我國鋼軌和大h型鋼生產(chǎn)技術(shù)與裝備的發(fā)展

我國鋼軌和大h型鋼生產(chǎn)技術(shù)與裝備的發(fā)展

在我國，鋼鐵和原材料的需求具有高度的工業(yè)化進程。據(jù)不完全統(tǒng)計,最近5年我國長材產(chǎn)量及其在鋼材總產(chǎn)量中所占的比例見表1。由表1可見,我國長材產(chǎn)量所占比例超過50%,占據(jù)半壁江山。因此,研究和介紹我國長材軋制技術(shù)、裝備現(xiàn)狀與發(fā)展很有意義,且任務(wù)艱巨。本刊將用4篇論文,相對系統(tǒng)地介紹我國長材軋制技術(shù)的進步。1鋼錠級管道格局20世紀(jì)五六十年代,我國先后在鞍鋼、包鋼、武鋼、攀鋼建設(shè)了鋼軌生產(chǎn)線。鞍鋼鋼軌生產(chǎn)線是一列式3機架Φ800mm軋機;包鋼、武鋼、攀鋼為“1+3”的二列式布置,第1列為1架Φ950mm二輥可逆軋機,第2列由2架橫列式Φ800mm三輥軋機和1架Φ850mm二輥軋機組成。當(dāng)時,鋼軌生產(chǎn)均以鋼錠為原料,經(jīng)初軋機開坯二火軋制成材,除生產(chǎn)重軌外,還可生產(chǎn)工、槽、角鋼等產(chǎn)品。緊隨世界技術(shù)的進步,1998年至今,我國改造了多條軌梁生產(chǎn)線,以現(xiàn)代化的串列式萬能連軋機代替了落后的橫列式軋機,使我國軌梁生產(chǎn)舊貌換新顏。熱軋H型鋼是一種多用途的經(jīng)濟斷面型材,在工業(yè)、民用建筑及其他工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。歐洲于1902年可成批量生產(chǎn)H型鋼;我國H型鋼生產(chǎn)起步較晚,1998年馬鞍山鋼鐵公司建成了國內(nèi)第1條H型鋼生產(chǎn)線,但此后我國H型鋼生產(chǎn)發(fā)展較快,建成了萊蕪、津西、山西安泰等大型H型鋼生產(chǎn)線,2010年我國H型鋼消費量約為900萬t。我國已建和在建鋼軌和大型H型鋼生產(chǎn)線如表2所示。2到“三精”技術(shù)隨著鐵路運輸向高速、重載方向快速發(fā)展,對鋼軌提出了高純凈度、高強度、高韌性、高精度和高可焊性的要求。為此,鋼軌生產(chǎn)企業(yè)必需做到“三精”,即精煉、精軋、精整。鞍鋼、攀鋼、包鋼、武鋼都對鋼軌生產(chǎn)系統(tǒng),包括煉鋼、連鑄、軋制、精整進行了非常徹底的改造。包鋼、攀鋼保留了原有的橫列式鋼軌生產(chǎn)線,新建了一條軌長100m的鋼軌生產(chǎn)線。鞍鋼和武鋼拆除了舊生產(chǎn)線,利用原廠房和公輔設(shè)施新建了軌長100m的鋼軌生產(chǎn)線。鋼軌的生產(chǎn)技術(shù)包括3個層次:鋼軌用鋼種的研究和發(fā)展;鋼軌鋼的冶煉和連鑄技術(shù);鋼軌的軋制、精整和檢測技術(shù)。2.1熱處理鋼軌鋼軌用鋼主要分為碳素鋼、合金鋼和熱處理鋼;按其金相組織又可分為珠光體鋼、貝氏體鋼和馬氏體鋼。碳素鋼(鋼中Mn含量小于1.30%,不添加合金元素)生產(chǎn)成本最低,但其組織為較粗大的珠光體,因此強度和韌性不理想;合金鋼軌鋼添加了Mn、Cr、Mo、V、Re等元素,可以細化珠光體組織,提高鋼的強度和韌性,其綜合力學(xué)性能比碳素鋼要好,但焊接性能不如碳素鋼軌,而且成本也高;熱處理鋼軌主要是通過熱處理工藝獲得細小珠光體組織,是目前公認的綜合性能最好的鋼軌,但熱處理設(shè)備投資較大。為提高鋼軌的性能,各國采用了不同的方法。美國采用提高碳含量的高碳鋼軌,歐洲一些國家則采用低碳中錳鋼軌。我國在碳素鋼中加入V、Nb、Re,以及增加Si含量來提高鋼軌性能。目前我國最常用鋼軌的化學(xué)成分如表3所示。目前,國外已開發(fā)出鋼軌用馬氏體和貝氏體鋼。由于貝氏體鋼具有較高的強度,良好的韌性和耐磨性,被認為是21世紀(jì)最有希望的鋼軌鋼。我國鞍鋼也開發(fā)出了貝氏體鋼,但還未投入實際應(yīng)用。熱處理鋼軌從理論上說其綜合性能最好,世界各國都在大力開發(fā)研究。我國包鋼、攀鋼建成了專門的鋼軌離線熱處理生產(chǎn)線,攀鋼還具有最現(xiàn)代化的軌長100m級的在線熱處理裝置,但實際應(yīng)用較少。目前,我國年產(chǎn)約350萬t鋼軌,而熱處理鋼軌只有幾萬噸,其主要原因有兩點:一是煉鋼技術(shù)水平提高以后,鋼軌的強度和表面硬度得到提高;二是采用焊接方法連接鋼軌,接頭受沖擊情況大大減少,因此目前只有在重載道岔或隧道中不容易更換的地方采用熱處理鋼軌。但在線熱處理工藝是提高鋼軌質(zhì)量最經(jīng)濟的方法,仍值得研究開發(fā)。2.2新技術(shù)的應(yīng)用鋼軌生產(chǎn)煉鋼采用的新工藝技術(shù)主要有:鐵水預(yù)處理、氧氣堿性轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉(頂吹氧,底吹氬)、LF爐外精煉、RH或VD真空脫氣、大方坯連鑄。鐵水預(yù)處理主要是脫硫,通過鐵水預(yù)處理和冶煉過程中的深度脫硫,將成品鋼軌的硫含量控制在0.008%~0.020%的范圍內(nèi)。而實際硫含量的控制水平比標(biāo)準(zhǔn)要高,如武鋼可以將硫含量控制在0.002%以下。為了保證鋼軌的強度、韌性和焊接性能,要求鋼軌的主要成分(C、Si、Mn、P、S及Nb)控制范圍要窄。采用無鋁脫氧工藝,可使鋼中鋁含量不大于0.005%,從而降低了氧化鋁夾雜物的含量。通過LF爐外精煉,可精確調(diào)整鋼水的成分和溫度;隨后的真空脫氣,使?jié)沧r鋼液中的氫含量不大于2×10-6,成品鋼軌中氫含量不大于1.5×10-6;氧含量不大于20×10-6、氮含量不大于90×10-6。另外,通過連鑄坯的緩冷,可使成品鋼軌中的氫含量進一步減少到1×10-6左右。鋼軌生產(chǎn)中連鑄采用的新技術(shù)主要包括:(1)采用大容量的中間罐以及擋渣措施,可以降低鋼水夾雜物含量,提高澆注作業(yè)率。(2)采用保護澆注,避免鋼水二次氧化。(3)結(jié)晶器液面控制,穩(wěn)定結(jié)晶器液面高度,避免產(chǎn)生鑄坯表面缺陷。(4)結(jié)晶器電磁攪拌,減少鑄坯表面和皮下缺陷,減輕鑄坯內(nèi)部的成分偏析。(5)二冷段電磁攪拌,以及在拉矯機設(shè)置鑄坯的輕壓下裝置,以減輕鑄坯內(nèi)部的成分偏析。但高碳鋼采用輕壓下技術(shù),易出現(xiàn)鑄坯表面裂紋,因此,攀鋼在鑄坯凝固末端設(shè)置電磁攪拌來解決成分偏析問題。(6)采用壓縮比大于12的鋼坯,以保證鋼軌的最終性能。2.3新型生產(chǎn)工藝及設(shè)備現(xiàn)代化的鋼軌軋制生產(chǎn)線如圖1所示。上文提到,對高速鋼軌的要求是:高純凈度、高強度、高韌性、高精度和高的可焊性。實現(xiàn)高精度是鋼軌軋制的主要任務(wù)之一。為實現(xiàn)鋼軌高精度的要求,軋鋼工藝采用的新技術(shù)有:采用步進梁式加熱爐,提高加熱效率,使鋼坯加熱更加均勻;采用3級高壓水除鱗,加熱爐后和BD1機前設(shè)有壓力為25MPa的高壓水除鱗裝置,在串列式連軋機組前后均設(shè)有壓力為27MPa的除鱗機。此外,在鋼軌生產(chǎn)中采用的最為獨特的新技術(shù)是萬能法軋制和長尺鋼軌精整。2.3.1地板法的制造技術(shù)2.3.1.流量尺寸精度分析在老式橫列式軋機上只能采用傳統(tǒng)的孔型軋制法,孔型軋制法存在以下缺點:(1)軌頭踏面形狀精度難以保證。軌頭踏面處于成品孔開口處,而軌頭踏面是按自由展寬或有限的限制展寬而形成,因此軌頭踏面質(zhì)量難以保證。(2)鋼軌的斷面形狀不對稱?？仔蛙堉品◤牡?個軌型孔至最后成品孔,軋件處于上下左右完全不對稱的條件下軋制,導(dǎo)致鋼軌斷面形狀不對稱。(3)軌高和軌底的尺寸精度不高。軌高取決于軌頭的局部自然展寬,而自然展寬取決于溫度、壓下量、軋輥的表面狀態(tài);軌底尺寸取決于成品孔腰部的壓下量、成品前孔軌底部分開口邊和閉口邊的厚度,多種因素的變化易使軌高和軌底的尺寸超差。(4)軌頭和軌底的加工量小,質(zhì)量相對較差。(5)軌頭踏面處于自由寬展?fàn)顟B(tài),導(dǎo)致沿重軌長度方向的軌高存在差異,從而導(dǎo)致軌頭踏面平直度較差。萬能軋制法的優(yōu)點:(1)萬能法軋制鋼軌,鋼軌整個斷面均勻受到軋輥的同時壓下(見圖2),其形狀和尺寸精度更容易保證,鋼軌斷面尺寸精度高,見表4。(2)采用萬能軋制法,鋼軌頭部形狀呈外凸?fàn)?而且在整個軋制過程中保持這一形狀,從而避免了產(chǎn)生魚鱗狀或皺折缺陷。(3)軋輥因輥徑不均勻所產(chǎn)生的速度差減小,軋輥與軋件的磨損減小;軋輥輥環(huán)可以更換,因此,軋輥消耗低。萬能軋機軋輥消耗(不包括開坯機)為1.0kg/t左右,而孔型軋制法軋輥消耗(不包括開坯機)一般在2.0kg/t以上。(4)軋輥孔型簡單,調(diào)整軋輥位置可以補償軋輥磨損。(5)導(dǎo)衛(wèi)裝置簡單且容易安裝。(6)鋼軌的表面質(zhì)量好,更容易識別鋼軌表面缺陷。2.3.1.采用串列式設(shè)置的鋼板生產(chǎn)線鋼軌萬能軋制工藝最早于1964年在法國Sacilor鋼軌廠得到應(yīng)用,其萬能軋機生產(chǎn)線由7機架軋機組成(與攀鋼新線的布置形式完全相同)。軋機布置方式為1-1-2-2-1,即2架開坯機(BD1+BD2)呈串列布置,開坯機后的5架軋機(其中3架為萬能,2架為軋邊機)分3組。萬能軋制工藝:在U1-E1組成的萬能粗軋機組中往復(fù)軋3道次,第1道次U1、E1壓下,第2道次只有U1壓下,E1空過,第3道次,U1、E1均壓下;在U2-E2機組中各軋1道次,UF軋機軋最后一道,如圖3所示。20世紀(jì)90年代,一些以生產(chǎn)大型H型鋼為主的可逆連軋機(如韓國浦項INI鋼鐵公司),由2架萬能軋機和1架可移動軋邊機組成串列式軋機組,在SMS公司的技術(shù)支持下成功軋制出鋼軌,隨后這種萬能軋機的布置形式應(yīng)用于中國的鞍鋼、包鋼、武鋼和邯鋼,以及印度Jindal公司、美國SDI公司。這種布置型式具有投資省(少2架軋機、縮短距離),鋼軌在軋制過程中運輸距離短、熱損失小,軋輥消耗低等優(yōu)點,成為當(dāng)前鋼軌萬能軋制法的主流布置型式?，F(xiàn)代鋼軌軋制工藝采用1-1-3的布置型式,即2架開坯機BD1和BD2,呈串列式布置,精軋機組由3架可逆式連軋機UR-E-UF組成,其中UR、UF為結(jié)構(gòu)相同的萬能軋機,E為二輥軋邊機(見圖1)。在這種雙機架開坯機的鋼軌生產(chǎn)線中,一般在BD1機架布置1個箱形孔,1個梯形孔和3個帽形孔(帽形切深孔—帽形延伸孔1—帽形延伸孔2),往復(fù)軋制7個道次(在軋制其他品種時可多達13道次),以機前機后的推床翻鋼機進行移鋼和翻鋼。在BD2機架上布置3個軌形孔(軌形切深孔—軌形延伸孔—萬能預(yù)備孔(Leaderpass)),軋制3個道次,以機前鉗式翻鋼機翻鋼。由BD2萬能預(yù)備孔(Leaderpass)軋出的軋件,再進入3機架串列式可逆連軋機UR-E-UF中軋制3道次,第1道次UR、E壓下,UF空過;第2道次只有UR壓下,E空過;第3道次,E橫移更換軋邊孔型,UR、E、UF均壓下,形成3機架連軋,在3機架經(jīng)受4道次的萬能軌形孔軋制,如圖4所示。目前有2家企業(yè)采用單機架開坯機:一是奧鋼聯(lián)LEOBEN/DONAWITZ廠(2005年改造的現(xiàn)代化鋼軌廠家),二是美國SteelDynamics廠。軋機布置形式為BD+UR-E-UF。圖5是奧鋼聯(lián)LEOBEN/DONAWITZ廠3機架串列式軋機的孔型布置和軋制道次。2.3.1.ccs軋機裝置3機架萬能可逆式連軋機組由萬能粗軋機UR、軋邊機E、萬能精軋機UF組成,3個機架串列緊湊布置,稱為CCS軋機。機組可往復(fù)軋制,最多可軋制10個道次。該機組既可用萬能模式軋制重軌、H型鋼、I型鋼,也可換成二輥模式軋制鋼板樁、槽鋼、角鋼和其他型鋼。為保證產(chǎn)品的尺寸精度,機架上設(shè)有全液壓的壓下位置控制系統(tǒng)HPC,全自動輥縫控制系統(tǒng)AGC;采用機架操作側(cè)牌坊打開的方式,由換輥小車自動換輥,換輥時間約20min。CCS軋機為閉口式設(shè)計,具有以下特點:(1)萬能軋機傳動側(cè)的橫扼能自動升起,當(dāng)以二輥模式軋制鋼板樁時,可使用小直徑軋輥,保證軋輥的充分利用。(2)水平軋邊機架可以軸向移動,允許在輥身長度上配置2個孔型。(3)從機架的操作側(cè)自動更換軋輥和導(dǎo)衛(wèi),包括全套軋輥和導(dǎo)衛(wèi)從軋制線拉出,并移到一邊,全套組裝好的軋輥和導(dǎo)衛(wèi)臺車與機架牌坊連接,并將軋輥和導(dǎo)衛(wèi)推進軋線。(4)帶對中導(dǎo)板的升降輥道布置在串列式軋機的機前和機后,用于調(diào)整軋線高度和軋件對中。(5)配置有全液壓壓下和軋輥軸向移動裝置。(6)采用介質(zhì)塔代替各個介質(zhì)管線。2.3.2步進式冷床現(xiàn)代化的鋼軌精整線主要設(shè)備包括:復(fù)合式大冷床,平立輥復(fù)合矯直機,激光測量、渦流檢測和超聲波檢測等裝置,縱向布置的鋸鉆聯(lián)合機床,四面翻鋼的檢查臺,四面壓力矯直機,剖分鋸等。(1)復(fù)合式大冷床復(fù)合式大冷床為步進式冷床,既可冷卻104m長的軋件,也可冷卻2根52m長的軋件;既可冷卻重軌,也可冷卻H型鋼等產(chǎn)品。冷床入口設(shè)置有鋼軌預(yù)彎裝置,可對104m長尺鋼軌進行預(yù)彎,亦可對2根52m長的鋼軌單獨進行預(yù)彎。冷床入口/出口均設(shè)置有型鋼翻鋼裝置。冷床尺寸為112m×30.5m,冷床出口軋件溫度不大于80℃。(2)平輥/立輥復(fù)合矯直機采用長尺矯直工藝,對鋼軌水平方向矯直后,再對其垂直方向進行矯直,利用熱軋頭尾余量切除非矯直區(qū)和過渡區(qū),使整支鋼軌尺寸基本一致,提高了鋼軌整體平直度,同時也提高了鋼軌的成材率。(3)鋼軌在線檢測裝置鋼軌在線檢測裝置一般由鋼軌斷面尺寸測量、平直度測量、渦流探傷、超聲波探傷及輔助裝置組成。掃描外測量的測量該裝置由線性掃描相機和激光測距儀組成。線性掃描相機用于測量軌頭、軌底寬,激光測距儀用于對鋼軌全長尺寸測量,所獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)計算機計算,取其平均值后存儲,每50mm測量一次。cd成像法鋼軌平直度測量有4種方法,即人工靠尺法,模擬接觸測量法、CCD實物成像法和非接觸激光測距法。非接觸激光測距法因系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、測量精度高、盲區(qū)小,可滿足連續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)的要求。表面缺陷檢測帶有固定探頭的渦流探傷儀主要用于檢測鋼軌的頭部、底部表面缺陷。探頭布置覆蓋了整個軌頭表面,軌底下表面及側(cè)面,可探測出深度在0.3mm以上,長度在20mm以上的缺陷。帶有掃描儀的渦流探傷儀是借助安裝在其旋轉(zhuǎn)掃描裝置上的探頭,對鋼軌表面缺陷進行探測,掃描裝置旋轉(zhuǎn)速度為1600~6000r/min,可發(fā)現(xiàn)在鋼軌表面深度為0.4~1.0mm的缺陷。使用固定探頭和掃描裝置的渦流探傷儀,可以對鋼軌整個表面的質(zhì)量狀況進行檢測和控制。帶工作原理的鋼管長絲矯直機我國鐵道部高速軌技術(shù)條件規(guī)定的探傷區(qū)域:頭部大于70%,腰部大于60%,底部大于40%。超聲波探傷裝置共有20個探頭,采用水柱耦合方式,使伺服系統(tǒng)跟隨鋼軌,保證了探傷的可靠性。(4)帶硬質(zhì)合金的鋸鉆機床該機床備有長度測量系統(tǒng),以保證鋼軌的端面斜度、螺栓孔位置和鋼軌長度偏差達到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。(5)激光輔助四面液壓矯直機對鋼軌端部3m范圍內(nèi),采用激光探頭對平直度進行檢測,然后根據(jù)檢測的結(jié)果由四面壓力矯直機進行鋼軌端部0~3m范圍內(nèi)的矯直,以保證高速鐵路鋼軌端部的平直度要求,垂直向上不大于0.4mm/2m,垂直向下不大于0.2mm/2m,水平方向不大于0.5mm/2m。(6)余熱淬火精整線(7)高水平的自動化控制系統(tǒng)為充分保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量,提高軋線有效的作業(yè)率,降低工人勞動強度,軋線采用一套兩級控制系統(tǒng)對軋線進行控制。3ur-e-uf大型機組現(xiàn)代化的大型H型鋼生產(chǎn)線如圖6所示。目前,生產(chǎn)腹高在400mm以上的大型H型鋼,一般采用1+3布置的大型機組生產(chǎn);生產(chǎn)腹高200~400mm以下的中型H型鋼,采用半連續(xù)式1+7-10的中型機組生產(chǎn);生產(chǎn)腹高在250~200mm以下的小型H型,采用連續(xù)式機組生產(chǎn),因為小規(guī)格產(chǎn)品單重輕,小時產(chǎn)量低,軋件斷面小冷卻快。我國馬鋼大型H型鋼生產(chǎn)線采用1+3+1的布置方式,萊鋼、津西、山西安泰的大型H型鋼生產(chǎn)線采用1+3的布置方式,即主軋線由1架BD機+3機架串列式可逆連軋機UR-E-UF組成,較前者減少了1架萬能軋機,節(jié)省主廠房長度約120m,可節(jié)約基本建設(shè)投資,降低運行成本,減少軋制過程中軋件的溫降。采用異型坯軋制和串列布置的可逆式連軋是大型H型鋼生產(chǎn)的兩大特點。3.1u2004范圍老式的H型鋼生產(chǎn)采用板坯為原料,板坯厚度H0為產(chǎn)品翼緣高度H的1.20~1.25倍;板坯寬度B0為產(chǎn)品腹高的1.05~1.1倍。因坯料又厚又寬,軋制道次多,能耗大,軋件溫降大。隨著連鑄技術(shù)的進步,從20世紀(jì)90年代開始采用近終形異型坯,使H型鋼生產(chǎn)發(fā)生質(zhì)的變化。采用近終形異型坯,使產(chǎn)品規(guī)格范圍擴大,且開坯機的軋制道次可以大大減少,軋制溫度可以提高100℃,軋制力降低30%,綜合能耗降低20%,產(chǎn)量大幅度提高。我國各大型H型鋼廠所用的異型連鑄坯規(guī)格如表5所示。使用近終形連鑄坯給大型H型鋼生產(chǎn)帶來了諸多好處,但形狀過于近終會影響最終產(chǎn)品的性能,根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗,從坯到材的壓縮比要達到5左右才能保證產(chǎn)品質(zhì)量(以連鑄坯翼緣中間的厚度與成品翼緣厚度之比計算)。3.2a/h型轉(zhuǎn)化生產(chǎn)大型H型鋼采用連鑄異形坯為原料,開坯機的主要作用是對異形坯厚度進行減薄,并根據(jù)需要對異形坯的內(nèi)寬進行拓展或壓縮,以供給萬能軋機合適的中間坯料。增加坯料內(nèi)寬的拓展由異形孔實現(xiàn),而減少坯料外寬和內(nèi)寬的壓縮則由箱形孔立軋來實現(xiàn)。為了減小軋輥直徑、降低軋輥儲備,各廠多選用開口孔型設(shè)計,并減少異形過渡孔,使一套開坯機軋輥配置數(shù)個異形孔。萬能軋機由一對由主電機驅(qū)動的水平輥和一對無驅(qū)動的立式自由輥構(gòu)成,主要對軋件的腹板厚度、翼緣厚度進行壓下和加工。軋邊機為二輥式軋機,與前后2架萬能軋機一起構(gòu)成萬能機組對軋件實施可逆式連軋,主要控制軋件的翼緣高度。萬能軋機的孔型配置見圖7。傳統(tǒng)軋制H型鋼的方法以X孔為基本孔,在緊湊串列的UR-E或UR1-E-UR2機組中往復(fù)以X—X孔進行軋制,最后在H型孔型的精軋機完成軋制。SMS公司開發(fā)的X-H的軋制方法:可逆式開坯機多道軋制后的中間坯(Leaderpass)進入串列式機組中的2架萬能軋機和1架軋邊機同時軋制。第1架萬能軋機UR為X孔型,第2架萬能軋機UF為H輥型,軋件在萬能機組往返軋制5~7道次