钢的强度越高,则对氢脆越敏感,重轨钢尤其如此。MnS夹杂物是重轨钢中氢陷阱的主要来源之一。对MnS夹杂物的数量和尺寸进行控制是提高钢抗氢脆断裂性能的重要手段。同时,MnS包裹Al2O3或高Al2O3含量的硬脆性夹杂物后可改善钢的抗疲劳破坏性能。在成分控制上,国内重轨钢普遍控制S含量≤0.008%,国外的优质重轨则控制在中高S含量0.008～0.015%。国内中高硫钢中MnS夹杂物粗大的问题亟待解决。本论文依托于国内某钢厂企业研究项目“重轨钢A类夹杂变性技术研究”。通过两个阶段的工业试验,结合实验室试验和热力学计算,以中高S含量0.012～0.015%的重轨钢为研究对象,以钢轨A类硫化物评级≤1.5级为目标,开展了利用钙在钢液中脱氧生成的氧化物粒子,作为钢中MnS夹杂物非均质形核的核心,促进MnS夹杂物弥散析出,从而对重轨钢MnS夹杂物进行细化控制的研究,具有重要的理论意义和应用价值。首先,进行了第一阶段的工业探索试验,对不同钙加入时机的试验效果进行分析,结果表明,钙脱氧工艺2对MnS夹杂物的细化效果优于不加钙工艺和钙脱氧工艺1;对不同钙加入量的试验效果进行分析,结果表明,若采用钙脱氧工艺2,则低S含量0.003～0.008%和中高S含量0.008～0.012%时,铁钙线的吨钢加入量须保证≥X m,中高S含量0.012～0.015%时,吨钢喂线量须≥X m,这样能够达到钢轨A类硫化物评级≤1.5级的目标。其次,根据一阶段工业探索试验确定的优化方案,进一步开展了第二阶段的工业扩大试验,结果表明,连浇20炉次的重载轨,其A类硫化物均控制在0～1.5级,B/C/D/Ds均≤0.5级,合格率100%;连浇23炉次的高速轨,其中21炉次A类硫化物均控制在0～1.5级,B/C/D/Ds均≤0.5级,合格率91.3%。再次,对铸坯进行了剖析,低倍检测结果表明,铸坯表面细晶粒等轴晶区宽1～3 mm,柱状晶区宽39～45 mm,混晶区宽26～32 mm,中心等轴晶区宽约120mm;柱状晶区组织致密,没有观察到明显的凝固缺陷,一次、二次枝晶间距与窄面距离呈较好的线性关系。铸坯MnS检测结果则表明,在柱状晶区,与窄面平行的观测面上,MnS的最大尺寸与一次枝晶间距具有较好的线性关系。从次,在柱状晶正六边形凝固模型的基础上,建立了柱状晶区MnS的最大尺寸的量化模型。该模型准确的计算了柱状晶区MnS的最大尺寸。钢液的固相率fs＞0.750时,MnS开始在晶界析出,其最大尺寸LMnS与一次枝晶间距r的关系可表示为LMnS=r·（1-fs）0.5。最后,混晶区和中心等轴晶区MnS夹杂物的尺寸均较大,最大尺寸在207～283 μm范围内;该区域内存在点状空间范围较大的半宏观偏析缺陷,加剧了 Mn、S元素偏析,易导致更大尺寸MnS夹杂物的形成。