轧钢生产工艺技术3000问第四章高速铁路与钢轨

轧钢生产工艺技术3000问第四章高速铁路与钢轨内容摘要：

的跟踪、生产经营情况和产品质量情况的动态分析等。 由于管理信息量巨大，故常要用中型以上的计算机实现。 欲 实现整个钢轨生产、经营的自动化，常采用四级自动化控制系统。 第一级为工序管理基础级，它在炼钢、连铸、万能、精整等各工序操作站内，它采用PLC 和工业电视对现场各设备系统进行操作值设定、改变操作方式，其中包括模拟画面显示，以及所有重要模拟变量的变化趋势显示等。 它与第二级直接联网，具有人工控制终端，能进行数据通讯和条码识别。 第二级为局部生产过程控制级，它由设在各操作室内的 Micro Vax机组成，与第一级共同组成工艺过程控制系统。 它可以实现对炼钢、连铸、轧钢等各生产过程的操作指导、物流跟踪、设备 状态监控、数据传输和管理、打印报表等多项功能。 第三级由一台单独的 Micro Vax机与第二级联络，利用第二级提供的数据，实现远程选取数据和数据分析。 第四级采用 HP300— 935，这是一个高性能大型计算机，它具有 96MB 内存和 2． 5GB外存，它能支持 150个终端。 它一般设在厂部，用它来对全厂生产经营、技术质量管理、财务管理、原材料设备管理、人事管理实现在线控制，及时提供有关信息数据，帮助企业领导人进行生产、经营决策。 有关钢轨生产活动自动化控制系统可参见图 47。 该系 统可以帮助生产者和经营者随时查询从炼钢到精整每班生产情况，可以及时提供有关每班每日生产量、检查量、发货量情况，可以提供每日产品质量情况，包括一级品率、废品原因及数量情况。 该系统可以为操作者提供有关生产技术数据，如温度、压力、能耗、质量、流量、设备运转情况等，帮助操作者实现最佳工艺操作。 该系统可以为管理人员提供了解有关企业经营情况所需要的基础数据，帮助管理者进行经济技术分析、财务成本分析、能源消耗分析等。 706．采用连铸大方坯工艺生产钢轨的优点是什么 ? 随着连铸技术的进步 ，日益显示出连铸比模铸在钢轨生产上的优势。 连铸坯比模铸坯具有良好的表面质量和内部质量，以及更高的金属收得率。 更重要的一点是，由于连铸坯的冷却速度快，铸坯内部晶粒细化、成分均匀，所以铸坯的钢质洁净度好，硫的偏析现象一般比模铸轻，有利于改善钢轨的焊接性能。 鉴于上述原因，从 20世纪 70年代世界各钢厂就开始采用连铸坯代替模铸坯生产钢轨，得到了各国铁路部门的认同。 到 20世纪 80年代中期，除少数钢厂还沿用模铸工艺生产钢轨外，大多数钢厂均已采用连铸法生产钢轨。 连铸加万能法生产钢轨的工艺是近几十年来冶金技术的重大 进步。 通过二十多年铁路运行实践，已证明用连铸坯生产的钢轨在使用性能上优于用模铸坯生产的钢轨。 707．采用连铸工艺生产钢轨钢的特点有哪些 ? 无论是采用转炉还是电炉冶炼，均需有精炼设备和脱气设备，以保证连铸用钢水的化学成分能控制在一个比较窄的范围内，尤其是对高碳钢所敏感的 [H]的控制，必须采用真空脱气才能实现。 对用于高速铁路的高纯净度钢轨钢，要采用复合脱氧剂 (Ca— Si— V)脱氧，并尽量减少使用铝，以减少 A12O3夹杂物含量，提高钢轨钢的疲劳寿命。 为保证铸坯具有良好的低倍组织，在高碳 钢轨钢的浇铸过程中必须采取如下措施： 要严格控制中间罐钢液温度，一般不应高于液相线 20℃ ，这样有利于等轴晶粒生长，减少柱状晶比例，从而改善钢坯内部偏析。 为防止在连铸过程中由于“晶桥”现象所造成的“小钢锭”现象，各国专家一致认为在结晶器外安装电磁搅拌装置对生产高碳钢轨钢是必须的，对二冷区和凝固末期是否安装尚有不同看法。 近年来，通过对普碳板坯改善偏析的研究发现，对处于凝固末期的铸坯进行“软压下” (Softreduction)，对改善偏析效果明显，但对于高碳钢尚未有资料证明是否可行，尚待进一步的 工业实验证明。 要严格控制铸速，一般可控制在 0． 5～ 0． 8m／ min。 控制拉速主要是防止液芯过大，而造成拉矫过程漏钢。 要控制二冷区冷却强度的合理匹配，尤其要注意防止角部过冷，角部过冷常常使钢坯角部出现偏析。 在整个浇铸过程中，要采取措施防止钢液被空气二次氧化和被钢渣污染。 各国普遍采取的主要措施是：在钢包与中间包之间采用长水口，在中间包和结晶器之间采用浸入式水口，并在这些水口内部通氩气保护；在结晶器上液面采用保护渣，让钢液与空气隔绝；在中间包采用挡渣墙并进行中间包液面高度的自动控制， 采用大中间包等措施防止钢渣被钢液旋流卷入。 更重要的是严格保持结晶器的钢液液面高度的稳定性，一般多采用 Co 60测量钢液面变化，有的也采用激光测量。 708．连铸坯断面尺寸与成品钢轨断面尺寸的最佳匹配应如何选择 ? 为保证成品钢轨性能，各国对连铸坯断面与成品断面之间的关系进行了一系列对比实验，从而获得了适合本国钢种的连铸坯最佳尺寸。 对高碳钢轨钢而言，其压缩比瑞典最小，为 6． 3： 1，南非海韦尔德厂最大，为 27． 8： l。 世界各国所选连铸坯尺寸与成品尺寸之比 综合平均为 12． 5： l。 对 50kg．／ m钢轨 平均压缩比为 11： 1，对 60kg,／ m钢轨平均压缩比为 11． 2： 1，对 65kg／ m 钢轨平均压缩比为 11． 6： l。 从上可以看出，随着钢轨断面增大，也有增大连铸坯断面的趋势，以获得更大的压缩比，来保证钢轨实物低倍质量。 根据这一原理，新日铁生产 60kg／ m钢轨时采用了断面积为 1156cm2的 340mm 340mm方形连铸坯；加拿大悉尼厂为生 U65． 5kg／ m钢轨选择了断面积为 1135． 5cm2的 2。 79mm 406mm的矩形连铸坯。 近年来的研究又发现，断面形状对连铸坯内部质量有很大影响，矩形坯比方形坯有更好的内部 质量，尤其是对改善偏析较为显著。 第三节钢轨质量控制 709．如何降低钢轨中残余应力 ? 降低钢轨残余应力的措施： (1)改进钢轨矫直工艺是降低钢轨残余应力的重要途径。 实验测定，采用卧矫工艺可以比立矫减小钢轨残余应力水平约 50～ 100MPa，而拉伸矫直又可比卧矫减小钢轨残余应力水平。 (2)采用全长淬火可以使轨头残余拉应力变为压应力，有利于提高钢轨疲劳寿命。 (3)对焊接轨采取焊后回火，可以减小轨头下腭处和腰部拉应力。 (4)对垫轧钢轨要千方百计减小其矫前弯曲度 ，这也有利于减小矫直所造成的残余应力。 710．钢轨中的残余应力水平及分布情况如何 ? 众所周知，钢材中残余应力的存在对钢材的使用性能尤其是疲劳性能有很大影响。 钢材中残余应力的形成主要有三个途径：钢材在热轧或焊接后其断面的不均匀冷却、钢材组织发生相变、钢材受到矫直等冷加工。 残余应力在钢材中常以不同的形态存在和表现，我们通常可把残余应力分为三类：第一类是受外力作用所引起的残余应力；第二类是由于组织变化所引起的残余应力；第三类是由晶粒之间的微观应力所引起的残余应力。 钢材沿长度方向的残余应 力可表示为： σr=一 Eε 式中： E—— 弹性模量； ε—— 应变。 负号表示残余应力方向与应变方向相反。 残余应力对钢材疲劳性能的影响可表示为： σ=σR177。 σr 式中： σ—— 钢材的实际强度； σR—— 钢材疲劳强度； σr—— 残余应力。 从上式可以看出，当钢材中存在残余拉应力时，钢材的实际强度要小于其疲劳强度。 国内外研究指出：造成钢材缺陷尖端的应力强度因子有三个：一是工作应力，二是残余应力，三是温度应力，当三者全为正值而叠加时，会造成金属的加速破坏。 711．什么是钢轨涡流探伤技术 ? 从 1970 年开始，人们已采用涡流技术检测钢轨表面缺陷，第一台在线涡流探伤装置出现在 20 世纪 80年代初期，现在世界上已有 60％的钢轨生产厂采用涡流探伤技术检查钢轨表面缺陷。 与人工肉眼检查相比，涡流探伤更可靠，探伤速度可达 1— 1． 5m／ s，检测精度可达177。 0． 1mm，其所能检测缺陷的最小深度为 0． 3mm，其检测的准确率可达 99％。 现采用的涡流探伤装置主要有两种，一种是带有固定探头的涡流探伤仪，另一种是带有扫描装置的涡流探伤仪。 带有固定探头的涡流探伤仪，主要用于检测钢 轨头部表面缺陷，其装置如图 48所示。 其探头按不同方向排列，覆盖整个轨头表面，可以检测钢轨轨头纵向及横向上的表面缺陷，可检测出深度在 0． 3mm以上、长度在 20mm 以上的缺陷。 1983 年又有一种可检测钢轨全 断面的具有固定探头的涡流探伤仪投人使用，它总共采用 28个固定探头，组成 14个频道系统。 其中轨头采用 6个探头，轨腰采用 6 个探头，轨底采用 16 个探头，这样可覆盖整个钢轨断面。 采用频率为 25kHz，探头与钢轨之间的间距为 4mm，探伤速度为 1． 5m／ s。 整个检测过程和数据处理全部采用微机进行自动控制。 具有扫描装置的涡流探伤仪是借助安装在其旋转扫描装置上的探头，对钢轨表面缺陷进行检测。 其扫描装置旋转速度为 2020r／ min，它可发现在钢轨表面深度为 0． 4～ 1mm的缺陷，检测速度为 1m/s。 该装置的计算机系统可以自动识别缺陷信号，并分类这些信号。 它的喷枪装置对有缺陷的钢轨进行标记和打印报告。 近年又开发了一种带有固定探头和扫描装置的新型涡流探伤仪，其装置如图 49所示。 712．什么是钢轨磁粉探伤技术 ? 磁粉探伤的优点是简便，国外约有 30％的钢轨生产厂采用这种方法。 开始是采用人工磁粉探伤，但速度慢，效率低，后发展了在线磁粉探伤技术，其原理如图 410 所示。 在线磁粉探伤速度可达 0． 75～ 1． 0m／ s。 其工作原理是首先通过磁极将钢轨磁化，然后用喷枪将带有荧光的磁粉喷吹到整根钢轨表面，磁粉将吸附在表面缺陷处，带有缺陷的钢 轨可给人工或计算机控制下的传感器识别，根据标准要求与人工缺陷样轨进行比较后，仅在那些超过标准的缺陷处留下标记，为检查员判级和修磨提供依据。 这种磁粉探伤仪对深度超过 0． 13mm、 0． 25mm、 0． 38mm的裂纹等缺陷能灵敏反应。 其优点是设备投资少、可靠性高；缺 点是操作成本较高，不能对缺陷进行准确分类。 713．如何对钢轨内部质量进行检测 ? 对钢轨内部质量的检测主要采用热酸、硫印和超声波几种方法。 前两种方法仅能对钢轨个别试片进行检测，不能反映整支钢轨内部质量全貌。 超声波探伤是近三十年发展起来的一种高效无损探伤法。 它既可检测钢轨局部内部质量情况，也可检测钢轨全断面和全长内部质量情况。 它能发现和定位存在于钢轨内部的各种冶金缺陷，如麻点、夹杂、气孔等。 超声波探伤通常采用脉冲回声技术，采用的脉冲频率为 4一 7MHz，探头与钢轨之间的耦合剂采用水或油。 为确保检 测精度和可靠性，每次检测前都要用标准人工试样校对仪器灵敏度。 现在使用的在线超声波探伤装置，检测速度可达 0． 7～ 1． 5m／ s，其准确率至少可达 95％以上。 现在世界上钢轨生产企业已全部采用超声波探伤技术检测钢轨内部质量，所使用探伤仪均为多探头型，主要有： 6个探头、 12 个探头和 24个探头几种，这几种探伤仪主要区别是探伤盲区大小不同，探头越多其盲区越小。 采用激波 (shock wave)探头也能减少盲区。 这几种探伤装置如图 411 至图 413 所示。 20世纪 80年代末又开发 成功一种多探头在线探伤装置，其轨头、轨腰采用一组探头，轨底采用一种带转轮的探头，整个系统采用计算机进行过程管理和数据处理。 714．如何对钢轨外观尺寸进行检测 ? 钢轨外观尺寸检测主要包括：成品钢轨断面尺寸的检测，如轨高、头宽、底宽、腰厚、底凸凹和不对称度等。 (1)钢轨平直度检测装置。 目前用于钢轨端头平直度测量的激光装置已研制成功，该装置可以精确地测量距轨头 1． 5m 以上钢轨水平或垂直方向的平直度。 该装置由一个带电位计的测尺和一个弹性扣针组成，在扣针上有一个灵敏的位移传感器，它随被测表 面移动，不断把信号传给计算机数据处理中心，经过数据处理计算机绘出被测表面不平度曲线，见图414。 (2)钢轨踏面不平度检测。 采用激光技术与计算机波形分析技术，可以精确地测量钢轨踏面起伏波动在 0． 05mm以上的不平度。 这个测量装置由一个测量轨高的激光仪和一个测量踏面不平度的传感器组成，借助计算机波形分析技术，它可以把钢轨踏面不平度有关数据打印出来，如超过规定，其标记装置将在钢轨上喷上标记。 (3)钢轨波浪弯曲检测。 采用一支 3m长的刚性直尺，在直尺上安有 4个高精度位移传感器，在对钢轨进行测 量时，装在刚性直尺上的位移传感器不断发出变化的脉冲信号，信号经计算机处理后，打印出被测轨全长波浪弯曲状况图。 (4)钢轨轨高检测。 对轨高的检测是采用大量接触式激光仪进行测定，其所用探头频率为 16KHz，通过调整探头，可以测量不同断面钢轨轨高。 715．在线钢轨检测系统对计算机有何要求 ? 经过冶金工艺专家和自动化专家的共同努力，现已使钢轨质量检测技术达到了一个更高的水平，即成立钢轨质量在线自动化检测中心。 这个在线全自动钢轨检测中心，以计算机技术为基础，在线检测后进行数据整理加工，最后。