钢轨万能轧制过程金属纵向流动规律的理论和实验

为分析钢轨万能轧制过程中轨头、轨腰以及轨底的纵向流动机理,根据钢轨断面特点,给出了轨头与轨底等效压下系数计算公式,并考虑了轨头与轨腰以及轨底与轨腰之间的金属横向流动体积的影响;基于轧制前后体积不变条件,推导出了轨头、轨腰及轨底的延伸系数计算模型,得到了钢轨各部分压下系数以及宽展系数对其纵向流动规律的影响。为验证理论模型,进行了钢轨的万能热轧实验,实测了不同轧制规程时钢轨各部分的延伸系数,并与理论计算结果进行比较。理论计算结果与实验结果误差不超过±5%,说明理论模型具有较高的预测精度,可用于钢轨万能轧制实践。     

波纹轨腰钢轨的变形特点分析

基于有限元软件ANSYS/LS-DYNY,模拟了波纹轨腰钢轨的轧制过程。分析轧制波纹轨腰钢轨时,咬入条件、变形区、伸长系数、前后滑区等与轧制普通钢轨的不同。通过其轧制变形特点的分析,找出轧制波纹轨腰钢轨轧制力大的原因。结果表明,轧制波纹轨腰钢轨时,只要轧件与齿型辊接触,就能保证咬入;轧制形变区的存在对金属起到了预变形的作用,同时也是轧制力较大的原因;为了保证波纹轨腰轨头和轨底的均匀伸长,应使轨腰的总体伸长系数与轨头和轨底的伸长系数一致。     

钢轨焊接接头冲击吸收功统计与分析

统计与分析了U71Mn和U75V系列钢轨接头的室温冲击吸收功性能及规律,系统全面地了解了钢轨焊接接头冲击性能特点,可为焊接工艺制订规范和质量控制提供参考依据。统计与分析结果表明:铝热焊、移动焊、固定焊和气压焊接头冲击吸收功的平均值分别为4,14.1,13.8,14.1 J,铝热焊接头的韧性最差,闪光焊和气压焊相当;不同焊接方法不同系列钢轨(除气压焊外)的冲击吸收功平均值轨头轨底轨腰;气压焊接头冲击吸收功平均值轨底轨头轨腰;轨腰由于脆性夹杂物、疏松、偏析等缺陷原因冲击吸收功最低。U71Mn和U75V系列钢轨焊接接头全断面各部位的冲击吸收功变化规律相似,距离钢轨断面对称中心线越近,冲击吸收功越低。     

残余应力对钢轨焊接接头落锤试验性能的影响

对钢轨窄间隙电弧焊接头热处理前后的残余应力分布进行了测量和比较,结合落锤试验结果和断口形貌,分析了焊接残余应力对钢轨接头落锤试验性能的影响.结果表明,热处理前,钢轨接头的轨腰和轨颚部位存在较大残余拉应力,在落锤冲击载荷作用下容易形成裂纹源,并沿轨腰向母材延伸、扩展、断裂;热处理后,钢轨接头的残余应力最大值下降1/2~2/3,抗冲击载荷能力显著提高,落锤试验时的钢轨接头沿焊缝中心或热影响区垂直断裂.钢轨接头存在较大残余应力时,在落锤冲击载荷作用下,容易在残余应力较大的部位产生裂纹,并加速扩展和断裂.     

自主改良加热线圈形状尺寸

为了改善钢轨焊接接头热处理性能,以减小热处理加热过程轨头与轨底脚温度差,提高轨头、轨底三角区、轨底脚等薄弱部位内部组织晶粒度为优化目的,通过试验分析了热处理加热感应器的形状、加热温度、频率、功率等对轨头与轨底脚温度差的影响,发现合适的感应圈形状和尺寸比例是热处理工艺参数优化的基础,红海焊轨厂针对对外采购的感应圈,根据车间辊道线水平程度、正火控制柜功率等实际情况,自行改良了感应圈的形状尺寸比例,接头的显微组织、晶粒度等力学性能得到了显著改善。     

ОТЧЕТ ПО ОПЫТУ ИСЛЕДОВАНИЯ ЗАКАЛКИ КОНЦОВ РЕЛЬСОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ТОКОМ

为了提高钢轨在线路上的使用寿命,近代各国发展了将轨端加强的热处理新技术,本文着重阐述鞍钢在掌握轨端高频电流淬火中所进行的一系列研究试验,研究结果指出,经高频电流淬火的轨端各项物理机械性能比未淬火的要提高1/3年至1倍,此外,并较细致地研究了轨端淬火层的组织,对钢轨在高频电流淬火自身回火后所生成的组织特征获得初步的了解。     

P43-重轨轨端高频电流淬火研究试验报告

为了提高钢轨在线路上的使用寿命,近代各国发展了将轨端加强的热处理新技术,本文着重阐述鞍钢在掌握轨端高频电流淬火中所进行的一系列研究试验,研究结果指出,经高频电流淬火的轨端各项物理机械性能比未淬火的要提高1/3年至1倍,此外,并较细致地研究了轨端淬火层的组织,对钢轨在高频电流淬火自身回火后所生成的组织特征获得初步的了解。     

客运专线道岔尖轨热处理工艺与装备的优化

简述了线路钢轨感应加热、吹风加喷雾两段冷却淬火工艺和道岔AT尖轨轨头感应加热、全吹雾淬火工艺的优缺点。提升和优化了客运专线道岔60D40尖轨轨头中频感应加热、全吹风冷却的SQ工艺。诸如改进了轨头用加热感应器;设计并采用全吹风通用冷却器装置;实现了在线测温及主要工艺参数由PLC触摸屏显示、储存;采用了预弯反变形技术与装置以减少尖轨最终变形。客运专线道岔60D40尖轨热处理后形状检验与性能试验表明,特征断面的加热层形状、硬化层深度、硬度及其分布、显微组织、跟端变形段包括热影响区段表面硬度及其分布、轨头试样拉伸和轴向疲劳性能、轨底中心纵向残余应力,以及线面形位公差等各项质量技术指标,均满足TB/T 1779—1993《道岔钢轨件淬火技术条件》、铁科技[2005]135号《客运专线道岔制造验收暂行技术条件》等要求。     

钢轨超声检测典型损伤B显图谱特征分析

以提高钢轨损伤分析判断准确率为目的,介绍了数字式钢轨检测回放软件,讨论了60 kg/m钢轨接头、焊缝在正确拼孔下对应的超声波B显特征图谱,分析总结了典型钢轨损伤B显图像特征。结果表明:通过对钢轨超声B显特征图谱及钢轨典型损伤B显的分析,可以有效提高钢轨损伤分析判断的准确率,减少损伤的漏检;典型钢轨损伤中,轨面鱼鳞损伤B显图像会出现一、二次波;具有倾斜角度的螺孔斜裂纹,早期检测较难发现;轨头、轨底焊筋波处前后交叉出波表示该处焊缝异常;对于焊缝轨腰水平裂纹,轨腰推瘤打磨可有效避免其突发性断裂。以上结果为钢轨超声检测典型损伤分析提供了重要的参考依据。     

钢轨内残余应力的产生及其危害

从钢轨的生产工艺和使用情况人手，分析了钢轨内部残余应力的产生原因、分布状态。结果表明：钢轨在生产和使用过程中均可以产生残余应力；钢轨内部存在大且不合理的残余应力(轨头、轨底拉应力，轨腰压应力)，将会影响钢轨的使用和落锤性能，严重时会造成线路钢轨的突发性断裂或落锤试验不合格。     

U71Mn钢钢轨轨端热处理工艺改进

对钢轨轨端采用加热空冷、加热风冷、淬火 回火3种不同的工艺进行热处理，并对处理后钢轨踏面的组织、性能进行对比分析。结果表明，钢轨轨端采用加热风冷的热处理工艺是可行的，用该工艺处理后钢轨轨端的组织、性能能够满足标准要求。     

在线连续冷却对U75V钢轨组织和性能的影响

研究在线连续冷却热处理工艺对60 kg/m U75V钢轨显微组织、拉伸性能以及硬度的影响。结果表明,在线连续冷却热处理工艺可以有效地细化珠光体片层间距,显著提高U75V钢轨屈服强度、抗拉强度、轨顶面中心线及轨头横断面硬度,一定程度提高钢轨的断后伸长率,有效保证生产质量的稳定。     

钢轨欠速淬火加热感应器的改进

通过研究和制造新型的纵向钢轨加热感应器与目前的横向加热感应器配合使用,使钢轨加热时轨头踏面和圆角温差从原来的(100～120)℃降低到(40～50)℃,从而使淬火轨轨头硬度更加均匀。由于减小了温差,轨头圆角的加热温度得以降低,韧塑性得到提高,且细化了金相组织。     

上限原理在重轨万能轧制过程平均温度计算中的应用

在重轨万能轧制过程中,首先建立了简化的三维几何模型,然后分别给出了轨腰、轨头及轨底的运动学许可速度场以及相应的应变速度场和剪应变速度强度。根据上限原理分别求出了轨腰、轨头及轨底在运动学许可速度场下的塑性变形温升和摩擦温升,并且求得了轧件在相邻机架之间的穿梭温降。根据水平辊和立辊的能量平衡条件求出了接触温降,得到了轧件在单个机架上变形前后的温度变化。为了验证理论模型,对轧制过程的温度变化进行了刚塑性有限元仿真,得到了钢轨各部分的平均温度的有限元解。通过比较理论解、有限元解和实测表面温度可知,上限原理求得的平均温度值大于表面温度实测值,而且接近于有限元解,能更准确地表示轧件温度。因此,根据上限原理控制轧制温度从而控制钢轨的微观组织变化以得到高质量钢轨是可行的。     

高锰钢辙叉与U71Mn钢轨闪光对焊接头组织分析

利用Gaas-100/580型闪光对焊机对ZGMn13高锰钢辙叉与U71Mn钢轨进行整轨焊接,分析了轨头、轨腰和轨底焊接接头拉伸、冲击、硬度分布等力学性能以及组织结构。结果表明,焊接接头各项力学性能均达到了国家铁路局有关标准要求,焊接接头高锰钢侧热影响区晶粒因动态再结晶而变得细小,钢轨钢侧热影响区为珠光体组织,没有马氏体出现;高锰钢辙叉与U71Mn钢轨采用直接闪光对焊是可行的。     

基于功率最小原理和遗传算法的钢轨万能轧制过程宽展预测

为得到钢轨万能轧制过程轨头和轨底的精确宽展,以轨头和轨底宽展为待定参数,在坯料断面尺寸、设备参数、轧制工艺参数已知的基础上,基于上限原理推导得出包含轨头和轨底宽展系数的钢轨万能轧制过程总功率表达式,并应用MATLAB软件遗传算法工具箱编写M文件对钢轨万能轧制总功率进行单目标优化,得到轧制功率最小时的轨头和轨底宽展系数。为验证理论模型,对18kg/m轻轨进行万能轧制实验,并用DEFORM软件模拟其万能轧制过程,将优化后宽展系数与实验结果进行对比,两者误差小于2%。     

波纹轨腰钢轨的力学性能和显微组织研究

波纹轨腰钢轨是在波纹腹板H型钢的基础上提出的。建立了普通钢轨和波纹轨腰钢轨的有限元模型,用ANSYS/LS-DYNA软件比较了波纹轨腰钢轨和普通钢轨的动力学性能。并在材料实验机上进行了波纹轨腰钢轨的静力学实验。通过动态模拟和静力学实验均表明波纹轨腰钢轨的力学性能优于普通钢轨。对波纹轨腰钢轨和普通轨进行显微组织观测分析,波纹轨腰钢轨的显微组织与之相差不大。由此得出,波纹轨腰钢轨的力学性能优越的原因在于其特殊的结构形式。     

用JIS标准生产15kg/m轻轨的孔型设计

轻轨主要用于森林、煤矿运输轨道。要求有较高耐磨、耐蚀性,特别是在矿井中,腐蚀情况相当严重。不同的矿井中水的PH值不同,一般为2～10。即有的呈酸性,有的呈碱性。在很多情况下,轨头磨损并不严重,但由于轨底腐蚀严重固定不牢而报废。据用户反映,按我国YB220—78标准生产的轻轨,一般寿命为7～8年,而进口轻轨的平均寿命为10年以上。影响轻轨寿命的主要因素是钢轨的化学成份和断面形状。我国冶标轻轨与日本JIS标准轻轨的化学成份相差不大,如表1所示。而断面形状,二者差别较为明显。JIS标准轻轨轨形矮、轨腰厚、轨头宽、轨底大而厚;我国冶标轻轨则轨形高、轨腰薄、轨头窄、轨底小而薄,如图1所示。     

重轨轨头廓形尺寸精度控制的有限元分析

重轨轨头的廓形精度是衡量高速铁路用钢轨质量水平的重要指标之一。采用有限元方法对半万能工艺下UF轧制过程进行了模拟,通过对比实验,分析了来料宽度、水平辊压下量及腹高差值变化对轨头与轨腰间金属横向流动及轨头廓形成形精度的影响。结果表明,轨头部分来料宽度变化对轨头与轨腰间金属横向流动基本无影响;水平辊压下使轨腰金属向轨头流动,使轨头展宽量增大;腹高差值使轨头金属向轨腰流动,使轨头展宽量减小,在两者综合作用下,轨头金属最终向轨腰流动,造成轨头金属量减少,孔型设计时应考虑此偏差造成的头腰延伸率不匹配及廓形充满度问题。轨头部分来料宽度变化会直接改变轨头金属量进而影响其廓形精度,孔型过充满后,来料宽度增加引起的轨头展宽量显著增加;腹高差值过大或水平辊压下量过大均会加剧轨头与轨腰间金属横向流动,不利于降低钢轨轧后残余应力。     

R350硬头轨离线热处理工艺试验

用60D40特种断面钢轨制造道岔尖轨,我国过去的制造技术路线是:先机加工轨头变截面,后对轨头感应热处理.实践表明,尖轨轨头工作边平直度很难达到客运专线道岔制造验收暂行技术条件,且生产效率较低.为使其制造路线改造为轨头先热处理后机加工,对60D40钢轨进行了R350硬头轨离线热处理工艺的近百次试验.试验结果表明,表面硬度、断面硬度分布、拉伸性能和显微组织各项质量指标均达到了BS EN 13674-2:2006中R350HT硬头轨欧洲标准的技术要求.本试验为我国道岔制造技术的提升并与国外标准接轨打下了基础.