国内外轨钢研究及进展

国内外轨钢研究及进展

目前，铁路使用的主要钢是珠光体钢。通过合金化以及热处理细化组织,可使钢轨的强度达到1200MPa~1300MPa,大大提高了其耐磨性能;通过连铸等技术进一步提高了轨钢的纯净性,从而提高了钢轨的疲劳性能。鉴于珠光体型轨钢已接近它的发展极限,因此各国的钢轨生产者正在努力研制不同的新钢种,使钢轨的使用性能有一个更大的提高。本文论述了国外俄、日、欧、美等国以及国内轨钢的研究及进展,介绍了国外高强度轨钢的最新研究动向,并据此提出了国内轨钢研究的方向。1国内外对螺旋钢的研究1.1中国日本n按轨型可分为重轨和轻轨。从国内铁道应用而言,50kg·m-1及以上钢轨均称之为重轨。本文的讨论主要针对重轨。根据轨钢的化学成分,可分为碳素轨钢(钢中锰含量小于1.30%,无其他合金元素加入,又称普通轨钢),微合金轨钢(钢中加入微量合金元素如V,Nb,Ti等),低合金轨钢(如钢中加入0.80%~1.20%Cr的EN320Cr)。按交货状态可分为热轧钢轨和热处理钢轨。不论钢轨强度多少,凡是以热轧状态交货,均称之为热轧钢轨。热处理钢轨依其工艺条件又可分为离线热处理钢轨(钢轨轧制冷却后再重新加热)及在线热处理钢轨(利用轧制余热对其进行热处理,不再二次加热)。按热处理钢轨中化学成分的不同,又可分为碳素热处理钢轨、微合金热处理钢轨和低合金热处理钢轨。按轨钢的最低抗拉强度(从轨头部位取样)可分为780MPa(如欧洲EN220,中国U74等),880MPa(如EN260,EN260Mn,UIC900A,中国U71Mn等),980MPa(如美国AREA普通钢轨,中国PD3,BNbRE热轧轨),1080MPa(如EN320Cr合金钢轨,日本HH340在线热处理钢轨)、1180MPa(如日本HH370在线热处理钢轨,EN350HT,EN350LHT,中国PD2淬火钢轨)和1200MPa~1300MPa(微合金或低合金热处理钢轨,如中国PD3淬火钢轨等)。一般,强度为1080MPa及以上的钢轨被称为耐磨轨或高强轨。1.2日本及欧洲美、俄、日、欧以及国内普通钢轨的化学成分及性能如表1所示。由表可见,日本普通钢轨的含碳量最低,相应的抗拉强度也低。而美国1996年修改标准后,将普通轨的抗拉强度等级由原来的880MPa级提高至960MPa级,并要求轨顶踏面的硬度大于300HB。这与美国铁路轴重大,要求钢轨具有高的抗拉强度以及耐磨性能有关。另外,日本及欧洲一些国家仍生产和使用抗拉强度为680MPa~780MPa的碳素钢轨,因钢中含碳量低,韧塑性好,所以可用在耐磨性能无需很高的运营线路上。目前国内大量使用的普通及微合金钢轨主要有四个钢种,即抗拉强度为780MPa级的U74,880MPa级的U71Mn,980MPa级的PD3和BNbRE。经过近10年的使用以及不断完善,980MPa级钢轨的综合性能明显好于780MPa~880MPa级的U74和U71Mn钢轨,普遍为铁路用户所接受并正在繁忙干线上大力推广应用。1.3高强度不锈钢轨在钢中加入合金元素Si,Mn,Cr,Mo,V等以固溶强化基体,并可使CCT曲线向右移动,这意味着在相同冷速下可获得片间距更加细小的珠光体组织,提高强度,这就是所谓的合金化强化。欧洲对合金轨的研究比较活跃,尤其对铬轨、铬钼轨的研究比较成熟,这些钢种不仅具有高强度,而且还保持较好的塑性,在很多国家特别是西欧得到广泛应用。由于抗拉强度等级为1180MPa的珠光体型合金钢轨断裂韧性低(<25MPa·m1/2),综合性能并不好,故现在该等级的合金轨已基本上不再生产。目前,1080MPa等级的合金轨仍在许多国家使用,欧洲1080MPa等级合金轨的化学成分及其性能如表2所示。1.4坡道上的铁粉1.4.1国外的圆弧轨道和钢(1)年代钢轨热处理技术的发展前苏联是使用热处理钢轨最多的国家,热处理轨已占其钢轨产量的55%,所有重型钢轨(P65,P75)全部以热处理状态交货。早在20世纪50年代,前苏联就开始了钢轨热处理技术的研究工作,到了80年代钢轨热处理技术走向成熟。80年代初期,前苏联的第聂伯罗夫斯克捷尔仁斯基冶金工厂发明了钢轨在炉内加热后进行表面淬火的工艺。前苏联是世界上第一个采用这种工艺的国家。后来,下塔吉尔和库兹涅茨克钢铁公司的炉内加热油中淬火的热处理工艺试验成功,并投入了生产。这种工艺是将钢轨在炉内重新加热至820℃~850℃,然后在空气中冷却至轨头表面温度达到790℃~820℃,再浸入油槽中快冷,淬火后在炉内450℃回火2h。与此同时,亚速厂也研制了钢轨高频电流加热表面淬火工艺,并投入了生产。表3列出了这三个钢厂碳素淬火轨化学成分及其性能(离线热处理)。(2)化学成分分析新日铁公司(NSC)和日本钢管公司(NKK)是日本生产钢轨的两大公司。20世纪70年代,新日铁公司八幡厂开发了电感应加热、轨头喷吹压缩空气欠速淬火的离线淬火轨(称之为NHH),1979年又在碳素轨的基础上加入Cr,Nb合金元素,开发了焊缝无软化区的NSⅡ低合金离线淬火轨。1987年6月又建成了在线余热钢轨淬火生产线,采用压缩空气作淬火介质,称DHH轨。DHH轨的化学成分是在碳素热处理轨NHH的基础上提高了Si、Mn含量,并添加了少量的Cr。这种成分的钢种适合用压缩空气淬火。该厂生产的余热淬火轨有DHH340,DHH370和DHH370S三种基本类型。DHH370和DHH370S焊缝区硬度大致与母材相同,可抑制焊接接头局部磨损。新日铁热处理钢轨的化学成分及其性能见表4。日本钢管公司福山厂1978年开发了预、加热两段式火焰加热离线欠速淬火工艺,用压缩空气作为淬火介质生产NHH碳素欠速淬火轨。但是NHH轨焊后焊缝区硬度低,若不进行焊后再淬火恢复焊缝部位的硬度,则易造成焊接接头低陷而诱发波浪磨耗。因此,福山厂于1983年开发了一种低合金轨NKK-AHH,化学成分是在碳素轨的基础上加入少量的Cr,V合金元素,使欠速淬火冷却速度为1℃·s-1~2℃·s-1,与焊缝自然冷速相当,有效提高了焊缝区硬度,使其与母材硬度相同。九十年代,日本钢管公司又采用在线热处理法生产含Cr,V的低合金余热淬火轨,称THH轨。为了适应不同使用要求,THH轨有三种基本类型,即THH340,THH370S和THH370A,其化学成份及性能(见表4)。随着在线热处理钢轨生产和技术的进一步完善,日本于1994年重新制定了热处理钢轨标准,将新日铁DHH340,DHH370,钢管公司THH340,THH370统一为HH340,HH370两种牌号并规定其化学成分及最低性能指标(见表4)。(3)化学成分及机械性能进入80年代后,西欧各国也相继开发了热处理钢轨,并对钢轨的在线热处理技术进行了大量的研究。1986年以来,法国、卢森堡、英国等国家相继建起了离线、在线热处理钢轨生产线,生产碳素及微合金热处理轨。例如,卢森堡的(Rodange)罗丹日-阿托斯厂1985年9月建成钢轨余热淬火线,最大生产能力可达100t·h-1(现该厂已停止钢轨的生产);英钢联沃金顿工厂,1987年9月建成一条钢轨余热淬火线,生产Hi-Life320,Hi-Life370两种热处理钢轨;德国克虏伯冶金公司波鸿厂采用浸入热水的方法生产余热淬火轨;法国目前仍采用离线热处理的方法生产全断面加热的热处理钢轨。西欧几个主要国家热处理钢轨的化学成分及机械性能见表5。欧洲钢轨标准草案规定了两种热处理钢轨的化学成分及性能(如表5)。(4)美国美国热处理轨钢的化学成分与普碳轨相同,热处理后要求强度和硬度分别达到1200MPa~1300MPa和HB341~388。1.4.2钢轨热处理技术我国钢轨热处理技术的研究始于60年代中期,80年代中发展速度较快。1985年以后开始研制用压缩空气作为冷却介质生产热处理钢轨。攀钢现已具备年产5万吨离线淬火轨的生产能力。1994年,攀钢开始了在线余热淬火轨的研制工作,2000年4月该项技术通过了国家冶金工业局组织的技术鉴定,年生产能力可达10万吨以上。包钢曾于20世纪70年代用煤气加热、温水和水雾作为冷却介质生产过少量50kg·m-1热处理钢轨,后因故停产。2002年着手进行离线热处理生产线的建设。与此同时,铁道部门也在积极开展钢轨热处理技术的研究工作。1966年铁道科学研究院与重庆黑色冶金设计院共同研制了电感应加热喷雾冷却钢轨热处理技术。1976年与上海铁路局合作,筹建了我国第一条250m焊接长钢轨热处理生产线,1979年投产。1986年又与呼和浩特铁路局合作成功建起了500m焊接长钢轨热处理生产线,1987年投产。随后,铁道部门相继在北京、哈尔滨、兰州等地建起了16条钢轨全长热处理生产线,每年可生产全长热处理钢轨约10万吨~20万吨。其中,铁科院钢轨热处理试验中心不仅承担试验任务,每年还生产热处理钢轨约1万吨~2万吨。1998年,铁道科学研究院将喷风冷却淬火的钢轨热处理成套设备和技术成功出口韩国。目前铁路部门主要对U74,U71Mn钢轨进行热处理,其强度可达到1080MPa以上,有的热处理生产线也对PD3和BNbRE钢轨进行热处理。改用喷风冷却淬火,可使淬火质量稳定。攀钢原先生产PD2碳素热处理钢轨,其强度达到1180MPa以上,现主要生产PD3微合金热处理钢轨,其强度达到1200MPa以上。国内热处理钢轨的化学成分及机械性能如表6所示。2国外高大机密带的最新研究趋势2.1过共析钢的应用在开发高强轨时,目标之一是获得细珠光体组织,作为提高耐磨性能的最佳组织。钢轨的硬度一般都会随着珠光体片间距的减小而增加,通常,通过添加Cr,Mo等合金元素和热处理可达到上述目的。随着货车轴重量的增加,要求钢轨的耐磨性能进一步提高。对于共析钢来说,通过上述两种方法提高硬度已经十分困难,因为轨头表面会形成不希望出现的脆性贝氏体和马氏体组织。鉴于上述情况,日本新日铁公司的研究人员提出了这样一种新思路,即通过增加珠光体片中渗碳体相的密度来提高耐磨性能,并研究了过共析钢在钢轨上的应用。研究人员对共析成分和过共析成分的钢进行常规及耐磨、抗疲劳性能等试验。结果表明:a.通过增加珠光体片层中Fe3C相的厚度和滚动接触后铁素体从轨头表面剥离出去留下的Fe3C相在珠光体片中的堆积,可以提高过共析钢的耐磨性能。b.在轨头内部较深位置处有较高的硬度和均匀的珠光体组织这些特性,将使过共析钢具有更高的耐磨性和抗疲劳破坏性能。c.随着碳含量增加,塑性降低。但这可以通过细化奥氏体晶粒来弥补。减小奥氏体晶粒尺寸,可使过共析钢的伸长率达到现有共析钢的水平。也就是说,可以通过连续精轧反复使奥氏体再结晶来获得细晶奥氏体组织,弥补碳含量的增加带来的塑性降低。试验用过共析热处理钢轨的化学成分及机械性能如表7所示。过共析轨钢的断裂试验表明,过共析钢和共析钢的断裂强度相当。研究人员同时对过共析钢的焊接性能进行了试验,结果表明,过共析钢轨具有与热处理共析钢轨相当的焊接性能。焊缝处要进行焊后热处理,或添加合金元素使热影响区硬度与母材硬度基本相同。在实验室试验条件下,过共析钢轨的耐磨性比传统热处理共析钢轨提高20%。新开发的过共析钢轨正在北美重载铁路线上进行试验。2.2其他高强度钢板由于珠光体型钢轨已经接近研发极限,许多制造商正在试验其他高强度钢轨。近来英钢联研究开发了轨头硬度达445HB的低碳马氏体钢轨钢,并申请了专利,尽管该钢种其耐磨性能与珠光体型热处理钢轨相似,但韧性却高很多。2.3挪威北部运矿线路目前世界上新的高强钢轨的研发重点主要集中在贝氏体钢轨上。因此,贝氏体钢的研究和应用有着很大的发展。目前主要从三个角度去研究贝氏体钢轨:从进一步提高钢轨耐磨性能的角度出发,德国研制的贝氏体钢轨在挪威北部运矿线路300m半径的曲线上使用,结果表明其耐磨寿命为传统热轧钢轨的8倍,比热处理钢轨提高25%左右。法国、日本从提高快速铁路的抗接触疲劳性能的角度研制的贝氏体钢轨已经上道试铺,结果表明,效果良好。从提高道岔寿命的角度出发,英国研制的贝氏体辙叉已上道使用1000多组,情况良好;美国正在试验之中。德、美、英研制的空冷贝氏体钢轨其化学成份和机械性能如表8所示。贝氏体钢轨强度高、韧塑性好,显示出强度和韧塑性的极好配合,尤其韧性更好,是珠光体钢轨的2倍~5倍。另外,高强韧性的中低碳贝氏体钢轨由于含碳量低,焊接性能好,同时还易于与珠光体钢轨焊接。3中国轨钢的研究方向3.1在线sq热处理工艺综上所述,国际上钢轨热处理技术发展经历了三个主要阶段。20世纪70年代前,采用离线QT淬火工艺(所谓QT工艺,即淬火后得到马氏体组织再回火成球状珠光体组织,QT为QuenchingTempering的缩写)。70年代~80年代离线SQ淬火工艺(SlackQuenching欠速淬火或缓慢淬火工艺,为直接冷却得到细片状珠光体组织),80年代末发展了在线SQ淬火工艺。在这三个阶段中,为发挥热处理强化钢轨的最佳效果,像日本、欧洲等均采用专门的钢种。研究表明,由于SQ工艺要求得到细的层片珠光体组织(因为耐磨),因此用于SQ淬火的钢轨要求其含碳量在共析成分(0.76%~0.77%)。所以世界各国热处理钢轨的含碳量均控制在0.72%~0.82%范围内。随着喷风冷却技术的采用,还在轨钢中加入少量的推迟珠光体转变的合金元素如Cr,以节省淬火冷却需要的压缩空气,减少热处理成本,同时提高热处理钢轨的强度。而用于在线热处理的轨钢中还添加一些阻止奥氏体晶粒长大的微合金元素如V,Nb等。我国铁路目前仍对U74,U71Mn进行欠速淬火(SQ工艺),这显然是不合适的。对PD3,BNbRE进行淬火,性能价格比也不是最佳的。因此迫切需要研究一种在热轧状态下为880MPa强度等级,经喷风热处理后其强度等级为1180MPa及以上的专用热处理钢种。3.2加快现代化技术的开发和改造高速铁路由于轴重轻,运行速度快,要求轨钢具有良好的抗疲劳性能。通常,国外高速铁路一般采用780MPa~880MPa强度等级的碳素普通轨,要求轨钢材质纯净,包括钢中有害元素如P,S及残留元素含量低,氢、氧、氮气体含量少,非金属夹杂物尤其是B类氧化物夹杂要求控制在1.0级~1.5级以下。随着连铸生产技术的不断完善,达到这些要求在技术上不会有什么问题。但是在钢轨表面质量、平直度和几何尺寸等方面要达到高速铁路钢轨的要求,国内钢厂在完成连铸(炉外精炼、真空脱气)、精整(平-立复合矫直等)和检测中心等技术改造的同时还应加快以下方面的技术改造:(1)采用万能轧机轧制从目前攀钢、鞍钢等向秦沈客运专线供轨的合格率(约50%)以及出现的质量异议(主要为表面质量尤其是热