刘 平1，智建国2，陈爱梅2
(1.内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特010051;
2.包钢(集团)公司技术中心，内蒙古包头014010)
摘 要：通过采用无铝脱氧工艺，即合适的终脱氧剂和精炼造渣工艺降低钢水氧活度和全氧含量，采用VD真空强化脱气工艺降低钢中氢、氮含量，采用优质耐火材料并严格工艺操作防止大型夹杂物的带入，采用全程保护浇注和中间包冶金技术防止钢水二次氧化和促使钢中夹杂物上浮排除；生产出了w[Al]≤0.004%,w[O]T≤0.0020%, w[H]≤0.00015%，非金属夹杂物类别中A级不高于215级,B、C、D级不高于115级的高速铁路用钢。 关键词：重轨钢；洁净钢；质量控制
中图分类号:TF762+18 文献标识码:B 文章编号:1009-5438(2007)06-0018-03
Technology of Cleanliness Control on H eavy R ail Steel
LIU Ping1,ZHI Jian-guo2,CHEN Ai-mei2
(1.Inner Mongolia Univer sity o f Industry,Hohhot010051,Nei Monggol,China;
2.Technical Center o f Baotou Steel(Group)Corp.,Baotou014010,Nei Monggol,China)
Abstract:The steel of high speed railway is produced by using the oxidizing technology of non-Aluminium,that is the suit2 able final oxidizer and the technology of refining slag in order to reduce the free-oxygen and the w[O]T in steel.The technology of vacuum degassing is used in order to reduce the w[H]and w[N]in the steel.The refractory of high grade is used and strict operation is practiced in order to prevent big inclusion from steel.Using the technology of protecting cast in all process and the metallurgical technology to prevent second oxidation and im pelling things in steel floating to rem ove.I t produced w[Al]≤0.004%,w[O]T≤0.0020%,w[H]≤0.00015%,non-metallic inclusions categ ory:A level is no higher than2.5;B,C and D does not exceed1.5level rail steel used in high speed train.
K ey w ords:heavy rail steel;clean steel;quality controlled
1997年国内第一条用于生产重轨钢的大方坯连铸机在包钢投产。至今，包钢采用“铁水预处理—顶底复吹转炉—LF炉—VD真空处理—连铸大方坯”工艺流程生产重轨钢已320万t。随着国内铁路事业的快速发展，高速铁路钢轨的用量大量增加。该技术条件在生产中的技术控制难点是氢、全氧、铝和非金
属夹杂物。要做到在钢中不含铝的条件下，对钢水进行强化脱氧，必须需要研究在无铝条件下的强化脱氧技术和脱氧产物去除技术。在去氢手段方面要研究VD真空脱气技术。
1 高速客运专线钢轨技术条件
目前国内已经颁布了“时速200公里客运专线铁路用钢轨标准”，部分技术条件见表1。
第33卷第6期2007年12月
包 钢 科 技
Science&T echnology of Baotou S teel(G roup)C orporation
V ol.33,N o.6
December,2007
Ξ收稿日期:2007-08-08
作者简介：刘平(1964-)，男，内蒙古包头市人，高级工程师，内蒙古工业大学材料工程学院在读硕士，研究方向：钢液净化。
表1 高速客运专线钢轨部分技术条件
w[Al]
/%
w[H]液态
×10-6
w[O]T
×10-6
非金属夹杂物级别/级
A B C D
≤0.004≤2.5≤20≤2.5≤1.5≤1.5≤1.5
2 洁净度控制技术
2.1 无铝脱氧工艺技术
控制钢中氧含量，首先要控制转炉初炼后钢水
的溶解氧，在后期的脱氧过程中，最大限度的脱去钢
液中的自由氧，并且最大限度的去除氧化物夹杂(化
合氧)，同时在生产中要防止钢液发生二次氧化。控
制钢中铝含量，首先要采用低铝合金和无铝脱氧剂,
控制渣中Al2O3含量。硅钙钡是一种无铝脱氧剂,
它不仅脱氧能力强，使钢液中氧活度降低，而且形成
的脱氧产物为低熔点化合物[1]。
合适的脱氧制度为，在转炉出钢过程中，采用挡
渣塞挡渣，控制下渣量，渣层厚度不大于50mm；根
据终点钢水不同的含碳量，加入不同量的硅钙钡脱
氧剂，使钢水的氧活度小于0.003%，在LF精炼过
程中向罐内分批加入小粒硅钙钡，对炉渣和钢水进
透气盖
刘惠祥行脱氧。为了进一步降低钢水中的含氧量、非金属
夹杂物和含铝量，在LF精炼过程中，采用无铝造渣,
控制合适的碱度和Al2O3含量，形成能够吸附Al2O3
夹杂的精炼渣。
表2为精炼炉渣组成，采用该造渣工艺，并加硅
钙钡脱氧，炉渣碱度控制在2.5左右，还原性强
w(FeO+MnO)<1.0%，属于典型白渣，能够起到较
强的脱氧和夹杂物去除作用[2]。表3为经LF炉冶
炼后钢水的氧活度变化，可见，经过LF精炼后，钢水
平均温度从1561℃增加到1578℃时，氧活度从平
均0.0025%下降到0.0021%。说明从转炉出钢到
LF精炼结束这一过程中的无铝脱氧操作工艺，脱氧
效果明显。通过对炉渣强化脱氧，控制渣中
w(FeO+MnO)<1.0%，形成白渣下精炼操作，可使
LF精炼脱氧效率达到40%以上。图1为w(FeO+
MnO)与成品钢中w[O]T含量的关系，可见，只要控
制w(FeO+MnO)<1.0%，就能够保证钢中全氧含
量在0.002%以下。
表2 LF炉内炉渣组成
混凝土细骨料
w(S iO2)w(CaO)w(FeO)w(MnO)R w(FeO+MnO)波动范围19.49～15.4952.28～37.31 1.04～0.490.23～0.1 3.0～2.0 1.17～0.58平均含量18.2045.840.780.13 2.50.90表3 LF精炼前后钢水氧活度
转炉出钢后LF精炼后
w[O]×10-6t/℃w[O]×10-6t/℃
波动范围21.1～28.21531～157717.1～24.81578～1601
平均值251561211
587
图1 渣中w(FeO+MnO)与钢中w[O]T的关系
钢包在LF炉就位后，钢水中全铝含量约
0.008%。在LF精炼、VD真空处理中，利用充分的渣
-钢混合条件促使夹杂物变性，再通过吹氩搅拌使
夹杂物上浮，这样处理以后钢水中的全铝含量降到
0.005%以下,0.004%以下的的占96.5%，在全铝含
量中酸熔铝为0.002%，酸不熔铝为0.001%～
0.002%，说明精炼渣吸附氧化物夹杂的能力较强。
2.2 VD真空强化脱氢技术
氢在钢液中的溶解过程可以写成以下化学反应
式:1/2H2→[H]，决定钢中氢含量的不是大气中的
氢的分压，而应该是空气中水蒸气的分压和炼钢原
材料的干燥程度。脱氢反应是溶解于钢液中的气体
向气相的迁移过程，在炼钢温度、真空脱气及强烈的
搅拌情况下，脱气过程的限制环节是溶解于钢中的
氢穿过钢-气相界面的钢液侧的边界层。影响VD
过程脱氢效率的主要因素有真空度、脱气时间、吹氩
搅拌、钢中原始氢含量等。
从实际结果可以看出转炉出钢时w[H]一般在
0.0002%～0.0003%，从转炉出钢到LF精炼前增
91第6期 重轨钢的洁净度控制技术
氢75%，从LF精炼前到LF精炼后钢液增氢25%，即LF精炼处理后w[H]为(5～7)×10-6。这主要因为转炉出钢后钢包内加入脱氧剂、增碳剂、合金以及渣料等材料带入水分。在LF精炼过程主要与钢包的耐火材料、加入的渣料、合金及加热时间有关。
深真空度在0.02～0.09kPa范围，单线吹氩流量在180～250L/min范围，钢水装入量100t左右，深真空时间和钢液氢含量的关系为：初始氢0.0005%，则需要将近15min的深真空时间才能达到0.0002%。当初始氢含量在0.0006%左右，需要16.6min的深真空时间才能达到0.0002%的氢含量，需要23min 的深真空时间才能达到0.00015%的氢含量。
2.3 大型非金属夹杂物控制
钢中的大型夹杂物数量虽少，但对钢的性能却影响极大，因此应尽可能的减少它的存在。在进行夹杂物控制研究中，随机抽取多炉铸坯试样，分别制取重量大于4kg试样，用电解萃取法分离出沉淀物，再分筛出大于50μm的大型夹杂物。对大型夹杂物进行了能谱分析，结果表明，钢中的大型夹杂物以Al2O3夹杂为主，其形态不规则，大小不均匀，颜偏黄，分析认为是耐火材料带入所致；其次为以Si为主的复合氧化物，其中包含Na、Mg、Al、Ca等元素，其体积较大，形状不规则，颜偏暗，分析认为是保护渣卷入。
为了防止耐火材料对钢水造成的污染，采用了高品质耐火材料，在钢包渣线采用了镁碳转，其它部位为铝镁砖，中间包工作层采用干式镁质涂料，长水口和侵入式水口采用铝碳质材料。为了防止连铸中保护渣卷入钢水，在工艺控制中，对拉速变化和结晶器内钢液面波动提出了严格的要求，力求在恒拉速下生产。
2.4 中间包冶金与全程无氧化保护浇注技术
为了发挥中间包的冶金作用，采用大容量中间包，加大熔池深度，优化中间包结构。通过水模流场实验验证，改造以后的中间包，改善了钢水在中间包的流动状态，减少了大包钢水冲击，防止了卷渣，延长了钢水的停留时间，使中间包钢水停留时间达到平均10min，有效的促进非金属夹杂物上浮。生产表明，钢水经过中间包以后，全氧降低了0.0002%。
当钢水从转炉进入钢包以后，就完全处于封闭状态。在精炼过程中采用埋弧造渣冶炼；在浇注过程中，钢水包和中间包之间采用了长水口，并采取吹氩密封；中间包和结晶器之间采用了侵入式水口，同时使用中间包覆盖剂、结晶器保护渣覆盖钢水等，对浇注起到了全过程保护作用，避免了钢水与空气接触而造成的二次氧化。
3 钢的洁净度控制水平
3.1 钢中气体控制水平
表4为实际生产中的统计结果。在结晶器取钢水样分析，氢全部小于0.00025%，平均0.00019%；在中间包取样分析，氧含量全部小于等于0.0020%，平均0.0015%，氮含量全部小于0.0045%，平均0.0040%。氢、氧、氮含量三项之和达到0.0060%的炉次占91%。
表4 钢水中[H]、[O]、[N]含量×10-6
w[H]w[O]T w[N]波动 1.6～2.37～2035～44
平均 1.915.139.7
3.2 钢中夹杂物控制水平
在中间包取样用电解萃取的方法检验钢中氧化物夹杂含量，钢中夹杂总量平均0.0024%，分量中Al2O3夹杂含量平均0.0006%，见表5。对试验炉铸坯取样，做金相夹杂检验，钢中非金属夹杂物硫化物、氧化物、硅酸盐、球状氧化物最高评级分别为1.5级、1级、1级和0.5级，见表6。钢中非金属夹杂物含量水平达到了时速350km高速钢轨标准的要求。
钙粉生产线设备表5 电解夹杂结果×10-6总夹杂S iO2M gO MnO CaO Al2O3
波动19.07～28.57 2.18～6.510.50～3.060.38～3.170.13～3.28 2.18～8.23平均24.06 3.74 1.78 1.450.93 5.83
表6 金相夹杂结果级
硫化物氧化物硅酸盐球状氧化物最高评级 1.51101100.54 结论
采用无铝脱氧工艺，选择合适的脱氧剂，控制精炼渣组成,(下转第39页)
02包钢科技 第33卷
压开关方式，具有开关损耗低、电磁干扰小等优点。控制功能比较完备，采用全推挽输出形式，驱动能力达到100mA。内部设有欠压停止电路，当电压过低时，输出级截止。并具有软启动电路、基准电压源、误差放大器、PW M比较器、输出限流和关断电路、输出驱动电路等，在电路中，集成控制器SG3525在单片机的控制下，产生两路相位相反的PW M信号，其脉冲宽度和频率受钕铁硼温度等参数的控制, SG3525输出信号经光耦6N136进行隔离后送给功率器件IPM，控制其导通与关断，以改变输出电压。
保护回路，当主电路发生过载或过电压等异常现象时，保护回路停止逆变器的工作或抑制其电压和电流，以防止功率器件的损坏。IPM内部含有故障检测和多种保护电路，用以防止系统相互干扰或者过载时损坏功率芯片，使功率芯片的容量得到最大限度的利用。IPM保护电路实时检测IG BT状态，检测
其过流、短路、过热、电源欠压等故障，当任一故障出现时，内部电路就会封锁驱动信号并向外送出故障信号，以便外部的控制器及时处理现场，避免器件受到进一步损坏。
4 感应加热电源的起动问题
感应加热电源的起动即逆变器的起动。目前，串联谐振式感应加热电源最常采用的起动方式为他激转自激的方式，他激信号一般由外加振荡器产生，当反馈信号达到一定幅值后，由电子开关或手动切换到自激状态。本文所采用的频率跟踪控制技术，充分利用了SG3525A芯片的功能，不需外加振荡器电路，就能够实现由他激向自激的转换，其工作原理叙述如下：在电源起动时，屏蔽PI调节的积分部分，以比例部分运算所得的电压去控制SG3525A6脚上所连三极管的基极，以设定的频率进行电源的起动，起动后，通过电子开关接入PI调节的积分部分，开始谐振频率的自动跟踪。通过选择合适的参数，可以设定SG3525A6脚上所连三极管的基极的控制电压范围，从而确定电源的工作频率范围。
5 结束语
由于电弧炉易造成局部高温，炉内温度不均匀，炼损大，功率因素低等缺点，而中频感应炉具有升温快、加热均匀、热效率高、起动简单灵活易于控制、功率因素高、氧化脱碳少，环境和作业条件良好等优点被广泛使用在钕铁硼合金冶炼生产中。
参 考 文 献
[1] 潘天明1现代感应加热装置[M]1北京：冶金
工业出版社,19961
[2] 陈国呈1PW M变频调速及软开关电力变换技
术[M]1北京：机械工业出版社,20011
(上接第20页)
采用合适的VD真空制度和吹氩工艺，采用中间包冶金和全程无氧化保护浇注技术，选用优质耐火材料，稳定连铸工艺等措施，包钢能够生产出具有较高技术含量w[Al]≤0.004%,w[O]T≤0.002%, w[H]钢水≤0.00025%(w[H]钢轨≤0.00015%)，非金属夹杂物类别中A≤2.5级、B≤1.5级、C≤1.5级、D≤1.5级的时速200km及以上的高速铁路用钢。
参 考 文 献
[1] 吕俊杰.钡系合金的生产与应用[J].特殊钢,
1996,(3):21-261
防雨罩
[2] 高泽平.炉外精炼[M].北京：冶金工业出版
社,20051
93
第6期 IG BT中频电源在NdFeB合金冶炼中的应用
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