文章目录
- 2.1 钢轨冶炼工艺
- 2.1.1 冶炼工艺
- (1)铁水预处理
- (2)转炉合金化冶炼
- (3)钢包精炼工艺(LF(Ladle Furnace)炉)
- 2.1.2 技术要点
- (1) LF精炼
- (2) 夹杂物及有害元素控制
- 非金属夹杂物P和S
- 杂质气体
- (3) 铸造组织控制
- 钢轨材质的特点
- 铸造组织的结晶过程
- 铸态组织
- 合金化工艺
- 2.2 钢轨的轧制工艺
在上节中,简要介绍了钢轨,那么如何制造钢轨?钢轨的制造工艺是其中重要的问题。
钢轨的制造工艺大致分为三种:
-
熔炼:高炉铁水—铁水预处理—顶底复吹转炉— LF炉—真空脱气—连铸钢坯。
-
成型:步进式加热炉—高压水除鳞—万能轧机(紧凑式、高刚度、X-H轧法、再次高压水除鳞—热锯定尺)—自动打印机—带预弯装置的步进式冷床—双向平立可变辊距矫直机—轨端四面液压矫直机。
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无损检测:双向平直度自动测量仪—在线表面涡流探伤—在线超声波探伤(16个探头) —检查入库。
概括一下就是:通过熔炼得到钢坯,然后成型出钢轨的模样,再对钢轨进行质量检测(外形合格吗?内部有没有裂纹?)。
可见,从钢水到钢轨并不是一蹴而就的,它里面包括了很多的工艺,很多的环节,在这些环节里又包括了很多工人们摸索出来的工艺参数。如果可以减少其中的环节数量,就能减少需要的参数,从而使整个生产过程更加容易控制,也反映出了钢铁制造工艺的重要性。
2.1 钢轨冶炼工艺
2.1.1 冶炼工艺
钢铁冶炼工艺包括铁水预处理—顶底复吹转炉—钢包精炼—真空脱气—连铸等。
(1)铁水预处理
铁水预处理时吹氧(发生脱碳反应):
2
F
e
+
O
2
→
2
F
e
O
2Fe+O_2\rightarrow 2FeO
2Fe+O2→2FeO
F
e
O
+
C
→
F
e
+
C
O
FeO+C\rightarrow Fe+CO
FeO+C→Fe+CO
在下图中可以看到熔炼高炉中含有焦炭,它会让C融入铁水中,且C的量是难以把控的,所以通过吹氧的方式降低铁水中的碳含量
(2)转炉合金化冶炼
铁水中添加合金元素:Mn、Si及其他合金元素(V/Ti/Gr),同时产生硫和磷的化合物。
(3)钢包精炼工艺(LF(Ladle Furnace)炉)
设备:LF炉
目的:脱除钢液中的夹杂物(硫和磷的化合物),提高纯净度。
在这个钢包里面,外层是耐火砖,内层则是无机非金属涂料(耐高温,而且不会和铁水发生化学反应),底部有两个孔,一个是进气孔(用来输送氩气Ar),一个是出水口(输出铁水)。
当钢水里面含有S杂质(比如FeS杂质),其密度和铁水差不多,和铁水不互溶,所以在铁水中就和下图油在水里一样是漂浮的小液滴,只不过因为密度差不多所以不会上浮。此时如果往里面通入氩气,氩气会把这些FeS小液滴包裹起来,从而慢慢上浮。最终形成了铁水在下、杂质在上的状态,然后打开出水口就可以得到纯净的铁水。
2.1.2 技术要点
(1) LF精炼
LF(Ladle Furnace)钢包精炼:包括电弧炉预造还原渣、钢渣混出、钢包吹氩处理等。
精炼步骤:
- 注入钢液
- 加热钢液:降下电极(三根通电的石墨棒),通电加热钢液,升高到预定温度;
- 精炼钢液:降下炉盖,抽真空,吹氩,精炼;
- 重新加热钢液:重新加热,进行成分的最后调整;
- 出钢浇铸:精炼完成后,加入终脱碳剂,出钢浇铸。
精炼效果
除氢;脱氧;脱氮;脱硫;非金属夹杂物控制
技术特点:
- 严格控制冶炼操作, 出钢终点碳按要求控制在0.20%以上, 并采用含水分、灰分和挥发分较低的优质沥青焦进行增碳。
- 采用挡渣出钢措施, 控制渣量, 同时在连铸车间还具备ST扒渣手段。
- 可根据用户对钢轨的不同要求, 采用不同的脱氧制度。一般情况下用纯铝进行终脱氧(Al夺取O的能力比Fe强,而且氧化铝的熔点极高,始终保持固体状态,容易去掉)。
- 钢包精炼通过造泡沫渣实现埋弧操作, 防止精炼过程吸氮、吸氢, 以控制钢中气体含量。
- 通过喂丝改变钢中夹杂物形态, 实现钢的进一步脱氧, 同时可对钢水进行稀土处理。
- 钢水在VD 真空脱气时主要是保证真空处理时间, 并随后进行转吹, 以实现夹杂物的进一步上浮。经VD处理后, 钢中的H、O、N可分别控制在2.5、20和60ppm以下。
- 连铸全过程采用保护浇铸, 防止钢水被氧二次污染。
- 结晶器的下部配有电磁搅拌装置, 通过搅拌控制铸坯柱状晶的生长, 减轻铸坯的疏松和偏析。
- 实现钢的低过热度浇铸, 合理设定拉速和水冷制度, 保证铸坯的结晶结构更为合理。
(2) 夹杂物及有害元素控制
连铸坯钢轨的非金属夹杂物主要呈断续短条状分布,连铸坯钢轨的轨腰低倍组织易出现断续或连续分布的条状纹路。
模铸坯钢轨呈连续长束状分布;模铸坯钢轨轨腰易出现分散或集中分布的偏析。
关于模铸和连铸,参考这篇文章
非金属夹杂物P和S
主要危害:导致碳含量偏低(吹氧时间偏长)及精炼时间偏长。?
解决思路:控制原料来源;铁液预处理。
杂质气体
氢:来源于空气的水份的分解出氢原子和氧原子。高温下,氢的溶解度较高。
氧:FeO与钢中的碳发生反应,产生CO。FeO熔点低,析出于晶界,降低韧性。
氮:空气里的N2在电弧作用下分解,产生N原子溶解于钢中,N与其他元素生成氮化物(例如,Si3N4),对细化晶粒有好处,但太多会使韧性下降。
(3) 铸造组织控制
钢轨材质的特点
钢轨用钢为高碳钢。
铸造组织的结晶过程
- 一次结晶:钢液温度降低到液相线以下,发生包晶反应,生成奥氏体;(固液转化)
- 二次结晶:温度降至GS线以下,发生先共析反应和共析反应,形成珠光体组织。(固固转化)
铸态组织
- 晶粒粗大:晶粒粗大、存在柱状晶,韧性较差(由于成分偏析及力学性能的各向异性
)。 - 魏氏体(或网状)组织:在二次结晶过程中,先共析铁素体因钢的含碳量和冷却速度的不同,而呈现出条状形态。
- 网状组织:铁素体沿晶界析出,形成网状的形态特征。
解决途径:降低钢水过热度、控制拉速、调整水冷制度等, 同时还在结晶器末端进行电磁搅拌(通过搅拌铁水把结晶的晶粒运动起来,防止形成柱状晶)。如果直接浇注,那么铁水会从外到内地冷却,外层生成细等轴晶、中心的粗等轴晶和它们之间的柱状晶,柱状晶具有各向异性,须控制柱状晶的体积百分比。
合金化工艺
稀土:与氧的亲和力强,钢液经过稀土处理后,能够改变夹杂物形态,提高疲劳寿命,细化低倍组织和细化晶粒。