CN102284503B - 百米钢轨残余应力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种百米钢轨残余应力控制方法，属于百米钢轨预弯变形控制、复合矫直变形控制工艺等领域。本发明采用万能轧制、轧后冷却，复合矫直方法，对轧后冷却过程中的百米钢轨采用大弧度预弯，使钢轨冷却至室温时的弦高控制在30～40mm范围内。结合优化的8+1多辊矫直机矫直变形规程，结合矫前弯曲度的控制，本发明有效地控制了百米钢轨矫直后的轨底残余应力，轨底残余应力值平均降低了70MPa，残余应力值全部≤250MPa，提高了钢轨平直度，使高速钢轨合格率提高，满足了百米高速钢轨的标准要求。

Description

百米钢轨残余应力控制方法
技术领域
本发明专利涉及一种百米钢轨残余应力控制方法，属于预弯变形控制、复合矫直变形控制工艺等领域。
背景技术
目前百米钢轨生产步骤通常采用：万能轧制、轧后冷却，复合矫直，百米钢轨轧后冷却过程由于横截面不同部位的冷却速度不同，导致了其收缩变形量以及产生相变膨胀的时间不同，使得钢轨在冷却过程中出现向轨头方向和轨底方向的反复弯曲现象，最终使钢轨冷却后具有明显的弯曲变形和残余应力，弯曲挠度已超出传统冷床的尺寸，这不仅使钢轨无法进入矫直机，而且大大也增加了矫直后钢轨的残余应力，大大降低了钢轨的使用寿命。试验结果表明：钢轨矫前弯曲度直接影响矫后的平直度，在同等变形条件下，一方面，矫前弯曲度越大，矫后的平直度越差；另一方面，矫前弯曲度越大，反弯变形量越大，矫直力越大，能耗也大，钢轨断面尺寸畸变越大；残余应力越大；此外，矫前弯曲度波动大，则矫直工况稳定性差；反之，矫前弯曲度波动小，矫直过程稳定性好，矫直效果好。
传统的钢轨冷床本身已不能满足百米钢轨的工艺需要，面临淘汰。传统的钢轨冷床采用拉钢式冷床，直流电机拖动系统，人工手动操作，钢轨头尾难以实现同步，易对钢轨造成划伤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种百米钢轨平直度高，残余应力小，有效地保证百米钢轨生产线的高效运行的百米钢轨残余应力控制方法。
技术解决方案：
本发明采用万能轧制、轧后冷却，复合矫直方法，对轧后冷却过程中的百米钢轨采用大弧度预弯，预弯时，以百米钢轨轨底温度780～850℃，轨头温度为850～930℃为现场条件，弯曲开始位置分别在距离钢轨两端Z＝15m-35m，弯曲后钢轨的形状为中间平直，两端为曲线，中间平直段与两端点连成的弦的距离为L1＝1.8m-2.8m，建立百米钢轨预弯控制模型。
依据百米钢轨的几何模型，通过模拟计算结果分析，将百米钢轨的预弯量拟合成如下关于百米钢轨长度的函数：
f(z)＝2.28648-0.24818×z+0.00855×z2-0.0009×z3(0≤Z≤35)
式中Z-百米钢轨弯曲开始位置分别在距离百米钢轨两端的距离
通过百米钢轨长度的函数，实施钢轨预弯控制模型，使钢轨冷却至室温时的弦高控制在30～40mm范围内。
本发明所述的复合矫直方法：
R2(21.0～18.5mm)--R4(12.5～14.6mm)--R6(4.6～6.5mm)--R8(5.0～6.0mm)，
百米钢轨矫直后残余应力控制在70～120MPa以内，R为1～8个矫直辊，百米钢轨矫直后残余应力控制在70～120MPa以内。
为了解决百米钢轨冷却后产生的弯曲变形和矫直后残余应力的两项技术难题，本发明对传统的钢轨冷床增加了预弯功能，在冷却前按照平直钢轨终冷曲线对钢轨预先进行一个与自然冷却后弯曲方向相反的等值反向弯曲，随着冷却的进行，所施加的预弯曲能“补偿”钢轨冷却过程形成的应力弯曲，最终达到改善百米钢轨平直度的目的，为矫直工艺矫后残余应力控制提供了技术保证。
百米钢轨轧后冷床除冷却功能外，还增加了预弯功能。一方面冷床采用更为先进的电气自动化控制系统，配合预弯控制技术；另一方面配合矫直变形工艺，提高了平直度，降低了残余应力，这种新型预弯控制冷床，结合矫直工艺的技术集成有效地保证了百米钢轨生产线的高效运行。
本发明专利通过对钢轨冷却过程的弯曲变形的计算，采用大弧度预弯优化工艺参数，使钢轨弦高控制在30～40mm范围内，有效控制了钢轨冷却过程的平直度。解决了百米钢轨尾部预弯过度的缺点，结合优化的8+1多辊矫直机矫直变形规程，结合矫前弯曲度的控制，有效地控制了钢轨矫直后的轨底残余应力，与旧矫直规程相比，轨底残余应力值平均降低了70MPa，残余应力值全部≤250MPa，提高了钢轨端头平直度，使高速钢轨合格率提高，满足高速钢轨的标准要求，同时提高了钢轨矫后的平直度。
附图说明
图1为本发明百米钢轨冷床横移过程示意图；
图2为本发明百米钢轨冷却模型图；
图3为本发明百米钢轨关键点1-5的温度随时间变化曲线图；
图4百米钢轨断面关键点示意图；
图5为本发明百米钢轨冷却过程的挠度变化曲线图；
图6为本发明百米钢轨预弯控制模型参考曲线图；
图7为本发明百米钢轨预弯曲线和终冷曲线图。
具体实施方式
采用大弧度预弯优化工艺参数，百米钢轨轧后送至冷床上如图1所示，在钢轨的实际生产中，由于钢锭的炉号不同，轧制节奏不同等因素，钢轨上冷床的温度也不大相同，本发明百米钢轨的轨底温度780～850℃，轨头的温度为850～930℃为现场条件，现场数据和现场冷却效果照片如图6。本发明横移过程分为两个阶段：平移和预弯。平移时每个横移小车等速同起同停，将百米钢轨从入口辊道左侧向右侧平推，将百米钢轨在热态下推直，并且矫正起始点。百米钢轨平移800-900mm成直线后横移小车抬起钢轨然后打弯，弯曲开始位置分别在距离钢轨两端Z＝15m-35m 17-20mm，弯曲后百米钢轨的形状为中间平直，两端为曲线。中间平直段与两端点连成的弦的距离为L1＝1.8m-2.8m。预弯控制模型参考曲线如图4-5所示，预弯后的百米钢轨落在冷床的固定梁上，然后预弯小车下降返回。通过活动梁的动作将百米钢轨移送到了冷床出口，最后运送至矫直机进行矫直。
依据百米钢轨的几何模型，通过模拟计算结果分析，将百米钢轨的预弯量拟合成如下关于百米钢轨长度的函数：
f(z)＝2.28648-0.24818×z+0.00855×z2-0.0009×z3(0≤Z≤35)
式中Z-百米钢轨弯曲开始位置分别在距离百米钢轨两端的距离
通过百米钢轨长度的函数如图6所示，，实施钢轨预弯控制模型。
通过实施百米钢轨预弯控制模型，使百米钢轨冷却后弯曲的弦高能控制在30-40mm，图7所示，为矫直后残余应力的控制奠定了工艺基础，结合优化的矫直工艺(21.0～18.5mm--12.5～14.6mm--4.6～6.5mm--5.0～6.0mm)，钢轨矫直后残余应力控制在70-120MPa以内。
预弯控制主要有：一是依据钢轨预弯参考曲线作为控制模型实施预弯；二是预弯后钢轨通过活动梁移送时，各活动梁均保持同步，避免在移送过程中因不同步而造成钢轨发生形变。预弯参考曲线是根据百米钢轨在空气中自然冷却且考虑钢轨冷却过程中与冷床的摩擦情况下，按平直钢轨终冷时的弯曲变形等值反向弯曲，终冷时钢轨残余弯曲变形保持水平。预弯参考曲线对应各个小车位置的行程参数值可通过计算机写入数据库中的相应变量。这些变量的值经过在计算机的操作人员的适当调整后。
实际预弯过程中，百米钢轨两端Z尺寸范围内弧度变化较大，即两端约有8台左右的小车参与预弯，中间为平值段。在实际的生产当中，由于百米钢轨的对称性，所以两边的对应点行程相同。预弯要求每台预弯小车按照各自的行程行走。

Claims (1)

1.百米钢轨残余应力控制方法，其特征在于，该百米钢轨残余应力控制方法先后采用万能轧制、轧后冷却以及复合矫直方法；
其中，对轧后冷却过程中的百米钢轨采用大弧度预弯；
所述大弧度预弯时，以百米钢轨轨底温度850℃及轨头温度为850～930℃为现场条件，弯曲开始位置分别在距百米钢轨两端距离Z＝15m-35m处，弯曲后百米钢轨的形状为中间平直且两端为曲线状，中间平直段与两端点连成的弦的距离为L1＝1.8m-2.8m，将钢轨预弯参考曲线作为百米钢轨预弯控制模型，所述钢轨预弯参考曲线是根据钢轨在空气中自然冷却且考虑钢轨冷却过程中与冷床的摩擦情况下，按平直钢轨终冷时的弯曲变形等值反向弯曲，终冷时钢轨残余弯曲变形保持水平；
依据钢轨的几何模型，通过模拟计算结果分析将百米钢轨的预弯量拟合成关于钢轨长度的函数：
f(Z)＝2.28648-0.24818×Z+0.00855×Z2-0.0009×Z3 (15≤Z≤35)
通过该函数，实施所述百米钢轨预弯控制模型，来进行百米钢轨预弯控制，使百米钢轨冷却至室温时的弦高控制在30～40mm范围内；
预弯后，百米钢轨通过活动梁移送，并使各活动梁保持同步，以避免移送过程中因各活动梁不同步而造成钢轨形变；
所述的复合矫直方法采用8+1多辊矫直机的矫直工艺18.5mm--(12.5～14.6)mm--6.5mm--(5.0～6.0)mm，百米钢轨矫直后残余应力控制在70～120MPa以内。
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