重軌軋線概況及典型設(shè)備特點(diǎn)分析

梁祖紅 楊瑞宇

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

近年來我國鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，截止到2019年底，我國的鐵路運(yùn)營里程已達(dá)13.9萬公里，其中高鐵的運(yùn)營里程超過3.5萬公里，居世界第一。鋼軌作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到鐵路運(yùn)營的安全與效率，隨著我國鐵路建設(shè)向高速化、重載化、無縫化的方向發(fā)展，生產(chǎn)高強(qiáng)度、高精度的長尺重軌成為我國鋼軌生產(chǎn)的重要趨向。而重軌軋制生產(chǎn)線作為重軌生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，直接影響重軌產(chǎn)品的質(zhì)量及綜合力學(xué)性能，先進(jìn)的軋制技術(shù)是獲得優(yōu)良重軌產(chǎn)品的保證。

1 我國重軌軋線的設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 我國重軌軋線的發(fā)展簡介

十九世紀(jì)末，我國最早建成的軌梁軋機(jī)引進(jìn)了英國技術(shù)，采用的是由蒸汽機(jī)為動力的三機(jī)架橫列二輥結(jié)構(gòu)，能生產(chǎn)42 kg/m以下的鋼軌，定尺長度為9.144 m。新中國成立以后，我國先后在鞍鋼、武鋼、包鋼、攀鋼等鋼廠建了4條軌梁軋線，采用的機(jī)型均是橫列式軋機(jī)機(jī)型。該類型軋線采用鋼錠作為原料先經(jīng)初軋機(jī)開坯，軋制坯加熱后，在橫列式軋機(jī)上用孔型法軋制成鋼軌，隨后將熱軋軌裝入緩冷坑進(jìn)行脫氫處理，鋼軌冷卻后用輥式矯直機(jī)進(jìn)行矯直，然后進(jìn)行鋸鉆加工和軌頭淬火，經(jīng)超聲探傷合格后交貨。上述幾條軋線可生產(chǎn)43 kg/m～75 kg/m的重軌，但軌長最長僅達(dá)到25 m[1]。

21世紀(jì)以后，鞍鋼、攀鋼、包鋼和武鋼先后對其鋼軌生產(chǎn)線進(jìn)行了現(xiàn)代化改造，從國外引進(jìn)了先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，完成了重軌生產(chǎn)線包括精煉、精軋、精整、長尺化生產(chǎn)和集中檢測技術(shù)設(shè)備的改造，改造后的重軌生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝技術(shù)均達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

目前，國內(nèi)長尺重軌軋制生產(chǎn)線總共有5家企業(yè)的7條生產(chǎn)線，其中包鋼和攀鋼各有兩條，鞍鋼、武鋼和邯鋼各有1條。攀鋼、包鋼保留了原有的橫列式鋼軌生產(chǎn)線，先后各自新建了一條產(chǎn)品長度達(dá)100 m的重軌生產(chǎn)線，隨后分別對原有橫列式生產(chǎn)線進(jìn)行改造，所以兩家都擁有兩條先進(jìn)的重軌生產(chǎn)線。鞍鋼和武鋼則拆除了舊生產(chǎn)線，利用原廠房和公輔設(shè)施新建了軌長100 m的重軌生產(chǎn)線[2]。邯鄲大型生產(chǎn)線于2012年建成投產(chǎn)，該軋線設(shè)備配置也具備生產(chǎn)百米重軌的能力。

這些先后改造或新建的生產(chǎn)線在重軌軋制工藝流程方面差異不大，采用連鑄坯作為原料經(jīng)開坯機(jī)將其軋制成初具形狀的軌形坯，隨后進(jìn)入萬能軋機(jī)采用萬能軋制法軋制成型，然后經(jīng)百米冷床預(yù)彎及冷卻后進(jìn)入矯直機(jī)進(jìn)行矯直，再經(jīng)無損檢測和鋸鉆加工后交貨。不同生產(chǎn)線其軋機(jī)的配置可能略有差異，精整工序的順序也有所不用，但精整內(nèi)容均大同小異，典型軋制工藝流程為：加熱爐加熱→粗除鱗箱高壓除鱗→BD1、BD2開坯機(jī)軋制→熱鋸切頭→萬能軋機(jī)軋制成品→鋼軌熱打印→熱鋸切尾、取樣→預(yù)彎及長尺冷卻→矯直機(jī)矯直→無損檢測、平直度檢測→鋸鉆加工→收集堆垛入庫。

1—加熱爐 2—1號開坯機(jī) 3—2號開坯機(jī) 4—切頭鋸 5—萬能粗軋機(jī) 6—粗軋邊機(jī) 7—萬能中軋機(jī) 8—中軋邊機(jī) 9—萬能精軋機(jī) 10—鋼軌打印機(jī) 11—步進(jìn)式冷床 12—平立復(fù)合矯直機(jī) 13—無損檢測中心 14—四面壓力矯直機(jī) 15—聯(lián)合鋸鉆機(jī)床圖1 攀鋼重軌二號線平面布置圖Figure 1 Layout plan of heavy track No.2 rolling line in Panzhihua Steel

1—加熱爐 2—1號開坯機(jī) 3—2號開坯機(jī) 4—切頭鋸 5—萬能粗軋機(jī) 6—軋邊機(jī) 7—萬能精軋機(jī) 8—預(yù)留萬能成品軋機(jī) 9—鋼軌打印機(jī) 10—步進(jìn)式冷床 11—型鋼精整線 12—平立復(fù)合矯直機(jī) 13—無損檢測中心 14—四面壓力矯直機(jī) 15—聯(lián)合鋸鉆機(jī)床圖2 武鋼重軌軋線工藝平面布置圖Figure 2 Layout plan of heavy track rolling line process in Wuhan Steel

1.2 我國長尺重軌軋線布置形式

我國現(xiàn)有7條長尺重軌生產(chǎn)線中，主要設(shè)備配置形式有兩種。其中于2004年12月建成的我國第一條百米定尺重軌生產(chǎn)線——攀鋼軌梁廠萬能2號線，其軋機(jī)布置形式采用的是2+2+2+1的七架軋機(jī)形式，該軋線的主軋機(jī)區(qū)域由兩架可逆式開坯機(jī)+1組萬能軋邊粗軋機(jī)組+1組萬能軋邊中軋機(jī)組+1臺萬能精軋機(jī)組成，其軋線布置如圖1所示[3]。此種布置形式的生產(chǎn)線雖然能避免軋機(jī)間張力引起的產(chǎn)品尺寸波動，但與另一種2+3布置的生產(chǎn)線相比，存在著廠房長度長、主軋?jiān)O(shè)備較多導(dǎo)致初始投資和后期運(yùn)營成本均增加、軋件溫降大等一系列的缺點(diǎn)，因此后期新建的生產(chǎn)線很少再采用這種布置形式。

包鋼重軌1、2號線、鞍鋼、武鋼重軌生產(chǎn)線均采用的是2+3的布置形式。該類型軋線的主軋機(jī)區(qū)域由兩架可逆式開坯機(jī)和一組由1臺萬能粗軋機(jī)、1臺軋邊機(jī)及1臺萬能精軋機(jī)組成的可逆式萬能連軋機(jī)組組成。這種布置形式的典型軋線布置以武鋼重軌生產(chǎn)線為例，如圖2所示[4]。武鋼重軌生產(chǎn)線于2008年建成，在設(shè)計(jì)軋線時(shí)，在現(xiàn)有的萬能軋機(jī)組后、鋼軌打印機(jī)前還預(yù)留了一臺萬能成品軋機(jī)，目前軋機(jī)配置已經(jīng)滿足生產(chǎn)需要，所以這臺預(yù)留的軋機(jī)就一直沒有再增加。這種2+3的重軌生產(chǎn)線布置形式能有效減短軋線長度，減少投資成本和運(yùn)營成本，所以這種布置形式目前比較流行。

邯鋼大型生產(chǎn)線也是采用這種2+3布置形式，不過在武鋼軋線上預(yù)留的萬能成品軋機(jī)在邯鋼大型廠則是直接布置到了生產(chǎn)線上，行成了2+3 +1的布置形式。

在軋線改造時(shí)，由于攀鋼軌梁廠萬能1號線軋制工藝需參考2號線，因此其將武鋼2+3布置形式當(dāng)中的萬能精軋機(jī)移到了預(yù)留的萬能成品軋機(jī)的位置，形成了2+2+1的布置形式。

2 國內(nèi)長尺重軌軋線主要設(shè)備布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于重軌生產(chǎn)線對產(chǎn)品質(zhì)量的要求比普通型鋼生產(chǎn)線高，所以其設(shè)備配置也較普通型鋼生產(chǎn)線更齊備和先進(jìn)，具有一系列獨(dú)有的特點(diǎn)，如配置有兩臺可逆開坯機(jī)、萬能軋機(jī)的高精度控制、配置有帶預(yù)彎功能的百米冷床、平立復(fù)合矯直機(jī)以及對鋼軌進(jìn)行探傷檢查的檢測中心等。

2.1 主要設(shè)備

2.1.1 除鱗裝置

除鱗裝置用于去除軋件表面的氧化鐵皮。通常會在BD1開坯機(jī)前和萬能軋機(jī)機(jī)組前設(shè)置2級除鱗裝置，邯鋼大型廠則在萬能成品軋機(jī)前還設(shè)置了另一級高壓水除鱗，而攀鋼軌梁2號線則在萬能中軋機(jī)前和萬能成品軋機(jī)前分別設(shè)置了兩級高壓氣體除鱗裝置[5]。

高壓水除鱗技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也比較廣泛。而氣體除鱗是利用壓縮空氣作為除鱗介質(zhì)的一種除鱗方式，其優(yōu)點(diǎn)是壓縮空氣對軋件造成的溫降很小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。但由于壓縮空氣的除鱗壓力和高壓水相比小得多，所以其除鱗效果也遠(yuǎn)不如高壓水除鱗效果好，因此其應(yīng)用不大。

2.1.2 開坯機(jī)組設(shè)備

從加熱爐出來的坯料需在開坯機(jī)組中經(jīng)10到14道次軋制成為初具鋼軌外形的中間坯。國內(nèi)現(xiàn)有的重軌軋線均配置有兩架開坯機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式差異不大，均采用二輥可逆式。其中最典型的開坯機(jī)組設(shè)備配置形式如圖3所示，在BD1開坯機(jī)前后配置有帶勾式翻鋼機(jī)的電機(jī)驅(qū)動式推床，而BD2開坯機(jī)前后則一般配置的是液壓式推床和用于翻轉(zhuǎn)異形坯的鉗式翻鋼機(jī)。

1—機(jī)前推床翻鋼機(jī) 2—BD1開坯機(jī) 3—機(jī)后推床翻鋼機(jī) 4—機(jī)前鉗式翻鋼機(jī) 5—機(jī)前推床 6—BD2開坯機(jī) 7—機(jī)后推床 8—機(jī)后鉗式翻鋼機(jī)圖3 可逆式二輥開坯機(jī)組典型布置圖Figure 3 Typical layout plan of reversing 2-roll blooming unit

1—機(jī)前升降輥道 2—機(jī)前對中裝置 3—UR萬能軋機(jī) 4—換輥裝置 5—軋邊機(jī) 6—UF萬能軋機(jī) 7—機(jī)后對中裝置 8—機(jī)后升降輥道 9—主傳動裝置圖4 萬能軋機(jī)區(qū)域典型布置圖Figure 4 Typical layout plan of universal mill location

在該機(jī)組設(shè)備中，鉤式翻鋼機(jī)由于沒有夾持功能，主要用于前幾個(gè)道次對形狀規(guī)則軋件的翻轉(zhuǎn)，而推床則主要用于將軋件對準(zhǔn)軋輥孔型，并輔助鉤式翻鋼機(jī)對軋件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。BD2開坯機(jī)前后的鉗式翻鋼機(jī)具有任意角度夾持軋件并翻轉(zhuǎn)任意角度的功能，主要用于將初步具有重軌外形的異形中間軋件夾持住，并翻轉(zhuǎn)一定角度，然后將其導(dǎo)入槽型軋輥的孔型當(dāng)中。

二輥可逆式開坯機(jī)一般由一臺主傳動電機(jī)通過一臺速比為1∶1的齒輪機(jī)座傳動，兩根萬向接軸為軋輥提供軋制力矩。為保證開坯機(jī)有足夠的強(qiáng)度及剛度，其機(jī)架通常采用閉式機(jī)架，開口度調(diào)整則通常由一臺電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速機(jī)帶動壓下螺絲在壓下螺母中轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)現(xiàn)有重軌生產(chǎn)線開坯機(jī)主要性能見表1。

表1 國內(nèi)各重軌生產(chǎn)線開坯機(jī)主要性能Table 1 Main properties of heavy track rolling lines blooming units in domestic

2.1.3 萬能軋機(jī)區(qū)設(shè)備

萬能軋機(jī)是重軌生產(chǎn)線中最核心的設(shè)備之一，用于將開坯機(jī)軋制出來的中間坯軋制成成品軌梁。目前，國內(nèi)7條長尺重軌生產(chǎn)線的萬能軋機(jī)均采用的是德國的CCS軋機(jī)。

萬能軋機(jī)區(qū)域現(xiàn)有最常用的設(shè)備布置如圖4所示，由兩臺萬能軋機(jī)中間加一臺軋邊機(jī)串列布置組成。在萬能軋機(jī)入出口均設(shè)置有可升降的輥道，用于根據(jù)不同尺寸軋件的不同軋制工藝設(shè)定軋制標(biāo)高。在入出口升降輥道上設(shè)置有由液壓缸驅(qū)動的移動對中裝置，用于軋件對中導(dǎo)衛(wèi)，以便將軋件導(dǎo)入軋機(jī)。

萬能軋機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有很多種，如短應(yīng)力線萬能軋機(jī)、閉口開軛式萬能軋機(jī)、CCS萬能軋機(jī)等。目前，國內(nèi)外重軌生產(chǎn)線中萬能軋機(jī)配置均以先進(jìn)的CCS萬能軋機(jī)為主流，其主要特點(diǎn)為：

(1)換輥速度快且無須單獨(dú)更換，在線調(diào)整導(dǎo)衛(wèi)，在換輥時(shí)軋機(jī)操作側(cè)機(jī)架可以和輥系一起向換輥側(cè)移動至換輥位，實(shí)現(xiàn)輥系和導(dǎo)衛(wèi)的整體快速更換。

(2)機(jī)架及軸承座結(jié)構(gòu)更緊湊，能大幅提高軋機(jī)剛度，減少前期投資，維護(hù)更加簡便。

(3)水平輥和立輥的調(diào)整全部采用液壓自動輥縫調(diào)整(AGC+HPC)，能有效提高控制精度和準(zhǔn)確度，從而提高產(chǎn)品的精度及質(zhì)量。

(4)傳動側(cè)牌坊和操作側(cè)牌坊的距離可以調(diào)整，能夠適應(yīng)不同的軋制模式。

(5)軋邊機(jī)可以整體在線移動調(diào)整，并且一架軋邊機(jī)有兩種不同的軋槽，因此可以根據(jù)軋制程序要求，實(shí)現(xiàn)不同軋制道次對不同軋槽的需求，從而以一架軋邊機(jī)實(shí)現(xiàn)以前兩架軋邊機(jī)的功能。

國內(nèi)各重軌生產(chǎn)線萬能軋機(jī)機(jī)組主要性能見表2。

表2 國內(nèi)各重軌生產(chǎn)線萬能軋機(jī)機(jī)組主要性能Table 2 Main properties of heavy track rolling lines universal mills in domestic

1—立輥矯直機(jī) 2—換輥裝置 3—水平輥矯直機(jī) 4—翻轉(zhuǎn)裝置圖5 矯直機(jī)區(qū)域典型布置圖Figure 5 Typical layout plan of straightener location

2.1.4 矯直機(jī)區(qū)設(shè)備

重軌在尺寸精度、平直度方面要求越來越高，為滿足需求，除了要求軋機(jī)的軋制精度高外，矯直機(jī)對軌梁的矯直精度也很重要，重軌生產(chǎn)線在冷床出口均設(shè)置有一臺水平輥矯直機(jī)和一臺立輥矯直機(jī)組成的平立復(fù)合矯直機(jī)，如圖5所示，一般在矯直機(jī)入口有一臺重軌翻轉(zhuǎn)裝置，用于將軌梁旋轉(zhuǎn)一定的角度并導(dǎo)入矯直機(jī)。水平輥矯直機(jī)輥身作用于軌頂及軌底，用于矯直軌梁垂直方向上的彎曲，立輥矯直機(jī)輥身則作用于軌腰，用于矯直軌梁水平方向上的彎曲。

國內(nèi)現(xiàn)有的幾條長尺重軌軋線所配置的軌梁矯直機(jī)除包鋼2號線和邯鋼大型廠的水平輥矯直機(jī)采用雙支承結(jié)構(gòu)外，其余軋線均采用懸臂式結(jié)構(gòu)。其輥系配置通常采用8+1模式，即矯直輥系由8根通過電機(jī)傳動的帶孔型的矯直輥和1根無傳動無孔型的惰輥組成。其中5根下矯直輥固定不動，4根上矯直輥由電機(jī)通過蝸輪蝸桿帶動絲桿轉(zhuǎn)動來進(jìn)行高度調(diào)整。立輥矯直機(jī)除了攀鋼軌梁兩條生產(chǎn)線采用7輥模式外，其余生產(chǎn)線均采用7+1的配置模式，由7根有孔型的懸臂式矯直輥和一根圓柱形的自由立式導(dǎo)輥組成。7根矯直輥中有4根傳動輥，另外3根矯直輥和位于出口的自由立導(dǎo)輥為惰輥。

2.2 其他設(shè)備特點(diǎn)

重軌生產(chǎn)線冷床均采用步進(jìn)式結(jié)構(gòu)，驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動兩種，其中多數(shù)采用液壓驅(qū)動。為減少鋼軌在進(jìn)入矯直機(jī)前的彎曲度，方便矯直機(jī)矯直，并提高成品的平直度、減少鋼軌矯后殘余應(yīng)力，在推床入口均設(shè)置有帶預(yù)彎功能的橫移裝置，根據(jù)工藝需要，可以通過調(diào)整橫移裝置中各橫移小車帶動鋼軌運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)鋼軌熱預(yù)彎。

為提高鋼軌的力學(xué)性能，增加其強(qiáng)度、耐磨性、抗沖擊和抗疲勞等性能，延長鋼軌的使用壽命，攀鋼自主開發(fā)制造了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的在線余熱淬火裝置，而包鋼、邯鋼則從國外引進(jìn)了余熱淬火設(shè)備。

為確保重軌產(chǎn)品在平直度、表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量等方面達(dá)到相關(guān)要求，國內(nèi)的重軌生產(chǎn)線均配置有從國外引進(jìn)的由激光尺寸測量裝置、平直度儀、渦流檢測表面檢測儀、內(nèi)部超聲探傷儀及缺陷噴印裝置等組成的檢測中心。能實(shí)現(xiàn)鋼軌相關(guān)尺寸、平直度、端部扭轉(zhuǎn)程度以及鋼軌表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷的自動檢測和評估，并對不合格鋼軌進(jìn)行自動噴印標(biāo)識。

另外，根據(jù)工藝需要，重軌生產(chǎn)線還配置有用于合格鋼軌切頭切尾、定尺及軌端鉆孔的聯(lián)合鋸鉆機(jī)床和用于對鋼軌端部及局部硬彎矯直盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)矯的液壓式四面壓力矯直機(jī)等設(shè)備。

3 重軌軋線主要設(shè)備的國產(chǎn)化或引進(jìn)建議

現(xiàn)有國內(nèi)數(shù)條先進(jìn)重軌生產(chǎn)線的關(guān)鍵核心設(shè)備如萬能軋機(jī)、矯直機(jī)、檢測中心等目前主要采用從國外引進(jìn)。隨著我國冶金設(shè)備設(shè)計(jì)制造能力的不斷進(jìn)步，在新建或改造重軌生產(chǎn)線時(shí)，除少部分國內(nèi)尚無設(shè)計(jì)制造能力或性能無法滿足要求的設(shè)備外，我國已經(jīng)完全具備了部分關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化的能力，具體如下：

(1)開坯機(jī)：早期重軌生產(chǎn)線的開坯機(jī)多采用國外設(shè)計(jì)、國內(nèi)制造的合作制造模式，近年來設(shè)備設(shè)計(jì)制造已實(shí)現(xiàn)了全部國產(chǎn)化。

(2)萬能軋機(jī)：國內(nèi)近些年建成的重軌生產(chǎn)線，其萬能軋機(jī)設(shè)備均從德國引進(jìn)，尚無國產(chǎn)業(yè)績，目前國內(nèi)已具備了國產(chǎn)化的能力。

(3)步進(jìn)式冷床：設(shè)備的設(shè)計(jì)制造可全部國產(chǎn)化。

(4)平立復(fù)合矯直機(jī)：和萬能軋機(jī)一樣，現(xiàn)有的重軌矯直機(jī)也基本從國外引進(jìn)，但目前我國也同樣具備了自主設(shè)計(jì)制造的能力。

(5)無損檢測中心：現(xiàn)有設(shè)備基本均從國外引進(jìn)，主要供應(yīng)商有奧地利Knorr、加拿大NDT及德國KD等公司。該部分設(shè)備可采用從國外引進(jìn)的方式。

(6)聯(lián)合鋸鉆機(jī)床及四面壓力矯直機(jī)：現(xiàn)有設(shè)備主要從國外進(jìn)口，仍可采用引進(jìn)方式。

(7)除鱗裝置、輥道、側(cè)導(dǎo)板及堆垛收集裝置等機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)制造可全部國產(chǎn)化。