稀土加入时机对重轨钢成分及夹杂物影响_白国君.pdf

基金项目：国家自然科学基金资助项目（）通信作者：杨吉春（），男，教授；：；收稿日期：稀土加入时机对重轨钢成分及夹杂物影响白国君，杨吉春，梁文京，（内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 ；包钢矿业有限责任公司，内蒙古 包头 ；内蒙古自治区稀土钢产品研发企业重点实验室，内蒙古 包头 ）摘要：针对重轨钢“”生产工艺中不同时机添加稀土的效果进行工业试验研究，通过对不同工序加入稀土的重轨钢铸坯进行取样，对样品的稀土含量及夹杂物尺寸、数密度、形貌等进行分析。结果表明：后加稀土生产的铸坯中稀土收得率为 ，高于 后加稀土生产的铸坯中稀土收得率 。结合全流程氧含量分析结果，表明稀土加入钢中后就参与脱氧反应，反应产物上浮去除；稀土的加入可有效降低钢中夹杂物尺寸，相较于不加稀土的重轨钢，后加稀土和 后加稀土生产的稀土重轨钢铸坯样品中，夹杂物长度平均值分别由 降低至 、，平均宽度由 降低至 、；稀土的加入可降低夹杂物评级，对 类、类、类夹杂物评级降低效果明显，其中 后加稀土生产的重轨钢铸坯样品夹杂物评级更优。通过不同工序加入稀土试验对比发现，后加稀土的工艺更能提高重轨钢夹杂物变质的能力。及 分析结果表明，稀土主要存在于硅钙镁铝系夹杂物中，并使硅钙镁铝系夹杂物由水滴形变为球形，表面发生硫的富集；对硫化锰夹杂分析结果表明，后加稀土工艺可使钢中硫化锰与硅钙镁铝系夹杂共生，降低硫化锰对钢带来的危害。关键词：稀土；重轨钢；夹杂物；加入时机；硫化锰中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：“”，年月第 卷 第期炼钢 ，：；随着铁路技术的发展应用，高速铁路、高负载运输及更长寿命等对钢轨的性能要求不断提高。在不增加钢轨生产成本的前提下，如何满足不断提高的使 用 需 求 成 为 了 钢 轨 制 造 发 展 的 重 要 课题。重轨钢中有害夹杂物主要是、铝酸盐等，这些夹杂物容易在钢轨中形成应力集中，降低钢轨的强度、耐磨性、抗冲击性等性能。研究者们发现将稀土作为添加剂可有效降低钢中夹杂物数量及尺寸，并对含铝夹杂物具有变质作用。方磊等以重轨钢为研究对象，建立可以定量描述稀土在重轨钢中行为特性的热力学模型。利用该热力学模型，研究分析了在不同氧、硫含量条件下，铈加入量对重轨钢液及其凝固过程中铈的赋存状态以及夹杂物组成的影响作用规律。结果表明：当钢中氧、硫含量较低时，随着铈加入量的增加，的析出量略有减少；当钢中氧、硫 含 量 较 高 时，随 着 铈 加 入 量 的 增 加，的析出量有所增加；铈加入量的增加以及温度的下降均有利于 的析出。任磊等以 重轨钢为试验钢种，研究了稀土处理对钢中 夹杂物的影响。结果表明：钢中夹杂物平均长宽比为，平均尺寸为。添加微量稀土 后，夹杂物种类和成分均复杂化，除了纯 以外，还发现了另外种不同形态的含 夹杂物。夹杂物平均长宽比降为，降低了约。罗迪强等 研究了钇基稀土含量对 高强船板钢夹杂物的影响。结果表明，稀土可以将 钢中长条状 夹杂物变质为细小的类球状稀土夹杂物，夹杂物粒径从约 细化到 以内。虽然稀土在钢中的应用受到了学者们的广泛关注，但目前大部分研究均基于实验室研究，稀土在钢中应用的工业化研究较少。在工业生产稀土重轨钢过程中，稀土加入钢中出现的问题主要包括两个方面 ：一是生产过程中稀土对夹杂物变质效果难以控制，稀土重轨钢生产出的铸坯质量不稳定 ，影响稀土重轨钢质量。二是稀土易氧化问题，由于稀土很容易发生氧化反应，导致稀土收得率低，难以起到稀土合金化的目的 。为此，本文对工业生产中稀土加入工艺进行对比研究，通过不同工序的稀土添加工艺，对稀土收得率、夹杂物尺寸及数密度等方面进行分析，明确稀土对重轨钢中、铝酸盐、夹杂物的影响，研究结果有助于工业生产中控制夹杂物变质效果，从而指导稀土在重轨钢生产中的应用。试验方法针对重轨钢“”生产工艺，结合稀土的性质设计重轨钢稀土添加试验。其中转炉容量 ；炉外精炼使用 进行钢液脱氧合金化；真空度范围在（），深真空时间大于 ；铸 坯 断 面 为 ，定 尺 。稀土加入时机为 炉外精炼对钢水脱氧并 合 金 化 完 成 至 浇 铸 前。试 验 钢 牌 号 为 和 ，试验炉次化学成分见表。稀土的化学性质十分活泼，在炼钢温度下很容易被氧化进入渣中。为保证稀土的收得率，在钢液氧含量低的工位加入稀土，即 精炼完毕至中间包之前，因此设计试验如下：随机选取炉重轨钢 作为比照组，生产工艺见图；选取炉稀土重轨钢 在 离位时加入（）、（）的镧铈合金，合金中稀土质量分数不低于 ，稀土的加入量 ，加入稀土合金后使用氩气软吹 再进入 ，使稀土充分合金化，生产工艺见图；选取炉稀土重轨钢 在 破空后加入相同的稀土合金，加入量 ，为了使 后加稀土试验与 后加稀土试验具有同样的夹杂物生长时间，稀土加入后使用氩气软吹 并静置时间 ，使两种试验工艺中稀土加入至开浇的时间均为 ，除稀土加入工艺外，其余生产工艺均相同，生产工艺见图。第期白国君，等：稀土加入时机对重轨钢成分及夹杂物影响表 及 钢铸坯化学成分 钢种稀土加入时机试验号 未加 未加 未加 未加 后 后 后 后 后 后 后 后 图加与不加稀土生产重轨钢工艺 图可以看出，重轨钢 与稀土重轨钢 生产工艺除稀土加入外，其他工艺全部相同。结果与分析 加入时机对稀土收得率影响对不同加入稀土时机各工位样品进行稀土含量分析检测，并根据稀土加入量与钢液中稀土含量计算各炉次不同工位稀土收得率并取平均数进行对比分析，其中 后加稀土试验中平均稀土收得率为 ；后加稀土试验平均稀土收得率为 ，见图。由 图可知，后加稀土试验中，稀土的损图不同加稀土时机各工位稀土收得率 炼钢第 卷失主要集中在 处理过程，平均损失量可达；后加稀土试验中，稀土收得率缓慢降低，但相较 后加稀土试验铸坯样品，后加稀土的收得率更高。因此认为，稀土在加入后立即与钢液及渣中氧反应生成氧化物。由于重轨钢采用电石脱氧，离位时渣中仍含有较多脱氧剂，导致渣中氧势低，稀土加入到钢液中并未进行充分反应，钢中稀土含量因此较高；经过 处理的钢液中，在真空及较强的氩气搅拌作用下，渣中氧化物大量进入到钢液中，进行软吹镇定处理前加入稀土会导致稀土与钢液中夹杂物发生反应并迅速上浮至渣中，使钢液中稀土含量降低。稀土加入时机对铸坯夹杂评级影响将不同稀土加入工艺生产的铸坯样品按照 标准进行夹杂物评级分析，结果见表。表不同稀土加入时机对连铸坯夹杂物评级 钢种稀土加入时机非金属夹杂物评级级类类类类粗系细系粗系细系粗细粗细 未加 后 后 由表可知，在不添加稀土的重轨钢中，夹杂物主要为硫化物夹杂、含铝夹杂，球状氧化物夹杂及单颗粒球状夹杂；加入稀土后，稀土重轨钢夹杂物评级均有不同程度降低。其中 后加稀土生产的铸坯中 细类夹杂物评级由 分别降低至 后加入稀土的 和 后加入稀土时的 ；粗类夹杂物评级由 分别降至 和 ，细类夹杂物评级由 分别降至 和 ；细类硅酸盐夹杂评级由 分别上升为 和 ；类及 类夹杂在加入稀土后评级均降至。可以看出，稀土的加入使钢中 类夹杂物、类夹杂物和 类夹杂物评级降低，类夹杂物评级上升。稀土加入时机对铸坯夹杂数量及尺寸影响使用扫描电镜对不同稀土加入时机生产的铸坯样品进行多视窗扫描，扫描样品 个，扫描面积 ，检测到夹杂物共 个，每个样品平描面积在 。首先对单位面积（）内宽度大于 夹杂物数量进行统计，结果见图。图不同稀土加入时机的铸坯中各尺寸夹杂物数密度统计 由图可知，稀土使重轨钢宽度小于 的单位面积夹杂物数密度由 个 分别上涨至 后加稀土的 个 及 后加稀土的 个，但长度大于 的夹杂物数密度由不加稀土的 个 分别降低至 后加稀土的 个 及 后加稀土的 个。第期白国君，等：稀土加入时机对重轨钢成分及夹杂物影响使用 聚类法统计对不同稀土加入工艺及普通重轨钢试验铸坯样品中夹杂物尺寸进行统计分析，结果见表。表样品中夹杂物尺寸统计结果 稀土加入工艺夹杂物长度夹杂物宽度最大值平均值最大值平均值不加 后 后 由表可以看出，稀土重轨钢中夹杂物长度、宽度均明显降低，尤其是 后加稀土生产的铸坯中夹杂物长度、宽度降幅明显。稀土的加入具有明显降低夹杂物尺寸的作用。铸坯中夹杂物的变化使重轨钢由于夹杂带来的应力集中现象明显降低，提高了重轨钢洁净度，减少了钢轨内部应力集中点，减少了大尺寸夹杂物带来的脆性断裂等情况，同时细小的夹杂物会使重轨钢强度、硬度等力学性能得到强化。稀土对硅钙镁铝系夹杂物的影响根据上述稀土对夹杂物数量、尺寸、评级影响研究结果，进一步通过扫描电镜面扫及 能谱分析观察普通重轨钢及 后加稀土生产的稀土重轨钢样品中夹杂物形貌。通过检测分析发现，钢中稀土仅存在于硅钙镁铝系夹杂中，未加稀土及 后加稀土生产的铸坯夹杂物进行分析，结果见图及图。由图及图可知，重轨钢中硅钙镁铝夹杂物受稀土的影响，形态上发生变化，由不规则状转变为球形。同时对大量夹杂物分析后发现，稀土的加入使硅钙镁铝系夹杂物更容易与钢中硫元素结合，使表面硫元素富集现象大幅增加。稀土对硫化锰夹杂物的影响通过夹杂物评级结果可以看出，稀土的加入使硫化物夹杂评级降低。对钢中夹杂物分析后发现，重轨钢中硫化物夹杂主要是硫化锰。硫化锰夹杂在重轨钢中多以氮化钛为核心呈长条状（图）。稀土重轨钢中硫化锰夹杂物的形貌发生改变，由长宽比大幅降低，其中以氮化钛为核心析出的硫化锰夹杂物变为尺寸更小的方形夹杂，另外一部分硫化锰夹杂物与硅钙镁铝系夹杂物共生现象（图）。两种变 化 降 低 了 硫 化 锰 夹 杂 在 钢 中 的 负 面 影响，从而提高了重轨钢的探伤质量及性能。综合硅钙镁铝系夹杂及稀土重轨钢的特点进行分析可知，稀土重轨钢中硫元素受稀土影响在硅钙镁铝系夹杂物中富集，当钢液温度降低，夹杂物中的硫元素从夹杂物基体中饱和析出，在夹杂物表面富集，当达到硫化锰大量析出所需条件时，钢液中的锰元素与硅钙镁铝系夹杂物表面的硫元素结合，从而形成了硅钙镁铝系夹杂物与硫化锰夹杂物共生的情况。图不加稀土重轨钢铸坯中硅钙镁铝系夹杂物面扫 照片 炼钢第 卷图 后加稀土铸坯中硅钙镁铝稀土夹杂物 照片 图不含稀土重轨钢中硫化锰夹杂物 照片 第期白国君，等：稀土加入时机对重轨钢成分及夹杂物影响图 后加稀土铸坯样中硫化锰夹杂物 照片 结论）在 后加稀土生产试验中，稀土主要在 处理过程中损失，铸坯中平均稀土收得率 ；后加稀土生产试验中，稀土收得率平稳降低，铸坯中平均稀土收得率 。）稀土的加入使铸坯中宽度小于 的稀土 使 重 轨 钢 单 位 面 积 夹 杂 物 数 密 度 由 个分 别 上 涨 至 后 加 稀 土 的 个及 后加稀土的 个，但长度大于 的夹杂物数密度由不加稀土的 个分 别 降 低 至 后 加 稀 土 的 个及 后加稀土的个。）稀土的加入可以降低夹杂物评级，其中 后加稀土生产的铸坯中细类夹杂物评级由 降低至 ；粗类夹杂物评级由 降至 ，细类夹杂物评级由 降至 ；类及 类夹杂在加入稀土后评级均降至。）从夹杂物面扫结果可以看出，稀土主要在硅钙镁铝系夹杂物中存在，使硅钙镁铝夹杂形状由水滴状变为球形，夹杂物表面发生硫元素富集现象；硫化锰夹杂在稀土的影响下发生了夹杂物长宽比降低、硅钙镁铝与硫化锰共生两种现象，改变了硫化锰在钢中的形态。参 考 文 献，（）：智建国，吴章忠，栾义坤，等添加稀土处理钢的炼钢生产工艺研究 第十一届中国钢铁年会论文集 北京：赵成林 稀土元素在钢水中的作用机理及加入技术研究 鞍钢技术，（）：刘晓，马利飞，李运刚 稀土镧和铈对双相不锈钢耐腐蚀性能的影响 材料热处理学报，（）：刘晓，王龙妹，陈雷，等 稀土在双相不锈钢中的应用研究 稀土，（）：米丰毅，王向东，陈小平，等 海洋大气环境下低碳稀土钢耐腐蚀性能的研究 稀土，（）：李园，吕卫东，刘玉宝，等 稀土在铸钢中应用研究进展中国铸造装备与技术，（）：方磊，刘宏亮，刘承军，等 铈在重轨钢中行为特性的热力学模型分析 稀土，（）：任磊，张海南，曹建强，等 和退火对 钢中 夹杂物的影响钢铁研究学报，（）：罗迪强，余音宏，张真铭，等钇基稀土对高强船板钢夹杂物及低温冲击性能的影响金属热处理，（）：董大西，杨超云，胡云生，等 净轴承钢中稀土变质夹杂物行为分析中国冶金，（）：康健，于彦冲，孟晓亮，等稀土处理 钢洁净度研究连铸，（）：杨吉春，杨昌桥，周莉，等 对 钢显微组织和力学性能的影响稀土，（）：智建国 包钢稀土钢的进展及技术方向分析包钢科技，（）：，（）：朱健，黄海友，谢建新近年稀土钢研究进展与加速研发新思路钢铁研究学报，（）：姜茂发，王荣，李春龙钢中稀土与铌、钒、钦等微合金元素的相互作用稀土，（）：胡妍，任强，张立峰，等稀土处理无取向电工钢中非金属夹杂物的演变炼钢，（）：炼钢第 卷