【笔记】第二节 熔炼、轧制、热处理和焊接工艺

钢轨的制造工艺大致分为三种：

• 熔炼：高炉铁水—铁水预处理—顶底复吹转炉— LF炉—真空脱气—连铸钢坯。

• 成型：步进式加热炉—高压水除鳞—万能轧机（紧凑式、高刚度、X-H轧法、再次高压水除鳞—热锯定尺）—自动打印机—带预弯装置的步进式冷床—双向平立可变辊距矫直机—轨端四面液压矫直机。

• 无损检测：双向平直度自动测量仪—在线表面涡流探伤—在线超声波探伤（16个探头） —检查入库。

概括一下就是：通过熔炼得到钢坯，然后成型出钢轨的模样，再对钢轨进行质量检测（外形合格吗？内部有没有裂纹？）。

可见，从钢水到钢轨并不是一蹴而就的，它里面包括了很多的工艺，很多的环节，在这些环节里又包括了很多工人们摸索出来的工艺参数。如果可以减少其中的环节数量，就能减少需要的参数，从而使整个生产过程更加容易控制，也反映出了钢铁制造工艺的重要性。

2.1 钢轨冶炼工艺

2.1.1 冶炼工艺

钢铁冶炼工艺包括铁水预处理—顶底复吹转炉—钢包精炼—真空脱气—连铸等。

(1)铁水预处理

铁水预处理时吹氧（发生脱碳反应）：
$2Fe+O_2\to 2FeO$
$FeO+C\to Fe+CO$

在下图中可以看到熔炼高炉中含有焦炭，它会让C融入铁水中，且C的量是难以把控的，所以通过吹氧的方式降低铁水中的碳含量

(2)转炉合金化冶炼

铁水中添加合金元素：Mn、Si及其他合金元素（V/Ti/Gr），同时产生硫和磷的化合物。

(3)钢包精炼工艺（LF（Ladle Furnace）炉）

设备：LF炉

目的：脱除钢液中的夹杂物（硫和磷的化合物），提高纯净度。

在这个钢包里面，外层是耐火砖，内层则是无机非金属涂料（耐高温，而且不会和铁水发生化学反应），底部有两个孔，一个是进气孔（用来输送氩气Ar），一个是出水口（输出铁水）。

当钢水里面含有S杂质（比如FeS杂质），其密度和铁水差不多，和铁水不互溶，所以在铁水中就和下图油在水里一样是漂浮的小液滴，只不过因为密度差不多所以不会上浮。此时如果往里面通入氩气，氩气会把这些FeS小液滴包裹起来，从而慢慢上浮。最终形成了铁水在下、杂质在上的状态，然后打开出水口就可以得到纯净的铁水。

2.1.2 技术要点

(1) LF精炼

LF（Ladle Furnace）钢包精炼：包括电弧炉预造还原渣、钢渣混出、钢包吹氩处理等。

精炼步骤：

1. 注入钢液
2. 加热钢液：降下电极（三根通电的石墨棒），通电加热钢液，升高到预定温度；
3. 精炼钢液：降下炉盖，抽真空，吹氩，精炼；
4. 重新加热钢液：重新加热，进行成分的最后调整；
5. 出钢浇铸：精炼完成后，加入终脱碳剂，出钢浇铸。

精炼效果
除氢；脱氧；脱氮；脱硫；非金属夹杂物控制

技术特点：

1. 严格控制冶炼操作, 出钢终点碳按要求控制在0.20%以上, 并采用含水分、灰分和挥发分较低的优质沥青焦进行增碳。
2. 采用挡渣出钢措施, 控制渣量, 同时在连铸车间还具备ST扒渣手段。
3. 可根据用户对钢轨的不同要求, 采用不同的脱氧制度。一般情况下用纯铝进行终脱氧（Al夺取O的能力比Fe强，而且氧化铝的熔点极高，始终保持固体状态，容易去掉）。
4. 钢包精炼通过造泡沫渣实现埋弧操作, 防止精炼过程吸氮、吸氢, 以控制钢中气体含量。
5. 通过喂丝改变钢中夹杂物形态, 实现钢的进一步脱氧, 同时可对钢水进行稀土处理。
6. 钢水在VD 真空脱气时主要是保证真空处理时间, 并随后进行转吹, 以实现夹杂物的进一步上浮。经VD处理后, 钢中的H、O、N可分别控制在2.5、20和60ppm以下。
7. 连铸全过程采用保护浇铸, 防止钢水被氧二次污染。
8. 结晶器的下部配有电磁搅拌装置, 通过搅拌控制铸坯柱状晶的生长, 减轻铸坯的疏松和偏析。
9. 实现钢的低过热度浇铸, 合理设定拉速和水冷制度, 保证铸坯的结晶结构更为合理。

(2) 夹杂物及有害元素控制

连铸坯钢轨的非金属夹杂物主要呈断续短条状分布，连铸坯钢轨的轨腰低倍组织易出现断续或连续分布的条状纹路。

模铸坯钢轨呈连续长束状分布；模铸坯钢轨轨腰易出现分散或集中分布的偏析。

关于模铸和连铸，参考这篇文章

非金属夹杂物P和S

主要危害：导致碳含量偏低（吹氧时间偏长）及精炼时间偏长。？

解决思路：控制原料来源；铁液预处理。

杂质气体

氢：来源于空气的水份的分解出氢原子和氧原子。高温下，氢的溶解度较高。

氧：FeO与钢中的碳发生反应，产生CO。FeO熔点低，析出于晶界，降低韧性。

氮：空气里的N2在电弧作用下分解，产生N原子溶解于钢中，N与其他元素生成氮化物(例如，Si3N4)，对细化晶粒有好处，但太多会使韧性下降。

(3) 铸造组织控制

钢轨材质的特点

钢轨用钢为高碳钢。

铸造组织的结晶过程

1. 一次结晶：钢液温度降低到液相线以下，发生包晶反应，生成奥氏体；（固液转化）
2. 二次结晶：温度降至GS线以下，发生先共析反应和共析反应，形成珠光体组织。（固固转化）

铸态组织

1. 晶粒粗大：晶粒粗大、存在柱状晶，韧性较差（由于成分偏析及力学性能的各向异性
   ）。
2. 魏氏体（或网状）组织：在二次结晶过程中，先共析铁素体因钢的含碳量和冷却速度的不同，而呈现出条状形态。
3. 网状组织：铁素体沿晶界析出，形成网状的形态特征。

解决途径：降低钢水过热度、控制拉速、调整水冷制度等, 同时还在结晶器末端进行电磁搅拌（通过搅拌铁水把结晶的晶粒运动起来，防止形成柱状晶）。如果直接浇注，那么铁水会从外到内地冷却，外层生成细等轴晶、中心的粗等轴晶和它们之间的柱状晶，柱状晶具有各向异性，须控制柱状晶的体积百分比。

合金化工艺

稀土：与氧的亲和力强，钢液经过稀土处理后，能够改变夹杂物形态，提高疲劳寿命，细化低倍组织和细化晶粒。

2.2 钢轨的轧制工艺