CN101774106B - 高速铁路用钢轨头尾尺寸控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢轨的生产方法，该方法包括对钢轨坯件依次进行轧制、冷却和矫直，其中，获取所述钢轨坯件在矫直前与矫直后断面尺寸的差值，轧制的条件包括设定待轧制的钢轨坯件的断面尺寸等于钢轨的断面尺寸与所述差值之和。根据本发明的钢轨的生产方法，在不增加设备投入的前提下，通过优化钢轨轧制工序的工艺设定，实现轧制工序对矫直工序钢轨头尾几何尺寸变化的补偿控制，从而保证了钢轨、特别是高速铁路用钢轨头尾几何尺寸的精度，解决了矫直工序造成钢轨头尾几何尺寸超差带来的成材率受损失的问题。

Description

高速铁路用钢轨头尾尺寸控制方法

技术领域

本发明涉及一种钢轨的生产方法。 

背景技术

随着社会进步及科学技术的不断发展，列车向高速、重载、舒适、安全方向不断发展，高速铁路对钢轨的尺寸精度提出了更高要求。因为在列车高速行驶时，在机车车轮作用下，钢轨和轨枕之间会产生振动，这种振动往往会造成行车事故，因此高速铁路用的钢轨需要具有很高的平直度。如对于焊接轨，焊缝处轨高尺寸公差要求控制在0.1-0.2mm，同时，轨高的变化还将影响钢轨的平直度，而钢轨平直度是决定其使用寿命和列车运行速度的重要参数。通常要求钢轨两端部的平直度为，垂直方向≤0.4mm/2m，水平方向≤0.5mm/2m。 

铁路用钢轨的生产工序为，炼钢——铸锭(连铸或模铸)——轧制——冷却——矫直——锯切定尺。影响钢轨外观几何尺寸的工序是轧制工序和矫直工序。钢轨坯件的轧制工序通常采用万能法和孔型法来进行，矫直工序通常采用辊式矫直机来进行。 

钢轨坯件在辊式矫直机中进行矫直时通常会发生塑性变形，引起钢轨轨身部分的断面尺寸尤其是头宽、顶宽和轨高尺寸在不同的区段有不同的变化。对钢轨坯件进行矫直后引起钢轨断面尺寸变化的这种不均匀性，不但造成矫直后钢轨头部和尾部尺寸超差，而且影响了钢轨的平直度。 

因此，为了生产出满足尺寸精度要求尤其是平直度要求的钢轨，通常的作法是，将尺寸超差的钢轨头部和尾部分别切除1.5m左右。这样，虽然提高了钢轨矫直几何尺寸的精度，但对于100米长的钢轨，则造成了3％左右的成材率损失，而对于25米长的钢轨，则造成的成材率损失高达12％。因此，现有的工艺方法造成了钢轨的成材率较低。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的钢轨成材率受到损失的缺陷，提供一种钢轨成材率基本不受损失的钢轨的生产方法。 

本发明提供了一种钢轨的生产方法，该方法包括对钢轨坯件依次进行轧制、冷却和矫直，其中，获取所述钢轨坯件在矫直前与矫直后断面尺寸的差值，轧制的条件包括设定待轧制的钢轨坯件的断面尺寸等于钢轨的断面尺寸与所述差值之和。 

根据本发明的钢轨的生产方法，在不增加设备投入的前提下，针对矫直过程前后造成的钢轨坯件头、尾部矫直过渡区与正常矫直区断面几何尺寸的差异，通过优化钢轨坯件在轧制工序的工艺设定，实现轧制工序对矫直工序钢轨坯件头尾几何尺寸变化的补偿控制，从而保证了钢轨、特别是高速铁路用钢轨头尾几何尺寸的精度，解决了矫直工序造成钢轨头尾几何尺寸超差带来的成材率受损失的问题。 

附图说明

图1为钢轨的横截面示意图； 

图2A、2B分别为采用现有技术生产的60kg/m钢轨头部和尾部轨高分布图； 

图3A、3B分别为采用本发明方法生产的60kg/m钢轨头部和尾部轨高分布图； 

图4A、4B分别为采用本发明方法生产的60kg/m钢轨头部和尾部头宽分布图； 

图5A、5B分别为采用本发明方法生产的60kg/m钢轨头部和尾部顶宽分布图。 

具体实施方式

如图1所示，钢轨在横截面上分为钢轨头部1、钢轨腰部2和钢轨底部3，在钢轨的横截面上，钢轨的最高点至钢轨最低点的距离为轨道高度，即轨高H；在该横截面上，钢轨头部1的顶部轮廓线包括一条顶部直线4、两条侧部直线6和两条连接顶部直线与侧部直线的曲线5，两条侧部直线6与中心对称线m有夹角，即相对于中心对称线m是倾斜的，两条侧部直线6上端之间的距离为钢轨头部的顶部宽度，即顶宽b，两条侧部直线6下端之间的距离为钢轨的头部宽度，即头宽B。 

通常情况下，钢轨的类型以每米的质量kg表示，铁路的钢轨类型主要有75kg/m、60kg/m、50kg/m及43kg/m等。 

铁路用钢轨的生产工序通常为，炼钢——铸锭(连铸或模铸)——轧制——冷却——矫直——锯切定尺。影响钢轨断面几何尺寸的工序是轧制工序和矫直工序。钢轨坯件的轧制工序通常采用万能法和孔型法来进行，矫直工序通常采用辊式矫直机来进行。 

钢轨坯件在辊式矫直机中进行矫直时通常会发生塑性变形，引起钢轨轨身部分的断面尺寸尤其是头宽、顶宽和轨高尺寸在不同的区段有不同的变化。将钢轨坯件进行矫直后引起钢轨断面尺寸变化的这种不均匀性，不但造成矫直后钢轨头部和尾部尺寸超差，而且影响了钢轨的平直度。 

矫直后钢轨的断面尺寸的变化在钢轨的整体长度上是分区段的，从而可以分别从头部和尾部分为矫直盲区、矫直过渡区及正常矫直区。从图2A、2B所示的60kg/m钢轨在矫直后通常的轨高变化曲线可以看出上述区段。 

如图2A、2B所示，对于头部和尾部的矫直盲区，矫直前后的轨高尺寸 几乎没有变化，矫直盲区的长度约为600-675mm；对于钢轨的正常矫直区，矫直前后的轨高尺寸发生了较大的变化；而对于钢轨头部和尾部的矫直过渡区，矫直前后的轨高尺寸变化介于前述两者之间，钢轨的该矫直过渡区的长度约为825-900mm。 

钢轨坯件矫直前与矫直后引起钢轨坯件断面尺寸变化的这种不均匀性，不但造成矫直后钢轨头尾断面几何尺寸尤其是头宽、顶宽和轨高超差，而且影响了钢轨的平直度。如经过矫直后的60kg/m的钢轨，造成钢轨正常矫直区的头宽增加约0.15-0.2mm，顶宽增加约0.3-0.35mm，轨高降低约0.4-0.5mm。 

因此，为了避免现有技术中需要将钢轨的头部和尾部截去而造成钢轨成材率受损的问题，本发明的发明人提供了可以补偿由于矫直工序使钢轨发生塑性变形而使断面尺寸超差的钢轨的生产方法。 

本发明提供的钢轨的生产方法包括，对钢轨坯件依次进行轧制、冷却和矫直，其中，获取所述钢轨坯件在矫直前与矫直后断面尺寸的差值，轧制的条件包括设定待轧制的钢轨坯件的断面尺寸等于钢轨的断面尺寸与所述差值之和。 

根据本发明提供的钢轨的生产方法，所述钢轨按照矫直前后断面尺寸变化的不同分为依次排列的头部矫直盲区、头部矫直过渡区、正常矫直区、尾部矫直过渡区和尾部矫直盲区。 

所述头部、尾部矫直盲区为分别位于所述钢轨坯件的头部和尾部的、在矫直前后的断面尺寸基本没有变化的区段，所述正常矫直区为位于所述钢轨坯件中央的、在矫直前后断面尺寸变化量最大的区段，所述头部、尾部矫直过渡区为分别位于头部矫直盲区与正常矫直区之间和尾部矫直区与正常矫直区之间的、且在矫直前后断面尺寸变化量介于头部、尾部矫直盲区和正常矫直区之间的区段。 

由于矫直前后发生变化的断面尺寸主要体现在轨高、顶宽和头宽上，因此，在本发明的方法中需要补偿的钢轨坯件断面尺寸优选包括所述钢轨坯件的轨高、顶宽和头宽。因此，为了精确补偿矫直前后所发生的钢轨坯件断面尺寸的变化，在优选情况下，轧制的条件包括设定待轧制的钢轨坯件的轨高、顶宽和头宽分别等于钢轨的轨高、顶宽和头宽与所述矫直前与矫直后轨高、顶宽和头宽的差值之和。 

钢轨坯件在辊式矫直机中进行矫直时通常会发生塑性变形，引起钢轨断面几何尺寸的变化。为了克服钢轨坯件在辊式矫直机中进行矫直后的塑性变形，本发明通过在轧制工序按补偿钢轨坯件在矫直前后塑性变形的断面几何尺寸的变化来设定并控制轧机的辊缝尺寸，以实现在轧制工序对矫直后钢轨断面尺寸产生变化的补偿控制，从而在矫直工序使钢轨发生塑性变形后可以获得符合钢轨要求的成品钢轨。而且，也不需切除钢轨的头部和尾部区域，钢轨的成材率提高，基本不受损失。 

因此，在优选情况下，设定待轧制的钢轨坯件的轨高包括，设定钢轨坯件头部、尾部矫直盲区的轨高为H，头部、尾部矫直过渡区的轨高为H+Δh₂，以及正常矫直区的轨高为H+Δh₁； 

其中，H为钢轨的轨高，Δh₁为矫直前与矫直后钢轨坯件正常矫直区的轨高差值，当矫直前钢轨坯件正常矫直区的轨高大于矫直后钢轨坯件正常矫直区的轨高时，Δh₁为正值，当矫直前钢轨坯件正常矫直区的轨高小于矫直后钢轨坯件正常矫直区的轨高时，Δh₁为负值，通常情况下，该Δh₁为正值；Δh₂为矫直前与矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的轨高差值，当矫直前钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的轨高大于矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的轨高时，Δh₂为正值，当矫直前钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的轨高小于矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的轨高时，Δh₂为负值，通常情况下，该Δh₂为正值。 

设定待轧制的钢轨坯件的头宽包括，设定钢轨坯件头部、尾部矫直盲区的头宽为B，头部、尾部矫直过渡区的头宽为B+ΔB₂，以及正常矫直区的头宽为B+ΔB₁； 

其中，B为钢轨的头宽，ΔB₁为矫直前与矫直后钢轨坯件正常矫直区的头宽差值，当矫直前钢轨坯件正常矫直区的头宽大于矫直后钢轨坯件正常矫直区的头宽时，ΔB₁为正值，当矫直前钢轨坯件正常矫直区的头宽小于矫直后钢轨坯件正常矫直区的头宽时，ΔB₁为负值，通常情况下，该ΔB₁为负值；ΔB₂为矫直前与矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的头宽差值，当矫直前钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的头宽大于矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的头宽时，ΔB₂为正值，当矫直前钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的头宽小于矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的头宽时，ΔB₂为负值，通常情况下，该ΔB₂为负值。 

设定待轧制的钢轨坯件的顶宽包括，设定钢轨坯件头部、尾部矫直盲区的顶宽为b，头部、尾部矫直过渡区的顶宽为b+Δb₂，以及正常矫直区的顶宽为b+Δb₁； 

其中，b为钢轨的顶宽，Δb₁为矫直前与矫直后钢轨坯件正常矫直区的顶宽的差值，当矫直前钢轨坯件正常矫直区的顶宽大于矫直后钢轨坯件正常矫直区的顶宽时，Δb₁为正值，当矫直前钢轨坯件正常矫直区的顶宽小于矫直后钢轨坯件正常矫直区的顶宽时，Δb₁为负值，通常情况下，该Δb₁为负值；Δb₂为矫直前与矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的顶宽的差值，当矫直前钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的顶宽大于矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的顶宽时，Δb₂为正值，当矫直前钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的顶宽小于矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的顶宽时，Δb₂为负值，通常情况下，该Δb₂为负值。 

上述钢轨的轨高H、头宽B和顶宽b由钢轨的产品要求确定，矫直过程造成的轨高变化量Δh₁和Δh₂、头宽变化量ΔB₁和ΔB₂、以及顶宽变化量Δb₁和Δb₂可根据在相同矫直条件下的实际矫直过程实测数据确定，也可采用MARC、ANSYS等有限元软件对矫直过程进行分析确定。 

根据本发明提供的钢轨的生产方法，钢轨坯件的轧制条件除了包括设定上述设定钢轨坯件的断面尺寸，还包括轧制工序的操作条件，如轧制温度、轧制压力、轧制的道次等，这些轧制的条件均采用本领域技术人员公知的轧制条件，例如初轧温度为1050-1200℃，精轧温度为950-1050℃，终轧温度为800-950℃，轧制的道次为9-15道次，轧制的压力为100-600吨。 

根据本发明提供的钢轨的生产方法，钢轨坯件冷却工序的冷却条件为本领域技术人员公知的常规的冷却条件，例如将温度从终轧后的800-950℃自然冷却到常温20-50℃。 

根据本发明提供的钢轨的生产方法，钢轨坯件矫直工序的矫直条件包括矫直温度及矫直压下量，其中矫直温度为20-50℃，矫直压下量为1-20mm。 

下面通过实施例的方式对本发明进行进一步详细描述。 

实施例 

所生产的钢轨为60kg/m的钢轨，该种钢轨的长度为100m，轨高为176.0mm，头宽为73.0mm，顶宽为70.8mm。 

根据在相同矫直条件下的实际矫直过程进行测量得到，钢轨头部、尾部的矫直盲区的长度分别为650-675mm，头部、尾部的矫直过渡区的长度分别为825-900mm；并测得，经过矫直工序后，该钢轨的头部、尾部矫直过渡区的轨高减小量为0.3mm，正常矫直区的轨高减小量为0.45mm；该钢轨的头部、尾部矫直过渡区的头宽增加量为0.1mm，正常矫直区的头宽增加量为0.2mm；该钢轨的头部、尾部矫直过渡区的顶宽增加量为0.15mm，正常矫 直区的顶宽增加量为0.3mm。 

在轧制工序中，使用万能轧机来轧制钢轨坯件，轧制温度为900℃，轧制压力300吨，轧制道次为11道次，并将轧机的辊缝尺寸分别按照以下尺寸来设定： 

钢轨坯件头部、尾部矫直盲区的轨高为176mm，头部、尾部矫直过渡区的轨高为176mm+0.3mm，正常矫直区的轨高为176mm+0.45mm； 

钢轨坯件头部、尾部矫直盲区的头宽为73.0mm，头部、尾部矫直过渡区的头宽为73.0mm-0.1mm，正常矫直区的头宽为73.0mm-0.2mm； 

钢轨坯件头部、尾部矫直盲区的顶宽为70.8mm，头部、尾部矫直过渡区的顶宽为70.8mm-0.15mm，正常矫直区的顶宽为70.8mm-0.3mm。 

轧制后的钢轨坯件在900℃条件下进入冷床进行自然冷却，经3小时后冷却至常温30℃，得到冷却后的钢轨坯件。测量轧制后钢轨坯件头部、尾部矫直盲区，头部、尾部矫直过渡区和正常矫直区的轨高、头宽和顶宽。 

然后使用八辊矫直机，在常温30℃下，在矫直机上部四个辊子的压下量分别为14mm、12mm、5mm、3mm的条件下，对钢轨坯件进行矫直，得到矫直后的钢轨。测量矫直后钢轨头部、尾部矫直盲区，头部、尾部矫直过渡区和正常矫直区的轨高、头宽和顶宽。 

按照对轧制后和矫直后的钢轨各区段所测量的轨高、头宽和顶宽与钢轨坯件离头部和离尾部的距离进行绘图，所得到的结果如图3A、3B，图4A、4B，和图5A、5B所示，图3A的横轴为离头部的距离mm，图3B的横轴为离尾部的距离mm，图4A的横轴为离头部的距离mm，图4B的横轴为离尾部的距离mm，图5A的横轴为离头部的距离mm，图5B的横轴为离尾部的距离mm。 

从图3A和3B可以看出，采用本发明的方法生产60kg/m钢轨，钢轨的整体轨高尺寸与成品钢轨的轨高尺寸基本一致。 

从图4A、4B可以看出，采用本发明的方法生产60kg/m钢轨，钢轨的整体头宽尺寸与成品钢轨的头宽尺寸基本一致。 

从图5A、5B可以看出，采用本发明的方法生产60kg/m钢轨，钢轨的整体顶宽尺寸与成品钢轨的顶宽尺寸基本一致。 

因此，采用本发明的方法来生产钢轨，钢轨的尺寸基本符合成品钢轨尺寸的要求，而不需进行裁截，钢轨的成材率不受损失。 

Claims (1)

1.一种钢轨的生产方法，该方法包括对钢轨坯件依次进行轧制、冷却和矫直，其中，所述钢轨按照矫直后断面尺寸变化的不同分为依次排列的头部矫直盲区、头部矫直过渡区、正常矫直区、尾部矫直过渡区和尾部矫直盲区，其特征在于，该方法还包括获取所述钢轨坯件在矫直前与矫直后断面尺寸的差值，所述断面尺寸包括轨高、顶宽和头宽；轧制的条件包括设定待轧制的钢轨坯件的轨高、顶宽和头宽分别等于钢轨的轨高、顶宽和头宽与所述矫直前与矫直后轨高、顶宽和头宽的差值之和；设定待轧制的钢轨坯件的轨高包括，设定钢轨坯件头部、尾部矫直盲区的轨高为H，头部、尾部矫直过渡区的轨高为H+Δh₂，以及正常矫直区的轨高为H+Δh₁，H为钢轨的轨高，Δh₁为矫直前与矫直后钢轨坯件正常矫直区的轨高差值，Δh₂为矫直前与矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的轨高差值；设定待轧制的钢轨坯件的头宽包括，设定钢轨坯件头部、尾部矫直盲区的头宽为B，头部、尾部矫直过渡区的头宽为B+ΔB₂，以及正常矫直区的头宽为B+ΔB₁，B为钢轨的头宽，ΔB₁为矫直前与矫直后钢轨坯件正常矫直区的头宽差值，ΔB₂为矫直前与矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的头宽差值；设定待轧制的钢轨坯件的顶宽包括，设定钢轨坯件头部、尾部矫直盲区的顶宽为b，头部、尾部矫直过渡区的顶宽为b+Δb₂，以及正常矫直区的顶宽为b+Δb₁，b为钢轨的顶宽，Δb₁为矫直前与矫直后钢轨坯件正常矫直区的顶宽差值，Δb₂为矫直前与矫直后钢轨坯件头部、尾部矫直过渡区的顶宽差值。

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