一種降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法以及所得鋼軌及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明涉及制鋼領(lǐng)域，具體地，涉及一種降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法，以及根據(jù)該方法得到的鋼軌及其應(yīng)用。所述降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法包括將軋制后所得鋼軌的軌頭踏面中心、軌頭兩側(cè)和軌底中心部位依次進行加速冷卻、緩慢冷卻和空冷，所述加速冷卻的開冷溫度為650?950℃，冷卻速度為2?8℃/s，終冷溫度為400?600℃，所述緩慢冷卻的冷卻速度為0.1?1.5℃/s，終冷溫度為180?300℃。本發(fā)明的方法能夠在保證鋼軌的拉伸性能的前提下有效降低鋼軌的殘余應(yīng)力，提高平直度。本發(fā)明的鋼軌特別適用于高速鐵路。
【專利說明】
一種降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法以及所得鋼軌及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及制鋼領(lǐng)域，具體地，涉及一種降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法，以及根據(jù)該方 法得到的鋼軌及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高速鐵路的列車速度的提升，列車運行速率由90年代最高速100kg/h逐漸提 升至如今200kg/h、250kg/h、300kg/h以及350km/h。列車速度的提高，以及乘客對列車乘坐 舒適度的提高，對鋼軌平直度和表面質(zhì)量提出了更高的要求。現(xiàn)有提高鋼軌平直度和表面 質(zhì)量的方法主要集中余鋼軌乳制及矯直過程中，但并不能很好的降低鋼軌的殘余應(yīng)力，同 時較高的矯直力帶來的是鋼軌表面的擦傷和矯痕。因此，現(xiàn)有方法難以有效滿足鋼軌的生 產(chǎn)要求，亟需一種降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的鋼軌的殘余應(yīng)力較高、平直度和表面質(zhì)量不夠好 的缺陷，提供一種降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法以及該方法得到的鋼軌。本發(fā)明的鋼軌具有較 低的殘余應(yīng)力，平直度較高，表面質(zhì)量較好，能更好地適用于平直度較高的高速鐵路上的應(yīng) 用。
[0004] 本發(fā)明提供了一種降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法，該方法包括將乳制后所得鋼軌的軌 頭踏面中心、軌頭兩側(cè)和軌底中心部位依次進行加速冷卻、緩慢冷卻和空冷，所述加速冷卻 的開冷溫度為650-950 °C，冷卻速度為2-8 °C/s，終冷溫度為400-600 °C，所述緩慢冷卻的冷 卻速度為0.1-1.5°(：/8，終冷溫度為180-300°(：。
[0005] 本發(fā)明還提供了本發(fā)明的方法得到的鋼軌。
[0006] 本發(fā)明另外提供了本發(fā)明的鋼軌在高速鐵路上的應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明的發(fā)明人在深入研究的過程中發(fā)現(xiàn)，對乳制后的鋼軌進行特定的處理可以 使鋼軌的金相組織發(fā)生一定程度的變化從而能夠大大地降低鋼軌的殘余應(yīng)力，具體地，本 發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過將乳制后所得鋼軌的軌頭踏面中心、軌頭兩側(cè)和軌底中心部位依 次進行加速冷卻、緩慢冷卻和空冷，并控制加速冷卻和緩慢冷卻的條件，可以在保證鋼軌的 拉伸性能的前提下有效降低鋼軌的殘余應(yīng)力，提高平直度。根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選的實施方 式，當(dāng)選用特定的鋼軌成分組成時，能夠在保證鋼軌的拉伸性能的前提下進一步降低所得 鋼軌的殘余應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明另一種優(yōu)選的實施方式，當(dāng)在所述快速冷卻和緩慢冷卻的過 程中采用全程導(dǎo)位矯直處理并控制全程導(dǎo)位矯直處理的條件時，能夠進一步提高所得鋼軌 的平直度，從而更適合用于平直度較高的高速鐵路。
[0008] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【具體實施方式】
[0009] 以下對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體 實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0010] 本發(fā)明提供了一種降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法，該方法包括將乳制后所得鋼軌的軌 頭踏面中心、軌頭兩側(cè)和軌底中心部位依次進行加速冷卻、緩慢冷卻和空冷，所述加速冷卻 的開冷溫度為650-950 °C，冷卻速度為2-8 °C/s，終冷溫度為400-600 °C，所述緩慢冷卻的冷 卻速度為0.1-1.5°(：/8，終冷溫度為180-300°(：。
[0011] 本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對乳制后所得鋼軌的軌頭踏面中心、軌頭兩側(cè)和軌底中 心部位依次進行加速冷卻、緩慢冷卻和空冷時能夠有效降低所得鋼軌的殘余應(yīng)力。其原理 可能包括以下因素。
[0012] 加速冷卻的原理可能在于：當(dāng)開冷溫度高于950°C時，鋼軌表層受到冷卻介質(zhì)的激 冷，溫度迅速降低；當(dāng)開冷溫度低于650°C時，由于距離相變點溫度較近，過快的冷速將使鋼 軌表層及表層下方一定深度內(nèi)產(chǎn)生貝氏體、馬氏體等異常組織的風(fēng)險顯著增高，而異常組 織的產(chǎn)生將使鋼軌報廢，造成嚴重損失。當(dāng)冷卻速度<2°C/s時，在冷卻初期，鋼軌表層溫度 明顯降低，持續(xù)一定時間后，由于心部熱量的補充，表層溫度不再降低，甚至升高，未達到加 速冷卻的目的；當(dāng)冷卻速度>8.0°C/s時，軌頭表層及表層下方一定深度內(nèi)冷速過快，易于 產(chǎn)生貝氏體、馬氏體等異常組織，導(dǎo)致鋼軌報廢。當(dāng)軌頭踏面溫度降至400-600°C時停止加 速冷卻并空冷至室溫，進行該設(shè)定的原因是:為確保鋼軌軌頭的心部能夠獲得更優(yōu)異的性 能，要求心部盡可能在更大的過冷度下完成相變，一般來說，在實際生產(chǎn)中，軌頭心部的溫 度難以用物理手段監(jiān)控，需通過對表面溫度監(jiān)控并經(jīng)換算后獲得。當(dāng)加速終冷溫度> 600°C 時，軌頭心部熱量將高于650°C，該溫度為鋼軌已發(fā)生相變或部分發(fā)生相變的溫度，即相變 未完成，如此時停止加速冷卻，則來自軌腰部位的熱量迅速向其擴散，導(dǎo)致溫度升高，相變 冷速降低，最終得到鋼軌的綜合性能偏低，未達到熱處理的目的。當(dāng)加速終冷溫度<400°C， 此時，軌頭全斷面及軌底中心的相變已基本全部完成，繼續(xù)施加強制冷卻已無顯著意義。
[0013] 緩慢冷卻的原理可能在于：由于鋼軌斷面尺寸的不均勻性，在冷卻過程中鋼軌容 易出現(xiàn)彎曲，造成殘余應(yīng)力增加。為減少鋼軌在冷卻過程中的彎曲，本發(fā)明在快速冷卻之后 增加了緩慢冷卻的過程。
[0014] 在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述加速冷卻的開冷溫度為700-900°C，冷卻速度為3-6°C/ s，終冷溫度為450-550 °C;更優(yōu)選地，所述加速冷卻的開冷溫度為750-850 °C，冷卻速度為 4 · 5-5 · 5 °C/s，終冷溫度為450-550 °C。
[0015]在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述緩慢冷卻的冷卻速度為0.5-l°C/s，終冷溫度為200-250 °C ;更優(yōu)選地，所述緩慢冷卻的冷卻速度為0.6-0.8°C/s，終冷溫度為210-230°c。
[0016] 在本發(fā)明中，由于鋼軌的軌頭踏面中心、軌頭兩側(cè)和軌底中心部位的形狀結(jié)構(gòu)的 不同，它們在冷卻的過程中會呈現(xiàn)出不同的冷卻速度，該不同的冷卻速度均應(yīng)當(dāng)落在上述 加速冷卻和緩慢冷卻的冷卻速度的范圍內(nèi)，本發(fā)明所述的開冷溫度和終冷溫度的測定均以 軌頭踏面中心的溫度為基準。
[0017] 在本發(fā)明中，所述鋼軌的軌頭踏面中心、軌頭兩側(cè)和軌底中心部位所指的具體位 置為本領(lǐng)域常規(guī)所指的位置，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，例如，所述軌頭踏面中心所指的 區(qū)域為以軌頭踏面上，沿鋼軌延長方向的中心線為中心線，寬度為軌頭踏面寬度的約三分 之一的區(qū)域;所述軌頭兩側(cè)指的是軌頭部位的兩側(cè)位置;所述軌底中心所指的區(qū)域為在于 鐵路軌枕接觸的軌底面上，與軌頭踏面中心區(qū)域大致對應(yīng)的區(qū)域。
[0018] 在本發(fā)明中，所述加速冷卻的冷卻介質(zhì)沒有特別的限定，使用本領(lǐng)域常規(guī)的冷卻 介質(zhì)即可，例如可以為壓縮空氣和/或水霧混合氣，其中所述水霧混合氣可以為0.1-0.2MPa 的風(fēng)壓配合200_350L/h的水量混合噴出的水霧混合氣。
[0019] 在本發(fā)明中，所述緩慢冷卻的冷卻介質(zhì)優(yōu)選為壓縮空氣和/或水霧混合氣，其中所 述水霧混合氣可以為〇. 015-0.03MPa的風(fēng)壓配合20-40L/h的水量混合噴出的水霧混合氣。
[0020] 在本發(fā)明中，所述空冷即為空氣冷卻，即放置在常溫下進行自然冷卻，對此沒有特 比的限定。
[0021] 本發(fā)明的處理方法可以用于任何常規(guī)成分的鋼軌并且均可以降低其殘余應(yīng)力。本 發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，特定化學(xué)成分的鋼軌能夠具有相對于其他化學(xué)成分的鋼軌更低的殘余 應(yīng)力并且能夠更適于本發(fā)明的處理方法，這種特定化學(xué)成分的鋼軌例如為，以鋼軌的總重 量為基準，所述鋼軌的化學(xué)成分可以包括0.71-0.82重量％的(：、0.25-0.45重量％的31、 0.75-1.05重量％的]^、0· 03-0.15重量的V、彡0.030重量％的卩、彡0.035重量％的5、彡0.1 重量％的Al以及97.368-98.26重量％的？6;優(yōu)選地，以鋼軌的總重量為基準，所述鋼軌的化 學(xué)成分包括 0·72-0·80重量％的C、0·30-0·40重量％的Si、0·85-l·02重量％的Mn、0·04-0.12重量的V、0.002-0.015重量％的P、0.002-0.015重量％的S、0.01-0.08重量％的Al以及 97.55-98.076重量％的？6 ;更優(yōu)選地，以鋼軌的總重量為基準，所述鋼軌的化學(xué)成分包括 0.72-0.76重量％的(：、0.35-0.38重量％的510.95-0.99重量％的]\111、0.05-0.09重量的￥、 0.006-0.012重量％ 的卩、0.006-0.011重量％ 的5、0· 03-0.05重量％ 的厶1 以及97.707-97.888重量％的卩6。
[0022] 在本發(fā)明中，為了使所得鋼軌更適用于平直度較高的高速鐵路，優(yōu)選地，在所述快 速冷卻的過程中采用全程導(dǎo)位矯直處理。所述全程導(dǎo)位矯直處理的條件可以包括:采用夾 送輥方式，對鋼軌軌腰進行全程導(dǎo)位矯直，使其軌身平直度在垂直方向和水平方向均< 5mm/3m，全長扭曲< IOmm;優(yōu)選地，軌身平直度在垂直方向和水平方向均< 2mm/3m，全長扭 曲 < 5mm 〇
[0023] 在本發(fā)明中，所述鋼軌的鋼材的冶煉過程沒有特別的限定，按照常規(guī)的冶煉方法 進行即可，例如，在所述鋼軌的鋼材冶煉過程中，入爐鐵水的S含量較低，可以<0.015重 量％，優(yōu)選<0.009重量％ ;所用精煉渣為的堿度優(yōu)選為3-5,例如為三氧化二鋁、氧化鋇和 氟化鈣的混合物，優(yōu)選其中Al2O 3的含量為20-25重量％，BaO的含量為8-12重量％ ,CaF2的含 量為3-8重量％;使用增碳劑，所用增碳劑為無煙煤和低N合金;在LF爐加熱過程中使用發(fā)泡 劑。
[0024] 在本發(fā)明中，所述鋼軌在冶煉得到鋼液之后的連鑄過程沒有特別的限定，例如，所 述鋼軌的連鑄過程可以包括:將冶煉所得鋼液澆鑄成鋼坯，將該鋼坯緩冷至室溫，接著送入 加熱爐加熱并保溫，然后進行乳制。
[0025] 在本領(lǐng)域中，現(xiàn)有技術(shù)通常澆鑄得到的鋼坯之后利用鋼坯的余熱(通常大于1200 °C)直接進行乳制，或者在加熱爐中在大于1200°C的溫度下保持一段時間后進行乳制。而本 發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，先將澆鑄所得鋼坯緩冷至室溫(通常為15-30Γ)再送入加熱爐中加熱 能夠在一定程度上降低所得鋼坯的殘余應(yīng)力；為了更好地降低所得鋼坯的殘余應(yīng)力，優(yōu)選 對緩冷的速度進行特別的控制，優(yōu)選地，所述緩冷的速度為〇. 1-rC/min，優(yōu)選為0.2-0.4 °C /min。本發(fā)明的發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，所述在加熱爐中加熱的溫度不宜過高，例如加熱爐加熱的 出鋼溫度為900-1180°C時所得的鋼坯的殘余應(yīng)力要低于現(xiàn)有技術(shù)使用大于1200°C的出鋼 溫度。所述送入加熱爐并保溫的過程能夠使得鋼坯金相組織轉(zhuǎn)化為奧氏體組織并使奧氏體 組織均勻化，為了更好地降低所得鋼坯的殘余應(yīng)力，優(yōu)選對加熱爐加熱的條件進行特別的 控制，優(yōu)選地，所述加熱爐加熱的加熱速度為2-12 °C/min，優(yōu)選為8-1 TC/min，終止溫度(即 出鋼溫度)為900-1180 °C，優(yōu)選為920-980 °C，保溫時間為65-200分鐘，優(yōu)選為90-120分鐘。
[0026] 在本發(fā)明中，所述澆鑄的過程可以在全程保護下進行，以防止與空氣接觸吸入過 多的N。
[0027] 本發(fā)明還提供了根據(jù)本發(fā)明的方法得到的鋼軌。本發(fā)明的鋼軌能夠在保證鋼軌的 拉伸性能的前提下有效降低鋼軌的殘余應(yīng)力，通常地，本發(fā)明的鋼軌的殘余應(yīng)力能夠達到 IOOMPa以下，另外本發(fā)明的鋼軌具有較高的平直度，通?？梢赃_到0.3mm/3m以下。本發(fā)明的 鋼軌的金相組織全部為珠光體組織。
[0028] 本發(fā)明另外提供了本發(fā)明的鋼軌在高速鐵路上的應(yīng)用。
[0029] 以下將通過實施例對本發(fā)明進行詳細描述。下面的實施例將有助于說明本發(fā)明， 但不局限其范圍。
[0030] 實施例1
[0031 ] (1)冶煉鋼液:使用S含量為約0.008重量％的低S入爐鐵水進行冶煉，冶煉過程中 使用由三氧化二鋁、氧化鋇和氟化鈣組成的精煉渣(其中百分含量為w(A1203) = 23重量 (BaO) = IO重量％、w(CaF2) = 5重量％，堿度為5)以及由無煙煤和低N合金組成的增碳劑，在 LF爐加熱過程中使用發(fā)泡劑，并控制成分含量，最終得到表1中1#所示化學(xué)成分的鋼液。
[0032] (2)將步驟（1)得到的鋼液全程保護澆鑄成鋼坯，然后送入緩冷坑以0.3°C/min的 速度緩冷，將冷卻至室溫后的鋼坯送入加熱爐中加熱并保溫(加熱速度為10 °C /min，終止溫 度（出鋼溫度)為950°C，保溫時間為100分鐘），然后用萬能線乳機乳制成鋼軌。
[0033] (3)對步驟(2)得到的鋼軌的軌頭踏面中心、軌頭兩側(cè)和軌底中心部位進行依次快 速冷卻、緩慢冷卻和空冷，其中快速冷卻的條件包括:開冷溫度為803°C，冷卻速度為5.(TC/ s，終冷溫度為498°C ;緩慢冷卻的條件包括:冷卻速度為0.7°C/s，終冷溫度為220°C ;最后自 然空冷至室溫得到鋼軌產(chǎn)品。
[0034] 實施例2-6
[0035] 按照實施例1的方法進行，所不同的是，冶煉所得鋼液的化學(xué)成分按照表1和表2所 示，方法的具體操作參數(shù)按照表1所示。
[0036] 對比例1-3
[0037] 對比例1 -3分別按照實施例1 -3的鋼液成分進行，所不同的是，方法中的操作參數(shù) 如表1所示。
[0038] 對比例4
[0039] 按照實施例1的鋼液成分和操作方式進行，所不同的是，乳制成鋼軌之后不進行緩 慢冷卻處理的過程，而是直接自然空冷至室溫。
[0040] 表 1 L0044」 測試例
[0045] 將實施例1-6和對比例1-4所得鋼軌分別進行如下檢測，所得結(jié)果如表3所示。
[0046] (1)拉伸性能
[0047] 按照GB/T 228.1-2010標準測試拉伸性能，得到規(guī)定塑性延伸強度(RpO. 2，MPa)、 抗拉強度(Rm，MPa)、斷后伸長率(A，％ )和斷面收縮率(Z，％ )。
[0048] (2)金相組織
[0049] 金相組織按照GB/T13299的方法測定。
[0050] (3)殘余應(yīng)力
[0051 ] 按照歐洲標準EN13674.1-2011規(guī)定的方法測定所得鋼軌軌底的殘余應(yīng)力(MPa)。
[0052] (4)平直度
[0053] 按照歐洲標準EN13674.1-2011規(guī)定的方法測定所得鋼軌的平直度。
[0054]表 3
[0056] 結(jié)合表1、表2和表3可以看出，根據(jù)本發(fā)明的方法可以在保證鋼軌的拉伸性能的前 提下有效降低鋼軌的殘余應(yīng)力（可以達到IOOMPa以下），提高鋼軌的平直度（可以達到 0.3mm/3m以下）。因此本發(fā)明的方法特別適用于平直度較高的高速鐵路。
[0057] 以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中 的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這 些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述 的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不 必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。此外，本發(fā)明的各種不同的實施 方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公 開的內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1. 一種降低鋼軌殘余應(yīng)力的方法，該方法包括將乳制后所得鋼軌的軌頭踏面中心、軌 頭兩側(cè)和軌底中心部位依次進行加速冷卻、緩慢冷卻和空冷，所述加速冷卻的開冷溫度為 650-950°C，冷卻速度為2-8°C/s，終冷溫度為400-600°C，所述緩慢冷卻的冷卻速度為0.1-1 · 5°C/s，終冷溫度為 180-300°C。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述加速冷卻的開冷溫度為700-900°C，冷卻速度 為3-6 °C/s，終冷溫度為450-550 °C。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述加速冷卻的冷卻介質(zhì)為壓縮空氣和/或水 霧混合氣，優(yōu)選為0.1-0.2MPa的風(fēng)壓配合200-350L/h的水量混合噴出的水霧混合氣。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述緩慢冷卻的冷卻速度為0.5-rC/s，終冷溫度 為 200-250 Γ。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其中，所述緩慢冷卻的冷卻介質(zhì)為壓縮空氣和/或水 霧混合氣，優(yōu)選為0.015-0.03MPa的風(fēng)壓配合20-40L/h的水量混合噴出的水霧混合氣。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，以鋼軌的總重量為基準，所述鋼軌的化學(xué)成分包 括 0.71-0.82重量％的(：、0.25-0.45重量％的5丨、0.75-1.05重量％的]\111、0.03-0.15重量的 V、彡0.030重量％的？、彡0.035重量％的3、彡0.1重量％的六1以及97.368-98.26重量％的 Fe； 優(yōu)選地，以鋼軌的總重量為基準，所述鋼軌的化學(xué)成分包括0.72-0.80重量％的(：、 0.30-0.40重量％的51、0.85-1.02重量％的]?11、0.04-0.12重量的￥、0.002-0.015重量％的 ?、0.002-0.015重量％的5、0.01-0.08重量％的厶1以及97.55-98.076重量％的卩6。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述快速冷卻的過程中采用全程導(dǎo)位矯直處 理； 優(yōu)選地，所述全程導(dǎo)位矯直處理的條件包括:采用夾送輥方式，對鋼軌軌腰進行全程導(dǎo) 位矯直，使其軌身平直度在垂直方向和水平方向均< 5mm/3m，全長扭曲< 10_。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述鋼軌的連鑄過程包括:將冶煉所得鋼液澆鑄 成鋼坯，將該鋼坯緩冷至室溫，接著送入加熱爐加熱并保溫，然后進行乳制，所述緩冷的速 度為0.1-rC/min，優(yōu)選為0.2-0.4°C/min; 優(yōu)選地，所述加熱爐加熱的加熱速度為2-12°C/min，終止溫度為900-1180°C，保溫時間 為65-200分鐘。9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項所述的方法得到的鋼軌。10. 權(quán)利要求9所述的鋼軌在高速鐵路上的應(yīng)用。
【文檔編號】C22C38/02GK106086370SQ201610479176
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】袁俊, 鄒明, 郭華, 李大東, 鄧勇, 韓振宇, 汪淵, 陳崇木
【申請人】攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司