本文選題：MnS夾雜物　切入點(diǎn)：重軌鋼　出處：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：高速重軌鋼要求高潔凈度、高強(qiáng)度、高韌性、細(xì)珠光體。非金屬夾雜物對(duì)重軌鋼的性能有著重要的影響,目前國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的重軌鋼中A類(lèi)夾雜物(主要是MnS)評(píng)級(jí)較高,達(dá)到甚至超過(guò)3.0級(jí)。本文通過(guò)對(duì)U75V重軌鋼的連鑄坯和對(duì)應(yīng)的鋼軌進(jìn)行研究,得到其凝固組織及MnS夾雜物在鑄坯和鋼軌內(nèi)的形貌特征和分布規(guī)律,結(jié)合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析MnS夾雜物的形成機(jī)理并提出控制措施,再根據(jù)實(shí)驗(yàn)室保溫實(shí)驗(yàn)給出最優(yōu)的控制參數(shù),為進(jìn)一步提升我國(guó)重軌鋼的質(zhì)量提供理論依據(jù)及生產(chǎn)指導(dǎo)。通過(guò)觀察重軌鋼連鑄坯和鋼軌的凝固組織及MnS夾雜物的二維和三維形貌特征,發(fā)現(xiàn)在鑄坯內(nèi)MnS夾雜物的分布規(guī)律為：從邊緣到中心,純MnS的形貌由球狀和紡錘狀,逐漸變?yōu)殚L(zhǎng)條狀、花瓣?duì)�、多面體和不規(guī)則狀,最后變成沿晶界分布和沿樹(shù)枝晶疏松處分布的片狀,尺寸逐漸增大：而MnS在氧化物表面析出生成的氧硫化物,在邊緣處MnS完全包裹氧化物,隨著鑄坯厚度增加,硫化物層越來(lái)越薄,在鑄坯厚度1/4區(qū)域的氧化物表面大部分是點(diǎn)狀的MnS夾雜物。在鋼軌內(nèi),MnS夾雜物普遍沿軋制方向呈長(zhǎng)條狀,沿重軌橫截面方向,夾雜物普遍呈圓狀、橢圓狀和褶皺狀,但在軌頭和軌底處的MnS夾雜物更加細(xì)長(zhǎng)，，在軌腰處比較扁平。根據(jù)無(wú)水有機(jī)溶液電解法得到MnS完整的三維形貌,結(jié)合前人的研究成果,對(duì)其形貌分類(lèi)進(jìn)行了修改和補(bǔ)充：第一類(lèi)橢球狀、第二類(lèi)長(zhǎng)棒狀、第三類(lèi)板片狀、第四類(lèi)不規(guī)則形狀或多面體、第五類(lèi)樹(shù)枝狀和第六類(lèi)在氧化物表面析出的點(diǎn)狀。通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)MnS夾雜物在1619 K、即靠近固相線才開(kāi)始析出。利用偏析模型計(jì)算出MnS在固相分?jǐn)?shù)為0.94時(shí)形成。且發(fā)現(xiàn)S的富集程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Mn,固相分?jǐn)?shù)為0.9時(shí)殘余液相中的Mn和S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到1.427%和0.12%,分別是其初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.64和9.23倍。通過(guò)調(diào)整鋼中Mn和S含量及冷卻速率,可以控制MnS的析出。動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,MnS粒子在重軌鋼凝固過(guò)程以均質(zhì)形核和晶界形核為主導(dǎo)：MnS的有效形核溫度為1634 K，把硫含量降低到50 ppm以下,能夠推遲MnS析出、降低MnS的形核率、臨界直徑和尺寸長(zhǎng)大：提高冷卻速率也能夠降低MnS臨界析出半徑,減小其尺寸。通過(guò)研究重軌鋼連鑄坯和鋼軌在加熱保溫過(guò)程中MnS夾雜物的形態(tài)演變,發(fā)現(xiàn)在1200℃下,MnS形態(tài)演變緩慢；在1300℃下,保溫時(shí)間超過(guò)30 min有助于MnS粒子分裂：而在1400℃情況下,MnS發(fā)生分解和固溶;當(dāng)冷卻再析出后,MnS在晶界處析出量最多,且二維觀察到單個(gè)MnS尺寸較小,但聚集一起會(huì)形成超大尺寸的MnS夾雜物。對(duì)高硫的鑄坯試樣,在1300℃保溫30 min左右時(shí)MnS的形態(tài)演變由Mn或S元素的擴(kuò)散控制向固溶反應(yīng)速率控制轉(zhuǎn)變。而對(duì)于鋼軌內(nèi)的長(zhǎng)條狀MnS,發(fā)現(xiàn)在1300℃下,形態(tài)演變限制性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)處于保溫時(shí)間為30～60 min。通過(guò)研究“重熔→冷卻→保溫”條件下MnS的析出行為,發(fā)現(xiàn)降低冷卻速率,MnS的形貌從近球狀和紡錘狀逐漸向棒狀和長(zhǎng)條狀演變,且1300℃時(shí)保溫30～60 min是限制性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)。對(duì)比高硫([S]=130 ppm)、低硫([S]=81 ppm)的試樣,發(fā)現(xiàn)在1200℃時(shí),隨著保溫時(shí)間增加,MnS的數(shù)量密度在高硫試樣中降低,在低硫試樣中增加；而在1400℃時(shí),隨著保溫時(shí)間增加,MnS的數(shù)量密度在高硫試樣中增加,在低硫試樣中降低。這說(shuō)明高溫有助于控制低硫樣中的MnS。因此,將鋼中的硫含量降低到81 ppm以下,能夠使加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)控制MnS夾雜物更為合理有效。針對(duì)該廠的實(shí)際情況建議將鋼中的硫含量降到40 ppm以下。此外建議增加軌頭對(duì)應(yīng)的鑄坯寬面右側(cè)的柱狀晶區(qū)比例,達(dá)到降低MnS評(píng)級(jí)的目的。
[Abstract]:High speed rail steel Gao Jie clarity, high strength, high toughness, fine pearlite. Have an important effect on performance of non-metallic inclusions on steel, a production of heavy rail steel inclusion in the current domestic manufacturers (mainly MnS) reached higher ratings, even more than 3. The research is conducted through the continuous casting billet of U75V steel heavy rail steel and the corresponding, the solidification microstructure and MnS inclusions in the cast slab and morphology characteristics and distribution in the rail, combined with thermodynamic and kinetic analysis of the formation mechanism of MnS inclusions and puts forward the control measures according to the control parameters of the optimal experimental laboratory of thermal insulation, to further enhance the quality of heavy rail steel in China to provide a theoretical basis and production guidance. Through the two-dimensional microstructure observation of heavy rail steel bloom and rail and MnS inclusions and 3D morphology, found in the slab of MnS inclusion Distribution: from the edge to the center, pure MnS morphology from spherical and spindle shaped, gradually changed into a long strip, petal shaped polyhedron and irregular shape, finally become distributed along the grain boundaries and along the dendrite loose distribution of sheet size increases: MnS in oxygen from the surface of sulfide oxide formation. At the edge of MnS completely wrapped with oxide, the slab thickness increases, the sulfide layer is thinner, most of the oxides on the surface of the slab thickness 1/4 area is MnS. In the rail in punctate inclusions, MnS inclusions generally along the rolling direction is a strip along the rail cross-section direction, inclusions generally cylindrical, oval shaped and fold, but MnS inclusions in the rail head and rail at the bottom of the more slender waist, in relatively flat. According to the electrolysis of anhydrous organic solution to obtain three-dimensional morphology of MnS complete, combined with previous research results, the morphology of points The class were modified and added: the first kind of ellipsoidal, second long rod, third sheet, fourth kinds of irregular shape or polyhedron, fifth types of dendrimers and sixth types of precipitates at the surface oxide. Point by thermodynamic calculation, MnS inclusions at 1619 K, which is close to the solidus began by precipitation. The segregation model to calculate the formation of MnS in the solid fraction is 0.94. And the enrichment degree of S is greater than Mn, the solid fraction is 0.9 when the residual liquid Mn and S respectively reached 1.427% and 0.12%, respectively is the initial mass fraction of 1.64 and 9.23 times. By adjusting Mn and S content in steel and the cooling rate, can precipitate MnS. The kinetic calculation results show that the MnS particles in the steel solidification process with homogeneous nucleation and grain boundary nucleation dominated: effective nucleation temperature of MnS is 1634 K, the sulfur content was reduced to 50 to ppm Next, can delay the MnS precipitation, MnS reduced the nucleation rate, the critical diameter and size: increase the cooling rate can also reduce the critical radius of MnS precipitation, reducing its size. Through the research of heavy rail steel billet and steel rail in the heating process of the morphological evolution of MnS inclusions, it is 1200 DEG C, MnS slow evolution; at 1300 DEG C, the holding time is more than 30 min help MnS particles: and in the 1400 C case, MnS decomposition and solution; when cooling precipitation, MnS precipitates at grain boundaries and the amount is maximum, two-dimensional observed single MnS size is small, but will gather MnS large size inclusions the formation of the slab. Specimens of high sulfur, at 1300 DEG C for about 30 min MnS shape evolution by the diffusion of Mn or S element to control reaction rate control. But for the rail in the long strip MnS, found at 1300 DEG C, the morphological evolution Change of node link in the holding time is 30~60 min. by precipitation of remelting - cooling - insulation under the condition of MnS, found that the cooling rate decreases, the morphology of MnS from nearly spherical and spindle shaped and elongated gradually to 1300 DEG C and evolution, holding 30~60 min is to change the node restriction link comparison of high sulfur ([S]=130 ppm), sulfur ([S]=81 ppm) samples, found at 1200 DEG C, with the increase of the holding time, the number density of MnS in high sulfur samples decrease, increase in sulfur in the sample; and at 1400 DEG C, with the holding time increasing, the number density of MnS in high sulfur in the sample increase, decrease in sulfur in the sample. This shows that high temperature helps to control sulfur in MnS. so the sulfur content in steel is reduced to below 81 ppm, the heating temperature and holding time on the control of MnS is more reasonable and effective. According to inclusion The actual situation of the company suggested that the sulphur content in steel is reduced to less than 40 ppm. In addition the corresponding suggestion to increase the right head slab width of the columnar zone proportion, to reduce the MnS rating.

【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TG142.1

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本文編號(hào)：1592300