一种重载铁路用百米定尺75kg/m在线热处理贝氏体钢轨的生产方法

技术领域

本发明涉及一种重载铁路用百米定尺75kg/m在线热处理贝氏体钢轨的生产方法。

背景技术

随着铁路重载运输技术的进步，我国铁路重载运输能力在不断提高，重载货车轴重在逐步提高，重载铁路具有轴重大、运量大、发车密度高等特点，例如2020年太原局大秦线通货量达5.5亿吨/年。重载铁路用钢轨的迅猛发展，对钢厂的钢轨材料强韧性、耐磨性和抗疲劳性能提出了更苛刻的要求。目前普遍使用的珠光体钢轨，由于其成分和组织结构的特点其强韧性基本发挥到极限，且冲击韧性、断裂韧性也较低，已逐渐无法完全满足重载铁路服役要求。

为了满足重载铁路用钢轨的需求，各国货运铁路普遍采用重型断面钢轨，我国重载货运线(如大秦线、神朔线等)均采用自主研发的75kg/m断面钢轨，以提升钢轨使用过程中的承载力和安全性。但随着运量的加大使得钢轨及焊接接头伤损日趋严重，特别是钢轨剥离掉块、钢轨母材脆性断轨、焊接接头断轨等的风险加大。因此为确保重载线路运输安全，提出生产百米75kg/m高强度热处理贝氏体钢轨，以提高重载线路安全性、平顺性；提高重载钢轨强韧性、耐磨性、抗接触疲劳性能和服役性能。

由于受到生产设备及技术等因素的限制，目前只有包钢具备百米定尺 75kg/m在线热处理贝氏体钢轨生产的条件。包括：使用280mm×380mm铸坯断面生产75kg/m断面钢轨，使用长度为190米的水风交替钢轨控制冷却机组，使用百米钢轨回火处理炉，使用500米钢轨焊接生产线等。结合以上设备生产的百米75kg/m在线热处理贝氏体钢轨具有良好的强度、塑性、冲击韧性、耐磨性、抗接触疲劳性能、焊接性。百米钢轨相对于75米钢轨，焊接成500米长轨条的时间由3小时降低至1小时，焊接接头由6个减少至4个，可极大的提高钢轨生产效率和焊接效率，对重载贝氏体钢轨的应用及发展意义重大。

北京特冶工贸有限责任公司提出了“曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨及其生产方法”(公开号为CN101921971A)，获得钢轨的强度低，仅为1200～ 1300MPa，为热轧态贝氏体钢轨，且组织较粗大，生产中存在明显的马氏体偏析带，不满足曲线重载要求。鞍钢股份有限公司提出了“具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨及其生产方法”(公开号为CN 1978690A)，采用“热轧后在空气中自然冷却”，必然会引起季节变化对冷速的影响，造成性能和组织不均匀，且在大秦线实际应用中，热轧态钢轨耐磨性较差，不满足线路服役要求。攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司提出了“一种高强度贝氏体钢轨及其生产方法”(公开号为CN104087852A)；虽然采用余热热处理工艺，450℃-500℃时采用3℃/S-6℃/S冷速对钢轨的轨头部位进行加速冷却，在此温度区间属于上贝氏体转变区间，造成组织粗化、性能较差，没有对钢轨不同温度进行温度精准控制，导致性能波动大，没有回火，马氏体比较脆。因生产设备和工艺的限制，所有关于贝氏体钢轨方面的专利，均未涉及百米定尺75kg/m在线热处理贝氏体钢轨的生产工艺和制作方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种重载铁路用百米定尺75kg/m在线热处理贝氏体钢轨的生产方法，本发明通过使用75kg/m断面钢轨来提高重载钢轨的使用寿命、承载力和安全性；通过在线热处理来提高钢轨的强度、硬度、韧性、耐磨性、抗接触疲劳性能等；通过百米定尺钢轨来减少线路焊接接头数量，提升焊接效率，提高线路安全性、平顺性，降低断轨风险。通过研究化学成分和性能作用机理，制定钢轨化学成分范围，结合大方坯连铸工艺、大方坯轧制工艺、百米大断面钢轨在线热处理工艺、百米钢轨回火处理工艺等，从而得到适合重载铁路用百米定尺75kg/m在线热处理贝氏体钢轨。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种重载铁路用百米定尺75kg/m在线热处理贝氏体钢轨的生产方法，包括：

冶炼：

采用无铝脱氧工艺冶炼，成品钢轨气体含量控制：[H]≤1.5ppm；T[O]≤ 20ppm；[N]≤80ppm；

大方坯连铸：

①采用280mm×380mm铸坯断面生产75kg/m断面钢轨，钢坯定尺长度由原来的6.72m延长至9.53～9.73m，以保证轧制出的钢轨长度达到100米；

②钢水浇注温度≥1525℃，拉速控制在0.60m/min～0.70m/min；

③冶炼后的钢坯在500～800℃区间及时进行连铸坯缓冷处理，缓冷时间≥ 60h，进一步降低钢坯中氢含量，防止钢轨因氢致裂纹引起的早期核伤；

大方坯轧制：

①工艺路线：大方坯加热—高压水除鳞—BD1粗轧机开坯—BD2粗轧机轧制—高压水除鳞—CCS精轧机轧制—百米在线热处理—百米冷床冷却—矫直—探伤—加工—检查—入库；

②钢轨坯加热工艺制度：钢坯加热总时间≥3小时，预热段≤800℃，加热Ⅰ段≤1200℃，加热Ⅱ段1100～1280℃，均热段1100～1260℃，钢坯出炉温度1250℃；

③百米钢轨轧制工艺制度：钢坯经BD1轧机轧制7道次，BD2轧机轧制3道次，CCS轧机往复轧制3道次，压缩比为11.19，轧制成百米75kg/m断面钢轨，钢轨开轧温度1080～1150℃，终轧温度930～950℃，保证钢轨原始奥氏体的晶粒度；

百米75kg/m钢轨在线热处理：

①辊道速度控制在0.8～1.2m/s，进入控制冷却机组前，将热轧态百米钢轨端头切掉0.5～1.5米左右，并翻转钢轨；

②进入第一段控制冷却机组：百米75kg/m钢轨进入控冷机组温度在750～ 800℃之间。结合高压风冷却机组，将钢轨以1.0～5.0℃/s的冷速，控制冷却到320～370℃；

③进入第二段控制冷却机组：结合水雾冷却机组，将钢轨以3.0～6.0℃/s 的冷速，加速控制冷却到120～180℃；

④百米钢轨出控制冷却机组后，返温到280～330℃，在冷床空冷至室温；

百米钢轨平立复合矫直：

百米75kg/m钢轨矫直采用轻压力、平立复合矫直机进行矫直，矫直温度不得超过60℃，矫直压下量≤18mm，矫直速度≥1.5m/s,只允许矫直一次，对钢轨端头或局部不平直可以用压力机补充矫直；百米钢轨经过矫直后，进行探伤、加工、检查；

百米钢轨回火处理：

百米75kg/m钢轨经过轧制和在线热处理后，在12h内进行回火处理，回火温度控制在260～350℃，保温时间控制在20～60h，保温结束后钢轨随炉缓冷至200℃以下，出炉空冷至室温。

进一步的，经矫直后的钢轨应平直，不得有波浪弯，硬弯和明显的扭曲。

进一步的，完成百米75kg/m钢轨回火处理后，进行下一步500米钢轨焊接和应用。

进一步的，生产的百米75kg/m在线热处理贝氏体钢轨抗拉强度为1380～1450MPa，屈服强度为1000～1300MPa，延伸率为14～19％，冲击韧性为130～ 180J，踏面硬度为430～460HBW，-20℃断裂韧性K

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明结合280mm×380mm大断面连铸、水风交替钢轨控制冷却机组、百米钢轨回火处理炉等设备，生产的百米75kg/m在线热处理贝氏体钢轨抗拉强度在在1380～1450MPa之间，屈服强度在1000～1300MPa之间，延伸率在14～19％之间，冲击韧性在130～180J之间，踏面硬度在430～460HBW之间，-20℃断裂韧性 K

具体实施方式

一种重载铁路用百米定尺75kg/m在线热处理贝氏体钢轨的生产方法，具体工艺包括：铁水预处理→复吹转炉冶炼→LF精炼→VD真空脱气→大方坯连铸→钢坯缓冷→钢坯加热→百米钢轨轧制→百米在线热处理→复合矫直→探伤→百米回火→500米焊接。

1)本发明钢轨以C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo为主要合金元素，钢轨化学成分的重量百分比为C：0.15～0.30％，Si：0.60～1.40％，Mn：1.60～2.60％，Cr： 0.45～1.30％，Ni:0.20～0.70％，Mo:0.20～0.60％,P≤0.022％，S≤0.015％，Al：≤0.010％，其余为Fe。采用无铝脱氧工艺冶炼，成品钢轨气体含量控制：[H]≤ 1.5ppm；T[O]≤20ppm；[N]≤80ppm。

2)采用280mm×380mm铸坯断面生产75kg/m断面钢轨，钢坯定尺长度延长至 9.53～9.73m，以保证轧制出的钢轨长度达到100米。

3)钢水浇注温度≥1525℃，拉速控制在0.60m/min-0.70m/min。

4)冶炼后的钢坯在500～800℃区间及时进行连铸坯缓冷处理，缓冷时间≥ 60h。

5)钢坯加热总时间≥3小时，预热段≤800℃，加热Ⅰ段≤1200℃，加热Ⅱ段1100～1280℃，均热段1100～1260℃，钢坯出炉温度1250℃。

6)钢坯经BD1轧机轧制7道次，BD2轧机轧制3道次，CCS轧机往复轧制3道次，压缩比为11.19，轧制成百米75kg/m断面钢轨，钢轨开轧温度1080～1150℃，终轧温度930～950℃，保证钢轨原始奥氏体的晶粒度。

7)进入控制冷却机组前，将热轧态百米钢轨端头切掉0.5～1.5米左右，并翻转钢轨，辊道速度控制在0.8～1.2m/s，。

8)百米75kg/m钢轨进入控冷机组温度在750～800℃之间，结合高压风冷却机组，将钢轨以1.0～5.0℃/s的冷速，控制冷却到320～370℃。

9)百米75kg/m钢轨以320～370℃进入水雾冷却机组，将钢轨以3.0～6.0℃ /s的冷速，加速控制冷却到120～180℃。

10)百米75kg/m在线热处理贝氏体钢轨出控制冷却机组后，返温到280～ 330℃，在冷床空冷至室温。

11)百米75kg/m在线热处理贝氏体钢轨矫直采用轻压力、平立复合矫直机进行矫直，矫直温度不得超过60℃，矫直压下量≤18mm，矫直速度≥1.5m/s, 只允许矫直一次，对钢轨端头或局部不平直可以用压力机补充矫直，经矫直后的钢轨应平直，不得有波浪弯，硬弯和明显的扭曲。百米钢轨经过矫直后，进行探伤、加工、检查。

12)百米75kg/m在线热处理贝氏体钢轨经过矫直和探伤后，在12h内进行回火处理，回火温度控制在260～350℃，保温时间控制在20～60h，保温结束后钢轨随炉缓冷至200℃以下，出炉空冷至室温。

13)完成百米75kg/m钢轨回火处理后，可进行下一步500米钢轨焊接和应用。百米钢轨相对于75米钢轨，焊接成500米长轨条的时间由3小时降低至1 小时，焊接接头由6个减少至4个，可极大的提高钢轨生产效率和焊接效率。

表1各实例钢轨化学成分(质量百分数/％)

以上成分钢轨的冶炼生产工艺为：铁水预处理→复吹转炉冶炼→LF精炼→ VD真空脱气→大方坯连铸。真空冶炼采用无铝脱氧合金化，钢坯断面280mm× 380mm，定尺长度9.53～9.73m。钢水浇注温度≥1525℃，拉速控制在0.60m/min～ 0.70m/min。

钢轨加热、轧制、在线热处理及回火研究工艺：钢坯加热→百米钢轨轧制→百米钢轨在线热处理→矫直→探伤→百米钢轨回火处理。加热工艺制度：钢坯加热总时间≥3小时，预热段≤800℃，加热Ⅰ段≤1200℃，加热Ⅱ段1100～ 1280℃，均热段1100～1260℃，钢坯出炉温度1250℃。轧制工艺制度：钢坯经 BD1轧机轧制7道次，BD2轧机轧制3道次，CCS轧机往复轧制3道次，压缩比为 11.19，轧制成百米75kg/m断面钢轨，钢轨开轧温度1080～1150℃，终轧温度 930～950℃。在线热处理工艺制度：钢轨750～800℃进入在线热处理生产线，采用水风交替在线控冷机组，对钢轨进行不同段阶段、不同冷却速度、不同出口温度的控制冷却处理。百米钢轨经过矫直、探伤、加工、检查后进行260～ 350℃，保温20～60h的回火处理。测得百米75kg/m在线热处理贝氏体钢轨热处理工艺和力学性能，结果如表2、表3所示。

表2实施例过程中不同热处理工艺对比

本发明成分的贝氏体钢轨，下贝氏体的相变温度在340～370℃之间，钢轨轧后以较快的冷却速度将钢轨控制在下贝氏体相变区间，结合控制冷却和扩散热、相变潜热的相互作用，使得钢轨踏面下组织细化、均匀。一定的返温温度和低温回火处理可有利于残余奥氏体的稳定和残余应力的降低。通过控制钢轨组织转变比例和相变时间，可以有效的保证钢轨平直度，降低矫直附加的矫直应力，从而有效的提高了钢轨力学性能、机械稳定性及服役性能，实现高强度、高韧塑性及高耐磨性的最佳匹配。

表3实施例过程中不同热处理工艺对应力学性能

由表3可知，针对不同成分、不同控制冷却工艺，可以得到不同钢轨力学性能。实施例4的冶炼成分和在线热处理工艺可以使钢轨抗拉强度在1380～ 1450MPa之间，屈服强度在1000～1300MPa之间，延伸率在14～19％之间，冲击韧性在130～180J之间，踏面硬度在430～460HBW之间，-20℃断裂韧性K

本发明的重载铁路用百米定尺75kg/m在线热处理贝氏体钢轨及其生产方法，可获得高强韧性、高耐磨性、高断裂韧性、低疲劳裂纹扩展速率、高抗接触疲劳性能和综合性能优良的贝氏体钢轨。使钢轨具有优良的抗裂纹萌生和扩展能力，从而有效的提高贝氏体钢轨服役性能。

对百米定尺75kg/m在线热处理贝氏体钢轨进行外型尺寸检验，见表4。钢轨定尺长度、外型尺寸、平直度，检测结果符合标准技术要求，75kg/m钢轨定尺长度达到100m。

表4百米75kg/m在线热处理贝氏体钢轨外型尺寸检测结果

以上所述的实施例例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。