高速鐵路鋼軌生產(chǎn)技術(shù)及其性能

高速鐵路鋼軌生產(chǎn)技術(shù)及其性能

通過該小組，作者在1996年、1999年和2001年三次訪問法國，研究了其鋼制造技術(shù)。通過在法期間的技術(shù)交流,對鋼坯生產(chǎn)過程和鋼軌軋制過程等的現(xiàn)場參觀及鋼軌性能質(zhì)量的跟蹤檢查,對具有國際先進(jìn)水平的法國鋼軌生產(chǎn)技術(shù)有了較為全面和直接的了解。法國是當(dāng)今世界上高速鐵路技術(shù)最為先進(jìn)的國家之一。本文就法國高速鐵路鋼軌生產(chǎn)技術(shù)及其實物性能進(jìn)行介紹,并與我國鋼軌生產(chǎn)技術(shù)及其性能進(jìn)行對比,供鋼軌生產(chǎn)廠家和鋼軌使用部門參考。1法國高速鐵路軌道軌道的生產(chǎn)1.1鋼軌殘余應(yīng)力的控制措施法國鐵路部門對高速鐵路鋼軌提出下述要求:(1)鋼軌生產(chǎn)廠家必須通過ISO9001質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證,質(zhì)量管理體系必須完備;(2)應(yīng)采用連鑄坯生產(chǎn)鋼軌;(3)應(yīng)采用無鋁脫氧工藝(以控制軌鋼中的氧化鋁夾雜物),并要求鋼中的Al<0.005%;(4)應(yīng)采用真空脫氣,要求鋼液中[O]≤20×10-6,[H]≤2.5×10-6;(5)對鋼軌的殘留元素應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制;(6)鋼軌的力學(xué)性能:抗拉強度≥900MPa,鋼軌走行面硬度≥HB260;(7)應(yīng)有嚴(yán)格的幾何尺寸公差和平直度;(8)嚴(yán)格控制鋼軌中的殘余應(yīng)力;(9)對鋼軌進(jìn)行嚴(yán)格的超聲波探傷檢查;(10)對鋼軌表面進(jìn)行渦流探傷;(11)應(yīng)對鋼軌進(jìn)行全長平直度自動在線檢測。實際上上述具體要求均已包含在歐洲鋼軌標(biāo)準(zhǔn)草案中(prEN13674-1)。1.2corus公司的鋼軌生產(chǎn)歐洲鋼鐵集團為了更好地參與國際市場的競爭,對下屬廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行專門化分工的同時,還進(jìn)行兼并重組。位于法國Meze附近Hayange(阿揚日)的Sogerail鋼軌生產(chǎn)廠(原屬于UsinorGroup的一部分),已于1999年10月被英鋼聯(lián)收購,與荷蘭DutchGroupKoninklikeHoogovens一起成立了CORUS公司。Hayange工廠主要向法國鐵路供貨以及出口,其英鋼聯(lián)下屬的另一家鋼軌生產(chǎn)廠沃金頓工廠主要向英國國內(nèi)供貨。Hayange工廠,年產(chǎn)鋼軌30萬t左右,出口80多個國家,為當(dāng)今世界上最先進(jìn)的鋼軌生產(chǎn)廠之一,尤其在高速鐵路鋼軌生產(chǎn)方面走在世界前列。Hayange工廠只做鋼軌軋制,所用鋼坯向Sollac工廠訂購。1.3處理—鋼坯生產(chǎn)Sollac工廠年產(chǎn)板坯160萬t,方坯50萬t。1978年7月新建2臺240t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐;1979年8月新建2臺爐外精煉(LadleFurnace)爐;1991年7月新建了鐵水預(yù)處理(脫硫)設(shè)備;1994年1月新建2臺真空脫氣裝置(TankDegasser);板坯連鑄始于1979年12月,方坯連鑄始于1994年1月。鋼軌鋼坯生產(chǎn)流程:生鐵脫硫預(yù)處理—氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉—除渣處理—LF爐外精煉—真空脫氣—四流連鑄—熱鋸鋼坯。有2個罐專門用于鐵水的脫硫預(yù)處理。成品鋼軌的硫含量控制在0.008%～0.020%范圍內(nèi)。Sollac有2臺轉(zhuǎn)爐,每臺容量為240t,一般情況下1臺工作,1臺備用,正常冶煉時間為25min。轉(zhuǎn)爐冶煉后倒入罐里先進(jìn)行脫渣處理,再進(jìn)入LF(LaddleFurnace)爐進(jìn)行爐外精煉。爐外精煉爐容量240t,采用三電極加熱,熔融的鋼水在這里進(jìn)行充分的電磁攪拌,使得更為均勻,在此可以進(jìn)行合金元素的加入,根據(jù)要求對化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過LF爐精煉后鋼水的化學(xué)成分調(diào)整在一個很窄的范圍內(nèi)并且純凈度較高。鋼水溫度也進(jìn)行了精確控制。采用無鋁脫氧工藝,可使鋼中的鋁含量達(dá)到0～0.002%的水平。LF爐外精煉后進(jìn)行真空脫氣。使用在線檢測裝置檢測鋼中氫含量。一般,鋼中氫含量≤2.5×10-6,氧含量≤20×10-6,氮含量≤40×10-6。真空脫氣后進(jìn)行四流連鑄,連鑄速度為0.95m/min,鋼坯尺寸為260mm×320mm。鋼坯一般采取堆垛緩冷,當(dāng)鋼中氫含量超過2.5×10-6時,對鋼坯加罩緩冷。連鑄坯用等離子火炬進(jìn)行熱切割,鋼坯號自然熱打印等。上述各過程全部采用電子計算機控制。1.4步進(jìn)式加熱爐Hayange高速鐵路鋼軌軋制工藝流程:連鑄鋼坯—步進(jìn)式加熱爐加熱—高壓水除鱗—普通軋機開坯,萬能軋機軋制(總計11道次)—鋼軌熱預(yù)彎—平立復(fù)合矯直—平直度在線檢測—表面渦流探傷—內(nèi)部超聲波探傷—外觀檢查—鋸切,端頭精加工—入庫。步進(jìn)式加熱爐能使鋼坯均勻加熱,軋制溫度可控,也使鋼坯表面脫碳層深度控制在較小的范圍內(nèi)。在生產(chǎn)高速鐵路用鋼軌時,還對鋼坯進(jìn)行防脫碳涂層處理,這樣,鋼軌軋制后軌頭工作面脫碳層一般在0.25mm以內(nèi)。為了保證鋼軌的表面質(zhì)量,不僅對鋼坯采用高壓水除鱗,在隨后的軋制以及矯直過程中均采用高壓風(fēng)除鱗。鋼軌軋制,首先采用2臺950型孔型軋機,軋制7道次,然后通過3臺萬能軋機各軋制一次,最后萬能軋機精軋一次,總共經(jīng)過11道次軋制。采用萬能軋機軋制(是該廠發(fā)明的)至少有三大好處,即①改善鋼軌頭部材質(zhì)均勻性(軋制壓下量是直接加到軌頭和軌底);②提高鋼軌表面質(zhì)量(軌頭和軌底部分不存在軋輥的滑移);③提高斷面尺寸的精度和穩(wěn)定性(很容易對磨損后的軋輥進(jìn)行調(diào)整)。1.5鋼筋混合1.5.1鋼圈安裝為了減少矯后鋼軌的殘余應(yīng)力,減少鋼軌軌面的不平順以及不產(chǎn)生矯痕,最大限度地保證鋼軌表面質(zhì)量,為此Hayange工廠采取下述措施。(1)術(shù)后鋼板彎曲由于鋼軌為工字形斷面,軌頭斷面積大,自然冷卻后鋼軌必定上翹,矯前鋼軌彎曲越大,矯直應(yīng)力也越高。為了減少矯前鋼軌彎曲,該廠采用矯前反向預(yù)彎的方法,使入矯直機前鋼軌基本呈平直狀態(tài)。(2)避免或減輕小程度,也減少殘余應(yīng)力法國TGV高速鐵路多年使用表明,采用搗固車搗固的方法可以減輕或消除波長大于3m的軌面不平順,采用打磨列車打磨的方法可消除波長小于0.8m的不平順,而波長為1～3m的軌面不平順只能通過改變矯直設(shè)備的矯直工藝的方法來避免或減輕到最小的程度,即達(dá)到0.3mm/3m和0.2mm/1m范圍內(nèi)。鋼軌臥著進(jìn)矯直機,先用9輥矯直機矯直軌頭和軌底,然后用7輥矯直機矯直軌腰,這種臥矯工藝有利于減少鋼軌殘余應(yīng)力。前4輥輥徑為1220mm,后5輥輥徑為1020mm,挨著軌頭頂面的4輥中心距離分別為(從鋼軌入口到出口)2000mm、2000mm、1600mm,挨著軌底面的5輥中心距離分別為(從鋼軌入口到出口)2000mm、2000mm、1800mm、1600mm。鋼軌經(jīng)過上述9個輥臥矯后(矯鋼軌頭底部位),再經(jīng)7輥立矯(矯軌腰)。采用上述聯(lián)合矯直機矯直鋼軌,其矯直應(yīng)力小,殘余應(yīng)力低,能達(dá)到理想的鋼軌平直度。鋼軌在矯直時基本無噪音。(3)自然冷卻由于用于軋制鋼軌的連鑄坯在冶煉時采用爐外精煉和真空脫氣,并當(dāng)鋼中氫含量超過2.5×10-6時,對鋼坯加罩緩冷,因此鋼軌在生產(chǎn)過程中不再入緩冷坑緩冷,而在冷床上自然冷卻。為防止鋼軌在冷床上橫向移動時刮傷,采用步進(jìn)式冷床。1.5.2監(jiān)測結(jié)果對鋼軌端部3m范圍內(nèi),采用激光探頭對平直度進(jìn)行檢測,然后根據(jù)檢測結(jié)果由四面液壓矯直機進(jìn)行鋼軌端部0～3m范圍內(nèi)的矯直,以保證高速鐵路鋼軌端部平直度達(dá)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鋼軌軌頂表面渦流探傷圖2、2.鋼軌質(zhì)量檢測采用集中布置,全部在線完成,包括鋼軌平直度激光自動檢測(軌頭頂面和軌頭側(cè)面均勻分布4個激光探頭,檢測鋼軌頭部頂面及側(cè)面平直度);鋼軌軌頭頂面和軌底面表面渦流探傷(探測出>0.3mm深度的表面缺陷);鋼軌超聲波探傷(軌頭、軌腰、軌底共計布置有17個獨立的探頭,采用ue001φ1.5mm平底孔當(dāng)量進(jìn)行缺陷標(biāo)定,當(dāng)有傷損波出現(xiàn)時,自動噴漆作記號,隨后將待判鋼軌吊至檢測平臺上再進(jìn)行手工探傷以進(jìn)一步確認(rèn),此時采用ue001φ2.0mm平底孔當(dāng)量進(jìn)行缺陷標(biāo)定);鋼軌表面質(zhì)量在線肉眼檢查。1.7生產(chǎn)鋼軌加工線鋼軌長尺生產(chǎn)不僅減少鋼軌焊接接頭,提高無縫線路安全使用性能,另外由于長尺生產(chǎn)使鋼軌兩端頭切掉800mm以上成為可能,從而去掉了鋼軌端頭部位的矯直和探傷盲區(qū),大大提高了鋼軌端部的質(zhì)量。該廠于1996～1998年間投資4000萬美元對鋼軌加工線進(jìn)行改造,能進(jìn)行80m長鋼軌的生產(chǎn)(原來只能生產(chǎn)36m長鋼軌),提高了鋼軌生產(chǎn)能力。鋼軌長尺生產(chǎn)后,該廠鋼軌端頭切除達(dá)1～1.5m。這些新的生產(chǎn)設(shè)備主要包括:(1)83m長的無摩擦熱傳輸設(shè)備;(2)鋼軌熱預(yù)彎裝置;(3)83m長的無摩擦冷床,具有足夠的場地能使冷床出口處的鋼軌溫度小于60℃以便于矯直和檢查。(4)鋼軌質(zhì)量檢測中心,包括:采用激光對鋼軌軌頭頂面和側(cè)面進(jìn)行連續(xù)的在線平直度檢測;對鋼軌軌頭頂面和軌底底面進(jìn)行渦流探傷;鋼軌內(nèi)部質(zhì)量超聲波探傷;(5)可以用于肉眼在線檢查鋼軌四面質(zhì)量的工位;(6)具有對鋼軌端部進(jìn)行四面壓力矯直的兩條鋼軌精整加工線,布置在鋼軌端部用砂輪倒棱和用樣板檢查幾何尺寸以前;(7)用于長軌裝車的同步起重機架。2成品鋼的性能特征2.1素及氣體含量(1)化學(xué)成分波動范圍小,殘留及有害元素以及氣體含量低,見表1。(2)夾雜物少。B類(氧化鋁)、C類(硅酸鹽)夾雜物均不大于1級。(3)低倍組織好,偏析小。2.2光反應(yīng)檢測結(jié)果法國鋼軌表面質(zhì)量很好,基本上找不到表面缺陷。幾何尺寸精度高,達(dá)到規(guī)定的要求。鋼軌端頭及本體平直度高。Hayange工廠采用在線激光平直度自動檢測裝置對鋼軌全長(長尺鋼軌)平直度進(jìn)行檢測。從檢測結(jié)果可知,鋼軌端頭及軌身垂直方向可達(dá)到≤0.2mm/3m(要求≤0.3mm/3m),水平方向可達(dá)到≤0.20mm/1.5m(要求≤0.45mm/1.5m)。鋼軌端部1m扭曲均小于0.40mm,抽查20支鋼軌平均為0.234mm。將長尺鋼軌放在檢測臺上,用肉眼基本看不出鋼軌全長有上下彎曲和側(cè)彎曲。3我國鋼軌主要生產(chǎn)設(shè)備自1998年,鐵道部決定修建秦沈客運專線并組織起草和頒布“時速200公里客運專線60kg/m鋼軌暫行技術(shù)條件”以來,國內(nèi)鋼軌生產(chǎn)廠家紛紛進(jìn)行技術(shù)改造以生產(chǎn)出高速鐵路用鋼軌。截止到2001年7月,國內(nèi)鋼軌生產(chǎn)廠家技術(shù)改造情況如下。(1)生產(chǎn)鋼軌生產(chǎn)設(shè)備“八五”期間包鋼就進(jìn)行了以連鑄為標(biāo)志的煉鋼技術(shù)改造,實現(xiàn)了采用連鑄坯生產(chǎn)鋼軌的工藝路線,也是國內(nèi)第一條采用連鑄坯生產(chǎn)鋼軌的生產(chǎn)線。其中引進(jìn)了德國技術(shù)的LF鋼包精煉爐,VD真空脫氣裝置,大方坯連鑄機,并進(jìn)行了頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐和鐵水鎂基脫硫的技術(shù)改造。與此同時,軋制方面也進(jìn)行了改造,先后建成了由加熱爐微機控制加熱系統(tǒng),高壓水除鱗系統(tǒng),奧地利引進(jìn)的鋼軌打印機和鋸鉆聯(lián)合機床,四面液壓矯直機等組成的第三條重軌加工線。(2)生產(chǎn)生產(chǎn)鋼軌自包鋼以后,鞍鋼已于2001年4月完成了采用連鑄坯生產(chǎn)鋼軌的技術(shù)改造(包括100t轉(zhuǎn)爐,LF精煉爐,VD真空脫氣裝置,四流大方坯連鑄),并新建了鋼軌精加工線(采用縱列式布置,可生產(chǎn)50m長鋼軌,新引進(jìn)平—立復(fù)合矯直機,四面壓力矯直機)和鋼軌檢測中心(新引進(jìn)激光平直度在線檢測儀,渦流表面探傷儀,超聲波探傷儀等),并計劃在2002年10月完成萬能軋機軋制鋼軌的技術(shù)改造。(3)刑罰執(zhí)行方面,我國仍有推進(jìn)兩大必重點工作攀鋼在鋼軌研究方面做了大量的工作,在國內(nèi)率先生產(chǎn)出滿足“時速200公里客運專線60kg/m鋼軌暫行技術(shù)條件”的鋼軌并已鋪設(shè)在秦沈客運專線上?，F(xiàn)正在進(jìn)行大方坯連鑄技改。鋼軌檢測中心、萬能軋制、鋼軌長尺生產(chǎn)等技改工作正在與外