高速铁路钢轨生产技术及其性能

高速铁路钢轨生产技术及其性能

通过该小组，作者在1996年、1999年和2001年三次访问法国，研究了其钢制造技术。通过在法期间的技术交流,对钢坯生产过程和钢轨轧制过程等的现场参观及钢轨性能质量的跟踪检查,对具有国际先进水平的法国钢轨生产技术有了较为全面和直接的了解。法国是当今世界上高速铁路技术最为先进的国家之一。本文就法国高速铁路钢轨生产技术及其实物性能进行介绍,并与我国钢轨生产技术及其性能进行对比,供钢轨生产厂家和钢轨使用部门参考。1法国高速铁路轨道轨道的生产1.1钢轨残余应力的控制措施法国铁路部门对高速铁路钢轨提出下述要求:(1)钢轨生产厂家必须通过ISO9001质量管理体系标准的认证,质量管理体系必须完备;(2)应采用连铸坯生产钢轨;(3)应采用无铝脱氧工艺(以控制轨钢中的氧化铝夹杂物),并要求钢中的Al<0.005%;(4)应采用真空脱气,要求钢液中[O]≤20×10-6,[H]≤2.5×10-6;(5)对钢轨的残留元素应进行严格控制;(6)钢轨的力学性能:抗拉强度≥900MPa,钢轨走行面硬度≥HB260;(7)应有严格的几何尺寸公差和平直度;(8)严格控制钢轨中的残余应力;(9)对钢轨进行严格的超声波探伤检查;(10)对钢轨表面进行涡流探伤;(11)应对钢轨进行全长平直度自动在线检测。实际上上述具体要求均已包含在欧洲钢轨标准草案中(prEN13674-1)。1.2corus公司的钢轨生产欧洲钢铁集团为了更好地参与国际市场的竞争,对下属厂家生产的产品进行专门化分工的同时,还进行兼并重组。位于法国Meze附近Hayange(阿扬日)的Sogerail钢轨生产厂(原属于UsinorGroup的一部分),已于1999年10月被英钢联收购,与荷兰DutchGroupKoninklikeHoogovens一起成立了CORUS公司。Hayange工厂主要向法国铁路供货以及出口,其英钢联下属的另一家钢轨生产厂沃金顿工厂主要向英国国内供货。Hayange工厂,年产钢轨30万t左右,出口80多个国家,为当今世界上最先进的钢轨生产厂之一,尤其在高速铁路钢轨生产方面走在世界前列。Hayange工厂只做钢轨轧制,所用钢坯向Sollac工厂订购。1.3处理—钢坯生产Sollac工厂年产板坯160万t,方坯50万t。1978年7月新建2台240t氧气顶吹转炉;1979年8月新建2台炉外精炼(LadleFurnace)炉;1991年7月新建了铁水预处理(脱硫)设备;1994年1月新建2台真空脱气装置(TankDegasser);板坯连铸始于1979年12月,方坯连铸始于1994年1月。钢轨钢坯生产流程:生铁脱硫预处理—氧气顶吹转炉冶炼—除渣处理—LF炉外精炼—真空脱气—四流连铸—热锯钢坯。有2个罐专门用于铁水的脱硫预处理。成品钢轨的硫含量控制在0.008%～0.020%范围内。Sollac有2台转炉,每台容量为240t,一般情况下1台工作,1台备用,正常冶炼时间为25min。转炉冶炼后倒入罐里先进行脱渣处理,再进入LF(LaddleFurnace)炉进行炉外精炼。炉外精炼炉容量240t,采用三电极加热,熔融的钢水在这里进行充分的电磁搅拌,使得更为均匀,在此可以进行合金元素的加入,根据要求对化学成分进行调整。经过LF炉精炼后钢水的化学成分调整在一个很窄的范围内并且纯净度较高。钢水温度也进行了精确控制。采用无铝脱氧工艺,可使钢中的铝含量达到0～0.002%的水平。LF炉外精炼后进行真空脱气。使用在线检测装置检测钢中氢含量。一般,钢中氢含量≤2.5×10-6,氧含量≤20×10-6,氮含量≤40×10-6。真空脱气后进行四流连铸,连铸速度为0.95m/min,钢坯尺寸为260mm×320mm。钢坯一般采取堆垛缓冷,当钢中氢含量超过2.5×10-6时,对钢坯加罩缓冷。连铸坯用等离子火炬进行热切割,钢坯号自然热打印等。上述各过程全部采用电子计算机控制。1.4步进式加热炉Hayange高速铁路钢轨轧制工艺流程:连铸钢坯—步进式加热炉加热—高压水除鳞—普通轧机开坯,万能轧机轧制(总计11道次)—钢轨热预弯—平立复合矫直—平直度在线检测—表面涡流探伤—内部超声波探伤—外观检查—锯切,端头精加工—入库。步进式加热炉能使钢坯均匀加热,轧制温度可控,也使钢坯表面脱碳层深度控制在较小的范围内。在生产高速铁路用钢轨时,还对钢坯进行防脱碳涂层处理,这样,钢轨轧制后轨头工作面脱碳层一般在0.25mm以内。为了保证钢轨的表面质量,不仅对钢坯采用高压水除鳞,在随后的轧制以及矫直过程中均采用高压风除鳞。钢轨轧制,首先采用2台950型孔型轧机,轧制7道次,然后通过3台万能轧机各轧制一次,最后万能轧机精轧一次,总共经过11道次轧制。采用万能轧机轧制(是该厂发明的)至少有三大好处,即①改善钢轨头部材质均匀性(轧制压下量是直接加到轨头和轨底);②提高钢轨表面质量(轨头和轨底部分不存在轧辊的滑移);③提高断面尺寸的精度和稳定性(很容易对磨损后的轧辊进行调整)。1.5钢筋混合1.5.1钢圈安装为了减少矫后钢轨的残余应力,减少钢轨轨面的不平顺以及不产生矫痕,最大限度地保证钢轨表面质量,为此Hayange工厂采取下述措施。(1)术后钢板弯曲由于钢轨为工字形断面,轨头断面积大,自然冷却后钢轨必定上翘,矫前钢轨弯曲越大,矫直应力也越高。为了减少矫前钢轨弯曲,该厂采用矫前反向预弯的方法,使入矫直机前钢轨基本呈平直状态。(2)避免或减轻小程度,也减少残余应力法国TGV高速铁路多年使用表明,采用捣固车捣固的方法可以减轻或消除波长大于3m的轨面不平顺,采用打磨列车打磨的方法可消除波长小于0.8m的不平顺,而波长为1～3m的轨面不平顺只能通过改变矫直设备的矫直工艺的方法来避免或减轻到最小的程度,即达到0.3mm/3m和0.2mm/1m范围内。钢轨卧着进矫直机,先用9辊矫直机矫直轨头和轨底,然后用7辊矫直机矫直轨腰,这种卧矫工艺有利于减少钢轨残余应力。前4辊辊径为1220mm,后5辊辊径为1020mm,挨着轨头顶面的4辊中心距离分别为(从钢轨入口到出口)2000mm、2000mm、1600mm,挨着轨底面的5辊中心距离分别为(从钢轨入口到出口)2000mm、2000mm、1800mm、1600mm。钢轨经过上述9个辊卧矫后(矫钢轨头底部位),再经7辊立矫(矫轨腰)。采用上述联合矫直机矫直钢轨,其矫直应力小,残余应力低,能达到理想的钢轨平直度。钢轨在矫直时基本无噪音。(3)自然冷却由于用于轧制钢轨的连铸坯在冶炼时采用炉外精炼和真空脱气,并当钢中氢含量超过2.5×10-6时,对钢坯加罩缓冷,因此钢轨在生产过程中不再入缓冷坑缓冷,而在冷床上自然冷却。为防止钢轨在冷床上横向移动时刮伤,采用步进式冷床。1.5.2监测结果对钢轨端部3m范围内,采用激光探头对平直度进行检测,然后根据检测结果由四面液压矫直机进行钢轨端部0～3m范围内的矫直,以保证高速铁路钢轨端部平直度达到下述要求:垂直向上≤0.4mm/2m,垂直向下≤0.2mm/2m;水平方向≤0.5mm/2mm。1.6b钢轨轨顶表面涡流探伤图2、2.钢轨质量检测采用集中布置,全部在线完成,包括钢轨平直度激光自动检测(轨头顶面和轨头侧面均匀分布4个激光探头,检测钢轨头部顶面及侧面平直度);钢轨轨头顶面和轨底面表面涡流探伤(探测出>0.3mm深度的表面缺陷);钢轨超声波探伤(轨头、轨腰、轨底共计布置有17个独立的探头,采用ue001φ1.5mm平底孔当量进行缺陷标定,当有伤损波出现时,自动喷漆作记号,随后将待判钢轨吊至检测平台上再进行手工探伤以进一步确认,此时采用ue001φ2.0mm平底孔当量进行缺陷标定);钢轨表面质量在线肉眼检查。1.7生产钢轨加工线钢轨长尺生产不仅减少钢轨焊接接头,提高无缝线路安全使用性能,另外由于长尺生产使钢轨两端头切掉800mm以上成为可能,从而去掉了钢轨端头部位的矫直和探伤盲区,大大提高了钢轨端部的质量。该厂于1996～1998年间投资4000万美元对钢轨加工线进行改造,能进行80m长钢轨的生产(原来只能生产36m长钢轨),提高了钢轨生产能力。钢轨长尺生产后,该厂钢轨端头切除达1～1.5m。这些新的生产设备主要包括:(1)83m长的无摩擦热传输设备;(2)钢轨热预弯装置;(3)83m长的无摩擦冷床,具有足够的场地能使冷床出口处的钢轨温度小于60℃以便于矫直和检查。(4)钢轨质量检测中心,包括:采用激光对钢轨轨头顶面和侧面进行连续的在线平直度检测;对钢轨轨头顶面和轨底底面进行涡流探伤;钢轨内部质量超声波探伤;(5)可以用于肉眼在线检查钢轨四面质量的工位;(6)具有对钢轨端部进行四面压力矫直的两条钢轨精整加工线,布置在钢轨端部用砂轮倒棱和用样板检查几何尺寸以前;(7)用于长轨装车的同步起重机架。2成品钢的性能特征2.1素及气体含量(1)化学成分波动范围小,残留及有害元素以及气体含量低,见表1。(2)夹杂物少。B类(氧化铝)、C类(硅酸盐)夹杂物均不大于1级。(3)低倍组织好,偏析小。2.2光反应检测结果法国钢轨表面质量很好,基本上找不到表面缺陷。几何尺寸精度高,达到规定的要求。钢轨端头及本体平直度高。Hayange工厂采用在线激光平直度自动检测装置对钢轨全长(长尺钢轨)平直度进行检测。从检测结果可知,钢轨端头及轨身垂直方向可达到≤0.2mm/3m(要求≤0.3mm/3m),水平方向可达到≤0.20mm/1.5m(要求≤0.45mm/1.5m)。钢轨端部1m扭曲均小于0.40mm,抽查20支钢轨平均为0.234mm。将长尺钢轨放在检测台上,用肉眼基本看不出钢轨全长有上下弯曲和侧弯曲。3我国钢轨主要生产设备自1998年,铁道部决定修建秦沈客运专线并组织起草和颁布“时速200公里客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件”以来,国内钢轨生产厂家纷纷进行技术改造以生产出高速铁路用钢轨。截止到2001年7月,国内钢轨生产厂家技术改造情况如下。(1)生产钢轨生产设备“八五”期间包钢就进行了以连铸为标志的炼钢技术改造,实现了采用连铸坯生产钢轨的工艺路线,也是国内第一条采用连铸坯生产钢轨的生产线。其中引进了德国技术的LF钢包精炼炉,VD真空脱气装置,大方坯连铸机,并进行了顶底复吹转炉和铁水镁基脱硫的技术改造。与此同时,轧制方面也进行了改造,先后建成了由加热炉微机控制加热系统,高压水除鳞系统,奥地利引进的钢轨打印机和锯钻联合机床,四面液压矫直机等组成的第三条重轨加工线。(2)生产生产钢轨自包钢以后,鞍钢已于2001年4月完成了采用连铸坯生产钢轨的技术改造(包括100t转炉,LF精炼炉,VD真空脱气装置,四流大方坯连铸),并新建了钢轨精加工线(采用纵列式布置,可生产50m长钢轨,新引进平—立复合矫直机,四面压力矫直机)和钢轨检测中心(新引进激光平直度在线检测仪,涡流表面探伤仪,超声波探伤仪等),并计划在2002年10月完成万能轧机轧制钢轨的技术改造。(3)刑罚执行方面,我国仍有推进两大必重点工作攀钢在钢轨研究方面做了大量的工作,在国内率先生产出满足“时速200公里客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件”的钢轨并已铺设在秦沈客运专线上。现正在进行大方坯连铸技改。钢轨检测中心、万能轧制、钢轨长尺生产等技改工作正在与外