本发明涉及钢铁冶金领域，尤其涉及一种大方坯重轨钢轨头区域均质性提升方法。
背景技术：
钢轨是铁路轨道的主要组成部件，在铁路运输过程中，对机车提供有效支撑及引导，需承受来自车轮的巨大垂向压力。基于我国基础建设发展需求，铁路运输正以迅猛的速度发展，并不断趋于高速化、重载化。这无疑对钢轨质量提出了更加严苛的要求。钢轨质量的提升在一定程度上体现于钢质本身质量控制水平，如高均质性、高洁净、高成分精度。其中钢轨的均质性(偏析程度越小，钢轨均质性越高)影响钢材组织的均匀性，严重的偏析会影响钢轨母材及钢轨的焊接性能，进而影响钢轨服役及使用。在冶金行业内，大量的专家学者对铸坯偏析进行了详细研究，研究指出：钢液凝固过程中，由于溶质元素在固液相中的再分配形成了铸坯化学成分的不均匀。同时，研究指出，钢液凝固过程中，从液体中先后结晶出来的固相成分不同，结果使得一个晶粒内部化学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析。对于重轨钢而言，轨头与车轮直接接触，轨头区域的均质性影响钢轨使用性能的表现。钢轨轨头溶质元素的均匀分布对钢轨轨头区域母材组织及焊接热影响区组织控制具有重要意义。
技术实现要素：
为克服现有大方坯重轨钢轨头部位弥散偏析严重等不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种能使重轨钢轨头区域均质性显著提升的控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
大方坯重轨钢轨头区域均质性提升方法，包括依次进行以下工艺，转炉冶炼、lf炉精炼、rh真空、连铸、加热和轧制，在连铸阶段采用以下步骤进行控制：
a、连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为50×10-4～60×10-4t；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为6.0～8.0hz，通过调节电流强度以控制搅拌磁场强度为200×10-4～250×10-4t；
b、中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按30～40℃执行；
c、连铸二冷：采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.32～0.34l/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m。
进一步的是，所述大方坯重轨钢的断面为280mm×380mm，适用于至少包括u71mn、u78crv和u75v品种的重轨钢生产。
进一步的是，连铸过程中连铸拉速按0.67～0.70m/min进行配合，拉速控制波动极差值≤0.02m/min。
本发明的有益效果是：针对大方坯重轨钢轨头区域均质性提升的控制要求，通过采用结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌的装备工艺，并综合设计研究特定搅拌位置及区域，进一步匹配与之合适的搅拌工艺参数以及精确控制连铸阶段的其他各项参数，使得铸坯凝固组织组成得到改善控制，柱状晶较为发达，晶杆细而致密，等轴晶晶粒形态改变，晶杆细而致密且清晰，二次枝晶臂间距减小，钢轨凝固组织过渡平缓，凝固组织及成分均匀性改善显著，特别是对应于轧制轨头的铸坯区域，均质性显著提高，从而改善传统大方坯重轨钢轨头区域均质性不高的问题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
本申请中所述大方坯重轨钢指的是断面为280mm×380mm的方坯，可适用于生产至少包括u71mn、u78crv或u75v型号的重型钢轨。
目前重轨钢常规生产工艺虽趋于成熟，但与世界一流企业存在明显质量差距，随着钢轨服役环境条件日趋严苛且多样复杂化，钢轨性能要求愈发苛刻，跟钢轨均质性及凝固组织精细化控制相关的系列问题逐渐暴露，本发明针对大方坯重轨钢轨头区域均质性控制的需要，提供科学合理且切实有效的技术体系，涉及关键装备配备及配套工艺制度体系，在此基础上研究制定与质量控制需求相匹配的技术参数体系。本发明的大方坯重轨钢轨头区域均质性提升方法，包括依次进行以下工艺，转炉冶炼、lf炉精炼、rh真空、连铸、加热和轧制，主要改进点在连铸阶段，在连铸阶段采用以下步骤进行控制：
a、连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为50×10-4～60×10-4t；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为6.0～8.0hz，通过调节电流强度以控制搅拌磁场强度为200×10-4～250×10-4t；
b、中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按30～40℃执行；
c、连铸二冷：采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.32～0.34l/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m。
钢轨生产的整个工艺过程已经是比较成熟的了，主要区别在于工艺过程中的关键装备及工艺制度及参数体系控制上。本申请弱化了传统工艺中的结晶器电磁搅拌，重点配合采用二冷电磁搅拌，通过综合设计研究特定搅拌位置及区域，进一步匹配与之合适的搅拌工艺参数，主要为：搅拌磁场强度、电流频率；随后研究连铸过程铸坯液心分布以匹配适宜的二冷区域覆盖；此外研究匹配以适宜过热度、二冷比水量等参数，以实现大方坯重轨钢铸坯凝固过程控制，尤其中心区域钢液的形核结晶控制。根据大量试验对比得出，按照该参数进行控制，能使重轨钢铸坯凝固组织变得细而致密，特别是对应于轧制轨头的铸坯区域，均质性显著提高，从而改善传统重轨钢轧制后轨头区域均质性不高的问题。
除了上述核心技术外，要达到更好的连铸效果，还需要连铸拉速的配合控制，具体为，连铸过程中连铸拉速按0.67～0.70m/min进行配合，拉速控制波动极差值≤0.02m/min。
下面通过三个具体实施例进一步说明。
实施例1
国内某钢厂采用本发明技术生产u71mn系列重轨钢，轧制轨型为60kg/m。本发明关键技术点实际工艺执行情况为：(1)连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为50×10-4t；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为8.0hz，通过调价电流强度以控制搅拌磁场强度为200×10-4t的二冷电磁搅拌；(2)中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按32～38℃执行。(3)连铸二冷：本发明采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.331l/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m；
此外，与本发明涉及的上述三项核心技术(技术体系及工艺参数组)协同配合的连铸拉速按0.68～0.69m/min进行配合：连铸过程实际拉速控制波动极差值≤0.02m/min。
对试验铸坯进行凝固组织检验，从铸坯窄面向铸坯中心方向，铸坯柱状晶截止于距离窄面81～86mm，等轴晶区晶粒形态发生改变(常规条件下等轴晶晶粒呈短而粗的形态，晶杆呈团簇状，晶杆不清晰)，等轴晶区晶粒呈细小状，晶粒的晶杆清晰，二次枝晶臂间距小，晶杆组织细而致密；对钢轨进行凝固组织腐蚀检验，凝固组织晶杆清晰，凝固组织过渡平缓(常规条件下，大方坯重轨钢铸坯凝固组织分区明显，呈激冷层——柱状晶——混晶——等轴晶分布)。对试验铸坯轧制钢轨轨头典型区域采用φ5mm钻头钻样取屑，进行偏析化学检验，轨头区域c元素偏析度极差控制在0.03～0.05，无负正偏析突变。
实施例2
国内某钢厂采用本发明技术生产u78crv系列重轨钢，轧制轨型为75kg/m。本发明关键技术点实际工艺执行情况为：(1)连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为40×10-4t；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为7.0hz，通过调价电流强度以控制搅拌磁场强度为225×10-4t的二冷电磁搅拌；(2)中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按34～40℃执行。(3)连铸二冷：本发明采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.32l/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m；
此外，与本发明涉及的上述三项核心技术(技术体系及工艺参数组)协同配合的连铸拉速按0.67～0.69m/min进行配合：连铸过程实际拉速控制波动极差值≤0.02m/min。
对试验铸坯进行凝固组织检验，从铸坯窄面向铸坯中心方向，铸坯柱状晶截止于距离窄面80～86mm，等轴晶区晶粒形态发生改变(常规条件下等轴晶晶粒呈短而粗的形态，晶杆呈团簇状，晶杆不清晰)，等轴晶区晶粒呈细小状，晶粒的晶杆清晰，二次枝晶臂间距小，晶杆组织细而致密；对钢轨进行凝固组织腐蚀检验，凝固组织晶杆清晰，凝固组织过渡平缓(常规条件下，大方坯重轨钢铸坯凝固组织分区明显，呈激冷层——柱状晶——混晶——等轴晶分布)。对试验铸坯轧制钢轨轨头典型区域采用φ5mm钻头钻样取屑，进行偏析化学检验，轨头区域c元素偏析度极差控制在0.03～0.06，无负正偏析突变。
实施例3
国内某钢厂采用本发明技术生产u75v系列重轨钢，轧制轨型为60kg/m。本发明关键技术点实际工艺执行情况为：(1)连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为60×10-4t；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为6.0hz，通过调价电流强度以控制搅拌磁场强度为250×10-4t的二冷电磁搅拌；(2)中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按30～36℃执行。(3)连铸二冷：本发明采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.34l/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m；
此外，与本发明涉及的上述三项核心技术(技术体系及工艺参数组)协同配合的连铸拉速按0.68～0.70m/min进行配合：连铸过程实际拉速控制波动极差值≤0.02m/min。
对试验铸坯进行凝固组织检验，从铸坯窄面向铸坯中心方向，铸坯柱状晶截止于距离窄面78～84mm，等轴晶区晶粒形态发生改变(常规条件下等轴晶晶粒呈短而粗的形态，晶杆呈团簇状，晶杆不清晰)，等轴晶区晶粒呈细小状，晶粒的晶杆清晰，二次枝晶臂间距小，晶杆组织细而致密；对钢轨进行凝固组织腐蚀检验，凝固组织晶杆清晰，凝固组织过渡平缓(常规条件下，大方坯重轨钢铸坯凝固组织分区明显，呈激冷层——柱状晶——混晶——等轴晶分布)。对试验铸坯轧制钢轨轨头典型区域采用φ5mm钻头钻样取屑，进行偏析化学检验，轨头区域c元素偏析度极差控制在0.04～0.05，无负正偏析突变。
上述实施例说明采用本发明技术生产的重轨钢，在铸坯中用于轧制轨头的区域内凝固组织组成得到改善控制，柱状晶较为发达，晶杆细而致密，等轴晶晶粒形态改变，晶杆细而致密且清晰，二次枝晶臂间距减小；钢轨凝固组织过渡平缓，凝固组织及成分均匀性改善显著，试验铸坯轧制钢轨轨头区域均质性得到明显改善。