陶功明，朱 軍，鄧 峰，孫 進(jìn)

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠,四川 攀枝花 617000）

0 引言

伴隨著鐵路客、貨運(yùn)量的增加及車(chē)速的不斷提高，對(duì)鋼軌表面、內(nèi)部質(zhì)量要求也越來(lái)越高，鋼軌表面缺陷主要表現(xiàn)形式為結(jié)疤、折疊、軋痕、氧化鐵皮壓入、矯痕、刮傷、裂紋等。特別是當(dāng)鋼軌出現(xiàn)深度裂紋時(shí)，隨著輪軌滾動(dòng)接觸導(dǎo)致的材料破壞及應(yīng)力變化，裂紋更趨惡化，致使裂紋不斷擴(kuò)大縱橫延伸，不僅影響行車(chē)的平穩(wěn)性，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致斷軌，造成嚴(yán)重事故。裂紋的產(chǎn)生極其復(fù)雜，有由鑄坯缺陷演變而來(lái)的，也有由中間軋制產(chǎn)生的。鑄坯缺陷主要有劃傷、夾渣、凹坑、結(jié)疤等，均會(huì)對(duì)鋼軌表面質(zhì)量造成影響。然而，何種程度的鑄坯缺陷在軋制變形后的鋼軌表面得以呈現(xiàn)或消逝，如何將鋼軌成品缺陷追溯到鑄坯的原始位置，亟需研究透徹，筆者通過(guò)在鑄坯表面制作人造缺陷，通過(guò)正常軋制研究鋼軌鑄坯與成品表面缺陷的演變規(guī)律，推導(dǎo)出其繼承關(guān)系[1]，對(duì)鑄坯缺陷控制及軋制缺陷溯源提供科學(xué)依據(jù)。

1 缺陷調(diào)查分析

1.1 重軌表面缺陷調(diào)查

在鋼軌成品表面的裂紋和其他缺陷,大多源于鑄坯原始缺陷。技術(shù)人員很難通過(guò)觀察成品宏觀表面缺陷判定是軋制缺陷或是坯料缺陷。遇到表面缺陷問(wèn)題時(shí)所做的一些措施并不精準(zhǔn)，甚至沒(méi)有對(duì)成品缺陷和鑄坯進(jìn)行檢測(cè)分析便作出相應(yīng)的判定和盲目采取措施。這種方式很難對(duì)問(wèn)題一擊即中，且須具有甄別軋制缺陷和連鑄缺陷間的豐富經(jīng)驗(yàn)。

在重軌質(zhì)量檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鋼軌表面常出現(xiàn)縱向線紋缺陷及結(jié)疤缺陷，部分缺陷宏觀可見(jiàn)，部分缺陷呈閉合性，需打磨或酸洗后可見(jiàn)，如圖1 所示。沿垂直與裂紋方向切割取樣，可以看出裂紋深度可達(dá)1.5 mm，甚至更深，內(nèi)部氧化鐵皮厚實(shí)，邊部脫碳明顯，如圖1(c)、(f)所示。裂紋的發(fā)生基本沒(méi)有規(guī)律，偶然性較強(qiáng)，給源頭追溯帶來(lái)了極大的困難，不能明確對(duì)應(yīng)缺陷在鑄坯表面的原始位置。

圖1 鋼軌表面線紋缺陷Fig.1 Linear defects on rail surface

1.2 鑄坯表面缺陷分析

軋制前鑄坯缺陷包含鑄坯原始缺陷和鑄坯加熱后缺陷。

1.2.1 鑄坯原料典型缺陷

連鑄缺陷按照發(fā)生概率的大小順序列出了五大類(lèi)缺陷，即針狀氣孔/縮孔、表面折疊、表面裂紋、角部裂紋、劃傷和切割不良等，如圖2 所示。由于這些缺陷的存在及鋼軌表面質(zhì)量的高要求，連鑄坯必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢查、清理、再檢查后才能裝爐，冗余工作嚴(yán)重阻礙了鑄坯熱送熱裝效率及節(jié)能降耗[2]。

圖2 典型鑄坯缺陷Fig.2 Typical billet defects

1.2.2 鑄坯加熱典型缺陷

加熱爐水梁墊塊硌傷缺陷是目前影響鋼軌表面質(zhì)量的極不穩(wěn)定因素，如圖3 所示。墊塊損傷及結(jié)瘤造成的鑄坯下表面凹坑缺陷在軋制重軌過(guò)程中曾階段性地出現(xiàn)過(guò)頭側(cè)和腿尖軋疤及隱蔽性線紋缺陷，其相對(duì)位置基本固定，但深淺、長(zhǎng)度不一。由于缺陷為下表面，且部分缺陷成閉合性隱蔽狀態(tài)，完全靠后工序肉眼檢查不易發(fā)現(xiàn)，極具漏檢外發(fā)風(fēng)險(xiǎn)并導(dǎo)致批量判廢，給生產(chǎn)帶來(lái)極大損失，引發(fā)重大質(zhì)量事故[3]。

圖3 墊塊結(jié)瘤及鋼坯“啃傷”缺陷Fig.3 Cushion block nodule and billet "gnawing" defect

2 缺陷繼承研究方法

2.1 研究方法

為找出重軌成品與鑄坯缺陷之間的繼承關(guān)系，以60 kg/m 鋼軌為例，在鑄坯5 個(gè)截面方向上人工缺陷分布位置如圖4 中數(shù)字和字母所示，通過(guò)正常軋制，觀察缺陷演變結(jié)果及繼承關(guān)系[4]。按照?qǐng)D5中數(shù)字和字母所示位置分別在鑄坯上鉆孔，孔的大小為?8 mm×20 mm，正常軋制成60 kg/m 鋼軌，觀察缺陷演變后的宏觀形貌，將帶有缺陷的鋼軌針對(duì)性鋸切取樣，采用OLYMPUS 手持式渦流探傷儀、深度儀、鋼板尺、光學(xué)顯微鏡、電鏡觀察等對(duì)缺陷進(jìn)行全方位探傷檢測(cè)、測(cè)量，獲取軋制后缺陷位置、形貌及表現(xiàn)形式，再對(duì)應(yīng)鑄坯人造缺陷，擬合成鋼軌鑄坯與成品表面缺陷繼承擬合圖。

圖4 鑄坯人工孔槽缺陷分布示意Fig.4 Distribution diagram of defects in artificial hole and groove of slab

圖5 60 kg/m U75V 鋼坯和鋼軌各部位缺陷對(duì)應(yīng)情況Fig.5 Corresponding situation of defects at various parts of the 60 kg/m U75V billet and rail

2.2 工藝路線

試驗(yàn)工藝路線：鑄坯準(zhǔn)備→鑄坯鉆孔→鑄坯加熱→鑄坯除鱗→鑄坯軋制→冷床預(yù)彎冷卻→矯前缺陷確認(rèn)→鋼軌矯直→樣品在線探傷（渦流、超聲波）→鋼軌鋸切取樣→樣品離線探傷（手持式渦流探傷儀）→樣品打磨-樣品檢驗(yàn)（顯微、電鏡觀察）→缺陷繼承分析→缺陷繼承擬合。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 鑄坯與鋼軌對(duì)應(yīng)面缺陷分布

將制作好的人工孔槽缺陷鑄坯送往加熱爐加熱、除鱗、軋制，取樣分析鑄坯表面與鋼軌成品表面缺陷的繼承關(guān)系矩陣，并以中部4 個(gè)面進(jìn)行擬合分析。鑄坯人工孔槽及鋼軌缺陷分布情況及各部位缺陷演變規(guī)律如圖5 所示。

取軌頭側(cè)線紋樣送檢進(jìn)行脫碳分析檢驗(yàn)，其線紋缺陷中間部位均與基體連接，兩端軋疤與基體有明顯的界面，軋疤脫落后有明顯的凹坑為壓入所致。試樣均存在向基體內(nèi)延伸的枝狀微裂紋，裂紋上有大量的氧化物、內(nèi)氧化質(zhì)點(diǎn)和嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，如圖1 的(c)、(f)所示。

3.2 不同變形區(qū)缺陷變化形式

從缺陷縱向位置分析，軌頭6 處缺陷首尾基本一致，軌腰6 處缺陷在端部時(shí)，軌頭至軌底方向上的缺陷由西向東偏移，而在中部時(shí)，軌底至軌頭方向上的缺陷向西輕微偏移，說(shuō)明頭部金屬有向西碾搟的趨勢(shì)。

軌底5 處由下腿尖至上腿尖向西輕微偏移，說(shuō)明金屬偏上缺陷有向西斜戳的趨勢(shì)。從缺陷位置分析，軌頭和軌底的缺陷與鑄坯缺陷相比，相對(duì)位置成正比放大。

軌腰缺陷與鑄坯缺陷相比，相對(duì)位置變化較大，金屬流動(dòng)更復(fù)雜，按以往的經(jīng)驗(yàn)判定，棱角缺陷應(yīng)軋制到腿尖內(nèi)側(cè)，而實(shí)際上，鑄坯上下表面靠南棱角缺陷經(jīng)軋制后均翻越腿尖，到軌底平面距離腿尖10 mm處，在軋制過(guò)程中金屬是偏向軌底流動(dòng)的。

3.3 不同變形區(qū)缺陷形貌差異

從缺陷打磨后的位置分布進(jìn)行分析，鋼軌鑄坯在軋制過(guò)程中的頭、腰、底延伸系數(shù)存在差異，同一截面的缺陷在軋制過(guò)程中因不均勻變形在縱向上會(huì)形成微小位錯(cuò)；軌頭部缺陷因壓縮比較小不能碾壓閉合，均形成缺陷深寬明顯且規(guī)則的線紋缺陷；軌上腰缺陷粗軋單次壓下較大，靠中部的缺陷受垂直壓力直接碾碎，形成不規(guī)則的團(tuán)狀結(jié)疤缺陷，下顎尖應(yīng)力集中也被碾碎，經(jīng)碾合形成條狀結(jié)疤缺陷；底腰、頭腰圓弧連接處缺陷受擠壓，均碾合成線紋缺陷；軌下腰部缺陷與上腰缺陷有所差異，壓縮變形較大，下腰缺陷深度較淺，均碾合成線紋缺陷；軌底部缺陷壓縮變形較大，變形較規(guī)律，相對(duì)間距較為固定，均形成線紋缺陷。

3.4 不同變形區(qū)缺陷軋制變形比

考慮鉆孔經(jīng)加熱后的氧化燒損，孔徑?8 mm 經(jīng)加熱氧化后約為?8.7 mm，在鋼軌成品上的線紋缺陷長(zhǎng)度均為孔徑在縱向上的延伸而成。孔深20 mm 深度方向氧化燒損忽略不計(jì)，在鋼軌成品上的線紋缺陷長(zhǎng)度均為孔在徑向方向上的軋制延伸而成，因此鑄坯表面不同部位的人造缺陷孔徑與成品鋼軌表面對(duì)應(yīng)位置上的線紋缺陷之間所對(duì)應(yīng)的缺陷延伸比并不相同。而鋼軌成品上的線紋缺陷深度均為孔在徑深方向上軋制壓縮而成，因此鑄坯表面不同部位的人造缺陷孔深與成品鋼軌表面對(duì)應(yīng)位置上的線紋缺陷深度之間則對(duì)應(yīng)著不同壓縮比。根據(jù)上述取得的鋼軌不同部位的缺陷延伸比和不同部位的缺陷壓縮比數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)鋼軌成品表面的缺陷大小溯源出鑄坯原始缺陷的大小。

3.5 缺陷對(duì)應(yīng)性分析

通過(guò)鋼軌鑄坯表面的人工孔槽缺陷，按理論軋制延伸比，在軋制后的鋼軌成品上的表面缺陷均被逐一找到，缺陷定位位置誤差±2‰，驗(yàn)證了鋼軌實(shí)際軋制延伸系數(shù)與理論基本吻合，但由于鋼軌為異形斷面，在軋制過(guò)程中受不同程度擠壓或拉縮變形的交互影響，其形貌、位置、大小均會(huì)呈細(xì)微差異性。

取軋疤、線紋樣送檢進(jìn)行脫碳分析檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)論發(fā)現(xiàn)重軌線紋缺陷中間部位均與基體連接，兩端軋疤與基體有明顯的界面，軋疤脫落后有明顯的凹坑為壓入所致。橫向金相樣觀察發(fā)現(xiàn)試樣均存在向基體內(nèi)延伸的枝狀微裂紋，裂紋上有大量的氧化物、內(nèi)氧化質(zhì)點(diǎn)和嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明此缺陷經(jīng)高溫長(zhǎng)期加熱而成。

3.6 鑄坯-成品缺陷繼承擬合

以60 kg/m 重軌為例，綜合分析對(duì)比人造缺陷與鋼軌成品表面缺陷的位置及深寬長(zhǎng)參數(shù)，以及各部位缺陷演變規(guī)律，可判斷鑄坯表面缺陷與鋼軌成品表面缺陷具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6 所示，模擬出了鑄坯軋制成鋼軌后，切片重組在同斷面的相對(duì)位置關(guān)系，擬合出鋼軌鑄坯-成品缺陷繼承關(guān)系，如圖7 所示。

圖6 鑄坯-成品缺陷位置對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Corresponding relationship between the casting billet and the rail product defect location

圖7 鑄坯-成品表面缺陷繼承擬合示意Fig.7 Schematic diagram of continuous fitting of the surface defects of the billet-finished products

4 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)試驗(yàn)獲取到某60 kg/m 重軌不同部位的延伸系數(shù)及壓縮比，進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼軌軋制延伸系數(shù)及壓縮比與現(xiàn)有理論值的吻合性，通過(guò)缺陷溯源分析快速查找缺陷位置予以及時(shí)消除，同時(shí)也通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了鑄坯表面缺陷形貌在鋼軌表面形成超標(biāo)缺陷的深寬比標(biāo)準(zhǔn)。

在280 mm×380 mm 斷面軋制60 kg/m 重軌生產(chǎn)中進(jìn)行了缺陷對(duì)應(yīng)試驗(yàn)，在成品鋼軌中發(fā)現(xiàn)有缺陷時(shí)，立即對(duì)同批次加熱爐中的鋼坯打再熱進(jìn)行檢查驗(yàn)證。鋼軌質(zhì)量檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)東49.51 m 北頭側(cè)有規(guī)格為0.6 mm（深）×0.4 mm（寬）×415 mm（長(zhǎng)）的線紋缺陷，如圖8（a）所示，通過(guò)取樣脫碳檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋上存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，如圖8（b）所示，說(shuō)明此缺陷經(jīng)高溫長(zhǎng)期加熱而成，按照對(duì)應(yīng)的延伸系數(shù)及缺陷對(duì)應(yīng)位置擬合（圖7），反推出在鋼坯上東3.490 8 m 處可能存在缺陷規(guī)格約為9.522 0 mm（深）×6.348 0 mm（寬）×29.266 6 mm（長(zhǎng)）的缺陷，再通過(guò)再熱坯缺陷查找對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng)檢查時(shí)，在再熱坯對(duì)應(yīng)位置確實(shí)發(fā)現(xiàn)了此類(lèi)缺陷，如圖8（c）所示，缺陷實(shí)際位置處于東3.495 m 處鋼坯下表面北側(cè)棱角處，規(guī)格為9.35 mm（深）×5.98 mm（寬）×28.96 mm（長(zhǎng)），形貌相似度達(dá)到90%，位置準(zhǔn)確度高達(dá)98%，然后結(jié)合缺陷形貌判定是原料帶來(lái)缺陷還是加熱爐產(chǎn)生，最后采取鋼坯缺陷清理或調(diào)整加熱爐步距等措施予以缺陷消除。同時(shí)也通過(guò)研究數(shù)據(jù)確定了鑄坯表面缺陷形貌在鋼軌表面不會(huì)形成超標(biāo)缺陷的深寬比檢查標(biāo)準(zhǔn)，原料凹坑缺陷的深度＜5 mm 時(shí)，或是當(dāng)深度＜5 mm 且深寬比≤1∶5 時(shí)，缺陷在軋制過(guò)程中均可得到消化，或不會(huì)在鋼軌成品上形成超標(biāo)的缺陷。

通過(guò)上述試驗(yàn)獲取到某60 kg/m 重軌不同部位的延伸系數(shù)及壓縮比，進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼軌軋制延伸系數(shù)及壓縮比與現(xiàn)有理論值的吻合性，通過(guò)缺陷溯源分析快速查找缺陷位置予以及時(shí)消除，同時(shí)也通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了鑄坯表面缺陷形貌在鋼軌表面形成超標(biāo)缺陷的深寬比標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高鋼軌質(zhì)量及良品率有著重要的意義。

5 結(jié)論

1）通過(guò)在無(wú)超標(biāo)缺陷的鑄坯表面的軋制滑移區(qū)域和軋制穩(wěn)定區(qū)域分別鉆取若干垂直于鑄坯表面的孔槽，而后向孔槽內(nèi)填充耐火材料并進(jìn)行封堵，制得了帶有人造缺陷的鑄坯，并通過(guò)正常軋制獲得了帶缺陷的鋼軌。

2）通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鑄坯上同種缺陷出現(xiàn)在鋼軌的不同部位，因鋼軌為異形斷面，在軋制過(guò)程中受不同程度擠壓或拉縮變形影響，其形貌、位置、大小均會(huì)呈現(xiàn)差異性。同一鑄坯缺陷出現(xiàn)在軌上腰、軌下腰對(duì)稱(chēng)面的形貌類(lèi)似，但位置并不一致。鑄坯上同一缺陷出現(xiàn)在鋼軌上不同部位，其縱向位置會(huì)出現(xiàn)變化，會(huì)形成位錯(cuò)。鑄坯上同一缺陷出現(xiàn)在鋼軌的端部和中部，其大小、位置，甚至形貌均會(huì)出現(xiàn)差異。鑄坯上同一缺陷在鋼軌上不同部位的缺陷開(kāi)放性及破裂形式呈現(xiàn)不同。

3）利用該繼承關(guān)系成功將鋼軌上的缺陷溯源回鑄坯上，缺陷溯源形貌對(duì)應(yīng)度高達(dá)90%，缺陷溯源定位誤差±2‰?？梢詭椭夹g(shù)人員快速準(zhǔn)確地定位鑄坯上的缺陷位置，預(yù)估鑄坯上的缺陷形貌及產(chǎn)生區(qū)域，即時(shí)選取合適的應(yīng)對(duì)策略，進(jìn)行缺陷消除，有效提升鋼軌良品率，同時(shí)也確定了鑄坯表面缺陷形貌在鋼軌表面形成超標(biāo)缺陷的檢查標(biāo)準(zhǔn)。