CN114042906A - 一种浸入式水口和改善重轨非金属夹杂物控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种浸入式水口和改善重轨非金属夹杂物控制的方法。该浸入式水口包含水口主体，所述水口主体内设置有至少一个微气泡生成单元，所述微气泡生成单元配置为形成在所述水口主体内均匀分布的微小气泡膜。采用本发明所述的技术方案生产大断面重轨钢，连铸过程中结晶器内部钢液中非金属夹杂物的捕获、碰撞聚集及去除更加充分，钢质纯净度更高；非金属夹杂物分布更加弥散化，单位面积夹杂物颗粒数降低，非金属夹杂物评级水平得到提升，为产品质量合格率提升提供了重要技术支撑，为钢轨力学性能改善提供积极影响。

Description

一种浸入式水口和改善重轨非金属夹杂物控制的方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，特别涉及一种浸入式水口和改善重轨非金属夹杂物控制的方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，交通运输的影响作用愈发突出，高效便捷的铁路运输在社会经济建设中发挥了重要的作用。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。随着铁路运输对钢轨服役性能的日趋提升，钢轨各项技术质量指标控制要求不断提升。非金属夹杂物对钢轨性能的重要影响决定其在钢轨质量发展中必须得到有效控制。为此，相关标准中对于非金属夹杂评级控制提出了明确的要求。非金属夹杂控制在线路上影响产品安全可靠性，而对于生产企业则直接影响产品质量水平，影响质量控制合格率，影响生产效率及生产成本。

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“一种改善重轨非金属夹杂物控制的技术方案”并未涉及到。

例如：

CN209094542U提供了一种有助于减少钢水中非金属夹杂的长水口，涉及炼钢连铸功能耐火材料领域。该有助于减少钢水中非金属夹杂的长水口，包括长水口本体和泡沫陶瓷过滤片，长水口本体为中空结构，且长水口本体内部设有内腔，长水口本体的上端开设有碗口，碗口与内腔相通，长水口本体的下端内腔设有圆环形平台，长水口本体下端开设有出钢口。钢水进入长水口内腔后，先冲击在复合在长水口内腔圆环形平台的陶瓷过滤片上，经过缓冲，钢水流速降低，分散的钢水经过陶瓷过滤片后会向出钢口内孔中心方向集中，降低紊流，减少了气泡的产生，同时泡沫陶瓷过滤片比表面积大的特点，也有助于吸附和去除钢水中的非金属夹杂。但是，对于本发明所述的“一种改善重轨非金属夹杂物控制的技术方案”并未涉及到。

CN112924470A提供了一种钢中非金属夹杂物的快速检测方法，所述方法首先采用真空取样器对处于精炼和连铸过程中的钢水进行取样，获取钢水样品进行冷却；其次将所述钢水样品放入电磁感应加热器的坩埚中，快速熔化所述钢水样品并保温，所述钢水样品快速熔化后形成钢液，对钢液进行快速冷却和凝固，形成具有圆弧状上表面的钢滴，其中非金属夹杂物附着于钢滴的圆弧状上表面上；最后采用阴极发光仪对钢滴上的非金属夹杂物进行检测，确定钢中非金属夹杂物的成分，大大缩短了钢水样品的处理时间，实现了冶炼过程钢中非金属夹杂物的快速检测。但是，对于本发明所述的“一种改善重轨非金属夹杂物控制的技术方案”并未涉及到。

CN111238915A提供了一种高温合金中非金属夹杂物的提取方法，涉及金属材料技术领域，所提取的夹杂物纯度高，掺杂项少，能够实现较好的高温合金中非金属夹杂物定性提取的效果；该方法步骤包括：根据高温合金的极化曲线确定电解液的配比与电解制度；采用该电解液和电解制度对高温合金试样进行非水弱酸溶液电解；电解时在高温合金试样的外周设置用于收集非金属夹杂物的透析膜；采用盐酸-乙醇溶液对含有非金属夹杂物的溶液进行回流煮沸，实现干扰项的去除；采用真空抽滤的方式收集非金属夹杂物，再用乙醇溶液去除能够溶于乙醇的杂质离子，得到非金属夹杂物。本发明提供的技术方案适用于高温合金非金属夹杂物提取的过程中。但是，对于本发明所述的“一种改善重轨非金属夹杂物控制的技术方案”并未涉及到。

CN111378810A公开了一种降低钢中非金属夹杂物尺寸及数量的精炼工艺，具体包括以下步骤：(一)在转炉出钢过程加入铝块进行脱氧，将氧控制在100ppm以内，转炉出钢时间≥5min，出钢过程严禁下渣；(二)LF精炼初期通过底吹氩气，流量为0.5-1Nm3/h，同时加入铝线，将氧含量控制在30-60ppm范围内；(三)LF精炼后期加入石英砂，然后喂纯钙线，将氩气流量提升至4-5Nm3/h底吹1-2min，然后将氩气流量降至0.5-1Nm3/h底吹3-5min，将CaO/SiO比控制在4.0-6.0；(四)RH精炼破真空后，喂入纯钙线，然后静搅总时间≥25分钟。但是，对于本发明所述的“一种改善重轨非金属夹杂物控制的技术方案”并未涉及到。

CN106906330A公开了一种帘线钢LX72A非金属夹杂物控制的方法。工艺流程为：混铁炉→铁水预处理，脱S、扒渣→120吨顶底复吹转炉→钢包底吹氩→LF炉精炼→150mm×150mm方坯连铸；其中，(1)转炉采用高拉碳工艺，终点碳含量0.45～0.55wt％，终点磷含量0.010～0.016wt％，转炉终点温度1620～1640℃；(2)渣中CaO的控制，ω(CaO)＝40～50wt％，终渣碱度R≥2.8；(3)LF炉精炼的“白渣”操作，保持渣中ω(FeO)降到1.0wt％以下，形成强还原性气氛；(4)在精炼LF炉处理结束后，对钢水进行软吹氩处理。采用本发明严格控制夹杂物的数量及形态，使夹杂物总量减少，同时避免产生大颗粒脆性及不变形夹杂物。但是，对于本发明所述的“一种改善重轨非金属夹杂物控制的技术方案”并未涉及到。

发明内容

本申请总结了实施例的各方面，并且不应当用于限制权利要求。根据在此描述的技术可设想到其他实施方式，这对于本领域技术人员来说在研究以下附图和具体实施方式后将是显而易见的，并且这些实施方式意图被包含在本申请的范围内。

本发明的目的是提供一种改善重轨非金属夹杂物控制的技术方案，具体地，一方面，本发明提供一种浸入式水口，其包含：

水口主体，所述水口主体内设置有至少一个微气泡生成单元，所述微气泡生成单元配置为形成在所述水口主体内均匀分布的微小气泡膜。

在本发明的实施例中，所述微气泡生成单元设置在所述水口主体内距离钢液流入口预定距离的位置。

在本发明的实施例中，所述预定距离为500～520mm。

在本发明的实施例中，所述水口主体包括内侧壁，所述内侧壁具有壁厚，所述微气泡生成单元的水平截面尺寸等于所述壁厚，并且所述微气泡生成单元的垂直截面尺寸与所述水平截面尺寸相同。

在本发明的实施例中，所述微气泡生成单元包括主气流通道和微气泡形成通道，其中所述主气流通道的直径为所述水平截面尺寸的1/8～1/2，微气泡形成通道的直径为所述水平截面尺寸的1/16～1/4。

在本发明的实施例中，所述主气流通道的直径为所述水平截面尺寸的1/4，微气泡形成通道的直径为所述水平截面尺寸的1/8。

在本发明的实施例中，所述微气泡形成通道包括微气泡出口，所述微气泡出口沿所述内侧壁均匀分布，多个所述微气泡出口之间的间距为所述水平截面尺寸的1/16～1/4。

另一方面，本发明提供一种改善重轨非金属夹杂物控制的方法，其包含以下步骤：

在浸入式水口的水口主体内设置至少一个微气泡生成单元，所述微气泡生成单元包括主气流通道和微气泡形成通道并且配置为形成在所述水口主体内均匀分布的微小气泡膜；

向所述主气流通道中通入惰性气体，以通过所述微气泡形成通道产生微气泡。

在本发明的实施例中，所述惰性气体的流量为0.15～0.19NL/min。

在本发明的实施例中，方法进一步包含：调节铸坯轧制方向以将铸坯的宽面轧制在所述重轨的轨头或轨底。

采用本发明所述的技术方案生产大断面重轨钢，连铸过程中结晶器内部钢液中非金属夹杂物的捕获、碰撞聚集及去除更加充分，钢质纯净度更高；轧制工艺优化调整后，钢轨中的非金属夹杂物分布更加弥散化，单位面积夹杂物颗粒数降低，非金属夹杂物评级水平得到提升，为产品质量合格率提升提供了重要技术支撑，为钢轨力学性能改善提供积极影响。

在研究以下说明书、权利要求书和附图后，本领域技术人员将理解和意识到本公开的这些和其它方面、目的和特征。

附图说明

为了更加完整地理解本申请的实施例，应参考在附图中更为详细地说明以及下文中通过示例描述的实施例，其中：

图1示出了本发明所述的浸入式水口的实施例的截面示意图；

图2示出了本发明所述的微气泡生成单元的实施例的截面示意图；

图3示出了本发明所述的改善重轨非金属夹杂物控制的方法的流程图；

图4示出了本发明所述的经调节轧制方向生产的重轨的截面示意图。

具体实施方式

以下描述了本公开的实施例。然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种替代形式。附图不一定按比例绘制；某些功能可能被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本申请的代表性基础。如本领域技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征组合以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导相一致的特征的各种组合和修改对于某些特定应用或实施方式可能是期望的。

此外，在本文中，如第一和第二等的关系术语仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不一定要求或意味着处于这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或其任何其它变形旨在涵盖非排他性的包括，以使包含一系列要素的过程、方法、物品或装置不仅包括那些要素，也可以包括未明确列出的或这些过程、方法、物品或装置所固有的要素。

下面将结合附图说明本申请的一个或多个实施例。流程图说明根据本申请的系统所执行的过程，可以理解的是，流程图的执行并不需要按照顺序进行，可以省略一个或多个步骤，也可以增加一个或多个执行的步骤，以及可以以顺序或者相反的顺序，甚至在一些实施例中可以同时来执行一个或多个步骤。

如前所述，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，导致生成MnS非金属夹杂物。本发明的发明人一方面通过改进浸入式水口的设计来最大限度去除非金属夹杂物，另一方面通过调节铸坯的轧制方向来降低非金属夹杂物的聚集，从而解决现有技术中的问题。

根据本发明的一方面，提供一种浸入式水口100，如图1所示，其包含：水口主体105，水口主体105内设置有至少一个微气泡生成单元110，微气泡生成单元110可以配置为形成在水口主体105内均匀分布的微小气泡膜120。

浸入式水口是连续铸钢设备中安装在中间罐底部并插入结晶器钢液面以下的浇注用耐火套管。浸入式水口的主要功能是防止中间罐注流的二次氧化和钢液飞溅。通过在浸入式水口中设置微气泡生成单元，能够有效促进去除非金属夹杂物。

在本发明的实施例中，微气泡生成单元110可以设置在水口主体105内距离钢液流入口L预定距离H的位置，如图1所示。在一个实施例中，预定距离H可以是500～520mm。根据需要并且基于浸入式水口、结晶器等连铸设备的尺寸，可以对该预定距离进行调整。水口主体105可以包括内侧壁106，内侧壁106具有大体上恒定的壁厚d。

在继续参考图1的基础上进一步参考图2，图2示出了本发明的微气泡生成单元110的放大示意图。微气泡生成单元110可以包括基体111、设置在基体111内的主气流通道112以及与主气流通道112连接的微气泡形成通道113。基体111的截面可以是正方形，并且该基体的水平截面尺寸可以等于壁厚d，因此，基体111的垂直截面尺寸也可以等于壁厚d。主气流通道112的直径可以是d/8～d/2，微气泡形成通道113的直径可以是d/16～d/4。在一个实施例中，主气流通道112的直径可以是d/4，微气泡形成通道113的直径可以是d/8。微气泡形成通道113可以包括微气泡出口114，微气泡出口114可以沿内侧壁106均匀分布，多个微气泡出口114之间的间距可以是d/16～d/4。在一个实施例中，多个微气泡出口114之间的间距可以是d/8。

虽然在图1和2所示的实施例中仅示出了两个微气泡生成单元110，然而微气泡生成单元110的数量不限于此，可以根据需要调整微气泡生成单元110的数量。例如，在一个实施例中，可以在水口主体内设置18个微气泡生成单元。在另外的实施例中，可以在水口主体内仅设置单个微气泡生成单元，该单个微气泡生成单元可以围绕水口主体的整个内侧壁设置，并且包括多个主气流通道以及与各自的主气流通道连接的多个微气泡形成通道，这样的实施例同样能够实现本发明的效果，并且也包括在本发明的范围内。

在连铸过程中，向主气流通道112内通入高温惰性气体(例如氩气)，惰性气体的流量可以控制在0.15～0.19NL/min。之后气体经过微气泡形成通道113并从微气泡出口114排出，形成有多个微小气泡组成的微小气泡膜，微小气泡膜可以在水口主体内沿特定截面周向均匀分布。气泡集群可以随着钢液一同进入结晶器内部熔池，在流场作用下充分聚集捕获非金属夹杂物，并且促进夹杂物上浮去除，由此改善钢液纯净度。

根据本发明的另一方面，提供一种改善重轨非金属夹杂物控制的方法，如图3所示，该方法可以包含以下步骤：

S1.在浸入式水口的水口主体内设置至少一个微气泡生成单元，其中，该微气泡生成单元可以包括主气流通道和微气泡形成通道并且配置为形成在水口主体内均匀分布的微小气泡膜；

S2.向主气流通道中通入惰性气体，以通过微气泡形成通道产生微气泡，其中，惰性气体可以是氩气，并且其流量可以为0.15～0.19NL/min。

根据需要，该方法可以(必须)进一步包含以下步骤：

S3.调节铸坯轧制方向以将铸坯的宽面轧制在所述重轨的轨头或轨底。

在利用本发明所述的浸入式水口100完成上述步骤S1和S2之后，连铸过程可以按照常规的方式进行。在非金属夹杂物较多难以完全去除或者在通过本发明所述的微气泡生成单元并未完全去除非金属夹杂物的某些情况下，可以通过调节铸坯轧制方向来调整基体流变，从而降低非金属夹杂物聚集，促进其弥散分布，以此来改善夹杂评级质量及产品力学性能。例如，可以将铸坯的宽面(厚度方向)轧制在轨头或轨底(轨高方向)。在图4所示的实施例中，可以在图中的左右方向对铸坯200进行轧制而将铸坯的宽面轧制在轨头T1或轨底T2。

此外，需要说明的是，本发明需要正常生产所实施的其他系列工艺配合执行才能达到工艺效果，如浇铸温度、连铸拉速等。

下面结合以下列举的实施例对本发明的应用及其效果进行说明。

实施例1

该实施例是某炼钢厂采用发明的技术方法生产U75V重轨钢，铸机断面为280×380(mm)。生产过程中对本发明技术的实际执行情况为：(1)微气泡产生单元布置于浸入式水口高度方向距离钢液流入口H＝500mm区域。(2)微气泡产生单元的基体截面尺寸在水平方向与安装位置处浸入式水口的耐材壁厚d一致，高度方向尺寸与耐材壁厚一致(均为d)，即截面为正方形。(3)微气泡产生单元主要由主气流通道、微气泡形成通道构成，其中主气流通道直径为d/4，微气泡形成通道直径为d/8。(4)微气泡出口位于水口内壁，沿周向均匀分布，间距为d/8。(5)连铸过程中，向主气流通道内同高温氩气，氩气流量控制在0.17～0.19NL/min。(6)轧制过程调整基体流变与区域遗传；(7)具体按图4所示实施，将矩形坯宽面(厚度方向)轧制在轨头或轨底(轨高方向)。

上述工艺实施后，铸坯质量较好，轧制成钢轨后，对钢轨进行非金属夹杂评级检测，A类非金属夹杂评级整体降低1.0级；采用Aspex扫描检测单位面积内非金属夹杂颗粒数量密度，本发明技术较常规生产工艺降低32.1％。其中B类、C类非金属夹杂≤1.0级比例由52.2％提高至81.1％，D类非金属夹杂评级≤0.5级比例由63.7提高至91.8％。

实施例2

该实施例是某炼钢厂采用发明的技术方法生产U75V重轨钢，铸机断面为280×325(mm)。生产过程中对本发明技术的实际执行情况为：(1)微气泡产生单元布置于浸入式水口高度方向距离钢液流入口H＝520mm区域。(2)微气泡产生单元的基体截面尺寸在水平方向与安装位置处浸入式水口的耐材壁厚(d)一致，高度方向尺寸与耐材壁厚一致(均为d)，即截面为正方形。(3)微气泡产生单元主要由主气流通道、微气泡形成通道构成，其中主气流通道直径为d/4，微气泡形成通道直径为d/8。(4)微气泡出口位于水口内壁，沿周向均匀分布，间距为d/8。(5)连铸过程中，向主气流通道内同高温氩气，氩气流量控制在0.15～0.16NL/min。(6)轧制过程调整基体流变与区域遗传；(7)具体按图4所示实施，将矩形坯宽面(厚度方向)轧制在轨头或轨底(轨高方向)。

上述工艺实施后，铸坯质量良好，轧制成钢轨后，对钢轨进行非金属夹杂评级检测，A类非金属夹杂评级整体降低0.5～1.0级；采用Aspex扫描检测单位面积内非金属夹杂颗粒数量密度，本发明技术较常规生产工艺降低33.1％。B类、C类非金属夹杂≤1.0级比例由57.1％提高至84.7％，D类非金属夹杂评级≤0.5级比例由75.6％提高至91.9％。

实施例3

该实施例是某炼钢厂采用发明的技术方法生产U75V重轨钢，铸机断面为320×410(mm)。生产过程中对本发明技术的实际执行情况为：(1)微气泡产生单元布置于浸入式水口高度方向距离钢液流入口H＝520mm区域。(2)微气泡产生单元的基体截面尺寸在水平方向与安装位置处浸入式水口的耐材壁厚(d)一致，高度方向尺寸与耐材壁厚一致(均为d)，即截面为正方形。(3)微气泡产生单元主要由主气流通道、微气泡形成通道构成，其中主气流通道直径为d/4，微气泡形成通道直径为d/8。(4)微气泡出口位于水口内壁，沿周向均匀分布，间距为d/8。(5)连铸过程中，向主气流通道内同高温氩气，氩气流量控制在0.16～0.18NL/min。(6)轧制过程调整基体流变与区域遗传；(7)具体按图4所示实施，将矩形坯宽面(厚度方向)轧制在轨头或轨底(轨高方向)。

上述工艺实施后，铸坯质量良好，铸坯轧制成钢轨后，对钢轨进行非金属夹杂评级检测，A类非金属夹杂评级整体降低0.5～1.0级；采用Aspex扫描检测单位面积内非金属夹杂颗粒数量密度，本发明技术较常规生产工艺降低28.4％。B类、C类非金属夹杂≤1.0级比例由45.5％提高至77.6％，D类非金属夹杂评级≤0.5级比例由68.2％提高至80.1％。

上述实施实例说明，通过采用本技术发明后，连铸过程中更加充分地促进了结晶器内部钢液中非金属夹杂物的捕获、碰撞聚集及去除，实现了大方坯重轨钢连铸过程高洁净度生产控制；充分利用矩形坯宽窄面对应方向冷却凝固速率差异，通过大压缩比促进关键区域基体流变迁移，降低了非金属夹杂物聚集，促进其弥散分布，改善夹杂评级质量控制技术水平，为钢轨高质量控制起到积极作用。

本申请文件意在说明如何使用所披露的技术以及各种实施例，而并非旨在限制其所真实指向的以及所等同的范围和精神。并且，上述说明并非对所有可能进行穷举或将保护范围限制为所公开的精确形式。根据上述教导，改变以及变化是可能的。所选择和说明的实施例提供了所述技术的原理以及其实践应用的最佳说明，并且使本领域技术人员可以将所披露的技术用于各种可以想到的特定应用的各种改变。因此，在实质上不脱离本文描述的技术的精神和原理的情况下，对上述实施例做出的种种变化和修改都旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种浸入式水口，其特征在于，包含：

水口主体，所述水口主体内设置有至少一个微气泡生成单元，所述微气泡生成单元配置为形成在所述水口主体内均匀分布的微小气泡膜。

2.根据权利要求1所述的浸入式水口，其特征在于，所述微气泡生成单元设置在所述水口主体内距离钢液流入口预定距离的位置。

3.根据权利要求2所述的浸入式水口，其特征在于，所述预定距离为500～520mm。

4.根据权利要求1所述的浸入式水口，其特征在于，所述水口主体包括内侧壁，所述内侧壁具有壁厚，所述微气泡生成单元的水平截面尺寸等于所述壁厚，并且所述微气泡生成单元的垂直截面尺寸与所述水平截面尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的浸入式水口，其特征在于，所述微气泡生成单元包括主气流通道和微气泡形成通道，其中所述主气流通道的直径为所述水平截面尺寸的1/8～1/2，微气泡形成通道的直径为所述水平截面尺寸的1/16～1/4。

6.根据权利要求5所述的浸入式水口，其特征在于，所述主气流通道的直径为所述水平截面尺寸的1/4，微气泡形成通道的直径为所述水平截面尺寸的1/8。

7.根据权利要求5所述的浸入式水口，其特征在于，所述微气泡形成通道包括微气泡出口，所述微气泡出口沿所述内侧壁均匀分布，多个所述微气泡出口之间的间距为所述水平截面尺寸的1/16～1/4。

8.一种改善重轨非金属夹杂物控制的方法，其特征在于，包含以下步骤：

在浸入式水口的水口主体内设置至少一个微气泡生成单元，所述微气泡生成单元包括主气流通道和微气泡形成通道并且配置为形成在所述水口主体内均匀分布的微小气泡膜；

向所述主气流通道中通入惰性气体，以通过所述微气泡形成通道产生微气泡。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述惰性气体的流量为0.15～0.19NL/min。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包含：调节铸坯轧制方向以将铸坯的宽面轧制在所述重轨的轨头或轨底。

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