重轨钢中非金属夹杂物控制关键技术

铁路作为一种现代化交通运输工具，在世界范围内具有广阔的发展前景。目

前铁路发展的整体趋势是高速和重载化，对重轨钢质量提出了更高的要求，不仅

要求高洁净度，高强度、高韧性，而且必须具有良好的抗疲劳性能。重轨钢生产

过程及使用过程中，非金属夹杂物是影响其质量最重要的原因之一，常引起探伤

不合、易产生疲劳裂纹等，主要是由于其钢中非金属夹杂物控制存在以下三个难

题：（1）夹杂物尺寸大且化学成分复杂；（2）冶炼工艺复杂，尤其在于脱氧及精

炼等重要环节；（3）尖晶石类夹杂物突出，严重恶化钢轨性能。因此，合理控制

重轨钢中的非金属夹杂物，对重轨钢产品质量的提生及铁路事业的进步具有重要

意义。

（1）重轨钢冶炼脱氧及原辅料成分设计技术。重轨钢采用无铝脱氧工艺，但是

在脱氧剂的使用方式及用量上缺乏理论指导，因此，重轨钢脱氧过程中必须对脱

氧剂的使用方式及用量进行合理优化控制，本项目提出仅在转炉出钢时加入少量

硅钙钡脱氧剂控氧，同时配合精炼扩散脱氧，能将钢中 T.O. 含量控制在 10 ppm

以下，不仅有效节约了生产成本，而且促进了夹杂物的去除、有效降低了夹杂物

的尺寸。在重轨钢冶炼原材料的控制方面，国内企业生产时更倾向于买价格低廉

的铁合金等原材料，从而降低生产成本，但是对于铁合金及铁合金对重轨冶炼的

影响研究几乎为空白。本项目提出了使用低铝铁合金，降低钢中的酸溶铝含量，

抑制钢中高 Al 2 O 3 夹杂物的形成，从而提升夹杂物变形能力，有效防止因脆性夹

杂物造成的疲劳缺陷。

（2）重轨钢中硫化物夹杂控制技术. 由于 MnS 有良好的变形能力，而且重轨钢

轧制过程中变形量大，MnS 夹杂物可能延伸很长，可能成为夹杂物超标和引起超

声波探伤不合的重要原因之一。此外，大尺寸长条状 MnS 可能成为裂纹的起点，

在应力作用下首先在和钢基体的交界处形成裂纹源。本项目首先通过优化精炼造

渣制度进一步去除钢中 S 含量，提出将钢中得 S 降低到 40ppm 以下。其次，通过

对重轨钢连铸坯及钢轨硫化物的分布进行研究分析，从而对冷却制度进行优化，

提出先若冷后强冷的原则，使激冷层优先析出的大量细小的 MnS，减小其他凝固

区的 S 的压力，从而来控制重轨钢中硫化物。此外，还提出了使用 CSC

（Comparison-Segmentation-Combination）方法，计算了 MnS 在不同温度下在

不同温度范围内的准确的热力学生成曲线，并研究了热处理工艺升温速率、保温

温度和保温时间等对 MnS 夹杂物的影响，促进已生成的长条状 MnS 向弥散的纺锤

形转变，从而达到控制 MnS 形态的目的。

（3）重轨钢中尖晶石类夹杂控制技术 重轨钢采用无铝脱氧工艺，但是钢中发现

MgO-Al 2 O 3 夹杂物，且部分尺寸较大，严重影响产品质量。本项目首先对重轨钢

中尖晶石夹杂物的形成机理进行研究，得出重轨钢中危害较大的尖晶石类夹杂物

来源于钢中复杂氧化物夹杂在降温冷却过程中的析出，从而提出使用低铝低镁合

金，VD 前扒渣降低耐材侵蚀等减少夹杂物中 Al 2 O 3 和 MgO 含量，抑制尖晶石夹杂

物的析出。此外，VD 前扒渣也有利于控制复杂氧化物夹杂中 CaO 含量的成分，

对控制夹杂物的尺寸及提高产品质量有重要作用。