钢轨生产技术

1、2钢轨种类及断面特性 钢轨生产技术 1钢轨发展概况 3钢轨轧制生产工艺4钢轨钢研究现状与未来11 钢轨的起源及演变 铁路运输是在1617世纪由马车运输发展起来的。钢轨最早的形式是木质轨。大约1767年出现铸铁轨,标志钢轨的开始。m长的铸铁板。蒸汽机作为动力牵引货车和客车，推动了铁路运输和钢轨的发展。英国人乔治史蒂文森在1829年他设计出了被称为“火箭”的机车。11 钢轨的起源及演变 从1767年以后一直到大约1830年，人们一直是生产、使用铸铁轨，这种铸铁轨大多为T字形状，车轮在轨头突缘的限制下可防止下道。 1831年波奥奥埃伯设计出单重18kg工字形轨，其断面轮廓已接近我们现代钢轨。在这之后

2、又有人设计出U形断面轨和其他形状轨，但这些断面轨均在行车实贱中逐步被淘汰。到1858年，钢轨的形状基本固定下来，即工字形面，那时的钢轨单重达38kg。 11 钢轨的起源及演变 kg。从那时起直到现在，经历了130余年，钢轨断面形状几经修改变化，但基本上保持了1865年所设计的工字形断面形状。由于机车动力的扩大，钢轨断面尺寸随之不断增加。kg，kg，kg轨kg重型轨。 12 钢轨的发展趋势 普遍采用重型断面钢轨50年代平均轨重4350kgm，60年代平均轨重 4952kgm，70年代平均轨重5265kgm。 目前各国铁路采用钢轨的最大单重为：中国60kgm及75kgm轨前苏联65kgm及75kg

3、m轨日本60kgm轨，法国60kgm轨，英国57kgm轨，美国68kgm，意大利64kgm轨，波兰60kgm轨。 12 钢轨的发展趋势 普遍采用重型断面钢轨从钢轨单重看各国普遍认为：在大轴重、大运量的重载线路上应使用6075kgm钢轨。在车速小于160kmh的普通客运线路上应使用5060kgm钢轨在车速超过160kmh的准高速及高速线路上应采用6065kgm钢轨。 12 钢轨的发展趋势 研究开发马氏体或贝氏体钢轨钢 在钢轨的材质上随着钢轨工作条件的不断苛刻，对钢轨性能也逐步提出了更高要求，要求钢轨钢的抗拉强度从800MPa到900MPa到1100MPa，硬度从300HB到350HB到388HB

4、。开发了碳素钢轨钢，且研制了合金钢轨钢和热处理钢轨钢。目前正开始研究马氏体或贝氏体钢轨钢，以获得比珠光体钢更好的断裂韧性、耐磨性和抗疲劳性能。 13 中国钢轨的发展 我国的钢轨生产大约是从1894年开始的，由湖北汉阳铁厂生产。kgmkgm的各种断面钢轨。建国后，先后兴建了鞍钢大型厂、武钢大型厂、包钢轨梁厂和攀钢轨梁厂等。这些厂经过多年现代化改造，现已形成钢轨生产能力达150万ta。 21 钢轨的品种 根据用途的不同，现代钢轨可以分为三类：矿山铁路用轻轨、客货运铁路用重轨、吊车轨根据钢种的不同，钢轨又可以分为：碳素轨、合金轨和热处理轨三种。按钢轨的力学性能，通常钢轨分为三类：普通轨，它是指抗张强

5、度不小于800MPs的钢轨；高强轨，它是指抗拉强度不小于900MPa的钢轨；耐磨轨，它是指抗拉强度不小于1100MPa的钢轨。 21 钢轨的品种 矿山铁路用轻轨中国主要有：9kgm、12kgm、15kgm、22kgm、30kgm五种日本主要有：6kgm、9kgm、10kgm、12kgm、15kgm、22kgm六种。客货运铁路重轨中国主要有：38kgm、43kgm、50kgm、60kgm、75kgm五种。日本主要有：30kgm、37kgm、40kgm、50kgm、60kgm五种。22 钢轨断面特点和发展趋势 铁路车速和轴重的不断提高，要求钢轨具有更大的刚度和更好的耐磨性。为使钢轨具有足够的刚度，

6、可适当增加钢轨高度，以保证钢轨有大的水平惯性矩。同时为使钢轨有足够的稳定性，在设计轨底宽度时应尽可能选择宽一些。为使刚度与稳定性匹配最佳，各国通常在设计钢轨断面时控制其轨高与底宽之比，即HB。一般HB控制在1.151.248。22 钢轨断面特点和发展趋势 改进轨头断面设计也是提高刚度和耐磨性方法之一。各国在轨头踏面设计上遵循了这样一条原则：轨顶踏面圆弧尽量符合车轮踏面的尺寸，即采用了轨头在接近磨耗后的踏面圆弧尺寸。UIC的60kgm钢轨，轨头圆弧R300R80R13；kgm钢轨，轨头圆弧R254R31.75R9.52；前苏联的65kgm钢轨，轨头圆弧R500R80R15；22 钢轨断面特点和发

7、展趋势 日本的60kgm钢轨，轨头圆弧R600R50R13。中国的60kgm和75kgm轨头圆弧R300R80R13和R500R80R15 现代钢轨轨头断面设计的主要特点是采用复曲线，三个半径。在轨头侧面则采用上窄下宽的直线型，直线斜度一般为1:201:40。在轨头下腭处多采用斜度较大的直线，其斜度一般为1:31:4。22 钢轨断面特点和发展趋势 在轨头与轨腰过渡区为减少应力集中所造成的裂缝，增加鱼尾板与钢轨间的摩擦阻力，在轨头与轨腰过渡区也采用复曲线，在腰部采用大半径设计。UIC的60kgm钢轨，其轨头与腰过渡区采用R7R35R120。日本的60kgm轨，其轨头与腰过渡区采用R19R19R5

8、00。22 钢轨断面特点和发展趋势 在轨腰与轨底过渡区，为实现断面平稳过渡，也采用复曲线设计，逐步过渡与轨底斜度平滑相连。UIC60kgm轨，采用R120R35R7；日本60kgm轨，采用R500R19；中国的60kgm轨，采用R400R20。22 钢轨断面特点和发展趋势 轨底底部全是采用平底，以使其断面有很好的稳定性。轨底端面均采用直角，然后用小半径圆角，一般采用R4R2。轨底内侧多采用两组斜线设计，斜线斜度有的采用双斜度，也有的采用单斜度。UIC60kgm轨，采用1:2.75+1:14双斜度；日本的60kgm轨，则采用1:4单斜度；中国60kgm轨采用1:3+1:9双料度。31 现代钢轨生

9、产工艺 目前，世界上主要采用两种现代钢轨生产工艺：长流程工艺、短流程工艺。 31 现代钢轨生产工艺 31 现代钢轨生产工艺 32 钢轨轧制孔型系统 钢轨孔型系统分为两类：一类为孔型轧制法孔型系统，另一类为万能轧制法孔型系统。两者不同之处在于对具有初步轨形的轧件的进一步加工和最终加工方法上。孔型法是继续在二辊式轧机(或三辊式轧机)上采用闭口式轨形孔进行中轧和精轧。万能法是在万能轧机（包括二辊轧边机）上采用万能孔型进行中轧和精轧。32 钢轨轧制孔型系统 钢轨孔型系统一般采用：箱形孔、梯形孔、帽形孔和轨形孔。两种轧制法在钢轨粗轧阶段均采用箱形孔（或梯形孔）、帽形孔和轨形进行开坯。通常采用35个帽形孔

10、，帽形孔配置在二辊式可逆开坯轧机上 。粗轧轨形孔也多配置在二辊式可逆轧机上，轧件在粗轧轨形孔中变形，并逐渐接近成品钢轨断面尺寸。 33 钢轨孔型设计 国内60kgm钢轨孔型设计 我国60kgm钢轨断面采用铁道部推荐断面，轨高176mm、头宽73mm、mm、底宽150mm、cm2、kgm。轧机为950800轨梁轧机，原料为300mm350mm初轧坯，压缩比为13.5。采用包括两个箱形孔、一个梯形孔、三个帽形孔和五个轨形孔的孔型系统。33 钢轨孔型设计 孔型系统的特点：吸收了万能法大压下系数的优点，设置了一个梯形孔，使轧件变成一个高的矩形，有利于轧件在帽形孔中能得到较大的压下量，与改善轨头和轨底质

11、量；在第一个帽形孔底部采用高的切楔和较大的张开角度及圆弧半径，以利强化轨底；轨形孔腰部均采用不等厚设计，以增加腿根部压下量和宽展量，保证腿长的增长，同时适当减小轨形孔宽展量，以保证轨高尺寸。 33 钢轨孔型设计 国内75kgm钢轨孔型设计 75kgm钢轨断面采用前苏联国家标淮断面，即轨高192mm、轨头宽75mm、底宽150mm、腰厚20mm、断面面积95cm2。 轧机为950800轨梁轧机，原料为300mm330mm初轧坯，压缩比为13.5。采用1个梯形孔、3个帽形孔和5个轨形孔孔型系统。其主要特点是在第一个荒轧帽形孔设计上采用较大的压下系数，以强化轨头、轨底。33 钢轨孔型设计 国外某厂6

12、76kgm钢轨及60kgm钢轨孔型设计 以连铸矩形坯为原料，采用包括四个帽形孔、七个轨形的孔型系统。四个帽形孔全设计在第一架二辊式粗轧机上，粗轧轨形孔(即切深孔)则放在第二架二辊式粗轧机上。中轧则采用万能轧机加轧边机组成的中轧机组，轧件在其上进行单道次或多道次可逆轮制。为保证成品尺寸，轧件在精轧机上仅轧一道。精轧机是由半万能精轧机与轧边机组成的。 34 钢轨矫直 在钢轨标准中各国均做出严格规定，即成品钢轨必须以平直状态交货，就必须对钢轨进行矫直。钢轨的矫直过程是一个弹塑性变形的复杂过程。可分成两个阶段：反向弯曲阶段和弹性恢复阶段。在反向弯曲阶段，钢轨受到外力和外力矩作用，产生弹塑性变形；在弹性

13、恢复阶段，钢轨在存储在自身内的弹性变形能的作用下，力图恢复到原来的平衡状态。34 钢轨矫直 钢轨矫直几何条件：钢轨矫直应力条件：s矫b 34 钢轨矫直 钢轨矫直有三种工艺：压力矫直工艺、辊式矫直工艺和拉仲矫直工艺。压力矫直工艺速度低，仅用于对钢轨进行补充矫直。钢轨常规矫直主要采用辊式矫直工艺。在辊式矫直中又分为大变形量矫直与小变形量矫直。采用大变形量矫直钢轨可以用较少的矫直棍对钢轨进行矫直，但往往使钢轨的残余应力较大。用小变形量矫直，则需要较多的娇直辊，但钢轨的残余应力较小。34 钢轨矫直 辊式矫直工艺存在两种弊病：一是造成钢轨残余应力大。过大的残余应力将会威胁列车的行车安全，减少钢轨寿命；m

14、mm)的要求。34 钢轨矫直 法国从1976年开始研究新的钢轨矫直工艺，到1981年发明了钢轨拉伸法矫直的新工艺。 采用这种工艺，可以保证钢轨具有高的平直度精度和微小的残余应力。 拉伸矫直是在钢轨两端施加大于被矫钢轨钢屈服强度的拉力，钢轨在拉力作用下，沿其长度方向伸长，伸长多少取决于平直度要求。 与辊矫工艺相比，拉伸矫直钢轨残余拉应力仅为辊式矫直的110。34 钢轨矫直 用900MPa级UIC60kgm钢轨和1100MPa级136RE合金轨进行比较试验，拉伸矫直与辊式矫直相比：钢轨的裂纹扩展时间要延长4060，且具有低的疲劳扩展速度。总的使用寿命，拉伸矫直钢轨增加3050，其疲劳表面积增加50

15、以上，使钢轨寿命延长40。经过拉伸矫直，UIC耐磨轨屈服强度提高70Mpa，136RE合金轨屈服强度提高90MPa。35 钢轨热处理工艺 钢轨热处理工艺按其原理分为三大类 ：淬火回火工艺(QT工艺) 、欠速淬火工艺(SQ工艺) 、控制轧制加在线热处理工艺，也称形变热处理 。淬火回火工艺按加热方法可分为两种： 感应加热轨头淬火工艺 、整体加热整体淬火工艺 。欠速淬火工艺按加热方法可分为三种： 感应加热欠速淬火工艺 、煤气加热欠速淬火工艺 、余热热处理的欠速淬火工艺 。35 钢轨热处理工艺 感应加热轨头淬火工艺美国钢铁公司的格里厂、新日铁的八幡、乌克兰的亚速厂等均是采用上述工艺。通过电感应加热，使

16、钢轨加热到A3以上50，然后空冷到750，喷吹压缩空气，使钢轨冷却到500左右，进行自热回火。这种工艺生产稳定，对环境无污染，生产方式灵活，缺点是设备一次性投资大、能耗高。35 钢轨热处理工艺 整体加热整体淬火工艺 前苏联下塔吉尔、库兹涅获克厂、美国伯利恒的斯蒂尔顿厂都采用这种工艺。采用煤气对钢轨整体加热，然后在油中或温水中进行整体淬火，淬火后的钢轨在450一500进行回火。这种工艺特点是产量高，淬火硬度均匀，可提高全断面钢轨的强韧性。35 钢轨热处理工艺 欠速淬火工艺是把钢轨加热到奥氏体化温度后，用淬火介质缓慢冷却进行淬火，直接淬成淬火索氏体(不回火)，即细微珠光体，其力学性能、抗疲劳性能、

17、耐磨耗性均比由QT工艺得到的回火马氏体要好。 中国攀钢采用的就是感应加热欠速淬火工艺。mmin。该工艺直接得到淬火索氏体，即细片状珠光体。 35 钢轨热处理工艺 煤气加热欠速淬火工艺 用煤气将钢轨预热到450，然后快速加热到奥氏体化温度，喷吹压缩空气将钢轨直接淬火成淬火索氏体，即细微珠光体。日本钢管福山厂采用该工艺。余热处理的欠速淬火工艺 利用钢轨在轧制后有800900的高温，直接对钢轨在专门的冷床上进行喷雾或压缩空气淬火。最大优点是节能降低成本，但存在淬火质量均匀性问题。新日铁八幡、卢森堡阿尔贝特罗丹厂采用该工艺。35 钢轨热处理工艺 控制轧制加在线热处理工艺，也称形变热处理 目前仍处于实验

18、阶段。 把钢坯加热到9601100，降温到850960左右在万能轧机上进行中轧和精轧。轧后用水雾进行快速冷却到550600，然后在空气中最终冷却。轨头的金相组织是比普通热处理还要细微的珠光体，屈服强度900980MPa，抗张强度12801330MPa，伸长率1011，断面收缩率3346。41 钢轨钢的现状 钢轨钢按化学成分分为： 碳素钢轨钢、合金钢轨钢。钢轨钢按热处理状态分为： 轧制态钢轨钢、热处理钢轨钢（淬火态钢轨钢）钢轨钢按用途分为： 普通钢轨钢、高强钢轨钢、耐磨钢轨钢钢轨钢按金相组织分为： 亚共析钢轨钢、珠光体钢轨钢、过共析钢轨钢、 索氏体钢轨钢、贝氏体钢轨钢、马氏体钢轨钢41 钢轨钢的

19、现状 目前研究和使用的主要是 珠光体型或索氏体型的碳素钢轨钢、合金钢轨钢和的热处理钢轨钢碳素钢生产成本最低，但组织为较粗大的珠光体，强度和韧性不很理想。合金钢轨钢是利用Mn、Cr、Mo、V等元索来提高其强度，改善其韧性，可获得细化珠光体组织，但焊接性能不如碳素钢轨钢，而且生产成本也高 。热处理钢轨钢主要通过热处理获得细微珠光体组织，是综合性能最好的钢轨钢，热处理设备投资较大。 42 珠光体钢轨钢的组织性能 珠光体钢轨钢的组织 碳素钢轨钢碳含量一般在0.60.8，组织为珠光体及少量铁素体。 对于片层状珠光体组织，其影响性能的主要几何参数为珠光体团尺寸、珠光体片间距和渗碳体片厚度。渗碳体片层平均厚

20、度与珠光体片间距存在如下关系：42 珠光体钢轨钢的组织性能 珠光体钢轨钢的力学性能与成分、组织的关系 据德国卡契德费尔教授测定，珠光体钢的只取决于位错的平均自由行程或珠光体片间距。 屈服强度与珠光体片间距存在如下关系：屈服强度与珠光体片间距及成分统计关系：42 珠光体钢轨钢的组织性能 抗拉强度与珠光体片间距及成分统计关系：脆性转变温度与组织的统计关系 ：42 珠光体钢轨钢的组织性能 珠光体钢轨钢的变形性能与组织的关系 1957年巴雷斯提出了等幅脉动循环下亚临界裂纹扩展速度的计算式： 对在KIc不能有效测定时，尤其是试样尺寸比有效KIc测定所需尺寸小很多情况下，则试样强度比作为材料韧性相对度量更

21、有意义： 42 珠光体钢轨钢的组织性能 从断裂力学角度对金属材料韧性提出了三个判据，即KIc、Rsb和dadN。有关单位曾对具有不同原始组织和断裂韧性KIc值的钢轨钢断口进行扫描电镜观察，发现无论是拉伸断口，还是KIc断口，其微观形态均是准解理断裂，其特征是在小断面上存在典型晶体解理特征，如河流样花纹，但有延性断裂特征，如撕裂岭和塑坑带。 42 珠光体钢轨钢的组织性能 具有细片层间距(0.11m)的珠光体组织，形变开始时主要在铁素体中进行，铁素体中的滑移带常常穿过珠光体组织，产生形变带。有时把渗碳体片层分割成许多碎段。在珠光体团周围的铁素体中，形变十分明显，常常迫使它整体旋转。细片层组织形变范

22、围较广，滑移分布均匀，并发展为渗碳体片层弯曲现象；而粗片层组织(110m)形变很不均匀，主要在剪切形变带中进行。 42 珠光体钢轨钢的组织性能 在具有片层状珠光体组织中，渗碳片层有一定范性形变能力，且随着片层间距的减小，变形能力增加。对具有细珠光体片层的钢，在拉伸时渗碳体片可能发生滑移、弯曲现象、其断裂机制与两相组织相同。对具有粗珠光体片层的钢，其塑性变形能力下降，断裂过程遵循脆性断裂机制。要使珠光体钢既有高的强度，又有良好的韧性，应设法减小其渗碳体片层厚度、珠光体片间距和珠光体团尺寸。 42 珠光体钢轨钢的组织性能 珠光体钢轨钢成分与组织的关系在碳含量一定时，如增加钢中锰或铬的含量，则可显著

23、减小珠光体片间距。对于含钒钢，通过含钒碳、氮化物在奥氏体中沉淀析出的沉淀硬化，而使晶拉细化。每含0.1的钒可使钢的屈服强度提高60MPa。对于采用热处理工艺的钢轨钢，其各种合金元素的作用是有一定限度的。在碳素钢轨钢中，锰含量上限为1.7，铬含量上限为1.4，镍含量上限为2，钒含量上限为0.7，钼含量上限为0.1。 42 珠光体钢轨钢的组织性能 为发展高性能钢轨钢，各国采取了不同的方法。以美国为代表的北美国家采用高碳钢轨钢。欧洲一些国家则采用低中碳中锰钢轨钢。UIC吸收了美国高碳钢轨钢耐磨的优点和欧洲低碳中锰钢轨钢韧性好的优势，设计了UIC900MPa级钢轨钢。日本国铁在研究了高速铁路运行特点的基础上，提出了900MPa级三种钢轨钢的成分。 43 合金钢轨钢 随着人们对珠光体钢组织、成分与性能之间关系研究的探索，发现在碳素钢基础上加入适量合金元素，可有效地减小珠光体团尺寸、珠光体片间距和渗碳片厚度，从而提高钢轨钢屈服强度和抗拉强度。 世界各国开发珠光体型合金钢轨钢主要有三种类型： CrNbV合金钢轨钢、CrV合金钢轨钢、CrMo合金钢轨钢 44 21世纪铁路的新型钢轨钢