CN111215592B - 一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法及其应用，属于重轨钢连铸生产领域。该重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法包括：根据要研究的连铸坯在后续轧制过程中的压下工艺参数，利用有限元方法模拟连铸坯在后续轧制过程中，连铸坯形状的变形情况，确定铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系；根据对应关系，对铸坯对照样上典型位置和对应的轧坯上典型位置进行取样，取样分为钻屑取样和样品块取样，对微观、宏观偏析进行研究。从而有针对性的优化连铸及后续生产工艺，对提升重轨钢连铸坯与重轨轧材的整体均质性、揭示铸坯偏析遗传性、促进重载铁路的安全、稳定、长寿命运行均具有重大的理论指导意义。

Description

一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法及其应用

技术领域

本发明属于钢铁冶金工业中的重轨钢连铸生产领域，是一种大断面连铸坯生产领域，具体涉及一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法及其应用。

背景技术

为了满足我国东西部能源输送这个国家重大战略需求，发展重载铁路对于国土面积巨大的我国意义十分巨大。然而在重载铁路的实际运营过程中，重载铁路钢轨往往会由于自身存在的偏析缺陷，导致其在大载荷、高冲击的服役环境中出现断裂、点蚀等各种失效行为，严重阻碍着重载铁路的安全、稳定、长寿命运行，制约着我国经济建设的快速发展。因此，解决重载铁路用重轨钢的轧材偏析缺陷问题才是从根本上解决失效问题的关键。

但是，研究人员往往集中精力解决连铸过程中重轨钢连铸坯的冶金缺陷问题，通过多外场调控等手段实现重轨钢连铸坯偏析缺陷的充分解决；但是，实际生产过程中重轨钢连铸坯偏析缺陷往往不能得以充分消除，从而导致研究人员很容易忽视连铸后继加热、轧制等生产工序对重轨钢连铸坯偏析缺陷的影响机制，不能有效的改善重轨钢连铸大方坯内部的溶质偏析缺陷。因此，亟需系统研究实际生产过程中重轨钢连铸坯偏析缺陷在后继加热、轧制等生产工序中的遗传演变规律。

首先，单纯的连铸工艺对连铸坯的偏析缺陷的改善作用是有限的，而单纯的轧钢工艺对偏析缺陷的改善作用也是十分微弱的。然而，铸坯经过万能轧机的多孔型轧制之后，连铸坯与轧材之间的位置对应关系变得十分模糊，所以对重轨钢连铸坯与钢轨轧材的典型位置之间的对应关系进行研究是十分必要的。这样在明确重轨钢连铸坯与钢轨轧材的典型位置之间的对应关系后，才能有针对性的研究铸坯上偏析缺陷在钢轨轧材上的对应遗传作用效果，实现从轧材的偏析检测数据推断连铸坯断面上的偏析程度，进而根据连铸工艺与铸坯凝固特性实现重轨钢连铸坯的偏析缺陷控制。

因此，在上述研究内容的基础上，揭示重轨钢连铸坯偏析缺陷在后续加热、轧制流程中的遗传性，对有效提升重轨钢连铸坯均质度、解决重轨轧材内部偏析缺陷、保障重载铁路钢轨严苛服役环境下的安全、稳定、长寿命运行都具有重大战略意义。

鉴于重轨钢偏析缺陷对重载铁路运行的显著影响作用，该领域已得到许多研究者的重视，并开展了相关的科研工作。

中国专利CN201910661008.5公开了重轨钢全断面均质性及轨腰致密度控制方法。其通过在连铸阶段优化结晶器电磁搅拌工艺、中间包浇铸工艺与二冷配水工艺，使重轨钢铸坯凝固组织得到良好控制，柱状晶发达但晶杆细而致密，等轴晶区域缩小，使连铸坯的偏析缺陷得到很好的控制，从而使钢轨全断面均质性提高，重轨轨腰偏析程度进一步降低。但是，该项研究并未考虑重轨钢连铸坯偏析缺陷在后续加热、轧制流程中的遗传性。

中国专利CN201910660580.X公开了一种重轨钢均质性提升控制方法。其通过结合结晶器电磁搅拌工艺与凝固末端轻压下工艺，使重轨钢连铸坯的偏析缺陷得到有效控制，进而实现重轨钢钢轨均质度的有效提升。但是，该项研究仍然停留在连铸阶段解决铸坯的偏析缺陷问题，并没有涉及到连铸后续工艺流程中连铸坯偏析缺陷的遗传作用。

中国专利CN201510513319.9公开了高档矿山研磨球用B2超低碳偏析指数控制方法。其通过合理的炼钢、连铸工艺制度，从源头降低铸坯的碳偏析指数，并通过后期的加热炉高温扩散，进一步实现铸坯均质度的优化，以获得硬度均匀的研磨球。但是，该项研究并未对连铸坯偏析缺陷在后续加热、轧制流程中的遗传性进行系统的研究，也没有针对重轨钢连铸坯与钢轨轧材的典型位置之间的对应关系进行研究。

目前，已有众多关于在连铸过程中解决连铸坯偏析缺陷的相关技术，但是，针对重轨钢连铸坯与钢轨轧材的典型位置之间对应关系与连铸坯偏析缺陷在后续加热、轧制流程中的遗传性研究还鲜有报道。

发明内容

针对连铸坯偏析缺陷在后续加热、轧制流程中遗传性上的研究不足，本发明提供了一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法及其应用。目的是准确揭示重轨钢连铸坯与钢轨轧材的典型位置之间的对应关系与连铸坯偏析缺陷在后续加热、轧制流程中的遗传性，有针对性的优化连铸及后续生产工艺，对提升重轨钢连铸坯与重轨轧材的整体均质性、揭示铸坯偏析遗传性、促进重载铁路的安全、稳定、长寿命运行均具有重大的理论指导意义。

本发明的一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法，包括以下步骤：

步骤1：

根据要研究的连铸坯在后续轧制过程中的压下工艺参数，利用有限元方法模拟连铸坯在后续轧制过程中，连铸坯形状的变形情况，确定铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系；

步骤2：

取两个连铸坯，其中，一个作为铸坯对照样，另一个在压下工艺参数条件下，进行后续轧制，得到轧材；根据步骤1得到的铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系，对铸坯对照样上典型位置和对应的轧坯上典型位置进行取样，取样分为两种：

(1)钻屑取样，得到的试样通过金属多元素分析仪进行检测，得到重轨钢铸坯在后续加热、轧制过程中宏观溶质元素偏析行为的变化情况，根据其变化情况，对工艺进行调整，预防裂纹产生；

(2)取样品块，将样品块进行磨制、抛光后，用苦味酸腐蚀后，进行EPMA电子探针显微镜实验，得到重轨钢铸坯在后续加热、轧制过程中的微观溶质元素偏析行为的变化情况，根据变化情况，对工艺进行调整，提高焊接性能。

所述的步骤1中，铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系的确定是根据有限元在铸坯上节点位置的变化情况确定，从而准确描述连铸坯在连铸后续轧制过程中的位置遗传性。

所述的步骤1中，连铸坯为厚度为200mm～500mm的连铸大方坯。

所述的步骤2(1)中，钻屑取样采用

的钻头取样。

所述的步骤2(2)中，样品块的大小为15mm*15mm*15mm。

一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法的应用，根据所述的重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法得到的遗传性结果，进行如下步骤：

步骤3：

通过详细分析步骤2中铸坯对照样与轧材，在宏观溶质元素偏析以及微观溶质元素偏析的缺陷遗传性，采取不同的工艺控制措施实现重轨轧材均质度的整体提升，具体分为两种：

(1)当步骤2中铸坯对照样与轧材，在宏观溶质元素偏析以及微观溶质元素偏析较严重，即铸坯对照样与轧材宏观溶质元素偏析最大碳元素偏析比＞1.20，应根据步骤(1)中的铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系，有针对性的调整不同的连铸工艺参数，实现连铸坯对应位置均质度的有效提升，抑制偏析缺陷的遗传性；

所述的有针对性的调整不同的连铸工艺参数，主要为：

1)若发现重轨轧材的轨头与轨座位置存在严重的偏析缺陷时，应采取优化电磁搅拌参数、降低过热度、结晶器喂丝/带其中的一种或几种结合的方式，调控铸坯凝固组织，使连铸坯边缘、1/4位置、中心处的宏观、以及微观偏析得到有效控制，进而实现重轨轧材轨头与轨座位置均质度的提升；

2)若发现重轨轧材的轨腰位置存在严重的偏析缺陷时，应主要采取连铸凝固末端轻压下、凝固末端重压下、凝固末端强冷中的一种或几种方式的结合工艺，调控铸坯凝固末端两相区富集溶质熔体流动，影响溶质的长距离传输，使连铸坯中心处的宏观、以及微观偏析得到有效控制，进而实现重轨轧材轨腰位置均质度的提升。

(2)当步骤2中铸坯对照样与轧材，在宏观溶质元素偏析以及微观溶质元素偏析较轻，即铸坯对照样与轧材宏观溶质元素最大碳元素偏析比<1.20，则应优先采取调整连铸后续加热炉工艺的方式实现重轨轧材整体均质度的提升。

所述的连铸后续加热炉工艺中，影响偏析遗传性的主要工艺环节为加热炉，而加热炉中均热段的均热时间与均热温度则是调节关键所在。根据步骤(1)中的铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系，有针对性的调整不同的加热炉均热段工艺参数，使加热炉内连铸坯的元素得到充分的高温扩散，进而得到高均质度的重轨轧材。

本发明的一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法及其应用，其有益效果为：

本发明针对重载铁路钢轨偏析问题严重导致影响铁路安全、稳定、高效运营的关键瓶颈难题，基于连铸坯偏析缺陷在后续加热、轧制流程中的遗传性研究，提出重轨钢连铸坯与钢轨轧材的典型位置之间的对应关系研究与连铸坯偏析缺陷在后续加热、轧制流程中的遗传性研究，在明确重轨钢连铸坯与钢轨轧材的典型位置之间的对应关系后，可以有效揭示连铸阶段重轨钢铸坯典型位置处尚未完全消除的部分残余偏析缺陷在后续工艺中的遗传性，有助于进一步的提升重轨钢连铸坯的整体均质度，保障重载铁路钢轨严苛服役环境下的安全、稳定、长寿命运行。

此外，本发明也填补了连铸坯偏析缺陷在后续加热、轧制流程中的遗传性上的研究空白，丰富了重轨钢生产全流程溶质偏析缺陷研究的理论体系。

附图说明

图1为重轨钢大方坯的典型位置与轧材上的典型位置的对应位置关系；

图2为重轨钢铸坯取样图；

图3为重轨钢铸坯C、Mn元素偏析指数检测结果；

图4为重轨钢铸坯的EPMA检测结果；

图5为重轨钢轧材C、Mn元素偏析指数检测结果；

图6为重轨钢轧材取样位置示意图；

图7为重轨钢轧材的EPMA检测结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细具体的说明。

实施例1

本实施例对过共析重轨钢连铸大方坯溶质偏析缺陷遗传性进行研究：

针对重轨钢连铸大方坯偏析缺陷在后续加热与轧制工序中的遗传性问题，本例以重轨钢连铸坯与钢轨轧材的典型位置之间的对应关系研究为切入点，系统研究重轨钢连铸坯偏析缺陷的遗传性，同时有针对性的提出工艺解决措施。

一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法，包括以下步骤：

步骤1：为了系统研究铸坯与轧材溶质偏析行为的对应关系，首先需要明确铸坯与轧材之间的位置遗传性。为准确揭示重轨钢连铸坯与钢轨轧材的典型位置之间的对应关系，建立了考虑实际轧制工艺参数的多辊多道次轧制过程有限元计算模型，模拟大方坯在轧制过程中铸坯形状的变形行为。如附图1所示，连铸大方坯初始厚度(x)在260～300mm，宽度(y)在360～400mm，轧制后重轨钢钢轨高度(z)在170～185mm。经过计算，得出重轨钢大方坯与轧材上典型位置的对应位置关系如图1所示。附图1中详细位置参数a与b如表1所示。

表1重轨钢大方坯与轧材上典型位置对应位置关系详细参数

根据上述有限元计算结果，通过节点位置确定铸坯上15个典型位置与轧材上的对应关系，对连铸大方坯在连铸后续轧制过程中的位置遗传性进行了准确的描述。

步骤2：

同时，为了系统研究重轨钢铸坯和轧材对应位置处的溶质宏、微观偏析遗传性，并有针对性的提出相应工艺改进措施，对铸坯进行了元素分布检测与EPMA电子探针显微镜检测，具体为：取两个连铸坯，其中，一个作为铸坯对照样，另一个在压下工艺参数条件下，进行后续轧制，得到轧材；取样位置如图1与图2所示。采用

的钻头对重轨钢铸坯对照样和轧材进行钻屑取样，并取样品块用于EPMA电子探针显微镜检测，样品块尺寸为15mm×15mm×15mm。

对于钻屑取样，通过金属多元素分析仪进行检测，对重轨钢铸坯的宏观偏析进行分析，从图3的宏观偏析元素分布检测结果可以得出，重轨钢连铸坯宏观偏析最大碳元素偏析比<1.20；

对样品块进行磨制、抛光后，用苦味酸腐蚀后，进行EPMA电子探针显微镜实验，得到微观偏析元素分布检测结果，从图4的微观偏析元素分布检测结果也可以看出，铸坯不同位置处的微观偏析存在着聚集现象，应优先调整连铸后续加热炉工艺实现重轨轧材整体均质度的提升。

步骤3：

分析发现步骤2中铸坯对照样与轧材，在宏观溶质元素偏析以及微观溶质元素偏析较轻，将连铸后续加热炉工艺的方式进行调整，加热炉均热段生产工艺调整如下：

均热时间由30min增加到50min、均热温度由1210℃增加到1250℃。

生产工艺调整后，通过测量重轨轧材对应位置处的元素含量改变量，可以定量的分析出，重轨钢铸坯在连铸后续工艺中元素偏析的改善情况。重轨钢轧材样的C和Mn元素分布的检测结果如图5所示。

从图3和图5的钻屑实验检测结果可知，经过加热炉高温均热工艺和轧制工艺后的重轨钢铸坯，其中C和Mn元素的偏析缺陷得到了很大的改善，尤其对Mn元素的偏析缺陷改善效果非常明显。铸坯中心与轧材轨腰对应位置处C元素偏析度由1.186降低为1.087，铸坯中心与轧材轨腰对应位置处Mn元素偏析度由1.168降低为1.049。

同时，为了进一步研究铸坯和轧材对应位置处的微观偏析行为，按照表1中的铸坯与轧材对应位置关系进行取样，如图2与图6所示。样品尺寸为15mm×15mm×15mm。对比图4和图7的重轨钢EPMA电子探针显微镜检测结果，可以从中看出，在铸坯到轧材的整个过程中，溶质元素的微观偏析行为是存在着遗传性的。随着样品所取位置越靠近铸坯横断面的中心位置，重轨钢铸坯的微观偏析缺陷越严重，在轧材所对应位置的样品上微观偏析缺陷就越明显；但是，在重轨钢铸坯经历了连铸后续的加热炉高温均热段工序后，铸坯与轧材对应位置处的微观偏析缺陷得到了很大程度的改善。

以上检测结果说明：在连铸坯宏观偏析最大碳元素偏析比<1.20时，连铸工艺后续的加热工序对改善重轨钢铸坯元素宏、微观偏析缺陷具有较好的促进作用。

所以，从以上结果得出，要解决重轨钢轧材轨腰位置较为严重的偏析缺陷，还应重点解决重轨钢铸坯中心位置处的偏析缺陷行为，并辅以连铸后续的加热炉工序实现铸坯偏析缺陷的长时间高温扩散，保障重轨钢轧材均质度的进一步提升。

以上所述的实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到该技术方案的简单变化或等效替换，并应用于考虑重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法中，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法的应用，采用以下重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法，包括以下步骤：

步骤1：

根据要研究的连铸坯在后续轧制过程中的压下工艺参数，利用有限元方法模拟连铸坯在后续轧制过程中，连铸坯形状的变形情况，确定铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系；

步骤2：

取两个连铸坯，其中，一个作为铸坯对照样，另一个在压下工艺参数条件下，进行后续轧制，得到轧材；根据步骤1得到的铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系，对铸坯对照样上典型位置和对应的轧坯上典型位置进行取样，取样分为两种：

(1)钻屑取样，得到的试样通过金属多元素分析仪进行检测，得到重轨钢铸坯在后续加热、轧制过程中宏观溶质元素偏析行为的变化情况，根据其变化情况，对工艺进行调整，预防裂纹产生；

(2)取样品块，将样品块进行磨制、抛光后，用苦味酸腐蚀后，进行EPMA电子探针显微镜实验，得到重轨钢铸坯在后续加热、轧制过程中的微观溶质元素偏析行为的变化情况，根据变化情况，对工艺进行调整，提高焊接性能；

其特征在于，根据所述的重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法得到的遗传性结果，进行步骤3：

通过详细分析步骤2中铸坯对照样与轧材，在宏观溶质元素偏析以及微观溶质元素偏析的缺陷遗传性，采取不同的工艺控制措施实现重轨轧材均质度的整体提升，具体分为两种：

(1)当步骤2中铸坯对照样与轧材，在宏观溶质元素偏析以及微观溶质元素偏析较严重，即铸坯对照样与轧材宏观溶质元素偏析最大碳元素偏析比＞1.20，应根据步骤(1)中的铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系，有针对性的调整不同的连铸工艺参数，实现连铸坯对应位置均质度的有效提升，抑制偏析缺陷的遗传性；

(2) 当步骤2中铸坯对照样与轧材，在宏观溶质元素偏析以及微观溶质元素偏析较轻，即铸坯对照样与轧材宏观溶质元素最大碳元素偏析比<1.20，则应优先采取调整连铸后续加热炉工艺的方式实现重轨轧材整体均质度的提升。

2.根据权利要求1所述的重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法的应用，其特征在于，所述的有针对性的调整不同的连铸工艺参数，主要为：

1)若发现重轨轧材的轨头与轨座位置存在严重的偏析缺陷时，应采取优化电磁搅拌参数、降低过热度、结晶器喂丝/带其中的一种或几种结合的方式，调控铸坯凝固组织，使连铸坯边缘、1/4位置、中心处的宏观、以及微观偏析得到有效控制，进而实现重轨轧材轨头与轨座位置均质度的提升；

2）若发现重轨轧材的轨腰位置存在严重的偏析缺陷时，应主要采取连铸凝固末端轻压下、凝固末端重压下、凝固末端强冷中的一种或几种方式的结合工艺，调控铸坯凝固末端两相区富集溶质熔体流动，影响溶质的长距离传输，使连铸坯中心处的宏观、以及微观偏析得到有效控制，进而实现重轨轧材轨腰位置均质度的提升。

3.根据权利要求1所述的重轨钢连铸坯偏析缺陷遗传性研究方法的应用，其特征在于，所述的连铸后续加热炉工艺中，影响偏析遗传性的主要工艺环节为加热炉，而加热炉中均热段的均热时间与均热温度则是调节关键所在；根据步骤(1)中的铸坯上典型位置和轧材上典型位置的对应关系，有针对性的调整不同的加热炉均热段工艺参数，使加热炉内连铸坯的元素得到充分的高温扩散，进而得到高均质度的重轨轧材。

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