CN114015940B

CN114015940B - 一种中等强度低氧化皮钢轨及其生产方法

Info

Publication number: CN114015940B
Application number: CN202111292335.1A
Authority: CN
Inventors: 袁俊; 陈崇木; 杨大巍; 李若曦
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2041-11-03
Also published as: CN114015940A

Abstract

一种中等强度低氧化皮钢轨，钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70‑0.90％、硅和锰和铬≤1.9％、磷≤0.020％、硫≤0.020％，以及铁98.41‑96.85％，钢轨的对应于钢轨轨头的一侧喷涂有防氧化涂料。本发明的中等强度低氧化皮钢轨的生产方法，生产的钢轨脱碳层深度≤0.3mm，抗拉强度≥1070MPa，延伸率≥10％，热伤深度≤0.5mm，特别适宜高表面质量高速客运铁路用线路钢轨需求。

Description

一种中等强度低氧化皮钢轨及其生产方法

技术领域

本发明涉及金属材料热处理领域，特别是涉及一种中等强度低氧化皮钢轨及其生产方法。

背景技术

随着国内外铁路运量的增加、轴重的加大、速度的提高，对钢轨质量或是性能的要求越来越高。同时，随着国内外钢轨厂家产能的扩大，技术的革新，钢轨供大于求局面进一步扩大，低成本高性能钢轨成为主流铁路的首选。

铁路依据运输条件分为客运专线铁路、货运专线铁路和客货混运铁路。国内外铁路以客运专线和客货混运线路为主流线路，占比达到90％以上。客运专线线路和客货混运铁路用钢轨需综合考虑钢轨强度级别、运量和成本经济性等方面。通过提高钢轨性能，降低钢轨单重，缩减钢轨使用量成为经济高效钢轨发展趋势。通常，客运专线线路和客货混运铁路用钢轨单重≤60kg/m。通过国内外钢轨服役跟踪，钢轨强度级别选择H350-H370级完全能满足客运专线和客货混运线路用钢轨使用要求。

列车车轮与钢轨轨头进行接触，钢轨轨头一侧表面氧化层及脱碳层直接关系到列车运行的平顺性和钢轨伤损率。疏松的氧化层成为吸收水分的天然海绵，提高钢轨表面的氧化速率。较深的脱碳层深度必然带来钢轨表面硬度的降低，钢轨平顺性的降低，同时也成为接触疲劳伤损的罪魁祸首。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供中等强度低氧化皮钢轨及其生产方法，生产出钢轨表层为低脱碳、少氧化、高致密氧化层物质的中等强度钢轨。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种中等强度低氧化皮钢轨，钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70-0.90％、硅和锰和铬≤1.9％、磷≤0.020％、硫≤0.020％，以及铁98.41-96.85％，钢轨的对应于钢轨轨头的一侧喷涂有防氧化涂料。

进一步地，钢轨中铬的重量百分比为0.10-0.30％。

进一步地，防氧化涂料的组成的重量百分比为：30-40％的硅溶胶粘接剂、10-20％的耐火黏土、20-30％的煤粉和10-40％的氧化铁粉。

进一步地，耐火黏土包含重量百分比45-55％的二氧化硅和45-55％的三氧化铝。

一种中等强度低氧化皮钢轨的生产方法，包含以下步骤：

步骤1，冶炼浇铸上述中等强度低氧化皮钢轨的钢坯；

步骤2，在对应于钢轨轨头的钢坯的一侧表面喷涂防氧化涂料；

步骤3，喷涂过防氧化涂料的钢坯经过加热炉加热；

步骤4，加热后的喷涂过防氧化涂料的钢坯采用高压水除磷；

步骤5，除磷后的喷涂过防氧化涂料的钢坯经过水油混合润滑轧制，得到中等强度低氧化皮钢轨；

步骤6，对轧制后的中等强度低氧化皮钢轨进行热处理；

步骤7，对热处理后的中等强度低氧化皮钢轨进行变形矫直。

进一步地，在步骤2中，喷涂防氧化涂料时钢坯温度为40-150℃，防氧化涂料的喷涂厚度为200-500μm。

进一步地，在步骤3中，加热炉均热段温度1230-1280℃，加热时间为150-240min。

进一步地，在步骤5中，除磷后的喷涂过防氧化涂料的钢坯经过含油量20-50％的水油混合润滑轧制，终扎至热处理机组之间停留时间≤150s。

进一步地，在步骤6中，热处理是利用轧制余热进行喷风、或喷水、或水雾快速冷却。

进一步地，热处理利用轧制余热进行喷风，采用1-5℃/s的喷风冷却。

钢坯防脱碳氧化技术：为降低钢轨轨头氧化层和脱碳层，结合生产经济性，仅对对应于钢轨轨头的钢坯一侧喷涂防高温氧化涂料。涂料以无机粘接剂为主要原料，耐高温物质的黏土物质为隔绝氧化气氛提供了保护。煤粉主要是提供氧化过程，降低钢坯表面的氧化性气氛。氧化皮主要为隔绝氧化性气氛提供保护。

低温短时间加热控制钢坯脱碳：钢坯表面氧化深度与表面喷涂物质、加热温度、加热时间和加热气氛存在显著关联。通过低温短时间加热，有效降低钢坯表面氧化过程。

强除磷高润滑轧制技术：钢坯加热后，表面存在防氧化物质和氧化物质的混合物，需采用高压水除磷，有效除去钢坯表面物质，提高钢轨表面质量。采用水油混合润滑轧制有助于提高钢坯轧制过程，降低轧辊粘接，提高钢轨表面质量。

降低高温氧化过程：钢轨轧制后，钢轨温度达到800-950℃，停留时间过长，钢轨表面重新与氧气氧化。因此需降低终轧后钢轨自然冷却时间。

采用热处理在提高强度的同时，降低钢轨氧化速率，除去表层氧化皮：利用轧制余热进行在线热处理，有助于降低合金元素含量，提高钢轨综合性能，成为钢轨提高强韧性最有效的手段。同时，通过热处理过程，还有助于除去钢轨表面的氧化物质。通过对刚进入热处理机组的钢轨进行倾斜喷风或是喷水冷却，有助于除去氧化铁皮。

热处理后，仍采用快速冷却，降低高温氧化过程：钢轨热处理后，钢轨心部温度仍有500-650℃，在空气中长时间接触，仍然可以增加氧化物质。热处理后，采用快速冷却至室温，有助于提高生产效率，降低钢轨高温氧化过程，降低表面氧化物质。

矫直反复变形除去氧化皮：钢轨表面的氧化层为硬而脆的物质，采用+20--20mm反复矫直变形，有助于进一步降低钢轨表面氧化物质。

本发明的有益效果为：

本发明提出的中等强度低氧化皮钢轨及其生产方法，是单重≤60kg/m、强度级别为H350-H370级钢轨的低成本成分设计和高效长尺钢轨生产。同时，利用轧制余热进行热处理，在提高钢轨性能的同时，结合线路使用条件，降低踏面硬度，保证轨头踏面和轨底冷却统一性，降低钢轨残余应力，以满足低成本高性能钢轨使用要求。得到的钢轨硬度350-370HB，所生产的钢轨脱碳层深度≤0.3mm，抗拉强度≥1070MPa，延伸率≥10％，热伤深度≤0.5mm，特别适宜高表面质量高速客运铁路用线路钢轨需求。

中等强度钢轨主要应用于客运专线或是客货混运铁路，解决了国际绝大部分铁路线路需求，采用该方法生产的中等强度钢轨，特别适宜年运量介于2000-4000万吨运量的低成本高人工偏僻铁路线路用钢轨，具有良好的经济效益和市场前景。中等强度因其强度适中，耐磨性和疲劳性能优异，成本低廉，未来必将在北美、南美及澳洲等国家铺设使用，也是攀钢未来出口钢轨主力产品，具有良好的经济效益和市场前景。

根据国贸公司2020年12月统计数据，钢轨边际效益达1000元/吨，以成功推广后年产3万吨计算，可至少新增经济效益3000万元以上。同时，将带动攀钢钢轨全系列产品的推广和应用。

附图说明

图1显示本发明的中等强度低氧化皮钢轨的钢坯喷涂防氧化涂料的位置的示意图；

图2显示本发明的中等强度低氧化皮钢轨的拉伸试样取样位置的示意图；

图3显示本发明的中等强度低氧化皮钢轨的脱碳层检验位置的示意图；

图4显示本发明的中等强度低氧化皮钢轨生产方法的流程简图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的中等强度低氧化皮钢轨，钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70-0.90％、硅和锰和铬≤1.9％、磷≤0.020％、硫≤0.020％，以及铁98.41-96.85％。钢轨的对应于钢轨轨头的一侧喷涂有防氧化涂料。其中钢轨中铬的重量百分比为0.10-0.30％，微合金化中等强度低氧化皮钢轨的钢坯。

防氧化涂料的组成的重量百分比为：30-40％的硅溶胶粘接剂、10-20％的耐火黏土、20-30％的煤粉和10-40％的氧化铁粉，其中耐火黏土包含重量百分比45-55％的二氧化硅和45-55％的三氧化铝。

本发明的中等强度低氧化皮钢轨的生产方法，如图4所示，包含以下步骤：

步骤1，冶炼浇铸本发明的中等强度低氧化皮钢轨的钢坯，其中钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70-0.90％、硅和锰和铬≤1.9％、磷≤0.020％、硫≤0.020％，以及铁98.41-96.85％；

步骤2，在对应于钢轨轨头的钢坯的一侧表面喷涂防氧化涂料，防氧化涂料的组成的重量百分比为：30-40％的硅溶胶粘接剂、10-20％的耐火黏土、20-30％的煤粉和10-40％的氧化铁粉，其中耐火黏土包含重量百分比45-55％的二氧化硅和45-55％的三氧化铝，喷涂防氧化涂料时钢坯温度为40-150℃，防氧化涂料的喷涂厚度为200-500μm；

步骤3，喷涂过防氧化涂料的钢坯经过加热炉加热，加热炉均热段温度1230-1280℃，均热段保温时间为150-240min；

步骤4，加热后的喷涂过防氧化涂料的钢坯采用20-25MPa的高压水除磷；

步骤5，除磷后的喷涂过防氧化涂料的钢坯经过含油量20-50％的水油混合润滑轧制，终扎至热处理机组之间停留时间≤150s，得到中等强度低氧化皮钢轨；

步骤6，对轧制后的中等强度低氧化皮钢轨进行热处理；

步骤7，对热处理后的中等强度低氧化皮钢轨进行变形矫直，采用+20--20mm反复变形矫直。

其中在步骤6中，利用轧制余热进行喷风、或喷水、或水雾快速冷却，对轧制后的中等强度低氧化皮钢轨进行热处理。参照图1，在一实施例中，热处理机组前1/10-3/10(指的是相对于热处理机组通长长度，如机组长度为100米，则为前10米至30米，如机组长度为200米，则为前20米至60米)距离前喷嘴倾斜角度为30-60℃。在一实施例中，中等强度低氧化皮钢轨经过热处理机组冷却后，采用1-5℃/s的喷风冷却，直至室温。在其他实施例中，中等强度低氧化皮钢轨经过热处理机组冷却后，采用1-4℃/s的喷风冷却，直至室温。

本发明的中等强度低氧化皮钢轨的生产方法的实施例及对比例的化学成分，如表1所示，其中实施例的化学成分的重量百分比为：碳0.70-0.90％，硅和锰和铬为0.7-1.9％，磷为0.013-0.019％，硫为0.005-0.012％。对比例的化学成分重量百分比为：碳0.76-0.79％，硅和锰和铬为1.1-1.5％，磷为0.013-0.016％，硫为0.006-0.008％。

如图1所示，在实施例和对比例的钢轨生产过程中，在冶炼浇铸后的钢坯1的对应于钢轨轨头的一侧表面喷涂防氧化涂料，采用三个喷枪2同时喷涂的方式进行防氧化涂料的喷涂。图1未完全按照比例进行绘制，仅以示意的方式显示喷枪2与钢坯1的相对位置关系。防氧化涂料的组成的重量百分比、防氧化涂料的喷涂厚度以及喷涂时钢坯1的喷涂温度如表2所示。

实施例1-10中防氧化涂料的组成的重量百分比为：30-40％的硅溶胶粘接剂、10-20％的耐火黏土、20-30％的煤粉和10-40％的氧化铁粉，喷涂防氧化涂料的厚度为200-500μm，喷涂时钢坯的温度为40-150℃；对比例1-10中防氧化涂料的组成的重量百分比为：25-45％的硅溶胶粘接剂、5-25％的耐火黏土、15-35％的煤粉和15-35％的氧化铁粉，喷涂防氧化涂料的厚度为150-550μm，喷涂时钢坯的温度为35-180℃。对比例11未喷涂防氧化涂料。

实施例和对比例的钢轨生产过程中，喷涂过防氧化涂料的钢坯经过加热炉加热，加热炉均热段温度均采用1230-1280℃，均热段保温时间为150-240min。加热后的喷涂过防氧化涂料的钢坯采用20-25MPa的高压水除磷，除磷后的喷涂过防氧化涂料的钢坯经过11-15道次含油量20-50％的水油混合润滑轧制，并利用轧制余热进行喷风热处理，施加1-4℃/s的强制冷却风压。生产的钢轨试样加工按图2所示拉伸试样取样位置加工，即拉伸试样中心位置3，拉伸性能在表1中示出。图2中显示的位置4为金相试样取样位置，即显微组织检查区域。实施例1-10的拉伸性能中抗拉强度为1071-1225MPa，延伸率为10-13％；对比例1-10的拉伸性能中抗拉强度为1076-1083MPa，延伸率为11-13％；未喷涂防氧化涂料的对比例11的拉伸性能中抗拉强度为1079MPa，延伸率为12％。

实施例和对比例按照TB/T 2344-2012《43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》对钢轨轨头进行脱碳层深度和表面质量检验，其中脱碳层的检验位置5如图3所示。检验结果如表2所示。其中实施例1-10的脱碳层深度为0.1-0.2mm，表面凹坑为0.1-0.3mm；对比例1-10的脱碳层深度为0.31-0.35mm，表面凹坑为0.5-0.9mm；未喷涂防氧化涂料的对比例11，脱碳层深度0.51mm，表面凹坑1.2mm。

表1化学成分、气体含量、拉伸性能

钢轨的气体含量在表1中示出。其中实施例1-10中氢含量为0.9-1.2ppm，氧含量为6-9ppm，氮含量为34-37ppm。对比例1-10中氢含量为0.7-1.1ppm，氧含量为6-8ppm，氮含量为36-39ppm。未喷涂防氧化涂料的对比例11中氢含量为1.0ppm，氧含量为8ppm，氮含量为36ppm。

表2涂料组成、喷涂厚度、温度、脱碳层深度、表面质量

本发明的中等强度低氧化皮钢轨的生产方法生产的钢轨脱碳层深度≤0.3mm，抗拉强度≥1070MPa，延伸率≥10％，热伤深度≤0.5mm。提高中等强度钢轨强韧性，在保证钢轨强度的同时，提高钢轨的韧性。最终，该方法生产的钢轨均有优良的耐磨损性能和抗接触疲劳性能。特别适宜高表面质量高速客运铁路用线路钢轨需求。

本发明的中等强度低氧化皮钢轨及其生产方法提供了生产轨头拉伸性能和夹杂物分析方法，提升钢轨的疲劳性能要求。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种中等强度低氧化皮钢轨，其特征在于，所述钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70-0.90％、硅和锰和铬≤1.9％、磷≤0.020％、硫≤0.020％，以及铁98.41-96.85％，所述钢轨的对应于钢轨轨头的一侧喷涂有防氧化涂料，所述防氧化涂料的组成的重量百分比为：30-40％的硅溶胶粘接剂、10-20％的耐火黏土、20-30％的煤粉和10-40％的氧化铁粉，喷涂所述防氧化涂料时钢坯温度为40-150℃，所述防氧化涂料的喷涂厚度为200-500μm。

2.根据权利要求1所述的中等强度低氧化皮钢轨，其特征在于，所述钢轨中所述铬的重量百分比为0.10-0.30％。

3.根据权利要求1所述的中等强度低氧化皮钢轨，其特征在于，所述耐火黏土包含重量百分比45-55％的二氧化硅和45-55％的三氧化铝。

4.一种中等强度低氧化皮钢轨的生产方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，冶炼浇铸权利要求1-3中任一项所述的中等强度低氧化皮钢轨的钢坯；

步骤2，在对应于钢轨轨头的所述钢坯的一侧表面喷涂防氧化涂料，所述防氧化涂料的组成的重量百分比为：30-40％的硅溶胶粘接剂、10-20％的耐火黏土、20-30％的煤粉和10-40％的氧化铁粉，喷涂所述防氧化涂料时所述钢坯温度为40-150℃，所述防氧化涂料的喷涂厚度为200-500μm；

步骤3，喷涂过防氧化涂料的所述钢坯经过加热炉加热；

步骤4，加热后的所述喷涂过防氧化涂料的钢坯采用高压水除磷；

步骤5，除磷后的所述喷涂过防氧化涂料的钢坯经过水油混合润滑轧制，得到中等强度低氧化皮钢轨；

步骤6，对轧制后的所述中等强度低氧化皮钢轨进行热处理；

步骤7，对热处理后的所述中等强度低氧化皮钢轨进行变形矫直。

5.根据权利要求4所述的中等强度低氧化皮钢轨的生产方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述加热炉均热段温度1230-1280℃，加热时间为150-240min。

6.根据权利要求5所述的中等强度低氧化皮钢轨的生产方法，其特征在于，在所述步骤5中，除磷后的所述喷涂过防氧化涂料的钢坯经过含油量20-50％的所述水油混合润滑轧制，终扎至热处理机组之间停留时间≤150s。

7.根据权利要求6所述的中等强度低氧化皮钢轨的生产方法，其特征在于，在所述步骤6中，所述热处理是利用轧制余热进行喷风、或喷水、或水雾快速冷却。

8.根据权利要求7所述的中等强度低氧化皮钢轨的生产方法，其特征在于，所述热处理利用轧制余热进行喷风，采用1-5℃/s的喷风冷却。