包鋼采用萬能孔型法軋制槽型軌工藝研究*

陳沅，郭利宏，席紅巖，王藝慈

(1.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司技術(shù)中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司軌梁廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.科赫工業(yè)設(shè)備技術(shù)(上海)有限公司，上海 200072；4.內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

有軌電車具有速度快、運(yùn)量相對(duì)較大、噪聲低、環(huán)保經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[1]，代表著未來城市軌道交通發(fā)展的方向，具有很好的市場(chǎng)前景，為此，包鋼開發(fā)槽型軌(鋼質(zhì)為U75V)以滿足城市軌道交通對(duì)槽型軌的需求.目前，國(guó)內(nèi)鋼軌生產(chǎn)廠生產(chǎn)鋼軌的主要方式是萬能孔型法.槽型軌是鋼軌中斷面最為復(fù)雜的，主要是鋼軌頭部要軋制出凹型槽，在軋制凹型槽時(shí)既要切出合格的斷面形狀，又要保證尺寸要求，為此包鋼采用萬能孔型連軋方法對(duì)槽型鋼軌的孔型系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并進(jìn)行了軋制，在軋制過程中出現(xiàn)了軌頭外側(cè)圓弧充填不好、軌頭槽內(nèi)“切鐵絲”、軌腰下部連接部位產(chǎn)生折疊缺陷以及斷面尺寸波動(dòng)較大等問題，為此，包鋼對(duì)槽型軌的孔型及其系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，上述問題得到了根本解決，產(chǎn)品質(zhì)量如斷面尺寸、外形及性能等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

1 槽型軌斷面形狀

槽型軌被譽(yù)為“軌中之王”，與普通鋼軌相比，這種鋼軌的軌頭上有一個(gè)不對(duì)稱的槽，形狀復(fù)雜，是鋼軌中最難軋制的品種[2].目前世界上只有烏克蘭、德國(guó)等為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家掌握這種生產(chǎn)技術(shù).槽型軌有59R2，60R2 2個(gè)斷面，其主要外形尺寸相同，外觀略有不同，其斷面圖如圖1，2所示.

圖1 槽型鋼軌59R2斷面圖

圖2 槽型鋼軌60R2斷面圖

2 孔型設(shè)計(jì)

孔型設(shè)計(jì)的作用是將鋼坯在設(shè)計(jì)好的軋輥孔型中經(jīng)過若干次軋制變形，使鋼軌的斷面幾何形狀和尺寸允許偏差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，孔型設(shè)計(jì)起到穩(wěn)定控制軋制過程、減少表面缺陷，改善機(jī)械性能等作用.孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理不僅直接影響到最終成品尺寸，對(duì)軋制出鋼影響也非常大，而成品尺寸和軋制出鋼則是鋼軌生產(chǎn)的關(guān)鍵[3].萬能孔型法的孔型系統(tǒng)是由l對(duì)主動(dòng)水平輥和1對(duì)被動(dòng)立輥共同組成，且四輥的軸線位于同一平面上，形成萬能孔型，平輥對(duì)重軌的腰部進(jìn)行加工，兩側(cè)立輥與平輥的側(cè)面形成加工變形區(qū)分別對(duì)軌頭、軌底進(jìn)行加工[4].

2.1 孔型設(shè)計(jì)方案的確定

槽型軌斷面形狀復(fù)雜，軋制過程中金屬變形不均勻，孔型設(shè)計(jì)存在較大難度，需要通過合理的孔型設(shè)計(jì)以及工藝制度來保證軋制的穩(wěn)定性.

包鋼鋼軌軋制工藝流程為加熱爐加熱→高壓水除鱗→BD1軋制→BD2軋制→CCS萬能軋制(UR→ER→UR→EF→UF).

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求軋件的總壓縮比不小于9∶1，槽型鋼軌采用的坯料是連鑄矩形坯，斷面是280 mm×380 mm，采用這種斷面連鑄坯軋制59R2，60R2槽型軌，壓縮比可達(dá)到14∶1.壓下率控制為：BD1，BD2開坯機(jī)15%～25%；CCS粗軋20%～25%；CCS精軋5%～10%.軋制速度為：BD1，BD2開坯機(jī)3～5 m/s；CCS軋機(jī)4～7 m/s.

根據(jù)槽型軌的斷面特點(diǎn)以及該鋼軌生產(chǎn)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，確定了軋制59R2，60R2槽型鋼軌BD1，BD2，CCS軋機(jī)的孔型方案如下：

(1)BD1軋機(jī)(第一架開坯機(jī))：設(shè)計(jì)1個(gè)箱型孔，1個(gè)梯形孔，3個(gè)帽型孔，往復(fù)軋制7道次，使軋件初步成形.

(2)BD2軋機(jī)(第二架開坯機(jī))：設(shè)計(jì)5個(gè)軌型孔，往復(fù)軋制5道次，將軋件初步軋成軌形.

(3)CCS軋機(jī)(萬能連軋機(jī)組,由UR，E，UF機(jī)架組成，其中E機(jī)架有ER和EF2種孔型)：設(shè)計(jì)4個(gè)軌形孔，分別為UR，ER，EF，UF孔型，往復(fù)軋制3道次，使軋件達(dá)到成品形狀，保證成品斷面尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

2.2 孔型系統(tǒng)的確定

根據(jù)59R2，60R2槽型鋼軌斷面形狀特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)工藝及設(shè)備狀況，設(shè)計(jì)孔型方案為：BD1開坯，軋制為帽形后送BD2，BD2設(shè)計(jì)為包括切深孔型在內(nèi)的5個(gè)孔型，軋件經(jīng)過BD2軋制后送CCS軋機(jī)，軋件在CCS完成開槽過程并軋制為成品.經(jīng)過討論分析和試軋實(shí)踐摸索，根據(jù)試軋情況分析總結(jié)，該方案可以有效控制CCS軋制尺寸的穩(wěn)定性.

2.3 軋輥孔型設(shè)計(jì)

2.3.1CCS萬能精軋機(jī)UF孔型設(shè)計(jì)

成品孔型采用萬能孔型法軋制，就是UR和UF軋機(jī)傳動(dòng)側(cè)立輥采用平輥，操作側(cè)立輥采用開槽輥，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)尺寸公差(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是EN14811：2006+A1：2009[5])以及金屬熱膨脹系數(shù).

2.3.2CCS萬能粗軋機(jī)UR孔型設(shè)計(jì)

(1)水平輥.腰高比成品孔UF腰部略高，以使UF腰部得到良好的加工，腰部?jī)蓚?cè)斜度按標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)，圓弧R比UF水平輥相應(yīng)處圓弧大.

(2)傳動(dòng)側(cè)立輥使用平輥.

(3)操作側(cè)立輥使用開槽立輥，圓弧R的尺寸與標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸相同.

(4)腿部長(zhǎng)度.在萬能UR孔型中，軋件的腿端完全開口，腿部長(zhǎng)度決定于傳動(dòng)側(cè)立輥壓下形成的展寬量.

2.3.3CCS萬能軋機(jī)軋邊機(jī)孔型設(shè)計(jì)

軋邊機(jī)孔型為兩輥孔型，起到控制鋼軌頭寬和腿長(zhǎng)的作用，軋邊機(jī)孔型的腰部通常與軋件的腰部輕微接觸或不接觸，配置2個(gè)軋邊孔ER和EF，形狀相似.

2.3.4BD2軋輥孔型設(shè)計(jì)

根據(jù)槽型鋼軌的生產(chǎn)工藝在帽形孔后面設(shè)計(jì)了5個(gè)軌形孔，軌形孔配置在BD2軋輥上.軌型孔是開坯機(jī)的成形孔，為萬能孔型提供符合軌頭、軌腰、軌底相互變形關(guān)系的中間軌形軋件，因?yàn)椴坌弯撥壥遣粚?duì)稱斷面，為滿足萬能孔型的供料要求，軌形孔設(shè)定為閉口孔型.

2.3.5BD1軋機(jī)孔型設(shè)計(jì)

BD1軋機(jī)孔型配置有箱形孔、梯形孔和帽形孔,使用280 mm×380 mm坯料軋制成中間坯，在經(jīng)過帽形孔加工為符合要求的坯料,然后送BD2軋制.

2.4 軋輥和導(dǎo)衛(wèi)設(shè)計(jì)

根據(jù)軋制59R2，60R2槽型鋼軌各軋機(jī)的軋輥孔型設(shè)計(jì)圖，結(jié)合軌梁廠生產(chǎn)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了59R2，60R2槽型鋼軌的BD區(qū)和CCS區(qū)各架軋機(jī)導(dǎo)衛(wèi)裝置.導(dǎo)衛(wèi)裝置對(duì)軋件進(jìn)出孔型起定位作用，同時(shí)可以一定程度的矯正軋件的彎曲程度.

3 存在的問題及解決方案

(1)針對(duì)槽型軌槽內(nèi)側(cè)切鐵絲現(xiàn)象以及斷面尺寸波動(dòng)較大的現(xiàn)象，一方面修改了E機(jī)架軋輥圖，EF孔型對(duì)鋼軌的頭部寬度不進(jìn)行變形控制(避免軌唇變形)，而僅對(duì)鋼軌底部進(jìn)行軋制控制，并逐步摸索出了一套軋制調(diào)整方法，即通過調(diào)整軋輥輥縫大小、軋機(jī)軋制線高度、軋輥軸向位置等辦法保證槽型軌出、入鋼狀態(tài)穩(wěn)定.EF孔型圖見圖3.

圖3 槽型鋼軌E軋機(jī)孔型圖

(2)針對(duì)軌頭外側(cè)圓弧充填較難控制的問題，一方面調(diào)整UR軋機(jī)孔型立輥的切分位置，盡可能的讓軌頭與軌唇部位金屬匹配合理，另一方面利用調(diào)整UR軋制線高度和立輥壓下量控制供下道次軋件的尺寸大小，以保證UF孔型圓弧的大小.

(3)針對(duì)槽型軌軌腰下部連接部位易產(chǎn)生折疊缺陷，多次優(yōu)化BD2孔型尺寸，調(diào)整軌腰下部尺寸適合UR供料需求.針對(duì)因槽型鋼軌斷面不對(duì)稱，在BD2軋制時(shí)金屬變形不均勻，出鋼扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重的現(xiàn)象，修改了BD2軋機(jī)孔型尺寸，盡可能保證軋件在軋制過程中各部分延伸均勻，并設(shè)計(jì)了出口專用衛(wèi)板，限制軋件的扭轉(zhuǎn)程度.修改后的BD2孔型圖見圖4.

圖4 BD2孔型圖

(4)針對(duì)成品斷面形狀不易控制的現(xiàn)象，CCS機(jī)組UR軋機(jī)采用半閉口孔型，UF軋機(jī)采用開口孔型，在軋制過程中便于調(diào)整控制，有效的保證了成品斷面形狀.

4 槽型軌質(zhì)量情況

4.1 外形尺寸

通過軋制中不斷對(duì)孔型尺寸進(jìn)行優(yōu)化，槽型鋼軌的外形(包括對(duì)稱性、軌唇尺寸、軌頭充填等)、斷面尺寸(底寬、軌高、腰厚)均滿足EN14811標(biāo)準(zhǔn)要求.具體尺寸見下表：

表1 槽型鋼軌斷面尺寸

4.2 產(chǎn)品性能

槽型鋼軌(U75V)的金相組織為鐵素體和珠光體，其性能滿足TB/T 2344標(biāo)準(zhǔn)[6]要求，抗拉強(qiáng)度的范圍在1 007～1 090 MPa，伸長(zhǎng)率范圍在10.0%～13.5%，布氏硬度范圍在285～318 HB，具體情況如表2.

表2 槽型鋼軌的力學(xué)性能

5 結(jié)論

(1)包鋼經(jīng)過多次的技術(shù)創(chuàng)新及調(diào)試，采用萬能孔型法成功開發(fā)了59R2和60R2 2種斷面的槽型鋼軌，解決了槽型軌生產(chǎn)中出現(xiàn)的軌頭外側(cè)圓弧充填不好、軌頭槽內(nèi)“切鐵絲”、軌腰下部連接部位產(chǎn)生折疊缺陷以及斷面尺寸波動(dòng)較大等問題.

(2)槽型鋼軌的斷面尺寸及外形符合EN 14811：2006+A1：2009(E)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且其尺寸分布呈正態(tài)分布.

(3)其主要性能(抗拉強(qiáng)度、布氏硬度、延伸率等)滿足TB/T 2344標(biāo)準(zhǔn)要求，且符合正態(tài)分布規(guī)律.