转炉钢水罐车钢轨纵向开裂失效机理研究

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转炉钢水罐车钢轨纵向开裂失效机理研究

龙剑群¹，陈贤波²，张业建²，江向栋²，郑同六¹，林汝华¹

（1.宝钢湛江钢铁有限公司，广东湛江 524072；2.宝山钢铁股份有限公司，上海宝山 201900）

摘要：针对宝钢湛江钢铁炼钢厂转炉炉下钢水罐车走行钢轨纵向开裂故障，通过对炼钢冶炼工艺特性、转炉炉下实际工况、炉底设备防渣能力进行勘察，对钢轨实际工作温度、断裂钢轨电镜扫描以及金相组织进行检测分析，得出了高温是引起钢轨组织变化，造成钢轨纵向开裂故障的主要原因，提出了相应的对策措施，对于新建项目和技术改造创新具有一定参考意义。

关键词：钢轨开裂；高温；金相分析；钢水罐车

钢水罐车^[1]作为钢铁冶金行业的重要运输车辆，主要承担转炉炉下出钢、精炼、过跨运输等作业任务，配合转炉系统、钢水罐加脱盖装置和桥式铸造起重机协同作业时，可实现热态熔融钢水的动态运输。钢水罐车走行轨道通常使用U71Mn牌号起重机钢轨，钢轨工作状况好坏直接影响钢水罐车作业与转炉生产节奏。

宝钢湛江钢铁有限公司炼钢厂自投产以来不到一年时间内，转炉炉底先后发生六次钢轨纵向开裂故障，通过对历次开裂钢轨宏观检查，共性现象均表现为钢轨局部横向延展，裂纹沿轨道踏面纵向扩展。为了降低因钢轨开裂造成转炉停炉所带来的经济损失，提高钢轨使用寿命，通过对可能引起钢轨开裂的各方面因素进行勘察分析，找出造成钢水罐车钢轨纵向开裂的主要原因，提高设备维护水平。

1 工况勘察

1.1 炼钢冶炼工艺特性

转炉吹炼过程主要分为加料、吹炼、出钢、倒渣和炉口清理五个工序过程^[2-3]。由于受前序产品铁水含Si较高的影响，湛江钢铁转炉冶炼脱P难度增加，为了达到脱P要求，将原有单渣法^[4-5]（一次倒渣）工艺转换为双渣法^[6]（二次倒渣）工艺，吹炼终点炉渣碱度才能满足脱P要求^[7]。

1.2 转炉炉下实际工况

受双渣法工艺影响，湛江钢铁转炉炉底倒渣频率相比单渣法工艺增加一倍，生产节奏加快^[8]。经历次故障勘察，1#、2#、3#炉底实际工况频发红渣大量飞溅、覆盖钢轨现象。

转炉吹炼各工序过程均产生不同程度的溅渣，正常的溅渣并不会对轨道造成严重影响，但是，湛江钢铁转炉已出现大量异常溅渣现象。在转炉吹炼各过程中，尤以吹炼与倒渣过程溅渣现象最为严重，经常出现大量溅渣甚至渣水溅落并覆盖于轨道的现象，如图1所示。

图1 转炉炉下实际工况

1.3 炉底设备防渣能力

对炉底设备防渣情况勘察，发现炉底设有防渣板，但是，防渣板无法对轨道进行完全有效遮挡，当大量红渣或渣水溅落时，红渣将溅落或堆积于轨道之上。通过对炉底空间位置分析，当前已无再增加或加长固定防渣板尺寸的空间，若将轨道跨距、钢包台车或防渣板结构做大幅改动，将会产生更大成本。值得一提的是，出钢、倒渣过程因有钢包、渣包台车遮挡，轨道受溅渣影响相对吹炼过程较小；吹炼过程大量红渣溅落时，轨道上方并无任何遮挡，钢水罐车走行时，轨道踏面落渣依靠钢水罐车车轮前后清轨器清扫。

2 检测分析

2.1 开裂钢轨宏观检查

对开裂钢轨进行宏观检查，裂纹萌发于轨头踏面附近，沿轨道中心线纵向扩展，由踏面延伸至轨腰部位，断口以一定角度向内扩展，具有剪切特征。同时观察开裂钢轨横截面，清晰可见正常组织Ⅰ和踏面挤压塑性变形层^[9-10]Ⅱ，踏面挤压塑形表形层Ⅱ深度约12 mm，如图2所示。

图2 钢轨踏面挤压变形宏观形貌

2.2 开裂钢轨微观检测

（1）扫描电镜（SEM）检测

为确定钢轨纵向开裂断口失效形式，使用SEM对开裂钢轨微观检测。在500X视野下观察开裂钢轨起始与终断处断口高倍形貌，踏面起始处断口形貌呈解理特征，终断处位于轨道腰部，断口形貌亦为呈解理特征，钢轨纵向开裂断口属于脆性断裂，如图3所示。

（2）金相组织检测

为确定钢轨踏面挤压变形组织和踏面脱碳情况，使用BX60M金相显微镜对钢轨踏面挤压变形层进行金相组织检测。钢轨横截踏面塑形变形与纵截踏面脱碳组织形貌如图4所示。

（a）踏面起始处断口高倍形貌（500X）

（b）腰部终断处断口高倍形貌（500X）

图3 开裂钢轨起始与终断处断口微观形貌

（a）横截踏面塑形变形组织形貌（100X）

（b）纵截踏面脱碳组织形貌（50X）

图4 钢轨踏面塑形变形与脱碳组织微观形貌

从显微视图可见，钢轨基体金相组织为细片状珠光体＋少量沿晶界析出的铁素体，组织正常。轨道踏面存在纵向裂纹，裂纹内充满氧化物，踏面组织中存在脱碳塑性变形层组织，脱碳塑性变形层深度0.4～0.5 mm（根据GB 2585－2007《铁路用热轧钢轨》要求，钢轨的脱碳层深度不大于0.5 mm），脱碳变形层金相组织为变形的网状铁素体＋珠光体。

2.2 钢轨工作温度检测

为研究钢轨踏面挤压塑性变形层的产生受高温影响，对钢轨工作温度进行检测分析。

转炉钢水罐车走行轨道贯穿整个转炉区域，为了区分各段轨道工作温度的差异，将转炉炉下钢轨划分为5个区域：炉外测温侧、炉底出钢侧、转炉中心、炉底倒渣侧、炉外加料侧。通过对各区域轨道实际工作温度进行实地检测，测量数据如表1所示。

表1 转炉炉下钢轨工作温度

工序工作温度/℃ 炉外测温侧炉底出钢侧转炉中心炉底倒渣侧炉外加料侧 加料37.240.5－68.142.2 吹炼43.9153.4（419.2）－86.541.6 出钢48.3148.5（285.6）－98.940.9 倒渣38.756.3－120.7（222.6）43.0

注：①测量时间：2016年08月11日；②测量地点：宝钢湛江钢铁炼钢厂1#转炉炉底；③测量工具：Raytek Raynger ST60＋红外测温仪；④其他说明：“( )”中数据为溅渣严重时轨道温度；“－”表示位置危险，数据无法人为测量。

3 原因对策

3.1 原因分析

通过以上工况勘察与检测分析，造成转炉钢水罐车钢轨纵向开裂的主要是钢轨受高温影响所致。具体原因和其他因素影响可描述为：由于前道产品铁水中含Si较高，通过转换双渣法工艺加快了转炉吹炼和倒渣频率，转炉炉底防渣装置现有能力也无法对大量红渣溅落时的轨道进行有效防护，导致轨道上方经常堆积大量红渣，造成轨道实际工作于高温状态，钢轨表面力学性能下降，当钢水罐车满载钢水重罐时，车轮与钢轨踏面接触应力高于钢轨表面屈服应力，车轮碾压钢轨踏面产生沿轨道纵向的脱碳塑形变形层，由于脱碳变形层内组织存在 网状铁素体，因强度较低且发生塑变后产生细小裂纹，形成于钢轨踏面中心区域。随着钢水罐车的走行，车轮碾压通过炉底出钢与倒渣区域钢轨时，钢轨受高温影响抗拉强度下降，与车轮接触时，钢轨踏面塑性应变超过材料断裂应变，踏面细小裂纹迅速萌生并沿车轮走行方向以一定角度迅速向内扩展，最后沿轨腰处发生剪切脆性断裂。

3.2 对策建议

为缓解转炉出钢和倒渣过程中红渣飞溅至轨道踏面对车轮和轨道使用寿命的影响，可以在钢水罐车和渣包台车侧面底部增加防渣板。如若资金充足，建议改进钢水罐车结构，如增大跨度使得钢轨避开红渣溅落位，或增加车轮数降低轮压，弥补高温对钢轨力学性能的影响。此外，通过优化生产操作规程、改进炉底防渣设备结构、改善炉底工况等措施，可避免吹炼和倒渣工序大量红渣飞溅至钢轨，以提高钢轨使用寿命。

4 结论

通过对炼钢冶炼生产工艺特性、转炉炉下实际工况、炉底设备防渣能力进行勘察，能够获知钢轨所属环境、工况情况；通过对开裂钢轨的宏观、微观组织形貌分析，能够掌握钢轨纵向开裂部位组织变化和钢轨开裂失效机理；通过进一步测量钢轨实际工作温度，能够验证钢轨纵向开裂部位组织的产生与材料高温影响下力学性能下降的相关性，得出转炉钢水罐车钢轨开裂是受钢轨工作于高温环境影响的结论。

通过对转炉钢水罐车钢轨高温纵向开裂分析，对于长期在高温环境或受高温影响的设备具有一定参考意义，对于设备结构设计中材料的选择和结构布局应全面分析设备实际工况，避免高温对材料力学性能的影响。

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The Failure Mechanism Research on Rail Longitudinal Cracking under Converter Ladle Car

LONG Jianqun¹，CHEN Xianbo²，ZHANG Yejian²，JIANG Xiangdong²，ZHENG Tongliu¹，LIN Ruhua¹

(1.Baosteel Zhanjiang Iron&Steel Co.,Ltd., Zhanjiang 524072, China; 2.Baoshan Iron&Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China )

Abstract：Aiming at the failure which caused rail longitudinal cracking under converter ladle car in Baosteel Zhanjiang Iron & Steel Co., Ltd., this thesis studied the cause of failure from several aspects. Through the survey and analysis of steelmaking process, working condition and the ability of slag baffle under converter, rail actual temperature, SEM and metallograph experiment on cracking rail, this thesis came to the conclusion that the high temperature was the primary cause of the rail organizational change and longitudinal cracking. In order to solve this problem, this thesis put forward some corresponding countermeasures. This may provide certain reference meanings to new project and technical innovation project.

Key words：rail cracking；elevated temperature；metallographic analysis；ladle car

中图分类号：TF341.4；TF748+.06

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2017.05.023

文章编号：1006－0316 (2017) 05－0077－04

收稿日期：2016－11－16

作者简介：龙剑群（1991－），男，江西鹰潭人，硕士，冶炼机械高级业务，主要从事炼钢机械与起重设备故障分析研究工作。