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1、主要技術指標
通過對熱工制度、化學成分、鑄坯脫碳均勻性、生產工藝等多種鋼軌脫碳影響因素的研究,探索降低鋼軌脫碳層深度的最佳生產途經,能夠使客運鋼軌脫碳層深度達到≤0.3mm的要求,檢驗合格率為90%。鞍山鴻達科技通過鑄坯、鋼軌脫碳均勻性研究,鋼軌脫碳影響因素分析,化學成分影響的研究、加熱爐內氣氛檢測等;采用加熱爐內工藝參數優化和鑄坯噴涂涂料措施降低鋼軌脫碳層。
2、完成情況
完成了鑄坯脫碳均勻性、鋼軌脫碳均勻性的研究;化學成分、鑄坯加熱時間等鋼軌脫碳影響因素的研究分析;檢測了爐內氣氛,優化了熱工制度;進行了多次鑄坯噴涂涂料試驗,分別研究了U71Mn和U75V兩種鑄坯噴涂涂料降低鋼軌脫碳層的效果,并對鑄坯噴涂涂料鋼軌進行了組織性能評價;確定熱裝熱裝鑄坯表面噴涂涂料是降低鋼軌脫碳深度的最佳生產途徑,并初步設計了在線噴涂涂料工藝和設備布置形式。
研究結果表明,影響鋼軌脫碳深度的因素很多,包括產品規格、化學成分、鑄坯加熱時間、加熱爐氣氛等。鋼軌在爐時間越長,斷面規格越大,脫面深度越嚴重;碳含量越高,鋼軌脫碳越嚴重;添加微量Cr元素,可細化表面組織,略降低脫碳深度(但標準規定了殘余元素Cr含量要<0.15,冶煉很難控制);加熱爐南北爐況不同,南北兩端鑄坯和鋼軌脫碳不均,北端好于南端;加熱爐內一加熱和均熱段均為還原性氣氛,不利于降低脫碳深度。
經多次鑄坯噴涂涂料試驗,確定在熱裝熱裝鑄坯表面噴涂涂料是降低鋼軌脫碳深度的最佳生產途徑。U71Mn和U75V兩種鑄坯噴涂合適的涂料后,鋼軌脫碳深度≤0.3mm的合格率均可達90%以上,而且鑄坯噴涂涂料對鋼軌內部組織和力學性能無不良影響。
二、主要完成的研發工作內容
1  鋼軌脫碳影響因素的分析
1.1統計分析
在鞍山鴻達科技ERP上采集了2011年1月 -8月期間鋼軌的生產數據,按鋼種、裝爐方式、在爐時間、成品規格、鋼軌脫碳層進行統計分析,見下表1和圖1,其中U71Mn163爐、U75V132爐。


1.2單因子方差分析
用MINITAB軟件對脫碳層的影響因素鋼種、規格、裝爐方式進行單因子方差分析如下:
單因子方差分析: 脫碳層深度max 與 鋼牌號
來源    自由度       SS       MS      F      P
鋼牌號       2  0.16787  0.08393  10.72  0.000
誤差       292  2.28574  0.00783
合計       294  2.45361
S = 0.08848   R-Sq = 6.84%   R-Sq(調整) = 6.20%
                                 平均值(基于合并標準差)的單組 95% 置信區間
水平        N   平均值   標準差  ----+---------+---------+---------+-----
U71Mn      91  0.43220  0.08243  (------*------)
U71Mn(K)   72  0.44389  0.05789     (--------*-------)
U75V      132  0.48455  0.10471                        (-----*-----)
                                 ----+---------+---------+---------+-----
                                   0.425     0.450     0.475     0.500
合并標準差 = 0.08848

單因子方差分析: 脫碳層深度max 與 裝爐方式
來源      自由度       SS       MS     F      P
熱裝標識       1  0.00331  0.00331  0.40  0.530
誤差         293  2.45030  0.00836
合計         294  2.45361
S = 0.09145   R-Sq = 0.13%   R-Sq(調整) = 0.00%
                             平均值(基于合并標準差)的單組 95% 置信區間
水平    N   平均值   標準差  --+---------+---------+---------+-------
冷裝   29  0.46862  0.08318  (---------------*----------------)
熱裝  266  0.45737  0.09228       (-----*----)
                             --+---------+---------+---------+-------
                             0.440     0.460     0.480     0.500
合并標準差 = 0.09145

單因子方差分析: 脫碳層深度max 與 規格
來源  自由度       SS       MS     F      P
規格       2  0.10548  0.05274  6.56  0.002
誤差     292  2.34814  0.00804
合計     294  2.45361
S = 0.08967   R-Sq = 4.30%   R-Sq(調整) = 3.64%
                             平均值(基于合并標準差)的單組 95% 置信區間
水平    N   平均值   標準差    +---------+---------+---------+---------
50     66  0.43909  0.08505    (--*--)
60    224  0.46138  0.08831        (-*-)
75      5  0.58400  0.18623                (----------*-----------)
                               +---------+---------+---------+---------
                             0.420     0.490     0.560     0.630
合并標準差 = 0.08967
    鋼種與斷面規格的P值均<0.05,說明當Alpha水平為0.05時,鋼種和斷面規格對脫碳層影響顯著,但他們的R-Sq(調整)值均較小,說明他們的影響程度都不大。而裝爐方式的P值>0.05,說明其對脫碳層的影響不顯著。
1.3 回歸分析
做在爐時間和脫碳層深度的散點圖如下圖2,確定在爐時間和脫碳層深度存在潛在的線性關系。

 

對在爐時間和脫碳層深度進行一元線性回歸分析如下:
U71Mn和U75V的脫碳層深度與在爐時間的回歸方程為:
脫碳層深度 = 0.434 + 0.000106 在爐時間
自變量          系數  系數標準誤      T      P
常量         0.43403     0.01450  29.94  0.000
在爐時間  0.00010646  0.00005876   1.81  0.071
S = 0.0910018   R-Sq = 1.1%   R-Sq(調整) = 0.8%
方差分析
來源      自由度        SS        MS     F      P
回歸           1  0.027182  0.027182  3.28  0.071
殘差誤差     293  2.426431  0.008281
合計         294  2.453614
在爐時間的P值為0<0.005,可認為,當Alpha水平為0.05時,在爐時間對脫碳層深度有顯著影響。R-Sq(調整) = 0.8%,說明其影響程度很低。
1.4小結:
上述分析表明,鋼種、斷面規格及在爐時間是鋼軌脫碳深度的顯著影響因素,但他們的影響程度均較小。
由圖2可見,同鋼種,同規格鋼軌,鑄坯冷裝時,在爐時間長,鋼軌脫碳深度均大于鑄坯熱裝時鋼軌脫碳深度。鑄坯熱裝時:同鋼種鋼軌,鑄坯在爐時間短,斷面規格小,鋼軌脫碳層深度小。同為60kg/m鋼軌, U71Mn鑄坯在爐時間比U75V長,但U71Mn鋼軌脫碳深度比U75V小。鑄坯冷裝時:50kg/mU71Mn鋼軌在爐時間長于60kg/mU75V鋼軌,但50kg/mU71Mn鋼軌脫碳深度小于60kg/mU75V鋼軌。
U75V脫碳比U71Mn嚴重,斷面規格大的鋼軌比斷面規格小的鋼軌脫碳嚴重,鑄坯在爐時間長,鋼軌脫碳嚴重。鑄坯冷裝方式不是直接的影響因素,而是通過在爐時間間接影響脫碳的。鑄坯冷裝時由于在爐時間長,比鑄坯熱裝后軋制的鋼軌脫碳嚴重。
2鋼軌和鑄坯表面脫碳均勻性的研究
2.1軌頭表面脫碳均勻性研究
為研究南北兩端鋼軌表面脫碳的穩定性,在100米長鋼軌的南北兩端分別取樣,按鐵標檢測分析了50個鋼軌試樣軌頭各部位脫碳深度,結果見表2,對比分析見圖3.

可見,U71Mn和U75V兩種鋼軌北端軌頭脫碳深度均低于南端,U71Mn踏面最低,U75V2面圓弧附近最高。
2.2成品鋼軌脫碳層檢測部位對應鑄坯位置的研究
采用有線元推算鋼軌軌頭脫碳層檢驗位置對應鑄坯位置,見下圖4,確認了鋼軌脫碳層檢驗位置對應鑄坯軋制前的位置為鑄坯東側面至上面x1=43.7mm,下面x2=15.3mm之間。根據此位置確定鑄坯脫碳均勻性研究和鑄坯噴涂涂料試驗研究時鑄坯脫碳層檢測位置,見下圖5。

 

 

2.3鑄坯表面脫碳均勻性研究
    為研究步進式加熱爐南北兩端加熱均勻性對鑄坯脫碳的影響,在加熱后的U75V鑄坯南端和北端分別取樣,按圖5位置檢驗分析鑄坯脫碳均勻性,結果見表3和圖6。2#為加熱爐南端取樣, 4#為加熱爐北端取樣。

 

可見,加熱爐加熱后鑄坯南北兩端及鑄坯四個側面脫碳存在一定的不均勻性。除鑄坯東側面區域個別點外,加熱爐北端鑄坯全脫碳層及脫碳嚴重層均略低于南端,且北端鑄坯脫碳層數值波動小于南端鑄坯,說明北端鑄坯四面脫碳相對更均勻穩定。
2.4 小結
研究表明,鑄坯北端各表面脫碳相對穩定,脫碳略輕于南端,相對應的百米鋼軌的北端軌頭脫碳也輕于南端。分析認為,加熱爐南北兩端爐況可能存在差異,北端爐況好于南端,使北端鑄坯各側面受熱較均勻,進而影響北端鋼軌表面脫碳深度略小于南端。
可見,出加熱爐的鑄坯表面的脫碳狀況是最終鋼軌脫碳深度的直接影響因素,鑄坯表面脫碳較輕,則成品鋼軌脫碳深度較低。 

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