850～960℃。其他操作工艺均可按照常规轧制方法进行(例如参见：王国新等，包钢350km/h高速轨用钢连铸动态轻压下技术应用研究，连铸，2011.09：434-440；赵爱军等，包钢钢轨生产工艺与质量控制，包钢科技，2000.09，第26卷第3期：6-12)。
对轧制后钢材试样进行性能测定：其中拉伸试样规格为，直径d0＝10mm，标距Lo＝5do。踏面硬度在钢轨上随机取样，试样长度250mm，轨头顶面磨去0.5mm，测试点5个，进行布氏硬度测试，计算平均值，试验温度为20℃土5℃，以上试样取样方法和位置及尺寸按照TB/T2344-2012标准。冲击取样按照GB/T229-2007，取样位置在踏面中心，方向为纵向，尺寸为10mm×10mm×50mm，为AKU2型缺口。实验结果如表2所示。
表2各实施例力学性能
Figure BDA0002293070460000041
从上表2可以看出，各实施例钢轨具有良好强度、韧性及力学性能，用其生产的钢轨具有很好的耐磨性、低温韧性。各项性能都优于目前高寒地区铺设的轧态U71Mn钢轨，该产品可替代低温环境条件下铁路铺设的U71Mn钢轨。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低温冲击性能高的轧态钢轨，其特征在于，其原料中含有以下质量百分比的化学成分：C 0.60～0.75；Si 0.45～0.80；Mn 0.85～1.20；Cr 0.15～1.0；V 0.02～0.10；P≤0.025；S≤0.025；RE合金加入量为0.002～0.01％；其余为Fe和不可避免的杂质；
其中所述低温冲击性能高的轧态钢轨的力学性能为：屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥1029MPa，屈强比≤0.58，伸长率≥14.5％，布氏硬度≥302HB，-40℃冲击功≥13.5J。
2.权利要求1所述的低温冲击性能高的轧态钢轨的生产方法，其特征在于，包括将权利要求1提及的原料经过炼钢生产工艺和钢轨轧制工艺，其中所述炼钢生产工艺包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→VD→连铸→缓冷48小时以上；所述钢轨轧制工艺包括以下步骤：方坯→锯切→加热→BD1轧制→BD2轧制→CCS万能轧机连轧→锯切→冷却→切头尾→矫直→检查→包装→过磅→入库。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述转炉冶炼采用无铝脱氧合金化，全过程按精炼正常吹氩；真空度≤0.10KPa，深真空时间≥18min，过热度ΔT≤30℃，稀土合金在VD工位加入。
4.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述方坯加热预热段温度不大于900℃；总加热时长不小于3小时45分钟；出炉温度为不低于1100℃，开轧温度≥1050℃，终轧温度850～960℃。
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