一种控制中间包头炉重轨钢坯氢含量的方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金的技术领域，具体涉及一种控制中间包头炉重轨钢坯氢含量的方法。

背景技术

氢在钢液的溶解度大，在10ppm以上；当钢液凝固时，氢的溶解度显著的减小。氢也可固溶于奥氏体和铁素体中，其溶解度也随温度的降低而减小。在γ-Fe中可以溶解5～10ppm，在α-Fe中只能溶解2～3ppm)。钢在锻造或轧制后冷却时，氢由于溶解度减小而以原子态析出。当钢锻件或轧件截面较大、冷却较快时，原子氢来不及扩散至钢的表面而留在钢内并聚集到显微空隙、晶界边界和夹杂物附近，转变成分子氢而产生巨大的内压力。当钢中氢含量超限时就会产生白点，它是在钢中的氢与应力联合作用下产生的，在横向低倍试片上表现为发纹状小裂纹，长度数毫米，最大数十毫米，即氢致裂纹。钢轨中不允许有白点引起的氢致裂纹。氢致裂纹不仅会导致钢轨在使用过程中发生疲劳断裂，在运输、装卸、铺轨和起道作业时也会发生脆性断裂。铁标TB/T2344.1-2020中规定，生产重轨时，中间包钢水中的氢含量要求不大于2.5ppm，钢轨成品氢含量不大于2.0ppm。

由于中间包头炉生产时，中间包内含有大量的空气，以及中间包加热时未完全排除的结晶水等，其中的大部分会在头炉浇铸过程中在高温下以原子的形式排出，导致此时中间包内钢水的氢含量比较高，从而使得轧制后的成品氢含量也较高。在使用过程中，容易产生白点引起的氢致裂纹，给成品使用带来很大的安全风险。为此，有规定中间包头炉生产的铸坯不用于生产国铁高速钢轨，而且对生产普速钢轨的也限制很多。因此，各钢轨生产厂的中间包头炉大多未用于生产国铁的钢轨，而是通过生产吊车轨、钢球等方式来消耗。但这些产品的需求量较少，价格也较低，造成有的钢厂只能通过将中间包头炉的大部分铸坯切废的方式来处理，这样无疑造成了资源的浪费。因此，如果能控制中间包头炉生产重轨钢坯的氢含量在较低的水平，可使其用于生产除高速钢轨之外的普速钢轨，无疑可以大大提高生产重轨时中间包头炉的利用价值，减少浪费。

现有技术中，如公布号CN 102554148 A的中国发明专利公开了一种降低浇次首罐钢水增氢控制方法，针对以水为结合剂的中包涂抹层或中包干式涂抹层的不同，将中包以3.3～6.7℃/s升温速率升温到200～400℃，然后保温烘烤2～5小时。为进一步控制首罐钢水中的氢含量，中包开浇后使用的镁质干式中包覆盖剂，需经干燥处理，其干燥温度200～300℃，干燥时间48～60小时，冷却至室温后，装入塑料袋中密封，限于2～5天内用完。该发明专利能将浇次首罐钢水在中包内增氢量稳定控制在2.0ppm以内。但是该专利申请中主要针对的是采用镁质干式中包覆盖剂，且需要干燥200～300℃，干燥时间48～60小时。此外，该专利申请控制的中间包增氢量仅2.0ppm以内，如果钢水的原始氢在1.0ppm以上时，最终铸坯的氢含量很容易超过3.0ppm。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种控制中间包头炉重轨钢坯氢含量的方法，该方法既能将钢坯氢含量控制在较低水平，满足生产除高速钢轨之外其余重轨的需要，又能以经济、绿色的方式实现，降低生产成本，满足低碳绿色及环保的需要。

为实现上述目的，本发明所设计的一种控制中间包头炉重轨钢坯氢含量的方法，包括如下步骤：

1)RH真空处理：钢水采用RH炉真空处理，在真空度100Pa以下处理，破空后不进行吹氩，在钢水中在线定氢，控制定氢仪水气过滤器的使用次数，使得处理后的钢水中氢含量控制在0.6ppm以下；

2)连铸处理：连铸采用干式料中间包，使用时中间包进行在线烘烤，在中间包上设置专用的定氢孔，开浇后在浇完一个中间包钢水重量时，在定氢孔进行在线定氢，控制定氢仪水气过滤器的使用次数，使得头炉的中间包钢水氢含量控制在1.6ppm以下；

3)堆垛缓冷处理：浇铸完的铸坯头部进行切除处理，然后按定尺切割后就地进行堆垛缓冷，使得头炉重轨钢坯氢含量控制在1.5ppm以下。

进一步地，所述步骤1)中，在真空度100Pa以下处理20-28min。

进一步地，所述步骤1)中，当在梅雨季节时，在真空度100Pa以下处理23-28min。

进一步地，所述步骤1)中，采用贺利氏定氢仪在钢水中在线定氢，控制定氢仪水气过滤器的使用次数≤60次。

进一步地，所述步骤1)中，当在梅雨季节时，采用贺利氏定氢仪在钢水中在线定氢，控制定氢仪水气过滤器的使用次数≤30次。

进一步地，所述步骤2)中，干式料中间包中MgO的含量为85％以上，Al

进一步地，所述步骤2)中，使用时中间包在线烘烤至1300-1400℃。

进一步地，所述步骤2)中，定氢孔的直径95-105mm。

进一步地，所述步骤2)中，在定氢孔采用贺利氏定氢仪进行在线定氢，控制定氢仪水气过滤器的使用次数≤60次。

进一步地，所述步骤2)中，当在梅雨季节时，在定氢孔采用贺利氏定氢仪进行在线定氢，控制定氢仪水气过滤器的使用次数≤30次。

再进一步地，所述步骤3)中，浇铸完的铸坯头部每流切除6-8吨。

更进一步地，所述步骤3)中，堆垛缓冷的时间≥24h；重轨钢坯的钢种为U71Mn或U75V。

本发明中主要工艺的作用及机理：

本发明中钢水在RH处理阶段对处理时间及定氢仪水气过滤器使用次数的限定，主要是重轨的钢水在100Pa下处理20-25min即可使其中的氢含量处于非常低水平，若时间短时氢尚未完全去除，时间过长会导致钢水温降过大。之所以在梅雨季节真空处理23-28min，是由于此阶段的空气湿度大，钢水的初始氢含量高，需增加真空处理时间来保证氢的有效去除。破空后之所以不进行吹氩气软吹处理，是由于头炉铸坯用于生产除高速重轨之外的普通钢轨，其夹杂物要求相比高速重轨低些，不软吹氩气处理也可以满足夹杂物的要求，并且软吹是在破空后进行，此时的钢水表面与空气直接接触，会导致吸入空气的水分后“返氢”，同时影响钢水温度和节奏。之所以控制定氢仪的水气过滤器使用次数，是为了避免过滤气缆管中的水气影响测量结果，梅雨季节时空气中的水气大，故需进一步控制，提高钢水中氢含量的测量精度。

本发明在连铸阶段采用干式料中包，其中MgO含量85％以上，Al

本发明在中间包上设置一个专用的定氢孔，直径100±5mm。是由于在专用孔测定时，可保证每炉钢水中氢测定位置相对固定，便于数据的分析和对比。而且可以使得氢的测量过程比较平稳，减少对钢水的扰动，以利于夹杂物的控制。同时该直径下既可保证氢测量的顺利进行，又能尽量减少钢水与外界的接触，保证钢水温度不会下降太多影响浇铸。

本发明之所以对浇铸完的铸坯头部每流切除6-8吨，是由于开浇后钢水要与中间包耐材、中间包覆盖剂、结晶器保护渣、塞棒和水口等直接接触，导致这些材料中未完全挥发的结晶水等会在1500℃左右的钢水温度下气化，导致其中的氢原子进入钢水中。经实践测量，当每流钢水浇铸6-8吨后，这些材料带入的氢基本可去除。

本发明在浇铸完后，对铸坯就地进行堆垛缓冷，时间≥24h。是因为浇铸后的铸坯温度在600℃以上，进行堆垛缓冷可进一步去除钢坯中的氢。且由于采取上述措施后，钢坯中的氢含量已处于较低水平，考虑到生产节奏及成本控制，缓冷24h即可保证重轨钢坯氢含量控制在1.5ppm以下。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一，本发明在RH工序，针对不同季节，钢水在100Pa下设定不同的处理时间，在线定氢仪过滤器设定不同的使用次数，使得无论什么季节，都能保证RH处理后重轨钢水中的氢含量处于极低水平(≤0.6ppm)，同时测定数据的准确性更高。

其二，本发明设置连铸工序的干式料中间包烘烤温度在1300-1400℃，设置专用的中间包定氢孔，在线定氢仪过滤器根据季节设定不同的使用次数，使得中间包内钢水氢含量测定数据更加准确，并且在保证了钢水中氢含量控制在较低水平的同时，尽量减少了对重轨钢中夹杂物的影响。

其三，本发明采用铸坯头部切除6-8吨，同时就地堆垛缓冷24h，操作简单，不额外增加缓冷坑等设备。钢坯中的氢含量控制在1.5ppm以内，完全可以满足除高速重轨外其余普通重轨钢坯对氢含量的要求。

其四，本发明采用经济性制造工艺，在不增加相应设备投入的前提下，同时满足中间包钢水氢含量控制在1.6ppm以下，重轨钢坯氢含量控制在1.5ppm以下，氢含量大大低于现有技术能控制的含量。既能将钢坯氢含量控制在较低水平，满足生产除高速钢轨之外其余重轨的需要，又能以经济、绿色的方式实现，降低生产成本，满足低碳绿色及环保的需要。

具体实施方式

下面结合实施案例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明的一种控制中间包头炉重轨钢坯氢含量的方法，采用转炉冶炼、氩站及LF炉精炼和RH炉精炼对重轨钢水进行处理，100Pa以下处理20-25min(梅雨季节处理23-28min)；破空后不进行吹氩，采用贺利氏定氢仪在钢水中在线定氢，控制定氢仪水气过滤器的使用次数≤60次(梅雨季节控制使用次数≤30次)，定氢结束后吊装至连铸平台。连铸采用干式料中间包，其中MgO的含量为85％以上，Al

表1本发明实施例和对比例生产的RH工艺参数及处理后氢含量对比

表2本发明实施例和对比例生产的连铸工艺参数及缓冷后氢含量对比

从表1-2中可以看出，本发明的实施例相对于对比例，RH处理后的钢水氢含量降低0.6ppm左右，中间包的钢水氢含量降低0.75ppm左右，中间包钢水的增氢值降低0.2ppm左右，缓冷后的重轨钢坯氢含量降低0.8ppm左右。

以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，其余未详细说明的为现有技术。