1、稀土元素對重軌鋼的影響及改善工藝探究The influence of rare earth elements on heavy rail steel and the improvement of Technology李向川1 楊吉春1 白國君1 樊志明1Li Xiangchuan1 Yang Jichun1 Bai Guojun1 FanZhiming11內蒙古科技大學 包頭 014000 中國1 Inner Mongolia University Of Science and Technology摘要：本文介紹總結了稀土元素、鋼中主要夾雜物以及稀土元素對重軌鋼的影響，還有目前一些改善重軌鋼性

2、能的先進工藝技術，希望在人們探尋更有效的重軌鋼稀土改善技術工藝方面起到幫助作用。Abstract: This paper introduces the rare earth elements, the main inclusions in steel and the influence of rare earth elements on heavy rail steel, as well as some advanced technologies to improve the properties of heavy rail steel, hoping to help people to ex

3、plore more effective rare earth improvement technologies for heavy rail steel.關鍵詞：稀土 重軌鋼 夾雜物 微觀組織 改善工藝Key word: Rare earth Rail steel Inclusion Microstructure Process improvement0引言在國家大力扶持農村脫貧、鄉村振興的大背景下，鐵路運輸更加成為完成這些宏偉目標的最基本保障。而鋼軌的產品質量直接影響鐵路運輸的安全與效率，因此，如何進一步提高重軌鋼的性能，使其在服役期間能夠保證列車高速、安全地運行，成為我們的研究目標。通過

4、實驗研究表明，鋼中夾雜物是影響鋼的韌性、塑性和耐磨性等一系列性能的主要因素，而稀土可以有效改善鋼中夾雜物的數量、尺寸、形狀等。因此，我們要更進一步發揮稀土對重軌鋼性能的提升作用。1稀土元素介紹1.1稀土元素的種類稀土雖然意為“稀有的土”，但其本質上并不是土，而是屬于金屬元素。稀土得名于18世紀，包括鑭系元素，以及與鑭系元素在礦床中共生，且化學性質相近的鈧(SC)和釔(Y)，共包括17種元素，通常鑭系元素用Ln表示，稀土元素用R 或RE表示。中國的稀土主要在包頭的白云鄂博礦，其作為在高新技術領域具有不可替代作用的不可再生能源，被譽為新技術革命中的戰略元素，新技術生長點，新材料的寶庫，對于我國冶金

5、行業技術進一步創新和產能的持續提升具有重要意義 ADDIN NE.Ref.6F4A30E7-09B8-4B04-B18C-3708ACAB455B1。1.1稀土在鋼中的作用1.1.1凈化鋼液稀土對鋼液的凈化作用體現在其強大的脫硫脫氧作用以及對氫原子的吸附作用，Al、Mg、Ti等強脫氧劑的脫氧能力均不及稀土元素，僅微量的稀土元素就能使鋼液中的氧含量小于10-4%，且脫氧速度很快 ADDIN NE.Ref.2C96B9A3-FD33-4CA8-A1E1-3B6342FCE1022。稀土對稀土合金加入量在0.2%時脫硫效果顯著，且脫硫率不再隨著稀土加入量而發生改變。當碳含量增加時會增加脫硫效果，加入

6、鈦時效果略有增加，且當溫度在1540oC1590oC時脫硫率高于其他溫度 ADDIN NE.Ref.1F5D4CF1-81ED-445A-9F90-E6E5B8A47CFE3。稀土原子可以與氫原子形成某種吸附結合體，降低自由氫原子活度，使白點敏感度接近于0，降低氫的危害 ADDIN NE.Ref.B120DA80-89B0-4E48-B169-3BC98D6C39C64。1.1.2變質夾雜鋼中的主要有害夾雜為MnS和Al2O3，Wang ADDIN NE.Ref.67EFD762-4619-4E9E-865C-E73B5B8821665等人通過面掃和線掃研究了Al2O3的演化過程，發現在加入稀

7、土Ce后，可以對Al2O3起到改質的作用，其變化規律為Al2O3Ce2O3-Al2O3CeO2，并通過動電位陽極極化試驗證明在將Al2O3轉化為稀土夾雜物后提高了鋼的抗點蝕性能。硫元素與錳元素發生偏析反應后會形成大尺寸的MnS夾雜物，導致鋼基體的連續性遭到破壞，降低鋼的韌性 ADDIN NE.Ref.44E89DCE-6973-4090-AA41-32959C1A79356 ，王皓 ADDIN NE.Ref.1E699F5E-0A6E-4BE8-82CD-29F93B7CBF817等人向高強IF鋼中加入稀土Ce后，發現稀土會先與鋼中的S元素結合，且提前于MnS析出，生成小尺寸球狀夾雜，尺寸為2

8、-5m，呈獨立彌散分布，不會在鋼軋制過程中遺傳，對鋼組織的連續性起到保護作用。1.1.3微合金化微合金化是指在鋼中加入少量合金，在保證低碳鋼韌性的前提下提高強度。鄭秋菊 ADDIN NE.Ref.E17F20B8-E08A-4B4D-B41E-BD93761302FD8等人在向Al-Si合金中加入微合金化元素時，發現當La的加入量為0.06%時，合金的延伸率達到了最高值，相較于不含La的合金提高了約31%，且屈服強度和抗拉強度沒有發生削弱。同時含La合金中共晶Si尺寸更小，形狀更加趨于球形，可以有效提升合金的塑性。2.鋼中主要夾雜物介紹根據鋼中中的非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法，夾

9、雜物可分為A（硫化物類）、B（氧化鋁類）、C（硅酸鹽類）、D（球狀氧化物類）、DS（單顆粒球狀類）等五個大類，而鋼中我們常見的有害夾雜物為A類的MnS，B類的三氧化二鋁，C類的硅酸鹽類夾雜物。2.1硫化錳MnSMnS夾雜物一般呈長條狀，會在鋼材軋制過程中長大從而引起裂紋 ADDIN NE.Ref.6787A38D-AA48-42D2-A9D6-A8D9C95AE9889。根據其形貌與分布的不同可分為3類：第一類，由偏晶反應形成的球形復合夾雜物，任意分布于不同鋁脫氧的鋼中；第二類，由共晶反應形成的短棒或樹枝狀夾雜物，沿晶界呈鏈狀或網狀分布，存在于少量鋁脫氧的鋼中；第三類，由偽共晶反應生成的塊狀不

10、規則夾雜物，存在于加入的鋁含量高或者有殘留鋁的鋼中 ADDIN NE.Ref.27CA2854-1539-4CE4-A685-EC498E7C112A10。2.2三氧化二鋁Al2O3Al2O3產生原因有兩個：一個是真空冶煉后金屬鋁脫氧形成的氧化產物未能及時上浮而殘留在鋼基體中；另一個是在連鑄過程中，鋼液接觸空氣中的氧氣，使鋁發生二次氧化。相較于其他夾雜物，Al2O3更容易聚集成大顆粒夾雜物破壞鋼基體的連續性，造成鋼組織不均勻，因此會在鋼材軋制過程中形成裂紋，對性能的危害巨大 ADDIN NE.Ref.251E9AAC-B369-4FCE-A7DD-2F8FF5BE1EBD11-13。在冶煉過程

11、中：精煉開始時，夾雜物中Al2O3含量被控制在很少的范圍內；隨后在LF進站的鋼中含量明顯增加，并且在低熔點夾雜物區域附近大量分布；LF出站鋼中的含量仍持續增加，并逐漸遠離低熔點夾雜物區域附近；鑄坯中含量繼續增加，大部分遠離低熔點夾雜物區域附近 ADDIN NE.Ref.4B0A4D8A-4FEC-4734-8C79-B423977EC18614。2.3硅酸鹽類夾雜物硅酸鹽類夾雜物由復雜的成分構成，能夠將化合物、氧化物、硫化物等溶解，也能與之形成化合物共晶體和機械混合物。在出鋼過程中的弱脫氧狀態下，鋼中無鋁或鋁含量較少，此時加入的硅鐵或錳鐵會發生脫氧反應。出鋼時，加入硅鐵中的硅被鋼液中高活度的氧

12、氧化，形成大量脫氧產物SiO2，這些脫氧產物一部分與其他夾雜物形成復合氧化物夾雜物，即硅酸鹽類夾雜物。硅酸鹽類夾雜物的成分基本上是復相的鋁硅酸鹽夾雜物，以及尺寸較大、SiO2含量較高的硅酸鹽類夾雜物，當夾雜物中SiO2含量越高時，夾雜物尺寸越大。硅酸鹽類夾雜物大多呈球形或部分不規則形狀，鋼材經形變后其球形保持不變，影響鋼材的性能，因此應盡量避免這類夾雜物的生成 ADDIN NE.Ref.4E633D90-A95A-4493-8494-5C3922D43B2515。3稀土元素對重軌鋼的影響3.1稀土元素對重軌鋼夾雜物的影響稀土在鋼中的含量和在夾雜物中的含量規律類似，即開始時稀土含量隨著加入量的增

13、加而增加，達到一定程度后，即使繼續增加加入量，鋼中或夾雜物中的稀土含量都不會再增長，甚至出現下降趨勢。隨著稀土加入量的增加，稀土與鋼中的氧、硫等元素發生反應的幾率增加，也會增加鋼中夾雜物的總量。并且夾雜物長大的幾率也會增大，上浮去除數量增加。稀土夾雜物數量會隨著稀土加入量的增加而增加，當夾雜物增加數量大于去除數量時，夾雜物會逐漸增加；當稀土加入量增加到一定程度時，夾雜物的去除速度會大于增加速速，因此鋼中的夾雜物會逐漸減少 ADDIN NE.Ref.F67C13C0-DD08-4CC0-AD9E-F65FDE58514B16。3.2稀土元素對重軌鋼微觀組織的影響定巍 ADDIN NE.Ref.1

14、58C6DDC-D653-4DBE-908F-F4C42C0E0FF617等人在向U71Mn重軌鋼中加入稀土La后發現，隨著加入量的增加，固溶量也顯著增加，當稀土La的加入量達到0.02%以上之后，固溶量高于夾雜量。隨著稀土固溶量的增加，相變點的溫度隨之降低，導致奧氏體向珠光體轉變的過冷度增大，減小了珠光體片間距。這也從側面證明了鋼中加入稀土La后可以細化奧氏體晶粒。存在偏析的磷是在晶界滲碳體觸發初始微裂紋產生的原因 ADDIN NE.Ref.306A3E4D-7504-4B0D-BEF5-5DC96E07A94018。而郭江 ADDIN NE.Ref.282B442F-4A83-4E59-A

15、68B-9ABD37A6EBE919等人發現在加入稀土Ce的重軌鋼中，Ce與P在晶界上或者晶界附近發生了化合反應形成了稀土磷化物，形狀為橢球形。這對抑制初始微裂紋具有重要意義。稀土原子在珠光體內主要分布在合金滲碳體和界面處，加入稀土的重軌鋼中，稀土原子通過置換滲碳體中的鐵原子形成合金滲碳體，并且容易向鐵素體和滲碳體之間的界面偏聚。在珠光體轉變過程中，稀土元素可以控制滲碳體的形核與長大速度，延長珠光體轉變孕育期，增大珠光體轉變過冷度，細化珠光體片層結構 ADDIN NE.Ref.205590A2-EEC7-4B24-A269-26909C95A5C220。3.3稀土元素對重軌鋼力學性能的影響鋼的

16、熱塑性是影響鋼強度和硬度的重要因素，熱塑性過低會在鋼的連鑄過程中引起表面裂紋。其原因是在熱處理過程中，鐵素體優先于奧氏體完成相變，而鐵素體較軟，因此會出現應力集中的現象，導致板坯開裂 ADDIN NE.Ref.26A5037E-A260-46BF-857C-94625ED9D08821。王曉麗 ADDIN NE.Ref.5DB89DF2-66A0-4076-B5EB-8E657273433C22等人經實驗發現稀土可以使微合金重軌鋼的高溫塑性提高，因此可以改善重軌鋼的強度與硬度。 于寧 ADDIN NE.Ref.7CFFED9A-91A3-49C7-B7B5-5FD0404583BB23等人提出

17、在加入稀土后，重軌鋼鐵素體里的疲勞變形位錯攀移會受到有效抑制，這消除或大大減弱了疲勞變形引起的強度波狀分布，改善了鋼軌的耐磨性；而且在加入稀土后并未影響鋼軌的抗拉強度，反而顯著提高了鋼軌的接觸疲勞性能，延長了鋼軌的接觸疲勞壽命；加入稀土還有減削核傷、栓孔開裂等鋼軌損傷的作用。4改善工藝探究近幾年，國內外冶金行業的工作者和學者都不遺余力地將工作重心放在重軌鋼的性能改善領域，各大高校以及鋼鐵企業結合重軌鋼的工作環境，從其抗腐蝕性、抗疲勞韌性和抗磨性等方面著手，發明總結出許多高效的改善技術與工藝。4.1淬火工藝陳林 ADDIN NE.Ref.D76DB1CC-4D19-4F72-A0D0-91C21

18、92206F024等人發現在使用3oC/s、5 oC/s和空冷的淬火方式對U75V重軌鋼進行淬火試驗時，會對鋼的疲勞裂紋擴展速率敏感程度產生不同的影響。其中，空冷后的鋼敏感性最強，導致其疲勞裂紋擴展速率最大；5 oC/s時的敏感性最弱，擴展速率最小。同時還發現空冷狀態下裂紋尖端二次裂紋較少，且裂紋角度大，可以更好地阻礙裂紋擴展，降低裂紋擴展速率。馬瀟 ADDIN NE.Ref.01833D91-B8F0-4433-A812-C748A19B3C1C25等人通過對經過相同淬火方式處理的U75V進行力學性能測試后得出結論，即經5 oC/s冷速淬火處理后的試樣，其抗沖擊性能、硬度和抗拉強度表現都優于

19、其他兩種淬火速率。4.2鈣處理工藝Wang ADDIN NE.Ref.BD4A5FA5-898E-4778-BC85-10D49AB01FDE26等人對重軌鋼進行鈣處理后發現鋼中夾雜物CaO會隨著Ca的增加量而增大向CaS轉變的比例。Ca含量從3ppm增加到9ppm的過程中，CaS會增加5.31%16.14%，而CaO含量會按照相同比例減少。王建鋒 ADDIN NE.Ref.D19056C5-46EA-4823-A221-1B9AC28B9CD827等結合重軌鋼的生產實踐，通過熱力學計算證明MnS向CaS轉化的可行性，并在實際生產過程中使用鈣處理工藝，得到的結果為Ca處理后鋼中的硫化物呈現出以

20、球狀、鏈狀或者具有斷開趨勢的長條狀分布。4.3電磁攪拌工藝Guo ADDIN NE.Ref.08C513F0-0C64-410F-B3E0-4907735601A228等人通過電磁攪拌工藝處理發現電磁攪拌工藝可以有效減少大孔隙，改善鋼的孔隙形狀因子，且孔隙的行徑比對力學性能有本質影響，拉伸性能與行徑比呈正相關，因此電磁攪拌工藝提高了鋼的力學性能。攀鋼的李紅光 ADDIN NE.Ref.0FF289F5-5883-4B40-A9FB-F5D41A5EA88929發現結晶器電磁攪拌可以有效提高重軌鋼鑄坯等軸晶比例，同時有效降低中心偏析度。但是在凝固末端進行電磁攪拌后，可以彌補結晶器電磁攪拌的不足，

21、對重軌鋼鑄坯中心區域的偏析有明顯改善作用。4.4外來夾雜物控制鋼中除了元素之間互相反應生成的夾雜物外，還有在冶煉過程中由于空氣、耐火材料、氧化鐵皮等外來物導致的夾雜物產生，這會對鑄坯造成嚴重污染。針對這一系列問題，陳光友 ADDIN NE.Ref.72EDC5D4-C1AF-4902-A3F1-7FFC02ED4E9E30等人總結出了一系列的控制措施。例如，在破空后再進行吹8min氬氣的RH軟吹工藝；針對開澆爐卷渣和影響夾雜物上浮效果的中間包停留時間，進行開澆爐控制；在澆注過程中，抬高保護管、控制連澆時間、提高自澆率；對中間包進行結構優化，并結合新興4孔M擋渣墻，充分發揮中間包的冶金功能，使其

22、能夠有效去除外來夾雜；使用4孔水口的結晶器，可以對鋼液對結晶器壁的沖擊起到緩沖作用，使保護渣與鋼液的接觸更充分，更好地起到吸附夾雜的作用。5未來展望 十四五的到來，對鐵路運輸提出了更高的要求，尤其是在出疆入藏、中西部地區、沿江沿海沿邊等戰略骨干通道的鐵路建設，這意味著鋼軌的質量產量要得到雙重保障。稀土元素對重軌鋼的組織性能具有不可替代的作用，而各項工藝措施同樣引領著鋼軌發展的方向。如果能夠將兩者有效結合起來，雙管齊下，創造總結出更多稀土加工工藝，相信我國的重軌鋼事業會有一個質的飛躍。 ADDIN NE.BibReferences: 1.張曉峰等, 稀土在鋼中作用及工業化生產現狀淺析. 稀土,

23、2020: 第1-14頁. 2.杜挺, 稀土元素在金屬材料中的作用與機理. 中國有色金屬學報, 1996(02): 第15-20頁. 3.孟慶春李琪昌尚亞軍, 稀土合金在鑄鋼中的脫硫作用. 現代鑄鐵, 2004(01): 第45-46頁. 4.張曉峰等, 稀土在鋼中作用及工業化生產現狀淺析. 稀土, 2020: 第1-14頁. 5.Wang, Q., et al., Using Ce to modify inclusion in spring steel. Journal of Mining and Metallurgy. Section B: Metallurgy, 2017. 53(3).

24、 6.張學偉等, 熱力學分析MnS夾雜物析出與控制. 鋼鐵, 2019. 54(12): 第27-34頁. 7.王皓等, 稀土Ce對含磷高強IF鋼鑄軋全過程MnS夾雜物影響. 工程科學學報, 2020. 42(S1): 第1-8頁. 8.鄭秋菊等, 微合金化元素La對亞共晶Al-Si合金凝固組織與力學性能的影響. 金屬學報, 2021. 57(01): 第103-110頁. 9.林騰昌等, 熱處理對鑄態鋼中硫化錳夾雜物的影響. 中國冶金, 2021. 31(04): 第48-54頁.10.王英虎, 鍛造工藝對易切削鋼中硫化錳及力學性能的影響. 鍛壓技術, 2021. 46(05): 第12-1

25、8頁.11.徐國軍等, Al_2O_3夾雜在DC06鋼中的分布及對深沖性能的影響. 中國冶金, 2021. 31(05): 第111-117頁.12.沈昶等, 鋼中Al_2O_3夾雜物生成、聚集原位觀察. 鋼鐵釩鈦, 2020. 41(03): 第128-131+142頁.13.葉明峰與吳光亮, 優化精煉渣去除50Cr5MoV鋼中Al_2O_3夾雜物的實驗室研究. 鋼鐵研究, 2017. 45(02): 第19-23頁.14.潘世華與任英, 奧氏體不銹鋼中Al_2O_3夾雜物的控制. 寶鋼技術, 2016(01): 第9-13頁.15.付冬陽, 賀春陽與張規華, 淺析鋼中硅酸鹽類夾雜物的控制與

26、去除. 寬厚板, 2016. 22(03): 第29-31頁.16.李春龍王云盛陳建軍劉承軍姜茂發, 稀土在BNbRE重軌鋼中的作用機制. 鋼鐵研究學報, 2005(03): 第47-51頁.17.定巍, 龔志華與王寶峰, U71Mn重軌鋼中稀土La的作用分析. 熱加工工藝, 2013. 42(06): 第27-30+33頁.18.Joon-Hong, M., et al., Embrittlement mechanism in a low-carbon steel at intermediate temperature. Materials Characterization, 2019. 149.19.郭江, 李榮與張芳, 稀土鈰在重軌鋼中的行為機制研究. 熱加工工藝, 2016. 45(10): 第129-131頁.20.荊鑫與閆永旺, 稀土元素La-Ce對重軌鋼組織和性能的影響. 內蒙古石油化工, 2011. 37(09): 第7-8頁.21.Yang, L., S. Yan-hui and W. Hao-tian, Effects of chromium on the microstructure and hot ductility of Nb-microalloyed steel. International Journal of Minerals Me