鋼軌熱軋缺陷分析及改進(jìn)措施★

田仲良， 鄧小和， 莫日格吉勒

（1.河北工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河北 邯鄲 056038；2.中鐵物總技術(shù)有限公司， 北京 100036；3.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司軌梁軋鋼廠， 內(nèi)蒙 古包頭 014010）

鋼軌作為鐵路的重要組成部分，是鐵路高速化和重載化發(fā)展的基礎(chǔ)和支撐。高速鐵路快速發(fā)展，對(duì)鋼軌質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求。目前國(guó)內(nèi)外鋼軌生產(chǎn)均采用萬(wàn)能軋制法，以滿足高速鐵路對(duì)鋼軌表面質(zhì)量、尺寸精度、力學(xué)性能等的要求。與傳統(tǒng)鋼軌生產(chǎn)模式相比，萬(wàn)能軋制法具有調(diào)整精度高、產(chǎn)品尺寸波動(dòng)小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1]，但是由于鋼軌生產(chǎn)流程長(zhǎng)，冶煉、連鑄、軋制等生產(chǎn)工藝的不恰當(dāng)均會(huì)導(dǎo)致鋼軌缺陷的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和合格率[2]。

1 鋼軌缺陷及預(yù)防措施

1.1 結(jié)疤

結(jié)疤缺陷是指軋制生產(chǎn)過(guò)程中，鋼軌表面異物壓入形成與基體相連接的疤皮或魚(yú)鱗片狀,其外形輪廓不規(guī)則，通常有折疊狀結(jié)疤、點(diǎn)狀?yuàn)A結(jié)疤、塊狀結(jié)疤、鋸齒結(jié)疤等類型，產(chǎn)生的位置不確定（見(jiàn)圖1）[3]。鑄坯缺陷（夾雜、坯皮下氣泡、表面質(zhì)量等）是產(chǎn)生結(jié)疤的重要原因，提高鋼的純凈度、降低鑄坯中心偏析、改善連鑄坯表面質(zhì)量,對(duì)于預(yù)防和減少鋼軌結(jié)疤缺陷具有重要的作用。冶煉時(shí)嚴(yán)格控制夾雜物含量,連鑄時(shí)選擇適當(dāng)?shù)匿撘哼^(guò)熱度、澆注溫度和澆注速度,并控制好結(jié)晶器和二冷段的冷卻速度，以提高鑄坯質(zhì)量降低和消除結(jié)疤缺陷[4]。結(jié)疤的微觀組織研究表明[3]，結(jié)疤缺陷與裂紋有密切關(guān)系。鑄坯上的裂紋缺陷經(jīng)加熱和軋制使裂縫延伸并生成氧化亞鐵和氧化圓點(diǎn)。連鑄坯出結(jié)晶器下口的二冷段過(guò)量的二冷水角部冷卻是鑄坯裂紋產(chǎn)生的主要原因。綜上所述，提高冶煉技術(shù)，改善連鑄質(zhì)量是有效減少和消除結(jié)疤缺陷的措施。

圖1 鋼軌表面結(jié)疤缺陷

1.2 脫碳

下頁(yè)圖2是鋼軌踏面脫碳缺陷金相圖。脫碳層是熱軋鋼軌訂貨質(zhì)量指標(biāo)之一，《高速鐵路用鋼軌》規(guī)定鋼軌頭部脫碳層深度不得大于0.5 mm[5]。脫碳層深度增加會(huì)導(dǎo)致鋼軌機(jī)械性能下降、硬度降低、耐磨性和疲勞性降低。加熱溫度、加熱時(shí)間與爐內(nèi)氣氛是影響鋼軌脫碳的主要因素。加熱溫度高時(shí)，鋼坯表層碳原子的活動(dòng)能增加，易與爐內(nèi)氧分子發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼坯表層碳原子失散，增加脫碳層深度。加熱時(shí)間越長(zhǎng)，鋼坯的脫碳現(xiàn)象就越嚴(yán)重。鋼坯在還原性氣氛中加熱，表面脫碳速度較慢[6]。為避免脫碳缺陷的產(chǎn)生，鋼軌鋼坯加熱必須嚴(yán)格按鋼種的加熱溫度、加熱時(shí)間進(jìn)行加熱。對(duì)加熱爐燒嘴的空、煤氣管道流量進(jìn)行標(biāo)定并監(jiān)控，確保每個(gè)燒嘴空燃比達(dá)到最佳，控制爐中空氣過(guò)剩系數(shù)。在正常生產(chǎn)情況下，各鋼種生產(chǎn)加熱溫度按中、下限控制，避免超溫加熱情況出現(xiàn)。當(dāng)發(fā)生故障長(zhǎng)時(shí)間待軋時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行待軋制度，將爐溫降低。調(diào)整燒嘴使火焰均勻，火焰不要與鋼坯直接接觸，應(yīng)保持一定距離，以防止局部過(guò)燒。若軋制速度較慢時(shí)，爐溫要控制在規(guī)程的下限或更低一些。

圖2 鋼軌踏面脫碳

1.3 軋痕

軋痕是鋼軌生產(chǎn)中常見(jiàn)的一種表面質(zhì)量缺陷（見(jiàn)圖3），在軋件表面呈現(xiàn)凸起或凹坑，分為周期性軋痕和非周期性軋痕[7-8]。

圖3 軋痕缺陷

1.3.1 周期性軋痕

周期性軋痕通常在鋼軌表面呈周期性分布，軋痕的形狀及間距基本相同。生產(chǎn)過(guò)程中由于操作不當(dāng)或設(shè)備原因等產(chǎn)生黑頭鋼或低溫鋼，導(dǎo)致孔型老化過(guò)快，易產(chǎn)生周期性軋痕缺陷。此外，由于軋輥掉肉或冷卻不良在軋輥表面粘掛金屬，也會(huì)在軋件表面上形成凹坑或凸起，在隨后道次軋制過(guò)程中形成周期性軋痕。

1.3.2 非周期性軋痕

非周期性軋痕出現(xiàn)在鋼軌表面的不同位置，有一處或多處軋痕。非周期性軋痕產(chǎn)生的主要原因是軋制過(guò)程中粘在軋輥或衛(wèi)板上的金屬掉到鋼軌表面經(jīng)再次碾壓而形成。軋件在進(jìn)入孔型時(shí)，由于軋件上翹、下砸等導(dǎo)致軋件未與孔型對(duì)正，撞擊軋輥使端頭金屬粘在軋輥上，軋輥旋轉(zhuǎn)一周或數(shù)周后金屬掉到鋼軌表面上，經(jīng)后幾道次的軋制碾壓形成軋痕。通常鋼軌的下頜部和腿內(nèi)側(cè)的非周期性軋痕產(chǎn)生于粗軋機(jī)，而腰部非周期性軋痕產(chǎn)生于萬(wàn)能精軋軋機(jī)組。軋件進(jìn)出孔型不斷的與衛(wèi)板接觸，在衛(wèi)板表面累積形成較厚的金屬層，這些金屬隨著軋制而掉到軋件表面形成軋痕。此外，機(jī)前高壓水除鱗不凈，鑄坯表面氧化鐵皮被碾壓到鋼軌表面也可形成軋痕。

軋痕的預(yù)防措施應(yīng)從以下幾點(diǎn)進(jìn)行：

1）對(duì)于周期性軋痕應(yīng)根據(jù)軋痕缺陷出現(xiàn)的周期性距離長(zhǎng)度來(lái)判斷軋痕有可能產(chǎn)生位置，停軋對(duì)孔型進(jìn)行檢查，找出軋輥缺陷并進(jìn)行修磨處理。

2）非周期性軋痕在裝輥和停軋時(shí)必須認(rèn)真檢查軋輥和導(dǎo)衛(wèi)表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)有粘金屬，及時(shí)修磨處理。

3）原則上不軋制低溫鋼、黑頭鋼，防止對(duì)孔型造成損傷。

4）保證機(jī)前除鱗設(shè)備正常運(yùn)行，坯料表面氧化鐵皮要除凈。

1.4 刮傷

刮傷是鋼軌表面最常見(jiàn)的缺陷，通常表現(xiàn)為沿著鋼軌軋制方向呈現(xiàn)連續(xù)性或斷續(xù)性分布，刮傷產(chǎn)生的位置也不確定（見(jiàn)圖4）。各軋機(jī)衛(wèi)板本身的形狀、尺寸及表面質(zhì)量和衛(wèi)板的裝配不恰當(dāng)都可能產(chǎn)生刮傷，軋件進(jìn)出孔型調(diào)整不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生刮傷[9]。

圖4 鋼軌頭部刮傷

改善衛(wèi)板表面質(zhì)量、合理設(shè)計(jì)衛(wèi)板尺寸、準(zhǔn)確安裝衛(wèi)板是預(yù)防刮傷的重要措施。通常衛(wèi)板采用鑄造的方式生產(chǎn)，因此衛(wèi)板表面不可避免的存在氣孔、結(jié)疤、硬痘等鑄造缺陷，在使用時(shí)會(huì)對(duì)鋼軌造成刮傷。在衛(wèi)板使用前應(yīng)仔細(xì)檢查表面，如果發(fā)現(xiàn)缺陷，必須進(jìn)行打磨處理。在衛(wèi)板設(shè)計(jì)時(shí)，衛(wèi)板寬度應(yīng)小于孔型寬度3～5 mm，避免軋件與衛(wèi)板直接接觸產(chǎn)生刮傷。衛(wèi)板裝配應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定位置準(zhǔn)確安裝，同時(shí)應(yīng)提高軋機(jī)調(diào)整人員的調(diào)整水平，避免刮傷產(chǎn)生。

1.5 尺寸缺陷

鋼軌尺寸缺陷分為外形尺寸不合格和對(duì)稱不合格，尺寸缺陷的消除通常通過(guò)調(diào)整軋機(jī)實(shí)現(xiàn)[10]。以UR-E-UF結(jié)構(gòu)的萬(wàn)能軋機(jī)為例[11]，分析尺寸缺陷消除的調(diào)整方法。

1.5.1 軌高不合

圖5為鐵標(biāo)60 kg/m鋼軌斷面尺寸要求。鋼軌高尺寸不合分為軌高、軌低兩種情況。鋼軌頭部過(guò)充滿或底部太厚造成軌高，常見(jiàn)的軌高缺陷是頭部過(guò)充滿在踏面形成耳子。頭部金屬未充滿（平頭）或底部太薄造成軌低，常見(jiàn)的軌低缺陷是頭部未充滿。不適當(dāng)?shù)膹埩驂合铝空{(diào)整不準(zhǔn)確也會(huì)造成軌高尺寸不合。軌高尺寸不合通常通過(guò)軋機(jī)調(diào)整消除，如果由于底厚薄造成軌高尺寸不合，可以直接通過(guò)增加或減小UR、UF底部立輥輥縫進(jìn)行調(diào)整，如果頭部金屬過(guò)滿或未充滿造成軌高尺寸不合，則通過(guò)調(diào)整UR頭部立輥輥縫，達(dá)到尺寸要求。

圖5 60 kg/m鋼軌斷面尺寸（mm）

1.5.2 底寬不合

軌底尺寸不合表現(xiàn)為底小或底大兩種，尺寸調(diào)整時(shí)應(yīng)兼顧腿的厚度。若底小且腿厚則可以直接減小UF底部立輥輥縫，若底小且腿厚尺寸正常則可以通過(guò)增加UR第二道第三道輥縫進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)要兼顧軋邊機(jī)輥縫大小。底大一般是由于UF的壓下量太大所致，其調(diào)整方法為減小UR底部立輥輥縫或增大UF底部立輥輥縫，減少底部的金屬量，從而降低底部尺寸。若腿厚度符合要求，則可以通過(guò)調(diào)整軋邊機(jī)輥縫直接控制軌底大小。

1.5.3 不對(duì)稱

鋼軌的不對(duì)稱表現(xiàn)為單腿長(zhǎng)或短，頭腰中心線和底不垂直，UR或UF軸向調(diào)整不合理和E軋機(jī)軸向不正都會(huì)造成鋼軌不對(duì)稱。不對(duì)稱調(diào)整時(shí)首先測(cè)量鋼軌上下腿厚是否一致，如不一樣厚，先通過(guò)調(diào)整UR、UF下輥軸向，將上下腿厚調(diào)整一致。軸向調(diào)整時(shí)要保證孔型出鋼正常，不能有上翹、下扎和扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。若上下腿薄厚一致，鋼軌不對(duì)稱，則應(yīng)該調(diào)整E的軸向，達(dá)到兩腿尺寸相等。上腿長(zhǎng)，下腿短，則E下輥軸向向底部竄動(dòng)；上腿短，下腿長(zhǎng)，則E下輥軸向向頭部竄動(dòng)。

2 結(jié)語(yǔ)

鐵路提速對(duì)高速鋼軌質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求，熱軋缺陷是影響鋼軌質(zhì)量的主要因素，熱軋缺陷的產(chǎn)生與冶煉、連鑄、軋制、設(shè)備裝配、導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計(jì)等相關(guān)。通過(guò)對(duì)鋼軌生產(chǎn)過(guò)程中熱軋缺陷產(chǎn)生的原因和改進(jìn)措施的分析，能有效的降低和消除熱軋缺陷，提升鋼軌表面質(zhì)量。萬(wàn)能精軋機(jī)制精準(zhǔn)調(diào)整可保證高速鋼軌外形尺寸精度和表面質(zhì)量，提高鋼軌質(zhì)量和合格率，滿足我國(guó)鐵路高速化、重載化對(duì)鋼軌的質(zhì)量要求。