高纯净度、高精度、低残余应力钢轨短流程生产工艺的制作方法

1.本发明涉及钢轨的生产工艺，是一种高纯净度、高精度、低残余应力钢轨的生产工艺。


背景技术：

2.钢轨是铁路所需的重要基础材料，其质量和性能的好坏直接关系到铁路运输的安全，特别是随着高速重载铁路的发展，对钢轨的质量和性能的要求进一步提高，钢轨的纯净度、尺寸精度一直是对铁路行车安全关键问题，钢轨因夹杂物和残余应力大，造成剥落、掉块等损伤，影响钢轨的疲劳寿命，这是一个世界性的难题。
3.目前世界各国钢轨生产工艺是采用长流程工艺，即高炉——转炉——精炼——真空脱气——连铸大方坯——开坯轧机开坯——万能轧机中轧制——半万能精轧——平立联合矫直机矫直——超声波探伤——机械加工。这种工艺存在的主要问题是：
4.(1)流程长，能耗高，对环境污染严重。
5.(2)冶炼浇注过程中，钢水易受到污染和二次氧化，造成钢中夹杂，使钢轨疲劳寿命降低，和钢轨伤损。
6.(3)如图2所示，普通连铸钢坯采用矩形断面1，但开坯轧机孔型设计是采用不对称不均匀变形，即使后部采用万能孔型设计，可以对从开坯轧机出来的钢坯的不对称进行矫正，但仍很难保证钢轨断面対称性和轮廓的完整性，影响钢轨几何尺寸精度。
7.(4)采用的平立联合矫直工艺矫直钢轨，由于是采用反复弯曲对钢轨进行矫直，这种工艺因矫直压力大，造成钢轨残余应力大，使钢轨的抗疲劳性能降低，影响钢轨的使用寿命。
8.另一种工艺是要求采用电炉 lf vd(rh)生产钢，采用真空水平连铸生产异形坯，采用全万能轧制，采用拉伸矫直。这种用真空水平连铸近终型异形坯 全万能轧制 拉伸矫直工艺，可以提高钢轨的纯净度、尺寸精度，降低残余应力提高钢轨抗疲劳寿命
9.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于，针对高速重载铁路用钢轨，提供一种高纯净度、高尺寸精度、低残余应力耐疲劳钢轨的生产新工艺。
11.本专利发明的短流程钢轨生产工艺，是针对目前长流程工艺存在的问题，提出的全新钢轨生产工艺流程，它包括冶炼、轧制和加工诸方面技术创新，全面提升钢轨性能。
12.为实现上述目的，本发明提供的高纯净度、高尺寸精度、低残余应力钢轨的生产工艺，依次包括冶炼、连铸、加热、初轧、中轧、精轧、冷却、矫直、在线热处理；
13.其中，所述冶炼采用电炉 lf vd(rh)生产，所述连铸采用真空水平连铸异形坯生产，所述轧制采用全万能轧制，所述矫直采用拉伸矫直。
14.所述真空水平连铸，是在保证在真空度1pa的条件下，对钢水连铸，防止钢水在浇
铸过程中不被二次氧化产生夹杂，同时还可以降低各种有害气体含量，要求钢轨中的a、b、c、d类夹杂控制小于1级，使钢轨中气体h、0、n元素含量分别达到1ppm、5ppm、12ppm以下，使钢轨纯净度达到纯净钢水平。真空水平连铸是中间包和结晶器在真空条件下工作，避免了钢水被氧化。
15.同时，由于是直接连铸成近终型异形坯，减少轧制道次，提高了钢轨尺寸精度。
16.本发明采用全万能轧机轧制新工艺，包括：由万能粗轧机组、万能中轧机组、万能精轧机组组成万能孔型系统和轧机，特别是万能精轧机组是采用全万能设计；由于整个万能孔型系统是采用对称设计，使钢坯的变形是均匀对称，使钢轨断面对称性改善，尺寸精度提高。
17.本发明采用拉伸矫直钢轨的新工艺，其矫直原理与目前平立联合矫直是根本不同的，是一种全新钢轨矫直技术。它是在钢轨的两端施加拉力，在拉力超过钢轨的屈服强度，就可使钢轨沿着长度方向原来不同长度的纤维变成相同长度，从而使钢轨得到矫直。这种拉伸矫直工艺的残余应力极低，和热轧后钢轨的残余应力差不多。而辊式矫直工艺是通过对钢轨进行反复弯曲进行矫直，矫直后的钢轨在轨头、轨底存在很大拉应力，这种拉应力在火车通过时，与轮轨接触应力叠加，往往造成钢轨的疲劳破损。而拉伸矫直不仅不会造成钢轨大的拉应力，而且还可以提高钢轨的屈服强度，有利于钢轨克服磨耗、剥离掉块，延长钢轨的使用寿命。
18.本工艺与现有技术相比，其有益效果为：钢轨杂质少、纯度高，钢轨轨型精度高，残余应力小。
附图说明
19.图1为本发明的工艺流程图；
20.图2为近终型连铸异型坯断面、连矩矩形坯断面与成品断面对比图；
21.图3为万能机组轧制工艺示意图；
22.图4为拉伸矫直装置示意图；
23.图5为真空水平连铸装置示意图。
具体实施方式
24.下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
25.实施例为一种高纯净度、高尺寸精度、低残余应力钢轨
26.如图1所示，生产方法依次为：
27.(1)冶炼：冶炼合金成分按重量百分数计为：c 0.70-0.80，mn 80-0.90，si0.6-0.75，cr 0.80-1.0，v 0.12-0.15，其余为fe。钢水经过电弧炉冶炼后，再用lf精炼和vd真空脱气，然后在真空度1pa的真空水平连铸机浇铸成近终型异形连铸坯，有效控制钢中的[o]、[h]、[n]的含量分别小于5ppm、1ppm、12ppm。
[0028]
炼钢采用优质废钢为原料，为保证钢水质量稳定，提高炼钢的效率，对废钢进行分选和预热，预热使用电炉高温炉气，经预热后的废钢送到电炉装炉。
[0029]
所用(超)高功率电炉，根据钢轨的设计产能和经济效率，选100吨以上级别的炉容，年产量在60万吨左右。该电炉具备专门用来喷吹石灰或碳粉的喷嘴，和供氧烧嘴，用于
吹氧熔化废钢、降碳。该电炉出钢和出渣的倾动装置，具备留钢操作功能。设有钢包预热器和带称重传感器的钢包运输车。
[0030]
(2)lf精炼：采用的精炼炉lf要具有对钢水加热吹氩和成分微调等功能，其顶盖有喂丝孔，炉底有透气砖，用于对钢水吹氩搅拌。
[0031]
(3)vd精炼：采用真空脱气vd罐。该罐在盖上盖后，经多级蒸汽喷射泵使罐内真空度达到小于30pa的真空，对钢水进行脱气。在脱气的同时还可对钢水进行调温和喂丝调整成分。经真空处理后的钢水，其氢的含量小于1.5ppm,氮的含量小于50ppm，氧的含量小于15ppm，钢水内的夹杂物数量减少90％以上。
[0032]
(4)真空水平近终型连铸：真空水平连铸设备如图5所示，在真空罐10内有装钢水20的中间包11，顶部有真空泵12用于真空罐抽真空，该设备在工作时的真空度达到1pa，其内的大容量中间包11底部有吹氩装置13以具备吹ar功能。在中间包11和结晶器15之间采用密封连接，并在两者之间设有分离环14，以控制钢水流动。结晶器15采用整体铜套段与水雾冷却组成，结晶器15是采用近终型铸坯断面长型多级设计，在结晶器15出口安装表面喷丸装置。在二冷段设电磁搅拌装置，拉坯装置17采用液压伺服系统控制以控制钢坯16拉出速度，铸坯采用火焰切割成定尺。
[0033]
如图2所示，真空水平连铸后形成的钢坯断面2为近终型连铸断面，即与最终成品钢轨断面3接近，且始终采用对称坯形，轧制道次少、精度高。
[0034]
切割后的铸坯经辊道送往冷床，在冷床检查后，送往加热炉加热。加热炉加热能力与轧机产能匹配。加热炉采用无氧化气氛设计，确保铸坯表面质量。
[0035]
(5)全万能机组轧制：铸坯要在轧制前和轧制之中要经过多次高压水除磷。如图3所示，首先在万能粗轧机组4粗轧，轧出所需要的轨型雏形。经切头切尾后，送到万能中轧机组5，轧出更接近成品形状；最后送到万能精轧机组6精轧。上述各万能轧机组，均由一架万能轧机 轧边机组成，经过万能轧机水平轧辊的碾压和立棍的垂直碾压，和轧边机的水平轧辊规整轨头轨底，整个万能孔型系统是采用对称设计，使钢轨的尺寸和外形均达到标准要求。整个全万能轧制是由计算机在线控制实现。
[0036]
(6)切头尾打印：切掉轨头尾的轨型不标准部分，对钢轨打印。
[0037]
(7)在线热处理：打印后需要热处理的钢轨直接送到热处理线进行在线淬火或回火处理。热处理生产线对不同材质的钢轨所需的显微组织进行在线处理。这条生产线具备可控加热、冷却速度功能。
[0038]
(8)冷却：经过热处理的钢轨或不需要热处理的钢轨，自然冷却至室温。
[0039]
(9)拉伸矫直：冷却后均由拉伸矫直机在钢轨的两端施加拉力，如图4所示，拉伸矫直机的液压缸7通过卡盘9固定住钢轨8的两端，两液压缸7对钢轨两端施加拉力。拉力超过钢轨的屈服强度，使钢轨沿着长度方向原来不同长度的纤维变成相同长度，从而使钢轨得到矫直，使钢轨的平直度达到标准要求。
[0040]
拉伸矫直机的矫直力1000吨，可矫直各种断面的钢轨。
[0041]
(10)喷丸强化：对钢轨进行喷丸强化。
[0042]
(11)质量检查：经过矫直的钢轨进入检测中心，在检测中心钢轨接受如下检测：
[0043]
——采用激光尺对钢轨全长进行水平和垂直方向的平直度检测
[0044]
——采用涡流检测装置对钢轨表面质量检查
[0045]
——采用超声波对钢轨内部缺陷检查
[0046]
(12)铣头钻孔：对检查合格的钢轨进行最后加工，用硬质合金锯钻机床进行铣头和钻孔。
[0047]
(13)成品检查、入库和跟踪：对机械加工后的钢轨进行出厂前的最后检查，合格者开具质量保证书。合格者入库，根据合同发货，并对发货后使用情况进行跟踪。
[0048]
整个生产线的管理、操作和各种检测是在人工智能和大数据的控制下，实现在线的计算机管理和调控。该系统具备自学习、自适应、自控制功能。完成从合同签订，生产计划指令下达、生产工序生产原料大型工具准备、生产指令下达、到从原材料、燃料存储、炼钢到轧钢到成品发货整个生产和经营系统的协调统一，全部实现自动化智能化精准管理。
[0049]
(14)检测结果
[0050]
经过真空水平连铸，通过控制在真空罐高真空度，和采用水平连铸减少钢水静压力后，使中间包内钢水被氧化的几率降低，从而使钢轨中非金属夹杂物大的幅度降低，检测结果如下：
[0051]
表1钢轨中非金属夹杂物等级
[0052][0053]
通过采用液压缸将拉力传递给卡盘，再通过卡盘对钢轨进行拉伸，使钢轨从弯曲状态达到平直后，经过拉伸矫直后，钢轨残余应力比辊式矫直降低，测定结果如下表2：
[0054]
表2不同工艺钢轨各部位残余应力值
[0055]
矫直方法轨头(mpa)轨腰(mpa)轨底(mpa)热轧 39-20～ 30 70辊式矫直工艺 290-110～-140 210拉伸矫直工艺 10-18～-210
[0056]
通过对钢水进行脱气和真空连铸，使原来融在钢水中的气体从钢水中逸出，钢轨
气体含量比普通工艺降低，钢轨中气体含量测定结果如下表3：
[0057]
表3不同连铸工艺钢轨中h、o、n含量值
[0058] [h]ppm[o]ppm[n]ppm目标1.51020普通连铸工艺1.51830真空水平连铸工艺0.8512
[0059]
钢轨经过拉伸矫直，屈服强度提高，钢轨性能测定如下表4:
[0060]
表4不同矫直工艺钢轨机械性能
[0061] 屈服强度(mpa)抗张强度(mpa)热轧轨512960辊式矫直工艺483945拉力矫直工艺596957
[0062]
采用近终型异形坯和全万能工艺，改善钢轨的尺寸精度，钢轨尺寸测定如表5：
[0063]
表5不同轧制工艺钢轨规格尺寸
[0064]