CN1632223A - 超级钢铁路组合辙叉心轨制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超级钢铁路组合辙叉心轨制造技术，具体地说是一种超级钢铁路组合辙叉心轨制造工艺，1)冒口采用保温冒口，冒口高径比为1.4－1.7∶1；2)钢水高温出炉，在精炼包中进行炉外吹氩气精炼，浇注温度为1510±30℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；3)采用热打箱工艺，铸件浇注结束后，铸件完全凝固后10－30min之间打箱；4)用气割方法进行热割冒口，切割后热送进入热处理窑，进行均匀化处理。本发明设计了浇注系统，保温冒口和相应厚度的冷铁，有效地实现了铸件的补缩，浇注过程中采用了氩气保护，防止了卷气和夹杂，通过对关键工艺参数的控制，保证了组合辙叉心轨的铸件产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及超级钢铁路组合辙叉心轨制造技术，具体地说是一种超级钢铁路组合辙叉心轨制造工艺。
背景技术
当前铁路运力不断增加，火车不断提速，客观上要求铁路路轨质量也要相应提高，铁路辙叉是路轨的关键件，也是易损件，每年全国的铁路辙叉需要量大约在5万颗左右，并且这个数字随着铁路干线的增加还要增加。
铁路辙叉分两种类型，一种是整铸辙叉，另一种是组合辙叉。整铸辙叉由于尺寸大，形状复杂，铸件产生缺陷的几率比较大，在使用过程中，很容易破损，所以整铸辙叉的通过总重量一般不超过1.2亿吨。组合辙叉是由翼轨和叉心轨组装而成，组合辙叉翼轨均由轧制钢轨加工而成，不易破损。所以叉心轨质量的优劣直接关系到整个组合辙叉的使用性能的好坏。叉心轨又分铸造叉心轨和锻造合金钢叉心轨。锻造合金钢组合辙叉心轨存在生产流程长、制造费用大、成本高等不利因素，并且合金钢本身裂纹敏感性大，一旦开裂，裂纹迅速扩展，对于铁路保安件来说，并不是最佳选择。
超级钢是是一种以碳、锰等元素为主并含有多种微合金元素的新型钢种，它的主要特点在于组织均匀，晶粒充分细化，强度、韧性、抗冲击性能均很好。铸造超级钢组合辙叉心轨是采用铸造方法加工而成，成本低，性能好，超级钢组合辙叉心轨可以进行各种组合辙叉的拼装生产，为组合辙叉的大面积推广创造了条件，由超级钢叉心轨组成的组合辙叉通过总重量达到了3亿吨，得到了铁路用户的充分肯定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超级钢铁路组合辙叉心轨制造工艺，解决了铸件氧化夹杂、气孔、缩孔、疏松、微裂纹等问题，生产出了合格的超级钢组合辙叉心轨；采用先进的冶炼技术、合金化技术、相应的热处理工艺改善了材料性能，力学性能有了很大提高，σb≥950MPa，ak≥260J/cm2，δ≥50％。
本发明的技术方案是：
本发明开发了超级钢铁路组合辙叉心轨制造工艺，包括如下步骤：
1)冒口采用保温冒口，冒口高径比为1.4-1.7∶1；在铸件端头放置冷铁，厚度为壁厚的0.3-0.8倍。
2)钢水高温出炉，出炉温度为1560±20℃，在精炼包中进行炉外吹氩气精炼，严格控制磷、硫含量，P≤0.015％，S≤0.008％，浇注温度为1510±30℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；
3)采用热打箱工艺，铸件浇注结束后，铸件完全凝固后10-30min之间打箱；
4)用气割方法进行热割冒口，切割后热送进入热处理窑，进行均匀化处理，均匀化温度为1120±10℃，保温时间为4-5h。
本发明所用超级钢是一种以碳、锰等元素为主并含有多种微合金元素的新型钢种，按重量百分比计，超级钢化学成分包括：C 0.7-1.1％，Si 0.6-0.7％，Mn1.1-1.2％，P≤0.015％，S≤0.008％，在冶炼过程中，加入微合金元素细化晶粒，微合金元素包括钼、铌、钒、钛等几种，加入量分别是0.1-0.5％，Fe余量。
本发明采用镁砂粉涂料，厚度为0.5-0.7mm；本发明热割冒口温度不低于300℃。
本发明根据流量相等的原则设计无气隙平稳充型浇注系统，使浇道保持充满状态；该浇注系统包括浇口杯及与之相连的直浇道和内浇道，所述浇口杯为偏心结构，浇口偏于浇口杯中心，在浇口杯内底部设有凸台式稳流平台，直浇道为上大下小流线型结构。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明工艺设计合理，缩短了铸件的生产周期，提高了生产率，采用了自然流平稳充型浇注系统，在浇注过程中采用了氩气保护浇注，减少了二次氧化夹杂和卷气等缺陷，减少了铸件缺陷，提高了铸件质量。
2.本发明运用合理的冶炼工艺提高钢水纯净度，采用合理的热处理工艺，使铸件组织均匀化，对钢水进行合金化处理，细化组织，提高铸件使用性能，从而充分实现了材料的细化、纯净化、均匀化，消除了裂纹、疏松等缺陷，铸件的强度和韧性都得到了提高，作为保安件的铁路组合辙叉利用超级钢叉心轨进行组装生产，将会更安全。
3.本发明适用于各种型号和规格组合辙叉心轨的制造。利用本发明生产的组合辙叉心轨具有高性能、低成本的特点，用这种组合辙叉心轨组装的铁路组合辙叉很容易得到用户认可，由于市场潜力巨大，一旦被广泛采用，组合辙叉将有几个亿的产值。
附图说明
图1超级钢辙叉心轨中夹杂物分布状况；
图2超级钢辙叉心轨晶粒晶界状况；
图3超级钢辙叉心轨均匀化的组织；
图4本发明工艺示意图；
图5凝固过程中温度场模拟结果图；
图6充型过程中流场模拟结果图；
图7缩孔、疏松分布模拟结果图；
图8超级钢铁路组合辙叉；
图9采用本发明生产的组合辙叉心轨铸造毛坯。
具体实施方式
本发明铁路组合辙叉心轨制造工艺如下：
1、超级钢是一种以碳、锰等元素为主并含有多种微合金元素的新型钢种，按重量百分比计，其具体成分C 0.7-1.1％，Si 0.6-0.7％，Mn 1.1-1.2％，以及合金元素钼、铌、钒、钛等，合金元素含量分别是0.1-0.5％，由于超级钢铁路辙叉心轨合金含量比较高，钢水极易氧化。一旦钢水氧化严重，铸件的表层或者是次表层就会形成大量的微裂纹。通过对铸件的凝固过程进行模拟，以及现场试验均证实铸件在浇注完成后，冒口对铸件进行补缩的同时，也对铸件产生一定的热影响，在冒口的热影响区里，产生缺陷的几率远远高于其它部位。所以适当地减小冒口尺寸，使冒口在铸件凝固之后，短时间内也完全凝固，可以减小冒口热影响。同时，提高钢水的纯净度，使用炉外精炼设备，钢水高温出炉，出炉温度为1560±20℃，在精炼包中进行吹氩气精炼，严格控制磷、硫含量，P≤0.015％，S≤0.008％。浇注系统采用自然流平稳充型浇注系统，并且采用氩气保护浇注，可以有效地避免卷气、二次氧化夹杂，减少铸件缺陷。在铸件厚大部位放置适当厚度的冷铁，加快铸件的冷却速度，可以进一步提高铸件质量。
2、超级钢的特点是细晶化、均匀化。而细化晶粒主要是通过合金化来完成，在冶炼过程中，加入微合金元素钼、铌、钒、钛等来达到细化晶粒的目的，提高铸件使用性能。组织均匀化主要通过热处理来实现，超级钢的铸造组织存在着偏析，均匀化温度为1120±10℃，保温时间为4-5h。
如图1、图2、图3所示，铸件的组织明显得到了细化。其中，图1是本发明生产的超级钢组合辙叉心轨的夹杂物分布状况的金相图，放大倍数为100倍，夹杂物的级别为1A级；图2是本发明生产的超级钢组合辙叉心轨的晶粒晶界状况的金相图，放大倍数为500倍，由图可见晶界清晰，在晶界上无析出的碳化物；图3是本发明生产的超级钢组合辙叉心轨均匀化热处理的组织，放大倍数为50倍，晶粒细小且均匀。
3、生产组合辙叉心轨的主要工艺参数：(1)通过计算机模拟完成了冒口设计，冒口的大小、形状和位置，以及高径比均由计算机专用软件VIEW Cast自动生成。冒口采用保温冒口，保证高径比为1.4-1.7∶1，比普通冒口尺寸小了1/3；。(2)严格控制浇注温度，高温出炉，炉外精炼，浇注温度为1510±30℃。超级钢在选择浇注温度时，简单厚壁件浇注温度取下限，复杂薄壁件浇注温度取上限。(3)采用热打箱工艺，为了减少铸件的拉应力，浇注之后，要尽快打箱，打箱时间根据模拟凝固时间确定。通过计算铸件的温度场确定铸件的凝固时间，铸件(包括冒口在内)全部凝固后10-30min打箱。(4)用气割方法进行热割冒口温度不低于300℃，切割后热送进入热处理窑，进行均匀化处理。
如图4所示本发明工艺方案简图，1为心轨；2为铬铁矿砂芯；3为砂型；4为冒口易割片；5为保温冒口；6为保温冒口套；7为浇口杯；71为稳流平台；72为浇口；8为直浇道；9为内浇道；10为冷铁。本发明根据流量相等的原则设计无气隙平稳充型浇注系统使浇道保持充满状态；具体为：
1)根据平稳充型的原则设计浇口杯。在浇口杯7内底部设有凸台式稳流平台71，金属液在充型过程中不产生飞溅现象。该浇注系统的浇口杯7为偏心结构，浇口72偏于浇口杯7中心，有利于在充型过程中排除氧化夹杂物，也有利于金属液充型平稳。
2)直浇道8为上大下小流线型结构，根据流量相等的原则，计算直浇道的尺寸，再通过计算机充型模拟来检验设计的合理性；本实施例直浇道8入口直径Φ90mm，出口直径Φ60mm，内浇道直径Φ60mm。
这样的设计保证了金属液在浇注系统中时刻处于充满状态，充型过程中平稳，防止气体和氧化膜卷入金属液中，造成裂纹和疏松缺陷。
如图4所示，本发明利用冒口进行补缩的同时，在铸件端头放置冷铁，厚度为40mm，由于采用了冷铁激冷，所以获得的铸件没有缩孔疏松缺陷。另外，砂型倾斜放置，倾斜角度为3°，利于排出气体。
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1
如图4所示，冒口采用保温冒口，冒口高径比为1.5∶1；钢水高温出炉，出炉温度为1560℃，在精炼包中进行炉外吹氩气精炼，严格控制磷、硫含量，P≤0.015％，S≤0.008％，浇注金属液重量0.5吨，浇注时间25秒，翻包浇注，浇注温度1480℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，超级钢成分为：C0.7％，Si0.65％，Mn1.2％，P≤0.015％，S≤0.008％，钼0.5％，铌0.1％，钒0.2％，钛0.2％，Fe余量；采用热打箱工艺，铸件浇注结束后，铸件完全凝固后20min打箱；用气割方法进行热割冒口，热割冒口温度500℃，切割后热送进入热处理窑，进行均匀化处理，均匀化温度为1120℃，保温时间为4.5h。
采用如下工艺：(1)采用平稳充型浇注系统的浇口杯，起到了挡渣作用。(2)同时使用冒口和冷铁，铸件没有任何缩孔、疏松缺陷。(3)用普通的镁砂粉涂料，实践证明铸件表面存在粘砂现象。(4)在铸件浇口端上表面有夹杂缺陷，缺陷均在加工余量之内，属于可去除缺陷。
本发明采用计算机专用软件VIEW Cast进行温度场、流场以及铸件缺陷的模拟，如图5所示凝固过程中温度场模拟结果图，如图6所示充型过程中流场模拟结果图，如图7所示铸件的缩孔、疏松模拟结果图。图8为超级钢组合辙叉照片，图9为采用本发明生产的组合辙叉心轨铸造毛坯。
实施例2
与实施例1不同之处是：
如图4所示，冒口采用保温冒口，冒口高径比为1.4∶1；钢水高温出炉，出炉温度为1540℃，在精炼包中进行炉外吹氩气精炼，严格控制磷、硫含量，P≤0.015％，S≤0.008％，浇注金属液重量0.5吨，浇注时间29秒，底漏包浇注，浇注温度1510℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，超级钢成分为：C1.0％，Si0.7％，Mn1.12％，P≤0.015％，S≤0.008％，钼0.3％，铌0.2％，钒0.4％，钛0.1％，Fe余量；采用热打箱工艺，铸件浇注结束后，铸件完全凝固后10min打箱；用气割方法进行热割冒口，热割冒口温度600℃，切割后热送进入热处理窑，进行均匀化处理，均匀化温度为1110℃，保温时间为5h。
采用如下工艺：(1)采用平稳充型浇注系统的浇口杯，起到了挡渣作用。浇注之前型腔中充氩气，减少了二次氧化。(2)同时使用冒口和冷铁，铸件没有任何缩孔、疏松缺陷。(3)用进口的镁砂粉涂料，实践证明铸件表面质量良好。(4)底漏包浇注的铸件表面，次表面均没有发现夹杂。铸件质量完好。
实施例3
与实施例1不同之处是：
如图4所示，冒口采用保温冒口，冒口高径比为1.7∶1；钢水高温出炉，出炉温度为1580℃，在精炼包中进行炉外吹氩气精炼，严格控制磷、硫含量，P≤0.015％，S≤0.008％，浇注金属液重量0.5吨，浇注时间25秒，底漏包浇注，浇注温度1540℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，超级钢成分为：C1.1％，Si0.6％，Mn1.1％，P≤0.015％，S≤0.008％，钼0.2％，铌0.3％，钒0.1％，钛0.4％，Fe余量；采用热打箱工艺，铸件浇注结束后，铸件完全凝固后30min打箱；用气割方法进行热割冒口，热割冒口温度350℃，切割后热送进入热处理窑，进行均匀化处理，均匀化温度为1130℃，保温时间为4h。
采用如下工艺：(1)采用自然流平稳充型浇注系统的浇口杯，起到了挡渣的作用。浇注之前型腔中充氩气，减少二次氧化。(2)同时使用冒口和冷铁，铸件没有任何缩孔、疏松缺陷。(3)用进口的镁砂粉涂料，实践证明铸件表面质量很好。(4)铸件浇口端没有发现夹杂缺陷，铸件质量完好。
利用本发明进行超级钢组合辙叉心轨的铸造，在冶炼过程中，加入适量合金元素，细化了晶粒；利用平稳充型浇注系统的浇口杯，在浇注过程中，采用氩气保护，减少了卷气和二次氧化夹杂，减小了铸件产生表面裂纹倾向；采用合适的冒口尺寸和冒口数量，适当的冷铁进行激冷，有效地完成了铸件补缩，使铸件没有缩孔、疏松缺陷。
本发明工作过程及结果：
由于本发明采用在冶炼过程中进行了炉外精炼和合金化，在浇注过程中进行氩气保护，并且应用了平稳流充型浇注系统，金属液充型平稳，保证了金属液的纯净；利用计算机模拟技术设计的冒口和冷铁有效地起到了补缩和激冷作用，减少了裂纹产生倾向，生产出了没有任何缺陷的高性能铸件。
本实施例的铸钢液态金属的重量0.5吨，浇注时进行氩气保护，并使用了冷铁激冷。观察浇注过程，发现冒口补缩良好。浇注后高温打箱，铸件表面质量良好。热处理后没有任何缺陷(参见图9)。
比较例
铸钢液态金属的重量0.5吨，浇注时没有打氩气，浇注温度1480℃，没有使用冷铁激冷，观察浇注过程，发现金属液冒口补缩良好。打箱后发现铸件表面有粘砂现象，热处理后没有明显缺陷，机械加工后发现铸件次表面有裂纹。
Claims (7)
1、超级钢铁路组合辙叉心轨制造工艺，其特征在于包括如下步骤：
1)冒口采用保温冒口，冒口高径比为1.4-1.7∶1；
2)钢水高温出炉，出炉温度为1560±20℃，在精炼包中进行炉外吹氩气精炼，严格控制磷、硫含量，P≤0.015％，S≤0.008％，浇注温度为1510±30℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；
3)采用热打箱工艺，铸件浇注结束后，铸件完全凝固后10-30min之间打箱；
4)用气割方法进行热割冒口，切割后热送进入热处理窑，进行均匀化处理，均匀化温度为1120±10℃，保温时间为4-5h。
2、按照权利要求1所述铁路组合辙叉心轨制造工艺，其特征在于按重量百分比计，超级钢化学成分包括：C 0.7-1.1％，Si 0.6-0.7％，Mn 1.1-1.2％，P≤0.015％，S≤0.008％，以及合金元素钼、铌、钒、钛，合金元素含量分别是0.1-0.5％，Fe余量。
3、按照权利要求1所述铁路组合辙叉心轨制造工艺，其特征在于：在冶炼过程中，加入微合金元素细化晶粒，加入钼、铌、钒、钛，加入量分别是0.1-0.5％。
4、按照权利要求1所述铁路组合辙叉心轨制造工艺，其特征在于：采用镁砂粉涂料，厚度为0.5-0.7mm。
5、按照权利要求1所述铁路组合辙叉心轨制造工艺，其特征在于：热割冒口温度不低于300℃。
6、按照权利要求1所述铁路组合辙叉心轨制造工艺，其特征在于：在铸件端头放置冷铁，厚度为壁厚的0.3-0.8倍。
7、按照权利要求1所述铁路组合辙叉心轨制造工艺，其特征在于：根据流量相等的原则设计无气隙平稳充型浇注系统，使浇道保持充满状态；该浇注系统包括浇口杯(7)及与之相连的直浇道(8)和内浇道(9)，所述浇口杯(7)为偏心结构，浇口(72)偏于浇口杯(7)中心，在浇口杯(7)内底部设有凸台式稳流平台(71)，直浇道(8)为上大下小流线型结构。
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