李向川，楊吉春，白國君，樊志明

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014000）

0 引言

在國家大力扶持農(nóng)村脫貧、鄉(xiāng)村振興的大背景下，鐵路運輸更加成為完成這些宏偉目標(biāo)的最基本保障。而鋼軌的產(chǎn)品質(zhì)量直接影響鐵路運輸?shù)陌踩c效率，因此，如何進一步提高重軌鋼的性能，使其在服役期間能夠保證列車高速、安全地運行，成為我們的研究目標(biāo)。通過實驗研究表明，鋼中夾雜物是影響鋼的韌性、塑性和耐磨性等一系列性能的主要因素，而稀土可以有效改善鋼中夾雜物的數(shù)量、尺寸、形狀等。因此，我們要更進一步發(fā)揮稀土對重軌鋼性能的提升作用。

1 稀土元素介紹

1.1 稀土元素的種類

稀土雖然意為“稀有的土”，但其本質(zhì)上并不是土，而是屬于金屬元素。稀土得名于18 世紀(jì)，包括鑭系元素，以及與鑭系元素在礦床中共生，且化學(xué)性質(zhì)相近的鈧（SC）和釔（Y），共包括17 種元素，通常鑭系元素用Ln 表示，稀土元素用R 或RE 表示。

中國的稀土主要在包頭的白云鄂博礦，其作為在高新技術(shù)領(lǐng)域具有不可替代作用的不可再生能源，被譽為新技術(shù)革命中的戰(zhàn)略元素、新技術(shù)生長點、新材料的寶庫，對于我國冶金行業(yè)技術(shù)進一步創(chuàng)新和產(chǎn)能的持續(xù)提升具有重要意義[1]。

1.2 稀土在鋼中的作用

1.2.1 凈化鋼液

稀土對鋼液的凈化作用體現(xiàn)在其強大的脫硫脫氧作用以及對氫原子的吸附作用，Al、Mg、Ti 等強脫氧劑的脫氧能力均不及稀土元素，僅微量的稀土元素就能使鋼液中的氧含量小于10-4%，且脫氧速度很快[2]。

稀土加入量在0.2%時脫硫效果顯著，且脫硫率不再隨著稀土加入量而發(fā)生改變。當(dāng)碳含量增加時會增加脫硫效果，加入鈦時效果略有增加，且當(dāng)溫度在1540～1590℃時脫硫率最高[3]。

稀土原子可以與氫原子形成某種吸附結(jié)合體，降低自由氫原子活度，使白點敏感度接近于零，降低氫的危害[1]。

1.2.2 變質(zhì)夾雜

鋼中的主要有害夾雜為MnS 和Al2O3，Wang[4]等人通過面掃和線掃研究了Al2O3的演化過程，發(fā)現(xiàn)在加入稀土Ce 后，可以對Al2O3起到改質(zhì)的作用，其變化規(guī)律為Al2O3→Ce2O3-Al2O3→CeO2，并通過動電位陽極極化試驗證明在將Al2O3轉(zhuǎn)化為稀土夾雜物后鋼的抗點蝕性能顯著提高。

硫元素與錳元素發(fā)生偏析反應(yīng)后會形成大尺寸的MnS 夾雜物，導(dǎo)致鋼基體的連續(xù)性遭到破壞，降低鋼的韌性[5]，王皓[6]等人向高強IF 鋼中加入稀土Ce 后，發(fā)現(xiàn)稀土?xí)扰c鋼中的S 元素結(jié)合，且提前于MnS 析出，生成小尺寸球狀夾雜，尺寸為2～5μm，呈獨立彌散分布，不會在鋼軋制過程中遺傳，對鋼組織的連續(xù)性起到保護作用。

1.2.3 微合金化

微合金化是指在鋼中加入少量合金，在保證低碳鋼韌性的前提下提高強度。鄭秋菊[7]等人在向Al-Si 合金中加入微合金化元素時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)La 的加入量為0.06%時，合金的延伸率達到了最高值，相較于不含La 的合金提高了約31%，且屈服強度和抗拉強度沒有發(fā)生削弱。同時含La 合金中共晶Si 尺寸更小，形狀更加趨于球形，可以有效提升合金的塑性。

2 鋼中主要夾雜物介紹

根據(jù)《鋼中的非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，夾雜物可分為A（硫化物類）、B（氧化鋁類）、C（硅酸鹽類）、D（球狀氧化物類）、DS（單顆粒球狀類）等五大類，而鋼中我們常見的有害夾雜物為A 類的MnS，B 類的Al2O3，C類的硅酸鹽類夾雜物。

2.1 硫化錳（MnS）

MnS 夾雜物一般呈長條狀，會在鋼材軋制過程中長大從而引起裂紋[8]。根據(jù)其形貌與分布的不同可分為3 類：第一類，由偏晶反應(yīng)形成的球形復(fù)合夾雜物，任意分布于不同鋁脫氧的鋼中；第二類，由共晶反應(yīng)形成的短棒或樹枝狀夾雜物，沿晶界呈鏈狀或網(wǎng)狀分布，存在于少量鋁脫氧的鋼中；第三類，由偽共晶反應(yīng)生成的塊狀不規(guī)則夾雜物，存在于加入的鋁含量高或者有殘留鋁的鋼中[9]。

2.2 三氧化二鋁（Al2O3）

Al2O3產(chǎn)生原因有兩個：一個是真空冶煉后金屬鋁脫氧形成的氧化產(chǎn)物未能及時上浮而殘留在鋼基體中；另一個是在連鑄過程中，鋼液接觸空氣中的氧氣，使鋁發(fā)生二次氧化。相較于其他夾雜物，Al2O3更容易聚集成大顆粒夾雜物破壞鋼基體的連續(xù)性，造成鋼組織不均勻，因此會在鋼材軋制過程中形成裂紋，對性能的危害巨大[10-12]。在冶煉過程中：精煉開始時，夾雜物中Al2O3含量被控制在很少的范圍內(nèi)；隨后在LF 進站的鋼中含量明顯增加，并且在低熔點夾雜物區(qū)域附近大量分布；LF出站鋼中的含量仍持續(xù)增加，并逐漸遠(yuǎn)離低熔點夾雜物區(qū)域附近；鑄坯中含量繼續(xù)增加，大部分遠(yuǎn)離低熔點夾雜物區(qū)域附近[13]。

2.3 硅酸鹽類夾雜物

硅酸鹽類夾雜物由復(fù)雜的成分構(gòu)成，能夠?qū)⒒衔?、氧化物、硫化物等溶解，也能與之形成化合物共晶體和機械混合物。在出鋼過程中的弱脫氧狀態(tài)下，鋼中無鋁或鋁含量較少，此時加入的硅鐵或錳鐵會發(fā)生脫氧反應(yīng)。出鋼時，加入硅鐵中的硅被鋼液中高活度的氧氧化，形成大量脫氧產(chǎn)物SiO2，這些脫氧產(chǎn)物一部分與其他夾雜物形成復(fù)合氧化物夾雜物，即硅酸鹽類夾雜物。硅酸鹽類夾雜物的成分基本上是復(fù)相的鋁硅酸鹽夾雜物，以及尺寸較大、SiO2含量較高的硅酸鹽類夾雜物，當(dāng)夾雜物中SiO2含量越高時，夾雜物尺寸越大。硅酸鹽類夾雜物大多呈球形或部分不規(guī)則形狀，鋼材經(jīng)形變后其球形保持不變，影響鋼材的性能，因此應(yīng)盡量避免這類夾雜物的生成[14]。

3 稀土元素對重軌鋼的影響

3.1 稀土元素對重軌鋼夾雜物的影響

稀土在鋼中的含量和在夾雜物中的含量規(guī)律類似，即開始時稀土含量隨著加入量的增加而增加，達到一定程度后，即使繼續(xù)增加加入量，鋼中或夾雜物中的稀土含量都不會再增長，甚至出現(xiàn)下降趨勢。

隨著稀土加入量的增加，稀土與鋼中的氧、硫等元素發(fā)生反應(yīng)的幾率增加，也會增加鋼中夾雜物的總量。并且夾雜物長大的幾率也會增大，上浮去除數(shù)量增加。稀土夾雜物數(shù)量會隨著稀土加入量的增加而增加，當(dāng)夾雜物增加數(shù)量大于去除數(shù)量時，夾雜物會逐漸增加；當(dāng)稀土加入量增加到一定程度時，夾雜物的去除速度會大于增加速速，因此鋼中的夾雜物會逐漸減少[15]。

3.2 稀土元素對重軌鋼微觀組織的影響

定巍[16]等人在向U71Mn 重軌鋼中加入稀土La 后發(fā)現(xiàn)，隨著加入量的增加，固溶量也顯著增加，當(dāng)稀土La 的加入量達到0.02%以上之后，固溶量高于夾雜量。隨著稀土固溶量的增加，相變點的溫度隨之降低，導(dǎo)致奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的過冷度增大，減小了珠光體片間距。這也從側(cè)面證明了鋼中加入稀土La 后可以細(xì)化奧氏體晶粒。

存在偏析的磷是在晶界滲碳體觸發(fā)初始微裂紋產(chǎn)生的原因[17]。而郭江[18]等人發(fā)現(xiàn)在加入稀土Ce 的重軌鋼中，Ce 與P 在晶界上或者晶界附近發(fā)生了化合反應(yīng)形成了稀土磷化物，形狀為橢球形。這對抑制初始微裂紋具有重要意義。

稀土原子在珠光體內(nèi)主要分布在合金滲碳體和界面處，加入稀土的重軌鋼中，稀土原子通過置換滲碳體中的鐵原子形成合金滲碳體，并且容易向鐵素體和滲碳體之間的界面偏聚。在珠光體轉(zhuǎn)變過程中，稀土元素可以控制滲碳體的形核與長大速度，延長珠光體轉(zhuǎn)變孕育期，增大珠光體轉(zhuǎn)變過冷度，細(xì)化珠光體片層結(jié)構(gòu)[19]。

3.3 稀土元素對重軌鋼力學(xué)性能的影響

鋼的熱塑性是影響鋼強度和硬度的重要因素，熱塑性過低會在鋼的連鑄過程中引起表面裂紋。其原因是在熱處理過程中，鐵素體優(yōu)先于奧氏體完成相變，而鐵素體較軟，因此會出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，導(dǎo)致板坯開裂[20]。王曉麗[21]等人經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)稀土可以使微合金重軌鋼的高溫塑性提高，因此可以改善重軌鋼的強度與硬度。

于寧[22]等人提出在加入稀土后，重軌鋼鐵素體里的疲勞變形位錯攀移會受到有效抑制，這消除或大大減弱了疲勞變形引起的強度波狀分布，改善了鋼軌的耐磨性；而且在加入稀土后并未影響鋼軌的抗拉強度，反而顯著提高了鋼軌的接觸疲勞性能，延長了鋼軌的接觸疲勞壽命；加入稀土還有減削核傷、栓孔開裂等鋼軌損傷的作用。

4 改善工藝探究

近幾年，國內(nèi)外冶金行業(yè)的工作者和學(xué)者都不遺余力地將工作重心放在重軌鋼的性能改善領(lǐng)域，各大高校以及鋼鐵企業(yè)結(jié)合重軌鋼的工作環(huán)境，從其抗腐蝕性、抗疲勞韌性和耐磨性等方面著手，發(fā)明總結(jié)出許多高效的改善技術(shù)與工藝。

4.1 淬火工藝

陳林[23]等人發(fā)現(xiàn)在使用冷速為3℃/s、5℃/s 和空冷的淬火方式對U75V 重軌鋼進行淬火試驗時，會對鋼的疲勞裂紋擴展速率敏感程度產(chǎn)生不同的影響。其中，空冷后的鋼敏感性最強，導(dǎo)致其疲勞裂紋擴展速率最大；冷速為5℃/s 時的敏感性最弱，擴展速率最小。同時還發(fā)現(xiàn)空冷狀態(tài)下裂紋尖端二次裂紋較少，且裂紋角度大，可以更好地阻礙裂紋擴展，降低裂紋擴展速率。

馬瀟[24]等人通過對經(jīng)過相同淬火方式處理的U75V 進行力學(xué)性能測試后得出結(jié)論，即經(jīng)5℃/s冷速淬火處理后的試樣，其抗沖擊性能、硬度和抗拉強度表現(xiàn)都優(yōu)于其他兩種淬火速率。

4.2 鈣處理工藝

Wang[25]等人對重軌鋼進行鈣處理后發(fā)現(xiàn)鋼中夾雜物CaO 會隨著Ca 的增加量而增大向CaS 轉(zhuǎn)變的比例。Ca 含量從3×10-4%增加到9×10-4%的過程中，CaS 會增加5.31%～16.14%，而CaO 含量會按照相同比例減少。

王建鋒[26]等結(jié)合重軌鋼的生產(chǎn)實踐，通過熱力學(xué)計算證明MnS 向CaS 轉(zhuǎn)化的可行性，并在實際生產(chǎn)過程中使用鈣處理工藝，得到的結(jié)果為Ca處理后鋼中的硫化物呈現(xiàn)出以球狀、鏈狀或者具有斷開趨勢的長條狀分布。

4.3 電磁攪拌工藝

Guo[27]等人通過電磁攪拌工藝處理發(fā)現(xiàn)電磁攪拌工藝可以有效減少大孔隙，改善鋼的孔隙形狀因子，且孔隙的行徑比對力學(xué)性能有本質(zhì)影響，拉伸性能與行徑比呈正相關(guān)，因此電磁攪拌工藝提高了鋼的力學(xué)性能。

攀鋼的李紅光[28]發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器電磁攪拌可以有效提高重軌鋼鑄坯等軸晶比例，同時有效降低中心偏析度。但是在凝固末端進行電磁攪拌后，可以彌補結(jié)晶器電磁攪拌的不足，對重軌鋼鑄坯中心區(qū)域的偏析有明顯改善作用。

4.4 外來夾雜物控制

鋼中除了元素之間互相反應(yīng)生成的夾雜物外，還有在冶煉過程中由于空氣、耐火材料、氧化鐵皮等外來物導(dǎo)致的夾雜物產(chǎn)生，這會對鑄坯造成嚴(yán)重污染。

針對這一系列問題，陳光友[29]等人總結(jié)出了一系列的控制措施。例如，在破空后再進行吹8min 氬氣的RH 軟吹工藝；針對開澆爐卷渣和影響夾雜物上浮效果的中間包停留時間，進行開澆爐控制；在澆注過程中，抬高保護管、控制連澆時間、提高自澆率；對中間包進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并結(jié)合新興4 孔M 擋渣墻，充分發(fā)揮中間包的冶金功能，使其能夠有效去除外來夾雜；使用4 孔水口的結(jié)晶器，可以使鋼液對結(jié)晶器壁的沖擊起到緩沖作用，使保護渣與鋼液的接觸更充分，更好地起到吸附夾雜的作用。

5 未來展望

十四五的到來，對鐵路運輸提出了更高的要求，尤其是在出疆入藏、中西部地區(qū)、沿江沿海沿邊等戰(zhàn)略骨干通道的鐵路建設(shè)，這意味著鋼軌的質(zhì)量產(chǎn)量要得到雙重保障。稀土元素對重軌鋼的組織性能具有不可替代的作用，而各項工藝措施同樣引領(lǐng)著鋼軌發(fā)展的方向。如果能夠?qū)烧哂行ЫY(jié)合起來，雙管齊下，創(chuàng)造出更多稀土加工工藝，相信我國的重軌鋼事業(yè)會有一個質(zhì)的飛躍。