CN103131826A - 一种钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

一种钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置，属于钢铁冶金技术领域。本实验装置是由下列结构组成的：拉瓦尔型扁缝式喷嘴系统、钢轨导向系统、机架系统、阀门系统、压缩空气管道系统、辊道系统、检测仪表系统、钢轨加热炉系统等。利用冶轧中试实验创新平台的风、水、加热炉、辊道条件，设计、制造一种“钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置”，开发“钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验方法”，进行重轨全长在线淬火模拟实验研究，实验方法简便、可靠，可大副度缩短重轨全长在线淬火工艺研究周期，降低工艺研究成本，是目前实验室模拟实验研究的可行办法，可为重轨在线淬火生产线提供工艺技术支持。

Description

一种钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置

一、所属技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置。

二、背景技术

我国是世界钢产量第一的钢铁大国，但钢材品种、质量与国外先进水平相比还有相当大的差距，仍有相当数量的钢材需要进口。

现代化钢材生产实现了大型化、连续化、自动化。这种大规模现代化的钢材生产过程，对炼钢、轧钢等的技术、工艺、装备、产品的实验研究工作提出了严格的要求。

为此，需要建设并依托一个小规模的冶轧中试实验创新平台进行新产品研发，以小试样，在严格控制的实验条件下，进行模拟工业条件的冶轧中试实验。

冶轧中试实验创新平台，主要由炼钢、轧钢、后处理等部分构成，是多功能、组合型的中试实验研究设备，模拟和再现现代化冶炼、轧制及深加工过程，超越现有轧制过程的中试研究平台，为“板、管、轨、线”钢材新产品开发模拟轧制板状试样，保证轧制技术、装备和产品研发实验结果的可控性和可靠性。

围绕不同新产品的成分、质量和性能特点，进行相应冶炼、热轧、冷轧、热处理及深加工工艺的中间试验研究，具有生产过程模拟、新产品开发、新工艺和新技术开发、工艺优化等功能。

冶轧中试实验创新平台对钢铁企业生产流程优化、产品升级和市场竞争力提高起着重要的基础性支撑作用，因此，目前国内外许多钢铁企业已在大力推动冶轧中试实验创新平台建设。

随着我国经济的快速发展，我国铁路的运力和运行速度的大幅度提高，对重轨性能的要求也更加苛刻。无论是欧洲的传统型还是城市型铁路，都要求重轨具有更高的硬度以保证耐磨性。由于重轨硬度的提高，重轨的脆性、韧性以及洁净度等问题又重新突显，重轨在冷却不均匀的情况下，其内部的温度场变化情况不仅直接影响相变，而且对内应力也产生很大的影响。

随着干线铁路列车运行速度的不断提高，列车轮毂对钢轨轨端的冲击力越来越大，冲击频率越来越高。因此，列车的运行安全对钢轨热处理后的性能不仅要求其有足够的耐疲劳强度，同时还要求其有更好的抗压、耐磨和抗冲击性能。为了生产出满足这些要求的钢轨，铁路部门要求热处理钢轨进行在线淬火，各钢轨厂需要对钢轨离线热处理工艺加以改进。

随着铁路运输向着重载、高速、大运量发展，进而对铁路上的重要部件-钢轨，提出了极高的要求：即钢轨的重型化、强韧化和材质洁净化。其中，特别是提高钢轨材质，实现钢轨强韧化极为必要，而对钢轨进行全长在线淬火热处理是实现强韧化最经济、最有效的措施。

钢轨在线淬火具有形变强化和热处理强化的双重作用，能使钢轨的强度和韧性同时得到提高，从而获得良好的综合力学性能，显著节约工时和能耗。

随着我国铁路运输事业的发展，提速、快速客运和重载线路的营运里程逐年快速增长，列车运行速度快、密度大、轴重高这些特点使得服役钢轨在快速直线地段出现交替侧磨、波磨和斜裂纹等缺陷，在重载曲线地段出现严重侧磨、压溃、斜裂纹、剥离掉块甚至断轨等伤损缺陷，不同线路上的钢轨表现出了不同的伤损特点。

20世纪六十年代初开始实施的钢轨全长热处理工艺虽然可以使钢轨使用寿命提高1倍以上，但由于离线热处理方式消耗能源高，生产率低，成本高，不能与轧机同步大规模生产。

钢轨在线余热欠速淬火热处理是20世纪八十年代发展起来的一种新工艺，是利用钢轨轧后余热直接进行在线热处理。采用这种工艺，钢轨不再重新加热，节约能源，简化工序，产量大，成本低，生产周期短。钢水真空处理技术的发展和使用使钢轨含氢量降至1.0ppm以下，解除了白点对钢质的危害后简化了缓冷工序，为钢轨在线热处理创造了必要的条件。

在线余热淬火工艺线，存在两方面的技术难点：①喷雾器性能的稳定性，以及喷雾与钢轨变形状态、变形量之间的关系规律，将直接影响作业线的设计；②检测及执行机构的闭环控制软件及其响应速度的研究、设计及相应的关键部件、设备的选型。

随着国家对铁路钢轨有关标准的不断修订，对钢轨的生产工艺、使用条件及性能特点提出了越来越高的要求。

为了满足铁路运输的高速化，高轴重化和高货运密度的需要，除了使用大端面钢轨以外，要求钢轨具有更高的强韧性，即要求更高的耐磨性，抗压馈性和抗脆断性。提高钢材的强韧性有两条途径；实行合金化和热处理。我国目前主要采用热处理，即全长淬火和钢轨端部淬火的途径。端部淬火钢轨因经济实用长期占有较大的使用份额，被广泛使用在矿山及专用线路上，为此钢轨在端部热处理工艺方面的控制，是钢轨满足高强韧性保证。

钢轨的加热、冷却设备和工艺是钢轨淬火的关键环节，采用电感应加热淬火的加热过程比较容易控制，但是冷却过程相对难一些。随着TB/T2344-2012新标准的实施，对钢轨下鄂提出了新的要求，用风量进一步加大，企业生产成本进一步提高，如何在保证产品质量的前提下，合理地使用压缩空气的流量以及怎样有效地控制流速，达到节能降耗的目的，成为一个新课题。

钢轨轨端热处理工艺分为两种，它们是；淬火-回火工艺(又称Q-T工艺)和欠速淬火工艺(又称S-Q工艺)。但因欠速淬火工艺，钢轨淬火占线时间长、噪音大、耗能高和工艺设备技术不成熟等原因，没有被广泛用于工业化大批量性生产，目前我国在钢轨端部热处理工艺方面，仍然普遍采用的是感应加热与水雾冷却的淬火工艺。

重轨的淬火过程是个相当复杂的过程，一般有水冷、雾冷、风冷三种方式。

水冷淬火的钢轨踏面硬度不均匀，硬化区硬度呈急剧变化的问题。稳定硬化区内由钢轨表面向内部硬度分布呈跳跃状，即中间区的硬度高；过渡区的硬度分布也存在类似问题，这导致钢轨在使用过程中轨头表层金属易整体剥落。

由于雾的冷却能力受诸如风水比、喷水嘴结构等多种因素影响而呈现出处理效果非常不稳定，易产生热处理缺陷，因此水雾也不是理想的淬火冷却介质。

经过长期的研究和实践，人们已认识到S-Q欠速淬火工艺的稳定性，它是将奥氏体状态的钢轨直接淬成微细珠光体组织，淬火层的硬度易控制自表向里均匀下降，不易产生淬火缺陷。但因钢轨淬火占线时间长，作业效率低，配套改造费用较高，转型困难，一直未被采用于工业化大批量的生产。

采用水雾介质具有较大的冷却速度和淬透性，优于传统的水介质，避免水介质淬火时，因淬火表面形成水雾膜所影响淬透层深度及温度梯度的问题。

采用合理的冷却装置是保证得到标准所要求的硬化层形状、深度、组织硬度及硬度的均匀过渡的基础。

雾冷的缺点是导热性能不稳定和热能挥发出现紊流现象。

风冷具有温度和湿度常常变化不定的特点，因为鼓风冷却速度波动范围较小，对重轨表面状态不敏感，大为影响因素少，可以保证淬火重轨的质量。目前国际上已普遍采用风冷淬火技术，国内的大部分淬火生产线也已改建为风冷淬火线。经过改造后，风冷淬火热处理质量大大地提高。

重轨喷风淬火热处理的特点：

(1)产生的残余应力较小，从而避免了钢轨的变形和开裂；

(2)可避免贝氏体组织的产生；

(3)直接在钢轨表层得到细片状珠光体，其力学性能、抗疲劳性能、耐磨性能均比雾淬工艺要好而稳定。

三、发明内容

本发明的目的是针对在线热处理钢轨的新标准，提供一种钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置。

本发明所述的钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置，是由下列结构组成的：拉瓦尔型喷嘴系统、钢轨导向系统、机架系统、阀门系统、压缩空气管道系统、辊道系统、检测仪表系统、钢轨加热炉系统。

拉瓦尔型扁缝式喷嘴，喷风冷却气流均匀、平直而且稳定，具有气流速度高、冷却速度快、冷却效率较高、节约风耗的特点。

采用三个方位分别于轨头踏面顶端、轨头两侧各布置一排喷风嘴，其轨头上喷嘴、左侧喷嘴、右侧喷嘴处于不同的垂直平面内，呈相对交错排列方式设计布置，因此轨头、轨腰、轨底的各排喷嘴之间冷却气流相互干扰影响较小，同排喷嘴之间冷却气流相互干扰影响也较小，从而使钢轨轨头、轨腰、轨底的整体冷却均匀一致。

所述的拉瓦尔型扁缝式喷嘴，其轨头上喷嘴、左侧喷嘴、右侧喷嘴的排列分别与轨头同一侧面同一方向呈30-75°夹角。

轨头上喷嘴的顶面与轨头踏面的间隙，轨头左侧喷嘴、右侧喷嘴的顶面与轨头侧面的间隙均可调，间隙调整范围为0.5mm～30mm，轨腰侧面导向轮的相对排列位置亦可调。

每排喷嘴长度1m～2m，每排设计10～30个喷嘴。

当一束风流射向钢轨表面时，其中大部分气流直达表面后，发生弯曲且与表面平行流动。直达气流的空气分子碰到炽热的钢轨表面时将热量以传导的方式带走，故冷却效率较高，而与钢轨表面平行流动的气流只能按照边界层理论与接近钢轨表面的低速流动气体作对流换热，通过边界层再冷却钢轨，冷却效率就较低。

要提高冷却速率，就要突破边界层，加大直达表面的气流量，由此需要提高喷出气流的速度，使其达到超音速流，要使压缩空气喷出速度达到超音速就必须使用拉瓦尔喷嘴，拉瓦尔喷嘴不论对于喷风板方式还是对于喷风管方式，都具有重要的现实意义。

设计风速较高的孔型及减少风板距轨面的距离都能提高冷却速度，可以通过控制风压和改变风板至轨面的距离来调节不同种类钢轨淬火时的冷却速度，以达到钢轨淬火的硬度要求。

采取有效的控制方法是在淬火机架上安装轨形限位辊和导向轮，保证钢轨正确进人淬火机中进行喷风冷却。

较准确地模拟出钢轨淬火过程中的温度变化规律，通过不断调整淬火热处理参数和优化模型，最终获得最佳工艺参数。因此温度场的模拟是一种科学、高效、经济的手段，为后续钢轨矫直过程的分析奠定了基础，并对钢轨淬火工艺的制定具有重要的价值和指导意义

由于本发明采用了上述技术方案，钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置有以下优点和效果：

可广泛应用于重轨全长在线淬火工艺的实验室模拟研究，为重轨在线淬火生产线提供工艺技术支持；

由于采用拉瓦尔型扁缝式喷嘴，喷风冷却气流分布均匀、平直而且稳定，气流速度高，冷却速度快、冷却效率较高，节约风耗；

由于轨头上喷嘴、左侧喷嘴、右侧喷嘴处于不同的垂直平面内，呈相对交错排列位置，对轨腰、轨底产生一定的冷却作用，使轨头、轨腰、轨底的冷却均匀一致，从而钢轨变形较小，提高了钢轨平直度；

由于轨头上喷嘴、左侧喷嘴、右侧喷嘴的顶面与轨头踏面、侧面的间隙可调，导向轮的相对排列位置也可调，可广泛适用于各种轨型。

本发明设计独特、结构合理，简便实用、制造成本低廉，使用中节约能源，工艺科学，钢轨硬度分布均匀，质量稳定可靠，可大幅度缩短重轨全长在线淬火工艺研究周期，降低工艺研究成本，是目前切实可行的实验室模拟实验研究方法。

四、附图说明：

图1为钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置结构示意图。

图2为轨头右侧面喷嘴排(储气箱)的喷嘴分布示意图。

图3为拉瓦尔型扁缝式喷嘴结构示意图

图中：1压缩空气管道、2轨头左侧面喷嘴、3轨头左侧面喷嘴排(储气箱)、4轨头左侧喷嘴与轨头左侧面的间隙、5轨腰左侧面导向轮、6钢轨、7轨头踏面喷嘴排(储气箱)、8轨头踏面喷嘴、9轨头踏面喷嘴与轨头踏面的间隙、10轨头右侧面喷嘴、11轨头右侧面喷嘴排(储气箱)、12轨头右侧喷嘴与轨头右侧面的间隙、13轨腰右侧面导向轮、14辊道；A稳定段、B收缩段、C喉部、D扩张段、E低速段、F中速段、G高速段；da、db、dc分别为拉瓦尔型扁缝式喷嘴的稳定段宽度、喉部宽度和出口宽度；Lw、Ls、Lh、Lk分别为拉瓦尔型扁缝式喷嘴的稳定段、收缩段、喉部、扩张段长度；β、γ分别为拉瓦尔型扁缝式喷嘴的收缩段、扩张段角度。

五、具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步描述。

实施例1：

为采用喷风冷却工艺，设计了新型冷却装置，即本发明所述的一种钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置(见图1)，其由下列结构组成：喷嘴系统、钢轨导向装置、机架、阀门、压缩空气管道、检测仪表、加热炉等。

机架(图中未标示)为槽钢焊接而成的钢结构，喷嘴系统(3个组合部件)、钢轨导向装置(3个组合部件)均作为独立的组合部件固定在机架上。压缩空气通过实验室压缩空气管道与3个喷嘴系统的压缩空气管道连接。

风源：钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置的风源采用工业压缩空气管道或3～5m³/min的空压机3台。

喷嘴系统包括压缩空气管道1、轨头踏面喷嘴排(储气箱)7、轨头踏面喷嘴8、轨头左侧面喷嘴2、轨头左侧面喷嘴排(储气箱)3、轨头右侧面喷嘴10、轨头右侧面喷嘴排(储气箱)11；分为轨头踏面、轨头左侧面、轨头右侧面的3个独立组合部件，固定在机架上。每个独立组合部件(喷嘴排)作为一个整体，通过微量调整喷嘴排3、7、11的位置来控制喷嘴2、8、10与轨头踏面或侧面的间隙4、9、12，以及适应不同的轨型。

喷嘴2为拉瓦尔型扁缝式喷嘴；喷嘴2与轨头侧面的角度可调范围为0°30°，每排20个喷嘴均布，3排喷嘴总计60个。

钢轨导向装置包括轨腰左侧面导向轮5、轨腰右侧面导向轮13；分为轨腰左侧面导向、轨腰右侧面导向2个独立组合部件，固定在机架上。每个独立组合部件(侧面导向轮)作为一个整体，通过微量调整导向轮5、13的位置来稳定控制钢轨6在辊道8上的位置，便于保证喷嘴2、8、10与轨头踏面或侧面的间隙4、9、12稳定控制，以适应不同的轨型。

钢轨导向系统：在实验钢轨6轨腰左、右侧设导向轮5、13，用于限制并确定钢轨6的行进方向，导向轮5、13与轨腰的间隙可调0mm～25mm；

冷却装置的机架(图中未标示)：用于安装支撑喷嘴排3、7、11、导向轮5、13、压缩空气管道1等；冷却装置安装设置的阀门(图中未标示)，用于调节控制压缩空气管道1的流量和压力；

压缩空气管道1包括均压器(图中未标示)，用于输送压缩空气，风压0.4MPa～2MPa；辊道14用于运输、支撑钢轨6，其运行速度可调，为0m/s～2m/s；

检测仪表(图中未标示)主要是压力表、流量表等，用于监测风压、风速及压缩空气流量；

钢轨加热炉(图中未标示)用于加热实验钢轨6，其加热钢轨6的最大长度为1.5m。

在充分考虑各种规格钢轨6轨头尺寸的情况下，新型冷却装置采用三个方位喷风嘴，一排喷风嘴布置于轨头踏面顶端、轨头两侧各布置一排喷风嘴并且对准轨头侧面，三排喷风嘴处于不同的垂直平面内，呈相对交错排列(如图1所示)。由于轨头踏面喷嘴8、左侧喷嘴2、右侧喷嘴10的这种相对排列位置设计，使轨头、轨腰、轨底的各排喷嘴之间的冷却气流相互干扰的影响较小，同排喷嘴之间的冷却气流相互干扰的影响也较小，从而使钢轨6轨头、轨腰、轨底的整体冷却均匀一致。每个喷风嘴2的间距也足够小，以保证从冷却装置各个方向喷出的冷却风流量相等。外接风源通过均压器(图中未标示)过渡，将足够流量的压缩空气均匀分配给冷却装置各个部位的喷风嘴2。

实验时，将加热好的实验钢轨6从加热炉取出，放在辊道14上，在导向轮5、13的导引下进入喷风淬火热处理模拟实验装置中，同时，打开阀门，将通过压缩空气管道1等输送进入储气罐3、7、11中的压缩空气均匀分配给踏面喷嘴8、左侧喷嘴2、右侧喷嘴10，同时向钢轨6的轨头踏面和轨头两侧喷吹压力为0.2～2MPa的高压风，对轨头进行喷风淬火热处理，并做好压缩空气的流量、压力及钢轨6的运行速度等记录。通过实验，找出钢轨6喷风淬火热处理的最佳工艺参数。

Claims (3)

1.一种钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置，其特征在于所述钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置包括下列结构部分：喷嘴、钢轨导向装置、机架、阀门、压缩空气管道、辊道、检测仪表、钢轨加热炉；轨头上喷嘴、左侧喷嘴、右侧喷嘴的位置呈相对交错排列的方式设计；轨头左侧喷嘴、右侧喷嘴分别与轨头同一侧面同一方向呈30-75°夹角；轨头上喷嘴与轨头踏面，轨头左侧喷嘴、右侧喷嘴与轨头侧面的间隙均可调；导向轮与轨腰的相对排列位置亦可调。

2.根据权利要求1所述的钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置，其特征在于喷嘴采用拉瓦尔型扁缝式喷嘴；轨头踏面、轨头左侧及右侧各设计安装一排间隔均匀布置的喷嘴，每排喷嘴长度为1m～2m，可设计安装喷嘴10～30个。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨在线喷风淬火热处理模拟实验装置，其特征在于喷嘴与轨头踏面、轨头侧面的间隙调整范围为0.5mm～30mm。

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