重载铁路用钢轨夹杂物临界尺寸研究

列车轴重的提高,对钢轨的纯净度提出了更高要求。为了探讨夹杂物对钢轨使用寿命的影响规律,建立钢轨有限元模型,分析夹杂物形状、深度及尺寸对钢轨应力的影响;通过FE-SAFE疲劳仿真软件,分析夹杂物对钢轨疲劳寿命的影响,计算夹杂物引起钢轨疲劳损伤的“半径-长度”曲线。结果表明:夹杂物棱角越小,越易引起钢轨局部应力集中;夹杂物与钢轨踏面之间距离越大,钢轨最大应力越小;夹杂物受载面积越大,对钢轨应力的影响越明显,夹杂物内切圆半径对钢轨应力状态的影响更大;25 t轴重下,钢轨疲劳寿命与夹杂物内切圆半径的3次方成反比,与夹杂物长度的2次方成反比,夹杂物内切圆半径相比长度对钢轨疲劳寿命的影响更大;钢轨踏面下5 mm深度处Al2O3夹杂物的“半径-长度”临界尺寸组合分别为“20μm-1 620μm”“60μm-395μm”及“100μm-207μm”,在钢轨检验中应关注超尺寸的大型夹杂物。

多夹杂物对重载铁路钢轨疲劳寿命的影响

非金属夹杂物容易引起钢轨疲劳损伤,为了探究非金属夹杂物特征参数对重载钢轨疲劳性能的影响规律,文中采用ABAQUS有限元软件建立重载钢轨分析模型,对外载荷作用下含夹杂物钢轨的应力状态进行仿真计算,通过FE-SAFE疲劳仿真软件对含多夹杂物钢轨进行疲劳寿命预测。结果表明:相比于软质塑性MnS夹杂物,硬质脆性Al2O3夹杂物对钢轨最大应力的影响更大;夹杂物位于钢轨的高应力区时,在外部载荷作用下,曲线段钢轨的最大应力大于直线段钢轨的最大应力;相邻夹杂物相距临界距离时,多夹杂物水平分布时比其垂向分布时对钢轨应力的影响更大,且随着相邻夹杂物距离变小,钢轨基体的最大应力变小;相邻多夹杂物会使钢轨疲劳寿命骤减,含4个相邻夹杂物的钢轨比含2个夹杂物钢轨的疲劳寿命短。

150tBOF-LF-VD-CC流程无铝脱氧工艺高速轨钢冶炼过程的夹杂物行为

时速350 km高速钢轨要求钢中全氧含量T[0]≤20×10^(-6),非金属夹杂物B、C、D类≤1.0级。国内在重轨钢冶炼中,通常采用无铝脱氧工艺,即采用SiCaBa合金强化脱氧,形成了低熔点的Mn-Al-Si-Ba-Ca多元型氧化物夹杂,该类夹杂物在精炼中全部排出钢液。研究了铁水预处理脱硫-150 t顶底复吹转炉-LF-VD-280 mm×380mm连铸流程冶炼钢轨钢U71MnG时的夹杂物行为,包括无铝脱氧工艺钢轨钢中氧化物夹杂的组成及特征,转炉终点[C]对钢水氧活度的影响以及LF精炼渣碱度和VD后期软吹氩搅拌对钢氧含量和夹杂物的影响。结果得出,钢轨头部的≤20μm氧化物夹杂为精炼时二次脱氧产物,通过控制转炉终点[C]>0.15%,控制精炼渣碱度(CaO)/(SiO_2)=2.5~3,∑(FeO+MnO)≤1.0%可有效降低钢轨钢中氧化物的数量和尺寸。