CN114807505B - 一种车轮钢中加入稀土元素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车轮钢中加入稀土元素的方法，包括以下步骤：（1）电炉冶炼；（2）LF精炼；（3）VD真空冶炼；（4）连铸操作；本发明采用的方式为在VD工位加入稀土，加入的稀土元素选择镧（La）、铈（Ce）中的一种或两种；在硅钙线加入后和硫线加入前，加入所需要的稀土元素，同时要确保稀土加入时和硅钙线及硫线要有时间间隔。本发明通过在原有钙化处理工艺基础上，增加稀土元素，根据稀土特性确定了加入时机和加入量，钢水可浇性进一步得到改善，钢中夹杂物从钙铝酸盐转变为钙铝稀土复合夹杂物，实现稀土‑钙‑硫复合塑性化，夹杂物尺寸减少，同时提高钢材的超探质量。

Description

一种车轮钢中加入稀土元素的方法

技术领域

本发明涉及一种车轮钢中加入稀土元素的方法，属于钢铁冶金行业炼钢炉外精炼领域。

背景技术

目前，在铁路大规模提速的需求下，高速列车及动车组列车由于高速车轮承受巨大动载荷和热负荷，车轮使用钢质材料制作，对材料纯净度要求非常严格。

1、用户成轮之后要对车轮进行非金属夹杂物评级：

其中非金属夹杂物A(硫化物类)≤1.5级，B(氧化物类)、C(硅酸盐类)、D(球状氧化物类)分别≤1.0级，D_S(单颗氧化物类)≤1.5级。

2、对车轮轮辋、辐板和轮毂部位进行超声波探伤：

其标准要求分别为＜Φ1mm、＜Φ3mm和＜Φ5mm当量缺陷（【动车组车轮】标准（Q/CR638-2018）(中国铁路总公司）。

目前高速列车及动车组列车车轮用钢铁材料主要采用电炉和转炉，配加炉外精炼手段，之后进行模铸或连铸成型工艺进行生产。

目前该钢种生产的工艺流程为：

80t电炉—80t LF精炼炉—80t VD真空处理炉—φ390mm圆坯连铸。

电炉为该流程生产的第一个环节，采用的原料为高温铁水和常温废钢，其中铁水的比例为30-50%，炉料中平均碳含量一般为2.5-4.5%，电炉冶炼的主要功能是熔化废钢、氧化碳、脱除原料中的硫和磷等杂质，提高初炼钢水温度。

为了提高生产效率、降低炉料综合成本，炉内铁水从50%左右提升到75%以上，铁水比例增加后，原料配碳量高，需要更多的氧气脱除铁水中的碳元素，因此电炉用氧量提高，初炼钢水及炉渣中氧含量增高，而且氧化性波动增大。

在后续的精炼炉、真空处理脱氧、脱气过程中，使用的脱氧剂数量增加，钢中产生的夹杂物尺寸偏大，数量多。在浇铸成型时，钢水中的夹杂物难以全部排除，残留在钢锭和铸坯中。在后续钢材锻压成轮后进行非金属夹杂物检验和超声波探伤检验时，就会因内部存在较大尺寸的非金属夹杂物超标和超声波探伤缺陷当量超标。

为满足用户对车轮钢纯净度的要求，目前采取的工艺方法主要是采用“低氧钢+氧化物钙处理球化”控制，减少氧化物总量及聚集程度；保障石灰质量及融化效果、提高脱氧和吸收夹杂物的能力。具体措施主要是：

1、通过工艺操作优化，提高电炉出钢碳含量，降低电炉初始钢水氧化性，减少钢中沉淀脱氧剂用量，增加LF炉扩散脱氧剂用量；

2、精炼环节造高碱度还原渣，通过优化并控制合理的CaO/SiO₂/Al₂O₃渣系组分，降低熔渣熔点，提高熔渣对铝氧系夹杂物的吸附作用；

3、真空处理后对夹杂物进行改性处理，使钢中形成低熔点的钙铝酸盐产物，通过弱搅拌上浮去除。

在上述工艺条件下，钢水中夹杂成分及其黏着特性波动大，易在连铸水口蓄积长大而形成很多大型夹杂物，这类夹杂经钢水冲蚀脱落后易滞留钢中形成缺陷。

通过上述工艺措施的实施，可以满足用户探伤检验≤2mm要求，但不能做到100%满足≤1mm要求。同时，在上述工艺措施条件下，钢材夹杂物的微观尺寸仍然偏大，非金属夹杂物检验B类和D类、D_S类夹杂物处于临界状态。

为确保列车行车安全，动车车轮要求具有高的轮辋断裂韧性（K_Q≥70MPa.m^1/2），钢水中需加入一定量的硫元素，但是钢水中S易和Ca结合成CaS，造成钢水浇铸过程中堵水口严重，因此对于含硫车轮钢（S含量控制在0.007-0.025%），钙处理工艺不能有效实施。

因此需要对现有生产工艺进行改进，进一步降低钢铁材料中夹杂物的含量和尺寸，满足用户对车轮材料非金属夹杂物级别和超声波探伤当量级别的要求。

发明内容

由于钢中要求一定的S含量，针对现有含硫车轮钢中的钢水中夹杂物寻找新的改性处理方法，进一步降低夹杂物尺寸，满足车轮后超声波探伤检验≤1mm当量缺陷要求，本发明提供了一种车轮钢中加入稀土元素的方法。

本发明的出发点就是通过在原有钙化处理工艺基础上，增加稀土元素，根据稀土特性确定了加入时机和加入量，钢水可浇性进一步得到改善，钢中夹杂物从钙铝酸盐转变为钙铝稀土复合夹杂物，实现稀土-钙-硫复合塑性化，夹杂物尺寸减少，同时提高钢材的超探质量。

本发明提供了一种车轮钢中加入稀土元素的方法，要实现以下目的：⑴车轮钢对硫含量有一定要求，因此，稀土含量不能过高，否则难以控制钢水中的硫含量，通过试验，确定稀土加入数量控制微量加入，保证钢中稀土含量3-10ppm。⑵为确保列车行车安全，动车车轮要求具有高的轮辋断裂韧性（KQ≥70MPa.m^1/2），钢水中需加入一定量的硫元素，但是钢水中S易和Ca结合成CaS，造成钢水浇铸过程中堵水口严重，因此对于高硫含量车轮钢（S含量控制在0.015-0.025%）,钙处理工艺不能有效实施。本发明的目的是通过稀土加入车轮钢中，实现稀土-钙-硫复合塑性化，夹杂物尺寸减少，可以有效改善非金属夹杂物评级效果，提高车轮超声波探伤合格率。

上述方法中，关于稀土元素种类的选择：

目前自然界稀土储量约为1.3亿吨（以稀土氧化物计），共有17种稀土元素，其中轻稀土元素有镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）7种，重稀土元素钇（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Ev）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）、钪（Sc）、钇（Y）10种。

稀土加入钢中，可以形成复杂的稀土复合夹杂物，降低夹杂物熔点，低熔点的稀土复合物夹杂更易于在钢水上浮去除。

进一步地，根据稀土特性，选择稀土加入的方式。

针对钢水中稀土元素的理化特性，通过比较不同加入工艺（钢包内、结晶器喂入）优劣：

①结晶器喂稀土丝

在连铸生产后期加入有如下优点：稀土回收率高，不堵水口，可改善硫化物夹杂形态、大小和分布，在一定程度上可改善铸坯结晶组织。 但稀土在结晶器中与钢中的氧和硫反应生成物难以上浮，绝大部分反应生成物残留在钢中，而且钢坯横断面上Re分布相对也不均匀。稀土丝熔点低，通过保护渣层时部分稀土与渣中氧化物形成稀土氧化物， 使保护渣变粘，改变了保护渣特性，影响了钢的质量。 另外连铸机为三机三流，需要装多台喂丝机，喂丝机放置受到现场的限制，也影响工人操作。喂入速度和拉速不匹配。

②VD或中包喂入稀土

喂入成分较为均匀，但由于存在稀土与氧和硫的亲合力较大，在稀土加入前钢液必须进行深脱氧和深脱硫。否则稀土成了脱氧和脱硫剂，在钢中与氧和硫反应，生成稀土硫氧化物 (Re₂O₂S)，夹杂物熔点高，比重大，不易上浮排出， 降低了钢的纯净度。且容易造成水口结瘤。

进一步地，确定稀土加入时机和加入量标准。

经大量的试验证明， RE（稀土元素总称）在钢中有净化钢液、夹杂物改性和微合金作用， RE的微合金化作用取决于 RE在钢中固溶量。由于RE的原子半径大于铁的原子半径，RE在钢中固溶量有限。而大部分 RE是以夹杂物形态存在于钢中，如果钢中的RE残留量多，就可能造成污染钢质，反之，稀土残留量少，达不到稀土处理钢液的目的。因此，稀土残留量可根据不同的钢种和性能及使用要求来确定。

通过加入工艺的对比，在钢水经过深脱氧脱硫操作后，控制好稀土加入量，VD工序喂入综合效果最好。

随着电炉用氧量提高，钢水及炉渣氧化性波动增大，导致夹杂成分及其黏着特性波动大，易在连铸水口蓄积长大而形成很多大型夹杂物，这类夹杂经钢水冲蚀脱落后易滞留钢中形成缺陷。

采用VD破空后添加微量的RE(稀土元素)等工艺措施，通过调控与抑制Al₂O₃、CaO-Al₂O₃氧化物的相互凝聚合并过程，实现钢中氧化物的微细化与弥散化分布，实现稀土-钙-硫复合塑性化，同时提高钢材的超探质量，具体如下：

（1）冶炼条件

保障冶炼全过程原辅料和涉钢耐材的质量。

（2）电炉操作

炉料铁水比例≥70%，做好熔池吹氧沸腾工作，控制电炉终点C含量≥0.12%，确保钢水低氧化性。

（3）LF操作

要求LF 1#钢样C＞0.40%。精炼中，采用高碱度渣R＞4.5，追求目标：MI=R:Al₂O₃=(CaO/ SiO₂):Al₂O₃＞0.35、(FeO)＜0.5%，确保深脱氧。同时控制LF精炼加铝量≤60Kg/炉，防止Al₂O₃类和硅酸盐类夹杂物的粗化。

（4）VD操作

高真空度保持时间：当真空度达到67Pa以下时，高真空度下保持10分钟以上。

加入稀土元素选择镧（La）、铈（Ce）中的一种或两种；根据稀土元素特点，确定合理的稀土收得率50-70%，在此基础上，确定采用喂线方式进行加入，喂线操作具体如下：

首先，喂硅钙线（普通含硫钢90±10米/炉，高硫钢40±5米/炉）；之后，按要求加入稀土线40m±5m（1.32±0.165kg）（成品Re成分目标值：Re=3～10ppm），

其次，吹氩软搅拌≥2分钟；

再次，按成分控制要求喂入硫磺包芯线，之后加入覆盖剂，保证铺展性良好；

④然后，吹氩软搅拌≥10分钟，搅拌强度以钢包渣面刚出现轻微蠕动、不吹破渣面为宜，避免不动时形成搅拌死区，防止[S][Ca]元素局部偏聚、减少CaS大型夹杂物造成的超探缺陷。

确定选择在VD工位加入，同时为防止形成稀土硫化物，确定在硅钙线加入后和硫线加入前，加入所需要的稀土元素，同时要确保稀土加入时和硅钙线及硫线要有一定的时间间隔时间要求硅钙线加入2-3分钟以后加入稀土元素，然后保证2-3分钟之后再加入硫线。

硅钙线的数量应适量减少，普通含硫钢由原来的110±10米/炉调整为90±10米/炉，高硫钢由原来的50±5米/炉调整为40±5米/炉。

控制每炉稀土加入量，加入量偏大容易造成水口结瘤，降低钢水可浇性，选择加入标准为3-10ppm。

所需加入的稀土元素用量：稀土线每米33g，每炉加入量为40m±5m，折合用量为1.32±0.165kg，其中稀土元素RE≥98%，稀土收得率50-70%。

（5）连铸操作

连铸做好中包清洁，防二次氧化。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过喂稀土工艺实施，钢水中原有的夹杂物改为钙铝稀土复合夹杂物，夹杂物尺寸控制在10微米以下。车轮成轮后超声波探伤检验全部达到≤1mm当量缺陷标准。

（2）通过稀土加入车轮钢中，实现稀土-钙-硫复合塑性化，夹杂物尺寸减少，可以有效改善非金属夹杂物评级效果，提高车轮超声波探伤合格率。

（3）控制微量的稀土元素，对钢水可浇性好，不存在连铸水口结瘤问题。

附图说明

图1为实施例1所得产品的金相图。

图2为实施例1所得产品的能谱分析图。

图3为实施例2所得产品的金相图。

图4为实施例2所得产品的能谱分析图。

图5为实施例3所得产品的金相图。

图6为实施例3所得产品的能谱分析图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

随着电炉用氧量提高，钢水及炉渣氧化性波动增大，导致夹杂成分及其黏着特性波动大，易在连铸水口蓄积长大而形成很多大型夹杂物，这类夹杂经钢水冲蚀脱落后易滞留钢中形成缺陷。

采用VD破空后添加微量的RE（稀土元素）等工艺措施，通过调控与抑制Al₂O₃、CaO-Al₂O₃氧化物的相互凝聚合并过程，实现钢中氧化物的微细化与弥散化分布，实现稀土-钙-硫复合塑性化，同时提高钢材的超探质量，具体要求如下。

（1）冶炼条件

保障冶炼全过程原辅料和涉钢耐材的质量。

（2）电炉操作

炉料铁水比例≥70%，做好熔池吹氧沸腾工作，控制电炉终点C含量≥0.12%，确保钢水低氧化性。

（3）LF操作

要求LF 1#钢样C＞0.40%。精炼中，采用高碱度渣R＞4.5，追求目标：MI=R:Al₂O₃=(CaO/ SiO₂):Al₂O₃＞0.35、(FeO)＜0.5%，确保深脱氧。同时控制LF精炼加铝量≤60Kg/炉，防止Al₂O₃类和硅酸盐类夹杂物的粗化。

（4）VD操作

高真空度保持时间：当真空度达到67Pa以下时，高真空度下保持10分钟以上。

喂线操作：

① 首先，喂硅钙线（普通含硫钢90±10米/炉，高硫钢40±5米/炉

之后，按要求加入稀土线（稀土线每米33g，每炉加入量为40m±5m，折合用量为1.32±0.165kg，其中稀土元素RE≥98%，稀土收得率50-70%），成品Re成分目标值：Re=3～10ppm；

② 其次，吹氩软搅拌≥2分钟；

③ 再次，按成分控制要求喂入硫磺包芯线，之后加入覆盖剂，保证铺展性良好；

④然后，吹氩软搅拌≥10分钟，搅拌强度以钢包渣面刚出现轻微蠕动、不吹破渣面为宜,避免不动时形成搅拌死区，防止[S][Ca]元素局部偏聚、减少CaS大型夹杂物造成的超探缺陷。

（5）连铸操作

连铸做好中包清洁，防二次氧化。

下面通过具体实施例来说明本发明的实施效果：

实施例1：

生产普通车轮钢CL60

（1）电炉操作

电炉采用原料为废钢和高炉铁水，其中炉料铁水比例74.3%，炉内进行熔化和吹氧操作，电炉终点C含量实际值为0.162%，确保钢水低氧化性。

（2）LF精炼炉操作

钢包进LF后取 1#钢样C 0.43%。精炼送电过程中，采用石灰、 电石及合成渣造还原渣，碱度R=4.93：MI=R:Al₂O₃=(CaO/ SiO₂):Al₂O₃= 0.361、(FeO)=0.48%，确保深脱氧。同时LF精炼加铝量20Kg/炉，防止Al₂O₃类和硅酸盐类夹杂物的粗化。

（3）VD操作

采用五级蒸汽喷射泵进行抽真空操作，当真空度达到67Pa以下时，高真空度下保持12分钟。

（4）喂线操作：

①抽真空结束后，首先喂硅钙线92米/炉，2分钟之后，按要求加入稀土线42m（1.386kg）（成品RE成分目标RE=6.8ppm），

②其次，吹氩软搅拌2.5分钟；

③再次，按成分控制要求喂入硫磺包芯线60m，之后加入覆盖剂，保证铺展性良好；

④然后，吹氩软搅拌12.5分钟，搅拌强度以钢包渣面刚出现轻微蠕动、不吹破渣面为宜,避免不动时形成搅拌死区，防止[S][Ca]元素局部偏聚、减少CaS大型夹杂物造成的超探缺陷。

（5）连铸操作

采用16.5m半径弧形圆坯连铸机浇铸直径390mm圆坯，连铸采用长水口吹氩保护浇铸，40t中包浇铸，做好中包清洁，防二次氧化。拉速0.55m/min。

根据附图1和附图2得出本实施例元素含量如下表1所示：

表1

。

实施例2：

生产普通车轮钢ER9

（1）电炉操作

电炉采用原料为废钢和高炉铁水，其中铁水比例78.5%，炉内进行熔化和吹氧操作，电炉终点C含量实际值为0.208%，确保钢水低氧化性。

（2）LF精炼炉操作

钢包进LF后取 1#钢样C 0.48%。精炼送电过程中，采用石灰、 电石及合成渣造还原渣，碱度R=5.35：MI=R:Al₂O₃=(CaO/ SiO₂):Al₂O₃=0.39、(FeO) =0.37%，确保深脱氧。同时LF精炼加铝量15Kg/炉，防止Al₂O₃类和硅酸盐类夹杂物的粗化。

（3）VD操作

采用五级蒸汽喷射泵进行抽真空操作，当真空度达到67Pa以下时，高真空度下保持13分钟。

（4）喂线操作：

①抽真空结束后，首先喂硅钙线85米/炉，3分钟之后，按要求加入稀土线40m（1.320kg）（成品RE成分目标RE=6.3ppm），

②其次，吹氩软搅拌3分钟；

③再次，按成分控制要求喂入硫磺包芯线55m，之后加入覆盖剂，保证铺展性良好；

④然后，吹氩软搅拌14.5分钟，搅拌强度以钢包渣面刚出现轻微蠕动、不吹破渣面为宜,避免不动时形成搅拌死区，防止[S][Ca]元素局部偏聚、减少CaS大型夹杂物造成的超探缺陷。

（5）连铸操作

采用16.5m半径弧形圆坯连铸机浇铸直径390mm圆坯，连铸采用长水口吹氩保护浇铸，40t钢包浇铸，做好中包清洁，防二次氧化。拉速0.52m/min。

根据附图3和附图4得出本实施例元素含量如下表2所示：

表2

。

实施例3：

生产高硫车轮钢BM

（1）电炉操作

电炉采用原料为废钢和高炉铁水，其中铁水比例76.7%，炉内进行熔化和吹氧操作，电炉终点C含量实际值为0.195%，确保钢水低氧化性。

（2）LF精炼炉操作

钢包进LF后取 1#钢样C 0.41%。精炼送电过程中，采用石灰、 电石及合成渣造还原渣，碱度R=6.12,MI=R:Al₂O₃=(CaO/ SiO₂):Al₂O₃=0.43、(FeO)= 0.34%，确保深脱氧。同时LF精炼加铝量10Kg/炉，防止Al₂O₃类和硅酸盐类夹杂物的粗化。

（3）VD操作

采用五级蒸汽喷射泵进行抽真空操作，当真空度达到67Pa以下时，高真空度下保持12分钟。

（4）喂线操作：

①抽真空结束后，首先喂硅钙线42米/炉，2分钟之后，按要求加入稀土线38m（1.254kg）（成品RE成分目标RE=6.0ppm），

②其次，吹氩软搅拌3分钟；

③再次，按成分控制要求喂入硫磺包芯线110m，之后加入覆盖剂，保证铺展性良好；

④然后，吹氩软搅拌13.5分钟，搅拌强度以钢包渣面刚出现轻微蠕动、不吹破渣面为宜,避免不动时形成搅拌死区，防止[S][Ca]元素局部偏聚、减少CaS大型夹杂物造成的超探缺陷。

（5）连铸操作

采用16.5m半径弧形圆坯连铸机浇铸直径390mm圆坯，连铸采用长水口吹氩保护浇铸，40t钢包浇铸，做好中包清洁，防二次氧化。拉速0.55m/min。

根据附图5和附图6得出本实施例元素含量如下表3所示：

表3

。

如图1~图6，在加入稀土元素的钢种ER8/AAR-C成轮后进行金相和能谱分析，夹杂物尺寸控制较为理想，夹杂物中均有稀土元素存在。通过喂稀土工艺实施，钢水中原有的夹杂物改为钙铝稀土复合夹杂物，夹杂物尺寸控制在10微米以下。车轮成轮后超声波探伤检验全部达到≤1mm当量缺陷标准。

在车轮钢生产过程中实施稀土复合钙处理塑性化，试验共14炉，从用户车轮后进行金相检验，原有的钙铝酸盐夹杂变为钙铝稀土复合夹杂物，非金属夹杂物评级A(硫化物类)为0-1.0级，B(氧化物类)、C(硅酸盐类)、D(球状氧化物类)分别0.5级、0-0.5级和0.5级，D_S(单颗氧化物类)1.0级。

夹杂物尺寸控制在10微米以下，车轮成轮后超声波探伤均为≤1mm。

该技术采用稀土线在VD工位加入，如条件不具备，也可以采用人工投喂方式进行，但加入时机必须严格掌控，确保钢水中稀土元素含量在3-10ppm之间。

Claims (4)

1.一种车轮钢中加入稀土元素的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）电炉冶炼：

炉料铁水比例≥70%，做好熔池吹氧沸腾工作，控制电炉终点C含量≥0.12%，确保钢水低氧化性；

（2）LF精炼：

要求LF 钢样C＞0.40%；精炼中，采用高碱度渣R＞4.5，深脱氧；同时控制LF精炼加铝量≤60kg/炉，防止Al₂O₃类和硅酸盐类夹杂物的粗化；

（3）VD真空冶炼：

高真空度保持时间：当真空度达到67Pa以下时，高真空度下保持10分钟以上；

在VD工位加入稀土，加入的稀土元素选择镧La、铈Ce中的一种或两种；每炉稀土加入量为3-10ppm；

在硅钙线加入后和硫线加入前，加入所需要的稀土元素，采用喂线方式加入稀土，喂线工艺如下：

①首先，喂硅钙线；之后，按要求加入稀土线，成品稀土元素Re成分目标值：Re=3～10ppm，

②其次，吹氩软搅拌≥2分钟；

③再次，按成分控制要求喂入硫磺包芯线，之后加入覆盖剂，保证铺展性良好；

④然后，吹氩软搅拌≥10分钟，搅拌强度保证钢包渣面刚出现轻微蠕动、不吹破渣面，避免不动时形成搅拌死区，防止[S][Ca]元素局部偏聚、减少CaS大型夹杂物造成的超探缺陷；

同时要确保稀土加入时和硅钙线及硫线要有时间间隔，加入稀土元素的时间为：在硅钙线加入2-3分钟以后加入稀土元素，然后在2-3分钟之后再加入硫线；

（4）连铸操作

连铸做好中包清洁，防二次氧化。

2.根据权利要求1所述的车轮钢中加入稀土元素的方法，其特征在于：普通含硫钢硅钙线的加入量为90±10米/炉，高硫钢的硅钙线加入量为40±5米/炉。

3.根据权利要求1所述的车轮钢中加入稀土元素的方法，其特征在于：稀土线每米33g，每炉加入量为40m±5m，折合用量为1.32±0.165kg，其中稀土元素RE≥98%，稀土收得率50-70%。

4.根据权利要求1所述的车轮钢中加入稀土元素的方法，其特征在于：

钢水中原有的夹杂物改为钙铝稀土复合夹杂物，夹杂物尺寸控制在10微米以下，车轮成轮后超声波探伤检验全部达到≤1mm当量缺陷标准。