摘要

铁路运输的重载化和高速化对钢轨材质的洁净度提出了更加严苛的要求。国内某厂生产高速重轨钢的过程中,存在精炼阶段氧、硫含量控制不稳定的问题,继而造成钢中非金属夹杂物控制水平不稳定的问题。为了研究重轨钢中氧、硫元素质量分数对氧化物夹杂的影响,以此厂生产的重轨钢为研究对象,开展实验室热模拟研究,调整钢中初始硫和全氧质量分数分别为0.007%~0.016%和0.001 2%~0.004 4%,统计钢渣反应前后钢中氧化物夹杂数量密度、尺寸和成分的变化规律。结果表明,随着钢中氧、硫元素质量分数增加,氧化物夹杂的去除率呈升高趋势,氧化物夹杂的平均尺寸呈减小趋势。钢厂可在保证渣成分稳定、钢液温度降幅不大且精炼时长稳定的情况下,改变以往过分追求低硫指标的生产习惯,利用表面活性元素氧、硫对界面张力的影响,适当提高LF进站前钢中氧、硫元素质量分数,可提高氧化物夹杂的去除率,同时降低夹杂物尺寸。

重轨钢是铁路承重的主要用钢，钢轨的质量严重影响高速、重载铁路的快速发展。除要求更高的洁净度、强度和良好的韧性外，抗疲劳性能是考核重轨钢质量好坏的重要因素。非金属夹杂物是破坏钢轨抗疲劳性能最主要的原因，严重影响钢轨的使用寿命和铁路运行安全。国内重轨钢厂一般采用硅锰复合脱氧或硅钙钡脱氧，严格控制脆性Al2O3夹杂的出现，从而避免对抗疲劳性能的影响。作者对重轨钢生产的LF-RH-CC流程取连续4炉样分析发现，精炼阶段重轨钢中夹杂物主要以MnS夹杂和复合型氧化物夹杂为主，铸坯中多为以氧化物为核心包裹MnS生长的形式出现。因此国内对重轨钢冶炼过程的传统研究更倾向于2条路线：1)降低钢液中的氧、硫元素含量以减少氧、硫化物夹杂的生成，尤其是严格控制MnS夹杂的生成；2)对MnS进行改性处理，减少长条状MnS的析出，降低裂纹生成率，有利于提高重轨钢的抗疲劳性能。王玉昌提出了实现不含铝强化脱氧是高速重轨钢洁净度控制的关键技术，并通过工业试验证明，在相同温度下，硅钙钡比硅钙脱氧能力更强；唐磊研究了精炼渣系对重轨钢洁净度的影响，揭示了相同处理工艺下，碱度为2.5的重轨钢精炼渣脱氧、初期脱硫速率更大，更易于夹杂物去除与减小尺寸；高梓淇等研究了精炼渣中Al2O3含量对重轨钢中夹杂物的影响，结果表明随着渣中Al2O3含量降低，夹杂物中Al2O3含量减少，氧化物数量增多，更有利于MnS在其表面析出，且A类夹杂合格率更高；张学伟通过热力学确定了MnS夹杂物析出发生在凝固末期，通过动力学分析表明，初始元素浓度与凝固冷却速率会影响MnS析出的尺寸，钢液中硫质量分数小于0.005%，可降低MnS形核率和临界尺寸，并抑制其尺寸长大；卓超研究了Ce、Mg处理对MnS析出的影响，揭示了Ce、Mg单独处理和复合处理后重轨钢中夹杂物的演变机制，2种处理方式均减少了长条形MnS的析出。

由于国内某厂生产的重轨钢中氧、硫元素含量波动范围较大，钢轨质量同时也受到影响。作者通过生产调研和文献调研发现，钢中夹杂物数量并不完全与氧、硫元素质量分数呈正相关，且氧、硫作为钢中表面活性元素，对脱氧产物与钢液间的界面张力以及渣-钢的界面张力都有影响，从而间接影响到了脱氧产物在钢液中的生成和运动行为。因此，通过试验研究重轨钢中氧、硫元素对钢液中脱氧产物的影响，不断突破重轨钢实现更高品质的生产十分必要。

严格意义上来说，实际炼钢过程中所有的界面现象在热力学上都是不平衡的，要对它们进行深入的了解和量化，是一件非常困难的事情。钢液中的表面活性元素处于渣-钢两相之间的非平衡状态，可以在两相之间转移。因此，关注某一时刻的界面张力和钢液成分对于一直处于非平衡状态的渣钢界面来说意义不大。本文以此厂生产的重轨钢为研究对象，开展实验室热模拟研究，对比渣钢反应前后夹杂物水平变化，从而得到钢液中不同氧、硫元素含量对夹杂物的影响。

1试验方案

1.1试验设计

根据钢厂实际调研结果，LF化渣后钢中全氧质量分数为0.003%~0.013%，硫质量分数为0.003%~0.012%；铸坯样中全氧质量分数为0.000 5%~0.001 2%，硫质量分数为0.004%~0.010%。铸坯样洁净度高，控制元素含量低，对钢液产生的影响较小，因此以铸坯样为母液，逐渐提高变量元素质量分数即可探究不同活性元素含量对钢液的影响。本研究取国内某重轨钢厂生产的U71Mn铸坯样作为母液，成分见表1。共交叉设计6炉试验钢，旨在模拟LF精炼过程，待钢液溶清后，将钢液中的硫和全氧质量分数分别增加至0.007%~0.016%和0.001 2%~0.004 4%，钢渣充分反应30 min后，取样对结果进行分析，对比不同初始硫、全氧质量分数下钢中夹杂物的变化。

表1熔清钢液化学成分(质量分数)

将重轨钢铸坯切成20 mm×15 mm×10 mm的钢块并打磨氧化皮，每炉试验取约300 g钢块叠放在MgO质量分数为99.5%的坩埚中，并随石墨坩埚一同放置在管式电阻炉中，调好程序缓慢加热升温，试验装置如图1所示。当温度升至600℃时，氩气(质量分数为99.99%)流量控制为2.5 L/min，保持坩埚内中性气氛，当温度升至900℃时，氩气流量调整为3.5 L/min，炉膛升温至1 600℃后持续保温30 min以保证钢液熔化且均匀。

图1试验装置示意