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高速铁路轨道用钢关键问题分析

来源:冶金工业规划研究院网站2015-09-09 16:26:05
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   中国高铁世界瞩目,综合技术已经跃居世界先进行列,规模世界第一。目前连同美国在内的发达国家也在与中国洽谈引进我国的高铁技术,但中国高铁在高速发展的同时,也暴露出一些问题,应当引起我们的高度重视。本文试图从高铁轨道用钢方面分析目前存在的问题。以期引起高速铁路有关管理部门的高度重视,期望我国高铁在轨道钢材方面进入安全的良性循环。

  1.我国高铁用钢和国外先进水平的差距

  我国铁路轨道用钢起步是建国后的事,20世纪50年代制定的国家标准,更多地参考了国外铁路轨道用钢的标准制定的,随着近几年我国高铁的快速发展,在相关技术进行攻关的同时,轨道用钢的标准制定并没有紧随国际先进标准,也没有引起足够重视。

  2005年11月,铁道部技术委员会专门就客运专线钢轨钢种选择召开会议,确定 200 km/h 及以上客运专线优先选用符合客运专线钢轨暂行技术条件规定的EN260化学成分钢种,称为客运专线U71Mn(k)钢种。客货混运的客运专线,可根据运行条件采用 980MPa 级的U75V 钢种,其化学成分和夹杂物的要求如表1、表2、表3所示。

  表4列出了国外部分国家铁路轨道用钢的实测化学成分及力学性能。

  从表4可以看出,我国进口的发达国家的铁路轨道用钢相当于我国U71Mn的轨道用钢,其中的P、S、H的含量,远低于我国标准。这一看似微小的差别,对高铁轨道用钢来说,有时是致命的。

  2.有害元素对钢的性能影响分析

  直接影响轨道钢性能的有害元素,是钢中[TO]、[S]、[P]、[H]、[N]的含量及非金属夹杂物。研究发现当材料的纯净度达到一定程度时,其性能会发生某些突变,如超纯铁(w[Fe]>99.995%),即除铁之外,其他所有的元素之和小于50×10-6(50ppm)时,其耐酸侵蚀能力与金或铂的抗腐蚀能力相当;18Cr2NiMo不锈钢中w[P]从0.026%降低到0.002%时,其耐硝酸的腐蚀能力提高100倍以上。

  目前,走在所有洁净钢前面的是国内外已可以大规模生产IF深冲汽车钢板洁净钢生产体系,钢中C、S、P、N、H、T.O质量分数之和不大于100×10-6。IF深冲汽车钢板要求C含量越低越好,而对碳素钢来说,冶金学家主要针对以下五大有害元素将超洁净钢界定为S、P、N、H、T.O质量分数之和不大于40×10-6。有的学者认为,应用特种精炼手段,可以达到上述要求,但应针对不同钢种、不同用途及对上述不同有害元素的不同特殊要求,采用相应的精炼手段,逐个突破,满足对钢材的性能要求就可以了。这一观点,与国际钢铁协会技术委员会(TECHCO)对洁净钢的定义不谋而合:“当钢中的非金属夹杂物直接或间接地影响产品的生产性能和使用性能时,该钢就不是洁净钢;而如果非金属夹杂物的数量、尺寸或分布对产品的性能都没有影响,那么这种钢就可以被认为是洁净钢”。

  中国工程院前院长徐匡迪在洁净钢由概念变为产品的分析时,是这样描述的:1973年第1次石油危机后,从两个方面促进了商业化洁净钢的批量生产。1)油价高涨,汽车工业为生产节油汽车,要求钢厂提供冲压成型性好、强度高、易焊接的车身用冷轧薄板,以降低汽车自重;2)20世纪70年代末至80年代初,欧洲北海油田、北美阿拉斯加油气田的开发以及前苏联从中亚、西伯利亚向欧洲供应油、气,总共需要几百万吨管线用钢,由于长途运输要求耐高压,耐H2S,H2O和CO2腐蚀,还要能经受低温及海底的工作环境,各国钢厂为了这几笔大定单展开了激烈的竞争。终于使洁净钢从一个科研名词,转向量化生产,并在欧、美、日的一些著名钢铁厂形成了洁净钢生产平台,此后洁净钢的生产拓展到深冲薄板、IC引线枢、轮胎子午线、滚珠轴承钢、钢轨、热作模具钢等从超低碳钢到高碳钢的广泛应用领域。

  那么钢中的有害元素对钢材的性能到底会产生什么样的影响?

  2.1钢中[T.O]含量对钢的影响

  钢中全氧含量对钢性能的影响已有诸多研究,而针对列车轨道用钢的疲劳寿命研究并不多,但轴承钢的疲劳问题与轨道用钢颇为相似,这里例举前期研究者就全氧含量对轴承钢的疲劳寿命影响的有关研究成果,供轨道用钢研究借鉴。

  氧在钢液中的溶解度随温度下降而减少,当钢液凝固后,在固体铁中的溶解度大大降低。在γ铁中氧溶解度最大(1643K)约为0.0025%,而α铁中氧的溶解度最大仅约为0.0003%-0.0004% (1184K)。这意味着在铁凝固后以及随后的冷却过程,前期铁液中的溶解氧如果超过“4ppm”,超过部分几乎全部要从Fe中析出。而析出的氧绝大多数以低熔点的铁的氧化物、氧硫化物或其他类型的非金属夹杂物存在于γ或α晶粒的晶界处,这些氧化物、氧硫化物等微细夹杂物会造成晶界脆化,在钢的加工和使用过程中,容易成为晶界开裂的起点,导致钢材发生脆性破坏。破坏的程度、大小随着这些氧化物、氧硫化物等微细夹杂物的多少而定。全氧含量对轴承钢的疲劳寿命的影响如图1所示。

  从图1可以看出,氧含量从26ppm降到6ppm,疲劳寿命由106增加到107,但当氧含量从6ppm降到“4ppm”时,疲劳寿命却由107提高到108,这就是说,疲劳寿命的提高与有害元素成指数倍的减少。另外可以看出,在接近氧在α铁中的最大溶解度“4ppm”时,轴承钢的疲劳寿命将急剧增加。

  研究结果表明,当高碳铬轴承钢的总氧量从0.003%降低到0.001%时,轴承的疲劳寿命显著提高。此外,含氧高的钢材还容易发生时效老化,在高温热加工时,由于晶界处杂质偏析形成低熔点网膜,还会导致钢产生热脆。钢中的总氧含量与总夹杂物有关,我国宝钢和武钢的生产数据表明,当钢液中全氧含量从160ppm降低到40ppm时,钢中宏观夹杂物水平急剧下降;而当全氧从25ppm下降到12ppm左右时,夹杂物总量也呈线性降低;但当全氧下降到12ppm以下时,夹杂物几乎检测不出。

  2.2钢中S、P、H、N对性能的影响

  钢中的S、P、H、N对性能的影响程度各不相同,近几年研究相对活跃。

  德国蒂森公司生产的深冲钢[C]、[P]、[S]、[O]、[H]、[N]六大元素总含量1980年为0.06%,而到20世纪90年代则降至0.01%;日本新日铁和韩国浦项公司深冲钢中[P]、[S]、[O]、[H]、[N]五大元素总含量的最佳水平也已达到0.008%。国际一流水平的钢厂都在设法提高钢的纯净度。因此,降低钢中杂质元素的含量和控制钢中非金属夹杂物的洁净钢生产趋势是不会变化的。

  硫在钢中以硫化物的形式偏聚于钢的晶界或异相界面上,对绝大多数钢种的质量都会造成极大的危害,严重影响钢的使用性能。硫对钢性能的影响主要表现在以下几个方面:

  1)硫对加工性能的影响:硫对钢性能最大的影响就是引起钢的热脆性。当钢材在进行热加工时,富集在晶界上的硫会熔成液体,并在外力的作用下沿金属结晶滑动而引起金属的破裂,发生“热脆”。另外,硫含量对钢材表面裂纹的数量有明显影响。

  2)硫对力学性能的影响:硫化物能降低钢的机械性能,特别是对钢材各向异性的影响,可明显降低钢材的横向机械性能。

  3)硫对钢材耐腐蚀性能的影响:钢中的MnS夹杂物极易成为钢材的点蚀产生区,这些硫化物发生阳极溶解,使钢材表面引起点蚀而形成裂纹。

  4)硫对钢材疲劳性能的影响:硫对钢材疲劳性能的影响比较复杂,低熔点的塑性硫化物夹杂物在热加工后导致钢材各向异性,在高应力工作条件下,硫化物也会成为疲劳裂纹源。

  磷在钢中以Fe2P、Fe3P 的形式存在,但进行热力学分析时一般以游离态对其进行讨论。磷对绝大多数钢来说是有害元素。

  1)磷能显著降低钢的韧性,尤其是回火韧性和冲击韧性,低温条件下,韧性的恶化尤为显著,导致钢的冷脆。

  2)磷在钢水凝固过程中的偏析比较严重,容易导致钢的局部组织异常,造成机械性能不均。

  国外高铁生产企业和钢铁用户对于钢中S、P的要求程度在大多数情况下是超出我们预想的,以最常用的模具钢中国牌号H13,瑞典牌号ASSAB8407为例,对有关成分进行对比可以看出,ASSAB8407硫控制到5ppm,而我们的H13是110ppm,差距较大。

  氮在钢液中容易与钛结合,产生氮化钛夹杂。氮化钛是一种硬而脆的夹杂物,它对钢材的疲劳寿命特别有害。TiN 夹杂物可引起连铸水口结瘤,在铸坯中经轧制和热处理也不消失,对最终成品的疲劳性能、韧性及表面质量都会产生极大危害。钢中6μm 的TiN夹杂对疲劳性能的危害,与25μm 的氧化物夹杂相当。

  氢在固态钢中的溶解度很小,并能在钢中形成白点。随着钢中含氢量的增加,钢的接触疲劳强度会降低。

  2.3钢中夹杂物对钢性能的影响

  2.3.1夹杂物种类对疲劳性能的影响

  由于不同的夹杂物具有不同的物理性能,因此不同种类的夹杂物对材料的破坏程度也不同。将各夹杂物按种类和大小分类统计并处理后,可以知道与疲劳寿命最有关系的是Al2O3 或SiO2 等夹杂物,其中大粒Al2O3 的数量具有最大的影响。Al2O3 对疲劳寿命是有害的,但尺寸大小与寿命并没有相关关系,硫化物及与其共存的尖晶石与疲劳寿命是正相关关系,硅酸盐是负相关关系。

  2.3.2夹杂物的尺寸对疲劳性能的影响

  钢中危害性最大的夹杂物是来源于炉渣和耐火材料的外来氧化物,由于它们尺寸大、形状不规则、分布集中且变形性差,所以这些夹杂物的存在,往往成为潜在的裂纹源,引起部件早期疲劳破坏。研究发现,大型氧化物夹杂的数量与轴承疲劳寿命之间的关系密切,随着这种尺寸的氧化物数量的增加,疲劳寿命显著降低。

  研究还发现,钢的强度越高,夹杂物的尺寸变化对疲劳强度所产生的影响越显著。当非金属夹杂物的尺寸小于1μm,且其数量少到彼此间距大于10μm时,它们才不会对材料的宏观性能产生影响。

  我国研究人员对42CrMo的高周疲劳寿命与临界夹杂物尺寸的关系进行了研究,发现当增加钢样的维氏硬度和抗拉强度,或降低钢样表面韧性时,无论是位于表面的夹杂物,还是亚表面夹杂物以及内部夹杂物,对钢材疲劳性能造成影响的临界夹杂物尺寸都呈下降趋势。

  2.3.3夹杂物的分布对疲劳性能的影响

  大量研究表明,随着距离基体表面深度的增加,引起疲劳破坏的夹杂物平均尺寸增大。因而表面夹杂物相对于次表面的夹杂物来说,表面夹杂物的危害性更大。另外,夹杂物在钢中的分布对钢疲劳性能的影响比夹杂物尺寸对疲劳性能的影响要大。

  通过对弹簧钢的疲劳寿命与钢中夹杂物关系的研究,认为在夹杂物对疲劳寿命的诸多影响因素中,夹杂物的尺寸分布至关重要。10μm 以下的夹杂物基本不会引起疲劳断裂,大于10μm 的分布于钢材表面或浅表面的夹杂物对疲劳寿命影响最大。

  研究认为,夹杂物、表面质量、表面脱碳、表面硬度等几个对弹簧疲劳寿命的影响因素中,夹杂物影响最大,尤其是距表面300-400μm 以内的夹杂物。

  2.3.4夹杂物的数量对疲劳性能的影响

  通过研究炼钢工艺对高碳Cr 轴承钢的性能影响,发现随着钢中Al2O3 、TiN 和硅酸盐夹杂数目的增多,轴承钢的疲劳寿命大大缩短。

  3.高铁使用洁净钢在中国企业冶炼的可行性

  目前,世界范围内的冶金设备和技术已经很成熟,企业和企业之间在设备、技术方面的差距越来越小,企业之间的差距更多的是体现在管理水平。高铁轨道用钢是高铁安全的最基本保障,是关系到千家万户幸福安康的生命线。从上面的研究中发现,钢中五大有害元素的降低,如钢中全氧含量从30ppm降低到6ppm,可以使钢材的疲劳寿命提高10倍,再从6ppm降低到4ppm,疲劳寿命又可以提高10倍。而达到这两次飞跃,炼钢所增加的成本也许分别只要增加30%、50%。这是一个简单的数学问题:0.8倍的价格换来100倍的收获!

  轨道用钢的几个重要指标:直接影响轨道钢性能的有害元素,钢中[TO]、[S]、[P]、[H]、[N]的含量问题。其含量的确定和目前冶金流程实现的可能性。下面分别分析如果按照轴承钢的炼钢技术和所能达到的技术指标要求高铁轨道用钢,生产技术上是否可行?

  3.1钢中[T.O]的问题

  钢中的氧化物夹杂含量与钢中[T.O]有直接的关系,所以企业都把控制钢中氧化物夹杂的水平与控制钢中全氧含量挂起钩来。

  钢铁生产流程的氧位变化如图2所示。

  1)A→B,高炉炼铁过程,铁矿石还原成铁水,其中铁液中的氧由30%左右,降到2×10-6左右;

  2)B→C是氧气炼钢过程,铁水经吹氧脱碳,铁液中的溶解氧由2×10-6升高到(5-10)×10-4;

  3)C→D是钢液精炼过程,通过各种方式脱氧,再将氧降至(5-20)×10-6或更低。

  降低钢中总氧量的工艺和技术到90年代已日臻完善,经过钢包精炼,长水口、氩气密封浇注,板坯中的T[O]均可降至1×10-5-2×10-5。

  我国石家庄钢铁公司,目前可以稳定生产全氧含量5ppm的轴承钢,而生产成本比普通轴承钢提高不到20%。

  重轨用钢要求钢中溶解铝的含量小于40ppm,所以炼钢脱氧要采用无铝脱氧,一个最有效的方法就是采用真空碳脱氧。在1873K温度下,可以利用热力学推导得到在真空度为100pa的情况下,C脱氧平衡曲线最低值理论公式,由此可以计算C-O反应钢液[O]含量最低值为0.05×10-6,说明随着真空度的提高,C脱氧能力增强。

  这说明无铝脱氧是完全可以将钢液中的氧含量脱得很低。全氧含量在轴承钢中都已经达到了5ppm,在重轨用钢中也应该没有问题。

  3.2 [S][P][H][N]的脱除问题

  就脱磷与脱硫的物理化学原理来说,都是渣、钢之间的反应。脱磷和脱硫在共同提高渣中CaO含量方面是一致的,它们都要求高的CaO含量;但在渣中FeO含量上是矛盾的,脱磷要求渣中高FeO,而脱硫要求渣中尽可能少的FeO;另外通过热力学计算还可以发现,实际上它们在冶炼温度上也是矛盾的,随着温度的升高,脱磷反应的平衡常数是降低的,而脱硫反应的平衡常数是升高的。目前的冶金过程已经能很好地解决脱磷和脱硫这一对既有统一又有矛盾,但还不得不存在于一个体系中,且要深度进行的反应。

  近30年来,洁净钢用户对磷、硫越来越高的要求及炼钢企业对磷、硫在规模生产中可以脱除的水平,总是使每个冶金工作者始料未及,有时在实验室刚刚能达到的水平,在大规模生产中居然也能轻松达到。目前,规模化生产的钢中,硫、磷都可以达到小于l×10-5,甚至是小于5×10-6。所以如果有必要,重轨用钢磷、硫含量都达到小于1×10-5是完全可以做到的。

  钢液中的[H],目前脱除到小于1ppm,在RH、VD等真空设备中,也都是可以达到的。

  最后一个有害元素,钢液中的[N],转炉、电炉氧化期、VOD、AOD、RH脱碳同时,脱氮非常明显。有人提出转炉脱碳过程中脱氮速度与脱碳速度的关系公式,由于吹氧脱碳,产生大量CO,而CO气泡对钢液中溶解的氮来说是小真空室,由西华特定律,在CO气泡从钢液中上浮时,能带走溶解氮,使w[N]≤30×10-6。新一代IF钢冷轧板,为保证焊接热影响区韧性与塑性,钢中氮含量已经可以达到w[N]≤25×10-6。

  4.对我国高铁轨道用钢的建议

  根据国内外钢铁材料的研究结果,结合近年铁路系统容易出现的问题,如目前我国铁路曲线段上钢轨侧磨问题突出,剥离掉块问题严重;又如石太线曲率半径R=300-400m的曲线段上,最短的7-8个月就磨耗到极限;再如在津浦线R=500-600m的曲线上,一年半左右钢轨就要调边使用,这远低于线路的大修周期。在直线段上,由于轮轨接触应力达到或接近钢轨的屈服极限强度,有的新轨上道3-6个月左右,轨头就过早地出现飞边。还有由于轮轨接触疲劳作用,产生疲劳层,从而引起剥离掉块,主要出现在淬火轨上。随着铁路运量和轴重的增加,钢轨剥离伤块问题也日益突出。

  以上问题说明,铁路重轨的钢材问题依然是铁路运营安全隐患,建议在目前技术和投资成本允许的情况下,应该对高铁轨道钢材的质量提出新的标准,特别是五大有害元素的含量:

  1)全氧含量[T.O]<10×10-6;

  2)[S]< 10×10-6;

  3)[P]< 20×10-6;

  4)[H]< 1×10-6;

  5)[N]< 30×10-6;

  也就是说,高速铁路轨道钢中五大有害元素[T.O]、[S]、[P]、[H]、[N]的总量应该小于71×10-6,即71ppm,只有这样,全世界高速铁路在运营过程中与钢轨有关的安全问题才得以保证,人们也才可以高枕无忧! 

 

 

 
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