軌道交通用鋼的現(xiàn)狀及趨勢

王興艷 李丹

一、軌道交通用鋼種類及特點(diǎn)分析

1.產(chǎn)品分類

軌道交通包括地鐵、輕軌、有軌電車等城市軌道交通，也包括高速鐵路、普速鐵路等鐵路交通。軌道交通用鋼主要包括線路鋪設(shè)用鋼、車輛用鋼，以及橋梁、隧道、車站等基礎(chǔ)建設(shè)用鋼、電氣化鐵路用鋼等，鋼材品種種類繁多（表1）。

2.特點(diǎn)分析

（1）鋼軌

鋼軌直接承受車輪傳遞的列車及其載荷質(zhì)量，并引導(dǎo)列車的行進(jìn)方向。與普通線路相比，客運(yùn)專線、高速列車及重載列車對鋼軌的安全性要求極為苛刻。鋼軌不僅要承受機(jī)車、車輛的壓力，還要承受列車高速運(yùn)行所帶來的沖擊載荷，因此鋼軌需要具有足夠的強(qiáng)度、硬度、韌性以及良好的焊接性能。通常，按照抗拉輕度鋼軌可以分為普通級鋼軌、耐磨級鋼軌、特級鋼軌3個等級。鋼軌質(zhì)量越大，所能承受的載荷越大，我國主要線路一般鋪設(shè)60kg/m和75kg/m的重型鋼軌。我國高速鐵路用鋼軌主要包括U71MnG和U75VG材質(zhì)，通常時速200km/h以上高速客貨鐵路選用U71MnG，時速200～250km/h高速客貨鐵路選用U75VG。

（2）車輪用鋼

車輪是車輛的主要承載零件，是車輛走行系統(tǒng)的重要組成部分。車輪與輪箍用鋼是采用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼，根據(jù)生產(chǎn)工藝劃分為輾鋼車輪和鑄鋼車輪，一般而言，客車、高速列車等較高端的車輪通常使用輾鋼工藝生產(chǎn)。對于重載列車，輪軌接觸應(yīng)力大，特別是在在高應(yīng)力下，輪軌接觸區(qū)的面積加大，列車行進(jìn)時車輪磨損大，容易出現(xiàn)接觸疲勞失效。所以對重載列車車輪用鋼需要更高的耐磨性和抗解除疲勞性能，同時還要考慮抗熱疲勞損傷性能。

（3）車軸用鋼

車軸是鐵路機(jī)車和車輛的重要部件，是車輛走行系統(tǒng)的重要組成部分，如果車軸發(fā)生斷裂將會導(dǎo)致列車脫軌。車軸用鋼應(yīng)具有良好的疲勞強(qiáng)度和抗沖擊性能。我國普通客車和貨車車軸一般采用LZ50中碳鋼，機(jī)車少量采用JZ45，基本都是實(shí)心車軸；動車組采用中碳合金調(diào)制鋼，車軸為空心車軸。

（4）車體用鋼

車體用鋼主要是車體主梁、車框、內(nèi)外車廂板等用鋼，鋼材品種主要包括不銹鋼、耐候鋼板、耐候型鋼等，基本要求是高強(qiáng)度、高耐腐蝕性、高焊接性及輕量化。對于鐵路貨車用鋼主要是高強(qiáng)度耐候耐蝕鋼。

二、軌道用鋼生產(chǎn)企業(yè)及發(fā)展情況

1.國內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)情況

目前我國軌道交通用鋼生產(chǎn)企業(yè)主要包括攀鋼集團(tuán)有限公司（以下簡稱“攀鋼”）、鞍鋼集團(tuán)公司（以下簡稱“鞍鋼”）、包鋼集團(tuán)（以下簡稱“包鋼”）、寶鋼集團(tuán)有限公司（以下簡稱“寶鋼”）、馬鞍山鋼鐵股份有限公司（以下簡稱“馬鋼”）、太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司（以下簡稱“太鋼”）等鋼鐵企業(yè)及以江陰興澄特種鋼鐵有限公司（以下簡稱“興澄特鋼”）、西寧特殊鋼股份有限公司公司（以下簡稱“西寧特鋼”）、大冶特殊鋼股份有限公司（以下簡稱“大冶特鋼”）等為代表的特鋼企業(yè)，各企業(yè)重點(diǎn)軌道用鋼產(chǎn)品如表2。

2.重點(diǎn)品種發(fā)展情況

（1）鋼軌

目前，我國鋼軌生產(chǎn)企業(yè)主要有攀鋼、鞍鋼、包鋼和武鋼等（表3），其中攀鋼是國內(nèi)第1家能夠生產(chǎn)百米定尺鋼軌的企業(yè)，包鋼生產(chǎn)的U71Mn和U75V鐵路用熱軋鋼軌和武鋼生產(chǎn)的U71MnG和U75VG高速鐵路用鋼軌均獲得了2016年“金杯獎”產(chǎn)品。

“十二五”期間，我國鋼企向中國鐵路供軌約1 389萬t，其中，普速鋼軌69%，高速鋼軌28.4%，道岔用非對稱斷面鋼軌2.6%。目前，各鋼企均已具備現(xiàn)代化的鋼軌生產(chǎn)能力，基本滿足國內(nèi)高速鐵路和重載鐵路對鋼軌的質(zhì)量需求。與國外相比，我國高速鐵路用鋼軌與國外差距不大，但在重載鐵路用鋼方面仍然存在一定差距。如重載鐵路用鋼軌方面，日本生產(chǎn)的過共析珠光體SP3鋼軌，通過熱處理，軌面硬度可達(dá)到450HB，碳含量僅為0.80%，但國產(chǎn)的過共析鋼軌U95Cr，通過在線熱處理后，軌面硬度可達(dá)到420HB，但其碳含量大于0.90%。

（2）車輪

馬鋼是目前國內(nèi)最大的車輪生產(chǎn)商，除馬鋼以外，生產(chǎn)車輪的企業(yè)還有山西太重車輪廠、中美合資信陽同合車輪有限公司、中美合資大同愛碧璽鑄造有限公司。我國在普通客車、貨車及機(jī)車車輪方面，技術(shù)水平與國外相差無幾。對于重載列車車輪，我國也已經(jīng)開發(fā)出一系列新材質(zhì)重載貨車車輪，并且已經(jīng)投入應(yīng)用，研發(fā)水平已處于世界先進(jìn)水平之列。但在高速列車車輪的研究和開發(fā)方面，我國與國外存在一定差距。目前我國動車組車輪和大功率機(jī)車車輪基本依賴進(jìn)口，全部從日本住友、法國VALDUNES、德國BVV、意大利LUCCHINI等少數(shù)幾個具備高速車輪生產(chǎn)能力的企業(yè)進(jìn)口。

（3）車軸

普通客車和貨車的車軸主要以實(shí)心車軸為主，我國在車軸鋼冶煉潔凈度完全能滿足生產(chǎn)實(shí)心車軸的要求，所以在普通客車和貨車車軸生產(chǎn)完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。但在重載和高速列車車軸的研究與開發(fā)方面，仍然比較落后。目前，我國采用微合金化路線生產(chǎn)出適用于30t以上的重載車輛的車軸鋼坯，制造出的車軸已經(jīng)裝車試運(yùn)行，效果良好。動車組列車采用空心軸，目前空心軸核心生產(chǎn)技術(shù)主要掌握日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中。

（4）車體用鋼

不銹鋼車輛具有耐腐蝕、免維護(hù)、安全、輕量化、全壽命周期成本低等特點(diǎn)，隨著綠色、節(jié)能、環(huán)保、安全等意識的提高，不銹鋼車輛漸成趨勢。特別是隨著輕量化要求越來越高，不銹鋼已經(jīng)成為車體主要用鋼。2005年太鋼就開始為軌道交通提高車體用不銹鋼，經(jīng)過不斷的鉆研與努力，車體用不銹鋼的國產(chǎn)化率由最初的100%依賴進(jìn)口，到目前僅有少數(shù)高耐蝕不銹鋼種需要進(jìn)口。

三、軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展及鋼材消費(fèi)情況

1.軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

城市軌道交通方面，截至2015年底，我國城市軌道交通運(yùn)營線路網(wǎng)長度達(dá)到3 195.4km（圖1），是2005年的8.2倍，10年內(nèi)年均增長23%?！笆濉逼陂g，我國城市軌道交通運(yùn)營線路新增1 724km，同期我國城市軌道運(yùn)營車輛也從2010年的21 165標(biāo)臺增至48 165標(biāo)臺，年均增長18%（圖2）。

鐵路交通方面，2011-2015年，我國新增鐵路營運(yùn)里程逐年保持增長（圖3）。截至2015年底，全國鐵路營業(yè)里程12.1萬km，其中高鐵運(yùn)營里程達(dá)到1.9萬km。2015年全國鐵路機(jī)車、鐵路客車、鐵路動車組和鐵路貨車擁有量分別為21 366臺、67 706輛、17 648輛和768 516輛（表4），其中機(jī)車、客車和動車組分別較2010年增長了9.96%、29.88%和300.36%。

2.軌道交通用鋼消費(fèi)情況

城市軌道交通用鋼方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市軌道交通每新增1km，將帶動鋼材消費(fèi)5.6萬t，鋼軌消費(fèi)260t。照此估算，“十二五”期間我國城市軌道交通拉動鋼材消費(fèi)近1億t，軌道用鋼40多萬t，年均消費(fèi)鋼材2 000萬t左右（圖4）。

鐵路交通用鋼方面，“十二五”期間，鐵路投資3.3萬億元，按照鐵路每投資1萬元消耗鋼材0.32t計(jì)算，“十二五”期間，鐵路交通帶動鋼材消費(fèi)約1.06億t，年均消費(fèi)2 100萬t鋼材（圖5）。

總體來看，“十二五”期間，我國城市軌道交通和鐵路交通共帶動鋼材消費(fèi)2.06億t，年均消費(fèi)鋼材超過4 100萬t。

四、軌道交通用鋼的未來發(fā)展趨勢

1.未來需求預(yù)測

“十三五”期間，我國鐵路建設(shè)和城市軌道交通將繼續(xù)保持快速發(fā)展。鐵路建設(shè)方面，到2020年，我國鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到15萬km（其中高速鐵路3萬km），預(yù)計(jì)每年拉動鋼材消費(fèi)2 300萬t，“十三五”期間預(yù)計(jì)拉動鋼材消費(fèi)1.15億t左右。城市軌道交通方面，“十三五”期間我國城市軌道交通建成投運(yùn)線路將超過3 000km，年均新增營運(yùn)里程600km以上，預(yù)計(jì)“十三五”期間將帶動鋼材消費(fèi)1.68億t，鋼軌消費(fèi)79萬t；平均每年拉動鋼材消費(fèi)3 300萬t以上，鋼軌消費(fèi)16萬t左右。綜合來看，“十三五”期間，我國軌道交通用鋼5 600萬t左右。

2.重點(diǎn)發(fā)展方向

鋼軌：隨著我國軌道交通向高速、重載方向發(fā)展，對鋼軌的斷面、鋼種、鋼的純凈度、外觀平直度以及鋼軌表面質(zhì)量、尺寸精度等各方面要求更加嚴(yán)格，今后應(yīng)將高速重載輪軌用鋼作為重點(diǎn)發(fā)展方向。

輪軸：已經(jīng)進(jìn)入試用的重載輪軸，加快推進(jìn)國產(chǎn)替代的速度；對尚未擁有生產(chǎn)技術(shù)能力的高速輪軸要加大研發(fā)力度，突破鋼種成分優(yōu)化、強(qiáng)韌性匹配、抗剝離性能、接觸疲勞性能批量生產(chǎn)及檢測技術(shù)，早日改變我國在高速輪軸進(jìn)口依賴的被動局面 。

車體用鋼：鑒于不銹鋼車體的免維護(hù)、綠色、節(jié)能、環(huán)保、全壽命周期成本低及輕量化等優(yōu)勢特點(diǎn)，積極推進(jìn)不銹鋼車體的研發(fā)設(shè)計(jì)，特別是加強(qiáng)高耐蝕鋼和耐候鋼的技術(shù)研發(fā)，大力促進(jìn)不銹鋼在車輛制造中的應(yīng)用。