高速铁路钢轨浅析

高速铁路钢轨浅析 铁科院金化所熊卫东周清跃穆恩生 提甍 本文综述了国外高速铁路钢轨的概况，介绍了国产钢轨韵现状、国内钢 轨生产的技术改造及焊接与热处理指出了国产钢轨与国外先进水平和高速铁 路钢轨的差距提出了高速铁路钢轨实施中应予重视的若干问题的建议。 美键词高速铁路钢轨 1 引言 我国高速铁路巳计划于2 0 0 0 年启动建设，目前一系列前期研 究和准备工作已陆续展开。在“高速铁路线桥隧设计参数选择的研 究”和“高速铁路线桥结构与技术条件的研究”中，先后提出了我国 高速铁路钢轨“采用6 0 k g m 全长淬火轨”及“采用U I C 6 0 型淬火 轨”的建议t 但尚未对具体的技术要求，实施方案、质量保证措施及 相关配套技术进行研究和论证。因此，借鉴国外经验，了解国内现状 及其与高速铁路钢轨的差距，对我国高速铁路钢轨的实施无疑具有 重要意义。 2 国外高速铁路钢轨概况 2 1 轨型 为满足列车高速运行平稳和安全的需要日本、法国、德国、西 班牙及意大剥等国的高速铁路均使用6 0 k g m 钢轨，其中，法、德、 西、意等欧洲国家采用U I C 6 0 断面，日本高速铁路初期采用J I S S 0 断面，后来( 7 0 年代始) 用J I S 6 0 断面。 2 2 钢种 在钢种方面，日本高速铁路主要采用J I S E l l 0 1 标准规定的普 6 5 锕种爰标准 C S M n 蹦S 吖P ( t P - J彘( “J U T c 9 0 D A 、U 配麟峙O 6 0 印0 1 0 O 5 0O ，8 0 1 3 0O 口3 SO 0 3 5- 4 8 01 0 J I CE 1 1 0 1 O 6 3 啦7 50 1 5 一0 O 。7 0 11 0O 0 2 5O 0 3 0B 0 01 0 U 7 l M r , 、G B 2 5 8 I ，06 5 - 07 701 5 C ，3 S1 1 0 i 5 0 O0 4 0 0 0 4 08 8 38 注；鼙， 镪轨锌准与锕轨宴际摩平并非晦一概念。前者的箍窿远大于内径措悻和实际承平 2 3 钢轨的内部质量与外观赁量 在铜轨员量方面，法国和西班牙高速铁路除要求钢轨的技术条 件符合U I C 8 6 0 标准的规定夕卜，对其纯净度和平直度等内部质量和 外观蜃量还提出了附加要求而这些附加要求已正式歹l j 入了结合高 速铁路发展新近制订并即将在欧共体国家统一执行的E N 钢轨标 准中，如：莨2 5 所示。 表2钢轨的纯净度 项 臣 T G V J t S E I l O l U I c 8 6 0E N G B 2 5 8 5 P ； O 0 3 50 0 3 00 0 4 04 0 0 3 04 0 0 4 S 0 0 3 90 0 2 5O 0 4 04 0 0 3 0o 0 4 A i 0 0 4O 0 4 ( H ) ( P P M )2 5 ( 0 3 ( P P M )2 0 氯化铝 嚣t A S T M 髓 K 3 1 0 硅酸盐 ( D l N 5 0 6 0 2 ) 衰3钢轨的表面质量( r a m ) 璜目 T G V J 1 S E l l 0 1 U I C 8 6 0E N G B 2 5 8 5 热伤O 3 5O 4O 3 51 0 冷伤 O 3O 40 3O 5 袭4主要尺寸公差f r o m ) 项目 T G V J I S E I i 0 1 U I C 8 6 0E NG B 2 5 8 5 + 1 0- - t 0 8 轨高士O 5士0 6士0 5 0 5 0 5 + 0 8 头宽士0 5士0 5土0 5士0 5 一O 5 + 1 O 底宽 士1 0士0 8 士1 0 士1 0 一2 0 底凹 O 3O 40 30 5 衰5平直度公差( r a m ) 项目 T O V J I S E l l 0 1 U I C 8 6 0E N G B 2 5 8 5 垂直上 0 4 2 m0 7 I 5 m0 7 I 5 m 0 + 4 2 m ，0 3 1 扔 O 8 I m 轨端垂直下 0 2 2 m0Oe 0 20 2 i m 水平O 5 2 mG 0 5 I 5 m07 1 5 m 0 6 m 0 4 I n l0 8 I m 率体萦享 O 3 3 m G O Z l l mO ，3 3 m ，0 z I m 0 4 5 I 5 m 0 4 5 I 5 m 小曩耋享 O 3 2 m 0 6 2 m 垒长誊? 5 l O l o m5 O s g o R 1 0 0 0 mI O 1 0 mR 1 5 0 0 m 0 S 6 7 2 4 钢轨的长度与焊接 为保讶- 轨道平顺性，国外高速铁路均采用长定尺钢轨并焊成超 长无缝线路。目前法、德、酉等欧洲国家的钢轨长度为3 6 m 和 6 0 m ，厂焊f 接触焊) 轨条长度2 8 8 m ( 德国为1 8 0 m ) ，现场采用铝热 焊，接头的几何精度见表6 n 3 。日本钢轨长度为2 5 m 和5 0 m ，厂焊 ( 接触焊或固定式气压焊) 轨条长2 5 0 m 或5 0 0 m ，现场采用移动式 气压焊或强追成型电弧焊o 。 衰6焊接接头几何尺寸公差( r a m ) T G VT B T 1 6 3 2 铝热埠 接触焊铝热焊接触焊 ( 移动式气压挥) 顶斫 竺2 I r a嚣2 I m嚣3 l m：5 l m 内铡工作面 等2 】m 士0 3 l m ：3 l m 士0 5 l m 综上所述高速铁路钢轨区别予普通铁路或重载铁路的主要特 点是对其内部质量和外观质量尤其是纯净度和平直度的严格要求。 3 国产钢轨现状与高速铁路钢轨国产化 3 1 国产钢轨的现状 目前，我国国产钢轨的牌号主要有U 7 4 、U T l M n 和P D a ( 钒微 合金轨) 及B N b R E ( 铌稀土微合金轨) ，强度级别分别为o b 8 0 、9 0 、 1 0 0 k g m m 2 ，淬火后吼1 1 0 - l Z 0 及1 2 0 - 1 3 0 k g m m 2 ，主要轨型 有4 3 、5 0 、6 0 、7 5 k g m 钢轨，此外，还胃生产“U I C 6 0 ”断面钢轨。可 见，国产钢轨在钢种牌号、强度级别和轨型方面有了较大的发展，但 6 8 。 。： !：o一 静 生产工艺和技术装备比较落后，钢轨的质量( 包括内部质量和外观 质量) 与国外先进水平和高速铁路钢轨的要求还存在一定差距。 哀7国内外钢轨内部质量对比 项目国外先进水平国内现状“九五”末国内水平 有害气体 H 2 缓冷后2 3 2 p p m C O 2 0 缓冷后2 0 3 0 2 0 P 、S 含量P 0 0 Z 0 0 4O 3 S0 0 2O 0 4O 3 成分渡动C0 0 60 1 5 O 0 6 “M n0 0 8 央杂物 萎蓑耄羹 3 0 08 2 0 Z 0 05 4 0 ”“ 氧化物直径 1 3 3 0 A 类夹杂物1 5 级 3 4 级2 0 缀 B 、C 、D 类夹杂物 I 。0 级 袭8国内外钢轨外观质量标准对比 项目国外先进标准国内标准“九五”束国内水平 表面范匿热伤 0 3 51 00 5 m m 冷伤0 3 00 5O 5 十0 8 轨高士0 5 0 5 士0 5 断面尺寸公差 轨头宽 士0 50 5 O 5 + 1 0士1 0 轨底宽 士1 0 2 0 项目国外先进标准 国内标准“九五”柬国内水平 垂直向上 0 4 m m 2 m 0 B m m I mO 5 m m 1 m 轨端垂直向下 0 2 r m , = 2 m 0 2 r a m I r a0 2 m m l l m 水平 0 6 m m 2 m0 8 蚋I m0 5 m m l m 本体曩辜 0 3 m m 3 m ，0 2 r a m I r a 0 4 5 m m l l 5 m 小腰秉享 0 3 m m 2 m O 6 m m 2 m 为国产钢轨质量的提高奠定了必要的基础。 表1 0 是攀钢和包钢钢轨生产的主要技攻项目和时间安排。3 裹i o主要技改项目 项目攀钢措施时间( 年)包钢措施时阗( 年) 铁水预处理完善脱S 装置 9 8 建设s 、P 、S i 三脱装置 2 0 0 0 转炉炼钢自动化控制改造 9 8 建成底项复吹 9 7 炉外精炼钢包底测吹氢改造 9 8 建成L F 炉 9 I 真空除气建设V D 除气装置 2 0 0 0 建成V D 除气装置 9 7 钢坯连铸建设连铸系统 2 0 0 0 建成连铸囊统 9 7 钢坯加热连续炉改造 9 8 商压水踪鳞建设高压水除鳞装置 2 0 0 0 建成高压水除鳞装置 9 7 轧制自动化控制改造 9 8 复合矫直复合矫直改造 9 8 复合矫直改造 9 7 四面压矫建设四面液压矫直系统 2 0 0 0 建成四面蒗压娇直系统 9 7 在线热处理完善】5 万t 年生产线 9 8 建设5 万年生产绽 2 0 0 0 7 0 在轨钢冶炼方面，包钢已完成了钢坯连铸及其与之配套的转炉 炼钢、L F 炉精炼及V D 真空脱气的技术改造并正在建设铁水三脱 ( s 、P 、S i ) 车间，因而其轨钢冶炼装置已接近国外先进水平；攀钢则 是在对其原有铁水预处理、转炉炼钢和钢包吹氩进行改造的基础 上，建设真空脱气和钢坯连铸装置。 在钢轨轧制和矫直方面，攀钢和包钢均采用孔型轧机自动化控 制、立卧复合矫直机改造以及建设高压水除鳞和四面液压矫直等措 施。提高钢轨的尺寸精度度、平直度和表面质量。 通过上述技改措施，国产钢轨的质量将大为改善，到“九五”末 期，可基本达到U I C 8 6 0 标准的水平，但与高速铁路钢轨的要求( 如 T G V 标准) 还存在一定差距。 3 3 高速铁路钢轨的国产化 国外高速铁路的研究和实践经验表明就线路而言，高速铁路 区别于一般铁路或重载铁路最主要的特点是对轨道不平顺的严格 控制，体现在钢轨上则是对其表面质量，断面尺寸精度和平直度的 严格要求。此外，高速铁路的另一特点是曲率半径大、应变速率高、 轴重轻和牵引力大，钢轨的磨耗较小，疲劳损伤相对突出，因此对钢 轨材质的纯净度要求较高。 如上所述，国产钢轨在钢种、强度级别和轨型方面与先进国家 相差不大，可适应高速铁路钢轨选择的需要，在钢轨材质纯净度方 面，包钢的轨钢冶炼装置已接近国外先进水平，攀钢在其技改完成 后亦将接近国外先进通过进一步积极消化掌握和改进完善同时加 强生产管理，国产钢轨有望达到高速铁路钢轨对材质纯净度的要 求。 7 1 逮g 一一 在钢轨表面质量、断面尺寸精度和平直度等外观质量方面，国 内钢厂尽管采取了多项技改措施，但未能形成配套系列尤其是来 采用万能法? 丸制和激光检测，立卧复合娇直装备尚不完善，轧制精 度和矫直精度及其稳定性难以保证，国产钢轨的外观质量目前还难 以满足高速铁路钢轨的要求，因此，大力提高钢轨的表面质量、尺寸 精度和平直度将是高速铁路钢轨国产亿的方向。 4 国内钢轨的焊接与热处理 摹 4 1 钢轨的焊接 高速铁路都是跨区间或区间无缝线路，焊接接头是无缝线路中 最薄弱的环节，其质量和寿命将决定无缝线路的质量和寿命。 日本高速铁路对焊接接头底部的疲劳强度作出了酸确规定，而 焊接接头质量不仅与焊接设备和工艺有关，而且与钢轨钢种密切相 关因此n 在钢种选择时要充分考虑其焊接性能的优劣，一般而言 碳素全长热处理轨焊接性能最好，碳素轨次之，合金轨较差。l 4 】1 工厂焊接 长钢轨的工厂焊接通常采用接触焊方法，由于高速铁路对钢轨 焊接接头精度的严格要求，日、法等国在采用先进焊机的同时，对接 ” 头的矫正和精整尤为重视，如采用附有激光检测器的纵横矫直机和? 羲 精整设备而我国在此方面还比较落后。 。 目前我国焊轨工厂的焊机主要有从瑞士引进的G A A S 系列 和从乌克兰引进的K 系列，设备本身与世界先进水平相比并不落 后但由于国产钢轨尺寸公差和轨端弯曲较大，接头的几何公差与 国外先进水平相比仍存在差距，T B T 1 6 3 2 9 1 标准中接触焊的平 7 2 “j ! 岔 一，叠鸯馥盗 直度要求为0 3 m m l m 。因此，在试验的基础上制定焊接工艺以保 证接头性能质量外还应在对轨和轨端变形以及矫直和精整等方面 采取有效措施，以保证接头的平顺性要求。最近，铁道部引进了焊轨 精整设备，投入使用后对焊缝平直度将有所改观。 4 1 2 现场焊接 我国无缝线路钢轨的现场焊接主要有铝热焊和气压焊。 铝热焊 近年来，我国铝热焊技术的研究和应用取得了较大进步，在焊 接材料、焊接工艺、焊后热处理及工装设备等方面有了较大发展，同 时积极引进、吸收和消化法国铝热焊技术，使我国钢轨铝热焊接头 质量大为提高，但仍需在改进砂型和焊剂的同时，进一步改进对轨 装置和推瘤打磨精整装置，此外，为确保平直度的要求，还应结合上 述装置，研制或引进现场平直度检测装置，如法国的手提式钢轨平 直度电子测量仪。 气压焊 气压焊接头的内部质量从理论上讲，可与接触焊相当，但实际 上由于现场条件限制，其质量水平远不如接触焊，尤其平直度得不 到有效控制和矫正。如广深线气压焊接头共7 1 0 个，轨面不直度超 限( o o 5 m m l m ) 6 4 7 ，最大达4 O m m ，其中高接头占4 0 ，高 低错牙占4 5 ；轨头内侧工作边超限( o 5 m m m ) 3 7 3 其中水 平错牙占3 5 ，马鞍形占5 0 n ”。 4 2 热处理 日、法等国高速铁路的钢轨通常不进行热处理，考虑到我国高 速线上中、高速混跑的特点，并且全长淬火钢轨每吨加价不足热轧 7 3 钢轨的l o ，而寿命可提高5 0 以上，我国高速铁路是否采用全长 淬火钢轨值得研究。 目前。我国钢轨的热处理除铁路系统的十余条感应加热淬火生 产线( 年产约1 0 万吨) 外，攀钢已建成年产5 万吨的感应加热钢轨 淬火生产线，另外攀钢和包钢正在建设年产1 0 万吨的余热淬火生 产线。因此，在钢轨热处理的生产能力上，我国已基本能满足国内淬 火轨的需要，在加热方法上也与国外水平相当，至于冷却方式，最 近铁科院金化所已成功研制开发了喷风冷却新工艺，从而使我国钢 轨热处理的冷却技术达到了国外先进水平。 值得指出的是，目前我国钢轨热处理后的矫直和检测手段较为 落后平直度要求为0 5 m m m ，显然与高速铁路的要求存在一定 差距。 5 建议 尽快研究并制定我国高速铁路钢轨技术条件包括轨型、长 度、钢种、纯j 争度、平直度等有关指标，以促进国内钢轨生产企业进 行技术改造。 研究并制定高速铁路钢轨的检验方法和测试手段，确保上道 钢轨符合高速铁路用轨技术条件。 对国外如法、日、德等国高速铁路钢轨及其生产水平和品牌 性能进行重点调研，真正摘清国外高速铁路钢轨的真实性能了解 其决窍，并为进口高速铁路钢轨提供选择方案。 高速铁路钢轨焊接技术，根据我国焊轨厂的生产水平和设备 条件，确定高速铁路钢轨焊接厂家，提出技改方案和质量保证播施 7 4 进行必要的试验研究和试生产。 通过试验比较气压焊、铝热焊及焊后热处理的技术特点，提 出高速铁路钢轨联合接头采用的焊接方法及质量保证措施。 根据我国高速铁路的运输模式、机车车辆及轮轨匹配等特 点，研究我国高速铁路钢轨的硬度水平和硬度分布，提出热轧轨和 淬火轨的选择方案。 研究并制定高速铁路钢轨的探伤和打磨规程。 6 参考文献 ( 1 3 钱钟侯编高速铁路概论中国铁道出版社1 9 9 4 ( 2 ) 李惠春译欧洲长钢轨生产线现状沈铁科技19 9 5 ( 增刊) ( 3 3 丁伟等日本高速铁路钢轨的焊接中国铁道科学1 9 9 8 1 C 4 7 王仪康铁路用钢中科院金属所( 内部资料) 5 颜东攀钢钢轨性能及实物尺寸评价钢铁钒钛1 9 9 0 2 ( 6 铁道部工务局我国钢轨的现状全国低台金钢工作会议( 资料汇编) 19 9 7 1 0 7 ) 攀钢公司攀钢低合金及微醒钢的生产与开发全国低台金钢工作会议( 资料汇编) 1 9 9 7 1 0 8 ) 包钢公司包钢八五产品开发和九五发展规划全国低合金钢工作会议( 资料汇编) 1 9 9 7 1 0 9 严学模等钢水吹氩工艺研究钢铁钒镀1 9 9 6 3 ( 1 0 王建等