（材料加工工程专业论文）重轨万能连轧过程工艺及变形研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 “高速、重载、长定尺”是当今铁路发展的大趋势，生产高精度重轨己成为必然。 本文介绍了重轨万能连轧的国内外发展现状和开发高速铁路重轨的意义。通过对重轨 传统生产方法和万能轧制技术的对比分析，讨论了轧制高质量重轨目前主要存在的一些问 题，论述了重轨万能轧制技术的优点。 论文结合重轨万能连轧生产线生产实际，通过现场的孔型图、实际钢样及轧制工艺分 析，将金属变形轧制理论与轧制工艺相结合，对重轨万能连轧轧制工艺及轧件变形特点进 行了研究，重点分析了万能连轧机组u r 、e r e f 和u f 三机架的变形特点；根据其变形特点， 建立了变形及力能参数计算模型，重点建立了重轨万能连轧过程中计算头部、腰部和底部 的压下和宽展变形计算模型、轧制压力模型和轧制力矩模型；利用v i s u a lb a s i c6 0 开发 了重轨万能连轧计算机仿真系统，实现了对轧制过程变形及调整参数、温度及质量控制工 艺参数等的模拟仿真，模拟了重轨连轧过程中工艺参数、截面积变化、轧制压力和轧制力 矩的变化趋势，直观地显示了重轨轧制过程中各个参数的变化情况。 结果表明：重轨万能连轧计算数学模型能较准确地进行孔型中轧件变形的计算，在建 立的数学模型组的基础上，利用开发的重轨万能连轧计算机仿真系统可进行模拟计算，模 拟值与设计值吻合较好，反映了重轨的变形特点和工艺参数变化趋势。考虑到现场实际生 产情况，在系统开发过程中增加了参数修改模块，能实现不同规格的模拟试生产，为生产 线的投产和调试提供工艺操作及质量控制的理论依据。 关键词：重轨；万能轧机；变形；仿真 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t ”h i 曲s p e e d ，h e a v y d u 够l o n 分l e i l g m ”i st h eg e n e r a l 慨do ft h er a i l w a yd e v e l o p m e n t ， p r o d u c i n gh i 曲p r e c i s i o nh e a v y r a i lh a sb e c o m e 觚i n e v i t a b l e n i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h es t a t l l sq u oa th o m e 强da b r o a df o rt 1 1 eu n i v e r s a lt 锄d 锄r o l l i n g p r o c e s so fh e a v y r a i la n dt l l es i 面j c i c a i l c eo fd e v e l o p i n gh i 曲p r e c i s i o nh e a v yr a i l t h r o u 曲也e c o m p 勰a t i v es t i l d yo fm e 仃a d i t i o n a lp r o d u c t i o nm e m o d sa n d 删【i v c 邪a lr 0 1 l i n gt e c h n o l o g y ，i t d i s c u s s e ss o m ep r i m a r yp r o b l 锄si nr o l l i n gh i g h q u a l i t yh ea _ v yr a i l 锄de l a b o r a t e st h ea d v a n t a g 鹤 o ft h eh e a v yr a i ll m i v e r s a lr o l l i n gt e c h n o l o 黟 b ym e a l l so ft l l ea l l a l y s i so ft h ep a s sc h 甜，t 1 1 ea c n l a ls t e e l 一1 i k ea i l dt h er o l l i n gp r o c e s s ， c o m b i n i n gm e t a lr o l l i n gd e f o m a t i o nt h e o d rw i t l lm a n u f a c t l l r i n gt e c h n i q u e ，t h et e c h l l 0 1 0 9 ya n d d e f o n i l i n g 向rt h eu i l i v e r s a lt a l l d c i i lr o l l i n gp r o c e s so f h e a v y r a i l i sr c s e a r c h e d ，a i l dm o r e 0 v t h e d e f o 肌a t i o nc h 啪c t 甜s t i c so ft h r e eh e a v yr a i l r a c ku n i v e r s a lm i l lu i l i tu r ，e r e fa n du f a r e f o c u s e do na 1 1 a j v s i s i i la c c o r d a l l c ew i t hi t sd e f o 肌a t i o nc h a r a c t 丽s t i c s ，t h ec a l c u l a t i o nm o d e l so f m ed e f o 肌a t i o na 1 1 dt h ef o r c ea i l de i l e f g ) ，p 眦吼e t e r sa r ee s t a b l i s h e d ，s i m u l t 趾e o u s l y t h er o l l i n g f o r c em o d e l ，t o r q u em o d e l 锄dd e f o r m a t i o nm o d e l ，w h i c hc a l c u l a t e sm ep r e s sa i l dm es p r e a do f t h eh e a d ，w a i s ta n db o t t o m ，i se s t a b l i s h e di nt h eu n i v e r s a lt 龇l d 锄r o l l i n gp r o c e s so fh e a 、可r a i l t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns y s t e mf o rt h eu n i v e r s a lt a l l d e mr o l l i n gp r o c e s so fh e a v yr a i l i s d e v e l o p e db yu s i n g s u a lb a l s i c ，a l l da c h i e v e ss i m u l a t i o no fs o m ep r o c e s sp a r 锄e t e r ss u c h 勰 d e f o m a t i o np a r 锄e t e r s ，a d j u s t i i l e n tp a r 锄e t e r s ，t 锄p e r a n l r ea n dq u a l i t yc o n t r o lp a r 锄e t e r si i l t l l er o l l i n gp r o c e s s ，i ta c c l l r a t e l ys i m u l a t e sm ev a r i a t i o nt e n d 饥c yo ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ， c h a n g e si nc r o s s s e c t i o n a la r e 如m er o l l i n gf o r c e a l l dt o r q u e ，觚di n “t i v e l yd i s p l a y st 1 1 ec h 锄g 鼯 i nv 撕o u sp a r a m e t e r si nt h eh e a _ v yr a i lr o l l i n gp r 0 c e s s t h er e s u l ts h o w s ：i 1 1 em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm eh e a v yr a i lu n i v e r s a lt 锄d e mr o l l i n g p r o c e s sc o u l da c c u r a t d yc a j c u l a t et l l ed e f o m a t i o no fm ew o r k p i e c e i i lp a s s i n l eb a s eo fm e e s t a b l i s h e dm a m 锄a t i c a lm o d d ，t h es i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o ni sc a r r i e do nb yu s i n gm e c o m p u t e rs i m u l a t i o ns y s t e mf o rt h eu i l i v e r s a lt a l l d e mr o l l i n gp r o c c s so fh e a v yr a i l ，m es i n m l a t e d v a l u ei sq u i t ec l o s et 0t 1 1 ed e s i 弘v a l u e ，w h i c hr e n e c t st l l ev 撕a t i o nt e l l d e i l c yo fm ew i d t l lo fn l e r a i lh e a da n db o t t o m ，锄de 仃e c t i v e l ys i m u l a t e st l l ed e f o n n a t i o nc h 啪c t 嘶s t i c so f h e a v ) ，m i l t a k i n gi n t oa c c o u n to f n l ea 曲j a lp r o d u c t i o no ft l l es c e i l e ，m ep a r 锄e t e r sm o d i 匆m o d u l eh 弱 b e c i la d d e di nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，i tc a i la c h i e v ep r e - p r o d u c t i o ns i m u l a t i o n ，a n dp r 0 啊d 销 t h et l l e o r e t i c a lb a s i sf o rp r o c e s so p e r a t i o n 锄dq u a l i t ) ，c o n t l - o lf o rt l l ep r o d u c t i o na n dd e b u g 舀n g i l lp r o d u c t i o nl i i l e s k e yw o r d s ：h e a v yr a i l ；u n i v e r s a lm i l l ；d e f o m a t i o n ；s i 】训a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：盟日期： 型篁! 鱼1 9 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：金釜 指导教师签名： ：趣聋： 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 课题来自某大型厂。 该厂对重轨生产线进行全面改造，建设重轨万能轧机生产线。要求改造后重轨生产线 的工艺、设备和参数要达到世界一流的水平。 由于轧制过程中工艺参数、调整参数、轧机控制参数及产品质量之间关系复杂，加之 对新建的生产线缺乏实际操作、调整及控制经验，亟待对其轧制工艺控制、轧机调整及质 量控制等有关技术准备第一手资料。 众所周知，轧钢厂的产品和质量以及经济效益只有通过轧机控制和轧制工艺参数的最 佳匹配才能得到保证。而热轧生产过程是极其复杂的高温、动态和瞬时过程【l 】，不但要考 虑热轧生产工艺控制特点，还要考虑热轧过程的轧件温度变化及组织演变对形状、尺寸精 度及性能的影响。由于各工艺参数之间相互影响、相互制约，工艺过程控制复杂，对操作 要求也更高。选择最佳的工艺参数调整范围、工艺最佳匹配方案和最佳操作是实现最优控 制的前提【2 】。例如，轧制温度、压下规程、轧制节奏等工艺参数对轧制产品的产量、质量、 能耗等目标函数起着重要作用等。然而，对于大型厂型材生产而言，当生产中出现某些问 题时，由于工艺参数之间相互影响，想要及时找出问题，需要在大量实际生产中摸索寻找 原因。而对于新的生产线、新产品和新工艺的研究困难则更大。一方面工业性试验要占用 宝贵的生产时间，另一方面要投入大量的人力和物力，试验周期也较长。 轧制高质量重轨主要存在的问题是：沿轧线重轨全长温度的不均匀；孔型系统和轧制 调整方式的不当造成对称性和腹高的不合理；重轨头帽宽度和头下颚宽度的不匹配；轨腰、 轨底和轨头延伸率控制不均匀造成断面尺寸不合等，根据对攀钢和鞍钢万能轧机生产线的 投产初期情况的了解表明，由于对轧机系统的不熟悉，在孔型系统和轧制调整的试生产摸 索阶段，产品合格率仅在8 5 9 0 之间。 为了减少重轨万能轧机生产线投产后工业试生产周期，减少事故，提高成材率，提高 工艺及质量控制稳定性，有必要对其工艺过程进行仿真研究。利用开发的计算机仿真系统， 可对轧制过程变形及调整参数、温度及质量控制工艺参数等进行模拟仿真，实现模拟试生 产，为该生产线的投产和调试提供工艺操作及质量控制的理论依据。 开发重轨生产线的模拟仿真系统可为现场技术人员提供一个良好的工艺调整及控制 模拟研究工作平台，为生产系统的工艺操作和控制的稳定性提供理论和现实指导依据，从 而缩短工业性试验周期，减少调试阶段人力、财力投入，减小工艺系统不稳定性，改善产 品通条性能、提高工艺控制水平等。研究课题最终成果具有理论及实际应用价值，并可创 造可观的经济效益。 本文主要涉及该系统的变形及工艺的研究，是重轨万能连轧计算机仿真系统重要内 容。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 研究方法 为了进行重轨系列轧制过程仿真及控制技术的研究，拟采取以下的研究技术路线： ( 1 ) 现场调研 深入生产现场，对轧制线布置、主要设备技术参数、重轨系列生产工艺、孔型系统、 现有相关数学模型、轧机调整及控制水平等进行深入调研，掌握第一手资料，为研究做基 础准备。 ( 2 ) 查阅相关文献资料 广泛查阅国内外有关重轨万能轧机生产设备、生产工艺、孔型系统、轧件变形、温度 及控制方面的研究成果，挑眼国内外有关重轨万能轧机生产的现状及控制水平，了解目前 重轨生产还存在的问题。 ( 3 ) 对重轨万能轧机轧制工艺及变形特点进行分析 利用轧制原理及工艺，对重轨轧机变形特点进行深入分析，重点研究轧件在孔型中、 特别是万能连轧孔型中的变形及受力特点。 ( 4 ) 数学模型研究 实现重轨系列轧制过程仿真及控制技术的研究的关键是建立能够正确描述生产过程 中轧制变形的数学模型。涉及到的基本数学模型包括轧件变形计算模型、轧制过程中的温 度变化计算模型及力能参数计算模型。 ( 5 ) 实验方案 本论文的实验方案包括：资料收集，整理与分析；变形特点的分析；工艺参数的确定； 现场工艺参数实测及处理；确定模型中的待定系数，校验模型的精度；编写模拟程序，模 拟分析不同条件下变形的规律；开发重轨系列轧制过程仿真软件。 1 3 本论文的创新之处 ( 1 ) 应用现代轧制理论对高速重轨万能轧机轧制工艺及变形特点进行深入分析； ( 2 ) 掌握轧件在孔型、特别是万能轧机孔型中受力及流动规律，建立变形及力能参数 计算模型； ( 3 ) 开发重轨系列轧制过程仿真软件，设计合理及实用的仿真工作平台。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 第二章文献综述 2 1 国内外研究现状 从1 9 世纪末起，法国的旺代尔一西代洛尔公司阿央日厂就开始轧制重轨。但直到1 9 6 4 年以前，所有的重轨都只能在传统的二辊轧机上轧制，万能轧机只能用来轧制宽缘z 字钢 或h 型钢。直到1 9 6 4 1 9 6 8 年间，阿央日开发了在万能轧机上轧制重轨的新工艺，轧成的 第一批重轨( 6 0 0 0 t ) 在欧洲几个铁路系统试铺，并取得了满意的结果，表明了这种工艺是 可靠的。 话代洛尔公司对这项工艺取得了专利权并把许可证转让给新日铁八幅厂、南非比勒陀 利亚，伊斯可尔公司、美国惠林匹慈堡钢铁公3 司莫内森厂、澳大利亚联邦钢铁公司和巴 西欧鲁布朗岸米纳斯厂这5 个公司。日本【3 “】新日铁八幡厂通过改造，从1 9 7 1 年开始采用 万能法生产钢轨，淘汰了原有孔型法轧制钢轨工艺。在2 0 世纪7 0 8 0 年代后有澳大利亚b h p 怀阿拉厂、南非依斯科的比勒陀利亚厂、加拿大s y d n e y 厂、美国m o n e s s e n 厂、波兰k a t e r v i z 厂及韩国江源工业公司等进行了万能轧机改造，采用万能法生产钢轨。2 0 世纪8 0 年代新建 的巴西欧鲁布朗库厂也采用万能法生产钢轨【5 】。目前，国外高精度重轨已大多采用万能轧 机轧制【o j 。 国外在成功地利用万能轧制重轨后，仍在致力于研究新方梨7 1 。 ( 1 ) 左右异径的立辊【8 】 新日铁公司对采用万能孔型轧制重轨的工艺过程进行了完善研究。为避免由于轨形坯 断面形状不对称而使轨头及轨底在轧制过程中变形不均匀、轨形产生弯曲，采用了轨头轨 底立辊辊径不等的方法，即小直径立辊轧制轨头，大直径立辊轧制轨底。改进后的万能孔 型轧制时，使轨头轨底压缩均匀，断面形状及尺寸精度得到提高。 ( 2 ) 两台万能轧机连轧重轨技术 前苏联发明了用两个万能孔型成品前孔和成品孔轧制重轨，提高了重轨的平直度和表 面质量。在成品前万能孔型的上下辊有凹槽，用来控制重轨的底宽。轧制方法是通过保持 和垂直轴线对称的轨头的对称变形来提高重轨的质量。具体是，水平辊在加工腰部的同时， 加工轨头的一个侧面，在成品前孔中加工轨头上侧面表面，在成品孔中加工下侧面。与此 同时，垂直辊加工轨底和轨头。而其中垂直辊在加工轨头轧制表面的同时控制轨头的侧面 表面，在成品前孔中加工下表面，在成品孔中加工上表面。这样轨头的两个侧面轮流在成 品前机架和成品机架中与轨腰一起变形，轮流控制了轨头侧表面的尺寸，消除了轨头对于 轨腰的不对称。在水平辊轧制的同时，垂直辊相应地从轨头另一侧面压下，从而提高了重 轨断面的尺寸精度。 ( 3 ) 轨头压下量不等的重轨轧制技术 前苏联发明在成品前万能轧机的孔型中，增加轨头的压下量，其目的是提高重轨的尺 寸精度和轧制生产率。此工艺的具体过程是在成品前万能孔型中压缩轨头时，和轨底开口 腿相对的半个轨头的压下量大于和半闭口腿相对的半个轨头的压下量，这样就要求在成品 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 前孔的二辊粗轧孔型中，轧件断面轴线一侧的轨头变形要比另一侧大，这样在成品前孔型 中水平辊的轴向力得到平衡，并提高了断面尺寸的精度，同时轨头总压下量的增加使金属 的组织致密，消除了表面缺陷并提高了轧机的生产率。 我国是一个发展中国家，国家的基本建设规模尚待进一步提高，目前我国铁路营业里 程不足7 万公里，其中复线2 万公里，电气化线路1 1 万公里，承担着全国货运量的7 0 ，客 运量的6 0 左右，铁路建设状况与一些发达国家相比，仍然是路网密度低，铁路负荷强度 高，人均铁路长度短，铁路运行效率低。随着国民经济的进一步发展，铁路运量和运输能 力之间的矛盾会更加突出。为改变这种被动局面，促进国民经济的稳步发展，加快铁路建 设，大大发展铁路交通事业己势在必行。 根据铁路部门的建设规划，“十五 期间，在我国交通运输中起骨于作用的大能力铁 路通道将成为建设重点。为此，铁路部门在“九五”期间投资2 4 6 0 亿元的基础上再投资2 7 0 0 亿元，建设以“八纵八横”铁路主通道为重点的铁路之网。同时，将进一步发展高速铁路， 干线及地方铁路网路，特别是发展中西部铁路网，到2 0 1 0 年，计划发展到1 0 万k m ，2 0 2 0 年， 计划为1 5 万k m 。 目前，国际上运行的2 5 0 k m h 以上的铁路线己越来越多，在高速铁路最发达的德国、 法国、日本，采用轮轨技术的部分高速铁路运行速度己达2 5 0 k n h 以上。而在我国，铁路 提速的频率也越来越快，铁路运行速度的提高对钢轨的质量和品种提出了更高更新的要 求，“高速、重载、长定尺”是当今铁路发展的大趋势【9 1 ，生产高精度重轨己成为必然趋 势。 铁路运行速度的提高使铁路运量大幅上升，势必造成钢轨磨损加剧、寿命缩短，直接 增加了钢轨消耗量。为此，我国又修订出台了“新铁标”一4 3 k g m - 7 5 k g m 热轧钢轨订 货技术条件和时速3 5 0 公里高速铁路钢轨暂行技术条件。今后相当长的一段时间内， 6 0 k g m 钢轨将是铁路采用的主型轨。 高速铁路最显著的特点是安全、舒适、快速、铁路运行速度的提高要求生产的钢轨具 有高纯净度、高尺寸精度、高平直度的“三高 特点【1 0 l 。列车运行速度提高后，只有钢轨 做到高平直度才能减少列车震动：只有进一步减少钢轨的夹杂物，提高纯净度，才能减少 损伤；只有钢轨断面的高对称性( 高尺寸精度) 和长尺化，才能保证钢轨对焊质量的要求 【1 1 ，1 2 】。以钢轨踏面为例，以前o 5 姗以内的缺陷就视为合格，现在要求必须在o 3 舢以下。 这些问题可以通过万能生产线的四面受压、多点除鳞、总向加工、长尺冷却与长尺预弯、 长尺矫直、在线检测等技术来解决。 面对世界铁路迅猛的发展势头，攀钢、鞍钢、包钢等都纷纷加大投入，进行大规模的 技术改造，提高工艺、技术、装备水平，以抢占钢轨生产技术的制高点。在国内各大重轨 厂家都纷纷改造重轨生产线使设备先进的情况下，万能轧机都已具备辊缝中心线与立辊孔 型轴向中心线对正和动态轴向调整【”】的功能，完全可以满足使用全万能孔型作为成品孔 型时对轧机结构和调整能力的要求。目前鞍钢、包钢、武钢、攀钢4 家重轨生产厂家，均 已采用万能法生产重轨【l4 1 。轧制技术是型钢生产的重要一环，直接影响产品的质量和综合 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 力学性能，高精度的轧制技术是获得优质产品的保证。 2 0 0 1 年2 月1 日开始，鞍钢大型厂重轨生产线改造全面开工。该工程分二期进行，一 期工程计划投资2 亿元，在原有厂房内改造精整加工线：二期工程投资5 亿元，新建万能 轧制线。主体设备万能轧机机组、平一立复合矫直机均引进德国s m s 公司。该生产线于2 0 0 2 年1 2 月8 日全线试车成功，标志着世界上第一条短流程重轨万能轧制生产线开始投入大 生产。2 0 0 3 年，该条钢轨万能生产线投入使用。目前，该公司己能生产5 0 m 的高速铁路钢 轨【15 1 。 攀钢万能轧机生产线是我国第一条1 0 0m 定尺钢轨的生产线，由德国西马克( s mm e e r ) 、 西门子( s i m e n s ) 和意大利达涅利( d a n i e l i ) 提供技术和主要设型1 6 】。 2 0 0 3 年9 月1 5 日，攀钢具有世界先进水平的万能生产线正式开工。该生产线建成后， 攀钢能够按照国际上最严格的e n 标准组织生产高强度、高平直度、高表面质量的1 0 0 m 长 尺重轨，满足3 5 0 k m h 以上高速铁路的需要。 攀钢还领衔承担了“十五国家科技攻关计划的重点项目一“高速重载钢材新技术 项目。其总体目标是：钢轨各项技术经济指标和实物质量达到5 5 万吨，高质量钢轨年生 产能力达到5 5 万吨，其中高速钢轨大于2 5 万吨，高速钢轨的合格率大于9 5 ；开发出系 列高质量微合金非调质钢。 包钢集团公司1 0 0 m 重轨生产线轧试产已成功，其产品为适用于3 5 0 k m 时速运行的新 型铁路重轨。包钢目前生产的最长钢轨为2 5 m ，可供最高时速2 0 0 k m 的列车运行。为了建 设1 0 0 m 重轨生产线，以适应我国即将到来的铁路大提速，包钢于2 0 0 4 年4 月2 6 日，投 资1 0 多亿元建设这条年产9 0 万吨的生产线。生产线引进国外c c s 三机架万能可逆连轧新 技术，生产线长达1 4k m ，是目前我国除攀枝花钢铁公司外的第二条l o o i i l 重轨生产线。 根据国家铁路发展规划和铁道部对武钢的要求，武钢拟建1 0 0 m 生产重轨线【l 刀。由于 钢轨长度大，减少了接头数量，提高了铁路安全系数，不但降低了铺轨费用，而且降低了 机车能耗，延长了钢轨的使用寿命，降低了铁路成本。所以，生产超长钢轨是铁路发展的 方向。同时，由于钢轨长度的增加，减少了切头损失，提高了成材率，可增加钢轨生产厂 家的成本竞争能力。 根据铁科院时速2 0 0 3 0 0 公里高速铁路6 0 k g m 钢轨暂行技术条件、3 5 0 k m h 客 运专线6 0 k g m 钢轨暂行技术条件、u i c 8 6 0 【1 8 ，1 9 】国际铁路联盟标准及p r e n l 3 6 7 4 1 ：2 0 0 2 标准要求，新钢轨要求达到“高纯净度、高尺寸精度、高平直度”的三高特点。为此，针 对高速重轨万能轧机生产工艺，有必要全面系统地对孔型系统选择及参数设计、断面孔型 优化等工艺设计进行研究，对与其他相关技术进行探讨。 2 2 开发高质量的高速铁路重轨的意义 铁路干线技术进步对钢轨的要求随着我国铁路大面积提速，铁路技术进步进程的加 快，铁路对钢轨的基本要求如下【2 0 】： ( 1 ) 重型化：干线铁路采用6 0 k g m 重轨，重载铁路采用7 5 k g m 重轨。通过采用大断 面钢轨，提高钢轨的刚度以减少铁路路基的维护。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 纯洁化：为保持钢轨性能的稳定，提高钢轨抗疲劳寿命，必须控制钢中央杂物台量 和氮、氢、氧的含量。 ( 3 ) 强韧化：为减少钢轨的磨耗、剥离，必须提高钢轨的强度和韧性。为此，要采用热 处理钢轨和合命轨。 ( 4 ) 高精度：为提高钢轨的安全性，必须提高钢轨的断而尺寸精度和平直度。 虽然铁路运输蔚速化对中国钢轨提出了严峻的挑战，但是丌发高质量的高速铁路钢轨 叉为中国钢铁企业的发展创造了绝好的机会。事实上，高速铁路用钢轨的开发就是高质量 钢轨生产技术的开发，是中国钢轨整体技术、质量水平上台阶的开发，从某种意义而论， 这对中国钢铁的发展的意义更大。另外，高速铁路用钢轨代表了世界钢轨牛产的先进水平， 它是钢轨生产厂家实力的最好广告：重轨对中国钢铁地位、竞争力的影响，在较长一段时 间内是其它产品无法取代的抓紧高速铁路用钢轨生产技术的开发，使中国钢轨的实物质 量大幅度地提高，使还比较虚弱的拳头变得强硬起来，从而在中国的高速铁路乃至世界的 高速铁路线上占一席之地。我们应该面对这种强劲的挑战，抓住此次绝好的机会，迅速开 发高速铁路用轨的生产技术，使中国钢轨生产达到世界先进水平，进而在工f 式加入w t 0 时， 增强与外束钢轨的竞争力，从而保持和扩大国内和国际市场。 因此，无论从哪方面说，大力提高中国钢轨的断面尺寸精度，开发出高质量的高速铁 路制轨具有极为重要的现实意义。 2 3 重轨生产方法 2 j 1 传统牛产工艺 我国传统重轨生产吲是在轨粱轧机卜，而在轨梁轧机上很难生产出表面质量好、尺寸 精度高的重轨。常规孔型法轧制钢轨一般采用粗轧中轧精轧方式，粗轧机轧辊孔型由 一个箱形孔、两个梯形孔和两个帽形孔组成，中、精轧机由一个或两帽形孔和5 7 个轨形 孔组成口3 】钢轨在幸且轧机中可逆轧制，轧制成轨形坯后最后在轨形孔中完成轧制，总轧制道 次为1 2 或1 4 道。 图2 1 重轨传统两辊轧法 我因采用对角线丌h ，一些刚家的轨型采用同侧丌口。但无论是哪种丌口形式，其变 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 形规律是相同的，即轨底轨头两侧翼缘在孔型中交替得到加工，即重轨轨腰部中心线两侧 得到的是不对称加工。如图2 1 所示，成品孔采用中间开口，利用自有宽展形成轨高和轨 头踏面的圆弧形状。这套系统本身就存在断面尺寸精度差及外形质量不良的缺点： ( 1 ) 轨高和轨底的精度难以控制：轨高尺寸取决于轨头的局部自由宽展，因此影响轨 高的因素很多，如温度、压下量大小、孔型的磨损、轧辊斜壁的磨损、轧辊的串动，以及 调整时各部分相互制约等因素，调整不当就会出现偏差。 ( 2 ) 轨头踏面形状难以保证：三圆弧的轨头踏面能有效提高重轨使用寿命，而二辊孔型 的轨头踏面却不理想。因自由宽展受制于诸多因素，在温度、压下量变化的情况下出现“多 平和“头凸”现象。 ( 3 ) 重轨外形不良：即轨底和腰部不对称，轧件在轨形孔中不对称变形及成品孔中轨头 面中造成出口扭转使轨底和腰部不对称。为弥补这一不足，在成品孔中采取诸如上压，底 部两腿做成相互有一定角度等。但由于轧件断面各部分变形力和轧制速度的差异，及轧件 各部分“脱槽”不同时性等难以使断面对称，特别是由于轨头偏重造成的扭转，使轨腰中 心和轨底不垂直，虽经调整，也难以克服。 ( 4 ) 难以控制重轨各部分连接圆弧尺寸。由于传统孔型设计造成轧件出口速度和轧辊 各点线速度的差异，轧件和轧辊之间的相对滑动摩擦使轧辊过早地磨损，轧件表面出现严 重的磨面，尤其是圆角部分过早地出现尖棱，造成使用中的应力集中。 可以看出，重轨传统方法成型加工工艺必须是非对称性的。由于其孔型设计多是采用 不对称设计，因此其成品断面的对称性不理想，其轨高、轨底、轨宽、腹高等尺寸的控制 精度也不高，工人调整轧机要凭经验，常常还会因孔型磨损，对轧件产生楔卡作用，造成 钢轨腿尖加工不良，出现圆角或粗糙等缺陷。所以生产高精度重轨，目前国外先进工业国 家广泛采用万能轧制法来生产。 2 3 2 现代生产工艺 目前，世界上主要采用两种钢轨生产工艺：一种长流程工艺，另一种为短流程工艺。 长流程钢轨生产工艺是以矿石为原料，经高炉、转炉冶炼，再经炉外精炼和真空脱气 处理，有效控制成分和有害气体后，经连铸机铸成一定尺寸的钢坯，这些钢坯在步进式加 热炉内加热到轧制温度后，被送到开坯机进行开坯形成钢轨雏形，然后在万能粗轧机组进 行可逆多道次粗轧，最后在万能精轧机上轧出成品。成品钢轨在热状态下由热锯切成定尺 后，送步进式冷床冷却，然后送到中间仓库堆垛等待加工。钢轨冷却工艺过程：首先将钢 轨送到平立联合矫直机上进行矫直，对钢轨进行表面及内部质量检查( 超声波及涡流探 伤) ，然后对钢轨进行铣头、钻孔，最后对加工好的成品轨进行质量抽查和包装。长流程 工艺如图2 2 所示。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 回日圈日圈日困日圈日回 o 团臼园臼圆臼圆臼圜臼囡 8 回日回日回岛园西圆日国西回 图2 2 长流程钢轨生产工艺 短流程工艺是以废钢为主要原料，经电炉粗炼、l f 炉精炼、v d 炉脱气后送连铸机铸成 所需要尺寸的钢坯。其后部工艺与长流程相同。短流程工艺如图2 3 所示。 回日回咽日回嚼回日园 回臼回臼囡臼圈臼圆臼圜 回日回日囡西矧日日圈 图2 3 短流程钢轨生产工艺 两种工艺具有许多相同工序，如精炼、脱气、连铸、万能轧制等，这些正是现代钢轨 生产工序的主要特征，体现了钢轨生产“三精 的基本要求，即精炼、精轧、精整。它所 生产的钢轨不仅具有精确的断面尺寸，而且具有良好的内在质量，这些都是传统模铸加普 通孔型法轧制工艺根本无法比拟的。 随着连铸技术的进步，检测技术和自动化控制技术的结合，今后钢轨生产的最佳工艺 将是：采用连铸异型坯，直接送万能轧机轧制，长尺冷却、长尺矫直，采用自动化在线检 测等技术，流程更短，生产率更高。 2 4 重轨万能轧机轧制技术及特点 2 4 1 万能轧制技术 万能轧制技术就是用万能轧机和轧边机交替地对金属进行加工【2 4 】。在万能轧机上，从 四个垂直方向上给轧件施加很大的压下量，同时控制轨腰、轨底和轨头厚度，延伸系数相 当大，每道次在1 2 5 一1 4 0 之间变化。轧边机主要用来控制轨底轨头翼缘端部的尺寸和形 状，最后在半万能精轧机座中得到最终的重轨断面，该机座万能成品孔由两个水平辊和两 个立辊组成【2 5 矧。轧件在上、下、左、右四个方向上都有压力，轧件均匀延伸，保证了轨 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 高。孔型在轨头部没有，阳踏嘶圆弧形状可由头部立辊的孔型尺寸束保证。万能轧机 和轧边辊对重轨断面的作用力比传统的二辊要均匀。在传统轧制中蹦个方向的压力不能直 接作用在轨头和轨底，成形是不对称的。 图24 万能轧制法 在万能轧制( 如图2 4 ) 中，4 个垂直方向的压下直接对轨头和轨底进行压缩，由于对称 轧制，、减少了重轨的内部畸变，使整个断面均匀变形，从而提高了重轨断面尺寸的轧制精 度。 万能轧制法具有以下特点口目： ( 1 ) 上下对称轧制，不存在闭口槽： ( 2 ) 万能轧机左右立辊直径水同，压f 量较大的头部立辊直径较小，而压下量较小的 底部立辊直径大，以保证咬八时是右立辊能同时接触轧件，防止轧件 二右窜动，并保持其 变形区长度和左右立辊轧制力近似相等； ( 3 ) 轧边机可快速横移。由于万能轧机的水平辊和立辊辊型固定，孔型大小随各道压 下量而变，而轧边机只轧制轨头和轨底侧面，不轧腰，因此轧边机上刻有数个尺寸不同的 孔型，在往复轧制过程中，轧边机要快速横移。 ( 4 ) 万能轧制过程中要固定重轨水平轴线位置，以便4 个轧辊同时进行上下对称轧 制。为此，在轧机上设有自动导引装置，依靠可调整的入口上下卫板，使每道轧件水平轴 线与水平轧制线对中。 与常规轧制法相比，万能轧制法具有产品尺寸精确，轧件内部残余应力小，轨底加工 好，轧辊磨损及电能消耗少，调整比较灵活等优点产量可提高1 8 倍，作业率提高1 0 ，轧辊消耗降低2 0 。 2 4 0 万能轧制法的优点 传统的孔型轧制法与万能轧制法在造型形状上是不同。6 0 k g m 钢轨使用万能轧制法造 型工序，通过维持上f 对称的断面形状，町以得到合理的压f 工序。通过比较，钢轨万能 轧制法具有如下的优点： ( 1 ) 对钢轨头部和底部进行虹接压下，得到良好的材料质量： 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 通过轧制工序的各个部分，可以施加比较均匀的压下力而得到均匀的变形，从而 得到高质量的钢轨； ( 3 ) 钢轨的底部背部不发生缺陷，可获得平坦度及垂直度良好的钢轨； ( 4 ) 由于能够减轻轧辊局部的摩擦，可以保证产品良好的表面性能； ( 5 ) 轨头、轨底方向加工量大【3 0 】。 ( 6 ) 轧辊的孔型设计方法得到简化，新产品的开发周期得到以缩短。 根据国际和国内轧制重轨的多数万能轧机的参数【3 1 】可知，由于万能轧机的水平辊径 大，故轧制电能消耗小的说法根据不足。 2 4 3 轧制重轨的万能孔型系统 钢轨孔型系统分为两类圈： 一类为普通孔型系统，另一种为万能孔型系统。由于生产钢轨的坯料是采用连铸矩( 方) 形坯或铸模矩( 方) 形坯，矩形坯或方坯与成品钢轨断面形状上没有几何相似性，加上在钢 轨整个轧制过程中其腿部处于拉缩变形，因此为保证成品腿高，就要求采用异形孔，首先 切出高而宽的腿部，这是钢轨孔型设计中的一个关键。为此，无论是传统孔型法还是万能 法，都必须先将矩形坯或方坯轧成近似钢轨外形的帽形。一般在轧成帽形的过程中，变形 是不均匀的，金属在轧辊的切楔作用下被强迫宽展形成宽而厚的腿部。为尽量减小不均匀 变形，通常采用3 5 个帽形孔，帽形孔配置在二辊式可逆开坯机上。粗轧轨形孔也多配置 在二辊式可逆轧机上，轧件在粗轧轨形孔中变形，并逐步接近成品钢轨断面尺寸以上孔型 与轧机配置，普通孔型系统与万能孔型系统基本是一样的。两者不同之处是对具有初步轨 形的轧件的进一步加工和最终加工方法上。普通孔型法是继续在二辊式轧机( 或三辊式轧 机) 上采用闭口式轨形孔进行中轧和精轧，最后轧出成品，由于其孔型设计多采用不对称 设计，因此其成品断面的对称性不理想，其轨高、底宽、腹高等尺寸的控制精度也不高， 工人调整轧机要凭经验，常常还会因孔型磨损，对轧件产生楔卡作用，造成钢轨腿尖加工 不良，出现圆角或粗糙等缺陷。 孔型系统一般为：箱形孔一帽形切深孔一帽形延伸孔一轨形切深孔一立压孔一轨形延 伸孔一万能粗轧孔一轧边孔一万能中轧孔一轧边孔一万能精轧孔。 万能法孔型系统的孔型设计则是考虑均匀变形，对称设计。初具轨形的轧件，在万能 孔中其腰部承受万能轧机上下水平辊的切楔作用，其头部和腿部的外侧承受万能轧机立辊 侧压垂直作用。为确保钢轨头和腿的宽度和侧面形状，还要在轧边机的立轧孔内，对其轨 头和轨底侧面进行立轧加工。这样的孔型系统可以保证钢轨从粗轧轨形孔到成品孔的变形 是均匀的、对称的，各部分金属的延伸也接近相同，这就大大提高了钢轨断面尺寸的精度 和外形规范。 万能法轧制钢轨是法国钢铁集团阿央日厂1 9 7 3 年首先开发成功并获取专利的，后又 被日本、巴西、南非、美国、澳大利亚等国采用。现万能法轧制钢轨已被世界认同，这是 生产高精度钢轨的最好工艺。 轧制重轨的万能孔型特点是： 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 ( 1 ) 孔型设计对称； ( 2 ) 轧件通过孔型各部分的速度差小： ( 3 ) 利用立辊和轧边孔型控制轨高、轨头宽和轨底宽。孔型设计原则应保证金属流动 趋于平衡和轧制稳定。 成品孔延伸关系应满足如下条件3 3 】： 式中： u 。= “r 扛= 恤n 或者， un “( 差值甚小) ( 2 1 ) f = f ，( “，一“扯) = f 耻( “，i l u4 ) ( 2 2 ) “。一总延伸系数； “n 一轨底延伸系数； ，一轨头延伸系数；“r 篮一轨头轨腰延伸系数； “驻一轨腰延伸系数； f r 一轨头面积； f 一金属流动量差； f 一轨腰面积。 第1 2 页武汉科技大学坝七学位论文 第三章重轨万能轧制设备及轧制线布置法 本文研究的全万能轧机轧制百米重轨在成品几能轧机l 采用全一能扎型。其【艺流程 如图3 3 所不。 转炉 c j 【炉外精炼e 【真空脱气j l 迮铸坯1 日l 步进桨式加热炉 0 臣困。臣三互口。臣垂垂口。臣垂亘习。臣运困 0 网网 l _ 可一l _ 可一 圈圈 00 因 固3 3 重轨万能连轧生产工艺 全万能轧机轧制重轨工艺枉置罔34 所示。全线采用刚性连接，缩短了重轨的加工周 期，生产效率大幅提高。 图3 4 重轨万能连轧生产工艺平面布置圈 3 1 生产设备 3 1 1 加热炉 加热炉为2 座步进粱式加热炉，端进端出，汽化冷却，炉长约3 4 米斑约9 米，加热能 山为每座1 2 0 t h ( 冷坯) ，钢坯加热温度l l ；o 【2 0 。，最高加热温度为1 2 5 0 ，燃料为高、 焦炉混合煤气，取蓄热烧嘴。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 3 1 2 除鳞装置 整个万能生产线设置有高压水除鳞装置和气体除鳞装置【3 4 】。高压水除鳞装置有两套， 一套位于b d l 开坯机前，用于清除炉生氧化铁皮；另一套位于u r l 万能轧机前，用于清除二次 氧化铁皮。气体除鳞装置也有两套，分别位于u r 2 、u f 万能轧机前，用于清除二次氧化铁皮。 3 1 3 轧机 万能轧机生产线由5 架轧机组成，其中开坯机2 架( b d l 、b d 2 ) 、万能连轧机3 架u e u ( u r 、 e r e f 和u f ) 。 3 1 3 1 开坯机 采用了无开坯( b d 机) 机轧制技术一h v 孔型轧制，开坯机为2 台结构型式相同的二辊 可逆式牌坊轧机，其中b d l 为箱形孔型系统，主要作用将大坯料轧成小坯料，一般轧制5 7 道，肋2 为帽形和轨形孔型系统，将坯料轧成异形坯料，一般轧制5 道。上辊通过两台液压 缸实现平衡，液压缸通过平衡横梁布置在轧机牌坊横梁上，压下机构由电机驱动，通过填 隙片调节下辊。换辊时，导卫梁随着成套轧辊装置通过牌坊窗口移走。压下接轴和轴承座 之间设有两台液压缸压起到防卡壳装置、过载保护和轧制力测量装置的作用。轧辊最大直 径为1 1 2 0 哪，最小直径9 5 0 唧，辊身长度为2 6 0 0 姗，辊颈直径为6 0 3 舳，辊环尺寸最大1 3 5 0 舳， 轧辊分离力8 0 0 0 k n ，牌坊窗口的净宽大约1 7 0 0 舳，轧制速度为0 5 m s 。 其特点主要有： ( 1 ) 上、下辊均设调节装备，下轧辊采用垫片调节，上轧辊设有电动压下装置，压下速度 为o 6 5 咖s ，正常轧制时下辊固定，上辊压下。换品种或使用较小直径的轧辊时，设置适当 厚度的垫片调节轧辊位置，下辊调节范围为o 1 7 5 咖( 含垫片) 。 ( 2 ) 上辊提升高度达9 0 0 咖，具有采用1 0 0 0 咖2 0 0 姗板坯立轧生产h 型钢的可能。 ( 3 ) 机前、机后均设有推床翻钢机，可以在任何道次移钢或翻钢。 3 1 3 2 万能轧机 万能轧机作为万能机架使用，带有2 个水平辊和2 个立辊，对轧件的水平方向和垂直方 向的四面进行轧制。水平辊最大直径为1 2 0 0 唧，最小直径为1 0 4 0 硼，