一种近终形轨道钢铸轧成型设备及工艺

技术领域

本发明属于钢铁成型技术领域，尤其涉及一种近终形轨道钢铸轧成型设备及工艺。

背景技术

轨道钢是铁路建设的关键材料，其生产过程通常是首先通过连铸工艺获取铸坯，然后铸坯堆垛冷却，在坯料轧制前再对冷却铸坯进行加热，加热后的铸坯需经过多道次开坯、粗轧、精轧、矫直等工序，最终获得成品钢轨。轨道钢连铸-轧制传统工艺流程长，生产过程中消耗大量能量。近终形铸轧技术是直接将液态金属铸造及轧制成半成品坯或成品材的一种新工艺，若生产过程中采用近终形铸轧技术生产接近开坯形状的铸坯，不仅可以减少轨道钢轧制道次，还可以大幅度降低设备投资，有效节能降耗。此外，随着钢轨长度增加，与之对应需要更大断面的铸坯，大断面的铸坯中易产生溶质偏析、夹杂物聚集、中心缩孔等内部缺陷，严重影响最终钢轨的质量。而近终形铸轧技术生产的铸坯断面小，且结晶器与铸坯同步运动，可有效消除铸坯表面缺陷和以上内部缺陷。可见，采用近终形铸轧技术生产高质量轨道钢具有良好的应用前景。

相较传统连铸-轧制技术，铸轧成形的钢材没有经历高温变形阶段，晶粒往往比较粗大，故铸轧成形的钢材力学性能相对较差。且轨道钢铸坯断面复杂，其均匀冷却存在巨大挑战。鉴于轨道钢铸轧成型良好的应用前景和存在诸多困难，需开发一种轨道钢铸轧成型设备及工艺以有效解决轨道钢铸轧成型存在的问题。而现今尚未见轨道钢铸轧的相关报道，故亟需一种近终形轨道钢铸轧成型设备及工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种近终形轨道钢铸轧成型设备及工艺，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种近终形轨道钢铸轧成型设备，包括：两个平行且对称设置的机架，所述机架内设置有两个第一调节组件，同一所述机架内的两个所述第一调节组件对称设置，两个所述机架上位于同侧的两个所述第一调节组件同轴设置，两个所述机架上位于同侧的两个所述第一调节组件之间转动连接有异形铸轧辊，两个所述异形铸轧辊的轴线平行设置；

两个所述机架相对的一侧均固接有第二调节组件，所述第二调节组件位于所述机架的顶端，所述第二调节组件传动连接有竖直设置的侧封板，两个所述侧封板平行且对称设置，所述侧封板的底面与所述异形铸轧辊的外侧壁相适配，两个所述侧封板以及两个所述异形铸轧辊之间形成熔池；

所述机架的正上方设置有中间包，所述中间包连通有浸入式水口，所述浸入式水口伸入所述熔池；

所述异形铸轧辊内设置有冷却结构，所述冷却结构连通有冷却水循环机构。

优选的，所述异形铸轧辊包括辊芯，所述辊芯的两端均同轴固接有辊轴，所述辊轴转动连接在所述第一调节组件内，所述辊芯的外侧壁上包覆有辊套组件，所述辊套组件包括上半异形辊套与下半异形辊套，所述上半异形辊套与所述下半异形辊套对称设置，所述上半异形辊套与所述下半异形辊套之间固接；

所述冷却结构包括设置在所述辊芯外侧壁上的第一冷却水槽组、第二冷却水槽组以及第三冷却水槽组，所述第一冷却水槽组、所述第二冷却水槽组以及所述第三冷却水槽组沿所述辊芯的轴线方向依次设置，所述第一冷却水槽组、所述第二冷却水槽组以及所述第三冷却水槽组均与所述冷却水循环机构连通，所述冷却水循环机构开设在同一所述辊芯上的任一所述辊轴内。

优选的，所述冷却水循环机构包括固接在任一所述辊轴端部的旋转接头，所述旋转接头连通有第一进水口、第二进水口、第三进水口以及出水口；

与所述旋转接头固接的所述辊轴上由外至内依次开设有第一进水槽、第二进水槽以及第三进水槽，所述第一进水槽、所述第二进水槽、所述第三进水槽以及所述辊轴同轴设置，所述辊轴上开设有出水槽；

所述第一进水口通过所述第一进水槽与所述第一冷却水槽组连通，所述第二进水口通过所述第二进水槽与所述第二冷却水槽组连通，所述第三进水口通过所述第三进水槽与所述第三冷却水槽组连通，所述第一冷却水槽组、所述第二冷却水槽组以及所述第三冷却水槽组均通过所述出水槽与所述出水口连通。

优选的，所述机架上开设有水平设置的第一滑槽，所述第一调节组件包括固接在所述第一滑槽侧壁上的第二液压缸，所述第二液压缸的动力端固接有顶块，所述顶块远离所述第二液压缸的一端抵接有轴承座，所述轴承座内通过轴承与所述辊轴转动连接，同一所述机架内的两所述第二液压缸对称设置，两所述轴承座之间固接有若干第一弹簧，若干所述第一弹簧等间隔设置；

所述第一滑槽的顶端以及底端上均设置有若干导向块，所述导向块固接在两所述机架相背的侧壁上，所述导向块伸入所述滑槽内且与所述轴承座滑动接触。

优选的，所述第二调节组件包括侧封板支撑架，所述侧封板支撑架呈匚字形且开口向下，所述侧封板支撑架的一侧壁与所述机架固接，所述侧封板支撑架相对的两侧壁上均开设有竖直滑槽，所述竖直滑槽的底端固接有第二弹簧，所述第二弹簧的顶端固接有压块；

靠近所述机架的所述竖直滑槽内竖直滑动连接有第二滑块，另一所述竖直滑槽内竖直滑动连接有第一滑块，所述第一滑块的一侧伸出所述竖直滑槽且与所述侧封板固接，所述第二滑块以及所述第一滑块均与所述压块的顶面抵接，所述第二滑块与所述第一滑块之间固接有水平设置的压板；

所述侧封板支撑架的内侧顶壁上固接有第一液压缸，所述第一液压缸的输出端与所述压板的顶面抵接。

优选的，两个所述侧封板之间设置有喂线管，所述喂线管的一端位于所述熔池的正上方，所述喂线管的另一端连接在喂线机上。

一种近终形轨道钢铸轧成型工艺，包括以下步骤：

S1、将冶炼合格的钢水注入中间包，并对钢液进行加热并保温；

S2、设定初始拉坯速度、异形铸轧辊转速、异形铸轧辊中冷却水的流量以及两异形铸轧辊之间辊缝的大小；

S3、将中间包中的钢液注入熔池，进行拉坯；

S4、对坯料测温并确定坯壳厚度，从而确定后续步骤的工艺参数；

S5、对坯料进行冷却并测温，确定坯料中液芯的深度；

S6、对坯料进行矫直并按照规定长度裁剪；

S7、轧制获得轨道钢成品。

优选的，在步骤S4中，通过红外线测温，测量坯料刚出异形铸轧辊时的温度，利用测量的温度数据，确定此时坯壳厚度，然后通过调节拉坯速度、异形铸轧辊转速以及异形铸轧辊中冷却水的流量，使坯料的外侧形成设定厚度的坯壳。

优选的，在步骤S3中，使用喂线机在坯料的头部和尾部进行喂线处理。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明缩短了传统连铸-轧制工艺生产轨道钢的连铸、铸坯冷却、铸坯加热、开坯、粗轧等工序，提高生产效率、节约能源和降低生产成本。

通过控制异形铸轧辊不同冷却区域中冷却水流量，实现对异形坯料不同厚度区域冷却速率的控制，从而达到异形截面同步冷却的效果，进而减轻了异形铸轧由于凝固不同步导致溶质偏析、夹杂物聚集和应力分布不均的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的左视图；

图3为本发明中侧封板支撑架的结构示意图；

图4为本发明中异形铸轧辊的结构示意图；

图5为本发明一种近终形轨道钢铸轧成型工艺的流程图。

其中，1、机架；2、异形铸轧辊；3、导向块；4、第一滑块；5、浸入式水口；6、中间包；7、侧封板；8、侧封板支撑架；9、第一液压缸；10、旋转接头；11、第二液压缸；12、顶块；13、第二滑块；14、压板；15、喂线管；16、轴承座；17、轴承；18、第一弹簧；21、上半异形辊套；22、下半异形辊套；23、辊芯；81、压块；82、第二弹簧；101、第一进水口；102、第二进水口；103、第三进水口；104、出水口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1至图4，本发明公开了一种近终形轨道钢铸轧成型设备，包括：两个平行且对称设置的机架1，机架1内设置有两个第一调节组件，同一机架1内的两个第一调节组件对称设置，两个机架1上位于同侧的两个第一调节组件同轴设置，两个机架1上位于同侧的两个第一调节组件之间转动连接有异形铸轧辊2，两个异形铸轧辊2的轴线平行设置；

两个机架1相对的一侧均固接有第二调节组件，第二调节组件位于机架1的顶端，第二调节组件传动连接有竖直设置的侧封板7，两个侧封板7平行且对称设置，侧封板7的底面与异形铸轧辊2的外侧壁相适配，两个侧封板7以及两个异形铸轧辊2之间形成熔池；

机架1的正上方设置有中间包6，中间包6连通有浸入式水口5，浸入式水口5伸入熔池；

异形铸轧辊2内设置有冷却结构，冷却结构连通有冷却水循环机构。

首先将冶炼合格的钢水注入中间包6，并通过通道式感应加热使中间包6中的钢液保持在一定的温度范围内，设定初始拉坯速度、异形铸轧辊2的转速以及异形铸轧辊2内冷却结构中冷却水的流量，将中间包6中的钢液通过浸入式水口5注入熔池内，初始状态时，两个异形铸轧辊2的底端设置有引锭杆，避免熔池内的钢水直接流下，便于拉坯，坯料成型后即可将引锭杆收起；钢水在两异形铸轧辊2以及异形铸轧辊2内冷却结构的作用下形成坯料，并转移至后续装置进行再加工。

进一步优化方案，异形铸轧辊2包括辊芯23，辊芯23的两端均同轴固接有辊轴，辊轴转动连接在第一调节组件内，辊芯23的外侧壁上包覆有辊套组件，辊套组件包括上半异形辊套21与下半异形辊套22，上半异形辊套21与下半异形辊套22对称设置，上半异形辊套21与下半异形辊套22之间固接；

冷却结构包括设置在辊芯23外侧壁上的第一冷却水槽组、第二冷却水槽组以及第三冷却水槽组，第一冷却水槽组、第二冷却水槽组以及第三冷却水槽组沿辊芯23的轴线方向依次设置，第一冷却水槽组、第二冷却水槽组以及第三冷却水槽组均与冷却水循环机构连通，冷却水循环机构开设在同一辊芯23上的任一辊轴内。

辊芯23与上半异形辊套21以及下半异形辊套22之间通过螺栓固定连接，上半异形辊套21以及下半异形辊套22之间焊接并打磨至设定的粗糙度。

进一步优化方案，冷却水循环机构包括固接在任一辊轴端部的旋转接头10，旋转接头10连通有第一进水口101、第二进水口102、第三进水口103以及出水口104；

与旋转接头10固接的辊轴上由外至内依次开设有第一进水槽、第二进水槽以及第三进水槽，第一进水槽、第二进水槽、第三进水槽以及辊轴同轴设置，辊轴上开设有出水槽；

第一进水口101通过第一进水槽与第一冷却水槽组连通，第二进水口102通过第二进水槽与第二冷却水槽组连通，第三进水口103通过第三进水槽与第三冷却水槽组连通，第一冷却水槽组、第二冷却水槽组以及第三冷却水槽组均通过出水槽与出水口104连通。

参照图4，因为轨道钢为异形件，各个位置的厚度不同，冷却所需的水量不同，因此沿着辊芯23的长度方向将辊芯分为区域一、区域二以及区域三三个部分，在辊芯23的外侧壁上沿辊芯23的轴线方向依次设置第一冷却水槽组、第二冷却水槽组以及第三冷却水槽组，区域一、区域二以及区域三分别与第一冷却水槽组、第二冷却水槽组以及第三冷却水槽组一一对应设置，并且通过第一进水槽、第二进水槽以及第三进水槽分别对第一冷却水槽组、第二冷却水槽组以及第三冷却水槽组进行供水，从而可以分别调节区域一、区域二以及区域三三个部分的冷却水的流速，从而调节相应区域的冷却强度。

进一步优化方案，机架1上开设有水平设置的第一滑槽，第一调节组件包括固接在第一滑槽侧壁上的第二液压缸11，第二液压缸11的动力端固接有顶块12，顶块12远离第二液压缸11的一端抵接有轴承座16，轴承座16内通过轴承17与辊轴转动连接，同一机架1内的两第二液压缸11对称设置，两轴承座16之间固接有若干第一弹簧18，若干第一弹簧18等间隔设置；

第一滑槽的顶端以及底端上均设置有若干导向块3，导向块3固接在两机架1相背的侧壁上，导向块3伸入滑槽内且与轴承座16滑动接触。

通过导向块3对轴承座16进行限位，使轴承座16只能沿着第一滑槽进行滑动；两个第二液压缸11同时伸长/收缩，从而调节两异形铸轧辊2之间的间距。

进一步优化方案，第二调节组件包括侧封板支撑架8，侧封板支撑架8呈匚字形且开口向下，侧封板支撑架8的一侧壁与机架1固接，侧封板支撑架8相对的两侧壁上均开设有竖直滑槽，竖直滑槽的底端固接有第二弹簧82，第二弹簧82的顶端固接有压块81；

靠近机架1的竖直滑槽内竖直滑动连接有第二滑块13，另一竖直滑槽内竖直滑动连接有第一滑块4，第一滑块4的一侧伸出竖直滑槽且与侧封板7固接，第二滑块13以及第一滑块4均与压块81的顶面抵接，第二滑块13与第一滑块4之间固接有水平设置的压板14；

侧封板支撑架8的内侧顶壁上固接有第一液压缸9，第一液压缸9的输出端与压板14的顶面抵接。

第一液压缸9的伸缩端与第二弹簧82配合，从而可以调节压板14的高度，进而调节侧封板7与上半异形辊套21以及下半异形辊套22外侧壁之间的距离，从而对侧封板7的磨损进行补偿。

进一步优化方案，两个侧封板7之间设置有喂线管15，喂线管15的一端位于熔池的正上方，喂线管15的另一端连接在喂线机上。

通过喂线机对坯料的头部以及尾部喂入微小颗粒的钢粉，降低钢水过热度，同时作为钢液凝固中细小的形核点，促进材料的晶粒细化，提高钢的强度和韧性。

一种近终形轨道钢铸轧成型工艺，包括以下步骤：

S1、将冶炼合格的钢水注入中间包6，并对钢液进行加热并保温；

S2、设定初始拉坯速度、异形铸轧辊转速、异形铸轧辊中冷却水的流量以及两异形铸轧辊之间辊缝的大小；

S3、将中间包6中的钢液注入熔池，进行拉坯；

S4、对坯料测温并确定坯壳厚度，从而确定后续步骤的工艺参数；

S5、对坯料进行冷却并测温，确定坯料中液芯的深度；

S6、对坯料进行矫直并按照规定长度裁剪；

S7、轧制获得轨道钢成品。

进一步优化方案，在步骤S4中，通过红外线测温，测量坯料刚出异形铸轧辊2时的温度，利用测量的温度数据，确定此时坯壳厚度，然后通过调节拉坯速度、异形铸轧辊转速以及异形铸轧辊中冷却水的流量，使坯料的外侧形成设定厚度的坯壳。

进一步优化方案，在步骤S3中，使用喂线机在坯料的头部和尾部进行喂线处理。

参照图5，本发明中近终形轨道钢铸轧成型工艺具体包括以下步骤：

步骤1、将冶炼合格的钢水注入中间包6；

步骤2、通过通道式感应加热使中间包6中的钢液温度保持在1510℃～1520℃范围内；

步骤3、设定初始拉坯速度、异形铸轧辊2转速以及异形铸轧辊2中冷却水的流量；

步骤4、根据异形坯料的标准，调整两个异形铸轧辊2之间辊缝的大小；

步骤5、中间包6中的钢液通过浸入式水口5注入铸轧机；

步骤6、红外线测温，测量坯料刚出异形铸轧辊时的温度，利用测量的温度数据，确定坯壳厚度；

步骤7、若表面温度高于1100℃，通过调节拉坯速度、异形铸轧辊2转速以及异形铸轧辊2中冷却水的流量，形成稳定厚度的坯壳；

步骤8、使用喂线机在铸轧熔池的轨头和轨尾进行喂线处理；

步骤9、对进行喂线处理后的坯料进行红外线测温，利用测量的温度数据，确定坯壳厚度，以确定相关的工艺参数；

步骤10、异形坯料进入二次冷却区，调节喷嘴的喷水速率，用以调节坯料在二次冷却区时的冷却速度；

步骤11、红外线测温，在空冷区域测量异形坯料的温度，分析测量的温度数据，明确坯料中液芯的深度，合格后进入步骤12，不合格则返回步骤10；

步骤12、异形坯料进入矫直区域，通过拉坯矫直机对坯料进行矫直；

步骤13、根据坯料中液芯的深度，确定坯料的裁剪位置，待坯料达到规定长度尺寸后对其进行裁剪；

步骤14、将裁剪后的异形坯料通过翻转机构翻转90°；

步骤15、翻转后的异形坯料通过输送辊进入万能轧机机组进行轧制；

步骤16、对轧制后的轨道钢进行矫直、检验等相关后续操作，最终获取轨道钢成品。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施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。