1、2鋼軌種類及斷面特性 鋼軌生產(chǎn)技術(shù) 1鋼軌發(fā)展概況 3鋼軌軋制生產(chǎn)工藝4鋼軌鋼研究現(xiàn)狀與未來11 鋼軌的起源及演變 鐵路運輸是在1617世紀(jì)由馬車運輸發(fā)展起來的。鋼軌最早的形式是木質(zhì)軌。大約1767年出現(xiàn)鑄鐵軌,標(biāo)志鋼軌的開始。m長的鑄鐵板。蒸汽機作為動力牽引貨車和客車，推動了鐵路運輸和鋼軌的發(fā)展。英國人喬治史蒂文森在1829年他設(shè)計出了被稱為“火箭”的機車。11 鋼軌的起源及演變 從1767年以后一直到大約1830年，人們一直是生產(chǎn)、使用鑄鐵軌，這種鑄鐵軌大多為T字形狀，車輪在軌頭突緣的限制下可防止下道。 1831年波奧奧埃伯設(shè)計出單重18kg工字形軌，其斷面輪廓已接近我們現(xiàn)代鋼軌。在這之后

2、又有人設(shè)計出U形斷面軌和其他形狀軌，但這些斷面軌均在行車實賤中逐步被淘汰。到1858年，鋼軌的形狀基本固定下來，即工字形面，那時的鋼軌單重達38kg。 11 鋼軌的起源及演變 kg。從那時起直到現(xiàn)在，經(jīng)歷了130余年，鋼軌斷面形狀幾經(jīng)修改變化，但基本上保持了1865年所設(shè)計的工字形斷面形狀。由于機車動力的擴大，鋼軌斷面尺寸隨之不斷增加。kg，kg，kg軌kg重型軌。 12 鋼軌的發(fā)展趨勢 普遍采用重型斷面鋼軌50年代平均軌重4350kgm，60年代平均軌重 4952kgm，70年代平均軌重5265kgm。 目前各國鐵路采用鋼軌的最大單重為：中國60kgm及75kgm軌前蘇聯(lián)65kgm及75kg

3、m軌日本60kgm軌，法國60kgm軌，英國57kgm軌，美國68kgm，意大利64kgm軌，波蘭60kgm軌。 12 鋼軌的發(fā)展趨勢 普遍采用重型斷面鋼軌從鋼軌單重看各國普遍認(rèn)為：在大軸重、大運量的重載線路上應(yīng)使用6075kgm鋼軌。在車速小于160kmh的普通客運線路上應(yīng)使用5060kgm鋼軌在車速超過160kmh的準(zhǔn)高速及高速線路上應(yīng)采用6065kgm鋼軌。 12 鋼軌的發(fā)展趨勢 研究開發(fā)馬氏體或貝氏體鋼軌鋼 在鋼軌的材質(zhì)上隨著鋼軌工作條件的不斷苛刻，對鋼軌性能也逐步提出了更高要求，要求鋼軌鋼的抗拉強度從800MPa到900MPa到1100MPa，硬度從300HB到350HB到388HB

4、。開發(fā)了碳素鋼軌鋼，且研制了合金鋼軌鋼和熱處理鋼軌鋼。目前正開始研究馬氏體或貝氏體鋼軌鋼，以獲得比珠光體鋼更好的斷裂韌性、耐磨性和抗疲勞性能。 13 中國鋼軌的發(fā)展 我國的鋼軌生產(chǎn)大約是從1894年開始的，由湖北漢陽鐵廠生產(chǎn)。kgmkgm的各種斷面鋼軌。建國后，先后興建了鞍鋼大型廠、武鋼大型廠、包鋼軌梁廠和攀鋼軌梁廠等。這些廠經(jīng)過多年現(xiàn)代化改造，現(xiàn)已形成鋼軌生產(chǎn)能力達150萬ta。 21 鋼軌的品種 根據(jù)用途的不同，現(xiàn)代鋼軌可以分為三類：礦山鐵路用輕軌、客貨運鐵路用重軌、吊車軌根據(jù)鋼種的不同，鋼軌又可以分為：碳素軌、合金軌和熱處理軌三種。按鋼軌的力學(xué)性能，通常鋼軌分為三類：普通軌，它是指抗張強

5、度不小于800MPs的鋼軌；高強軌，它是指抗拉強度不小于900MPa的鋼軌；耐磨軌，它是指抗拉強度不小于1100MPa的鋼軌。 21 鋼軌的品種 礦山鐵路用輕軌中國主要有：9kgm、12kgm、15kgm、22kgm、30kgm五種日本主要有：6kgm、9kgm、10kgm、12kgm、15kgm、22kgm六種?？拓涍\鐵路重軌中國主要有：38kgm、43kgm、50kgm、60kgm、75kgm五種。日本主要有：30kgm、37kgm、40kgm、50kgm、60kgm五種。22 鋼軌斷面特點和發(fā)展趨勢 鐵路車速和軸重的不斷提高，要求鋼軌具有更大的剛度和更好的耐磨性。為使鋼軌具有足夠的剛度，

6、可適當(dāng)增加鋼軌高度，以保證鋼軌有大的水平慣性矩。同時為使鋼軌有足夠的穩(wěn)定性，在設(shè)計軌底寬度時應(yīng)盡可能選擇寬一些。為使剛度與穩(wěn)定性匹配最佳，各國通常在設(shè)計鋼軌斷面時控制其軌高與底寬之比，即HB。一般HB控制在1.151.248。22 鋼軌斷面特點和發(fā)展趨勢 改進軌頭斷面設(shè)計也是提高剛度和耐磨性方法之一。各國在軌頭踏面設(shè)計上遵循了這樣一條原則：軌頂踏面圓弧盡量符合車輪踏面的尺寸，即采用了軌頭在接近磨耗后的踏面圓弧尺寸。UIC的60kgm鋼軌，軌頭圓弧R300R80R13；kgm鋼軌，軌頭圓弧R254R31.75R9.52；前蘇聯(lián)的65kgm鋼軌，軌頭圓弧R500R80R15；22 鋼軌斷面特點和發(fā)

7、展趨勢 日本的60kgm鋼軌，軌頭圓弧R600R50R13。中國的60kgm和75kgm軌頭圓弧R300R80R13和R500R80R15 現(xiàn)代鋼軌軌頭斷面設(shè)計的主要特點是采用復(fù)曲線，三個半徑。在軌頭側(cè)面則采用上窄下寬的直線型，直線斜度一般為1:201:40。在軌頭下腭處多采用斜度較大的直線，其斜度一般為1:31:4。22 鋼軌斷面特點和發(fā)展趨勢 在軌頭與軌腰過渡區(qū)為減少應(yīng)力集中所造成的裂縫，增加魚尾板與鋼軌間的摩擦阻力，在軌頭與軌腰過渡區(qū)也采用復(fù)曲線，在腰部采用大半徑設(shè)計。UIC的60kgm鋼軌，其軌頭與腰過渡區(qū)采用R7R35R120。日本的60kgm軌，其軌頭與腰過渡區(qū)采用R19R19R5

8、00。22 鋼軌斷面特點和發(fā)展趨勢 在軌腰與軌底過渡區(qū)，為實現(xiàn)斷面平穩(wěn)過渡，也采用復(fù)曲線設(shè)計，逐步過渡與軌底斜度平滑相連。UIC60kgm軌，采用R120R35R7；日本60kgm軌，采用R500R19；中國的60kgm軌，采用R400R20。22 鋼軌斷面特點和發(fā)展趨勢 軌底底部全是采用平底，以使其斷面有很好的穩(wěn)定性。軌底端面均采用直角，然后用小半徑圓角，一般采用R4R2。軌底內(nèi)側(cè)多采用兩組斜線設(shè)計，斜線斜度有的采用雙斜度，也有的采用單斜度。UIC60kgm軌，采用1:2.75+1:14雙斜度；日本的60kgm軌，則采用1:4單斜度；中國60kgm軌采用1:3+1:9雙料度。31 現(xiàn)代鋼軌生

9、產(chǎn)工藝 目前，世界上主要采用兩種現(xiàn)代鋼軌生產(chǎn)工藝：長流程工藝、短流程工藝。 31 現(xiàn)代鋼軌生產(chǎn)工藝 31 現(xiàn)代鋼軌生產(chǎn)工藝 32 鋼軌軋制孔型系統(tǒng) 鋼軌孔型系統(tǒng)分為兩類：一類為孔型軋制法孔型系統(tǒng)，另一類為萬能軋制法孔型系統(tǒng)。兩者不同之處在于對具有初步軌形的軋件的進一步加工和最終加工方法上?？仔头ㄊ抢^續(xù)在二輥式軋機(或三輥式軋機)上采用閉口式軌形孔進行中軋和精軋。萬能法是在萬能軋機（包括二輥軋邊機）上采用萬能孔型進行中軋和精軋。32 鋼軌軋制孔型系統(tǒng) 鋼軌孔型系統(tǒng)一般采用：箱形孔、梯形孔、帽形孔和軌形孔。兩種軋制法在鋼軌粗軋階段均采用箱形孔（或梯形孔）、帽形孔和軌形進行開坯。通常采用35個帽形孔

10、，帽形孔配置在二輥式可逆開坯軋機上 。粗軋軌形孔也多配置在二輥式可逆軋機上，軋件在粗軋軌形孔中變形，并逐漸接近成品鋼軌斷面尺寸。 33 鋼軌孔型設(shè)計 國內(nèi)60kgm鋼軌孔型設(shè)計 我國60kgm鋼軌斷面采用鐵道部推薦斷面，軌高176mm、頭寬73mm、mm、底寬150mm、cm2、kgm。軋機為950800軌梁軋機，原料為300mm350mm初軋坯，壓縮比為13.5。采用包括兩個箱形孔、一個梯形孔、三個帽形孔和五個軌形孔的孔型系統(tǒng)。33 鋼軌孔型設(shè)計 孔型系統(tǒng)的特點：吸收了萬能法大壓下系數(shù)的優(yōu)點，設(shè)置了一個梯形孔，使軋件變成一個高的矩形，有利于軋件在帽形孔中能得到較大的壓下量，與改善軌頭和軌底質(zhì)

11、量；在第一個帽形孔底部采用高的切楔和較大的張開角度及圓弧半徑，以利強化軌底；軌形孔腰部均采用不等厚設(shè)計，以增加腿根部壓下量和寬展量，保證腿長的增長，同時適當(dāng)減小軌形孔寬展量，以保證軌高尺寸。 33 鋼軌孔型設(shè)計 國內(nèi)75kgm鋼軌孔型設(shè)計 75kgm鋼軌斷面采用前蘇聯(lián)國家標(biāo)淮斷面，即軌高192mm、軌頭寬75mm、底寬150mm、腰厚20mm、斷面面積95cm2。 軋機為950800軌梁軋機，原料為300mm330mm初軋坯，壓縮比為13.5。采用1個梯形孔、3個帽形孔和5個軌形孔孔型系統(tǒng)。其主要特點是在第一個荒軋帽形孔設(shè)計上采用較大的壓下系數(shù)，以強化軌頭、軌底。33 鋼軌孔型設(shè)計 國外某廠6

12、76kgm鋼軌及60kgm鋼軌孔型設(shè)計 以連鑄矩形坯為原料，采用包括四個帽形孔、七個軌形的孔型系統(tǒng)。四個帽形孔全設(shè)計在第一架二輥式粗軋機上，粗軋軌形孔(即切深孔)則放在第二架二輥式粗軋機上。中軋則采用萬能軋機加軋邊機組成的中軋機組，軋件在其上進行單道次或多道次可逆輪制。為保證成品尺寸，軋件在精軋機上僅軋一道。精軋機是由半萬能精軋機與軋邊機組成的。 34 鋼軌矯直 在鋼軌標(biāo)準(zhǔn)中各國均做出嚴(yán)格規(guī)定，即成品鋼軌必須以平直狀態(tài)交貨，就必須對鋼軌進行矯直。鋼軌的矯直過程是一個彈塑性變形的復(fù)雜過程?？煞殖蓛蓚€階段：反向彎曲階段和彈性恢復(fù)階段。在反向彎曲階段，鋼軌受到外力和外力矩作用，產(chǎn)生彈塑性變形；在彈性

13、恢復(fù)階段，鋼軌在存儲在自身內(nèi)的彈性變形能的作用下，力圖恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。34 鋼軌矯直 鋼軌矯直幾何條件：鋼軌矯直應(yīng)力條件：s矯b 34 鋼軌矯直 鋼軌矯直有三種工藝：壓力矯直工藝、輥式矯直工藝和拉仲矯直工藝。壓力矯直工藝速度低，僅用于對鋼軌進行補充矯直。鋼軌常規(guī)矯直主要采用輥式矯直工藝。在輥式矯直中又分為大變形量矯直與小變形量矯直。采用大變形量矯直鋼軌可以用較少的矯直棍對鋼軌進行矯直，但往往使鋼軌的殘余應(yīng)力較大。用小變形量矯直，則需要較多的嬌直輥，但鋼軌的殘余應(yīng)力較小。34 鋼軌矯直 輥式矯直工藝存在兩種弊?。阂皇窃斐射撥墯堄鄳?yīng)力大。過大的殘余應(yīng)力將會威脅列車的行車安全，減少鋼軌壽命；m

14、mm)的要求。34 鋼軌矯直 法國從1976年開始研究新的鋼軌矯直工藝，到1981年發(fā)明了鋼軌拉伸法矯直的新工藝。 采用這種工藝，可以保證鋼軌具有高的平直度精度和微小的殘余應(yīng)力。 拉伸矯直是在鋼軌兩端施加大于被矯鋼軌鋼屈服強度的拉力，鋼軌在拉力作用下，沿其長度方向伸長，伸長多少取決于平直度要求。 與輥矯工藝相比，拉伸矯直鋼軌殘余拉應(yīng)力僅為輥式矯直的110。34 鋼軌矯直 用900MPa級UIC60kgm鋼軌和1100MPa級136RE合金軌進行比較試驗，拉伸矯直與輥式矯直相比：鋼軌的裂紋擴展時間要延長4060，且具有低的疲勞擴展速度?？偟氖褂脡勖斐C直鋼軌增加3050，其疲勞表面積增加50

15、以上，使鋼軌壽命延長40。經(jīng)過拉伸矯直，UIC耐磨軌屈服強度提高70Mpa，136RE合金軌屈服強度提高90MPa。35 鋼軌熱處理工藝 鋼軌熱處理工藝按其原理分為三大類 ：淬火回火工藝(QT工藝) 、欠速淬火工藝(SQ工藝) 、控制軋制加在線熱處理工藝，也稱形變熱處理 。淬火回火工藝按加熱方法可分為兩種： 感應(yīng)加熱軌頭淬火工藝 、整體加熱整體淬火工藝 。欠速淬火工藝按加熱方法可分為三種： 感應(yīng)加熱欠速淬火工藝 、煤氣加熱欠速淬火工藝 、余熱熱處理的欠速淬火工藝 。35 鋼軌熱處理工藝 感應(yīng)加熱軌頭淬火工藝美國鋼鐵公司的格里廠、新日鐵的八幡、烏克蘭的亞速廠等均是采用上述工藝。通過電感應(yīng)加熱，使

16、鋼軌加熱到A3以上50，然后空冷到750，噴吹壓縮空氣，使鋼軌冷卻到500左右，進行自熱回火。這種工藝生產(chǎn)穩(wěn)定，對環(huán)境無污染，生產(chǎn)方式靈活，缺點是設(shè)備一次性投資大、能耗高。35 鋼軌熱處理工藝 整體加熱整體淬火工藝 前蘇聯(lián)下塔吉爾、庫茲涅獲克廠、美國伯利恒的斯蒂爾頓廠都采用這種工藝。采用煤氣對鋼軌整體加熱，然后在油中或溫水中進行整體淬火，淬火后的鋼軌在450一500進行回火。這種工藝特點是產(chǎn)量高，淬火硬度均勻，可提高全斷面鋼軌的強韌性。35 鋼軌熱處理工藝 欠速淬火工藝是把鋼軌加熱到奧氏體化溫度后，用淬火介質(zhì)緩慢冷卻進行淬火，直接淬成淬火索氏體(不回火)，即細(xì)微珠光體，其力學(xué)性能、抗疲勞性能、

17、耐磨耗性均比由QT工藝得到的回火馬氏體要好。 中國攀鋼采用的就是感應(yīng)加熱欠速淬火工藝。mmin。該工藝直接得到淬火索氏體，即細(xì)片狀珠光體。 35 鋼軌熱處理工藝 煤氣加熱欠速淬火工藝 用煤氣將鋼軌預(yù)熱到450，然后快速加熱到奧氏體化溫度，噴吹壓縮空氣將鋼軌直接淬火成淬火索氏體，即細(xì)微珠光體。日本鋼管福山廠采用該工藝。余熱處理的欠速淬火工藝 利用鋼軌在軋制后有800900的高溫，直接對鋼軌在專門的冷床上進行噴霧或壓縮空氣淬火。最大優(yōu)點是節(jié)能降低成本，但存在淬火質(zhì)量均勻性問題。新日鐵八幡、盧森堡阿爾貝特羅丹廠采用該工藝。35 鋼軌熱處理工藝 控制軋制加在線熱處理工藝，也稱形變熱處理 目前仍處于實驗

18、階段。 把鋼坯加熱到9601100，降溫到850960左右在萬能軋機上進行中軋和精軋。軋后用水霧進行快速冷卻到550600，然后在空氣中最終冷卻。軌頭的金相組織是比普通熱處理還要細(xì)微的珠光體，屈服強度900980MPa，抗張強度12801330MPa，伸長率1011，斷面收縮率3346。41 鋼軌鋼的現(xiàn)狀 鋼軌鋼按化學(xué)成分分為： 碳素鋼軌鋼、合金鋼軌鋼。鋼軌鋼按熱處理狀態(tài)分為： 軋制態(tài)鋼軌鋼、熱處理鋼軌鋼（淬火態(tài)鋼軌鋼）鋼軌鋼按用途分為： 普通鋼軌鋼、高強鋼軌鋼、耐磨鋼軌鋼鋼軌鋼按金相組織分為： 亞共析鋼軌鋼、珠光體鋼軌鋼、過共析鋼軌鋼、 索氏體鋼軌鋼、貝氏體鋼軌鋼、馬氏體鋼軌鋼41 鋼軌鋼的

19、現(xiàn)狀 目前研究和使用的主要是 珠光體型或索氏體型的碳素鋼軌鋼、合金鋼軌鋼和的熱處理鋼軌鋼碳素鋼生產(chǎn)成本最低，但組織為較粗大的珠光體，強度和韌性不很理想。合金鋼軌鋼是利用Mn、Cr、Mo、V等元索來提高其強度，改善其韌性，可獲得細(xì)化珠光體組織，但焊接性能不如碳素鋼軌鋼，而且生產(chǎn)成本也高 。熱處理鋼軌鋼主要通過熱處理獲得細(xì)微珠光體組織，是綜合性能最好的鋼軌鋼，熱處理設(shè)備投資較大。 42 珠光體鋼軌鋼的組織性能 珠光體鋼軌鋼的組織 碳素鋼軌鋼碳含量一般在0.60.8，組織為珠光體及少量鐵素體。 對于片層狀珠光體組織，其影響性能的主要幾何參數(shù)為珠光體團尺寸、珠光體片間距和滲碳體片厚度。滲碳體片層平均厚

20、度與珠光體片間距存在如下關(guān)系：42 珠光體鋼軌鋼的組織性能 珠光體鋼軌鋼的力學(xué)性能與成分、組織的關(guān)系 據(jù)德國卡契德費爾教授測定，珠光體鋼的只取決于位錯的平均自由行程或珠光體片間距。 屈服強度與珠光體片間距存在如下關(guān)系：屈服強度與珠光體片間距及成分統(tǒng)計關(guān)系：42 珠光體鋼軌鋼的組織性能 抗拉強度與珠光體片間距及成分統(tǒng)計關(guān)系：脆性轉(zhuǎn)變溫度與組織的統(tǒng)計關(guān)系 ：42 珠光體鋼軌鋼的組織性能 珠光體鋼軌鋼的變形性能與組織的關(guān)系 1957年巴雷斯提出了等幅脈動循環(huán)下亞臨界裂紋擴展速度的計算式： 對在KIc不能有效測定時，尤其是試樣尺寸比有效KIc測定所需尺寸小很多情況下，則試樣強度比作為材料韌性相對度量更

21、有意義： 42 珠光體鋼軌鋼的組織性能 從斷裂力學(xué)角度對金屬材料韌性提出了三個判據(jù)，即KIc、Rsb和dadN。有關(guān)單位曾對具有不同原始組織和斷裂韌性KIc值的鋼軌鋼斷口進行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)無論是拉伸斷口，還是KIc斷口，其微觀形態(tài)均是準(zhǔn)解理斷裂，其特征是在小斷面上存在典型晶體解理特征，如河流樣花紋，但有延性斷裂特征，如撕裂嶺和塑坑帶。 42 珠光體鋼軌鋼的組織性能 具有細(xì)片層間距(0.11m)的珠光體組織，形變開始時主要在鐵素體中進行，鐵素體中的滑移帶常常穿過珠光體組織，產(chǎn)生形變帶。有時把滲碳體片層分割成許多碎段。在珠光體團周圍的鐵素體中，形變十分明顯，常常迫使它整體旋轉(zhuǎn)。細(xì)片層組織形變范

22、圍較廣，滑移分布均勻，并發(fā)展為滲碳體片層彎曲現(xiàn)象；而粗片層組織(110m)形變很不均勻，主要在剪切形變帶中進行。 42 珠光體鋼軌鋼的組織性能 在具有片層狀珠光體組織中，滲碳片層有一定范性形變能力，且隨著片層間距的減小，變形能力增加。對具有細(xì)珠光體片層的鋼，在拉伸時滲碳體片可能發(fā)生滑移、彎曲現(xiàn)象、其斷裂機制與兩相組織相同。對具有粗珠光體片層的鋼，其塑性變形能力下降，斷裂過程遵循脆性斷裂機制。要使珠光體鋼既有高的強度，又有良好的韌性，應(yīng)設(shè)法減小其滲碳體片層厚度、珠光體片間距和珠光體團尺寸。 42 珠光體鋼軌鋼的組織性能 珠光體鋼軌鋼成分與組織的關(guān)系在碳含量一定時，如增加鋼中錳或鉻的含量，則可顯著

23、減小珠光體片間距。對于含釩鋼，通過含釩碳、氮化物在奧氏體中沉淀析出的沉淀硬化，而使晶拉細(xì)化。每含0.1的釩可使鋼的屈服強度提高60MPa。對于采用熱處理工藝的鋼軌鋼，其各種合金元素的作用是有一定限度的。在碳素鋼軌鋼中，錳含量上限為1.7，鉻含量上限為1.4，鎳含量上限為2，釩含量上限為0.7，鉬含量上限為0.1。 42 珠光體鋼軌鋼的組織性能 為發(fā)展高性能鋼軌鋼，各國采取了不同的方法。以美國為代表的北美國家采用高碳鋼軌鋼。歐洲一些國家則采用低中碳中錳鋼軌鋼。UIC吸收了美國高碳鋼軌鋼耐磨的優(yōu)點和歐洲低碳中錳鋼軌鋼韌性好的優(yōu)勢，設(shè)計了UIC900MPa級鋼軌鋼。日本國鐵在研究了高速鐵路運行特點的基礎(chǔ)上，提出了900MPa級三種鋼軌鋼的成分。 43 合金鋼軌鋼 隨著人們對珠光體鋼組織、成分與性能之間關(guān)系研究的探索，發(fā)現(xiàn)在碳素鋼基礎(chǔ)上加入適量合金元素，可有效地減小珠光體團尺寸、珠光體片間距和滲碳片厚度，從而提高鋼軌鋼屈服強度和抗拉強度。 世界各國開發(fā)珠光體型合金鋼軌鋼主要有三種類型： CrNbV合金鋼軌鋼、CrV合金鋼軌鋼、CrMo合金鋼軌鋼 44 21世紀(jì)鐵路的新型鋼軌鋼