CN115488302A - 改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法及钢轨轨头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法及钢轨轨头，通过对二冷电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌进行参数控制，结合连铸拉速控制，改善钢轨轨头断面的硬度梯度。本发明创新性地由连铸阶段切入去解决钢轨轨头断面的硬度梯度问题。针对重轨钢轨头断面硬度梯度控制，通过对铸坯断面宏观溶质浓度进行系统调控，配套以一般性的热处理工艺，实现了重轨钢钢轨轨头断面硬度梯度调控，为钢轨性能控制提供了连铸技术支持。

Description

改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法及钢轨轨头
技术领域
本发明涉及钢铁冶金生产技术领域，具体涉及一种改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法及钢轨轨头。
背景技术
钢轨作为铁路运输建设的主要组成部件，其发挥着重要作用，一方面引导火车前进，其次要承受列车巨大载荷，因此，钢轨质量对行车安全具有重要影响。此外，随着铁路运输的不断发展，客运高速货运重载的运输对钢轨的质量性能提出了更高的要求，钢轨的服役性能极大地决定了钢轨服役寿命及其养护成本。
提升已有产品的质量性能及开发高性能新产品十分必要，国内外广大学者开展了大量的研究。例如，很多研究人员对钢轨的疲劳伤损进行了深入研究，其研究通常把钢轨内部的硬度均一化处理，而实际产品检测发现，钢轨内部的硬度并不均一。另外，有学者研究指出，硬度对钢轨的疲劳伤损是一个非常重要的影响因素。研究人员测定了不同品种的钢轨轨头断面硬度，结果均表明，钢轨轨头断面硬度由表及里逐渐减小。此外，ASITHAC.ATHUKORALA研究了澳大利亚AS60HH钢轨钢的非均匀硬度分布、冶金和棘轮行为，其研究结果表明，材料的不均匀性会影响钢轨随磨损进程而产生的棘轮效应，进而影响到钢轨的使用寿命。
因此，研究钢轨硬度分布与控制对钢轨性能提升具有重要意义，减小钢轨轨头内部的硬度梯度可以减小采用硬度均一化研究而产生的结果差异，甚至对于小梯度硬度材料而言，对较小区域范围内的研究即可简化为硬度均一，进而实现研究简化的目的。对于钢铁材料而言，组织性能的均匀性是一项十分重要的质量指标，组织性能的大梯度会极大地削弱材料的综合力学性能，进而降低材料性能的可靠性。
对于钢材的硬度，大量学者开展了研究，但多集中于热处理工艺研究、硬度与组织不合的原因分析、硬度对其他应用性能的影响等方面，而对于重轨钢轨头断面硬度分布的连铸调控技术研究则暂未见涉及。
基于此，现有技术仍然有待改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法及钢轨轨头，以调控重轨钢轨头断面硬度梯度，为钢轨性能控制提供连铸技术支持。
根据本发明的一个方面，提出一种改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，通过对二冷电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌进行参数控制，结合连铸拉速控制，改善钢轨轨头断面的硬度梯度。
一些实施例中，所述二冷电磁搅拌的参数控制包括：所述二冷电磁搅拌的搅拌线圈中心磁场强度为50×10-4～100×10-4T。
一些实施例中，所述二冷电磁搅拌的参数控制包括：所述二冷电磁搅拌装配于距离结晶器液面4000～5000mm的区域。
一些实施例中，所述凝固末端电磁搅拌的参数控制包括：所述凝固末端电磁搅拌的搅拌线圈中心磁场强度为410×10-4～450×10-4T。
一些实施例中，所述凝固末端电磁搅拌的参数控制包括：所述凝固末端电磁搅拌装配于距离结晶器液面8000～10000mm的区域。
一些实施例中，所述连铸拉速控制在0.7m/min。
一些实施例中，还包括对连铸二冷比水量的控制。
一些实施例中，所述连铸二冷比水量控制在160～180L/min。
一些实施例中，浇铸过程中包钢液过热度为25～35℃。
另一方面，本发明的实施例还公开了一种钢轨轨头，其采用上述的连铸方法制得。
采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法及钢轨轨头，创新性地由连铸阶段切入去解决钢轨轨头断面的硬度梯度问题。针对重轨钢轨头断面硬度梯度控制，通过对铸坯断面宏观溶质浓度进行系统调控，配套以一般性的热处理工艺，实现了重轨钢钢轨轨头断面硬度梯度调控，为钢轨性能控制提供了连铸技术支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1，图2示出了本发明一实施例所公开的采用本发明的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法调控钢轨局部宏观溶质浓度改变钢轨对应位置点的硬度值的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明一些实施例公开了一种改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，针对重轨钢轨头断面硬度梯度控制，其技术关键在于通过对铸坯断面宏观溶质浓度进行系统调控，配套以一般性的热处理工艺，实现了重轨钢钢轨轨头断面硬度梯度调控，为钢轨性能控制提供了连铸技术支持。通过集二冷电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌为一体的双级电磁搅拌调控技术，改变重轨钢铸坯断面合金元素的宏观溶质浓度分布；通过连铸拉速调节，调控电磁搅拌作用位置，以对铸坯断面合金元素的宏观溶质浓度进行拉速与电磁搅拌的交互协同调控；进行连铸二冷控制，通过调控二冷强度，综合实现铸坯断面宏观溶质扩散控制及微观偏析控制。从而实现铸坯断面合金元素宏观溶质浓度精细化调控，兼顾铸坯微观偏析高水平控制，最终实现铸坯轧制成钢轨后的轨头断面硬度与微观(相变)组织协同调控。
如图1，图2所示，为采用本发明的方法调控钢轨局部宏观溶质浓度改变钢轨对应位置点的硬度值。具体为通过实施以一定强度的二冷电磁搅拌后，提升钢轨距离踏面20mm处的溶质元素宏观浓度，进而改变钢轨由距离踏面15mm至20mm处的硬度演变趋势，将两点间的硬度差由A降低至B，进而降低局部区域硬度梯度。
其根本原理在于，通过连铸电磁搅拌前置干预铸坯断面溶质元素宏观浓度分布，基于其轧制呈钢轨后的遗传特性，目标性地提升或降低钢轨特定位置点的溶质元素浓度，进而实现特定热处理工艺条件下的钢轨断面硬度调控。例如，一般而言假设铸坯断面溶质浓度均匀分布，则对应钢轨的断面溶质元素浓度也为均匀分布，该条件下，钢轨热处理时表里冷却速率不可避免的差异将直接影响相变过程微观组织的特性，进而导致钢轨表里的性能差异，一般情况下距离钢轨表面越远则冷却越慢，晶粒越粗大，硬度越低，由此产生了钢轨从表面向中心推移时的硬度由高到低的变化，进而产生硬度梯度。钢轨断面硬度梯度的改善，有利于提升钢轨使用表现，例如某区域需要减小硬度梯度，则通过提升钢轨距离表面更远位置点的溶质浓度以补充因实际冷速更低产生硬度降幅，进而减小该区域内的硬度梯度，实现钢轨性能改善控制。
一些实施例中，具体的主要工艺参数要求：
(1)二冷电磁搅拌：装配于距离结晶器液面4000～5000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在50×10-4～100×10-4T；
(2)凝固末端电磁搅拌：装配于距离结晶器液面8000～10000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在410×10-4～450×10-4T；
(3)连铸二冷比水量整体控制在160～180L/min。
除上述关键工艺技术要求外，另外需要一般性技术参数予以配合实施，如连铸断面280mm×380mm，浇铸过程中包钢液过热度为25～35℃；连铸拉速整体控制在0.70m/min，所得铸坯采用常规工艺轧制及冷却制度进行热处理。
实施例1
该实施例是某炼钢厂采用本技术发明的方法，连铸生产280mm×380mm断面的U75V重轨钢大方坯。
本实施例的具体执行为：(1)二冷电磁搅拌：装配于距离结晶器液面4000～5000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在50×10-4T；(2)凝固末端电磁搅拌：装配于距离结晶器液面8000～10000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在450×10-4T；(3)连铸二冷比水量整体控制在170L/min等。除上述关键工艺技术要求外，另外需要一般性技术参数予以配合实施，如连铸断面280mm×380mm，浇铸过程中包钢液过热度为25～35℃；连铸拉速整体控制在0.70m/min，所得铸坯采用常规工艺轧制及冷却制度进行热处理；不需要装配结晶器电磁搅拌。
然后，对生产所得铸坯进行常规工艺的轧制与热处理得到钢轨，对所得钢轨进行铁标A线(距离踏面依次为5mm、10mm、15mm、20mm的A1～A4)硬度检测，进一步对钢轨各硬度检测点5mm×5mm区域进行微观组织鉴别。检测各位置点的硬度值后测算相邻位置点的硬度差的绝对值以及标准区域内所有检测位置点的硬度极差值(最大值max-最小值min)，以此来判断区域整体的硬度梯度及局部区域的硬度梯度。
结果表明：本实施例所得钢轨的相邻位置点的硬度梯度极大值为0.24HRC/mm，明显优于常规生产工艺所得钢轨的0.40HRC/mm；钢轨标准区域内所有检测位置点的硬度极差为2.20HRC，与常规生产工艺所得钢轨相当。进一步对钢轨各硬度检测点5mm×5mm区域进行微观组织鉴别结果表明，钢轨各区域无异常组织出现。
对比例
国内某厂连铸生产280mm×380mm断面的U75V、U71Mn及U78CrV重轨钢大方坯，实施以结晶器电磁搅拌线圈中心磁场强度50×10-4～60×10-4T，配合以二冷电磁搅拌线圈中心磁场强度200×10-4～250×10-4T的组合电磁搅拌，并实施以强二冷对宏观均质性进行改善控制，实现了钢轨轨头宏观均质性提升，其钢轨轨头区域C偏析度极差控制在0.03～0.06，但其所得钢轨因热处理传热特性的影响，距离踏面越远处的硬度值越低，以5mm间距进行钢轨断面硬度检测，其相邻位置点的硬度梯度极大值为0.30～0.77HRC/mm，标准区域内所有检测位置点的硬度极差为4.23～7.10HRC。
进一步地，实施本技术发明的工艺，设置：(1)二冷电磁搅拌：装配于距离结晶器液面4000～5000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在50×10-4～100×10-4T；(2)凝固末端电磁搅拌：装配于距离结晶器液面8000～10000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在410×10-4～450×10-4T；(3)连铸二冷比水量整体控制在160～180L/min。除上述关键工艺技术要求外，另外需要一般性技术参数予以配合实施，如连铸断面280mm×380mm，浇铸过程中包钢液过热度为25～35℃；连铸拉速整体控制在0.70m/min，所得铸坯采用常规工艺轧制及冷却制度进行热处理。所得钢轨轨头区域C偏析度极差控制在0.05～0.06，以5mm间距进行钢轨断面硬度检测，其相邻位置点的硬度梯度极大值为0.32～0.68HRC/mm，标准区域内所有检测位置点的硬度极差为3.44～5.27HRC，区域内的硬度梯度明显降低，轨头断面硬度梯度得到明显改善。
实施例2
该实施例是某炼钢厂采用本技术发明的方法，连铸生产280mm×380mm断面的U71Mn重轨钢大方坯。
本实施例的具体执行为：(1)二冷电磁搅拌：装配于距离结晶器液面4000～5000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在100×10-4T；(2)凝固末端电磁搅拌：装配于距离结晶器液面8000～10000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在410×10-4T；(3)连铸二冷比水量整体控制在180L/min等。除上述关键工艺技术要求外，另外需要一般性技术参数予以配合实施，如连铸断面280mm×380mm，浇铸过程中包钢液过热度为25～35℃；连铸拉速整体控制在0.70m/min，所得铸坯采用常规工艺轧制及冷却制度进行热处理。
然后，对生产所得铸坯进行常规工艺的轧制与热处理得到钢轨，对所得钢轨进行铁标A线(距离踏面依次为5mm、10mm、15mm、20mm的A1～A4)硬度检测，进一步对钢轨各硬度检测点5mm×5mm区域进行微观组织鉴别。检测各位置点的硬度值后测算相邻位置点的硬度差的绝对值以及标准区域内所有检测位置点的硬度极差值(最大值max-最小值min)，以此来判断区域整体的硬度梯度及局部区域的硬度梯度。
结果表明：本实施例所得钢轨的相邻位置点的硬度梯度极大值为0.23HRC/mm明显优于常规生产工艺所得钢轨的0.43HRC/mm；钢轨标准区域内所有检测位置点的硬度极差为2.13HRC，与常规生产工艺所得钢轨相当。进一步对钢轨各硬度检测点5mm×5mm区域进行微观组织鉴别结果表明，钢轨各区域无异常组织出现。
实施例3
该实施例是某炼钢厂采用本技术发明的方法，连铸生产280mm×380mm断面的U78CrV重轨钢大方坯。
本实施例的具体执行为：(1)二冷电磁搅拌：装配于距离结晶器液面4000～5000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在75×10-4T；(2)凝固末端电磁搅拌：装配于距离结晶器液面8000～10000mm区域，搅拌线圈中心磁场强度在430×10-4T；(3)连铸二冷比水量整体控制在160L/min等。除上述关键工艺技术要求外，另外需要一般性技术参数予以配合实施，如连铸断面280mm×380mm，浇铸过程中包钢液过热度为25～35℃；连铸拉速整体控制在0.70m/min，所得铸坯采用常规工艺轧制及冷却制度进行热处理。
然后，对生产所得铸坯进行常规工艺的轧制与热处理得到钢轨，对所得钢轨进行铁标A线(距离踏面依次为5mm、10mm、15mm、20mm的A1～A4)硬度检测，进一步对钢轨各硬度检测点5mm×5mm区域进行微观组织鉴别。检测各位置点的硬度值后测算相邻位置点的硬度差的绝对值以及标准区域内所有检测位置点的硬度极差值(最大值max-最小值min)，以此来判断区域整体的硬度梯度及局部区域的硬度梯度。
结果表明：本实施例所得钢轨的相邻位置点的硬度梯度极大值为0.19HRC/mm明显优于常规生产工艺所得钢轨的0.47HRC/mm；钢轨标准区域内所有检测位置点的硬度极差为2.32HRC，与常规生产工艺所得钢轨相当。进一步对钢轨各硬度检测点5mm×5mm区域进行微观组织鉴别结果表明，钢轨各区域无异常组织出现。
上述实施实例说明，通过采用本方面所公开的技术方案后，铸坯断面宏观溶质浓度分布得到改善控制，铸坯轧制成钢轨后对应钢轨轨头断面硬度梯度明显减小，局部区域内的组织性能均匀性明显提升，所得钢轨的硬度检测点微观组织均正常。该技术为特定热处理工艺条件下钢轨断面硬度梯度的改善调控提供了新的技术思路。
需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，其特征在于，通过对二冷电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌进行参数控制，结合连铸拉速控制，改善钢轨轨头断面的硬度梯度。
2.根据权利要求1所述的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，其特征在于，所述二冷电磁搅拌的参数控制包括：所述二冷电磁搅拌的搅拌线圈中心磁场强度为50×10-4～100×10-4T。
3.根据权利要求1所述的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，其特征在于，所述二冷电磁搅拌的参数控制包括：所述二冷电磁搅拌装配于距离结晶器液面4000～5000mm的区域。
4.根据权利要求1所述的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，其特征在于，所述凝固末端电磁搅拌的参数控制包括：所述凝固末端电磁搅拌的搅拌线圈中心磁场强度为410×10-4～450×10-4T。
5.根据权利要求1所述的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，其特征在于，所述凝固末端电磁搅拌的参数控制包括：所述凝固末端电磁搅拌装配于距离结晶器液面8000～10000mm的区域。
6.根据权利要求1所述的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，其特征在于，所述连铸拉速控制在0.7m/min。
7.根据权利要求1所述的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，其特征在于，还包括对连铸二冷比水量的控制。
8.根据权利要求7所述的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，其特征在于，所述连铸二冷比水量控制在160～180L/min。
9.根据权利要求1所述的改善钢轨轨头断面硬度梯度的方法，其特征在于，浇铸过程中包钢液过热度为25～35℃。
10.一种钢轨轨头，其特征在于，采用权利要求1-9任意一种所述的方法制得。
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