转炉钢水罐车钢轨纵向开裂失效机理研究

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摘要：
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：
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。

参考⽂献：
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[9]李伟，温泽峰，吴磊，等. 车轮滑动时钢轨热弹塑性有限元分析[J]. 机械⼯程学报，2010，46（10）：95-101.
[10]晏建武，王伟兰，艾云龙，等. U71Mn⼲线钢轨开裂原因及热处理⼯艺分析[J]. 南昌航空⼯业学院学报（⾃然科学版），2001，15（4）：38-41. 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。

作者简介：。