CN103614527A - 一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法 - Google Patents

Abstract

一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法：采用步进式加热炉加热，并控制各段空燃比；重轨轨头部分的脱碳层深度确定公式：；加热工艺按以下步骤及方式进行：在开始加热的10～15分钟内，加热到140～150℃；在18～23分钟的加热时间内加热到440～450℃；在3～7分钟的加热时间内加热到580～620℃；在6～10分钟的加热时间内加热到950～1000℃；在20-25分钟的加热时间内加热到不低于1200℃。本发明能使重轨踏面脱碳层深度小于0.2mm，且工艺易于控制，导致合格率提高及列车行车安全性增强。

Description

一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法

技术领域

本发明涉及一种钢轨的轧制方法，具体地属于一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法。 

背景技术

由于重轨钢含碳量高，钢坯加热过程氧化、脱碳较严重。钢轨脱碳将使其性能降低 ，如机械性能下降、硬度降低、耐磨性差和疲劳强度降低等。钢轨踏面脱碳层厚薄直接影响火车行车安全，钢轨踏面脱碳后，其与列车车轮接触面就变得非常软，一是会使的钢轨变得不耐磨，二是会使钢轨表面变得不平滑,这对要求平顺性高的客运专线或高速铁路尤为重要。因此要求钢轨踏面脱碳层要尽可能的薄（标准要求≤0.5mm）。 

以前大部分厂家都使用推钢式加热炉，而现在大部分都采用计算机控制的步进梁式加热炉，与推钢式加热炉相比较，步进梁式加热炉操作灵活，能够控制钢坯在加热炉内不同位置处的加热时间，对产量波动、品种规格变化以及因换辊检修或临时事故所造成的停轧待轧等具有更大的适应性，同时钢坯在加热炉内多面受热 (三面或四面受热)，可缩短加热时间 50％，能够实现快速加热，对加热易脱碳钢是十分有利的。但是在实际生产中仅仅改变加热方式仍然免不了脱碳层超标或接近标准上限。 

为了尽量降低钢轨踏面脱碳层厚度，国内外都进行较深入的研究。 

经检索：由周清跃、张银花等人在（中国铁道科学、2003年第六期）撰写的“国产PD3钢轨与进口钢轨材质性能的对比研究”指出：国外生产重轨时在严格控制加热时间和温度的情况下，采取在加热的钢坯上涂抹防脱碳的油漆，脱碳层大部分控制在0.1mm以内，少数情况达到0.20～0.30mm。此种方法缺点一是增加生产成本，二是所涂抹油漆在生产过程中燃烧污染环境。 

由陈永、孙浩等在（钢铁.2002(9)-52-22）撰写的“重轨钢坯加热工艺优化研究”以及由陈永、梅东生在（中国金属学会第一届青年学术年会,0021001-486-490）撰写的“攀钢高速铁路钢轨钢加热技术及效果”指出：通过优化钢坯的加热工艺、完善加热炉热工制度，使得钢坯加热温度波动由原来的±40℃减至±20℃，断面温差由65℃减至45℃以内，使得重轨脱碳层深度由0.35～0.82mm降至0.20～0.50mm。此方法缺点是工艺控制难度极大，脱碳层厚度存在超标风险。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种能使重轨踏面脱碳层深度小于0.2mm，从而提高合格率及列车行车安全性的能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法。 

实现上述目的的措施： 

一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法：

采用步进式加热炉进行加热，并控制：加热一段的空燃比在1.1~1.7，二段的空燃比在0.75~1.05，均热段的空燃比在0.55~0.74；

重轨轨头部分的脱碳层深度按照以下公式确定：

  

式中：d—重轨轨头部分的脱碳层深度，单位：mm；

D—钢坯的脱碳层深度，单位：mm；

h—重轨的高度，单位：mm；

H—钢坯的高度，单位：mm；

λ—由坯料到轧制成件的延伸系数，其与钢轨断面尺寸有关；

η—比例常数，根据实测数据进行回归处理，取值为6.225；

加热工艺按以下步骤及方式进行：

1）在开始加热的10~15分钟内，在加热速率为8~13℃/分钟下加热到140~150℃，并在此温度下保温2~6分钟；

2）在加热速率为13~18℃/分钟下，在18~23分钟的加热时间内加热到440~450℃，并在此温度下保温1~5分钟；

3）在加热速率为30~70℃/分钟下，在3~7分钟的加热时间内加热到580~620℃，并在此温度下保温1~5分钟；

4）在加热速率为60~100℃/分钟下，在6~10分钟的加热时间内加热到950~1000℃，并在此温度下保温20~25分钟；

5）在加热速率为10~15℃/分钟下，在20-25分钟的加热时间内加热到不低于1200℃。

本发明中主要工序的作用 

之所以在步进式加热炉中，控制：加热一段的空燃比在1.1~1.7，二段的空燃比在0.75~1.05，均热段的空燃比在0.55~0.74，是因为钢坯脱碳是在炉子里的氧化性气氛中，铁氧化物生成并且扩散的结果。在FeO一Fe界面上，C与FeO反应形成CO，反应式为：C+FeO=Fe+CO，从反应式可以看出，只有保证炉内为还原性气氛，即CO的浓度增高、O₂的浓度降低，才能抑制化学方程式向右进行，钢坯的脱碳现象才会随之减少。因此在高温段，炉内应尽量保持还原性气氛，这有利于阻止钢坯进一步的脱碳。

在采用加热速率为60～100℃/m下，并在6-10分钟的加热时间内，加热温度由600℃迅速加热到950-1000℃，是因为会使钢坯表面在较短的时间内形成一层致密的氧化物薄膜，从而大大减缓在均热段的氧化速度，进而降低脱碳层深度；所生成的致密的氧化物薄膜把钢坯和炉气分隔开，钢坯表面几乎不脱碳，脱碳反应消耗1摩尔的氧气，形成2摩尔的CO，随着反应的进行，钢基与氧化层之间狭小空间内CO浓度越来越高，压力亦增大，同时，此阶段为中性或弱氧化性气氛，空燃比较低，CO本身浓度较高，再加上产生的CO，CO浓度升高和逐渐增大的压力均促使脱碳反应按逆反应方向进行，从而有效降低脱碳氧化。 

通过大量的理论研究和实践经验表明，轧制过程中轧件的脱碳层深度的变化程度与其形变率成正比，故对其重轨踏面的变形率因予以控制；尤其对于重轨轨头部分的脱碳层深度，控制其脱碳层的深度尤为重要，故采用以下数学模型予以指导及控制： 

。

本发明与现有技术相比，能使重轨踏面脱碳层深度小于0.2mm，且工艺易于控制，导致合格率提高及列车行车安全性增强。 

附图说明

图1为本发明的重轨踏面金相组织图； 

图2为本发明的重轨两侧面金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述： 

以下各实施例均以60kg/m为例。 

实施例1 

一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法：

采用步进式加热炉进行加热，并控制：加热一段的空燃比在1.1，二段的空燃比在0.95，均热段的空燃比在0.74；

重轨轨头部分的脱碳层深度按照以下公式确定：将D为0.8mm，h为176.2mm，H为380mm，λ为13.29，η为6.225分别代入以下公式

=0.174mm

加热工艺按以下步骤及方式进行： 

1）在开始加热的15分钟时，在加热速率为8℃/分钟下加热到140℃，并在此温度下保温2分钟；

2）在加热速率为18℃/分钟下，在加热18分钟时加热到440℃，并在此温度下保温1分钟；

3）在加热速率为30℃/分钟下，在加热7分钟时加热到600℃，并在此温度下保温1分钟；

4）在加热速率为60℃/分钟下，在加热10分钟时加热到950℃，并在此温度下保温20分钟；

5）在加热速率为10℃/分钟下，在加热25分钟时加热到1200℃。

实际脱碳层深度与公式计算相符合。 

实施例2 

一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法：

采用步进式加热炉进行加热，并控制：加热一段的空燃比在1.3，二段的空燃比在1.05，均热段的空燃比在0.62；

重轨轨头部分的脱碳层深度按照以下公式确定：将D为0.82mm，h为175.8mm，H为381mm，λ为13.45，η为6.225分别代入以下公式

=0.175mm

加热工艺按以下步骤及方式进行：：

1）在开始加热的11分钟时，在加热速率为9℃/分钟下加热到149℃，并在此温度下保温3分钟；

2）在加热速率为15℃/分钟下，在加热19分钟时加热到448℃，并在此温度下保温2分钟；

3）在加热速率为32℃/分钟下，在加热4分钟时加热到610℃，并在此温度下保温2分钟；

4）在加热速率为68℃/分钟下，在加热7分钟时加热到980℃，并在此温度下保温21分钟；

5）在加热速率为11℃/分钟下，在加热21分钟时加热到1205℃。

实际脱碳层深度与公式计算相符合。 

实施例3 

一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法：

采用步进式加热炉进行加热，并控制：加热一段的空燃比在1.4，二段的空燃比在0.75，均热段的空燃比在0.68；

重轨轨头部分的脱碳层深度脱碳层的深度按照以下公式确定：将D为0.85mm，h为176.4mm，H为383mm，λ为13.35，η为6.225分别代入以下公式

=0.183mm

加热工艺按以下步骤及方式进行： 

1）在开始加热的12分钟时，在加热速率为10℃/分钟下加热到150℃，并在此温度下保温4分钟；

2）在加热速率为15℃/分钟下，在加热20分钟时加热到450℃，并在此温度下保温3分钟；

3）在加热速率为45℃/分钟下，在加热5分钟时加热到620℃，并在此温度下保温3分钟；

4）在加热速率为85℃/分钟下，在加热8分钟时加热到1000℃，并在此温度下保温22分钟；

5）在加热速率为12℃/分钟下，在加热22分钟时加热到1210℃。

实际脱碳层深度与公式计算相符合。 

实施例4 

一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法：

采用步进式加热炉进行加热，并控制：加热一段的空燃比在1.6，二段的空燃比在0.95，均热段的空燃比在0.55；

重轨轨头部分的脱碳层深度脱碳层的深度按照以下公式确定：将D为0.78mm，h为175.6mm，H为382mm，λ为13.48，η为6.225分别代入以下公式

=0.165mm

加热工艺按以下步骤及方式进行： 

1）在开始加热的13分钟时，在加热速率为11℃/分钟下加热到147℃，并在此温度下保温4分钟；

2）在加热速率为16℃/分钟下，在加热21分钟时加热到445℃，并在此温度下保温4分钟；

3）在加热速率为70℃/分钟下，在加热6分钟时加热到615℃，并在此温度下保温4分钟；

4）在加热速率为100℃/分钟下，在加热6分钟时加热到995℃，并在此温度下保温24分钟；

5）在加热速率为15℃/分钟下，在加热20分钟时加热到1230℃。

实际脱碳层深度与公式计算相符合。 

实施例5 

一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法：

采用步进式加热炉进行加热，并控制：加热一段的空燃比在1.65，二段的空燃比在1.03，均热段的空燃比在0.72；

重轨轨头部分的脱碳层深度脱碳层的深度按照以下公式确定：将D为0.91mm，h为175.9mm，H为384mm，λ为13.47，η为6.225分别代入以下公式

=0.193mm

加热工艺按以下步骤及方式进行： 

1）在开始加热的10分钟时，在加热速率为13℃/分钟下加热到145℃，并在此温度下保温6分钟；

2）在加热速率为13℃/分钟下，在加热23分钟时加热到449℃，并在此温度下保温5分钟；

3）在加热速率为30℃/分钟下，在加热7分钟时加热到585℃，并在此温度下保温5分钟；

4）在加热速率为60℃/分钟下，在加热10分钟时加热到980℃，并在此温度下保温25分钟；

5）在加热速率为10℃/分钟下，在加热25分钟时加热到1220℃。

实际脱碳层深度与公式计算相符合。 

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。 

Claims (1)

1.一种能减少热轧钢轨踏面脱碳深度的方法：

采用步进式加热炉进行加热，并控制：加热一段的空燃比在1.1~1.7，二段的空燃比在0.75~1.05，均热段的空燃比在0.55~0.74；

重轨轨头部分的脱碳层深度按照以下公式确定：

                                                 

式中：d-重轨轨头部分的脱碳层深度，单位：mm；

D-钢坯的脱碳层深度，单位：mm；

h-重轨的高度，单位：mm；

H-钢坯的高度，单位：mm；

λ-由坯料到轧制成件的延伸系数，其与钢轨断面尺寸有关；

η-比例常数，根据实测数据进行回归处理，取值为6.225；

加热工艺按以下步骤及方式进行： 

1）在开始加热的10~15分钟内，在加热速率为8~13℃/分钟下加热到140~150℃，并在此温度下保温2~6分钟；

2）在加热速率为13~18℃/分钟下，在18~23分钟的加热时间内加热到440~450℃，并在此温度下保温1~5分钟；

3）在加热速率为30~70℃/分钟下，在3~7分钟的加热时间内加热到580~620℃，并在此温度下保温1~5分钟；

4）在加热速率为60~100℃/分钟下，在6~10分钟的加热时间内加热到950~1000℃，并在此温度下保温20~25分钟；

5）在加热速率为10~15℃/分钟下，在20~25分钟的加热时间内加热到不低于1200℃。

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