完善精煉裝置中的精煉工藝,采用保證鋼軌中氧含量降低的脫氧新制度,依據氧含量確定鋼中非金屬夾雜的特性和數量。當氧含量降低到25ppm時,基本以脆性斷裂氧化夾雜為主;而當氧含量大于40ppm時,則以塑性硅酸鹽為主要形態。
目前,俄羅斯冶金行業具有足夠強大的技術裝備,能夠有效地改進鋼軌的冶金質量。由于實施一系列措施,包括研究熔煉工藝、采用綜合脫氧方法、利用鋼軌變形處理以及精煉和真空處理裝置,有可能將鋼軌中的氧含量降至20ppm,并同時降低非金屬夾雜的夾雜度。
新庫茲涅茨克鋼鐵公司利用電爐生產鐵路用鋼軌。一臺型號為ДСП--100H10(凸窗出鋼、95MVA變壓器、BSE公司的供氧系統);另一臺型號為ДСП—100И7(虹吸出鋼、80MVA變壓器、彎形門式氧氣風嘴)。這兩臺電爐利用25%~40%液態鐵水進行熔煉,在上爐留下的15~30t爐渣和金屬內,加入金屬廢鋼裝料。為了加快爐中金屬料和碳氧化物的熔煉過程,利用有效的氧氣噴嘴,BSE公司的噴嘴或者門式氧氣風嘴Fuchs和彎形風嘴。鼓入氧氣的一般消耗量達到1萬m3/h。
鐵水在裝入廢金屬前直接注入,當達到目標溫度,且碳含量大于0.7%時,在電爐啟動的情況下,將非脫氧金屬排放到無渣罐。在往罐中排放的過程中添加造渣劑。造渣劑由石灰和螢石,以及通過計算錳在成品鋼中最低含量的硅錳合金組成。在排放的過程中,通過底部多孔風嘴對罐中的鋼水吹入氮氣,壓力為0.7Mpa,消耗量為20m3/h。排完以后,進入精煉裝置,繼續對鋼水進行處理,以達到要求的化學成分及澆注溫度。
為降低鋼水中碳含量,在精煉裝置中開發了精煉新工藝。當帶有金屬的罐進入精煉爐后,通過底部多孔風嘴以20m3/h的消耗量進行提前3min吹氬,進行溫度測量、提取金屬和鋼渣試樣,繼續利用夾送器按125g/t Ca的計算量添加硅鈣合金絲。通過添加ФС75渣、0.4~0.7kg/t焦炭粉和石灰,造Fe0含量小于0.5%和堿度2.5~3.0的液態渣。
當得到罐中金屬試樣的化學分析結果后,再加入鐵合金及其他合金。第二次按125g/t Ca加入硅鈣合金絲,進行最終脫氧,但不早于精煉結束前5min。利用Heraeus Electr0-Nite公司的Hydris儀器,在完成階段確定溫度和氧含量。經過爐外精煉,鋼水在尺寸為300mm×300mm的結晶器,四流連鑄機上進行澆鑄。
由于在精煉裝置中完善精煉工藝,并采用脫氧新制度,新庫茲涅茨克鋼鐵公司鋼軌鋼中平均氧含量達到27.8ppm。這種情況下,氧化夾雜脆性鏈的平均長度為0.18mm。
為了確立依氧含量變化的鋼軌中非金屬夾雜數量和特性關系,進行了不同氧含量鋼的金相研究。在成品軌氧含量小于25ppm時,夾雜物基本上是鈣鋁酸鹽脆性斷裂線條(Ca0.Al203)。
在這種氧含量下,最大夾雜長度不超過10μm,鋼的鈣鋁酸鹽夾雜度水平評價平均不超過ГОСТ1778—70渣1級。盡管在脫氧工藝中去除了含鋁材料,在非金屬夾雜線條中仍存在Al203。顯然,鐵合金和罐中渣是鋁產生的源頭。
隨著氧含量升高到40ppm時,非金屬夾雜的特性和數量明顯地發生了變化。脆性斷裂氧化夾雜數量減少,而產生應變的硅酸鹽的比例增加。在硅酸鹽夾雜的里還存在鋁和鈣,在顯微切片上看到的硅酸鹽夾雜,其形式是長度為0.12~0.30mm黑灰色細的均勻分布線條。
在更高的氧含量下,非金屬夾雜基本上是長度為0.25~0.53mm的單一硅酸鹽。這些夾雜物的鋼夾雜度平均與ГОСТ1778—70渣2級相符。
由于與脆性斷裂氧化夾雜相比,微小塑性硅酸鹽對投入運行的鋼軌壽命影響很小。含有塑性硅酸鹽外殼的鋁氧化物是比較安全的夾雜種類。
除此而外,還可以確定不依氧含量為轉移,與內源夾雜一樣,在鋼軌中遇見的還有少數長度達1.5mm外源特性的夾雜。一般來說,這樣的夾雜具有多相組成,且基本上是進入結晶器中的渣滴和耐火材料或造渣劑的微粒。
依據組成不同而變化的多相渣夾雜在軋制中表現出不一樣的變形。一些氧化物夾雜,形成帶有尖的或縱向裂開端的粗糙線條,其組成元素的順序為[Mn]>[Si]>[Al]>[Ca]>[S],在軋制時會產生塑性變形。而另一些夾雜,氧化物為波浪形線條,其組成的元素順序為[Ca]>[Si]>[Mn]>[Al]>[Ti]>[Mg]>[K]>[S],該夾雜在軋制時不會產生變形。
通常情況下,外源氧化夾雜具有偶然性,在鋼軌鋼中極少遇到。
研究表明,鋼中氧含量的降低,會使應變硅酸鹽夾雜數量的明顯減少,而脆性斷裂復雜氧化物比例增加。因此,這是一個不良的傾向。
俄羅斯鐵路運輸科研所開展的批量試驗結果表明,具有硅酸鹽高份額的К23批次鋼軌與Т17-22批次鋼軌相比,其使用壽命要長。而Т17-22鋼軌是利用真空煉鋼,硅酸鹽含量較低,而鈣鋁酸鹽含量較高。該結果證明,鋼軌使用壽命不僅取決于鋼中的氧含量,而且也取決于非金屬夾雜的類型。
為了保證鋼軌更優良的使用特性,理論上最好使非金屬夾雜的夾雜度最小。但與此同時,在鋼中氧含量降低的同時,如何保證非金屬夾雜確定形式和組成的問題也逐漸顯現出來。