全長在線熱處理鋼軌生產(chǎn)工藝研究及產(chǎn)品開發(fā)

費(fèi)俊杰，周劍華，董茂松，劉芳鳴，朱敏

（1. 寶鋼股份中央研究院武漢分院（武鋼有限技術(shù)中心），湖北 武漢 430080；2. 武漢鋼鐵有限公司條材廠，湖北 武漢 430080）

0 引言

隨著我國鐵路快速發(fā)展，鐵路建設(shè)對高強(qiáng)度高耐磨鋼軌的需求也不斷增長。研究及生產(chǎn)實踐表明，對鋼軌進(jìn)行熱處理是提高鋼軌強(qiáng)度、耐磨性和使用壽命的最經(jīng)濟(jì)有效的方法[1-2]。鋼軌熱處理技術(shù)從傳統(tǒng)的淬火-回火工藝（Q-T工藝）發(fā)展為更先進(jìn)的欠速淬火工藝（S-Q工藝），目前國內(nèi)外廠家普遍采用鋼軌軋后余熱直接冷卻的在線熱處理工藝[3-6]，該工藝具有生產(chǎn)成本低、節(jié)省能源、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品綜合質(zhì)量好等顯著優(yōu)勢，是鋼軌熱處理工藝發(fā)展的趨勢。

根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，鋼軌在線熱處理工藝主要有噴水、噴霧、噴壓縮空氣（噴風(fēng)）、浸聚合物溶液等4種方式，前3種工藝均采用“走行式”，即鋼軌在冷卻機(jī)組中走行的同時進(jìn)行熱處理，而浸聚合物溶液指將軋后鋼軌浸入固定的聚合物溶液槽中進(jìn)行冷卻[7-10]。以上4種工藝均成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司（簡稱武鋼）多年來一直堅持鋼軌熱處理工藝的研究開發(fā)。以鐵路線路應(yīng)用最廣泛的U75V鋼軌為例，介紹武鋼全長在線熱處理鋼軌生產(chǎn)工藝研究及產(chǎn)品開發(fā)情況。

1 熱處理工藝對比及選型

為了選擇最合適的熱處理工藝，武鋼從2008年起展開相關(guān)熱處理工藝調(diào)研、實驗室研究和實物試驗等工作，不同熱處理工藝對鋼軌組織性能的影響對比見表1。

1.1 噴水冷卻

利用武鋼中試工廠軋鋼實驗線和快速冷卻平臺，鋼軌加熱至軋鋼溫度并保溫，然后通過立式快速冷卻平臺進(jìn)行噴水冷卻。研究結(jié)果表明，鋼軌熱處理后的力學(xué)性能和金相組織均滿足TB/T 2344—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 噴霧冷卻

噴霧冷卻采用水與空氣的機(jī)械混合物，根據(jù)工業(yè)實踐經(jīng)驗，要獲得穩(wěn)定的冷卻速度，水與空氣要充分均勻混合，同時由于霧化噴嘴孔徑較小，對設(shè)備維護(hù)、生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理的要求非常高[11-12]。

1.3 噴風(fēng)冷卻

利用東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室的鋼軌噴風(fēng)熱處理實驗線，鋼軌加熱至軋鋼溫度并保溫，噴風(fēng)冷卻一定時間后空冷至室溫。研究結(jié)果表明，鋼軌組織性能穩(wěn)定，波動較小，滿足TB/T 2344—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 浸聚合物冷卻

利用達(dá)涅利研發(fā)中心聚合物熱處理試驗平臺，鋼軌加熱后浸入“水+聚合物”溶液中，冷卻一定時間后，空冷至室溫。研究結(jié)果表明，鋼軌組織性能控制穩(wěn)定，滿足TB/T 2344—2012標(biāo)準(zhǔn)要求；冷卻過程中聚合物溶液產(chǎn)生煙氣，可能需要額外增加環(huán)保投入。

1.5 熱處理工藝選型

通過熱處理工藝對比分析發(fā)現(xiàn)，噴水、噴霧和浸聚合物冷卻工藝，對工藝控制、生產(chǎn)管理和設(shè)備維護(hù)要求高，以武鋼目前的工藝設(shè)備水平來看，實施以上3種工藝均存在一定的風(fēng)險。研究結(jié)果表明，噴風(fēng)冷卻工藝?yán)渌佥^慢，不易出現(xiàn)異常組織（見圖1），采用單一冷卻介質(zhì)，均勻性好，生產(chǎn)管理相對簡單，對鋼軌的表面狀態(tài)敏感性較小，是最適合武鋼的熱處理工藝方式。

2 噴風(fēng)熱處理工藝實驗室研究

2.1 鋼軌熱模擬試驗

為模擬鋼軌熱處理工藝、測定鋼軌CCT曲線，開展U75V鋼軌的熱模擬試驗，以5 ℃/s的速度加熱至900 ℃，保溫10 min，然后以不同冷卻速度（0.05～50.00 ℃/s）冷卻至室溫，試驗過程中記錄溫度（時間）-膨脹量曲線。對冷卻后的試樣進(jìn)行金相及維氏硬度測定，繪制出連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）（見圖2）。

表1 不同熱處理工藝條件下鋼軌組織性能

圖1 熱處理鋼軌軌頭金相組織

2.2 鋼軌熱處理試驗平臺

為系統(tǒng)研究噴風(fēng)熱處理工藝對鋼軌組織性能的影響，在中試工廠建設(shè)1∶1的噴風(fēng)熱處理試驗平臺（見圖3）?？砷_展不同噴風(fēng)壓力、噴嘴直徑、噴風(fēng)溫度、噴射距離、冷卻溫度等熱處理核心工藝參數(shù)的調(diào)試試驗。

2.3 熱處理工藝實驗室研究

2.3.1 開始冷卻溫度

在一定工藝范圍內(nèi)，噴風(fēng)冷卻可在鋼軌表面產(chǎn)生足夠大冷速，保證表面硬度等性能。對于鋼軌內(nèi)部，冷卻是內(nèi)部熱量逐步向外傳遞的過程，與冷卻場的分布位置和持續(xù)強(qiáng)度有關(guān)。因此，橫斷面洛氏硬度更能反映熱處理工藝對鋼軌性能的影響規(guī)律，重點研究工藝參數(shù)與鋼軌橫斷面硬度的關(guān)系。

圖2 U75V鋼軌的CCT曲線

圖3 鋼軌噴風(fēng)熱處理試驗平臺

鋼軌熱處理開始冷卻溫度決定了珠光體相變能大小，這是影響性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)，針對標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2344—2012對熱處理鋼軌橫斷面洛氏硬度的要求，分析不同開始冷卻溫度下熱處理鋼軌橫斷面硬度的變化情況。熱處理鋼軌橫斷面硬度測量點位置見圖4，熱處理鋼軌橫斷面洛氏硬度分布見圖5。研究結(jié)果表明，隨著開始冷卻溫度升高，橫斷面洛式硬度相應(yīng)提高。

2.3.2 噴嘴直徑

噴嘴直徑對單位時間的噴風(fēng)量和冷卻速度造成影響，在不同開始冷卻溫度下，不同直徑噴嘴對鋼軌橫斷面硬度的影響見圖6。

研究結(jié)果表明，在風(fēng)壓一定的情況下，噴嘴直徑對鋼軌性能影響不明顯?？估瓘?qiáng)度波動為2～4 MPa，踏面硬度波動為1～5 HB，橫斷面洛氏硬度波動為1 HRC左右。從實際試驗經(jīng)驗看，噴嘴直徑增大會增加冷卻噴射面積，提高鋼軌性能均勻性和穩(wěn)定性，也會增加風(fēng)機(jī)功率和設(shè)備維護(hù)成本，應(yīng)根據(jù)設(shè)備及工藝實際情況選擇合適的噴嘴直徑。

2.3.3 噴風(fēng)距離和噴風(fēng)壓力

當(dāng)一束氣流射向鋼軌表面時，一部分氣流直達(dá)表面，大部分氣流與表面平行流動。直達(dá)氣流將熱量以傳導(dǎo)的方式帶走，冷卻效率較高，與鋼軌表面平行流動的氣流只能按照邊界層理論，與接近鋼軌表面的低速流動邊界層氣體作對流換熱，通過邊界層再冷卻鋼軌，冷卻效率較低，氣流分布情況與噴嘴距鋼軌的距離和噴風(fēng)壓力有很大關(guān)系。通過試驗研究，選擇了合適的噴射距離和噴風(fēng)壓力范圍。

圖4 熱處理鋼軌橫斷面硬度測量點位置

圖5 熱處理鋼軌橫斷面洛氏硬度分布圖

2.3.4 噴風(fēng)溫度

噴風(fēng)溫度直接影響鋼軌表面散熱速度，研究結(jié)果表明，隨著風(fēng)機(jī)功率的提高，風(fēng)溫也相應(yīng)升高，具體關(guān)系見表2。尤其在夏季，武漢市環(huán)境溫度最高接近40 ℃，而風(fēng)溫相應(yīng)升高至60～70 ℃，降低了冷卻效果，容易造成橫斷面硬度偏低。針對這一問題，開發(fā)超細(xì)化噴霧系統(tǒng)，在風(fēng)管中加入納米粒徑的細(xì)化水霧，通過水霧的蒸發(fā)吸熱，降低風(fēng)溫。通過水霧流速和粒徑大小的調(diào)節(jié)，風(fēng)溫可降低2～5 ℃，有效保證熱處理鋼軌性能。

2.3.5 頭尾溫差

現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，鋼軌頭尾部溫度會存在一定的差異。根據(jù)熱處理試驗工藝參數(shù)，選取60 ℃的溫差區(qū)間，共選取3個區(qū)間，對其區(qū)間上的鋼軌綜合性能進(jìn)行對比分析。頭尾溫差對橫斷面硬度的影響見圖7。

表2 風(fēng)機(jī)功率與噴風(fēng)溫度的關(guān)系

圖6 噴嘴直徑與橫斷面硬度關(guān)系

圖7 頭尾溫差對橫斷面硬度的影響關(guān)系

試驗結(jié)果表明，60 ℃的溫差區(qū)間對鋼軌性能造成一定影響，其中溫度區(qū)間2性能波動最小，抗拉強(qiáng)度波動值為6 MPa、踏面硬度波動值為2 HB、橫斷面洛氏硬度波動值為1 HRC。

2.3.6 金相組織及性能均勻性

對不同熱處理工藝下的鋼軌金相組織進(jìn)行觀察，均為珠光體+少量鐵素體，未發(fā)現(xiàn)異常組織，說明噴風(fēng)冷卻可提供良好的組織穩(wěn)定性。同時，對比U75V鋼軌熱軋態(tài)和熱處理狀態(tài)的組織和珠光體片層間距（見圖8），熱處理鋼軌珠光體片層明顯變細(xì)，片層間距減小近50%。

圖8 熱軋態(tài)與熱處理U75V鋼軌金相組織和珠光體片層間距對比

2.4 熱處理過程溫度變化

為準(zhǔn)確掌握鋼軌熱處理過程中軌頭內(nèi)部不同部位溫度的變化情況，采用埋設(shè)熱電偶的方式，熱電偶埋設(shè)位置見圖9。通過試驗得到軌頭不同位置的溫度實際變化及冷卻速度。

熱處理過程中，從鋼軌表面至中心，越靠近內(nèi)部發(fā)生相變越晚。不同深度的2#點和4#點，分別出現(xiàn)冷卻曲線峰值和溫降曲線“平臺”（見圖10），這與相變熱有關(guān)。為保證熱處理鋼軌的性能，外界施加的冷卻強(qiáng)度必須保證從該點帶走的熱量大于“傳導(dǎo)熱+相變熱”。

圖9 熱電偶埋設(shè)位置圖

圖10 軌頭不同深度的溫度曲線和冷卻速度曲線

通過實驗室研究，結(jié)合武鋼自身工藝裝備和環(huán)境溫度的特點，提出一種風(fēng)溫可控的鋼軌噴風(fēng)冷卻工藝，為熱處理生產(chǎn)線建設(shè)和產(chǎn)品開發(fā)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

3 熱處理鋼軌產(chǎn)品開發(fā)

3.1 熱處理鋼軌生產(chǎn)線建設(shè)

在自主開發(fā)鋼軌熱處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成鋼軌在線熱處理生產(chǎn)線建設(shè)，順利通過熱負(fù)荷試車以及開展熱處理鋼軌試制，熱處理工藝模型在現(xiàn)場生產(chǎn)線成功應(yīng)用，實現(xiàn)了熱處理機(jī)組百米鋼軌順利自動過鋼，生產(chǎn)線能力完全滿足熱處理鋼軌生產(chǎn)要求。

3.2 熱處理鋼軌生產(chǎn)關(guān)鍵工藝技術(shù)

3.2.1 熱處理入口溫度和頭尾溫差穩(wěn)定性控制

系統(tǒng)研究了終軋溫度、熱鋸切時間及翻鋼機(jī)輥道速度對熱處理開始溫度的影響。研究不同工藝條件和環(huán)境溫度下，頭尾溫差變化情況以及對性能的影響。通過控制合適的工藝參數(shù)，保證鋼軌入口溫度和頭尾溫差達(dá)到技術(shù)要求。

3.2.2 熱處理過程中鋼軌彎曲控制技術(shù)

開展奧氏體溫度下鋼軌矯直工藝及對彎曲和斷面尺寸影響研究，通過優(yōu)化鋼軌橫斷面冷卻強(qiáng)度分配工藝，在軌頭和軌底采用不同的噴風(fēng)壓力，縱向長度方向采用分段冷卻控制工藝，根據(jù)鋼軌相變過程分段控制不同的冷卻強(qiáng)度，顯著降低熱處理過程中鋼軌的彎曲，實現(xiàn)了鋼軌平穩(wěn)快速通過熱處理機(jī)組，以及熱處理與熱軋節(jié)奏的合理匹配。

3.2.3 熱處理鋼軌平直度控制技術(shù)

針對熱處理鋼軌強(qiáng)度高、應(yīng)力大的特點，開展熱處理鋼軌平立復(fù)合矯直工藝及平直度控制等研究工作，在沒有預(yù)彎工藝的情況下，制定最優(yōu)的小變形量矯直工藝，確定不同的矯直輥的壓下范圍，以保證熱處理鋼軌的平直度、殘余應(yīng)力等技術(shù)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 熱處理鋼軌實物質(zhì)量

U75V熱處理鋼軌成品力學(xué)性能滿足TB/T 2344—2012標(biāo)準(zhǔn)要求（見表3），U75V熱處理鋼軌橫斷面硬度見表4。U75V熱處理鋼軌橫斷面洛氏硬度分布見圖11。

從表4和圖11可以看出，U75V熱處理鋼軌軌頭硬化層深度大于30 mm，高于標(biāo)準(zhǔn)要求，橫斷面洛氏硬度控制穩(wěn)定。

U75V熱處理鋼軌組織為珠光體+少量鐵素體，未出現(xiàn)貝氏體和馬氏體等淬火組織，珠光體片層間距分布為80～130 nm，疲勞裂紋擴(kuò)展速率、殘余應(yīng)力、疲勞、斷裂韌性等關(guān)鍵性能指標(biāo)均滿足TB/T 2344—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 U75V熱處理鋼軌橫斷面硬度（平均值）HB

表3 U75V熱處理鋼軌成品力學(xué)性能

圖11 U75V熱處理鋼軌橫斷面洛氏硬度分布

3.4 熱處理鋼軌產(chǎn)品開發(fā)

通過工藝研究和工業(yè)化試制，武鋼形成了整套的鋼軌在線熱處理工藝技術(shù)，成功開發(fā)出60 kg/m U75V、60 kg/m U71Mn、50 kg/m U71Mn及出口R350HT 54E1在線熱處理鋼軌，均具備批量生產(chǎn)能力，累計供貨量達(dá)4 200 t，用于平頂山煤礦、徐沛線電廠、北京地鐵等民用線路和印度尼西亞鐵路道岔。

4 結(jié)論

（1）鋼軌在線熱處理工藝可顯著提高鋼軌強(qiáng)度、耐磨性和使用壽命，是鋼軌技術(shù)發(fā)展的重要方向，武鋼通過多年研究，結(jié)合自身工藝裝備和環(huán)境溫度特點，開發(fā)了一種風(fēng)溫可控的鋼軌噴風(fēng)冷卻工藝，完成了熱處理鋼軌生產(chǎn)線建設(shè)，形成整套在線熱處理鋼軌生產(chǎn)工藝技術(shù)。

（2）生產(chǎn)實踐表明，武鋼鋼軌在線熱處理工藝和裝備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品各項性能控制穩(wěn)定，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，成功實現(xiàn)60 kg/m U75V、60 kg/m U71Mn、50 kg/m U71Mn及出口R350HT 54E1在線熱處理鋼軌的批量生產(chǎn)。