一、研究的背景與問題
鐵路是國民經濟的大動脈，“客運高速、貨運重載”是我國鐵路的發(fā)展方向；隨著我國經濟快速發(fā)展，煤炭等大宗原燃料運輸需求不斷提升，重載鐵路已逐步成為我國貨物運輸的主力軍。重載鐵路鋼軌承重大，對鋼軌斷面和性能提出了更高要求。目前，我國重載鐵路采用世界最大的75kg/m鋼軌，最長定尺長度為75m。線路應用表明，鋼軌的焊接接頭傷損和疲勞傷損是制約重載鋼軌服役壽命的主要因素。采用100m長定尺，鋼軌焊接接頭數量較75m鋼軌顯著降低，可以從本質上減少焊接接頭傷損。同時，采用大斷面連鑄坯大壓縮比軋制可以提高鋼軌致密度，從而提高鋼軌的強韌綜合性能指標。當前國內主要鋼軌生產企業(yè)均采用280mm×380mm斷面生產重載鋼軌，本項目立足鋼軌長尺化和性能提升兩方面，開展了大斷面連鑄坯生產100m長尺75kg/m重載鋼軌關鍵技術研究及應用。
實現(xiàn)大斷面連鑄坯高質量生產百米長尺重載鋼軌，主要面臨以下技術難題。
1、無成熟的重載軌連鑄大斷面設計經驗可供借鑒。國內某廠此前開展過大斷面連鑄重軌鋼的研究，由于大斷面連鑄坯和鋼軌質量難以控制，大斷面連鑄坯生產重載鋼軌難度大而未開展工業(yè)化批量生產。因此，首要任務就是設計適合百米長尺重載鋼軌穩(wěn)定生產的大斷面連鑄坯。
2、大斷面連鑄坯質量控制難度高。連鑄斷面越大，高碳、高硅、高錳含量的鋼軌鋼越容易產生中心偏析、疏松和縮孔等缺陷，最終導致鋼軌軌腰缺陷嚴重。連鑄坯斷面越大，凝固過程鑄坯角部傳熱控制難度越大，容易產生角部裂紋、凸包等缺陷，軋制鋼軌若形成封閉缺陷則難以檢查發(fā)現(xiàn)，嚴重影響鋼軌服役性能。
3、大斷面連鑄坯生產百米長尺重載鋼軌高效高精度軋制難度大。隨著軋制壓縮比增加，軋制過程鋼軌頭部開裂的風險增大；鑄坯單重及材質強度的提升導致鋼軌通長規(guī)格尺寸波動大，表面缺陷增加，特別是軋疤缺陷控制難度更大。
因此，采用大斷面連鑄坯軋制大斷面長尺鋼軌已成為我國重載鐵路鋼軌亟待解決的問題。
二、解決問題的思路與技術方案
本項目的總體思路是：設計合理的連鑄斷面，突破高質量大斷面連鑄坯生產工藝和鋼軌高效高精度軋制關鍵技術，實現(xiàn)重載軌百米長尺化，提高鋼軌致密度和均質性，形成生產百米長尺重載鋼軌的集成技術。技術思路及方案見圖1。
圖1 項目技術思路及方案
三、主要創(chuàng)新性成果
1、揭示了連鑄斷面尺寸對鑄坯質量及軋制過程金屬變形影響規(guī)律，形成了百米重載軌連鑄大斷面設計理論，設計出100m重載軌用連鑄大斷面。
研究了連鑄斷面尺寸對重載軌鑄坯質量及軋制變形影響規(guī)律。參照國內外重載鋼軌鋼連鑄機斷面狀況，連鑄坯寬厚比在1.15～1.45范圍內。鑄坯寬厚比過小時，腰部延伸快，頭底延伸慢，產生頭底劈裂；鑄坯寬厚比大時，壓合過程中腰部出現(xiàn)疏松，產生軌腰分層劈裂。根據劈裂趨勢分析，即鑄坯斷面尺寸320mm×410mm鋼軌頭底劈裂的風險最低，該斷面較國內重軌鋼生產的連鑄主流斷面280mm×380mm增大了23.3%。
圖2 寬厚比對比軋制劈頭的影響
2、創(chuàng)建了重載軌結晶器+凝固末端電磁攪拌組合技術，研制了多錐度管式結晶器，開發(fā)了精準二冷工藝，形成了大斷面重載軌鑄坯質量控制集成技術。
分析了U78CrV重載鋼軌高溫延塑性特征，獲得了凝固過程鑄坯的脆性區(qū)間。研究了多錐度管式結晶器鋼液流場規(guī)律，研制了多錐度管式結晶器，保障了凝固坯殼均勻傳熱；在揭示大斷面連鑄坯凝固過程傳熱和凝固組織演變規(guī)律的基礎上，開發(fā)出精準二冷工藝，建立了鑄坯均勻冷卻和無角部裂紋重載軌連鑄工藝制度。揭示了電磁攪拌位置及攪拌參數對重載軌鑄坯凝固組織的影響規(guī)律，如圖3所示，建立了電磁攪拌工藝制度，連鑄坯碳元素最大偏析指數控制在1.10以內。
圖3 電磁攪拌對凝固組織影響規(guī)律研究
3、開發(fā)了大斷面連鑄坯軋制重載鋼軌斜軋工藝及平直度控制技術，開發(fā)出重載鋼軌穩(wěn)定、高效的孔型系統(tǒng)，解決了大斷面鑄坯軋制端部劈裂和通長規(guī)格波動技術難題,形成了百米長尺重載鋼軌高效高精度軋制技術。
研究了重載鋼軌大斷面鑄坯加熱過程應力變化規(guī)律，為避免應力變化過大導致鑄坯膨脹與開裂，關鍵要控制加熱爐內的溫差，采用低溫慢燒工藝，形成了重載軌大斷面鑄坯專用加熱工藝制度，解決了軋裂、軋斷或矯直斷裂等問題。
對大斷面鑄坯軋制百米重載鋼軌軋制全流程進行模擬仿真，獲得了大斷面鑄坯軋制過程金屬流演變規(guī)律，如圖4所示。開展了關鍵道次軋制仿真和工業(yè)試驗，掌握了鋼軌軌頭、軌腰、軌底不同部位壓縮比對鋼軌軋制過程軋件端部劈裂方向和形式的影響規(guī)律。提出了各軋制道次最優(yōu)孔型尺寸，開發(fā)出百米長尺重載鋼軌穩(wěn)定、高效的孔型系統(tǒng)。創(chuàng)新提出了大斷面連鑄坯軋制重載鋼軌斜軋工藝及平直度控制技術。實現(xiàn)了百米長尺重載鋼軌的高效生產，提高了成品鋼軌平直度、尺寸精度和表面質量。
圖4 鑄坯軋制過程金屬流演變規(guī)律
四、應用情況與效果
2014年項目立項以來，在充分調研國內外鋼軌鋼連鑄機裝備技術的基礎上，結合攀鋼國產化連鑄機裝備特點，綜合考慮鋼軌質量、生產順行等要素，結合數值仿真分析與驗證，最終設計出320mm×410mm斷面。先后攻克了大斷面高碳鋼連鑄坯表面質量控制、鑄坯內部質量控制、過程[H]控制、軋制劈頭控制等難題，形成了大斷面連鑄坯生產百米長尺重載鋼軌全套工藝技術。
該技術成功實施后，共生產鋼軌53.77萬噸，軋制鋼軌拉伸性能、踏面硬度、斷面硬度及表面質量等指標均滿足鐵道行業(yè)標準TB/T2344-2020要求。與280mm×380mm斷面生產的重載鋼軌相比，320mm×410mm斷面生產的重載鋼軌均質度、致密度、耐磨性等關鍵性能指標均得到提升，鋼軌斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速率得到改善。開發(fā)的百米長尺高性能重載鋼軌應用到大秦線等重載線路后，焊接接頭數量減少，大大降低了接頭斷軌風險，鋼軌服役壽命大幅延長，焊接及線路養(yǎng)護工作量大幅降低，重載鐵路運輸安全和運輸效率顯著提升，引領了重載鋼軌技術進步，對我國冶金技術和鋼鐵材料的自主創(chuàng)新與發(fā)展具有示范作用。圖5為大斷面重載鋼軌連鑄過程，圖6為生產的百米長尺重載鋼軌成品。
圖5 320mm×410mm斷面重載鋼軌連鑄坯圖6大斷面連鑄坯生產的百米長尺重載鋼軌成品
