钢轨生产技术

3．4
钢轨矫直




法国从1976年开始研究新的钢轨矫直工艺，到1981 年发明了钢轨拉伸法矫直的新工艺。 采用这种工艺，可以保证钢轨具有高的平直度精度 和微小的残余应力。 拉伸矫直是在钢轨两端施加大于被矫钢轨钢屈服强 度的拉力，钢轨在拉力作用下，沿其长度方向伸长， 伸长多少取决于平直度要求。 与辊矫工艺相比，拉伸矫直钢轨残余拉应力仅为辊 式矫直的1／10。
2．2
钢轨断面特点和发展趋势



改进轨头断面设计也是提高刚度和耐磨性方法之一。 各国在轨头踏面设计上遵循了这样一条原则：轨顶 踏面圆弧尽量符合车轮踏面的尺寸，即采用了轨头 在接近磨耗后的踏面圆弧尺寸。 UIC的60kg／m钢轨，轨头圆弧R300—R80—R13； 美国的56.9kg／m钢轨，轨头圆弧R254—R31.75— R9.52； 前苏联的65kg／m钢轨，轨头圆弧R500—R80—R15；
1．2

钢轨的发展趋势
普遍采用重型断面钢轨
从钢轨单重看各国普遍认为： 在大轴重、大运量的重载线路上应使用60～75kg／ m钢轨。 在车速小于160km／h的普通客运线路上应使用50～ 60kg／m钢轨 在车速超过160km／h的准高速及高速线路上应采用 60～65kg／m钢轨。


1．2





轨底底部全是采用平底，以使其断面有很好的稳定 性。轨底端面均采用直角，然后用小半径圆角，一 般采用R4～R2。 轨底内侧多采用两组斜线设计，斜线斜度有的采用 双斜度，也有的采用单斜度。 UIC60kg／m轨，采用1:2.75+1:14双斜度； 日本的60kg／m轨，则采用1:4单斜度； 中国60kg／m轨采用1:3+1:9双料度。

钢轨的发展趋势


研究开发马氏体或贝氏体钢轨钢 在钢轨的材质上随着钢轨工作条件的不断苛刻，对 钢轨性能也逐步提出了更高要求，要求钢轨钢的抗 拉强度从800MPa到900MPa到1100MPa，硬度从300HB 到350HB到388HB。 开发了碳素钢轨钢，且研制了合金钢轨钢和热处理 钢轨钢。 目前正开始研究马氏体或贝氏体钢轨钢，以获得比 珠光体钢更好的断裂韧性、耐磨性和抗疲劳性能。
2．2

钢轨断面特点和发展趋势



铁路车速和轴重的不断提高，要求钢轨具有更大的 刚度和更好的耐磨性。 为使钢轨具有足够的刚度，可适当增加钢轨高度， 以保证钢轨有大的水平惯性矩。 同时为使钢轨有足够的稳定性，在设计轨底宽度时 应尽可能选择宽一些。 为使刚度与稳定性匹配最佳，各国通常在设计钢轨 断面时控制其轨高与底宽之比，即H／B。一般H／B 控制在1.15～1.248。
3．4
钢轨矫直


辊式矫直工艺存在两种弊病： 一是造成钢轨残余应力大。过大的残余应力将会威 胁列车的行车安全，减少钢轨寿命； 二是辊矫工艺无法矫直每支钢轨的两端，为保证端 头的平直度，还必须采用压力矫对端头进行补矫， 即使这样，压力矫也很难使钢轨端头达到高速铁路 对钢轨端头平直度(0.1mm／m)的要求。
钢轨生产技术
1．钢轨发展概况 2．钢轨种类及断面特性 3．钢轨轧制生产工艺 4．钢轨钢研究现状与未来
1．1

钢轨的起源及演变

铁路运输是在16～17世纪由马车运输发展起来的。 钢轨最早的形式是木质轨。 大约1767年出现铸铁轨,标志钢轨的开始。 当时这种铸铁轨实际上是一块仅有1.5m长的铸铁板。 蒸汽机作为动力牵引货车和客车，推动了铁路运输 和钢轨的发展。 英国人乔治· 史蒂文森在1829年他设计出了被称为 “火箭”的机车。
2．2
钢轨断面特点和发展趋势


在轨腰与轨底过渡区，为实现断面平稳过渡，也采 用复曲线设计，逐步过渡与轨底斜度平滑相连。 UIC60kg／m轨，采用R120—R35—R7； 日本60kg／m轨，采用R500—R19； 中国的60kg／m轨，采用R400—R20。
2．2
钢轨断面特点和发展趋势
2．1

钢轨的品种


根据用途的不同，现代钢轨可以分为三类： 矿山铁路用轻轨、客货运铁路用重轨、吊车轨 根据钢种的不同，钢轨又可以分为： 碳素轨、合金轨和热处理轨三种。 按钢轨的力学性能，通常钢轨分为三类： 普通轨，它是指抗张强度不小于800MPs的钢轨； 高强轨，它是指抗拉强度不小于900MPa的钢轨； 耐磨轨，它是指抗拉强度不小于1100MPa的钢轨。
3．5
钢轨热处理工艺


钢轨热处理工艺按其原理分为三大类 ： 淬火回火工艺(QT工艺) 、欠速淬火工艺(SQ工艺) 、 控制轧制加在线热处理工艺，也称形变热处理 。 淬火回火工艺按加热方法可分为两种： 感应加热轨头淬火工艺 、整体加热整体淬火工艺 。 欠速淬火工艺按加热方法可分为三种： 感应加热欠速淬火工艺 、煤气加热欠速淬火工艺 、 余热热处理的欠速淬火工艺 。
3．3
钢轨孔型设计




国外某厂67．6kg／m钢轨及60kg／m钢轨孔型设计 以连铸矩形坯为原料，采用包括四个帽形孔、七个 轨形的孔型系统。 四个帽形孔全设计在第一架二辊式粗轧机上，粗轧 轨形孔(即切深孔)则放在第二架二辊式粗轧机上。 中轧则采用万能轧机加轧边机组成的中轧机组，轧 件在其上进行单道次或多道次可逆轮制。 为保证成品尺寸，轧件在精轧机上仅轧一道。精轧 机是由半万能精轧机与轧边机组成的。
3．1
现代钢轨生产工艺

目前，世界上主要采用两种现代钢轨生产工艺： 长流程工艺、短流程工艺。
3．1
现代钢轨生产工艺
3．1
现代钢轨生产工艺
3．2
钢轨轧制孔型系统




钢轨孔型系统分为两类：一类为孔型轧制法孔型系 统，另一类为万能轧制法孔型系统。 两者不同之处在于对具有初步轨形的轧件的进一步 加工和最终加工方法上。 孔型法是继续在二辊式轧机(或三辊式轧机)上采用 闭口式轨形孔进行中轧和精轧。 万能法是在万能轧机（包括二辊轧边机）上采用万 能孔型进行中轧和精轧。
3．3
钢轨孔型设计



孔型系统的特点： 吸收了万能法大压下系数的优点，设置了一个梯形 孔，使轧件变成一个高的矩形，有利于轧件在帽形 孔中能得到较大的压下量，与改善轨头和轨底质量； 在第一个帽形孔底部采用高的切楔和较大的张开角 度及圆弧半径，以利强化轨底； 轨形孔腰部均采用不等厚设计，以增加腿根部压下 量和宽展量，保证腿长的增长，同时适当减小轨形 孔宽展量，以保证轨高尺寸。
3．4
钢轨矫直几何条件：
1
钢轨矫直

反


1
弹

1
残来自百度文库
钢轨矫直应力条件： σ s≤σ 矫＜σ
b
3．4
钢轨矫直



钢轨矫直有三种工艺：压力矫直工艺、辊式矫直工 艺和拉仲矫直工艺。 压力矫直工艺速度低，仅用于对钢轨进行补充矫直。 钢轨常规矫直主要采用辊式矫直工艺。 在辊式矫直中又分为大变形量矫直与小变形量矫直。 采用大变形量矫直钢轨可以用较少的矫直棍对钢轨 进行矫直，但往往使钢轨的残余应力较大。 用小变形量矫直，则需要较多的娇直辊，但钢轨的 残余应力较小。
1．1

钢轨的起源及演变



1865年美国首先用轧制方法生产了钢轨，当时轧制 的钢轨单重为22.6kg。 从那时起直到现在，经历了130余年，钢轨断面形 状几经修改变化，但基本上保持了1865年所设计的 工字形断面形状。 由于机车动力的扩大，钢轨断面尺寸随之不断增加。 从1865年最初单重22.6kg，到1900年45.2kg，再到 1930年59.2kg轨 1947年以后设计了70.1kg重型轨。
3．4
钢轨矫直




用900MPa级UIC60kg／m钢轨和1100MPa级136RE合金 轨进行比较试验，拉伸矫直与辊式矫直相比： 钢轨的裂纹扩展时间要延长40％～60％，且具有低 的疲劳扩展速度。 总的使用寿命，拉伸矫直钢轨增加30％～50％，其 疲劳表面积增加50％以上，使钢轨寿命延长40％。 经过拉伸矫直，UIC耐磨轨屈服强度提高70Mpa， 136RE合金轨屈服强度提高90MPa。
3．2
钢轨轧制孔型系统



钢轨孔型系统一般采用： 箱形孔、梯形孔、帽形孔和轨形孔。 两种轧制法在钢轨粗轧阶段均采用箱形孔（或梯形 孔）、帽形孔和轨形进行开坯。 通常采用3～5个帽形孔，帽形孔配置在二辊式可逆 开坯轧机上 。 粗轧轨形孔也多配置在二辊式可逆轧机上，轧件在 粗轧轨形孔中变形，并逐渐接近成品钢轨断面尺寸。
1．2

钢轨的发展趋势

普遍采用重型断面钢轨 50年代平均轨重43～50kg／m，60年代平均轨重 49～52kg／m，70年代平均轨重52～65kg／m。 目前各国铁路采用钢轨的最大单重为： 中国60kg／m及75kg／m轨 前苏联65kg／m及75kg／m轨 日本60kg／m轨，法国60kg／m轨，英国57kg／m轨， 美国68kg／m，意大利64kg／m轨，波兰60kg／m轨。
3．3
钢轨孔型设计



国内60kg／m钢轨孔型设计 我国60kg／m钢轨断面采用铁道部推荐断面，轨高 176mm、头宽73mm、腰厚16.5mm、底宽150mm、截面 面积77.45cm2、单重60.35kg／m。 轧机为950／800轨梁轧机，原料为300mm×350mm初 轧坯，压缩比为13.5。 采用包括两个箱形孔、一个梯形孔、三个帽形孔和 五个轨形孔的孔型系统。
2．1

钢轨的品种



矿山铁路用轻轨 中国主要有：9kg／m、12kg／m、15kg／m、22kg／ m、30kg／m五种 日本主要有：6kg／m、9kg／m、10kg／m、12kg／m、 15kg／m、22kg／m六种。 客货运铁路重轨 中国主要有：38kg／m、43kg／m、50kg／m、60kg ／m、75kg／m五种。 日本主要有：30kg／m、37kg／m、40kg／m、50kg ／m、60kg／m五种。
2．2
钢轨断面特点和发展趋势



在轨头与轨腰过渡区为减少应力集中所造成的裂缝， 增加鱼尾板与钢轨间的摩擦阻力，在轨头与轨腰过 渡区也采用复曲线，在腰部采用大半径设计。 UIC的60kg／m钢轨，其轨头与腰过渡区采用R7— R35—R120。 日本的60kg／m轨，其轨头与腰过渡区采用R19— R19—R500。
2．2

钢轨断面特点和发展趋势



日本的60kg／m钢轨，轨头圆弧R600—R50—R13。 中国的60kg／m和75kg／m轨头圆弧R300—R80—R13 和R500—R80—R15 现代钢轨轨头断面设计的主要特点是采用复曲线， 三个半径。 在轨头侧面则采用上窄下宽的直线型，直线斜度一 般为1:20～1:40。 在轨头下腭处多采用斜度较大的直线，其斜度一般 为1:3～1:4。
1．3

中国钢轨的发展



我国的钢轨生产大约是从1894年开始的，由湖北汉 阳铁厂生产。 当时曾生产了从29.8kg／m到42.16kg／m的各种断 面钢轨。 建国后，先后兴建了鞍钢大型厂、武钢大型厂、包 钢轨梁厂和攀钢轨梁厂等。 这些厂经过多年现代化改造，现已形成钢轨生产能 力达150万t／a。
3．3
钢轨孔型设计



国内75kg／m钢轨孔型设计 75kg／m钢轨断面采用前苏联国家标淮断面，即轨 高192mm、轨头宽75mm、底宽150mm、腰厚20mm、断 面面积95cm2。 轧机为950／800轨梁轧机，原料为300mm×330mm初 轧坯，压缩比为13.5。 采用1个梯形孔、3个帽形孔和5个轨形孔孔型系统。 其主要特点是在第一个荒轧帽形孔设计上采用较大 的压下系数，以强化轨头、轨底。
3．4
钢轨矫直



在钢轨标准中各国均做出严格规定，即成品钢轨必 须以平直状态交货，就必须对钢轨进行矫直。 钢轨的矫直过程是一个弹塑性变形的复杂过程。 可分成两个阶段：反向弯曲阶段和弹性恢复阶段。 在反向弯曲阶段，钢轨受到外力和外力矩作用，产 生弹塑性变形； 在弹性恢复阶段，钢轨在存储在自身内的弹性变形 能的作用下，力图恢复到原来的平衡状态。
1．1

钢轨的起源及演变



从1767年以后一直到大约1830年，人们一直是生产、 使用铸铁轨，这种铸铁轨大多为T字形状，车轮在 轨头突缘的限制下可防止下道。 1831年波· 奥埃伯设计出单重18kg工字形轨，其 奥· 断面轮廓已接近我们现代钢轨。 在这之后又有人设计出U形断面轨和其他形状轨， 但这些断面轨均在行车实贱中逐步被淘汰。 到1858年，钢轨的形状基本固定下来，即工字形面， 那时的钢轨单重达38kg。