包钢科技

项目	C	Si	Mn	P	S	Cr
优化后	0.78~0.85	0.50~0.60	1.15~1.25	≤0.020	≤0.020	0.20~0.30
优化前	0.77~0.82	0.50~0.60	1.10~1.25	≤0.020	≤0.020	0.20~0.30
标准	0.74~0.86	0.10~0.60	0.75~1.25	≤0.020	≤0.020	≤0.30

项目

优化后

0.78~0.85

0.50~0.60

1.15~1.25

≤0.020

0.20~0.30

优化前

0.77~0.82

0.50~0.60

1.10~1.25

≤0.020

0.20~0.30

标准

0.74~0.86

0.10~0.60

0.75~1.25

≤0.020

≤0.30

项目	C	Si	Mn	P	S	Cr
优化后	0.78~0.85	0.50~0.60	1.15~1.25	≤0.020	≤0.020	0.20~0.30
优化前	0.77~0.82	0.50~0.60	1.10~1.25	≤0.020	≤0.020	0.20~0.30
标准	0.74~0.86	0.10~0.60	0.75~1.25	≤0.020	≤0.020	≤0.30

项目

优化后

0.78~0.85

0.50~0.60

1.15~1.25

≤0.020

0.20~0.30

优化前

0.77~0.82

0.50~0.60

1.10~1.25

≤0.020

0.20~0.30

标准

0.74~0.86

0.10~0.60

0.75~1.25

≤0.020

≤0.30

项目	转炉终点(质量分数)/%		精炼VD	连铸
最大值	0.368	0.020	0.041	21	22	0.62	30
最小值	0.096	0.015	0.017	15	16	0.62	23
平均值	0.211	0.017	0.031	16	18	0.62	28

项目

转炉终点(质量分数)/%

精炼VD

连铸

深真空时间/min

软吹时间/min

拉速/(m·min^-1)

过热度/℃

最大值

0.368

0.020

0.041

0.62

最小值

0.096

0.015

0.017

0.62

平均值

0.211

0.017

0.031

0.62

项目	转炉终点(质量分数)/%		精炼VD	连铸
最大值	0.368	0.020	0.041	21	22	0.62	30
最小值	0.096	0.015	0.017	15	16	0.62	23
平均值	0.211	0.017	0.031	16	18	0.62	28

项目

转炉终点(质量分数)/%

精炼VD

连铸

深真空时间/min

软吹时间/min

拉速/(m·min^-1)

过热度/℃

最大值

0.368

0.020

0.041

0.62

最小值

0.096

0.015

0.017

0.62

平均值

0.211

0.017

0.031

0.62

项目	H	O	N
最小值	0.000 099	0.000 3	0.004 3
最大值	0.000 200	0.001 0	0.005 8
平均值	0.000 149	0.000 7	0.004 7
技术要求	≤0.000 25	≤0.000 2	≤0.008 0

项目

最小值

0.000 099

0.000 3

0.004 3

最大值

0.000 200

0.001 0

0.005 8

平均值

0.000 149

0.000 7

0.004 7

技术要求

≤0.000 25

≤0.000 2

≤0.008 0

项目	H	O	N
最小值	0.000 099	0.000 3	0.004 3
最大值	0.000 200	0.001 0	0.005 8
平均值	0.000 149	0.000 7	0.004 7
技术要求	≤0.000 25	≤0.000 2	≤0.008 0

项目

最小值

0.000 099

0.000 3

0.004 3

最大值

0.000 200

0.001 0

0.005 8

平均值

0.000 149

0.000 7

0.004 7

技术要求

≤0.000 25

≤0.000 2

≤0.008 0

编号	中心疏松	缩孔	中心裂纹	中间裂纹	皮下裂纹	角部裂纹	皮下气泡	非金属夹杂物
1^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
2^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
3^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
4^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
5^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
6^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
技术要求	≤2

编号

中心疏松

缩孔

中心裂纹

中间裂纹

皮下裂纹

角部裂纹

皮下气泡

非金属夹杂物

1^#

0.5

2^#

0.5

3^#

0.5

4^#

0.5

5^#

0.5

6^#

0.5

技术要求

≤2

编号	中心疏松	缩孔	中心裂纹	中间裂纹	皮下裂纹	角部裂纹	皮下气泡	非金属夹杂物
1^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
2^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
3^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
4^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
5^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
6^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
技术要求	≤2

编号

中心疏松

缩孔

中心裂纹

中间裂纹

皮下裂纹

角部裂纹

皮下气泡

非金属夹杂物

1^#

0.5

2^#

0.5

3^#

0.5

4^#

0.5

5^#

0.5

6^#

0.5

技术要求

≤2

断面	项目	R_m/MPa	R_p₀_.₂/MPa	A/%	硬度(HB)
115RE	最大值	1 110	680	13.5	320
最小值	1 070	581	10.0	312
平均值	1 094	623	10.5	316
60E1	最大值	1 125	677	12.5	319
最小值	1 053	596	10.0	311
平均值	1 095	635	11.0	316
技术要求	≥982	≥512	≥10	≥310

断面

项目

R_m/MPa

R_p₀_.₂/MPa

A/%

硬度(HB)

115RE

最大值

1 110

680

13.5

320

最小值

1 070

581

10.0

312

平均值

1 094

623

10.5

316

60E1

最大值

1 125

677

12.5

319

最小值

1 053

596

10.0

311

平均值

1 095

635

11.0

316

技术要求

≥982

≥512

≥10

≥310

断面	项目	R_m/MPa	R_p₀_.₂/MPa	A/%	硬度(HB)
115RE	最大值	1 110	680	13.5	320
最小值	1 070	581	10.0	312
平均值	1 094	623	10.5	316
60E1	最大值	1 125	677	12.5	319
最小值	1 053	596	10.0	311
平均值	1 095	635	11.0	316
技术要求	≥982	≥512	≥10	≥310

断面

项目

R_m/MPa

R_p₀_.₂/MPa

A/%

硬度(HB)

115RE

最大值

1 110

680

13.5

320

最小值

1 070

581

10.0

312

平均值

1 094

623

10.5

316

60E1

最大值

1 125

677

12.5

319

最小值

1 053

596

10.0

311

平均值

1 095

635

11.0

316

技术要求

≥982

≥512

≥10

≥310

项目	非金属夹杂物/级
最大值	1.5	1.0	1.0	1.0
最小值	1.0	0.5	1.0	1.0
技术要求	≤2.5	≤1.5	≤1.5	≤1.5

项目

非金属夹杂物/级

最大值

1.5

1.0

最小值

1.0

0.5

1.0

技术要求

≤2.5

≤1.5

项目	非金属夹杂物/级
最大值	1.5	1.0	1.0	1.0
最小值	1.0	0.5	1.0	1.0
技术要求	≤2.5	≤1.5	≤1.5	≤1.5

项目

非金属夹杂物/级

最大值

1.5

1.0

最小值

1.0

0.5

1.0

技术要求

≤2.5

≤1.5

美标碳素钢SS钢轨成分及轧制工艺优化

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赵桂英 ¹ , 梁正伟 ¹ , 李永强 ² , 王嘉伟 ¹ , 边影 ¹

包钢科技 | 品种质量与试验研究 2024,50(3): 81-85

收起

包钢科技 | 品种质量与试验研究 2024, 50(3): 81-85

美标碳素钢SS钢轨成分及轧制工艺优化

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赵桂英¹, 梁正伟¹, 李永强², 王嘉伟¹, 边影¹

作者信息

1.内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心, 内蒙古包头 014010

2.内蒙古包钢钢联股份有限公司轨梁厂, 内蒙古包头 014010

赵桂英(1974-),女,内蒙古凉城县人,硕士,高级工程师,现从事钢轨新产品研发工作。

Optimization of Composition and Rolling Process for SS Steel Grade Carbon Steel Rail Satisfied American Standard

Gui-ying Zhao¹, Zheng-wei Liang¹, Yong-qiang Li², Jia-wei Wang¹, Ying Bian¹

Affiliations

1. Technical Center of Inner Mongolia Baotou Steel Union Co., Ltd., Baotou 014010, Inner Mongolia Autonomous Region, China

2. Rail and Beam Rolling Plant of Inner Mongolia Baotou Steel Union Co., Ltd., Baotou 014010, Inner Mongolia Autonomous Region, China

出版时间: 2024-06-25

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摘要

收起

通过60E1和115RE断面钢轨对比,优化钢轨化学成分,采取窄成分控制,提高C含量,控制Mn、Cr元素含量,优化轧制工艺,小批量生产了60E1断面SS钢轨,钢轨性能达到R_p0.2≥512 MPa,R_m≥982 MPa,A≥10%,踏面硬度(HB)≥310。小批量工业生产实践证明,60E1断面SS钢轨生产工艺顺行,性能稳定,满足用户需要,可以扩量生产。

关键词

SS钢种 / 60E1断面 / 钢轨 / 优化

Abstract

收起

The SS steel grade rail with 60E1 cross section is manufactured with small batch production by comparing the rails with 60E1 and 115RE cross sections, optimizing chemical composition, adopting narrow composition control, increasing C content, controlling contents of Mn and Cr as well as optimizing rolling process. The rail performances could reach R_p0.2≥512 MPa,R_m≥982 MPa,A≥10% and tread hardness (HB) ≥310. The small batch industrial production practices prove that the production process of SS steel grade rail with 60E1 cross section is trouble free and its performances are stable, which could meet the user needs so that it can be produced with incremental quantity.

Key words

SS grade / 60E1 cross section / rail / optimization

引用本文

赵桂英, 梁正伟, 李永强, 王嘉伟, 边影. 美标碳素钢SS钢轨成分及轧制工艺优化. 包钢科技, 2024 , 50 (3) : 81 -85 .

Gui-ying Zhao, Zheng-wei Liang, Yong-qiang Li, Jia-wei Wang, Ying Bian. Optimization of Composition and Rolling Process for SS Steel Grade Carbon Steel Rail Satisfied American Standard[J]. Science & Technology of Baotou Steel, 2024 , 50 (3) : 81 -85 .

正文

收起

为应对高速铁路的发展,通过装备、工艺、技术的不断进步,国内各钢厂先后建立了高洁净度、高均质、高尺寸精度、高平直度的百米钢轨生产线,实现了高速铁路和高品质钢轨的规模化生产。随着各国对铁路重载要求的日益严格,要求钢轨具有更强的耐磨性、更高的硬度^[1],同时对钢轨轨型也提出新的要求,要求断面面积较大的钢轨如60E1断面。根据订货要求,采购《AREMA铁路工程保养手册》(2020)(简称AREMA标准)规定的SS强度级别钢轨(简称SS钢轨),规格为EN 13674-1:2011+A1:2017标准^[2]中的60E1断面,要求钢轨屈服强度R_p0.2≥512 MPa,抗拉强度R_m≥982 MPa,伸长率A≥10%,踏面硬度(HB)≥310。

1 60E1和115RE断面的差异

收起

AREMA标准115RE断面SS钢轨已形成批量生产,钢轨各项性能均满足AREMA标准要求,此次提出60E1断面钢轨供货,属于首次生产。为了确保60E1断面钢轨的性能,对这两个断面进行比较分析,断面尺寸如图1所示。

由图1可知,60E1断面钢轨轨头面积要大于115RE断面钢轨轨头面积,在同等条件下,60E1断面钢轨的散热速度相对于115RE断面钢轨要弱一些,冷速慢。钢轨顶面硬度与轧后冷速关系较大,为了保证60E1断面钢轨的性能,针对该钢轨生产进行了化学成分及轧制工艺优化。

2 钢种成分优化

收起

该钢种属于高C含Cr钢,在钢中Cr和Fe形成连续固溶体,与C形成多种碳化物,可提高钢的强度和耐磨性,增加淬透性,改善抗氧化和抗腐蚀能力^[3]。

随着C含量的增加,钢的硬度也会相应提高,但塑性有所下降,结合115RE断面SS钢轨生产数据,确定此钢的化学成分范围见表1。

3 生产工艺流程

收起

工业试验的工艺流程为:铁水预处理→复吹转炉冶炼→LF精炼→VD真空脱气→大方坯连铸→步进炉加热→万能轧制→步进式预弯冷床冷却→矫直→探伤→加工→检查入库。

4 试制过程及结果

收起

4.1 冶炼

炼钢厂根据质量计划及钢轨生产技术规范冶炼,主要工艺参数见表2。

在钢轨钢冶炼过程中,要求深真空时间不低于15 min,软吹时间不低于10 min,严格执行钢轨控制要求,深真空时间和软吹时间均满足要求。

4.2 成分控制

4.2.1 化学成分控制

对钢的熔炼成分C、Mn含量进行了统计及分析,见图2、图3。

从统计结果可知,C含量优化后较优化前平均提高0.02个百分点,Mn含量优化后较优化前平均提高0.04个百分点。

4.2.2 气体控制

按照AREMA标准取样检验钢中气体含量,结果见表3。

钢中氢含量平均为0.000 149%,最大为0.000 20%,符合技术要求,液态钢水中氢含量分布表明氢控制稳定。钢中氧含量平均为0.000 7%,最大为0.001 0%,氧含量控制较好。

4.3 连铸坯低倍结果

按照钢轨生产技术规范,每炉钢检验一次铸坯低倍,检验结果见表4。

由表4可知,连铸坯低倍检验结果为中心疏松0.5级、非金属夹杂物0.5级,其他均为0级,连铸坯质量控制良好。

4.4 轧制

轨梁厂采用280 mm×380 mm连铸坯,轧制规格为EN 13674-1:2011+A1:2017标准中60E1断面钢轨。钢坯开轧温度平均为1 100 ℃,终轧温度平均为920 ℃,扩大冷床步距,加速轧后冷却速率,提高性能。

对115RE断面和60E1断面SS钢轨拉伸性能进行统计分析,见表5。

由表5可知,优化成分和轧制工艺后,60E1断面钢轨力学性能和115RE断面钢轨力学性能相当,抗拉强度平均值为1 095 MPa,屈服强度平均值为635 MPa,伸长率平均值为11.0%,踏面硬度(HB)平均值为316,均满足技术要求,达到了预期目标。

4.5 金相检验结果

4.5.1 非金属夹杂物

为了更好地保证钢轨内部质量,本批60E1断面钢轨生产非金属夹杂物均要求按照铁标TB/T 2344.1—2020要求执行,要严于AREMA标准要求。对60E1断面钢轨的非金属夹杂物类型及级别进行统计,结果见表6,非金属夹杂物最大为1.5级,最小为0.5级,都满足要求。

4.5.2 显微组织

按照AREMA标准取轨头试样进行显微组织检测,显微组织均为珠光体,见图4。

4.5.3 低倍检验

根据AREMA标准将整个横断面切下来,表面光洁度达到要求后,全部浸入热酸液中进行充分浸蚀,漂洗、刷净吹干后,对钢轨进行低倍检验,均满足标准要求。无白点、缩孔、皮下气泡等缺陷,钢轨低倍照片如图5所示。

4.6 探伤及成材率

对所有60E1断面钢轨进行超声波探伤,无伤轨。60E1断面钢轨工业生产成材率为92.21%,合格率为98.92%,达到了预期目标。

4.7 残余应力

按照AREMA标准要求,取610 mm长钢轨进行轨腰残余应力检测,采用锯切法,切割沿轨腰的中和轴进行,切割长度为400 mm,如图6所示。

通过检测,60E1断面钢轨的垂直位移d=2.16 mm,远低于标准d≤3.75 mm的要求,完全满足标准要求。

5 钢轨在冷床上冷速变化分析

收起

在钢轨生产时测定115RE、60E1断面钢轨上冷床后的温降情况,每间隔1 min测一次,温降曲线如图7所示。

如图7所示,115RE断面钢轨上冷床温度为783 ℃,60E1断面钢轨上冷床温度为773 ℃,上冷床4 min后两断面钢轨温度降到660 ℃,随后出现一个平台,大约5 min后温度开始下降,平台处60E1断面钢轨温度要高于115RE断面钢轨。大断面钢轨温降低于小断面钢轨温降,因此采取降低终轧温度、加快冷却的生产工艺是可行的。

6 结论

收起

(1)通过优化SS钢轨化学成分、轧制及冷却工艺,60E1断面钢轨性能满足技术要求,屈服强度R_p0.2≥512 MPa,抗拉强度R_m≥982 MPa,伸长率A≥10%,踏面硬度(HB)≥310。

(2)60E1断面钢轨钢冶炼工艺、轧制工艺稳定。批量出口生产表明性能稳定,成材率达到92.21%。

参考文献

收起

文献

收起

参考文献引证文献

排序方式：

[1]

冯立果, 张海旺, 汪鹏, 等. 美标标准强度钢轨SS生产实践[J]. 河北冶金, 2016(1):64-66.

[2]

EN 13674-1: 2011+A1:2017, 46 kg/m及以上T型钢轨[S].

[3]

宋维锡. 金属学与热处理[M]. 北京: 冶金工业出版社,1987.

2024年第50卷第3期

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110

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接收时间：2024-03-21
首发时间：2025-10-24
出版时间：2024-06-25

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收稿日期：2024-03-21

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1.内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心, 内蒙古包头 014010

2.内蒙古包钢钢联股份有限公司轨梁厂, 内蒙古包头 014010

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

项目	C	Si	Mn	P	S	Cr
优化后	0.78~0.85	0.50~0.60	1.15~1.25	≤0.020	≤0.020	0.20~0.30
优化前	0.77~0.82	0.50~0.60	1.10~1.25	≤0.020	≤0.020	0.20~0.30
标准	0.74~0.86	0.10~0.60	0.75~1.25	≤0.020	≤0.020	≤0.30

项目

优化后

0.78~0.85

0.50~0.60

1.15~1.25

≤0.020

0.20~0.30

优化前

0.77~0.82

0.50~0.60

1.10~1.25

≤0.020

0.20~0.30

标准

0.74~0.86

0.10~0.60

0.75~1.25

≤0.020

≤0.30

项目	转炉终点(质量分数)/%		精炼VD	连铸
最大值	0.368	0.020	0.041	21	22	0.62	30
最小值	0.096	0.015	0.017	15	16	0.62	23
平均值	0.211	0.017	0.031	16	18	0.62	28

项目

转炉终点(质量分数)/%

精炼VD

连铸

深真空时间/min

软吹时间/min

拉速/(m·min^-1)

过热度/℃

最大值

0.368

0.020

0.041

0.62

最小值

0.096

0.015

0.017

0.62

平均值

0.211

0.017

0.031

0.62

项目	H	O	N
最小值	0.000 099	0.000 3	0.004 3
最大值	0.000 200	0.001 0	0.005 8
平均值	0.000 149	0.000 7	0.004 7
技术要求	≤0.000 25	≤0.000 2	≤0.008 0

项目

最小值

0.000 099

0.000 3

0.004 3

最大值

0.000 200

0.001 0

0.005 8

平均值

0.000 149

0.000 7

0.004 7

技术要求

≤0.000 25

≤0.000 2

≤0.008 0

编号	中心疏松	缩孔	中心裂纹	中间裂纹	皮下裂纹	角部裂纹	皮下气泡	非金属夹杂物
1^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
2^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
3^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
4^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
5^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
6^#	0.5	0	0	0	0	0	0	0.5
技术要求	≤2

编号

中心疏松

缩孔

中心裂纹

中间裂纹

皮下裂纹

角部裂纹

皮下气泡

非金属夹杂物

1^#

0.5

2^#

0.5

3^#

0.5

4^#

0.5

5^#

0.5

6^#

0.5

技术要求

≤2

断面	项目	R_m/MPa	R_p₀_.₂/MPa	A/%	硬度(HB)
115RE	最大值	1 110	680	13.5	320
最小值	1 070	581	10.0	312
平均值	1 094	623	10.5	316
60E1	最大值	1 125	677	12.5	319
最小值	1 053	596	10.0	311
平均值	1 095	635	11.0	316
技术要求	≥982	≥512	≥10	≥310

断面

项目

R_m/MPa

R_p₀_.₂/MPa

A/%

硬度(HB)

115RE

最大值

1 110

680

13.5

320

最小值

1 070

581

10.0

312

平均值

1 094

623

10.5

316

60E1

最大值

1 125

677

12.5

319

最小值

1 053

596

10.0

311

平均值

1 095

635

11.0

316

技术要求

≥982

≥512

≥10

≥310

项目	非金属夹杂物/级
最大值	1.5	1.0	1.0	1.0
最小值	1.0	0.5	1.0	1.0
技术要求	≤2.5	≤1.5	≤1.5	≤1.5

项目

非金属夹杂物/级

最大值

1.5

1.0

最小值

1.0

0.5

1.0

技术要求

≤2.5

≤1.5