CN111702143B - 一种基于强制冷却的减小重轨钢a类夹杂尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢铁冶金技术领域，公开了一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法。该方法包括以下步骤：(1)将钢水从钢包浇铸到中包再到结晶器；(2)对结晶器的钢水进行连铸电磁搅拌，得到具有一定坯壳厚度的未完全凝固铸坯；(3)拉坯；(4)对铸坯进行二冷气雾冷却，并通过水量分配控制铸坯特定区域局部凝固时间，使所述铸坯特定区域强制冷却。本发明通过对生产工艺过程中的关键工艺进行改进，即控制铸坯特定区域强制冷却使所述铸坯特定区域局部凝固时间缩短，促进所述铸坯特定区域快速凝固，减小二次枝晶臂间距，改善晶间偏析，降低MnS析出率，达到减小MnS夹杂单颗粒尺寸的目的。

Description

一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体涉及一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法。

背景技术

钢轨是铁路轨道的主要组成部件，在铁路运输过程中，对机车提供有效支撑及引导，需承受来自车轮的巨大垂向压力。基于我国基础建设发展需求，铁路运输正以迅猛的速度发展，并不断趋于高速化、重载化。这无疑对钢轨质量提出了更加严苛的要求。钢轨在与车轮接触的时候，承受着机车回环往复且多变的载荷，其纯净度对于钢轨疲劳寿命有着重要影响。由于钢中夹杂物对钢材基体组织连续性的阻碍作用，使得钢材在轧制加工、热处理以及使用过程中与夹杂物发生分离，导致缝隙产生，对钢材力学性能、抗腐蚀性等指标产生消极影响。

此外，基于我国基础建设发展需求，铁路运输正以迅猛的速度发展，并不断趋于高速化、重载化。钢轨规格尺寸也逐渐增大，为减少焊接接头，保证铁路钢轨更高的整体性，大规格钢轨的定尺也在增加。通过以前较小断面铸坯轧制大规格长定尺的钢轨无疑要求铸坯长度定尺更长，这造成后续热处理设备需要进行较大改造；如若铸坯断面尺寸不变，而钢轨规格尺寸变大，这对轧制过程的压缩比无疑造成影响，最终影响钢轨致密度等物性指标。但是大断面重轨钢连铸坯在生成过程中由于其钢种成分本身及钢液凝固传热原理的因素，铸坯横断面局部区域凝固速率差异大，凝固过程产生的凝固组织及溶质元素浓度分布不均匀，进一步地产生严重晶间偏析，晶间溶质浓度极高，这为低温析出的MnS非金属夹杂提供了有利热力学条件。很多学者对夹杂物及均质性控制开展了大量研究。但是，对于本发明所述的“一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法”并未涉及到。

例如：

中国专利CN102242241A公开了一种时速350公里及以上重轨钢中超标夹杂物的控制方法，该发明通过改善VD精炼炉钢包透气砖的透气性(增加钢包透气砖的更换次数，从原来的平均17炉钢/每块砖减少到11炉钢/每块砖)，使真空脱气(简称VD)精炼炉后的软吹平均流量从原来的79.4l/min降低到62.3l/min，并采用小粒径的脱氧剂以保证良好的钢包炉(简称LF炉)精炼效果及软吹效果。但是，对于本发明所述的“一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法”并未涉及到。

中国专利CN101962702A公开了一种控制钢中非金属夹杂物的方法，该方法通过在精炼过程中采用两段法钙处理和软吹，在LF精炼结束和RH真空处理结束分别进行钙处理和软吹，控制铸坯中的非金属夹杂物组成为两类：70％～90％是以CaS为主要成分的非金属夹杂物，10％～30％为氧化物类非金属夹杂物，以解决钙处理后产生的钙铝酸盐类非金属夹杂物没有更多的时间排出钢液,造成铸坯中的钙铝酸盐类非金属夹杂物较多的问题。但是，对于本发明所述的“一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法”并未涉及到。

中国专利CN104525880A公开了一种超大断面圆坯的制造方法。此发明包括以下步骤：1)浇注：将钢水从钢包注入中间包中；2)结晶：将中间包的钢水浇注至结晶器中制得未完全凝固的铸坯，其中，结晶器保护渣性能为：碱度0.2～0.5，熔化温度980～1130℃，1300℃下的粘度为12～18.0Pa·S；设置结晶器电磁搅拌如下：电流400～500A，频率3.0～4.0Hz；3)拉坯：拉坯速度：0.08～0.13m/min；4)二冷：二冷上区采用全水强冷却，二冷下区采用气水雾化弱冷却，综合比水量：0.25～0.35L/kg钢；5)对二冷后的铸坯进行连续矫直，矫直应变率控制在0.08％～0.13％。本发明是基于一种弧形半径16.5米全弧形合金钢连铸机实现直径900mm及以上圆坯的批量生产,且具有良好的表面及内部质量。但是，对于本发明所述的“一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法”并未涉及到。

中国专利CN102806330A公开了一种提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，可以解决现有技术中厚大断面连铸坯中心缩孔疏松和偏析问题。本发明通过控制钢水纯净度、浇注过热度，协同采用微区振荡和凝固自补缩技术，提高铸坯内部质量。微区振荡技术有效消除铸坯内部偏析缺陷，并可以有效细化凝固组织，减轻缩孔疏松。凝固自补缩技术在后续凝固收缩过程中实现同时凝固和固态金属的塑性移动，达到高温可变形金属径向自补缩的目的，从而消除铸坯内部缩孔，并显著改善直至消除铸坯内部疏松。但是，对于本发明所述的“一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法”并未涉及到。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法，采用该方法生产的大断面重轨钢的MnS夹杂尺寸得到有效减小。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法，该方法包括以下步骤：(1)将钢水从钢包浇铸到中包再到结晶器；(2)对结晶器的钢水进行连铸电磁搅拌，得到未完全凝固的铸坯；(3)拉坯；(4)对铸坯进行二冷气雾冷却，并通过水量分配控制铸坯特定区域局部凝固时间，使所述铸坯特定区域强制冷却，其中，所述铸坯特定区域包括二冷二区和二冷三区，二冷二区冷却水量为73.2-85.6L/min，二冷三区冷却水量为50.1-59.2L/min。

优选地，在步骤(1)中，控制浇铸过热度为20-35℃。

优选地，在步骤(2)中，连铸电磁搅拌采用结晶器电磁搅拌。

优选地，在步骤(2)中，所述结晶器电磁搅拌的电流强度为300-400A，电流频率为2.5-3Hz。

优选地，在步骤(3)中，控制拉坯速度为0.65-0.75m/min。

更优选地，在步骤(3)中，控制拉坯速度为0.68-0.72m/min。

优选地，在步骤(4)中，控制二冷二区和二冷三区冷却水量，促进铸坯在特定阶段快速冷却凝固，尤其是铸坯对应钢轨非金属夹杂检测区域，其中，所述铸坯对应钢轨非金属夹杂检测区域为钢轨距离踏面10-15mm对应的区域。

优选地，控制二冷二区冷却水量为75.3-80.5L/min。

优选地，控制二冷三区冷却水量为52.5-57.5L/min。

优选地，该方法还包括对铸坯进行凝固组织腐蚀检测，测定特定区域凝固组织枝晶臂间距。

本发明通过对生产工艺过程中的关键工艺进行改进，即控制铸坯特定区域局部凝固时间，使所述铸坯特定区域强制冷却，促进所述铸坯特定区域快速凝固，减小二次枝晶臂间距，改善晶间偏析，降低MnS析出率，达到减小MnS夹杂单颗粒尺寸的目的。

附图说明

图1是采用本发明所述的方法所得二冷水表获得的坯壳温度演变与重轨钢常规二冷水表所得坯壳温度对比图；

图2是本发明所述方法与普通方法获得的铸坯横断面局部冷却凝固时间对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明所述的基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法，包括以下步骤：(1)将钢水从钢包浇铸到中包再到结晶器；(2)对结晶器的钢水进行连铸电磁搅拌，得到未完全凝固的铸坯；(3)拉坯；(4)对铸坯进行二冷气雾冷却，并通过水量分配控制铸坯特定区域局部凝固时间，使所述铸坯特定区域强制冷却，其中，所述铸坯特定区域包括二冷二区和二冷三区，二冷二区冷却水量为73.2-85.6L/min，二冷三区冷却水量为50.1-59.2L/min。

采用本发明所述的方法所得二冷水表获得的坯壳温度演变与重轨钢常规二冷水表所得坯壳温度对比图如图1所示；本发明所述方法与普通方法获得的铸坯横断面局部冷却凝固时间对比图如图2所示。

在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，将浇铸过热度控制为20-35℃；优选情况下，将浇铸过热度控制为22-32℃；更为优选地，将浇铸过热度控制为25-30℃。

在本发明所述的方法中，在步骤(2)中，连铸电磁搅拌采用结晶器电磁搅拌。所述结晶器电磁搅拌的电流强度为300-400A，具体地，例如可以为300A、320A、340A、360A、380A、400A以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值，优选情况下，所述结晶器电磁搅拌的电流强度为300-380A。所述结晶器电磁搅拌的电流频率为2.5-3Hz，具体地，例如可以为2.5Hz、2.6Hz、2.7Hz、2.8Hz、2.9Hz或3Hz，优选情况下，所述结晶器电磁搅拌的电流频率为2.7Hz。

在本发明所述的方法中，在步骤(3)中，将拉坯速度控制为0.65-0.75m/min；优选情况下，将拉坯速度控制为0.66-0.73m/min；更为优选地，将拉坯速度控制为0.68-0.72m/min。

在本发明所述的方法中，在步骤(4)中，控制二冷二区和二冷三区冷却水量，促进铸坯在特定阶段快速冷却凝固，尤其是铸坯对应钢轨非金属夹杂检测区域。其中，所述铸坯对应钢轨非金属夹杂检测区域为钢轨距离踏面10-15mm对应的区域；具体地，例如可以为10mm、11mm、12mm、13mm、14mm或15mm；优选情况下，所述铸坯对应钢轨非金属夹杂检测区域为钢轨距离踏面12mm对应的区域。

在具体实施方式中，为了能够控制二冷二区和二冷三区的局部凝固时间，减小二次枝晶臂间距，改善晶间偏析，降低MnS析出率，进而减小MnS夹杂单颗粒尺寸，需要合理控制二冷二区冷却水量和二冷三区冷却水量。

在本发明所述的方法中，控制二冷二区冷却水量为73.2-85.6L/min。具体地，例如可以为73.2L/min、74.4L/min、75.2L/min、75.8L/min、76L/min、76.6L/min、77L/min、77.6L/min、78L/min、79L/min、79.5L/min、80.4L/min、81.6L/min、82.3L/min、83.6L/min、84.2L/min、85.6L/min以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。优选情况下，控制二冷二区冷却水量为75.3-80.5L/min。

在本发明所述的方法中，控制二冷三区冷却水量为50.1-59.2L/min。具体地，例如可以为50.1L/min、51L/min、51.5L/min、52L/min、52.6L/min、53L/min、53.4L/min、54.1L/min、54.8L/min、55.3L/min、55.8L/min、56L/min、56.7L/min、57.1L/min、57.6L/min、58.2L/min、58.7L/min、59.2L/min以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。优选情况下，控制二冷三区冷却水量为52.5-57.5L/min。

在本发明所述的方法中，该方法还包括对铸坯进行凝固组织腐蚀检测，测定特定区域凝固组织枝晶臂间距。凝固组织腐蚀检测的方法为：将试样浸没于温度为23-27℃、浓度为36-38质量％的盐酸溶液中进行试样深腐蚀，腐蚀时间控制在35-45min。

本发明通过对生产工艺过程中的关键工艺进行改进，即控制铸坯特定区域强制冷却使所述铸坯特定区域局部凝固时间缩短，促进所述铸坯特定区域快速凝固，减小二次枝晶臂间距，改善晶间偏析，降低MnS析出率，达到减小MnS夹杂单颗粒尺寸的目的。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

本实施例用于说明某炼钢厂采用本发明所述的方法生产大断面(280mm x 380mm)U71Mn重轨钢连铸坯。

生产过程中对本发明所述的方法实际执行情况为：二冷二区冷却水量控制为76.2L/min；二冷三区冷却水量控制为59.2L/min控制；中包浇铸过热度控制范围为27-34℃，平均值为31℃；拉速控制在0.68-0.72m/min，保持0.71m/min(恒速浇注)的比例达83％；连铸结晶器电磁搅拌的电流强度为300A，搅拌电流频率为2.5Hz。

浇铸结束后，对连铸坯进行凝固组织腐蚀检测，结果显示：该方法所生产的重轨钢U71Mn连铸坯凝固组织发生改变，柱状晶区晶粒组织更为致密，二次枝晶臂间距为212.5-271.4μm，较常规普通工艺的275.3-331.1μm降低了约62μm；混晶区晶干组织清晰且致密，铸坯其余内部质量指标均满足工艺要求。跟踪钢轨夹杂物检测，检测区域与踏面的距离为12mm，采用Aspex扫描统计纯态MnS非金属夹杂尺寸，其中平均单颗粒二维面积为20.1-23.9μm²及单颗粒长度最大尺寸为57.8μm，较普通工艺的平均单颗粒二维面积28.2-45.7μm²及单颗粒长度最大尺寸78.1μm明显减小。钢轨其余性能指标全部满足指标要求。

实施例2

本实施例用于说明某炼钢厂采用本发明所述的方法生产大断面(280mm x 380mm)U75V重轨钢连铸坯。

生产过程中对本发明所述的方法实际执行情况为：二冷二区冷却水量控制为80.6L/min；二冷三区冷却水量控制为50.1L/min控制；中包浇铸过热度控制范围为20-32℃，平均值为28℃；拉速控制在0.65-0.71m/min，保持0.68m/min(恒速浇注)的比例达88％；连铸结晶器电磁搅拌的电流强度为350A，搅拌电流频率为2.7Hz。

浇铸结束后，对连铸坯进行凝固组织腐蚀检测，结果显示：该方法所生产的重轨钢U75V连铸坯凝固组织发生改变，柱状晶区晶粒组织更为致密，二次枝晶臂间距为230.5-278.2μm，较常规普通工艺的273.3-321.7μm降低了约43μm；混晶区晶干组织清晰且致密，铸坯其余内部质量指标均满足工艺要求。跟踪钢轨夹杂物检测，检测区域与踏面的距离为10mm，采用Aspex扫描统计纯态MnS非金属夹杂尺寸，其中平均单颗粒二维面积为20.1-25.2μm²及单颗粒长度最大尺寸为54.6μm，较普通工艺的平均单颗粒二维面积29.2-37.7μm²及单颗粒长度最大尺寸84.6μm明显减小。钢轨其余性能指标全部满足指标要求。

实施例3

本实施例用于说明某炼钢厂采用本发明所述的方法生产大断面(280mm x 380mm)U78CrV重轨钢连铸坯。

生产过程中对本发明所述的方法实际执行情况为：二冷二区冷却水量控制为73.2L/min；二冷三区冷却水量控制为54.2L/min控制；中包浇铸过热度控制范围为25-35℃，平均值为30.5℃；拉速控制在0.68-0.75m/min，保持0.70m/min(恒速浇注)的比例达80％；连铸结晶器电磁搅拌的电流强度为400A，搅拌电流频率为3.0Hz。

浇铸结束后，对连铸坯进行凝固组织腐蚀检测，结果显示：该方法所生产的重轨钢U78CrV连铸坯凝固组织发生改变，柱状晶区晶粒组织更为致密，二次枝晶臂间距为220.0-271.2μm，较常规普通工艺的279.3-313.0μm降低了约45μm；混晶区晶干组织清晰且致密，铸坯其余内部质量指标均满足工艺要求。跟踪钢轨夹杂物检测，检测区域与踏面的距离为15mm，采用Aspex扫描统计纯态MnS非金属夹杂尺寸，其中平均单颗粒二维面积为23.4-28.9μm²及单颗粒长度最大尺寸为51.6μm，较普通工艺的平均单颗粒二维面积34.2-39.7μm²及单颗粒长度最大尺寸81.3μm明显减小。钢轨其余性能指标全部满足指标要求。

上述实施实例说明，通过采用本发明所述的方法，大断面(280mm x 380mm)重轨钢铸坯凝固组织得到致密化控制，枝晶间距缩短，反映出局部凝固时间确实得到缩短，局部凝固速率得到有效提高，晶间偏析的到改善控制，MnS夹杂析出尺寸得到减小，这对重轨钢MnS非金属夹杂的评级控制及氢陷阱作用发挥研究奠定了重要基础，且铸坯及钢轨的其他质量指标均正常。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于强制冷却的减小重轨钢A类夹杂尺寸的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将钢水从钢包浇铸到中包再到结晶器；(2)对结晶器的钢水进行连铸电磁搅拌，得到未完全凝固的铸坯；(3)拉坯；(4)对铸坯进行二冷气雾冷却，并通过水量分配控制铸坯特定区域局部凝固时间，使所述铸坯特定区域强制冷却，其中，所述铸坯特定区域包括二冷二区和二冷三区，二冷二区冷却水量为73.2-85.6L/min，二冷三区冷却水量为50.1-59.2L/min。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，控制浇铸过热度为20-35℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，连铸电磁搅拌采用结晶器电磁搅拌。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述结晶器电磁搅拌的电流强度为300-400A，电流频率为2.5-3Hz。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，控制拉坯速度为0.65-0.75m/min。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，控制拉坯速度为0.68-0.72m/min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，控制二冷二区和二冷三区冷却水量，促进铸坯在特定阶段快速冷却凝固，尤其是铸坯对应钢轨非金属夹杂检测区域，其中，所述铸坯对应钢轨非金属夹杂检测区域为钢轨距离踏面10-15mm对应的区域。

8.据权利要求7所述的方法，其特征在于，控制二冷二区冷却水量为75.3-80.5L/min。

9.据权利要求7所述的方法，其特征在于，控制二冷三区冷却水量为52.5-57.5L/min。

10.据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括对铸坯进行凝固组织腐蚀检测，测定特定区域凝固组织枝晶臂间距。

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