鋼軌軋疤缺陷產生原因分析

李鈞正 楊正宗

(河鋼股份有限公司邯鄲分公司)

鋼軌軋疤缺陷產生原因分析

李鈞正 楊正宗

(河鋼股份有限公司邯鄲分公司)

針對型鋼生產線鋼軌生產過程出現的批量軋疤缺陷，經過對缺陷形貌、存在位置進行分析，利用LEICA Q550MW型圖像分析儀進行金相組織觀察，以探索軋疤缺陷產生原因。分析結果表明：鑄坯殘余流渣是造成本次鋼軌表面軋疤的直接原因，并制定了對應的解決措施，效果顯著。

鋼軌 軋疤 缺陷

0 引言

鋼軌作為鐵路重要組成部分，起著支撐和導向列車的雙重作用。列車運行過程中，在動態載荷作用下，鋼軌表面缺陷部位容易產生應力集中并擴展，甚至產生斷軌影響列車運行安全。軋疤是指在鋼軌表面有疤皮或魚鱗片狀金屬片，有的與基體相連，有的與基體不相連，由在鋼軌的頭、腰、底部等處局部粘附的金屬薄片狀疤皮而形成。軋疤缺陷外形輪廓極不規則，伴隨軋疤缺陷有許多條裂紋，軋疤缺陷伸向軌底深度較深時，矯直鋼軌會產生軌底裂。因此，雖然軋疤和裂紋性質不同，但兩者互相聯系，有時保軋疤特征，有時出現彎彎曲曲的裂紋簇，有時兩者兼而有之，這與結疤大小、深淺及變形程度有關。結疤主要有折疤、點狀夾結疤、塊狀結疤、鋸齒結疤等類型[1]。

邯鋼公司在生產50 kg/m規格U75V鋼軌時出現了批量軋疤缺陷，有的軋疤與鋼軌基體相連，有的則在矯直后脫落。通過對軋疤缺陷宏觀形貌、存在位置進行觀察，對比冶煉、軋鋼過程，同時利用LEICA Q550MW型圖像分析儀對軋疤缺陷、缺陷鋼軌頭部基體和鑄坯流渣進行金相組織分析，找到了軋疤缺陷產生原因，并提出了對應的改進措施。

1 缺陷宏觀特征及分布規律

1.1 缺陷宏觀特征

鋼軌軋疤缺陷多數分布在距鋼軌端部4 m左右位置，最長不超過10 m，缺陷位于鋼軌軌頭南、北側下顎，形貌不一，與基體不相連，有的附著在鋼軌表面(以下將此缺陷稱為A缺陷)，有的缺陷經矯直后脫落形成凹坑(以下將此缺陷稱為B缺陷)，如圖1、圖2所示。

圖1 A缺陷宏觀形貌及切割位置

圖2 B缺陷宏觀形貌及切割位置

1.2 缺陷分布規律

對存在軋疤缺陷的鋼軌分布進行統計，并與煉鋼、軋鋼過程對應，如圖3所示。缺陷鋼軌存在于煉鋼不同澆次，前兩個澆次缺陷鋼軌分布較少，后四個澆次缺陷鋼軌分布整體較高，且分布在不同流號中，與煉鋼澆注硫號不存在明顯的對應關系。對缺陷鋼軌軋制時間進行統計，5月6日前出現數量較少，5月6日后出現數量較多，軋疤缺陷率忽高忽低，與軋鋼出現時間沒有明顯對應關系，且軋鋼生產四個班組均有涉及，缺陷率基本相同，因此軋疤缺陷與軋鋼班組對應關系不明顯。

(a)冶煉澆次的對應關系

(b)與澆注流號的對應關系

(c)與軋鋼班次對應關系

(d)與軋鋼時間的對應關系

2 金相檢驗

2.1 軋疤缺陷金相檢驗

將缺陷按照圖1、圖2標示線方向切割，對切割試樣打磨、拋光，4%硝酸酒精腐蝕，利用LEICA Q550MW型圖像分析儀對缺陷形貌進行觀察。

A缺陷在金相顯微鏡下觀察，缺陷形貌如圖4所示。缺陷位置基體存在脫碳現象，脫碳層深度為0.19 mm；缺陷部分存在明顯的脫碳，且處于全脫碳狀態，金相組織異常粗大。進一步對缺陷部位進行高倍組織觀察，發現缺陷內部存在大量長條狀氧化物，方向與金相組織延伸方向一致。另外在缺陷與基體之間同樣存在大量氧化物。對缺陷內部和缺陷間氧化物物質形貌及其存在位置進行觀察，初步判斷為為鐵的氧化物。

B缺陷在金相顯微鏡下觀察，缺陷形貌如圖5所示。缺陷凹坑內部形貌圓滑過渡，未發現明顯裂紋、折疊等缺陷，凹坑內金相組織大小與基體保持一致，未見組織異常粗大現象。凹坑內部均勻分布有脫碳，脫碳層深度與正常基體位置脫碳深度一致[2]。以上檢驗結果表明凹坑為外來物質壓入后脫落形成。

2.2 鑄坯殘留流渣檢驗

對重軌生產鑄坯表面質量進行仔細觀察，發現部分鑄坯兩端切割斷面存在嚴重流渣。任選流渣嚴重鑄坯進行流渣取樣分析，流渣為疏松多孔結構，部分孔洞與外界相連，形狀不規則，外觀呈金屬光澤，具體宏觀形貌如圖6所示。將流渣切割后鑲嵌，打磨、拋光后利用LEICA Q550MW型圖像分析儀進行組織分析，如圖7所示。流渣微觀形貌為疏松多孔結構，有的孔洞與外界相連，有的孔洞形成封閉空間，兩者的共同之處為孔洞中均含有大量的氧化物，分析為鐵的氧化物。

(a) A缺陷顯微組織形貌

(b) A缺陷局部放大顯微組織

(a)凹坑左側顯微組織

(b)凹坑右側顯微組織

(c)正常位置處脫碳組織

(d)缺陷位置處脫碳組織

2.3 鋼軌頭部取樣分析

任選缺陷鋼軌進行頭部不規則位置取樣，并將試樣進行金相檢驗分析，試樣及取樣位置如圖8所示，金相檢驗分析如圖9所示。

圖6 鑄坯流渣宏觀形貌

圖7 鑄坯流渣金相圖片

圖8 軌頭試樣形貌及取樣位置

1#試樣金相組織檢驗發現：試樣內部存在大量的氧化鐵皮，組織類型為魏氏體組織和鐵素體、珠光體組織的混合組織，且金相組織大小差距較大，未見明顯脫碳[3,4]；2#試樣存在少量的氧化鐵皮，組織類型為魏氏體組織和鐵素體、珠光體組織的混合組織，其中試樣邊部魏氏體組織較多，部分晶粒尺寸粗大，未見明顯脫碳。

(a) 1#試樣金相組織

(b) 2#試樣金相組織

3 缺陷產生原因分析及解決措施

3.1 缺陷產生原因

根據軋疤缺陷存在位置進行分析，應為軋鋼過程鋼軌頭部撞擊軋輥造成頭部材質脫落后粘結軋輥表面，后續軋制時壓進鋼軌表面產生軋疤缺陷[5]。

通過對缺陷鋼軌頭部取樣分析，基體組織除正常的鐵素體、珠光體組織外，還發現存在部分魏氏體組織。結合軋鋼生產過程，分析認為鋼軌頭部反復軋制產生多次折疊，由于鋼軌頭部各部位軋制過程壓下不同造成組織大小差異，同時鋼軌頭部相比正常部位冷卻速率較快，故產生魏氏體組織。

對軋疤缺陷位置進行金相檢驗分析，軋疤缺陷與基體分離，基體外部位存在明顯的脫碳現象，且金相組織粗大，說明缺陷在高溫加熱前即存在。對比缺陷鋼軌頭部基體組織類型，金相組織類型不同，且脫碳效果截然相反，排除了鋼軌頭部基體撞擊軋輥掉落的可能性。

軋疤缺陷與鑄坯流渣進行金相對比對比，兩者皆存在大量的氧化鐵皮。

綜上所述，分析認為鑄坯兩端殘留流渣是造成本次鋼軌軋疤缺陷的直接原因。

3.2 解決措施

主要通過檢查、清理和精整，保證無缺陷鑄坯的入爐加熱、軋制；其次精確控制坯料切割尺寸、清除干凈切割端頭流渣，避免出現切傷、流渣殘留；第三優化連鑄坯生產工藝參數，控制鑄坯鼓肚、凹陷、嚴重振痕和劃傷等表面缺陷。通過總結經驗，針對軋制鋼軌用鑄坯應達到以下技術要求：(1)鑄坯表面不得有目視可見的翻皮、結疤、夾雜、裂紋；(2)不得有深度或高度大于1.5 mm的劃痕、壓痕、擦傷、氣孔、皺紋、冷濺、凸塊、凹坑；(3)橫向振痕不大于2 mm；(4)連鑄坯橫截面不得有影響使用的縮孔、皮下氣泡、裂紋；(5)鑄坯兩端殘留流渣進行火焰清理，鑄坯表面不得有厚度大于2 mm的流渣，端部不得有厚度大于5 mm的流渣。同時加強鑄坯驗收管理,增加檢驗頻次，按照爐次鑄坯總量的25%進行抽檢，對不合格鑄坯進行退料處理，并做好質量抽查記錄。

4 應用效果

通過制定嚴格的鑄坯驗收標準，加強鑄坯驗收檢驗頻次等措施，鋼軌鑄坯表面質量有了較大提升，鑄坯兩端殘留流渣得到了有效控制，鋼軌軋疤缺陷率降低到2%以下。

5 結語

針對本次型鋼生產線鋼軌 生產過程出現的批量軋疤缺陷，通過對軋疤缺陷宏觀形貌進行觀察，對缺陷、鑄坯殘留流渣以及缺陷鋼軌頭部不規則位置取樣進行金相檢驗分析，認為鑄坯兩端殘留流渣是造成本次鋼軌軋疤缺陷的直接原因。在此基礎上提出了軋疤缺陷解決措施，經實施后軋疤缺陷得到了有效控制。

[1] 劉運圈，重軌結疤的產生與預防[J]，上海冶金，2008(5).45-48.

[2] 朱興元，U71Mn 60kg/m重軌結疤缺陷研究，鋼鐵技術，2008(1).24-27.

[3] 任安超，鋼軌表面結疤缺陷的檢驗和分析.武漢工程職業技術學院學報，2005(9)，8-10

[4] 陳沅，降低時速250km百米鋼軌表面缺陷的研究，包鋼科技 , 2010, 36(S1):21-24

[5] 陶功明，攀鋼60kg/m鋼軌軋疤缺陷原因分析及改進措施，軋鋼，2009(12)，63-66

CAUSES ANALYSIS OF RAIL SCAR DEFECT

Li Junzheng Yang Zhengzong

(Han-Steel branch of HBIS)

Based on the mass issues of scar defects which occurred in the rail production process of the section steel production line, through analyzing the defect morphology, position and observing the microstructure by the LEICA Q550MW type image analyzer to find out the causes of the rail scar defect. The analysis results show that the bloom residual is the direct cause of the rail scar defect. The solution which based on analyzes produced a remarkable effect.

Rail Scar Defect

正，工程師，河北.邯鄲(05601),河鋼股份有限公司邯鄲分公司技術中心；

2017-1-25