重轨钢采用RH和VD精炼的对比研究

工程科学学报，第38卷，增刊1：125-128,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:125-128,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.021:http://journals.ustb.edu.cn 重轨钢采用RH和VD精炼的对比研究 齐江华)四，郑建国”，陈光友》，张鹏飞》，叶途明》，费俊杰” 1)武汉钢铁（集团）公司研究院，武汉4300802)武钢股份条材总厂，武汉430083 ☒通信作者，E-mail:qi-jianghua(@l63.com 摘要在其他工艺相同条件下，对钢中全氧、A1含量、H含量、夹杂物成分、炉渣等进行了对比分析.在真空时间相同的情 况下，RH脱氢能力优于VD,VD脱氧能力优于RH,但VD精炼后钢中A1含量偏高，炉渣碱度偏大，夹杂物易偏离塑性区.RH 精炼后渣中Mg0含量明显升高，夹杂物成分也比较分散，可能是耐火材料尤其是插入管喷补料脱落导致外来夹杂物增多，而 VD精炼后渣中M0含量变化不大，夹杂物成分相对集中.建议采用RH精炼时，应提高耐火材料质量，减少插入管喷补次 数，采用VD精炼时，应适当减少石灰加入量，降低渣中碱度并延长真空处理时间. 关键词重轨钢：RH精炼：VD精炼：夹杂物：碱度 分类号TF769.4 Comparative study on refining of heavy rail steel by RH and VD QI Jiang-hua,ZHENG Jiang-guo,CHEN Guang-you,ZHANG Peng fei,YE Tu-ming?,FEI Jun-jie 1)Research Institute of WISCO,Wuhan 430080,China 2)Long Product Plant of WISCO,Wuhan 430083,China Corresponding author,E-mail:qijianghua@163.com ABSTRACT The total oxygen,the contents of H]and [Al],the inclusions and the compositions of slag by RH and VD refining treatment are compared under the other same conditions.The results show that dehydrogenation by RH is better than VD,while deoxi- dation by VD is better than RH.The final content of [Al]and the basicity of slag processed by VD increase and the compositions of inclusions deviate from the plastic zone.The content of Mgo in slag processed by RH increases obviously and the compositions of in- clusions are dispersed.While the content of Mgo in slag processed by VD changes slightly and the compositions of inclusions are con- centrated.The differences are ascribed to refractory shedding in the snorkel of RH unit which leads to the increase of external inclu- sions.The suggestions for vacuum refining are as follows:the quality of refractory should be improved and the gunning for snorkel should be reduced with the processing by RH.While the amount of lime and the basicity of slag should be decreased,and the treat- ment time should be increased with the processing by VD. KEY WORDS heavy rail steel;RH refining:VD refining:inclusion:basicity 现代高速和重载铁路的发展对重轨钢质量提出了 含量、夹杂物的形态以及氢含量是高速重轨钢治炼的 更高的要求，A山，0，等脆性夹杂是引起钢轨疲劳裂纹的 技术关键日.重轨钢的治炼一般采用转炉治炼-F 主要原因，高速重轨要求钢中ω(o≤0.002%，w(w≤ 精炼一真空精炼一连铸的生产工艺流程，而真空精炼主 0.004%.此外，重轨钢对氢有很强的敏感性，氢含量要有RH和VD两种，为了对比2种真空工艺的优劣， 高导致的白点及裂纹对重轨钢的性能是致命的，高速 追求技术和经济的合理性，开展了2种真空精炼方式 重轨要求钢中wm≤0.00015%.因此，控制钢中全氧 对重轨钢内在质量的影响研究，为重轨钢或者其他钢 收稿日期：201601-20

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 125--128，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 125--128，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 021; http: / /journals． ustb． edu． cn 重轨钢采用 ＲH 和 VD 精炼的对比研究 齐江华1) ，郑建国1) ，陈光友2) ，张鹏飞2) ，叶途明2) ，费俊杰1) 1) 武汉钢铁( 集团) 公司研究院，武汉 430080 2) 武钢股份条材总厂，武汉 430083  通信作者，E-mail: qi-jianghua@ 163． com 摘 要 在其他工艺相同条件下，对钢中全氧、Al 含量、H 含量、夹杂物成分、炉渣等进行了对比分析． 在真空时间相同的情 况下，ＲH 脱氢能力优于 VD，VD 脱氧能力优于 ＲH，但 VD 精炼后钢中 Al 含量偏高，炉渣碱度偏大，夹杂物易偏离塑性区． ＲH 精炼后渣中 MgO 含量明显升高，夹杂物成分也比较分散，可能是耐火材料尤其是插入管喷补料脱落导致外来夹杂物增多，而 VD 精炼后渣中 MgO 含量变化不大，夹杂物成分相对集中． 建议采用 ＲH 精炼时，应提高耐火材料质量，减少插入管喷补次 数，采用 VD 精炼时，应适当减少石灰加入量，降低渣中碱度并延长真空处理时间． 关键词 重轨钢; ＲH 精炼; VD 精炼; 夹杂物; 碱度 分类号 TF769. 4 Comparative study on refining of heavy rail steel by ＲH and VD QI Jiang-hua1)  ，ZHENG Jiang-guo1) ，CHEN Guang-you2) ，ZHANG Peng-fei2) ，YE Tu-ming2) ，FEI Jun-jie1) 1) Ｒesearch Institute of WISCO，Wuhan 430080，China 2) Long Product Plant of WISCO，Wuhan 430083，China  Corresponding author，E-mail: qi-jianghua@ 163． com ABSTＲACT The total oxygen，the contents of ［H］and ［Al］，the inclusions and the compositions of slag by ＲH and VD refining treatment are compared under the other same conditions． The results show that dehydrogenation by ＲH is better than VD，while deoxi￾dation by VD is better than ＲH． The final content of ［Al］and the basicity of slag processed by VD increase and the compositions of inclusions deviate from the plastic zone． The content of MgO in slag processed by ＲH increases obviously and the compositions of in￾clusions are dispersed． While the content of MgO in slag processed by VD changes slightly and the compositions of inclusions are con￾centrated． The differences are ascribed to refractory shedding in the snorkel of ＲH unit which leads to the increase of external inclu￾sions． The suggestions for vacuum refining are as follows: the quality of refractory should be improved and the gunning for snorkel should be reduced with the processing by ＲH． While the amount of lime and the basicity of slag should be decreased，and the treat￾ment time should be increased with the processing by VD． KEY WOＲDS heavy rail steel; ＲH refining; VD refining; inclusion; basicity 收稿日期: 2016--01--20 现代高速和重载铁路的发展对重轨钢质量提出了 更高的要求，Al2O3等脆性夹杂是引起钢轨疲劳裂纹的 主要原因，高速重轨要求钢中 ω( O) ≤0. 002% ，ω( Al) ≤ 0. 004% ． 此外，重轨钢对氢有很强的敏感性，氢含量 高导致的白点及裂纹对重轨钢的性能是致命的，高速 重轨要求钢中 ω( H) ≤0. 00015% ． 因此，控制钢中全氧 含量、夹杂物的形态以及氢含量是高速重轨钢冶炼的 技术关键［1--6］． 重轨钢的冶炼一般采用转炉冶炼--LF 精炼--真空精炼--连铸的生产工艺流程，而真空精炼主 要有 ＲH 和 VD 两种，为了对比 2 种真空工艺的优劣， 追求技术和经济的合理性，开展了 2 种真空精炼方式 对重轨钢内在质量的影响研究，为重轨钢或者其他钢

·126 工程科学学报，第38卷，增刊1 种的真空精炼提供参考 表明，VD脱氢能力不如H,脱硫和脱氧能力优于 RH,但VD精炼后钢中铝含量偏高.图2和图3表明， 1试验与检测 表2VD精炼前后的渣样对比（质量分数） 重轨钢的治炼一般采用转炉治炼-LF精炼一真空 Table 2 Comparison on slag samples before and after VD refining 精炼一连铸，在相同工艺条件下（如渣料、合金、真空时 间等相同)，真空精炼分别采用H和VD各精炼2 炉号工序Si02A20Ca0Mg0T02Mn0 炉，试验完毕后对钢中全氧、Al含量、H含量、夹杂物 VD前17.413.8460.462.290.340.19 成分、炉渣等进行了对比分析，其中采用扫描电镜对典 VD后20.154.6662.152.570.320.09 型夹杂物进行成分分析，按照质量分数，投影在三元 VD前16.863.7562.321.750.320.11 相图. VD后18.663.7663.911.990.280.07 2主要结果 表3终点H、T.0和S含量（质量分数） 采用RH精炼炉号分别为1号和2号，VD精炼的 Table 3 H.T.O and S content at the end 10-6 炉号分别为3号和4号，RH精炼前后的渣样和VD精 炉号 终点H 终点T.0 终点S 炼前后的渣样如表1和2所示，终点H、T.0和S含量 1.0 10.2 云 变化如表3所示，精炼过程A1含量变化如图1所示， 2 0.9 9.6 41 采用RH和VD精炼后夹杂物成分分布分别如图2和 1.4 7.8 18 图3所示. 1.3 6.4 20 表1RH精炼前后的渣样对比（质量分数） ·一1号炉 Table 1 Comparison on slag samples before and after RH refining 一。一2号炉 4一3号炉 % 一4号炉 50 炉号工序 Si02 Al2O3 Ca0 Mgo TiO2 MnO RH前22.633.4057.965.220.340.09 RH后25.283.9653.577.420.390.30 40 RH前18.255.0261.103.400.30 0.08 RH后23.055.2452.838.430.390.21 35 30 3讨论 1,F结束 真空结束 中包 从表1、表2和图1可见，RH精炼后渣中的Mg0 图1精炼过程中A1质量分数的变化 含量明显升高，VD精炼后，Ca0含量有一定增加.表2 Fig.1 Change of Al content in the course of refining Sio. ) 1.0 。单个夹杂物成分 0A1.0 。单个夹杂物成分 ⊙平均成分 。平均成分 -1773K -1773K 0.2 0.8 --…1873K 0.2 0.8-…1873K 0.4 0.6 0.4 0.6 0.6 0.4 0.6 04 0.8 0.2 0.8 0.2 1.0 1.0 a 02 04 0.6 0.8 1.0 02 04 0.6 1.0 ALO, 1号 2号 图2采用RH精炼后夹杂物成分分布 Fig.2 Composition of inclusions after RH refining

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 种的真空精炼提供参考． 1 试验与检测 重轨钢的冶炼一般采用转炉冶炼--LF 精炼--真空 精炼--连铸，在相同工艺条件下( 如渣料、合金、真空时 间等相同) ，真空精炼分别采用 ＲH 和 VD 各 精 炼 2 炉，试验完毕后对钢中全氧、Al 含量、H 含量、夹杂物 成分、炉渣等进行了对比分析，其中采用扫描电镜对典 型夹杂物进行成分分析，按照质量分数，投影在三元 相图． 2 主要结果 采用 ＲH 精炼炉号分别为 1 号和 2 号，VD 精炼的 炉号分别为 3 号和 4 号，ＲH 精炼前后的渣样和 VD 精 炼前后的渣样如表 1 和 2 所示，终点 H、T． O 和 S 含量 变化如表 3 所示，精炼过程 Al 含量变化如图 1 所示， 采用 ＲH 和 VD 精炼后夹杂物成分分布分别如图 2 和 图 3 所示． 表 1 ＲH 精炼前后的渣样对比( 质量分数) Table 1 Comparison on slag samples before and after ＲH refining % 炉号 工序 SiO2 Al2O3 CaO MgO TiO2 MnO 1 ＲH 前 22. 63 3. 40 57. 96 5. 22 0. 34 0. 09 ＲH 后 25. 28 3. 96 53. 57 7. 42 0. 39 0. 30 2 ＲH 前 18. 25 5. 02 61. 10 3. 40 0. 30 0. 08 ＲH 后 23. 05 5. 24 52. 83 8. 43 0. 39 0. 21 图 2 采用 ＲH 精炼后夹杂物成分分布 Fig． 2 Composition of inclusions after ＲH refining 3 讨论 从表 1、表 2 和图 1 可见，ＲH 精炼后渣中的 MgO 含量明显升高，VD 精炼后，CaO 含量有一定增加． 表 2 表明，VD 脱 氢 能 力 不 如 ＲH，脱 硫 和 脱 氧 能 力 优 于 ＲH，但 VD 精炼后钢中铝含量偏高． 图 2 和图 3 表明， 表 2 VD 精炼前后的渣样对比( 质量分数) Table 2 Comparison on slag samples before and after VD refining % 炉号 工序 SiO2 Al2O3 CaO MgO TiO2 MnO 3 VD 前 17. 41 3. 84 60. 46 2. 29 0. 34 0. 19 VD 后 20. 15 4. 66 62. 15 2. 57 0. 32 0. 09 4 VD 前 16. 86 3. 75 62. 32 1. 75 0. 32 0. 11 VD 后 18. 66 3. 76 63. 91 1. 99 0. 28 0. 07 表 3 终点 H、T． O 和 S 含量( 质量分数) Table 3 H、T． O and S content at the end 10 － 6 炉号 终点 H 终点 T． O 终点 S 1 1. 0 10. 2 36 2 0. 9 9. 6 41 3 1. 4 7. 8 18 4 1. 3 6. 4 20 图 1 精炼过程中 Al 质量分数的变化 Fig． 1 Change of Al content in the course of refining · 621 ·

齐江华等：重轨钢采用RH和VD精炼的对比研究 ·127 Sio Sio, 0A1.0 。单个夹杂物成分 0AL.0 。单个夹杂物成 1773K …1873K -1773K 02 0.8 -1873K 02 0.8 0.4 0.6 0.4 0.6 0.6 0.4 0.6 04 0.8 0.2 0.8 02 1.02 1.02 0 0.2 04 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 10 3号 4号 图3采用VD精炼后夹杂物成分分布 Fig.3 Composition of inclusions after VD refining RH相对VD精炼后，夹杂物比较分散，从夹杂物的成 比较分散，表明外来夹杂物较多，VD精炼后夹杂物相 分看，除1号试样外，其他3炉都偏离了1500℃的塑 对集中，但由于炉渣碱度和钢中A1含量的影响，夹杂 性区（低熔点区）. 物也容易偏离塑性区. 根据RH和VD各自的特点，RH精炼更利于脱 (3)建议采用RH精炼时，应提高耐火材料质量， 气，但渣钢反应不如VD精炼，所以脱硫能力相对差， 减少插入管喷补次数，采用VD精炼时，应适当减少石 但VD精炼后钢中！含量明显增加，主要原因是在真 灰加入量，降低渣中碱度并延长真空处理时间. 空条件下7-： 3[C]+(AL,03)=2[A]+3C0, 参考文献 △G9=1198499-388.7T. (1) 钢中的C还原渣中的AL,O3,由于VD精炼时炉渣 [Wang GJ,Chen H,Qian G W,et al.Introduction and control- 的流动性好于RH,钢中的A1含量更容易升高，影响夹 ling of hydrogenation in heavy rail steel.Steelmaking,2011,27 杂物的塑性化.而笔者也曾做过计算9，随着炉渣碱 (3):4 (王光进，陈浩，钱高伟，等.重轨钢中的氢及其控制工艺 度的提高，钢中酸溶铝含量增加的更多，炉渣碱度对钢 炼钢，2011,27(3)：4) 中铝含量影响很大，尤其是VD精炼时更应该控制炉 2] Wu W,Liu L,Li J.Deoxidization process with low aluminum ad- 渣碱度，减少石灰的加入量 dition for heavy rail steel.Iron Steel,2007,42(3):33 针对RH精炼后渣中的MgO含量明显升高的问 (吴伟，刘浏，李俊.重轨钢无铝脱氧工艺的研究.钢铁， 题，对现场的设备和耐火材料质量的排查，发现可能是 2007,42(3):33) 耐火材料尤其是H插入管喷补料脱落导致，从而对 B] Qing J S,Li S,Xiao M F,et al.Research and practice of in- 夹杂物的成分造成影响，偏离了塑性区域. crease in heavy rail steel endpoint carbon content.Steelmaking, 2011,27(4):12 综合上述分析，建议采用RH精炼时，应提高耐火 (卿家胜，李盛，背明富，等.重轨钢中非金属夹杂物控制的 材料质量，减少插入管喷补次数，采用VD精炼时，应 研究.炼钢，2011,27(4)：12) 适当减少石灰加入量，降低渣中碱度并延长真空处理 [4] Wang X Y.Research on control of non metallic inclusion in heavy 时间. rail steel.Gansu Metallurgy,2012,34(3):36 (王晓元.重轨钢中非金属夹杂物控制的研究。甘肃治金， 4结论 2012,34(3):36) (1)对比结果表明，RH精炼后渣中的Mg0含量 [5]Zeng J H.Control technique of inclusions for rail steel with high cleanliness.fron Steel Vanadium Titanium,2007,28 (2):48 明显升高，VD精炼后CaO含量有一定增加，VD脱氢 (曾建华.高洁净度钢轨钢的夹杂物控制技术，钢铁钒钛， 能力不如RH,脱硫和脱氧能力优于RH,但VD精炼后 2007,28(2):48) 钢中铝含量偏高 6]Guan Y,Xue J,Lei H B,et al.Dehydrogenation process in refi- (2)RH精炼时Mg0升高主要是耐火材料的脱落 ning heavy rail steel.JUnir Sci Technol Beijing,2007,27(Supp 所致，从而影响夹杂物成分偏离塑性区域，夹杂物分布 1):108

齐江华等: 重轨钢采用 ＲH 和 VD 精炼的对比研究 图 3 采用 VD 精炼后夹杂物成分分布 Fig． 3 Composition of inclusions after VD refining ＲH 相对 VD 精炼后，夹杂物比较分散，从夹杂物的成 分看，除 1 号试样外，其他 3 炉都偏离了 1500 ℃ 的塑 性区( 低熔点区) ． 根据 ＲH 和 VD 各自的特点，ＲH 精炼更利于脱 气，但渣钢反应不如 VD 精炼，所以脱硫能力相对差， 但 VD 精炼后钢中 Al 含量明显增加，主要原因是在真 空条件下［7--8］: 3［C］+ ( Al2O3 ) = 2［Al］+ 3CO， ΔG = 1198499 － 388. 7T． ( 1) 钢中的 C 还原渣中的 Al2O3，由于 VD 精炼时炉渣 的流动性好于 ＲH，钢中的 Al 含量更容易升高，影响夹 杂物的塑性化． 而笔者也曾做过计算［7，9］，随着炉渣碱 度的提高，钢中酸溶铝含量增加的更多，炉渣碱度对钢 中铝含量影响很大，尤其是 VD 精炼时更应该控制炉 渣碱度，减少石灰的加入量． 针对 ＲH 精炼后渣中的 MgO 含量明显升高的问 题，对现场的设备和耐火材料质量的排查，发现可能是 耐火材料尤其是 ＲH 插入管喷补料脱落导致，从而对 夹杂物的成分造成影响，偏离了塑性区域． 综合上述分析，建议采用 ＲH 精炼时，应提高耐火 材料质量，减少插入管喷补次数，采用 VD 精炼时，应 适当减少石灰加入量，降低渣中碱度并延长真空处理 时间． 4 结论 ( 1) 对比结果表明，ＲH 精炼后渣中的 MgO 含量 明显升高，VD 精炼后 CaO 含量有一定增加，VD 脱氢 能力不如 ＲH，脱硫和脱氧能力优于 ＲH，但 VD 精炼后 钢中铝含量偏高． ( 2) ＲH 精炼时 MgO 升高主要是耐火材料的脱落 所致，从而影响夹杂物成分偏离塑性区域，夹杂物分布 比较分散，表明外来夹杂物较多，VD 精炼后夹杂物相 对集中，但由于炉渣碱度和钢中 Al 含量的影响，夹杂 物也容易偏离塑性区． ( 3) 建议采用 ＲH 精炼时，应提高耐火材料质量， 减少插入管喷补次数，采用 VD 精炼时，应适当减少石 灰加入量，降低渣中碱度并延长真空处理时间． 参 考 文 献 ［1］ Wang G J，Chen H，Qian G W，et al． Introduction and control￾ling of hydrogenation in heavy rail steel． Steelmaking，2011，27 ( 3) : 4 ( 王光进，陈浩，钱高伟，等． 重轨钢中的氢及其控制工艺． 炼钢，2011，27( 3) : 4) ［2］ Wu W，Liu L，Li J． Deoxidization process with low aluminum ad￾dition for heavy rail steel． Iron Steel，2007，42( 3) : 33 ( 吴伟，刘浏，李 俊． 重轨钢无铝脱氧工艺的研究． 钢 铁， 2007，42( 3) : 33) ［3］ Qing J S，Li S，Xiao M F，et al． Ｒesearch and practice of in￾crease in heavy rail steel endpoint carbon content． Steelmaking， 2011，27( 4) : 12 ( 卿家胜，李盛，肖明富，等． 重轨钢中非金属夹杂物控制的 研究． 炼钢，2011，27( 4) : 12) ［4］ Wang X Y． Ｒesearch on control of non metallic inclusion in heavy rail steel． Gansu Metallurgy，2012，34( 3) : 36 ( 王晓元． 重轨钢中非金属夹杂物控制的研究． 甘肃冶金， 2012，34( 3) : 36) ［5］ Zeng J H． Control technique of inclusions for rail steel with high cleanliness． Iron Steel Vanadium Titanium，2007，28( 2) : 48 ( 曾建华． 高洁净度钢轨钢的夹杂物控制技术． 钢铁钒钛， 2007，28( 2) : 48) ［6］ Guan Y，Xue J，Lei H B，et al． Dehydrogenation process in refi￾ning heavy rail steel． J Univ Sci Technol Beijing，2007，27( Supp l) : 108 · 721 ·

·128· 工程科学学报，第38卷，增刊1 (关勇，薛军，雷洪波，等。重轨钢除氢工艺研究。北京科技 Science,2002,25(1):1 大学学报，2007,27（增刊1）：108) (薛正良，李正邦，张友平，等。“零夹杂”超级纯净钢精炼理 Qi J H.Wu J,Suo JP,et al.Deoxidization and inclusion control 论与工艺探讨.武汉科技大学学报：自然科学版，2002,25 of high speed heavy rail steel.Iron Steel,2011,46(3):18 (1):1) (齐江华，吴杰，索进平，等.高速重轨钢的脱氧与夹杂物控 9]Qi J H,Wu J,Xue Z L,et al.Refining theory and process of 制.钢铁，2011,46(3)：18) high-speed heavy-ail steel.J Univ Sci Technol Beijing,2011,33 [8]Xue Z L,Li Z B,Zhang Y P,et.al.Thermodynamic fundamen- (Suppl 1)12 tals for aero inclusion super clean steel and the refining process. (齐江华，吴杰，薛正良，等.高速重轨钢精炼理论与工艺 Journal of University of Science and Technology Wuhan Natural 北京科技大学学报，2011,33（增刊1）：12)

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 ( 关勇，薛军，雷洪波，等． 重轨钢除氢工艺研究． 北京科技 大学学报，2007，27( 增刊 1) : 108) ［7］ Qi J H，Wu J，Suo J P，et al． Deoxidization and inclusion control of high speed heavy rail steel． Iron Steel，2011，46( 3) : 18 ( 齐江华，吴杰，索进平，等． 高速重轨钢的脱氧与夹杂物控 制． 钢铁，2011，46( 3) : 18) ［8］ Xue Z L，Li Z B，Zhang Y P，et． al． Thermodynamic fundamen￾tals for aero inclusion super clean steel and the refining process． Journal of University of Science and Technology Wuhan Natural Science，2002，25( 1) : 1 ( 薛正良，李正邦，张友平，等． “零夹杂”超级纯净钢精炼理 论与工艺探讨． 武汉科技大学学报: 自然科学版，2002，25 ( 1) : 1) ［9］ Qi J H，Wu J，Xue Z L，et al． Ｒefining theory and process of high-speed heavy-rail steel． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33 ( Suppl 1) : 12 ( 齐江华，吴杰，薛正良，等． 高速重轨钢精炼理论与工艺． 北京科技大学学报，2011，33( 增刊 1) : 12) · 821 ·