CN106086370A - 一种降低钢轨残余应力的方法以及所得钢轨及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制钢领域，具体地，涉及一种降低钢轨残余应力的方法，以及根据该方法得到的钢轨及其应用。所述降低钢轨残余应力的方法包括将轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位依次进行加速冷却、缓慢冷却和空冷，所述加速冷却的开冷温度为650‑950℃，冷却速度为2‑8℃/s，终冷温度为400‑600℃，所述缓慢冷却的冷却速度为0.1‑1.5℃/s，终冷温度为180‑300℃。本发明的方法能够在保证钢轨的拉伸性能的前提下有效降低钢轨的残余应力，提高平直度。本发明的钢轨特别适用于高速铁路。

Description

一种降低钢轨残余应力的方法以及所得钢轨及其应用
技术领域
本发明涉及制钢领域，具体地，涉及一种降低钢轨残余应力的方法，以及根据该方法得到的钢轨及其应用。
背景技术
随着高速铁路的列车速度的提升，列车运行速率由90年代最高速100kg/h逐渐提升至如今200kg/h、250kg/h、300kg/h以及350km/h。列车速度的提高，以及乘客对列车乘坐舒适度的提高，对钢轨平直度和表面质量提出了更高的要求。现有提高钢轨平直度和表面质量的方法主要集中余钢轨轧制及矫直过程中，但并不能很好的降低钢轨的残余应力，同时较高的矫直力带来的是钢轨表面的擦伤和矫痕。因此，现有方法难以有效满足钢轨的生产要求，亟需一种降低钢轨残余应力的方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的钢轨的残余应力较高、平直度和表面质量不够好的缺陷，提供一种降低钢轨残余应力的方法以及该方法得到的钢轨。本发明的钢轨具有较低的残余应力，平直度较高，表面质量较好，能更好地适用于平直度较高的高速铁路上的应用。
本发明提供了一种降低钢轨残余应力的方法，该方法包括将轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位依次进行加速冷却、缓慢冷却和空冷，所述加速冷却的开冷温度为650-950℃，冷却速度为2-8℃/s，终冷温度为400-600℃，所述缓慢冷却的冷却速度为0.1-1.5℃/s，终冷温度为180-300℃。
本发明还提供了本发明的方法得到的钢轨。
本发明另外提供了本发明的钢轨在高速铁路上的应用。
本发明的发明人在深入研究的过程中发现，对轧制后的钢轨进行特定的处理可以使钢轨的金相组织发生一定程度的变化从而能够大大地降低钢轨的残余应力，具体地，本发明的发明人发现，通过将轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位依次进行加速冷却、缓慢冷却和空冷，并控制加速冷却和缓慢冷却的条件，可以在保证钢轨的拉伸性能的前提下有效降低钢轨的残余应力，提高平直度。根据本发明一种优选的实施方式，当选用特定的钢轨成分组成时，能够在保证钢轨的拉伸性能的前提下进一步降低所得钢轨的残余应力。根据本发明另一种优选的实施方式，当在所述快速冷却和缓慢冷却的过程中采用全程导位矫直处理并控制全程导位矫直处理的条件时，能够进一步提高所得钢轨的平直度，从而更适合用于平直度较高的高速铁路。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种降低钢轨残余应力的方法，该方法包括将轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位依次进行加速冷却、缓慢冷却和空冷，所述加速冷却的开冷温度为650-950℃，冷却速度为2-8℃/s，终冷温度为400-600℃，所述缓慢冷却的冷却速度为0.1-1.5℃/s，终冷温度为180-300℃。
本发明的发明人发现，当对轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位依次进行加速冷却、缓慢冷却和空冷时能够有效降低所得钢轨的残余应力。其原理可能包括以下因素。
加速冷却的原理可能在于：当开冷温度高于950℃时，钢轨表层受到冷却介质的激冷，温度迅速降低；当开冷温度低于650℃时，由于距离相变点温度较近，过快的冷速将使钢轨表层及表层下方一定深度内产生贝氏体、马氏体等异常组织的风险显著增高，而异常组织的产生将使钢轨报废，造成严重损失。当冷却速度＜2℃/s时，在冷却初期，钢轨表层温度明显降低，持续一定时间后，由于心部热量的补充，表层温度不再降低，甚至升高，未达到加速冷却的目的；当冷却速度＞8.0℃/s时，轨头表层及表层下方一定深度内冷速过快，易于产生贝氏体、马氏体等异常组织，导致钢轨报废。当轨头踏面温度降至400-600℃时停止加速冷却并空冷至室温，进行该设定的原因是：为确保钢轨轨头的心部能够获得更优异的性能，要求心部尽可能在更大的过冷度下完成相变，一般来说，在实际生产中，轨头心部的温度难以用物理手段监控，需通过对表面温度监控并经换算后获得。当加速终冷温度＞600℃时，轨头心部热量将高于650℃，该温度为钢轨已发生相变或部分发生相变的温度，即相变未完成，如此时停止加速冷却，则来自轨腰部位的热量迅速向其扩散，导致温度升高，相变冷速降低，最终得到钢轨的综合性能偏低，未达到热处理的目的。当加速终冷温度＜400℃，此时，轨头全断面及轨底中心的相变已基本全部完成，继续施加强制冷却已无显著意义。
缓慢冷却的原理可能在于：由于钢轨断面尺寸的不均匀性，在冷却过程中钢轨容易出现弯曲，造成残余应力增加。为减少钢轨在冷却过程中的弯曲，本发明在快速冷却之后增加了缓慢冷却的过程。
在本发明中，优选地，所述加速冷却的开冷温度为700-900℃，冷却速度为3-6℃/s，终冷温度为450-550℃；更优选地，所述加速冷却的开冷温度为750-850℃，冷却速度为4.5-5.5℃/s，终冷温度为450-550℃。
在本发明中，优选地，所述缓慢冷却的冷却速度为0.5-1℃/s，终冷温度为200-250℃；更优选地，所述缓慢冷却的冷却速度为0.6-0.8℃/s，终冷温度为210-230℃。
在本发明中，由于钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位的形状结构的不同，它们在冷却的过程中会呈现出不同的冷却速度，该不同的冷却速度均应当落在上述加速冷却和缓慢冷却的冷却速度的范围内，本发明所述的开冷温度和终冷温度的测定均以轨头踏面中心的温度为基准。
在本发明中，所述钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位所指的具体位置为本领域常规所指的位置，是本领域技术人员所公知的，例如，所述轨头踏面中心所指的区域为以轨头踏面上，沿钢轨延长方向的中心线为中心线，宽度为轨头踏面宽度的约三分之一的区域；所述轨头两侧指的是轨头部位的两侧位置；所述轨底中心所指的区域为在于铁路轨枕接触的轨底面上，与轨头踏面中心区域大致对应的区域。
在本发明中，所述加速冷却的冷却介质没有特别的限定，使用本领域常规的冷却介质即可，例如可以为压缩空气和/或水雾混合气，其中所述水雾混合气可以为0.1-0.2MPa的风压配合200-350L/h的水量混合喷出的水雾混合气。
在本发明中，所述缓慢冷却的冷却介质优选为压缩空气和/或水雾混合气，其中所述水雾混合气可以为0.015-0.03MPa的风压配合20-40L/h的水量混合喷出的水雾混合气。
在本发明中，所述空冷即为空气冷却，即放置在常温下进行自然冷却，对此没有特比的限定。
本发明的处理方法可以用于任何常规成分的钢轨并且均可以降低其残余应力。本发明的发明人发现，特定化学成分的钢轨能够具有相对于其他化学成分的钢轨更低的残余应力并且能够更适于本发明的处理方法，这种特定化学成分的钢轨例如为，以钢轨的总重量为基准，所述钢轨的化学成分可以包括0.71-0.82重量％的C、0.25-0.45重量％的Si、0.75-1.05重量％的Mn、0.03-0.15重量的V、≤0.030重量％的P、≤0.035重量％的S、≤0.1重量％的Al以及97.368-98.26重量％的Fe；优选地，以钢轨的总重量为基准，所述钢轨的化学成分包括0.72-0.80重量％的C、0.30-0.40重量％的Si、0.85-1.02重量％的Mn、0.04-0.12重量的V、0.002-0.015重量％的P、0.002-0.015重量％的S、0.01-0.08重量％的Al以及97.55-98.076重量％的Fe；更优选地，以钢轨的总重量为基准，所述钢轨的化学成分包括0.72-0.76重量％的C、0.35-0.38重量％的Si、0.95-0.99重量％的Mn、0.05-0.09重量的V、0.006-0.012重量％的P、0.006-0.011重量％的S、0.03-0.05重量％的Al以及97.707-97.888重量％的Fe。
在本发明中，为了使所得钢轨更适用于平直度较高的高速铁路，优选地，在所述快速冷却的过程中采用全程导位矫直处理。所述全程导位矫直处理的条件可以包括：采用夹送辊方式，对钢轨轨腰进行全程导位矫直，使其轨身平直度在垂直方向和水平方向均≤5mm/3m，全长扭曲≤10mm；优选地，轨身平直度在垂直方向和水平方向均≤2mm/3m，全长扭曲≤5mm。
在本发明中，所述钢轨的钢材的冶炼过程没有特别的限定，按照常规的冶炼方法进行即可，例如，在所述钢轨的钢材冶炼过程中，入炉铁水的S含量较低，可以≤0.015重量％，优选≤0.009重量％；所用精炼渣为的碱度优选为3-5，例如为三氧化二铝、氧化钡和氟化钙的混合物，优选其中Al2O3的含量为20-25重量％，BaO的含量为8-12重量％，CaF2的含量为3-8重量％；使用增碳剂，所用增碳剂为无烟煤和低N合金；在LF炉加热过程中使用发泡剂。
在本发明中，所述钢轨在冶炼得到钢液之后的连铸过程没有特别的限定，例如，所述钢轨的连铸过程可以包括：将冶炼所得钢液浇铸成钢坯，将该钢坯缓冷至室温，接着送入加热炉加热并保温，然后进行轧制。
在本领域中，现有技术通常浇铸得到的钢坯之后利用钢坯的余热(通常大于1200℃)直接进行轧制，或者在加热炉中在大于1200℃的温度下保持一段时间后进行轧制。而本发明的发明人发现，先将浇铸所得钢坯缓冷至室温(通常为15-30℃)再送入加热炉中加热能够在一定程度上降低所得钢坯的残余应力；为了更好地降低所得钢坯的残余应力，优选对缓冷的速度进行特别的控制，优选地，所述缓冷的速度为0.1-1℃/min，优选为0.2-0.4℃/min。本发明的发明人还发现，所述在加热炉中加热的温度不宜过高，例如加热炉加热的出钢温度为900-1180℃时所得的钢坯的残余应力要低于现有技术使用大于1200℃的出钢温度。所述送入加热炉并保温的过程能够使得钢坯金相组织转化为奥氏体组织并使奥氏体组织均匀化，为了更好地降低所得钢坯的残余应力，优选对加热炉加热的条件进行特别的控制，优选地，所述加热炉加热的加热速度为2-12℃/min，优选为8-11℃/min，终止温度(即出钢温度)为900-1180℃，优选为920-980℃，保温时间为65-200分钟，优选为90-120分钟。
在本发明中，所述浇铸的过程可以在全程保护下进行，以防止与空气接触吸入过多的N。
本发明还提供了根据本发明的方法得到的钢轨。本发明的钢轨能够在保证钢轨的拉伸性能的前提下有效降低钢轨的残余应力，通常地，本发明的钢轨的残余应力能够达到100MPa以下，另外本发明的钢轨具有较高的平直度，通常可以达到0.3mm/3m以下。本发明的钢轨的金相组织全部为珠光体组织。
本发明另外提供了本发明的钢轨在高速铁路上的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。下面的实施例将有助于说明本发明，但不局限其范围。
实施例1
(1)冶炼钢液：使用S含量为约0.008重量％的低S入炉铁水进行冶炼，冶炼过程中使用由三氧化二铝、氧化钡和氟化钙组成的精炼渣(其中百分含量为w(Al2O3)＝23重量％、w(BaO)＝10重量％、w(CaF2)＝5重量％，碱度为5)以及由无烟煤和低N合金组成的增碳剂，在LF炉加热过程中使用发泡剂，并控制成分含量，最终得到表1中1#所示化学成分的钢液。
(2)将步骤(1)得到的钢液全程保护浇铸成钢坯，然后送入缓冷坑以0.3℃/min的速度缓冷，将冷却至室温后的钢坯送入加热炉中加热并保温(加热速度为10℃/min，终止温度(出钢温度)为950℃，保温时间为100分钟)，然后用万能线轧机轧制成钢轨。
(3)对步骤(2)得到的钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位进行依次快速冷却、缓慢冷却和空冷，其中快速冷却的条件包括：开冷温度为803℃，冷却速度为5.0℃/s，终冷温度为498℃；缓慢冷却的条件包括：冷却速度为0.7℃/s，终冷温度为220℃；最后自然空冷至室温得到钢轨产品。
实施例2-6
按照实施例1的方法进行，所不同的是，冶炼所得钢液的化学成分按照表1和表2所示，方法的具体操作参数按照表1所示。
对比例1-3
对比例1-3分别按照实施例1-3的钢液成分进行，所不同的是，方法中的操作参数如表1所示。
对比例4
按照实施例1的钢液成分和操作方式进行，所不同的是，轧制成钢轨之后不进行缓慢冷却处理的过程，而是直接自然空冷至室温。
表1
表2
测试例
将实施例1-6和对比例1-4所得钢轨分别进行如下检测，所得结果如表3所示。
(1)拉伸性能
按照GB/T 228.1-2010标准测试拉伸性能，得到规定塑性延伸强度(Rp0.2，MPa)、抗拉强度(Rm，MPa)、断后伸长率(A，％)和断面收缩率(Z，％)。
(2)金相组织
金相组织按照GB/T13299的方法测定。
(3)残余应力
按照欧洲标准EN13674.1-2011规定的方法测定所得钢轨轨底的残余应力(MPa)。
(4)平直度
按照欧洲标准EN13674.1-2011规定的方法测定所得钢轨的平直度。
表3
结合表1、表2和表3可以看出，根据本发明的方法可以在保证钢轨的拉伸性能的前提下有效降低钢轨的残余应力(可以达到100MPa以下)，提高钢轨的平直度(可以达到0.3mm/3m以下)。因此本发明的方法特别适用于平直度较高的高速铁路。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种降低钢轨残余应力的方法，该方法包括将轧制后所得钢轨的轨头踏面中心、轨头两侧和轨底中心部位依次进行加速冷却、缓慢冷却和空冷，所述加速冷却的开冷温度为650-950℃，冷却速度为2-8℃/s，终冷温度为400-600℃，所述缓慢冷却的冷却速度为0.1-1.5℃/s，终冷温度为180-300℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加速冷却的开冷温度为700-900℃，冷却速度为3-6℃/s，终冷温度为450-550℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述加速冷却的冷却介质为压缩空气和/或水雾混合气，优选为0.1-0.2MPa的风压配合200-350L/h的水量混合喷出的水雾混合气。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述缓慢冷却的冷却速度为0.5-1℃/s，终冷温度为200-250℃。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其中，所述缓慢冷却的冷却介质为压缩空气和/或水雾混合气，优选为0.015-0.03MPa的风压配合20-40L/h的水量混合喷出的水雾混合气。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，以钢轨的总重量为基准，所述钢轨的化学成分包括0.71-0.82重量％的C、0.25-0.45重量％的Si、0.75-1.05重量％的Mn、0.03-0.15重量的V、≤0.030重量％的P、≤0.035重量％的S、≤0.1重量％的Al以及97.368-98.26重量％的Fe；
优选地，以钢轨的总重量为基准，所述钢轨的化学成分包括0.72-0.80重量％的C、0.30-0.40重量％的Si、0.85-1.02重量％的Mn、0.04-0.12重量的V、0.002-0.015重量％的P、0.002-0.015重量％的S、0.01-0.08重量％的Al以及97.55-98.076重量％的Fe。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述快速冷却的过程中采用全程导位矫直处理；
优选地，所述全程导位矫直处理的条件包括：采用夹送辊方式，对钢轨轨腰进行全程导位矫直，使其轨身平直度在垂直方向和水平方向均≤5mm/3m，全长扭曲≤10mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钢轨的连铸过程包括：将冶炼所得钢液浇铸成钢坯，将该钢坯缓冷至室温，接着送入加热炉加热并保温，然后进行轧制，所述缓冷的速度为0.1-1℃/min，优选为0.2-0.4℃/min；
优选地，所述加热炉加热的加热速度为2-12℃/min，终止温度为900-1180℃，保温时间为65-200分钟。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法得到的钢轨。
10.权利要求9所述的钢轨在高速铁路上的应用。
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