CN114854963B - 一种低残余应力的槽型钢轨及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种低残余应力的槽型钢轨及其制备方法，属于钢轨制备技术领域，方法包括：得到待冷却槽型钢轨；对所述待冷却槽型钢轨进行控速冷却，得到待矫直槽型钢轨；对所述待矫直槽型钢轨进行矫直，得到槽型钢轨；其中，所述待冷却槽型钢轨按断面计包括轨头、轨唇、轨腰和轨底，所述控速冷却包括加速冷却，所述加速冷却具体包括：对所述待冷却槽型钢轨的轨头、轨唇、轨腰和轨底分别按设定冷却速度进行冷却；通过对槽型钢轨断面不同部位采用相应的冷却工艺，降低槽型钢轨全断面的残余应力，提高其不同位置的残余应力的均匀性。

Description

一种低残余应力的槽型钢轨及其制备方法

技术领域

本发明属于钢轨制备技术领域，特别涉及一种低残余应力的槽型钢轨及其制备方法。

背景技术

槽型钢轨用于现代有轨电车线路，近年来，现代有轨电车以其节能环保、乘坐舒适、建设灵活、成本低等优点，得到广泛认可，是除地铁外应用最广泛的城市轨道交通模式。通常有轨电车与其它公路交通工具共享路权，同时从绿化和美观方面考虑，嵌入地下的轨道线路在有轨电车交通中到了广泛的应用。

为了解决线路钢轨与路面平齐的问题，同时适应现代有轨电车低地板线路的要求，使用的槽型钢轨设计放置轮缘的沟槽，使其断面与常规工字型钢轨不同，为非对称廓型，在轧制、矫直过程中工艺控制难度大。目前槽型钢轨采用万能轧机轧制，轧后进行预弯自然冷却，后经过矫直、检测后发货。由于槽型钢轨整个断面金属分布不对称，造成在冷却过程中断面各部位冷速相差较大，残余应力分布也不均匀，在后续矫直过程易发生平直度不合格甚至开裂的问题，如使用至行车线路也会造成一定的安全隐患。

中国发明专利申请CN202011399205.3一种控制钢轨轨底中心残余应力的方法，提供了一种控制钢轨轨底中心残余应力的方法，采用上下弯曲度矫直机对钢轨进行矫直，矫直机的上矫直辊采用直线型，下矫直辊采用直线-凹弧-直线型，当钢轨经过该矫直辊时，钢轨轨底与矫直辊接触面积较宽，钢轨轨底中心与下矫直辊的接触压力显著降低，从而降低了矫直后钢轨轨底中心的残余应力。该专利的原理是采用矫直受力分布来控制轨底残余应力，但对于非对称钢轨的全断面残余应力未做控制。中国发明专利申请CN102284503A百米重轨残余应力控制方法，其涉及一种百米钢轨残余应力控制方法，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，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。但是该专利只针对普通工字型对称断面钢轨的残余应力控制，无法应用在槽型轨上。

发明内容

本申请的不低在于提供一种低残余应力的槽型钢轨及其制备方法，以解决目前槽型钢轨残余应力过大的问题。

本发明实施例提供了一种低残余应力的槽型钢轨的制备方法，所述方法包括：

得到待冷却槽型钢轨；

对所述待冷却槽型钢轨进行控速冷却，得到待矫直槽型钢轨；

对所述待矫直槽型钢轨进行矫直，得到槽型钢轨；

其中，所述待冷却槽型钢轨按断面计包括轨头、轨唇、轨腰和轨底，

所述控速冷却包括加速冷却，所述加速冷却具体包括：对所述待冷却槽型钢轨的轨头、轨唇、轨腰和轨底分别按设定冷却速度进行冷却。

可选的，所述轨头的冷却速度为1.2℃/s-2.0℃/s，所述轨唇的冷却速度为0.4℃/s-1.0℃/s，所述轨腰的冷却速度为0.3℃/s-0.8℃/s，所述轨底的冷却速度为0.7℃/s-1.3℃/s。

可选的，所述轨头的冷却速度为1.4℃/s-1.8℃/s，所述轨唇的冷却速度为0.6℃/s-0.8℃/s，所述轨腰的冷却速度为0.5℃/s-0.7℃/s，所述轨底的冷却速度为0.9℃/s-1.1℃/s。

可选的，所述加速冷却开始的时机为所述轨头温度为580℃-660℃时。

可选的，所述加速冷却开始的时机为所述轨头温度为600℃-640℃时。

可选的，所述控速冷却还包括自然冷却，所述自然冷却开始的时机为所述轨头的温度为60℃-120℃时。

可选的，所述控速冷却还包括自然冷却，所述自然冷却开始的时机为所述轨头的温度为80℃-100℃时。

可选的，所述待矫直槽型钢轨的温度≤60℃。

可选的，所述得到待冷却槽型钢轨具体包括：

对铁水进行预处理、转炉冶炼、精炼、连铸、铸坯加热和轧制，得到待冷却槽型钢轨；

其中，所述预处理采用KR机械搅拌工艺；

所述转炉冶炼采用顶底复吹工艺；

所述精炼包括LF精炼和RH精炼，RH精炼的净处理时间≥12min；

所述连铸采用全流程保护浇铸及低过热度浇铸工艺，所述浇注的过热度为18℃-25℃；

所述铸坯加热的加热温度为1200℃-1280℃，所述铸坯加热的保温时间为180min-240min；

所述轧制的开轧温度为1050℃-1150℃，所述轧制的终轧温度为880℃-920℃。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种低残余应力的槽型钢轨，所述槽型钢轨采用如上所述的低残余应力的槽型钢轨的制备方法制得。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的低残余应力的槽型钢轨的制备方法，通过对槽型钢轨断面不同部位采用相应的冷却工艺，降低槽型钢轨全断面的残余应力，提高其不同位置的残余应力的均匀性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的槽型钢轨冷却区域分布示意图；

图2是本发明实施例提供的槽型钢轨全断面残余应力测量位置图；

图3是本发明实施例提供的槽型钢轨室温金相组织图；

图4是本发明实施例提供的方法的流程图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

针对槽型钢轨残余应力全断面分布不均匀及过大的问题，提供一种能有效降低槽型钢轨全断面残余应力的生产方法，通过对槽型钢轨断面不同部位采用相应的冷却工艺，降低槽型钢轨全断面的残余应力，提高其不同位置的残余应力的均匀性。

该方法通过对槽型钢轨轧后控制冷却的方式达到降低、均匀残余应力的目的。主要包括将槽型钢轨按照断面不同部位分为四个冷却区域：轨头(从沟槽至轨头与轨腰结合部位)是区域1，轨唇(从沟槽至轨唇与轨腰结合部位)是区域2，轨腰部位是区域3，轨底部位是区域4，如图1所示。需要说明的是，本申请所述槽型钢轨的轨头、轨唇、轨腰和轨底等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，此外，“冷却区域1”、“冷却区域2”、“冷却区域3”和“冷却区域4”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

将槽型钢轨全断面分为四个冷却区域，采取不同的冷却强度，是由于各部位金属分配同，如区域1轨头金属分配多，在冷却过程中回温大，冷却速度慢，其它取区域3轨腰和区域4轨底金属分配少，冷却速度快，从而造成参与应力分布不均匀。因此要根据各部位金属分配量，采取不同的冷却强度，减小槽型钢轨各部位的温差，从而降低残余应力，提高均匀性。

根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种低残余应力的槽型钢轨的制备方法，所述方法包括：

S1.得到待冷却槽型钢轨；待冷却槽型钢轨按断面计包括轨头、轨唇、轨腰和轨底；需要说明的是，冷却区域沿纵向方向分布在整根槽型钢轨上。

在一些实施例中，所述得到待冷却槽型钢轨具体包括：对铁水进行预处理、转炉冶炼、精炼、连铸、铸坯加热和轧制等工序，得到待冷却槽型钢轨；需要说明的是，对上述工序没有特别限定，按照常规生产钢轨的方法即可。

本实施例中，所述预处理采用KR机械搅拌工艺；

所述转炉冶炼采用顶底复吹工艺；

所述精炼包括LF精炼和RH精炼，LF精炼造白渣(渣碱度2.0-2.8)脱氧脱硫，RH精炼的净处理时间≥12min，去除钢中夹杂物和有害气体；

所述连铸采用全流程保护浇铸及低过热度浇铸工艺，所述浇注的过热度为18℃-25℃，铸坯采用缓冷工艺至室温；

所述铸坯加热的加热温度为1200℃-1280℃，所述铸坯加热的保温时间为180min-240min，铸坯加热采用步进梁加热炉；

所述轧制的开轧温度为1050℃-1150℃，所述轧制的终轧温度为880℃-920℃。

S2.对所述待冷却槽型钢轨进行控速冷却，得到待矫直槽型钢轨；所述控速冷却包括加速冷却，所述加速冷却具体包括：对所述待冷却槽型钢轨的轨头、轨唇、轨腰和轨底分别按设定冷却速度进行冷却；

需要说明的是，加速冷却介质为本领域常用的冷却介质，包括但是不限于水、聚合物溶液、油、压缩空气、水雾或者油雾混合气等，总之能够提供均匀冷却流场的物质均可。

控制冷却速度是由于槽型钢轨在自然冷却条件下，全断面各部位因金属分配不同而造成冷却速度不一致，如轨头冷却速度慢，而轨腰及轨底冷却速度快，从而使断面各部位形成较大温差。

在一些实施例中，所述轨头的冷却速度为1.2℃/s-2.0℃/s，所述轨唇的冷却速度为0.4℃/s-1.0℃/s，所述轨腰的冷却速度为0.3℃/s-0.8℃/s，所述轨底的冷却速度为0.7℃/s-1.3℃/s。

可选的，所述轨头的冷却速度为1.4℃/s-1.8℃/s，所述轨唇的冷却速度为0.6℃/s-0.8℃/s，所述轨腰的冷却速度为0.5℃/s-0.7℃/s，所述轨底的冷却速度为0.9℃/s-1.1℃/s。

在一些实施例中，加速冷却开始的时机为所述轨头温度为580℃-660℃时。

控制开始冷却温度为580-660℃是根据槽型钢轨的热轧组织要求，要确保组织为珠光体+少量铁素体，因此开冷温度应在完成珠光体相变以后，通过对该钢种连续冷却条件下的相变研究，在660℃以下，可确保槽型钢轨已完成珠光体相变。同时开冷温度也不宜过低，避免初始断面温差过大。

可选的，加速冷却开始的时机为所述轨头温度为600℃-640℃时。

在一些实施例中，所述控速冷却还包括自然冷却，所述自然冷却开始的时机为所述轨头的温度为60℃-120℃时。

可选的，所述控速冷却还包括自然冷却，所述自然冷却开始的时机为所述轨头的温度为80℃-100℃时。

S3.对所述待矫直槽型钢轨进行矫直，得到槽型钢轨；

在一些实施例中，待矫直槽型钢轨的温度≤60℃。

待轨头的表面温度降低至60-120℃时，停止加速冷却，待自然冷却至60℃以下时，进行钢轨矫直。当冷却区域1的表面温度降低至120℃以下时，各部位温度基本一致，但60℃以上直接矫直易造成钢轨冷却至室温后出现平直度不合格的缺陷，因此应继续自然冷却至60℃以下再进行矫直。

根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种低残余应力的槽型钢轨，所述槽型钢轨采用如上所述的低残余应力的槽型钢轨的制备方法制得。

在一些实施例中，槽型钢轨的抗拉强度Rm为990-1070MPa，延伸率A为10-13％，布氏硬度为290HBW～320HBW，全断面残余应力波动绝对值控制在80MPa以内，室温金相组织为珠光体+少量铁素体。

下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的低残余应力的槽型钢轨及其制备方法进行详细说明。

实施例1

槽型钢轨按照常规钢轨生产方法：铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸、铸坯加热、轧制等工序。其中，铁水预处理采用KR机械搅拌工艺；转炉冶炼采用顶底复吹工艺；LF精炼造白渣(渣碱度2.3)脱氧脱硫；RH净处理时间13min，去除钢中夹杂物和有害气体；连铸过程采用全流程保护浇铸及低过热度(平均过热度23℃)浇铸工艺，铸坯采用缓冷工艺至室温；铸坯加热采用步进梁加热炉，加热温度1255℃，保温时间219min，开轧温度为1089℃，终轧温度894℃。对轧制后的槽型钢轨四个冷却区域采用不同的冷却速率进行冷却，开始冷却温度控制为620℃，冷却区域1的冷却速率为1.6℃/s；冷却区域2的冷却速率为0.6℃/s；冷却区域3的冷却速率为0.6℃/s；冷却区域4的冷却速率为0.9℃/s。待冷却区域1的表面温度降低至100℃时，停止加速冷却，自然冷却至60℃进行矫直。

实施例2-4

实施例2-4的生产方法与实例1相同，所不同的是，加热、轧制及冷却工艺参数按照表1执行。

对比例1

对比例1的生产方法与实施例1的方法相同，所不同的是，轧制后无特定冷却工艺，采取自然冷却方式。

表1实施例和对比例的工艺参数

实验例

对实施例1-5和对比例1-6制得的槽型钢轨的抗拉强度、延伸率、踏面硬度、金相组织、断面残余应力等性能指标进行检验，结果见表2-表3。

表2实施例和对比例的性能对比

表3实施例和对比例的残余应力对比

表中各位置参见图2。

由表2和表3可得，实施例1-4所得到的槽型钢轨各项性能指标和组织良好，全断面残余应力波动绝对值控制在80MPa以内，与对比例1中的槽型钢轨性能对比来看，本发明方法在保证组织和力学性能合格的前提下，能有效降低槽型钢轨残余应力并提高全断面残余应力分布的均匀性。

附图3的详细说明：

由图3可得，实施例提供的槽型钢轨室温金相组织图，由图可得，槽型钢轨的金相组织为珠光体+少量铁素体。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：

(1)本发明实施例提供的方法通过合理控制轧后槽型钢轨断面各部位的冷却强度，减小不同部位的温度差，使其均匀冷却至一定温度，可使整个断面残余应力更小更均匀，不同部位的残余应力波动绝对值控制在80MPa以内，该生产方法效果明显，操作简单，可推广应用；

(2)本发明实施例提供的槽型钢轨的抗拉强度Rm为990-1070MPa，延伸率A为10-13％，布氏硬度为290HBW～320HBW，全断面残余应力波动绝对值控制在80MPa以内，室温金相组织为珠光体+少量铁素体。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种低残余应力的槽型钢轨的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

得到待冷却槽型钢轨；

对所述待冷却槽型钢轨进行控速冷却，得到待矫直槽型钢轨；

对所述待矫直槽型钢轨进行矫直，得到槽型钢轨；

其中，所述待冷却槽型钢轨按断面计包括轨头、轨唇、轨腰和轨底，

所述控速冷却包括加速冷却，所述加速冷却具体包括：对所述待冷却槽型钢轨的轨头、轨唇、轨腰和轨底分别按设定冷却速度进行冷却；

所述轨头的冷却速度为1.2℃/s-2.0℃/s，所述轨唇的冷却速度为0.4℃/s-1.0℃/s，所述轨腰的冷却速度为0.3℃/s-0.8℃/s，所述轨底的冷却速度为0.7℃/s-1.3℃/s；

所述加速冷却开始的时机为所述轨头温度为580℃-660℃时；

所述控速冷却还包括自然冷却，所述自然冷却开始的时机为所述轨头的温度为60℃-120℃时；

所述待矫直槽型钢轨的温度≤60℃；所述制备方法将槽型钢轨的全断面残余应力波动绝对值控制在80MPa以内。

2.根据权利要求1所述的低残余应力的槽型钢轨的制备方法，其特征在于，所述轨头的冷却速度为1.4℃/s-1.8℃/s，所述轨唇的冷却速度为0.6℃/s-0.8℃/s，所述轨腰的冷却速度为0.5℃/s-0.7℃/s，所述轨底的冷却速度为0.9℃/s-1.1℃/s。

3.根据权利要求1所述的低残余应力的槽型钢轨的制备方法，其特征在于，所述加速冷却开始的时机为所述轨头温度为600℃-640℃时。

4.根据权利要求1所述的低残余应力的槽型钢轨的制备方法，其特征在于，所述控速冷却还包括自然冷却，所述自然冷却开始的时机为所述轨头的温度为80℃-100℃时。

5.根据权利要求1所述的低残余应力的槽型钢轨的制备方法，其特征在于，所述得到待冷却槽型钢轨具体包括：

对铁水进行预处理、转炉冶炼、精炼、连铸、铸坯加热和轧制，得到待冷却槽型钢轨；

其中，所述预处理采用KR机械搅拌工艺；

所述转炉冶炼采用顶底复吹工艺；

所述精炼包括LF精炼和RH精炼，RH精炼的净处理时间≥12min；

所述连铸采用全流程保护浇铸及低过热度浇铸工艺，所述浇铸的过热度为18℃-25℃；

所述铸坯加热的加热温度为1200℃-1280℃，所述铸坯加热的保温时间为180min-240min；

所述轧制的开轧温度为1050℃-1150℃，所述轧制的终轧温度为880℃-920℃。

6.一种低残余应力的槽型钢轨，其特征在于，所述槽型钢轨采用权利要求1至5中任意一项所述的低残余应力的槽型钢轨的制备方法制得。