CN115216689B - 一种微合金铁路车轮用钢及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微合金铁路车轮用钢及其生产工艺，其组成成分按质量百分数计为：C：0.43～0.5wt％，Si：0.25～0.37wt％，Mn：0.82～1wt％，Mo：0.08～0.12wt％，V：0.14～0.22wt％，Cr：≤0.1wt％，Ni：≤0.12wt％，Al：0.025～0.045wt％，B：0.002～0.008wt％，Cu：≤0.2wt％，Nb：≤0.03wt％，Te：≤0.013wt％，Ba：≤0.012wt％，S：≤0.015wt％，P：≤0.015wt％，H：≤1.5ppm、O：≤15ppm、N：≤80ppm，余量为铁和不可避免的杂质，屈服强度为428‑565Mpa，抗拉强度≥785MPa，伸长率≥43％，断面收缩率≥33％、冲击功≥32J，依次经电炉炼钢、LF精炼、VD真空处理、连铸、轧制、热处理工序得到热处理后硬度为195‑215HBW的微合金铁路车轮用钢，通过合理的成分设计和生产工艺控制，精准控制合金成分，改善内部致密性，提高车轮钢强度的同时兼顾塑性和韧性，耐磨、耐腐蚀性、抗疲劳性能等服役满足应用需求。

Description

一种微合金铁路车轮用钢及其生产工艺
技术领域
本发明属于金属冶炼领域，具体涉及一种微合金铁路车轮用钢及其生产工艺。
背景技术
铁路车轮作为高速列车的重要部件，起支撑列车、向钢轨传递驱动力和制动力作用，直接影响了行驶安全性，因此铁路车轮钢要求具有较高的强度、韧性和塑性，较高的抗疲劳性能、耐磨性和抗热裂性。采用中碳非合金钢或低合金钢较低碳锰钢的抗拉强度级别更高，碳含量的调整虽然一定程度上提高了强度和硬度，但缺乏提高铁素体珠光体向奥氏体相变下适宜的合金化手段，而非金属夹杂物也促使钢形成热加工纤维组织与带状组织，破坏了金属的连续性和完整性，使材料具有各向异性，正火+回火的热处理工艺未完全释放组织应力，钢在热加工与热处理时产生裂纹或使用时突然脆断，导致车轮钢塑性和韧性明显下降，强度、耐磨、耐腐蚀性、抗疲劳性能等服役性能难以满足长期应用需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种微合金铁路车轮用钢及其生产工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种微合金铁路车轮用钢，其组成成分按质量百分数计为：C：0.43～0.5wt％，Si：0.25～0.37wt％，Mn：0.82～1wt％，Mo：0.08～0.12wt％，V：0.14～0.22wt％，Cr：≤0.1wt％，Ni：≤0.12wt％，Al：0.025～0.045wt％，B：0.002～0.008wt％，Cu：≤0.2wt％，Nb：≤0.03wt％，Te：≤0.013wt％，Ba：≤0.012wt％，S：≤0.015wt％，P：≤0.015wt％，H：≤1.5ppm、O：≤15ppm、N：≤80ppm，余量为铁和不可避免的杂质。
进一步的，碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.65～0.72，屈服强度为428-565Mpa，抗拉强度≥785MPa，伸长率≥43％，断面收缩率≥33％、冲击功≥32J。
上微合金铁路车轮用钢的成分设计原因为：
(1)C：提高C含量利于提高车轮钢硬度，但C含量过高有降低提高塑性、热性和热处理后的组织的风险，将钢铁中各种合金元素对共晶点实际碳量的影响折算成碳的增减，碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.65～0.72，保证屈服和抗拉强度，故C含量设计为0.43～0.5wt％。
(2)Si、V、Nb：Si作为脱氧剂存在，与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣，有利于钢的脱氧，但Si过高易产生粗大的柱状晶粒导致连铸坯表面以及内部裂纹、降低钢的塑性、韧性和硬度均匀性，因此Si含量设计为0.25～0.37wt％；V是钢的优良脱氧剂，可细化组织晶粒，提高强度、韧性和耐磨性，降低钢的过热敏感性，但V过高会阻碍钢的脱碳、使回火脆性倾向急，因此V含量设计为0.14～0.22wt％；Nb可以细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但Nb过高塑性和韧性有所下降，需减少非平衡共晶Fe(Nb)-NbC，Nb含量设计为：≤0.03wt％；通过Si、V、Nb置换溶质，。
(3)Mn：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，与钢水中的FeO成为MnO进入炉渣改善钢的品质，能削弱和消除硫的不良影响，提高淬透性、耐磨性和钢强，可替代Ni扩大γ相区的奥氏体，但Mn过高会形成硅锰类夹杂物、使钢中晶粒粗化，产生回火脆性和热敏感性，因此Mn含量设计为0.82～1wt％，并加入Mo、V细化晶粒，细化珠光体组织、改善力学性能。
(4)Mo：Mo提高淬透性和热强性能，使较低含碳量的合金钢也具有较高的硬度，能使钢的晶粒细化，降低回火脆性和蠕变强度，抑制合金钢由于火而引起的脆性，极大的提高了淬透性，但Mo过高会出现铁素体或其他脆性相时韧性降低，因此Mo含量设计为0.08～0.12wt％。
(5)Al、Ni：Al能细化钢的晶粒组织，提高冲击韧性，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力，但Al过高会影响钢的热加工性能，恶化钢水的可浇性，同时会造成B类(氧化铝)夹杂物增多，因此Al含量设计为0.025～0.045wt％；Ni能提高钢的强度和韧性，提高淬透性，可阻止高温时晶粒的增长仍可保持细晶粒组织，Ni过高不能提高铁素体的蠕变能力、相反会使珠光体钢热脆性增大、回火稳定性降低、热硬性劣化，Ni含量设计为≤0.12wt％。
(6)Cr：Cr是次要的固溶强化元素，可提高钢的淬透性和耐磨性、改善耐腐蚀性和抗氧化性，提高强度、硬度和屈服点，使组织细化和均匀分布，降低脱碳作用，但Cr过高会降低塑性和韧性，因此Cr含量设计为≤0.1wt％。
(7)B、Cu：微量B可改善钢的致密性和热轧性能、提高强度，在回火后能得到良好的冲击性能，但B含量过大易粗晶、产生非金属夹杂物，因此B含量设计为0.002～0.008wt％，Cu能提高强度和韧性、减少应力腐蚀与介质腐蚀的有害影响，但Cu过高会在热加工时产生热脆、影响塑性，因此Cu含量设计为≤0.2wt％。
(9)Te、Ba：Te改善含Mn的硫化物形态，避免形成薄片型夹杂，使钢在轧制后夹杂物保持球形而提高韧性，但Te过高会造成晶间脆化、降低持久强度和塑性，因此Te含量设计为≤0.013wt％，Ba有细化晶粒作用，以球状硫化钙、纺锤状硫化锰夹杂物分布、减小夹杂物尺寸，因此Ba含量设计为≤0.012wt％。
(10)P、S：磷易使晶格歪曲、晶粒长大，引起塑性、冲击韧性显著降低，硫易降低钢的延展性和韧性，易生成Fe+FeS易熔共晶体分布于奥氏体晶界中引起热脆，在轧制时造成裂纹，磷和硫含量越低越好，因此P含量设计为≤0.015wt％，S含量设计为≤0.015wt％。
一种微合金铁路车轮用钢的生产工艺，其工艺包括以下步骤：
S1、电炉炼钢：将炼钢原料经电炉冶炼得到钢水，控制电炉出钢终点C：0.1～0.18％，防止钢水过氧化，有利于夹杂物的去除；控制电炉出钢目标P≤0.008％，目标温度T≥1635℃，控制合适的出钢温度，有效控制钢水回P；出钢前打开底吹氩气，出钢过程中全程吹氩，氩气流量控制为800～900NL/min，电炉出钢严禁下渣；
每炉钢水90-110t；
出钢量达到1/5-1/4时，加入90-110kg铝锭沉淀脱氧、除去钢水中氧气；
出钢量达到1/3-1/2时，按顺序加入1050-1100kg金属锰、485-526kg硅铁合金(Si≥72％)；
出钢量达到3/5-4/5时，按顺序加入250kg促净剂(CaO53.5％，SiO23.5％，Al2O334.3％，MgO 8.5％)、500kg石灰造渣，前期初步合金化，保证出钢铁水与合金充分接触融化，采用逐级脱氧技术对钢水进行脱氧和成分调节，减少了钢中夹杂物，充分脱氧，出钢结束后及时吊至LF工位；
S2、LF精炼：将精炼座包中经步骤S1的钢水快速化渣后按加入3-4kg/t钢水的高碳锰铁(65锰铁)和2-3kg/t钢水的SiCaBa合金(FeSi55Ca12Ba12)进行脱氧合金化变质处理，Ca与Ba形成连续固溶体，以球状硫化钙、纺锤状硫化锰夹杂物分布、减小夹杂物尺寸，采用铝碳粉扩散脱氧使炉渣变白，白渣时间≥20min，冶炼时间≥45min，控制渣碱度为5～8，出站前10分钟不得调铝；
LF精炼过程保持氩气通畅，LF精炼前期氩气流量为220-380NL/min，促进脱氧及合金化，LF精炼中期加中碳铬铁(含C0.5～4％)、钼铁合金(FeMo60-B)、钒氮合金(FeV60)，均保持氩气中等氩气强度，氩气流量为140-230NL/min，LF精炼后期喂入碲线和铌铁线(FeNb20)，通过碲改善含锰的硫化物形态，避免形成薄片型夹杂，提高奥氏体中的溶解度，减少非平衡共晶Fe(Nb)-NbC而细化晶粒，使钢在轧制后夹杂物保持球形而提高韧性，氩气流量为80-160NL/min，避免钢水翻滚氧化，通过此工艺合金成分得到精准控制，LF出站前S含量≤0.002％，温度≥1645℃；
S3、VD真空处理：将经步骤S2的钢水进VD站真空处理，控制最高真空度≤67pa，高真空保持时间≥20min，氮气软吹时间≥25min，去除钢水中的H，确保夹杂物充分上浮，钢水温度加热至1650～1670℃后，按45-60m/炉喂入硅钙线(含Si55-65％)进行钙处理，喂线速度为2-3m/s，通过钙处理使硬质氧化铝夹杂变形为软质夹杂2CaO·3Al2O3·SiO2，控制A、B、C、D类夹杂在1.5级以内，DS类夹杂≤1.0级；
S4、连铸：将经步骤S3的钢水通过连铸机全程保护浇铸防止二次氧化，控制低过热度浇注，过热度在15-25℃之间，采用两段水冷却配合结晶器电磁搅拌、铸流搅拌和末端电磁搅拌，一冷水流量为4000-4300L/min，一冷水快冷增加柱状晶比例使钢坯致密性更好，二冷水一区水流量为28-33L/min，二冷水二区水流量为50-56L/min，结晶器电磁搅拌电流280-300A、频率为2Hz，铸流搅拌电流为400-420A、频率为8Hz，末端电磁搅拌电流为1080-1100A、频率为8Hz，有效控制枝晶产生，有利于中心缩孔及中心裂纹处补充钢水，控制拉速为0.23-0.27m/min得到连铸坯；
S5、轧制：将步骤S4的连铸坯经开坯机后轧制成中间坯，连铸坯与中间坯的轧制比≥1.5，经液压剪切头尾，采用10机架连轧机轧制，开轧温度860-985℃，出连轧温度745-840℃，通过控制开轧温度和出连轧温度细化晶粒度、提高力学性能，以低温轧制和轧制比控制连铸坯的中心疏松、一般疏松、中心偏析在1.5级以内，改善了内部致密性，定尺切割得到铸坯；
S6、热处理：装炉前铸坯表面温度≥570℃，热处理程序为以≤85℃/h的速度升温至800-825℃、保温8-10h，后以≤45℃/h的速度缓慢冷却温降至520-550℃、回火保温4-6h，后以≤35℃/h的速度温降至290-350℃、回火保温4-5h，后以≤25℃/h的速度温降至120-160℃后出炉空冷，通过该工艺使铸坯经过完全热处理，消除铸坯组织应力及热应力，保证相应的组织转变，使铸坯尺寸和性能稳定，提高韧度、铸坯切面无应力裂纹，热处理后的铸坯经精整、检测后入库。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)电炉炼钢有效控制钢水回P并采用逐级脱氧技术对钢水进行脱氧和成分调节，减少了钢中夹杂物并充分脱氧。
(2)LF精炼采用高碳锰铁和钢水的SiCaBa合金进行脱氧合金化变质处理，减小夹杂物尺寸，控渣控碱下通过过程控制促进脱氧及合金化。
(3)LF精炼喂入碲线和铌铁线，通过碲改善含锰的硫化物形态，避免形成薄片型夹杂，细化晶粒，使合金成分得到精准控制。
(4)VD真空处理确保夹杂物充分上浮，通过钙处理使硬质氧化铝夹杂变形为软质夹杂。
(5)连铸控制低过热度浇注，采用两段水冷却配合结晶器电磁搅拌、铸流搅拌和末端电磁搅拌，有效控制枝晶和中心偏析。
(6)轧制以低温轧制和轧制比控制、改善内部致密性。
(7)热处理通过适当回火的配合来调整硬度、减小脆性。
综上，通过合理的成分设计和生产工艺控制，提高车轮钢强度的同时兼顾塑性和韧性，耐磨、耐腐蚀性、抗疲劳性能等服役满足应用需求。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
本发明所述一种微合金铁路车轮用钢的一种较佳实施方式，其组成成分按质量百分数计为：C：0.44wt％，Si：0.27wt％，Mn：0.85wt％，Mo：0.09wt％，V：0.16wt％，Cr：0.05wt％，Ni：0.08wt％，Al：0.03wt％，B：0.005wt％，Cu：0.05wt％，Nb：0.02wt％，Te：0.01wt％，Ba：0.01wt％，S：0.01wt％，P：0.015wt％，H：1.2ppm、O：10ppm、N：60ppm，余量为铁和不可避免的杂质；
碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.65。
上述一种微合金铁路车轮用钢的生产工艺，其工艺步骤为：
S1、电炉炼钢：将炼钢原料经电炉冶炼得到钢水，控制电炉出钢终点C：0.15％，控制电炉出钢目标P≤0.008％，目标温度T≥1635℃，出钢前打开底吹氩气，出钢过程中全程吹氩，氩气流量控制为850NL/min，电炉出钢严禁下渣；
每炉钢水95t；
出钢量达到1/5时，加入98kg铝锭沉淀脱氧、除去钢水中氧气；
出钢量达到1/2时，按顺序加入1060kg金属锰、495kg硅铁合金(Si≥72％)；
出钢量达到3/4时，按顺序加入250kg促净剂(CaO53.5％，SiO23.5％，Al2O334.3％，MgO 8.5％)、500kg石灰造渣；
S2、LF精炼：将精炼座包中经步骤S1的钢水快速化渣后按加入3.5kg/t钢水的高碳锰铁(65锰铁)和2.5kg/t钢水的SiCaBa合金(FeSi55Ca12Ba12)进行脱氧合金化变质处理，采用铝碳粉扩散脱氧使炉渣变白，白渣时间≥20min，冶炼时间≥45min，控制渣碱度为5～8，出站前10分钟不得调铝；
LF精炼过程保持氩气通畅，LF精炼前期氩气流量为280NL/min，LF精炼中期加中碳铬铁(含C0.5～4％)、钼铁合金(FeMo60-B)、钒氮合金(FeV60)，氩气流量为220NL/min，LF精炼后期喂入碲线和铌铁线(FeNb20)，氩气流量为100NL/min，通过此工艺合金成分得到精准控制，LF出站前S含量≤0.002％，温度≥1645℃；
S3、VD真空处理：将经步骤S2的钢水进VD站真空处理，控制最高真空度≤67pa，高真空保持时间≥20min，氮气软吹时间≥25min，钢水温度加热至1660℃后，按52m/炉喂入硅钙线(含Si55-65％)进行钙处理，喂线速度为2.5m/s；
S4、连铸：将经步骤S3的钢水通过连铸机全程保护浇铸，过热度在15-25℃之间，采用两段水冷却配合结晶器电磁搅拌、铸流搅拌和末端电磁搅拌，一冷水流量为4200L/min，二冷水一区水流量为30L/min，二冷水二区水流量为54L/min，结晶器电磁搅拌电流290A、频率为2Hz，铸流搅拌电流为410A、频率为8Hz，末端电磁搅拌电流为1090A、频率为8Hz，控制拉速为0.26m/min得到连铸坯；
S5、轧制：将步骤S4的连铸坯经开坯机后轧制成中间坯，连铸坯与中间坯的轧制比≥1.5，经液压剪切头尾，采用10机架连轧机轧制，开轧温度885℃，出连轧温度765℃，定尺切割得到铸坯；
S6、热处理：装炉前铸坯表面温度≥570℃，热处理程序为以≤85℃/h的速度升温至815℃、保温9h，后以≤45℃/h的速度缓慢冷却温降至535℃、回火保温5h，后以≤35℃/h的速度温降至320℃、回火保温4h，后以≤25℃/h的速度温降至145℃后出炉空冷，经精整、检测后入库。
实施例2：
本发明所述一种微合金铁路车轮用钢的一种较佳实施方式，其组成成分按质量百分数计为：C：0.46wt％，Si：0.32wt％，Mn：0.85wt％，Mo：0.12wt％，V：0.2wt％，Cr：0.07wt％，Ni：0.09wt％，Al：0.03wt％，B：0.004wt％，Cu：0.08wt％，Nb：0.02wt％，Te：0.013wt％，Ba：0.01wt％，S：0.01wt％，P：0.01wt％，H：1ppm、O：12ppm、N：65ppm，余量为铁和不可避免的杂质；
碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.691。
上述一种微合金铁路车轮用钢的生产工艺，其工艺步骤为：
S1、电炉炼钢：将炼钢原料经电炉冶炼得到钢水，控制电炉出钢终点C：0.15％，控制电炉出钢目标P≤0.008％，目标温度T≥1635℃，出钢前打开底吹氩气，出钢过程中全程吹氩，氩气流量控制为875NL/min，电炉出钢严禁下渣；
每炉钢水100t；
出钢量达到1/4时，加入105kg铝锭沉淀脱氧、除去钢水中氧气；
出钢量达到1/3时，按顺序加入1070kg金属锰、510kg硅铁合金(Si≥72％)；
出钢量达到3/5时，按顺序加入250kg促净剂(CaO53.5％，SiO23.5％，Al2O334.3％，MgO 8.5％)、500kg石灰造渣；
S2、LF精炼：将精炼座包中经步骤S1的钢水快速化渣后按加入3.2kg/t钢水的高碳锰铁(65锰铁)和2.4kg/t钢水的SiCaBa合金(FeSi55Ca12Ba12)进行脱氧合金化变质处理，采用铝碳粉扩散脱氧使炉渣变白，白渣时间≥20min，冶炼时间≥45min，控制渣碱度为5～8，出站前10分钟不得调铝；
LF精炼过程保持氩气通畅，LF精炼前期氩气流量为330NL/min，LF精炼中期加中碳铬铁(含C0.5～4％)、钼铁合金(FeMo60-B)、钒氮合金(FeV60)，氩气流量为170NL/min，LF精炼后期喂入碲线和铌铁线(FeNb20)，氩气流量为125NL/min，通过此工艺合金成分得到精准控制，LF出站前S含量≤0.002％，温度≥1645℃；
S3、VD真空处理：将经步骤S2的钢水进VD站真空处理，控制最高真空度≤67pa，高真空保持时间≥20min，氮气软吹时间≥25min，钢水温度加热至1655℃后，按50m/炉喂入硅钙线(含Si55-65％)进行钙处理，喂线速度为2.6m/s；
S4、连铸：将经步骤S3的钢水通过连铸机全程保护浇铸，过热度在15-25℃之间，采用两段水冷却配合结晶器电磁搅拌、铸流搅拌和末端电磁搅拌，一冷水流量为4250L/min，二冷水一区水流量为31L/min，二冷水二区水流量为52L/min，结晶器电磁搅拌电流280A、频率为2Hz，铸流搅拌电流为400A、频率为8Hz，末端电磁搅拌电流为1100A、频率为8Hz，控制拉速为0.26m/min得到连铸坯；
S5、轧制：将步骤S4的连铸坯经开坯机后轧制成中间坯，连铸坯与中间坯的轧制比≥1.5，经液压剪切头尾，采用10机架连轧机轧制，开轧温度890℃，出连轧温度780℃，定尺切割得到铸坯；
S6、热处理：装炉前铸坯表面温度≥570℃，热处理程序为以≤85℃/h的速度升温至820℃、保温8h，后以≤45℃/h的速度缓慢冷却温降至545℃、回火保温5h，后以≤35℃/h的速度温降至315℃、回火保温5h，后以≤25℃/h的速度温降至145℃后出炉空冷，经精整、检测后入库。
实施例3：
本发明所述一种微合金铁路车轮用钢的一种较佳实施方式，其组成成分按质量百分数计为：C：0.48wt％，Si：0.33wt％，Mn：0.94wt％，Mo：0.11wt％，V：0.18wt％，Cr：0.05wt％，Ni：0.05wt％，Al：0.04wt％，B：0.07wt％，Cu：0.15wt％，Nb：0.02wt％，Te：0.01wt％，Ba：0.01wt％，S：0.01wt％，P：0.01wt％，H：1.3ppm、O：10ppm、N：45ppm，余量为铁和不可避免的杂质；
碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.718。
上述一种微合金铁路车轮用钢的生产工艺，其工艺步骤为：
S1、电炉炼钢：将炼钢原料经电炉冶炼得到钢水，控制电炉出钢终点C：0.15％，控制电炉出钢目标P≤0.008％，目标温度T≥1635℃，出钢前打开底吹氩气，出钢过程中全程吹氩，氩气流量控制为820NL/min，电炉出钢严禁下渣；
每炉钢水105t；
出钢量达到1/4时，加入95kg铝锭沉淀脱氧、除去钢水中氧气；
出钢量达到2/5时，按顺序加入1080kg金属锰、505kg硅铁合金(Si≥72％)；
出钢量达到3/4时，按顺序加入250kg促净剂(CaO53.5％，SiO23.5％，Al2O334.3％，MgO 8.5％)、500kg石灰造渣；
S2、LF精炼：将精炼座包中经步骤S1的钢水快速化渣后按加入3.2kg/t钢水的高碳锰铁(65锰铁)和2.8kg/t钢水的SiCaBa合金(FeSi55Ca12Ba12)进行脱氧合金化变质处理，采用铝碳粉扩散脱氧使炉渣变白，白渣时间≥20min，冶炼时间≥45min，控制渣碱度为5～8，出站前10分钟不得调铝；
LF精炼过程保持氩气通畅，LF精炼前期氩气流量为350NL/min，LF精炼中期加中碳铬铁(含C0.5～4％)、钼铁合金(FeMo60-B)、钒氮合金(FeV60)，氩气流量为150NL/min，LF精炼后期喂入碲线和铌铁线(FeNb20)，氩气流量为120NL/min，通过此工艺合金成分得到精准控制，LF出站前S含量≤0.002％，温度≥1645℃；
S3、VD真空处理：将经步骤S2的钢水进VD站真空处理，控制最高真空度≤67pa，高真空保持时间≥20min，氮气软吹时间≥25min，钢水温度加热至1655℃后，按58m/炉喂入硅钙线(含Si55-65％)进行钙处理，喂线速度为2.3m/s；
S4、连铸：将经步骤S3的钢水通过连铸机全程保护浇铸，过热度在15-25℃之间，采用两段水冷却配合结晶器电磁搅拌、铸流搅拌和末端电磁搅拌，一冷水流量为4300L/min，二冷水一区水流量为33L/min，二冷水二区水流量为50L/min，结晶器电磁搅拌电流300A、频率为2Hz，铸流搅拌电流为420A、频率为8Hz，末端电磁搅拌电流为1090A、频率为8Hz，控制拉速为0.26m/min得到连铸坯；
S5、轧制：将步骤S4的连铸坯经开坯机后轧制成中间坯，连铸坯与中间坯的轧制比≥1.5，经液压剪切头尾，采用10机架连轧机轧制，开轧温度970℃，出连轧温度780℃，定尺切割得到铸坯；
S6、热处理：装炉前铸坯表面温度≥570℃，热处理程序为以≤85℃/h的速度升温至800-825℃、保温8-10h，后以≤45℃/h的速度缓慢冷却温降至520-550℃、回火保温4-6h，后以≤35℃/h的速度温降至290-350℃、回火保温4-5h，后以≤25℃/h的速度温降至120-160℃后出炉空冷，经精整、检测后入库。
实施例4：
本发明所述一种微合金铁路车轮用钢的一种较佳实施方式，其组成成分按质量百分数计为：C：0.49wt％，Si：0.36wt％，Mn：0.88wt％，Mo：0.085wt％，V：0.17wt％，Cr：0.06wt％，Ni：0.07wt％，Al：0.04wt％，B：0.07wt％，Cu：0.03wt％，Nb：0.025wt％，Te：0.09wt％，Ba：0.01wt％，S：0.01wt％，P：0.01wt％，H：1.4ppm、O：10ppm、N：60ppm，余量为铁和不可避免的杂质；
碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.706。
上述一种微合金铁路车轮用钢的生产工艺，其工艺步骤为：
S1、电炉炼钢：将炼钢原料经电炉冶炼得到钢水，控制电炉出钢终点C：0.16％，控制电炉出钢目标P≤0.008％，目标温度T≥1635℃，出钢前打开底吹氩气，出钢过程中全程吹氩，氩气流量控制为885NL/min，电炉出钢严禁下渣；
每炉钢水109t；
出钢量达到1/5时，加入110kg铝锭沉淀脱氧、除去钢水中氧气；
出钢量达到1/2时，按顺序加入1070kg金属锰、523kg硅铁合金(Si≥72％)；
出钢量达到3/4时，按顺序加入250kg促净剂(CaO53.5％，SiO23.5％，Al2O334.3％，MgO 8.5％)、500kg石灰造渣；
S2、LF精炼：将精炼座包中经步骤S1的钢水快速化渣后按加入3.5kg/t钢水的高碳锰铁(65锰铁)和2.5kg/t钢水的SiCaBa合金(FeSi55Ca12Ba12)进行脱氧合金化变质处理，采用铝碳粉扩散脱氧使炉渣变白，白渣时间≥20min，冶炼时间≥45min，控制渣碱度为5～8，出站前10分钟不得调铝；
LF精炼过程保持氩气通畅，LF精炼前期氩气流量为230NL/min，LF精炼中期加中碳铬铁(含C0.5～4％)、钼铁合金(FeMo60-B)、钒氮合金(FeV60)，氩气流量为215NL/min，LF精炼后期喂入碲线和铌铁线(FeNb20)，氩气流量为140NL/min，通过此工艺合金成分得到精准控制，LF出站前S含量≤0.002％，温度≥1645℃；
S3、VD真空处理：将经步骤S2的钢水进VD站真空处理，控制最高真空度≤67pa，高真空保持时间≥20min，氮气软吹时间≥25min，钢水温度加热至1670℃后，按47m/炉喂入硅钙线(含Si55-65％)进行钙处理，喂线速度为3m/s；
S4、连铸：将经步骤S3的钢水通过连铸机全程保护浇铸，过热度在15-25℃之间，采用两段水冷却配合结晶器电磁搅拌、铸流搅拌和末端电磁搅拌，一冷水流量为4100L/min，二冷水一区水流量为29L/min，二冷水二区水流量为52L/min，结晶器电磁搅拌电流295A、频率为2Hz，铸流搅拌电流为400A、频率为8Hz，末端电磁搅拌电流为1090A、频率为8Hz，控制拉速为0.27m/min得到连铸坯；
S5、轧制：将步骤S4的连铸坯经开坯机后轧制成中间坯，连铸坯与中间坯的轧制比≥1.5，经液压剪切头尾，采用10机架连轧机轧制，开轧温度875℃，出连轧温度800℃，定尺切割得到铸坯；
S6、热处理：装炉前铸坯表面温度≥570℃，热处理程序为以≤85℃/h的速度升温至825℃、保温10h，后以≤45℃/h的速度缓慢冷却温降至525℃、回火保温4h，后以≤35℃/h的速度温降至310℃、回火保温4.5h，后以≤25℃/h的速度温降至145℃后出炉空冷，经精整、检测后入库。
对比例：一种车轮用钢，其组成成分按质量百分数计为：C：0.54wt％，Si：0.17wt％，Mn：0.75wt％，Mo：0.085wt％，V：0.08wt％，Cr：0.25wt％，Ni：0.15wt％，Al：0.04wt％，S：0.01wt％，P：0.015wt％，H：1.4ppm、O：10ppm、N：70ppm，余量为铁和不可避免的杂质；碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.758。上述车轮用钢的工艺方法包括一次正火870℃、二次正火815℃、回火温度560℃，保留时间均为4h。
将实施例1-4和对比例的钢按照GB228标准进行金属拉伸试验，按照GB229标准进行金属夏比(U型缺口)冲击试验，按照GB231标准进行金属布氏硬度试验，其结果如下表1所示：
Figure BDA0003702442150000101
由上表可知，本发明屈服强度为428-565Mpa，抗拉强度≥785MPa，伸长率≥43％，断面收缩率≥33％、冲击功≥32J，在提高车轮钢强度的同时兼顾塑性和韧性，耐磨、耐腐蚀性、抗疲劳性能等服役满足应用需求。
将实施例1-4和对比例的钢按照GB/T10561标准进行钢中非金属夹杂物含量的测定与标准评级图显微检测，其结果如下表2：
Figure BDA0003702442150000102
由上表可知，本发明可稳定地控制A、B、C、D类夹杂在1.5级以内，DS类夹杂≤1.0级，避免非金属夹杂物降低钢的机械性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳极限，避免钢在热加工与热处理时产生裂纹或使用时突然脆断。
将实施例1-4和对比例的钢按照GB226标准进行钢的低倍组织及缺陷酸腐蚀试验，其结果如下表3：
序号 中心疏松/级 一般疏松/级 中心偏析/级
实施例1 0.5 0.5 0.5
实施例2 1.0 1.0 1.0
实施例3 1.0 0.5 0.5
实施例4 0.5 1.0 0.5
对比例1 1.5 2.0 2.5
由上表可知，本发明中心疏松、一般疏松、中心偏析在1.5级以内，避免加工过程中发生断裂和强度、韧性等指标波动范围大，利于提高了钢的内部致密性和力学性能。
综上，通过合理的成分设计和生产工艺控制，电炉炼钢有效控制钢水回P并采用逐级脱氧技术对钢水进行脱氧和成分调节，减少了钢中夹杂物并充分脱氧；LF精炼采用高碳锰铁和钢水的SiCaBa合金进行脱氧合金化变质处理，减小夹杂物尺寸，控渣控碱下通过过程控制促进脱氧及合金化，喂入碲线和铌铁线，通过碲改善含锰的硫化物形态，避免形成薄片型夹杂，提高奥氏体中的溶解度，减少非平衡共晶Fe(Nb)-NbC而细化晶粒，使合金成分得到精准控制；VD真空处理去除钢水中的H，确保夹杂物充分上浮，通过钙处理使硬质氧化铝夹杂变形为软质夹杂；连铸控制低过热度浇注，采用两段水冷却配合结晶器电磁搅拌、铸流搅拌和末端电磁搅拌，有效控制枝晶和中心偏析；轧制以低温轧制和轧制比控制、改善内部致密性；热处理通过适当回火的配合来调整硬度、减小脆性，得到所需要的韧性，塑性，保证相应的组织转变，使铸坯尺寸和性能稳定，综上提高车轮钢强度的同时兼顾塑性和韧性，耐磨、耐腐蚀性、抗疲劳性能等服役满足应用需求。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微合金铁路车轮用钢，其特征在于，其组成成分按质量百分数计为：C：0.43~0.5wt%，Si： 0.25~0.37wt%，Mn：0.82~1wt%，Mo：0.08~0.12wt%，V：0.14~0.22wt%，Cr：≤0.1wt%，Ni：≤0.12wt%，Al：0.025~0.045wt%，B：0.002~0.008wt%，Cu：≤0.2wt%，Nb：≤0.03wt%，Te：≤0.013wt%，Ba：≤0.012wt%，S：≤0.015wt%，P：≤0.015 wt%，H：≤1.5ppm、O：≤15ppm、N：≤80ppm，余量为铁和不可避免的杂质；
其生产工艺包括：将炼钢原料依次经电炉炼钢、LF精炼、VD真空处理、连铸工序得到连铸坯，所述电炉炼钢工序采用逐级脱氧技术对钢水进行脱氧和成分调节，所述LF精炼工序包括加入高碳锰铁和SiCaBa合金进行脱氧合金化变质处理、喂入碲线和铌铁线，VD真空处理工序进行钙处理，控制A、B、C、D类夹杂在1.5级以内，DS类夹杂≤1.0级，中心疏松、一般疏松、中心偏析在1.5级以内，≥570℃的连铸坯经轧制、热处理工序，得到热处理后硬度为195-215HBW的微合金铁路车轮用钢；
所述连铸工序全程保护浇铸、过热度在15-25℃之间，采用两段水冷却配合结晶器电磁搅拌、铸流搅拌和末端电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流280-300A、频率为2Hz，铸流搅拌电流为400-420A、频率为8Hz，末端电磁搅拌电流为1080-1100A、频率为8Hz，控制拉速为0.23-0.27m/min；
所述轧制工序经开坯机后轧制成中间坯，连铸坯与中间坯的轧制比≥1.5，开轧温度860-985℃，出连轧温度745-840℃；
所述热处理工序为以≤85℃/h的速度升温至800-825℃、保温8-10h，后以≤45℃/h的速度缓慢冷却温降至520-550℃、回火保温4-6h，后以≤35℃/h的速度温降至290-350℃、回火保温4-5h，后以≤25℃/h的速度温降至120-160℃后出炉空冷。
2.根据权利了要求1所述的一种微合金铁路车轮用钢，其特征在于，所述钢的碳当量Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.65~0.72，屈服强度为428-565Mpa，抗拉强度≥785MPa，伸长率≥43%，断面收缩率≥33%、冲击功≥32J。
3.根据权利要求1所述的一种微合金铁路车轮用钢，其特征在于，所述电炉炼钢工序中控制电炉出钢终点C：0.1～0.18%，电炉出钢目标P≤0.008%，目标温度T≥1635℃，出钢过程中全程吹氩，氩气流量控制为800~900NL/min。
4.根据权利要求1所述的一种微合金铁路车轮用钢，其特征在于，所述电炉炼钢工序中每炉钢水90-110t，出钢量达到1/5-1/4时，加入90-110kg铝锭沉淀脱氧、除去钢水中氧气；出钢量达到1/3-1/2时，按顺序加入1050-1100kg金属锰、485-526kg硅铁合金；出钢量达到3/5-4/5时，按顺序加入250kg促净剂、500kg石灰造渣。
5.根据权利要求1所述的一种微合金铁路车轮用钢，其特征在于，所述LF精炼工序采用铝碳粉扩散脱氧使炉渣变白，白渣时间≥20min，冶炼时间≥45min，控制渣碱度为5~8，LF精炼前期氩气流量为220-380NL/min，LF精炼中期加中碳铬铁、钼铁合金和钒氮合金，氩气流量为140-230NL/min，LF精炼后期氩气流量为80-160NL/min，LF出站前S含量≤0.002%，温度≥1645℃。
6.根据权利要求1所述的一种微合金铁路车轮用钢，其特征在于，所述VD真空处理工序控制最高真空度≤67pa，高真空保持时间≥20min，氮气软吹时间≥25min，钢水温度加热至1650~1670℃后，按45-60m/炉喂入硅钙线进行钙处理，喂线速度为2-3m/s。
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