不同热处理条件下U75V重轨钢的组织及断裂韧性研究

以U75V重轨钢为研究对象,采用万能试验机、应变仪、扫描电镜等测定和分析其在线轧态和在线热处理态条件下的微观组织、断口形貌及三点弯曲断裂韧性,揭示其微观组织对断裂韧性的影响规律,为研究珠光体重轨钢热处理工艺提供参考。结果表明:U75V重轨钢热处理态和轧态的表面应变变化规律相似,但热处理态U75V重轨钢从弹性变形到塑性变形比轧态滞后;热处理态和轧态U75V重轨钢的断裂韧性K_(IC)值分别为45.122、42.048 MPa•m^(1/2),热处理态的断裂韧性比轧态高;轧态U75V重轨钢断口为解理断裂,而热处理U75V重轨钢为准解理断裂;轧态和热处理态U75V重轨钢的珠光体片层间距分别为272.2、148.4 nm,热处理态U75V重轨钢的珠光体片层细密,存在显著的珠光体团簇,不利于裂纹的扩展,使得热处理态U75V重轨钢断裂韧性高于轧态。

轧制变形对U75V重轨钢珠光体片层间距的影响

U75V重轨钢铸坯尺寸为280 mm×380 mm,重轨轧材经14道次粗轧(BD1)、中轧(BD2)和CCS 6道次精轧(UR_1、ER、UR_2、UR_3、EF、UF)而成。用扫描电镜测量了重轨钢各道次珠光体片层间距。结果表明,随重轨钢BD1E、BD2B、UR和UF道次变形量(面积压缩比)增加,重轨头部、腰部、底部和腿部的珠光体组织片层间距分别由0.512,0.414,0.493,0.452μm降至0.293,0.269,0.253,0.229μm,从而明显地提高重轨的力学性能。

U75V重轨钢280mm×380mm连铸坯加热工艺的试验研究

在钢厂利用Thermophil STOR测试系统(黑匣子)进行步进式加热炉内U75V重轨钢280 mm×380mm铸坯加热过程温度跟踪,并用Origin软件进行数据处理,得出铸坯加热温度、升温速度、表面与中心温差等曲线。结果表明,铸坯平均加热温度为1220℃,当在炉时间超过180 min,应降低均热段控制温度约20℃;炉内水梁对铸坯下表面温度影响较大,应控制均热段下部温度较上部温度高20℃;在目前加热工艺下,重轨铸坯出炉时内外温差(厚度方向)控制在20℃以内,铸坯温度在1 200℃以上,能满足重轨生产要求。

防脱碳涂层在U75V重轨钢生产中的开发与应用

为解决高碳含量的U75V重轨钢在加热过程中易出现严重氧化及脱碳而影响其力学性能的难题,通过对U75V重轨钢热物性能、脱碳特征的研究,考虑防脱碳涂层在加热过程的热膨胀系数和导热系数,采用以相变温度为分界点的分温度段设计理念,并结合氧化及脱碳特征分析了防脱碳涂层玻璃相、C平衡、固相致密烧结及综合热膨胀系数,有针对性地设计开发了防脱碳涂层。通过实验室实验调整了涂层组分,最后进行了工业现场试验验证。结果表明:所开发的防脱碳涂层在U75V重轨钢生产中的高温加热条件下,绝大多数情况下能保证钢坯脱碳层厚度在100μm以内,基本能实现零脱碳;未使用涂层的U75V重轨钢钢坯脱碳层厚度为270~550μm,大部分脱碳层厚度集中在450~550μm。采用防脱碳涂层,吨钢成本虽增加约16元,但在现有加热介质和加热工艺条件下,有效解决了U75V重轨钢加热过程中的脱碳问题。

残余应力对U75V重轨钢疲劳裂纹扩展速率的影响

通过残余应力测试仪Stress3000测试了不同工艺处理U75V重轨钢表面残余应力,利用Sinco Tec疲劳试验机研究了残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响,并对疲劳断口形貌进行了观察。结果表明:不同工艺处理U75V重轨钢表面残余应力均为压应力,淬火态试样表面平均残余应力大于轧态试样;随退火温度升高和退火时间延长,试样表面残余应力下降明显。随表面残余压应力的增大,疲劳裂纹常数m值逐渐减小,即裂纹扩展速率随着表面残余压应力的增加而减小。断口形貌观察发现表面残余压应力较大时,断口疲劳辉纹更为细小,有利于降低表面疲劳裂纹扩展速率。

U75V重轨钢生产过程中非金属夹杂物的行为演变

为了研究重轨钢全流程非金属夹杂物的行为演变,进一步控制重轨钢中夹杂物,提高产品质量。以U75V重轨钢为研究对象,通过对LF-VD-CC工艺重轨钢生产全流程系统取样,结合氧氮分析、钢液成分分析、非金属夹杂物分析以及热力学计算,从夹杂物化学成分、数量及尺寸等方面研究其演变过程。结果表明,U75V重轨钢生产全流程氧氮含量持续降低,最终TO、[N]质量分数分别约为0.001 0%和0.004 0%;LF进站主要为MnO-SiO2-Al2O3型夹杂物,为脱氧产物;LF精炼化渣后,MnO-SiO2-Al2O3型夹杂物转化为CaO-SiO2-Al2O3型夹杂物,BaCaSi和FeSi等合金辅料带入的Ca、Als是产生该结果的主要原因;LF离站时主要为CaO-SiO2-Al2O3-MgO型夹杂物,夹杂物中CaO和MgO含量增加;VD精炼过程CaO-Al2O3-MgO型夹杂物基本消失,VD破空至铸坯中主要为CaO-SiO2-Al2O3型夹杂物;钢轨中镁铝尖晶石类夹杂物比例增加,为CaO-SiO2-Al2O3-MgO型夹杂物,热力学计算结果表明钢轨中尖晶石类夹杂物为降温冷却过程中形成,且计算值与实际值总体吻合。

淬火工艺对U75V重轨钢组织及力学性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜、硬度计、冲击试验机、万能拉伸试验机研究了U75V重轨钢轧态及淬火冷速为3℃/s和5℃/s条件下的微观组织、力学性能及断口形貌。结果表明:随着淬火冷速的增加,U75V钢的晶粒逐渐细化,珠光体片层间距减小,其中,轧态U75V钢的晶粒和片层间距最大,而5℃/s淬火冷速的U75V钢晶粒和片层间距最小;随着淬火冷速的增加,U75V钢的冲击吸收能量、硬度等综合力学性能增加。其中,轧态U75V钢轨的冲击吸收能量、硬度及抗拉强度最小,而5℃/s淬火冷速的U75V钢冲击吸收能量、硬度最优且抗拉强度较好。

保温时间对U75V重轨钢中夹杂物的影响

通过真空感应炉冶炼U75V重轨钢,在箱式电阻炉中将试样加热到1100℃,分别保温30、60、90 min,使用扫描电镜对夹杂物进行分析。结果表明,未经热处理的试验钢中,夹杂物类型主要有3种,分别为MnS、Al_(2)O_(3)及MnS-Al_(2)O_(3)夹杂物。长条状MnS夹杂物随保温时间的延长有分裂趋势,保温90 min时,MnS夹杂物平均圆形度为1.86,与未经热处理的试样相比,圆形度降低了1.52。Al_(2)O_(3)夹杂物在保温30、60 min时,形态、大小变化不大,但数量减少,保温90 min时,部分Al_(2)O_(3)夹杂物尖锐棱角发生钝化,圆形度略微减小。试样经1100℃均热处理后,复合夹杂物增多,随着保温时间的延长,MnS-Al_(2)O_(3)夹杂物中MnS和Al_(2)O_(3)成分分布发生变化,外层的Al_(2)O_(3)有向内部运动的趋势,保温90 min时,夹杂物内部Al_(2)O_(3)富集,外包裹层中Al_(2)O_(3)含量极低,MnS-Al_(2)O_(3)夹杂物逐渐形成以Al_(2)O_(3)为核心,MnS外层包裹的复合型夹杂物,从而减小了对钢基体的损伤。

稀土Ce及热处理对铸态U75V钢中夹杂物的影响

以铸态U75V为实验钢种,研究了向钢中添加稀土Ce、热处理工艺及二者共同作用对钢中以MnS为主的夹杂物的影响。结果表明,原始铸态U75V钢中主要有三类夹杂物:纯MnS、Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-MnO复合夹杂物及MnS半包裹Al_(2)O_(3)-SiO_(2)的复合夹杂物;其平均尺寸为4.75μm,平均长宽比为1.27。将原始铸态U75V钢加热至1300℃保温1h后空冷,钢中夹杂物的种类和成分未发生明显变化,但夹杂物平均尺寸降低至3.8μm,降低了约20%,平均长宽比也减小约4.7%。向钢中添加0.0013%稀土Ce后,夹杂物成分复杂化,除了纯MnS以外,还有三种不同形态的含Ce夹杂物;与原始铸态U75V钢相比,添加稀土Ce后,夹杂物平均尺寸显著降低,减小了1.91μm(约40%),但长宽比略增(约1.6%)。向钢中添加稀土Ce再加热至1300保温1h后空冷,与原始铸态U75V钢相比,夹杂物平均尺寸降低约34%,长宽比降低约2.4%。综合对比,在U75V钢中添加0.0013%稀土Ce并对其进行1300℃保温1h后空冷处理,钢中MnS及相关夹杂物尺寸和长宽比均明显降低。

120 t BOF-LF-VD-CC流程高品质重轨钢U75V的生产实践

通过对重轨钢U75V的生产过程进行取样分析,研究了实际冶炼过程中重轨钢夹杂物的演变规律和大型夹杂物的控制。研究结果表明:控制铝含量≤20×10^-6,精炼渣二元碱度1.8~2.2,白渣保持时间≥15 min,RH真空度在100 Pa以下保持高真空时间≥15 min,可使钢液中全氧含量降至10×10^-6以下,且铝含量不超过20×10^-6,轧材中基本消除B类和D类粗系夹杂,C类夹杂完全塑性化;中间包钢水过热度按25~35℃控制,中间包钢水平均停留时间(750±30)s、水口插入深度控制在90~110 mm,结晶器液面波动≤±3 mm等措施,可去除钢水中的夹杂物。

基于有限元法计算重轨钢淬火过程的换热系数

提出一种利用有限元软件结合实验计算换热系数的方法,根据实测的温度曲线,将影响U75V钢轨(/%:0.74C,0.76Si,0.82Mn,0.014P,0.028S,0.071V)换热系数的诸多因素进行非线性耦合,建立了换热系数的几何模型,通过Python语言编制计算换热系数的迭代程序,求得该钢淬火过程的换热系数。以计算的换热系数作为已知边界条件,在DEFORM-3D中对耦合了相变的钢轨喷雾淬火的温度场进行模拟,模拟计算的冷却曲线与实测冷却曲线一致。