CN117683970B - 一种高强度车轮钢的稀土处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度车轮钢的稀土处理方法，本发明所提出的基于渣金协同控制的稀土处理方法，大大提高了稀土在高强度车轮钢中的收得率，稀土含量达到0.0300‑0.0600%。稀土在变质钢中危害性较大的夹杂物的同时，微合金化作用也得到了充分的发挥，有效的净化和强化了晶界，细化了晶粒，促进了大角度晶界的形成，增大了对疲劳裂纹扩展的阻碍能力，显著提高了高强度车轮钢的疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及高强度车轮钢板技术领域，尤其涉及一种高强度车轮钢的稀土处理方法。
背景技术
传统认为，稀土在钢中的作用机制主要包括：净化钢液、变质夹杂和微合金化。发挥稀土独特的微合金化作用目前已成为国内外高品质钢种开发的重要手段，但不可否认的是，稀土钢的产业化应用至今仍面临严峻挑战。以往的稀土处理工艺通常采用直接在钢液中加入稀土金属或稀土合金。稀土金属在高温条件下具有强活泼性，极易与钢液中的氧、硫等杂质元素、炉渣中的SiO2等氧化性组元等发生反应，造成溶解态稀土含量的较大波动，影响稀土的微合金化效果，同时反应形成的大尺寸高熔点稀土夹杂物如不能有效去除，必然恶化产品性能，同时易导致水口结瘤。
专利CN10484692A公开了一种增强车轮钢抗疲劳性能的方法，该方法在RH真空炉内加入稀土合金，使钢中非金属夹杂变性为球状稀土硫氧化物夹杂，进而改善了车轮钢的疲劳性能，所发明含稀土车轮钢的疲劳寿命达到125~141万次。专利CN114807505公开了一种车轮钢中加入稀土的方法。该方法针对电炉→LF精炼→VD真空精炼→连铸工艺，在硅钙线加入后和硫线加入前，加入所需要的稀土元素，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。该专利利用稀土进行了夹杂物的变质，但钢中稀土含量低（0.0003-0.0010%），稀土的稀土收得率不足，导致稀土不能充分发挥微合金化作用。
随着节能减排理念深入人心，汽车轻量化已成为目前汽车行业发展的必然趋势。车轮作为汽车最重要的安全部件之一，其重量减轻的节能效果是其他汽车零部件的1.3倍。提升车轮用钢板的强度、减少钢板的用量是减轻车轮重量的主要办法。但是随着钢板强度的提升，导致钢板的加工硬化现象频发，使得钢板的屈服应力增大，塑韧性下降，车轮钢的疲劳缺口敏感度极具增大，致使车轮钢服役过程中易出现托顶开裂等疲劳失效现象。疲劳失效是指当车轮服役时，在受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然没有超过材料的屈服极限，甚至有时比弹性极限还要低的情况下就发生了破坏，并且疲劳破坏由于没有明显的宏观塑性，破坏的过程十分突然，极易造成灾难性事故，引起巨大的经济损失，更严重的是可能还会造成人员的伤亡。根据资料显示，由于疲劳断裂引起的车轮失效比例高达80%，因此，如何改善并稳定车轮钢的疲劳性能是目前开发高强度车轮钢所面临的关键问题。
影响车轮疲劳性能的因素有很多，其中外因主要有车轮的表面质量、载荷条件、服役温度等；而内因主要为钢板中夹杂物的尺寸和数量、力学性能、组织类型、晶粒尺寸、晶粒取向、析出相的赋存状态等等。以往专利均采用直接在钢液中加入稀土的方式进行稀土处理，钢中稀土的含量仅能维持在0.0050%以下，尽管通过变质钢中的夹杂物在一定程度上提升了疲劳性能，但钢中稀土几乎全部赋存于夹杂物中，无法真正发挥稀土的微合金化作用。
发明内容
（一）技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明实施例提供一种高强度车轮钢的稀土处理方法。
本发明实施例提出的一种高强度车轮钢的稀土处理方法，方法包括：S100：铁水预处理、S200：转炉冶炼、S300：LF精炼、S400：RH真空精炼、S500：连铸、S600：热轧、S700：控制冷却；S400中RH真空精炼包括：
S410：在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物，使顶渣改质，顶渣改质完成后，对钢液进行真空精炼；
S420：在真空精炼经过第一时间后，向钢液内加入稀土合金，添加量为1~5kg/t钢。
可选地，在S410的步骤中，在RH真空精炼真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物的同时，向顶渣内加入萤石，萤石的加入量为炉渣重量的5-20%。
可选地，第一时间为10-20min。
可选地，稀土合金包括镧-铁合金、铈-铁合金、镧-铈-铁合金中的一种或多种。
可选地，在S410的步骤中，稀土氧化物的加入量为炉渣重量的5-15%。
可选地，在S410的步骤中，在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物，使顶渣改质还包括：
顶渣改质后进行氩气软吹，氩气软吹结束后进行镇静。
可选地，氩气软吹时间≥8min，镇静时间≥20min。
可选地，RH真空精炼结束后静搅时间≥7min。
（二）有益效果
本发明的有益效果是：本发明的一种高强度车轮钢的稀土处理方法，本发明所提出的基于渣金协同控制的稀土处理方法，大大提高了稀土在高强度车轮钢中的收得率，稀土含量达到0.0300-0.0600%；稀土在变质夹杂物的同时，微合金化作用得到了充分的发挥；固溶在钢中的稀土可以有效的净化晶界，稀土在晶界的偏聚还发挥着细化晶粒的作用，晶粒的细化意味着钢基体有更多的晶界，疲劳裂纹的扩展想要穿过晶界即需要更多的能量，使得其对裂纹的扩展有较大的阻碍作用；同时固溶的稀土还有强化晶界的作用，促进大角度晶界的形成，大角度晶界对裂纹的阻碍能力远远高于小角度晶界，相对于小角度晶界而言，大角度晶界上的原子具有更高的活性，排列也更不规则，晶界能也更大；当裂纹扩展穿过大角度晶界时部分裂纹扩展能将会被消耗，最后由于裂纹扩展能不足而使裂纹停止扩展，改善钢的疲劳性能。
附图说明
图1为本发明的高强度车轮钢的稀土处理方法的流程示意图；
图2为本发明的RH真空精炼的流程示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
请参阅图1和图2，本发明提出一种高强度车轮钢的稀土处理方法，方法包括：
S100：铁水预处理：通过KR(Kambara Reactor)法或喷吹法对铁水进行预处理脱硫，进行脱硫预处理后的铁水进行扒渣，保证铁水中硫的质量分数≤0.0020%。
S200：转炉冶炼：通过顶底复吹转炉对铁水进行脱碳、脱硅和脱硫，同时，控制出钢温度范围为1600-1680℃，转炉出钢后加铝脱氧，控制第一钢液中全氧的质量分数≤0.0500%。
S300：LF（Ladle Furnace）精炼；LF精炼要求钢液中酸溶铝含量≥0.04%，以实现深度脱氧，精炼渣碱度≥5，以实现深度脱硫；LF出站时控制钢液中全氧的质量分数≤0.0015%，硫的质量分数≤0.0010%。
S400：RH真空精炼（即钢液真空循环脱气法，是德国鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl）和赫拉欧斯（Hereaeus）共同设计开发的一种钢液炉外精炼方法），其中，所述S400中RH真空精炼包括：
S410：在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物，使所述顶渣改质，所述顶渣改质完成后，对钢液进行真空精炼；在S410的步骤中，所述稀土氧化物为氧化镧；在S410的步骤中，在RH真空精炼真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物的同时，向所述顶渣内加入萤石，所述萤石的加入量为炉渣重量的6%；在S410的步骤中，所述稀土氧化物的加入量为炉渣重量的5%；在S410的步骤中，在RH真空精炼抽真空前向钢液的所述顶渣内加入所述稀土氧化物，使所述顶渣改制还包括：所述顶渣改质后进行氩气软吹，所述氩气软吹结束后进行镇静；所述氩气软吹时间为8min，所述镇静时间为20min。
稀土氧化物选用氧化镧和/或氧化铈，由于我国的镧、铈资源丰富，氧化镧和氧化铈的价格远低于其他的稀土氧化物，因此选用氧化镧和氧化铈具有成本优势，可极大程度的降低成本；顶渣改质后进行氩气软吹，氩气软吹时间≥8min的目的是可对钢包内炉渣进行搅拌，促进炉渣成分的均匀化；随后进行镇静，镇静时间≥20min则是为了让搅拌过程卷入钢液的炉渣充分上浮，避免炉渣留在钢液中形成大尺寸夹杂物。
S420：在所述真空精炼经过第一时间后，向钢液内加入稀土合金，添加量为2kg/t钢；所述第一时间为15min；所述稀土合金为镧-铁合金；所述RH真空精炼结束后静搅时间为7min。
在真空处理15min后通过高位料仓加入稀土合金，RH的高位料仓可以抽真空。通过高位料仓加入稀土-铁合金，可保证合金加入过程处于真空状态，高温下不与氧气接触，有效避免了合金中稀土的氧化，是提高稀土收得率和稳定性的重要手段；如前所述，我国的镧、铈资源丰富，镧-铁合金和铈-铁合金的价格远低于其他的稀土-铁合金，因此选用镧-铁合金和铈-铁合金具有成本优势；同时，之所以选择了镧-铁合金和铈-铁合金，而不是纯镧或者纯铈，则因为这种稀土-铁合金降低了稀土的活泼性，避免了稀土在加入过程中在高温下与空气或者炉渣剧烈反应，导致稀土的过分损失，这是增大稀土收得率的有效手段；由于在S410的步骤中，在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物，使所述顶渣改质，稀土氧化物也会通过渣金反应部分进入到钢液中，随后向钢液内加入稀土合金，在渣金协同作用下控制了钢中的稀土含量，从而使最后得到的钢中的La和/或Ce的质量百分比达到0.0300%-0.0600%；RH真空精炼结束后静搅时间≥7min；静搅的作用是为了实现稀土处理后新形成的稀土夹杂物的充分上浮，并促使其被顶渣溶解吸收，是提高钢液洁净度和抑制水口结瘤的关键手段；
在本方案中，不只是通过加入稀土合金，另外在渣中也有稀土氧化物，稀土氧化物也会通过渣金反应部分进入到钢液中，所以是在渣金协同作用下控制了钢中的稀土含量。
S500：连铸：连铸要求中间包钢液过热度控制在20-50℃，连铸长水口和浸入式水口实行严格的氩封，拉速控制在0.70-1.00m/min，中间包采用无碳覆盖剂，浇铸采用高碳钢保护渣。
S600：热轧；将连铸坯送至加热炉加热至≥1200℃，采用两阶段控制轧制，终轧温度≥840℃。
S700：控制冷却：采用间断冷却的方式将钢板冷却到500±15℃进行卷取。
关于稀土在钢中赋存状态的控制，前人的研究工作集中于钢液内部的洁净度影响与控制，忽视了渣系对钢液中溶解态稀土含量波动和稀土夹杂物去除的影响与控制；本发明在高强度车轮钢RH精炼之前对精炼渣进行改质，在精炼渣中添加稀土氧化物，随后，在RH真空处理阶段通过高位料仓向钢液中添加稀土-铁合金，通过精炼渣中REO（稀土氧化物）的添加，抑制钢液中RE（稀土）与精炼渣中SiO2的反应，防止钢液中稀土进入炉渣，提高钢液中稀土的收得率，配合萤石的使用，降低了精炼渣与钢中稀土之间的反应性。最终，在渣金的协同控制下，高强度车轮钢中稀土含量达到0.0326%，且抑制了大尺寸高熔点夹杂物的形成，避免了连铸过程的水口结瘤。
经过渣金协同控制的稀土处理后，钢中危害性较大的棱角状或团簇类夹杂物变质为尺寸相对细小且与钢材基体性质更为接近的Ce2O2S、CeS等含稀土夹杂物；尤其是把塑性的条带状MnS（硫化锰）夹杂变质为球形或准球形的稀土硫化物或稀土氧硫化物；与对疲劳性能危害极大的Al2O3和MnS相比，含RE夹杂物呈球状或者纺锤体状，尺寸细小、与基体硬度匹配性更好，在疲劳加载过程中可以发生塑性变形，致使夹杂物周围应力集中显著减小，有效延缓了疲劳裂纹的萌生；同时含RE夹杂物的热膨胀系数与钢近似，可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产生大的附加应力，减轻夹杂物对基体的割裂作用，有利于提高钢的抗疲劳性能。
同时，本发明所提出的基于渣金协同控制的稀土处理方法，大大提高了稀土在高强度车轮钢中的收得率，稀土含量达到0.0326%；稀土在变质夹杂物的同时，微合金化作用得到了充分的发挥；固溶在钢中的稀土可以有效的净化晶界，稀土在晶界的偏聚还发挥着细化晶粒的作用，晶粒的细化意味着钢基体有更多的晶界，疲劳裂纹的扩展想要穿过晶界即需要更多的能量，使得其对裂纹的扩展有较大的阻碍作用；同时固溶的稀土还有强化晶界的作用，促进大角度晶界的形成，大角度晶界对裂纹的阻碍能力远远高于小角度晶界，相对于小角度晶界而言，大角度晶界上的原子具有更高的活性，排列也更不规则，晶界能也更大；当裂纹扩展穿过大角度晶界时部分裂纹扩展能将会被消耗，最后由于裂纹扩展能不足而使裂纹停止扩展，改善钢的疲劳性能。
依据GB/T 3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》，采用GPS100高频疲劳试验机在室温下进行高强度车轮钢板的拉-压疲劳测试。经稀土处理后抗拉强度在650Mpa级别的高强度车轮钢的疲劳性能见表1；与采用相同制备方法的得到不含稀土的对比例相比，实施例1在370Mpa、390Mpa和410Mpa的应力条件下，疲劳寿命均大幅度提高。
实施例2
请参阅图1和图2，本发明提出一种高强度车轮钢的稀土处理方法，方法包括：
S100：铁水预处理：通过KR(Kambara Reactor)法或喷吹法对铁水进行预处理脱硫，进行脱硫预处理后的铁水进行扒渣，保证铁水中硫的质量分数≤0.0020%。
S200：转炉冶炼：通过顶底复吹转炉对铁水进行脱碳、脱硅和脱硫，同时，控制出钢温度范围为1600-1680℃，转炉出钢后加铝脱氧，控制第一钢液中全氧的质量分数≤0.0500%。
S300：LF（Ladle Furnace）精炼；LF精炼要求钢液中酸溶铝含量≥0.04%，以实现深度脱氧，精炼渣碱度≥5，以实现深度脱硫；LF出站时控制钢液中全氧的质量分数≤0.0015%，硫的质量分数≤0.0010%。
S400：RH真空精炼（即钢液真空循环脱气法，是德国鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl）和赫拉欧斯（Hereaeus）共同设计开发的一种钢液炉外精炼方法），其中，所述S400中RH真空精炼包括：
S410：在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物，使所述顶渣改质，所述顶渣改质完成后，对钢液进行真空精炼；在S410的步骤中，所述稀土氧化物为氧化铈；在S410的步骤中，在RH真空精炼真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物的同时，向所述顶渣内加入萤石，所述萤石的加入量为炉渣重量的15%；在S410的步骤中，所述稀土氧化物的加入量为炉渣重量的10%；在S410的步骤中，在RH真空精炼抽真空前向钢液的所述顶渣内加入所述稀土氧化物，使所述顶渣改制还包括：所述顶渣改质后进行氩气软吹，所述氩气软吹结束后进行镇静；所述氩气软吹时间为10min，所述镇静时间为25min。
稀土氧化物选用氧化镧和/或氧化铈，由于我国的镧、铈资源丰富，氧化镧和氧化铈的价格远低于其他的稀土氧化物，因此选用氧化镧和氧化铈具有成本优势，可极大程度的降低成本；顶渣改质后进行氩气软吹，氩气软吹时间≥8min的目的是可对钢包内炉渣进行搅拌，促进成分的均匀化；随后进行镇静，镇静时间≥20min则是为了让搅拌过程卷入钢液的炉渣充分上浮，避免炉渣留在钢液中形成大尺寸夹杂物。
S420：在所述真空精炼经过第一时间后，向钢液内加入稀土合金，添加量为3kg/t钢。所述第一时间为12min；所述稀土合金为铈-铁合金；所述RH真空精炼结束后静搅时间为8min。
在真空处理12min后通过高位料仓加入稀土合金，RH的高位料仓可以抽真空。通过高位料仓加入稀土-铁合金，可保证合金加入过程处于真空状态，高温下不与氧气接触，有效避免了合金中稀土的氧化，是提高稀土收得率和稳定性的重要手段；如前所述，我国的镧、铈资源丰富，镧-铁合金和铈-铁合金的价格远低于其他的稀土-铁合金，因此选用镧-铁合金和铈-铁合金具有成本优势；同时，之所以选择了镧-铁合金和铈-铁合金，而不是纯镧或者纯铈，则因为这种稀土-铁合金降低了稀土的活泼性，避免了稀土在加入过程中在高温下与空气或者炉渣剧烈反应，导致稀土的过分损失，这是增大稀土收得率的有效手段；由于在S410的步骤中，在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物，使所述顶渣改质，稀土氧化物也会通过渣金反应部分进入到钢液中，随后向钢液内加入稀土合金，在渣金协同作用下控制了钢中的稀土含量，从而使最后得到的钢中的La和/或Ce的质量百分比达到0.0300%-0.0600%；RH真空精炼结束后静搅时间≥7min；静搅的作用是为了实现稀土处理后新形成的稀土夹杂物的充分上浮，并促使其被顶渣溶解吸收，是提高钢液洁净度和抑制水口结瘤的关键手段；
在本方案中，不只是通过加入稀土合金，另外在渣中也有稀土氧化物，稀土氧化物也会通过渣金反应部分进入到钢液中，所以是在渣金协同作用下控制了钢中的稀土含量。
S500：连铸：连铸要求中间包钢液过热度控制在20-50℃，连铸长水口和浸入式水口实行严格的氩封，拉速控制在0.70-1.00m/min，中间包采用无碳覆盖剂，浇铸采用高碳钢保护渣。
S600：热轧；将连铸坯送至加热炉加热至≥1200℃，采用两阶段控制轧制，终轧温度≥840℃。
S700：控制冷却：采用间断冷却的方式将钢板冷却到500±15℃进行卷取。
关于稀土在钢中赋存状态的控制，前人的研究工作集中于钢液内部的洁净度影响与控制，忽视了渣系对钢液中溶解态稀土含量波动和稀土夹杂物去除的影响与控制；本发明在高强度车轮钢RH精炼之前对精炼渣进行改质，在精炼渣中添加稀土氧化物，随后，在RH真空处理阶段通过高位料仓向钢液中添加稀土-铁合金，通过精炼渣中REO（稀土氧化物）的添加，抑制钢液中RE（稀土）与精炼渣中SiO2的反应，防止钢液中稀土进入炉渣，提高钢液中稀土的收得率，配合萤石的使用，降低了精炼渣与钢中稀土之间的反应性。最终，在渣金的协同控制下，高强度车轮钢中稀土含量达到0.0412%，且抑制了大尺寸高熔点夹杂物的形成，避免了连铸过程的水口结瘤。
经过渣金协同控制的稀土处理后，钢中危害性较大的棱角状或团簇类夹杂物变质为尺寸相对细小且与钢材基体性质更为接近的Ce2O2S、CeS等含稀土夹杂物；尤其是把塑性的条带状MnS（硫化锰）夹杂变质为球形或准球形的稀土硫化物或稀土氧硫化物；与对疲劳性能危害极大的Al2O3和MnS相比，含RE夹杂物呈球状或者纺锤体状，尺寸细小、与基体硬度匹配性更好，在疲劳加载过程中可以发生塑性变形，致使夹杂物周围应力集中显著减小，有效延缓了疲劳裂纹的萌生；同时含RE夹杂物的热膨胀系数与钢近似，可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产生大的附加应力，减轻夹杂物对基体的割裂作用，有利于提高钢的抗疲劳性能。
同时，本发明所提出的基于渣金协同控制的稀土处理方法，大大提高了稀土在高强度车轮钢中的收得率，稀土含量达到0.0412%；稀土在变质夹杂物的同时，微合金化作用得到了充分的发挥；固溶在钢中的稀土可以有效的净化晶界，稀土在晶界的偏聚还发挥着细化晶粒的作用，晶粒的细化意味着钢基体有更多的晶界，疲劳裂纹的扩展想要穿过晶界即需要更多的能量，使得其对裂纹的扩展有较大的阻碍作用；同时固溶的稀土还有强化晶界的作用，促进大角度晶界的形成，大角度晶界对裂纹的阻碍能力远远高于小角度晶界，相对于小角度晶界而言，大角度晶界上的原子具有更高的活性，排列也更不规则，晶界能也更大；当裂纹扩展穿过大角度晶界时部分裂纹扩展能将会被消耗，最后由于裂纹扩展能不足而使裂纹停止扩展，改善钢的疲劳性能。
依据GB/T 3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》，采用GPS100高频疲劳试验机在室温下进行高强度车轮钢板的拉-压疲劳测试。经稀土处理后抗拉强度在650Mpa级别的高强度车轮钢的疲劳性能见表1；与采用相同制备方法的得到不含稀土的对比例相比，实施例2在370Mpa、390Mpa和410Mpa的应力条件下，疲劳寿命均大幅度提高。
实施例3
请参阅图1和图2，本发明提出一种高强度车轮钢的稀土处理方法，方法包括：
S100：铁水预处理：通过KR(Kambara Reactor)法或喷吹法对铁水进行预处理脱硫，进行脱硫预处理后的铁水进行扒渣，保证铁水中硫的质量分数≤0.0020%。
S200：转炉冶炼：通过顶底复吹转炉对铁水进行脱碳、脱硅和脱硫，同时，控制出钢温度范围为1600-1680℃，转炉出钢后加铝脱氧，控制第一钢液中全氧的质量分数≤0.0500%。
S300：LF（Ladle Furnace）精炼；LF精炼要求钢液中酸溶铝含量≥0.04%，以实现深度脱氧，精炼渣碱度≥5，以实现深度脱硫；LF出站时控制钢液中全氧的质量分数≤0.0015%，硫的质量分数≤0.0010%。
S400：RH真空精炼（即钢液真空循环脱气法，是德国鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl）和赫拉欧斯（Hereaeus）共同设计开发的一种钢液炉外精炼方法），其中，所述S400中RH真空精炼包括：
S410：在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物，使所述顶渣改质，所述顶渣改质完成后，对钢液进行真空精炼；在S410的步骤中，所述稀土氧化物为氧化镧和氧化铈；在S410的步骤中，在RH真空精炼真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物的同时，向所述顶渣内加入萤石，所述萤石的加入量为炉渣重量的19%；在S410的步骤中，所述稀土氧化物的加入量为炉渣重量的15%；在S410的步骤中，在RH真空精炼抽真空前向钢液的所述顶渣内加入所述稀土氧化物，使所述顶渣改制还包括：所述顶渣改质后进行氩气软吹，所述氩气软吹结束后进行镇静；所述氩气软吹时间为13min，所述镇静时间为22min。
稀土氧化物选用氧化镧和/或氧化铈，由于我国的镧、铈资源丰富，氧化镧和氧化铈的价格远低于其他的稀土氧化物，因此选用氧化镧和氧化铈具有成本优势，可极大程度的降低成本；顶渣改质后进行氩气软吹，氩气软吹时间≥8min的目的是可对钢包内炉渣进行搅拌，促进成分的均匀化；随后进行镇静，镇静时间≥20min则是为了让搅拌过程卷入钢液的炉渣充分上浮，避免炉渣留在钢液中形成大尺寸夹杂物。
S420：在所述真空精炼经过第一时间后，向钢液内加入稀土合金，添加量为5kg/t钢。所述第一时间为20min；所述稀土合金为镧-铈-铁合金；所述RH真空精炼结束后静搅时间为10min。
在真空处理20min后通过高位料仓加入稀土合金，RH的高位料仓可以抽真空。通过高位料仓加入稀土-铁合金，可保证合金加入过程处于真空状态，高温下不与氧气接触，有效避免了合金中稀土的氧化，是提高稀土收得率和稳定性的重要手段；如前所述，我国的镧、铈资源丰富，镧-铁合金和铈-铁合金的价格远低于其他的稀土-铁合金，因此选用镧-铁合金和铈-铁合金具有成本优势；同时，之所以选择了镧-铁合金和铈-铁合金，而不是纯镧或者纯铈，则因为这种稀土-铁合金降低了稀土的活泼性，避免了稀土在加入过程中在高温下与空气或者炉渣剧烈反应，导致稀土的过分损失，这是增大稀土收得率的有效手段；由于在S410的步骤中，在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物，使所述顶渣改质，稀土氧化物也会通过渣金反应部分进入到钢液中，随后向钢液内加入稀土合金，在渣金协同作用下控制了钢中的稀土含量，从而使最后得到的钢中的La和/或Ce的质量百分比达到0.0300%-0.0600%；RH真空精炼结束后静搅时间≥7min；静搅的作用是为了实现稀土处理后新形成的稀土夹杂物的充分上浮，并促使其被顶渣溶解吸收，是提高钢液洁净度和抑制水口结瘤的关键手段；
在本方案中，不只是通过加入稀土合金，另外在渣中也有稀土氧化物，稀土氧化物也会通过渣金反应部分进入到钢液中，所以是在渣金协同作用下控制了钢中的稀土含量。
S500：连铸：连铸要求中间包钢液过热度控制在20-50℃，连铸长水口和浸入式水口实行严格的氩封，拉速控制在0.70-1.00m/min，中间包采用无碳覆盖剂，浇铸采用高碳钢保护渣。
S600：热轧；将连铸坯送至加热炉加热至≥1200℃，采用两阶段控制轧制，终轧温度≥840℃。
S700：控制冷却：采用间断冷却的方式将钢板冷却到500±15℃进行卷取。
关于稀土在钢中赋存状态的控制，前人的研究工作集中于钢液内部的洁净度影响与控制，忽视了渣系对钢液中溶解态稀土含量波动和稀土夹杂物去除的影响与控制；本发明在高强度车轮钢RH精炼之前对精炼渣进行改质，在精炼渣中添加稀土氧化物，随后，在RH真空处理阶段通过高位料仓向钢液中添加稀土-铁合金，通过精炼渣中REO（稀土氧化物）的添加，抑制钢液中RE（稀土）与精炼渣中SiO2的反应，防止钢液中稀土进入炉渣，提高钢液中稀土的收得率，配合萤石的使用，降低了精炼渣与钢中稀土之间的反应性。最终，在渣金的协同控制下，高强度车轮钢中稀土含量达到0.0583%，且抑制了大尺寸高熔点夹杂物的形成，避免了连铸过程的水口结瘤。
经过渣金协同控制的稀土处理后，钢中危害性较大的棱角状或团簇类夹杂物变质为尺寸相对细小且与钢材基体性质更为接近的Ce2O2S、CeS等含稀土夹杂物；尤其是把塑性的条带状MnS（硫化锰）夹杂变质为球形或准球形的稀土硫化物或稀土氧硫化物；与对疲劳性能危害极大的Al2O3和MnS相比，含RE夹杂物呈球状或者纺锤体状，尺寸细小、与基体硬度匹配性更好，在疲劳加载过程中可以发生塑性变形，致使夹杂物周围应力集中显著减小，有效延缓了疲劳裂纹的萌生；同时含RE夹杂物的热膨胀系数与钢近似，可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产生大的附加应力，减轻夹杂物对基体的割裂作用，有利于提高钢的抗疲劳性能。
同时，本发明所提出的基于渣金协同控制的稀土处理方法，大大提高了稀土在高强度车轮钢中的收得率，稀土含量达到0.0583%；稀土在变质夹杂物的同时，微合金化作用得到了充分的发挥；固溶在钢中的稀土可以有效的净化晶界，稀土在晶界的偏聚还发挥着细化晶粒的作用，晶粒的细化意味着钢基体有更多的晶界，疲劳裂纹的扩展想要穿过晶界即需要更多的能量，使得其对裂纹的扩展有较大的阻碍作用；同时固溶的稀土还有强化晶界的作用，促进大角度晶界的形成，大角度晶界对裂纹的阻碍能力远远高于小角度晶界，相对于小角度晶界而言，大角度晶界上的原子具有更高的活性，排列也更不规则，晶界能也更大；当裂纹扩展穿过大角度晶界时部分裂纹扩展能将会被消耗，最后由于裂纹扩展能不足而使裂纹停止扩展，改善钢的疲劳性能。
依据GB/T 3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》，采用GPS100高频疲劳试验机在室温下进行高强度车轮钢板的拉-压疲劳测试。经稀土处理后抗拉强度在650Mpa级别的高强度车轮钢的疲劳性能见表1；与采用相同制备方法的得到不含稀土的对比例相比，实施例3在370Mpa、390Mpa和410Mpa的应力条件下，疲劳寿命均大幅度提高，最大可进入无限寿命区（≥107）。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种高强度车轮钢的稀土处理方法，所述方法包括：S100：铁水预处理、S200：转炉冶炼、S300：LF精炼、S400：RH真空精炼、S500：连铸、S600：热轧、S700：控制冷却；其特征在于：所述S400中RH真空精炼包括：
S410：在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物，使所述顶渣改质，所述顶渣改质完成后，对钢液进行真空精炼；
S420：在所述真空精炼经过第一时间后，向钢液内加入稀土合金，添加量为1~5kg/t钢；
在S410的步骤中，所述稀土氧化物的加入量为炉渣重量的5-15%；
在S410的步骤中，所述稀土氧化物包括氧化镧和/或氧化铈；
在S410的步骤中，在RH真空精炼抽真空前向钢液的顶渣内加入稀土氧化物的同时，向所述顶渣内加入萤石，所述萤石的加入量为炉渣重量的5-20%；
所述第一时间为10-20min；
所述稀土合金包括镧-铁合金、铈-铁合金、镧-铈-铁合金中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的高强度车轮钢的稀土处理方法，其特征在于：
在S410的步骤中，在RH真空精炼抽真空前向钢液的所述顶渣内加入所述稀土氧化物，使所述顶渣改质还包括：
所述顶渣改质后进行氩气软吹，所述氩气软吹结束后进行镇静。
3.如权利要求2所述的高强度车轮钢的稀土处理方法，其特征在于：
所述氩气软吹时间≥8min，所述镇静时间≥20min。
4.如权利要求1所述的高强度车轮钢的稀土处理方法，其特征在于：
所述RH真空精炼结束后静搅时间≥7min。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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