一种钢轨及其MnS非金属夹杂物控制方法与流程

本发明属于铁路轨道材料，尤其涉及一种钢轨及其mns非金属夹杂物控制方法，适用于铁路用高碳钢轨的纯净化控制与高品质生产。

背景技术：

1、钢轨是高速铁路与重载铁路的核心承载部件，其内部质量直接决定行车安全与使用寿命。高碳钢轨因具备优异的强度和耐磨性，已成为国内外主流钢轨产品的重要发展方向。然而，高碳钢轨在连铸凝固过程中，由于碳含量较高所引起的溶质元素偏析倾向显著增强，尤其是锰元素和硫元素在凝固前沿的枝晶间富集，为mns非金属夹杂物的析出与长大提供了有利的热力学和动力学条件。

2、mns是钢中最常见的塑性非金属夹杂物，在高温轧制过程中易沿轧制方向发生塑性延伸，形成粗大长条状、链状或聚集态夹杂。此类形态的mns夹杂物会严重割裂钢轨基体的连续性，诱发钢轨在使用中产生疲劳裂纹、剥离掉块、甚至断裂风险。更为重要的是，粗大长条状mns夹杂在钢轨闪光焊接过程中，受焊接热循环和顶锻变形耦合作用，易在近焊缝区域诱发推凸裂纹，直接导致焊接接头落锤试验和静弯试验不合格，成为制约钢轨焊接质量稳定性的关键因素之一。此外，长条状mns夹杂物尖端易成为氢原子的聚集陷阱，在轮轨交变应力作用下诱发氢致延迟开裂，对钢轨的长期服役安全性构成严重威胁。随着我国时速350公里高速客运专线对钢轨a类夹杂物评级要求提升至≤2.0级，以及重载铁路对钢轨抗疲劳剥离掉块性能的更高期待，mns夹杂物的精细控制已成为高等级钢轨生产必须攻克的核心技术难题。

3、目前，钢轨生产中对mns夹杂物的控制主要采用转炉脱硫扒渣降硫、精炼深脱硫、硫化物改制处理等方式，但现有技术仍存在明显不足：一是钙等元素改制处理易生成高熔点复合夹杂，mns球化不充分；二是仅依靠凝固工艺优化，无法改变夹杂物本质形态；三是单一镁或单一稀土处理易偏聚、稳定性差且成本高；四是重点强调精炼深脱硫工艺，忽视对硫化物形核质点的调控。例如，中国专利号：cn107699659a公开的一种重轨钢硫化物夹杂物的变性方法，其技术方案采用铁水预处理→转炉→lf→rh→连铸工艺，通过lf深脱硫+钙处理，喂入casi线控制钙含量10～30ppm，依靠钙元素对硫化物进行变性，虽然取得一定效果，但是仍存在易生成较大尺寸的cao·al2o3·cas簇状夹杂的技术缺陷，大大降低钢轨疲劳性能。中国专利号：cn114012057a公开的一种促进非金属夹杂物弥散化分布的重轨生产方法，其技术方案通过优化连铸二冷制度与凝固末端轻压下改善硫偏析，提升夹杂物分布均匀性，但该技术仅改善夹杂物分布，无法改变mns的本征形态，粗大长条状mns依然大量存在，对钢轨横向韧性提升有限，无法从根本解决硫化物的危害。中国专利号cn109706314a公开的一种稀土重轨钢中夹杂物控制方法，其技术方案采用lf+vd精炼，对钢水实施单一铈（ce）稀土处理，控制稀土含量10～20ppm，依靠ce对硫化物改性，但该技术采用单一稀土，存在成本高、易氧化、效果不稳定的固有不足，难以满足工业化连续稳定生产的要求。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种钢轨及其mns非金属夹杂物控制方法，以钒微合金化热轧钢轨为研究对象，采用转炉出钢碳含量控制与钢中氧化铝含量控制协同配合技术手段，在不提高钢中溶解铝含量的同时适当增加精炼溶解氧含量，以增加凝固过程中析出的细小弥散的氧化物夹杂数量，为mns夹杂物异质形核提供更多形核位点，最终减小mns夹杂物尺寸，并实现弥散分布，以提升钒微合金化热轧钢轨基体力学性能稳定性和抗疲劳性能。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种钢轨，所述钢轨的化学成分按质量百分比计包括：

4、c：0.70%~0.80%，si：0.50%~0.80%，mn：0.75%~1.10%，v：0.04%~0.12%，al：0.0010%~0.0040%，n：35~45ppm，ni：0.001%~0.010%，cu：0.001%~0.010%，[o]：10~30ppm，p≤0.015%，s≤0.010%，余量为fe和不可避免的杂质。

5、所述钢轨中非金属硫化锰尺寸总长度均≤500μm，其中≤250μm占比不低于85%；依据gb/t10561-2023《钢中非金属夹杂物含量的测定》a法检测，粗细系评级均为2.5级以下，其中2.0级以下占比≥90%，1.5级以下占比≥85%。

6、所述钢轨中al2o3夹杂物尺寸控制在2.0~3.0μm，密度控制在5~13个/mm2。

7、钢轨的成分设计理由如下：

8、c是提高基体强度和硬度元素，本发明中的作用是强化基体，保证钢轨的基础强硬性满足热处理要求，本发明中，当c含量低于0.70%时，无法保证钢轨强硬性，耐磨性会明显降低；当c含量高于0.80%时，会破坏钢轨低温韧性。所以，本发明选择c含量为0.70%～0.80%。

9、si是固溶型强化元素，本发明中的作用是浇注冷却时固溶在铁素体中，轧制过程中固溶在珠光体中，能够提高钢轨硬度和强度。当si含量低于0.50%时，固溶强化作用不明显；当si含量高于0.80%时，钢轨延伸率明显下降。所以，本发明选择si含量为0.50%～0.80%。

10、mn是碳化物形成元素，可以提高渗碳体硬度，cr是基体强硬性元素，能够增加钢轨的淬透性和淬硬性。mn、cr元素的搭配可以提高共析转变温度，促使珠光体转变过程自由能增大，提高形核率，以细化珠光体组织。本发明中，当锰含量低于0.75%时，会显著降低基体强度和断后伸长率；当锰含量高于1.10%时，会增加锰元素正偏析程度，产生马氏体异常组织。所以，本发明选择mn含量为0.75%~1.10%。

11、p在钢轨钢中是有害元素，容易造成偏析和“冷脆”。在保证炼钢条件、炼钢成本等前提下越低越好，本发明要求p含量≤0.025%。

12、s在钢轨钢中是有害元素，是a类夹杂物的主要形成元素，同时在轧制中易产生“热脆”，所以在保证不增加非必要成本的前提下越低越好，本发明要求s≤0.015%。

13、al在钢轨钢中要低含量控制，主要原因是高含量的、较大颗粒的、非弥散分布的氧化铝硬脆夹杂严重破坏钢轨疲劳、探伤与焊接性能。但是当al含量低于0.0010%时，显著提高冶炼成本。因此，本发明要求al含量为0.0010%~0.0040%。

14、n在钢轨中具有双重作用，与钒结合形成细小氮化物能够细化晶粒，而游离氮过多易产生时效脆化，服役中韧性及断裂韧性会下降。因此为达到本发明效果，n含量控制在35~45ppm。

15、cu与ni配合作用，铜能够提升钢轨耐大气腐蚀能力，有轻微固溶强化效果，但铜超标容易在晶界富集，轧制时产生铜脆，引发表面裂纹缺陷；镍主要用来改善韧性，抵消铜脆，二者协同提升耐蚀性能。本发明铜镍配合含量控制在0.001%~0.010%。

16、[o]是钢轨冶炼过程脱氧反应的直接对象，终点自由氧过高，脱氧后会生成大量脆性铝酸盐夹杂，成为疲劳裂纹源，大幅降低钢轨接触疲劳寿命；自由氧太低，脱氧剂加入过多，同样生成大尺寸夹杂。因此，本发明精炼后[o]控制在10~30ppm。

17、一种钢轨mns非金属夹杂物控制方法，包括炼钢、加热、轧制工序，具体过程如下：

18、1）炼钢：

19、转炉出钢碳含量为0.10wt%～0.20wt%；精炼[o]含量10～30ppm；

20、中间包硫含量为40~60ppm，中间包钢液中的[al]含量为15~30ppm，中间包钢液中al2o3夹杂物占所有非金属夹杂物的质量百分数为70%~78%；

21、2）加热：

22、连铸坯加热温度1200~1300℃，保温1.0~3.0h；

23、3）轧制：

24、轧制工序中铸坯经高压水除鳞后轧制，开轧温度1150~1200℃，终轧温度950~1000℃，轧后空冷。

25、所述炼钢中转炉吹炼过程采用高拉碳补吹工艺；出钢采用挡渣锥和挡渣塞双重挡渣工艺控制下渣量。

26、所述中间包硫含量的控制包括：铁水预处理深度脱硫使入炉铁水硫≤0.030%；lf精炼深脱硫，造碱性精炼渣：lf精炼碱度控制在1.5～2.0。

27、所述炼钢中采用硅脱氧，同时lf精炼出钢及vd破真空后采用弱氩气软吹搅拌，促进温度均一及大颗粒有害夹杂物上浮，其中lf软吹比流量0.30～0.50nl/(min·t)，时间5-10min；vd软吹比流量0.20～0.35nl/(min·t)，时间15-20min。

28、所述铸坯的断面尺寸不低于280mm×380mm。

29、该钢轨mns非金属夹杂物控制工艺设计理由：

30、一、炼钢控制：为保证上述成分钢种硫化物尺寸、分布控制，需配合与本发明成分相匹配的冶炼工艺关键参数控制，最终连铸获得断面尺寸不低于280mm×380mm连铸坯。其中核心控制如下：

31、1.钢轨冶炼转炉出钢碳适当高含量控制：适当提高出钢碳含量，控制在0.10%～0.20%范围。

32、一是吹炼前期控制。优化入炉原料结构，严控废钢、铁水带渣量，降低初始炉渣氧化性；合理设定供氧强度与枪位，前期快速化渣，避免前期过度脱碳，保证熔池升温、脱碳同步均衡进行，防止碳含量提前降至目标下限以下。二是吹炼终点控制。采用高拉碳补吹工艺，精准判定吹炼终点，杜绝过氧化深吹；终点前提前降低供氧强度，平稳控制熔池碳含量，通过副枪动态检测，精准将终点碳锁定在0.10%～0.20%区间，优先控制在0.14%～0.18%中值区间，提升稳定性。三是出钢过程控制。严控出钢下渣量，配套挡渣锥、挡渣塞双重挡渣工艺，防止高氧化性炉渣进入钢包，避免钢液二次氧化、碳含量异常波动；出钢温度同步匹配，保证后续精炼工序热量充足，无需额外增碳操作。

33、2.中间包低硫含量控制：控制在40～60ppm。

34、一是转炉前置管控。严控入炉铁水硫含量，铁水预处理深度脱硫，保证入炉铁水硫≤0.030%；转炉吹炼过程优化炉渣碱度，减少炉渣回硫风险，出钢过程杜绝下渣，阻断炉渣硫向钢液迁移。二是精炼工序深度脱硫。造碱性精炼渣：lf精炼碱度控制在1.5～2.0，提升渣-钢脱硫反应效率，吸附钢液硫化物夹杂。

35、3.中间包[al]含量控制：为适当降低钢液中al2o3含量，[al]控制在15～30ppm。

36、一是使用非铝脱氧，优先选择硅脱氧，同时采用弱氩气软吹搅拌，避免钢液裸露氧化，适当延长渣-钢接触时间，强化脱硫效果，防止硫含量反弹。二是禁止过度脱氧，[o]控制在10～30ppm；将酸溶铝精准控制在15～30ppm区间，优先控制在20～25ppm。

37、4.中间包al2o3含量（质量百分数）控制在70～78%（指取样统计所有非金属夹杂物，al2o3含量控制在70～78%）。

38、一是转炉控制。依托转炉高拉碳工艺，降低钢液初始氧活度，从源头减少铝脱氧生成al2o3夹杂总量；精准控制酸溶铝含量，避免铝过剩生成大量簇状、块状al2o3夹杂，控制夹杂生成尺寸与数量为硫化锰形核提供核心质点；二是精炼工序控制。优化精炼渣系成分，增强对al2o3夹杂的吸附、改性能力，促进大尺寸夹杂上浮去除；精炼后期保证足够软吹时间，氩气压力精准调控，以钢液微蠕动、无裸露为标准，促进细小al2o3夹杂聚合上浮；严禁强搅拌，防止已上浮夹杂重新卷入钢液。三是连铸工序稳控。中间包配套陶瓷过滤器，拦截残余大尺寸al2o3夹杂，进一步净化钢液；稳定中间包钢液过热度与拉速，减少钢液紊流，避免二次氧化生成新的al2o3夹杂；全程无氧浇注，配合碱性覆盖剂，维持夹杂物成分稳定。

39、二、加热控制：本发明钒微合金化钢轨上述断面尺寸连铸坯加热温度1200~1300℃，保温1.0~3.0h，保证连铸坯内部奥氏体均质化和温度均匀化。

40、三、钢轨轧制控制：铸坯经高压水除鳞，采用3-7架轧机轧制，然后空冷得到60kg/m钢轨。该过程合金元素与轧制工艺有效配合，发挥了合金元素强化韧化作用，同时钒以纳米碳氮化物形式析出，在轧制时抑制再结晶，冷却时细化珠光体，加上沉淀强化，同时配合镍铜强化，全面提升了钢轨强韧性。虽然轧制过程对硫化物有一定拉长，但是炼钢过程通过转炉出钢碳含量控制与钢中氧化铝含量控制协同配合，硫化锰尺寸形态已控制在较小且弥散状态，最终成品钢轨硫化物尺寸得到了有效控制，不会被明显拉长超过2.5级。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、本发明通过转炉出钢碳含量控制与钢中氧化铝含量控制，实现了高碳钢轨中mns非金属夹杂物的尺寸细化与弥散分布，从根本上改善了钢轨基体的组织均匀性、力学性能稳定性及服役安全性，可满足高速铁路和重载铁路对钢轨高纯净度、高可靠性、长寿命的严苛技术要求。

43、本发明以钒微合金化热轧钢轨为产品研究对象，采用转炉出钢碳含量控制与钢中氧化铝含量控制协同配合的技术，可实现本发明钒微合金化热轧钢轨中al2o3夹杂物尺寸控制在2.0～3.0μm，密度控制在5～13个/mm2，可有效促进硫化锰形核，并形成硫化锰-氧化物复合夹杂物，降低长尺寸硫化锰形成，使mns夹杂物呈细小、近球形、弥散分布状态，彻底消除了传统工艺中粗大长条状mns对基体连续性的割裂效应。

44、本发明钢轨依据gb/t10561-2023《钢中非金属夹杂物含量的测定》a法检测，非金属硫化锰尺寸总长度均≤500μm，其中≤250μm占比不低于85%，评级水平为粗细系均为2.5级以下，2.0级以下≥90%，1.5级以下≥85%。有助于钒微合金化钢轨基体力学性能稳定性和抗疲劳性能提升。