我国钢轨生产技术发展与创新向低耗、绿色、高质量方向快速迈进

2024-07-12 03:30| 来源: 网络整理| 查看: 265

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钢轨生产技术发展史

从时间上可以划分为三个阶段。

2.1 早期钢轨生产技术

这一时期生产技术主要特征是模铸、初轧、缓冷。工艺流程为：铁水→平炉（转炉）冶炼→锭模铸造→拔模→均热→1150开坯→堆垛→清理→上料→加热→开坯→三辊往复轧制→锯切→打号→冷却→缓冷→上垛→水平矫直→铣头→钻孔→淬火→探伤→检查→入库→运输。坯料生产主要工艺设备为500吨平炉/120吨转炉、11.4吨/9.6吨钢锭模、均热坑、1150初轧机、机械剪切机。钢轨轧制设备为二列横列式布置的轧机：950+800/800/850、950+760/760/760、800+650/650/650。长度75m钢轨热轧后热锯切为25m进行缓冷和后续的冷加工工序。950/800×2/850机列，是当时引进比较先进的生产设备，开坯、粗轧三架轧机采用胶木瓦轴承，精轧轧机为圆柱滚动轴承，轧机刚度高，径向弹跳小，产品精度高。

2.2 跨世纪钢轨生产技术

这一阶段的标志是连续铸造大方坯的投产，替代模铸开坯工艺，开启连铸坯轧制钢轨的时代。工艺流程为：铁水→脱硫→转炉冶炼→真空脱气→连续铸造→切割→堆垛→清理→上料→加热→开坯→三辊往复轧制→锯切→打印→冷却→缓冷→上垛→水平/垂直联合矫直→锯钻加工→淬火→探伤→检查→入库→运输+离线淬火。

2.3 新世纪钢轨生产技术

由于万能轧制生产线引进投产，国内钢轨生产技术迈上新的台阶，实现了一坯一轨的100m长尺生产模式，大大提高了钢轨实物质量水平。工艺流程为：铁水→转炉冶炼→连续铸造→切割→堆垛→上料→加热→开坯→万能往复轧制→液压打印→（余热淬火）→长尺预弯冷却→水平/垂直长尺矫直→长尺探伤→长尺锯钻加工→长尺检查→长尺入库→长尺运输。传统万能轧制虽然是先进工艺，但在生产中也发现一些固有的缺陷，由于轧制的非同时性钢轨前端和尾端轨高尺寸变化大，钢轨顶面自由充填，形状和表面光洁度难以保证，终轧道次控制手段不足。

技术创新

在钢轨生产过程中，在消化吸收外来技术的同时，研究基础理论的应用，在保证钢轨质量的前提下，开发了许多新的技术，总结起来具有代表性的有以下几项。

3.1 在线余热热处理技术

国内厂家于1993开始研究在线余热热处理的工艺与装置，先后有团队进行雾冷介质和压缩空气介质的研究开发，都取得了可观的成果，国内第一条余热全长淬火线于1998年建成。

1）冷却过程数值计算

为了高效低耗进行热处理研究，采用有限元计算技术对不同工况的冷却过程进行计算，研究内部温度变化规律，并与热电偶埋入法测量数据进行对比，系统分析冷却规律以指导实验室和工业试验。

钢轨热处理的冷却过程是钢轨穿过冷却区域，对于风冷模式计算处理比较简单，对于雾冷存在喷嘴冷却区和非急冷区的过程，可以把钢轨冷却假想为一个断面交替在喷嘴冷却区和非急冷区穿行，简化为在二维模型上施加强冷却和弱冷却循环的随时间变化的载荷，有利于数值计算，而不影响反映钢轨内部的变化规律，在此过程中忽略了钢轨形状变化产生的不稳定区域。因为关注焦点集中在轨头部分，所以取1/2轨头建立有限元计算模型，冷却计算过程主要考虑对流热传导，而忽略辐射散热的影响，假设材料是各向同性的，材质均匀无缺陷。

计算以100m钢轨头尾端的两个截面分别进行，以头端从轧机出钢开始，不考虑尾端变形升温和轧制过程的温度损失，计算的初始温度均为930℃，假设断面温度均匀，到热处理线入口时间尾端比头端晚117s考虑。为了研究内部的温度变化，按照断面硬度测量点的位置（图1）进行温度分析，增加中心表面下1mm处一点A，监测脉冲冷却对表面下的影响。

观察D点头尾端温度随时间变化曲线可知，起始点为热处理线入口，头尾端温度变化有稳定的规律，头端温度比尾端高10-15℃，计算温度虽然与测量温度有差异，但基本与测量值吻合，满足误差要求。从曲线上看出离开热处理线后钢轨表面温度是缓慢上升的，经监测表明表面回温到最高温度后开始缓慢下降。

观察踏面A0处温度与拉力试样位置B2的温度变化曲线可知，尾端B2点温度在冷却开始90s后开始进入目标温度区域，头端B2点温度由于来料温度高，在120s左右进入控制区域。虽然A0温度出现回温，但是B2点温度是一直在持续降低，出热处理线后略有温升，平均冷速在1.25-1.4℃/s之间。踏面A0温度在125s时由于回温会超过B2点的温度。

钢轨侧面D点温度作为工艺控制的主要观察参数，决定工艺调整的方向。钢轨侧面D点温度降低，B2点的温度也随之降低，冷却过程中表面返温不影响B2温度降低，但出热处理线D、B2点温度都有回升，但D点温度未高于B2点，二者趋于一致，接近目标温度的上限。

通过计算明确了脉冲式冷却除表面温度波动大外，表面下1mm处A的温度略有波动，对于内部观测点的温度没有造成脉冲式波动，温度的变化是连续的，稳定的。

计算表明，钢轨头尾两端初始温度的差异对冷却过程内部温度的变化有明显的影响，虽然感应加热对表面温度进行了补偿，但内部温度尾端相对头端仍然较低，会对组织转变造成差异。

2）实验室研究与工业生产

开展了U71Mn、U75V、U76CrRE钢轨的热处理实验研究，采取钢轨内部埋热电偶方式对冷却过程中钢轨内部温度变化进行研究，分析对比冷却喷嘴布置、风水压力参数对冷却效果的影响，确认金相组织，形成系统的工艺技术，实现热处理目标要求。

对于风水混合冷却过程，冷却策略可以是连续降温，也可以是先快速降温到目标温度，然后维持在较窄温度范围内。后一种是最理想的策略，可以实现在等温温度范围内的相对等温转变，完成最佳效果的组织转变。冷却过程的过冷度达到一定程度后，停止冷却短暂回温后表面和内部温度同步下降，所以可以高温出钢，不必继续加强冷却。

为了验证100m长钢轨同条稳定性，在同一支U75VH 60kg/m钢轨上每隔25m取1块样共5块试样（位置分别标记为-1、-2、-3、-4、-5），分别检验表面硬度、抗拉强度、断面硬度和组织，检验结果表明同条性能稳定，具体结果：200mm长钢轨试样表面修磨0.7mm后在HB3000型布氏硬度机上测试，每块试样测试5点，采用HBW10/3000/15方式，使用BRINTRONIC-MD全自动布氏硬度压痕测量系统计进行结果测量，结果如表1所示。拉伸测试使用10mm试样，标距50mm，在WDW-200型试拉伸验机上进行，每组两个试样，分别取自钢轨轨头左右侧，抗拉强度如表2所示。金相组织为细珠光体加少量铁素体，各部位结果见表2。钢轨断面硬度在EDMJ20型洛氏硬度机上进行测量，断面硬度要求见U75VH标准，首尾端检验结果均满足标准要求。通过对现场生产U75VH 60kg/m钢轨检验数据统计表明（表3），淬火工艺稳定，雾冷与风冷处理钢轨对比，性能指标差异不大。表明批量生产随机取样稳定性良好。热处理后钢轨在垂直和水平方向，平直无硬弯，处于顺直状态。

使用雾冷技术累计生产50多万吨热处理钢轨，在铁路线上安全使用。通过冷却技术的深入研究，自主开发了新型热风柔雾冷处理工艺及装置，可实现高效、低耗、稳定的热处理钢轨生产。

3.2 全万能轧制技术

传统万能轧制技术在开坯孔型轧出异型坯料后，在万能粗轧道次采用四辊万能孔型，成品采用半万能孔型，包钢从引进万能轧机开始，就在研究如何能实现成品孔的万能孔型设计，从而实现钢轨的全万能孔型轧制，达到最佳的轧制效果。把成品孔型由三辊改为四辊，实现四方向压缩，由此产生的问题是辊缝如何设置？

1）钢轨孔型比较

传统钢轨半万能孔型轨头辊缝设置在轨头顶面中央，由变形自由展宽形成轨顶弧面，受前孔孔型磨损、轧件温度波动、轧机轧制条件变化，顶面形状变化较大，严重时影响成品质量。钢轨成品孔型增加头部立辊后，立辊辊缝如何设置，决定轧件质量的稳定性和工艺调整的灵活性，非常关键。辊缝设置的典型方案分别为侧边开口孔型、下颚开口、角部开口，它们均可以实现立辊的灵活调整，后三种是重点研究方案。下颚开口孔型、侧边开口孔型因为开口位置特殊，所需要的成品前轧边孔与既有轧边孔型差异较大，需要单独设计，不能利用既有孔型系统；角部开口孔型基本尺寸与既有孔型一致，配套的资源基本没有变化，只是局部尺寸有微小修改。角部开口孔型因为辊缝设置在轨距角位置，成品前轧边孔对应的圆弧设计要留有足够余量，保证成品不过充；下颚开口孔型由于轧辊开槽较深，在被动的立辊作用下，轧件脱槽难度大，自重作用对轧件会产生不可预测的影响；侧边开口孔型要保证侧边的平直难度较大，即使孔型前后配合得当，但由于轧制条件的变化侧边会出现不规则的沟痕。

无论哪种结构的万能成品孔，对设备精度要求都是非常高，既影响外观质量又影响尺寸精度。

2）万能成品孔变形研究

采用有限元方法对不同开口位置的万能成品孔的变形情况进行了计算，分析了形状变化、质点位移，钢轨轨头顶面均为负位移，不存在正向的自由展宽，轨头外形充填饱满，在前后参数匹配的条件下三种开口方式均可以轧制出合格的钢轨断面。

针对不同开口位置三种孔型都要求成品前孔做出适应性的设计，以保证变形合理、尺寸可控。边部开口时，对应的轧边孔设计有相应的圆弧形凹陷，以防止成品开口处出现过充满缺陷，计算了两种圆弧半径的情况， R=30mm 和R=50mm，从计算结果看出，来料圆弧半径50mm时，成品轨头侧面比较平直，来料圆弧半径小于50mm侧面会有凹陷缺陷出现。设计时轧边孔侧面圆弧不应小于50mm为优选。由于钢轨轨头侧表面是质量评价的主要位置，任何异常变化都会影响钢轨质量，在钢轨生产中是禁忌之地，为避免意外，最好不选侧面开口。观察角部开口时的充填情况，结果发现，成品前孔轨头角部圆弧半径较大时，成品角部容易未充满，随着圆角半径减小，欠充满逐步改善，当半径达到15mm时成品孔角部充填基本饱满，但顶面略有不足，来料轨头侧壁由直线变为弧线时，成品角部形状比较完美。

对角部开口孔型计算结果表面轮廓点与标准断面轮廓进行比对，二者吻合程度良好，表明孔型结构设计是可靠的，能满足断面成型的要求。可以认为在既有轧辊条件下，保持UR、E轧辊孔型主体尺寸不动的条件下，仅仅改动UF孔型就可以实现简单的万能轧制，实现钢轨高度方向的尺寸控制，提高轨高精度，同时消除尾部局部高度过大（通常说的“高点”）的缺陷。

通过计算比较了几种孔型的变形，认为角部开口孔型是最易于实现的，推荐优先使用此种孔型结构。

3）全万能轧制实践

2008年在CCS500型万能轧机上试验了四辊角部斜开口万能成品孔型，试制方案采用既有万能粗轧孔型和轧边孔型，仅仅修改了成品孔型，由三辊变为了四辊，连续轧制8小时，生产1000吨60kg/m钢轨，总体尺寸良好，只是表面质量由于温度波动有部分钢轨出现轻微过充痕迹。2019年系统修改了万能孔型，在万能机列供料不变的条件下进行了试轧，采用接触式断面轮廓仪测量结果显示，实物轮廓与标准断面吻合较好。

轧机调整精度直接影响水平轧辊轧制线与立辊中心线对齐效果，对钢轨尺寸精度和外观形状造成严重影响。观察传统万能轧制和全万能轧制钢轨时在线轮廓仪测量的多支热态钢轨轨高波动情况，结果发现，无论哪种轧制方法，不同轧件的轨高变化沿107m长度方向是不相同的，随机的。传统万能轧制每支钢轨南北端是自由端，结合立辊轧制力轧制状态变化大的状况，表明端头尺寸波动相对较大，最大可达1.2mm；中部相对比较稳定，但是受孔型轨头顶部开口影响，温度变化、压下量变化都会导致轨高变化，波动能控制在1.0mm以内。全万能轧制方法生产的钢轨，由于高度方向受到控制，消除了自由展宽的影响，轨高波动范围明显比传统万能轧制方法小，且波动范围相对稳定，因为轧件存在温度不均和变形不均的现象不可能消除尺寸波动，但能控制107m长钢轨轨高波动在0.4mm以下,去掉两端切头的影响，钢轨本体轨高波动可以达到0.2mm的水平，但比率低于100%。轨高波动是指同一条钢轨各处轨高相对于钢轨高度最小值的变化值，通常说的“高点”是轨高波动的特殊情况、局部情况，指特定位置处1m长度范围内钢轨轨高波动，目前各厂家可以控制在0.2mm/m以下；采用全万能成品孔型可以达到0.16mm/m以下，配合其他措施有望达到0.1mm/m以下。

通过理论研究和现场试验表明，全万能轧制方法比传统万能轧制有明显优势，可以推广使用。对比了下额开口、侧边开口、角部开口三种成品孔型，认为角部开口最优，可控性好，断面尺寸精度高，表面过渡光滑，无棱角。采用全万能轧制技术生产的钢轨轨高尺寸精度提高，107m长度范围内轨高波动可以减小到0.4mm以下，配合其它措施有望达到0.2mm以下，进一步满足高速铁路发展的需要。

我国钢轨生产从品种单一、质量等级低经过长期的开发，轨型品种逐步丰富包含38-75kg/m断面，形状设计对称及非对称轮廓，钢种牌号形成系列覆盖强度880-1280MPa，满足了铁路建设运营需要，保障了国民经济平稳发展。广大技术人员在国外先进技术消化过程中积累沉淀了丰富的经验，只针对工艺、设备存在的问题进行研究，进而大胆改进创新，提出了新的工艺技术、设备，提高了钢轨产品实物质量，发展了钢轨生产技术，满足了铁路高速发展的需求。

目前我国钢轨生产技术、装备正在向信息化、智能化发展。在高质量发展的理念指导下，依靠自主自立自强，对标先进，钢轨生产技术必将向着低耗、绿色、高质量方向快速迈进。

本文节选自

《世界金属导报》15期 B04、B05

我国钢轨生产技术发展与创新 向低耗、绿色、高质量方向快速迈进

我国钢轨生产技术发展与创新向低耗、绿色、高质量方向快速迈进