20CuNi鐵道墊板型鋼矯直工藝開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

供稿|劉楊，王君珂，劉凱，楊洋，蘇磊，郝彤亮 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

隨著鋼鐵行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，加快產(chǎn)品升級(jí)改造，河鋼唐鋼型鋼廠開(kāi)發(fā)了技術(shù)水平較高的20CuNi鐵道墊板型鋼。首次采用以軋代鑄的方式進(jìn)行鐵道墊板型鋼生產(chǎn)，從軋制到?jīng)_孔成型開(kāi)發(fā)了一套完整的生產(chǎn)工藝流程，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定批量生產(chǎn)。本文簡(jiǎn)述了鐵道墊板型鋼生產(chǎn)工藝流程，介紹了鐵道墊板型鋼矯直工藝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，解決了河鋼唐鋼大型線非對(duì)稱(chēng)形型鋼矯直生產(chǎn)的難題，實(shí)現(xiàn)了鐵道墊板型鋼的穩(wěn)定批量生產(chǎn)，為型鋼的矯直生產(chǎn)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

鐵墊板是鋼軌和軌枕之間的重要部件之一，在輪軌動(dòng)力系統(tǒng)中起著重要的減振作用。隨著重載鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，在鋼軌逐漸重型化的同時(shí)，對(duì)墊板的性能提出了更高要求，即減振性能好、耐沖擊、使用壽命長(zhǎng)[1]。傳統(tǒng)的鑄造工藝生產(chǎn)的鐵道墊板存在工藝復(fù)雜、生產(chǎn)合格率低、飛邊毛刺等問(wèn)題，因此河鋼唐鋼型鋼廠結(jié)合產(chǎn)線特點(diǎn)，打破傳統(tǒng)鑄造工藝，采用以軋代鑄工藝進(jìn)行20CuNi鐵道墊板型鋼的生產(chǎn)。其中，矯直工序作為關(guān)鍵工序之一，承擔(dān)著去除墊板型鋼軋制后各種彎曲、扭轉(zhuǎn)等缺陷，保證鋼材順直、平整的重要任務(wù)，對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量起著決定性作用，因此鐵道墊板型鋼矯直工藝的開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。

以軋代鑄工藝

生產(chǎn)線簡(jiǎn)介

河鋼唐鋼型鋼廠大型線2012年7月投產(chǎn)，以生產(chǎn)國(guó)家電網(wǎng)用大規(guī)格角鋼為主要產(chǎn)品類(lèi)型。為保證鋼材成品力學(xué)性能和鋼材質(zhì)量，大型線采用長(zhǎng)尺冷卻和長(zhǎng)尺矯直工藝，矯直工藝采用國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的大壓下量矯直法。主要設(shè)備包括：1臺(tái)矩形坯連鑄機(jī)、1座蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐、2臺(tái)高壓水除鱗機(jī)、4架軋機(jī)、1座78 m步進(jìn)式大冷床、1臺(tái)9輥雙支撐變節(jié)距矯直機(jī)[2]、3臺(tái)熱鋸機(jī)、2臺(tái)冷鋸機(jī)、3套碼垛機(jī)，其中9輥雙支撐變節(jié)距式矯直機(jī)是引進(jìn)德國(guó)技術(shù)，并與國(guó)內(nèi)合作制造的專(zhuān)用設(shè)備。該矯直機(jī)選用的是德國(guó)KOCH公司設(shè)計(jì)的世界最大的不對(duì)稱(chēng)無(wú)級(jí)可變節(jié)距雙支撐水平輥矯直機(jī)，設(shè)備精度0.01 mm，矯直機(jī)本體可根據(jù)需要升降，九輥間距可根據(jù)需要移動(dòng)調(diào)整，節(jié)距1350～1800 mm，矯直輥軸心距800～1100 mm，單個(gè)矯直輥可實(shí)現(xiàn)水平軸向調(diào)整，保證矯直后鋼材彎曲度控制在0.15%以?xún)?nèi)。

型鋼產(chǎn)品

河鋼唐鋼大型線生產(chǎn)的鐵道墊板型鋼是美國(guó)鐵道墊板沖孔前型材，長(zhǎng)度在6～12 m，材質(zhì)為20CuNi，較軟，屬于低碳耐候鋼，規(guī)格為14—3/4″。鐵道墊板要求無(wú)條狀突起物，軌座保持平整，無(wú)拱狀凸起，因此對(duì)墊板型鋼的彎曲度及平整度要求較嚴(yán)格，一般不能超過(guò)0.2%。鐵道墊板型鋼關(guān)鍵尺寸參數(shù)如圖1所示。

工藝流程

鐵道墊板型鋼主要生產(chǎn)工藝流程為：高爐鐵水—鋼包爐—鐵水熱處理—120 t轉(zhuǎn)爐吹煉—LF精煉—矩形連鑄機(jī)—加熱爐—軋機(jī)—冷床—矯直機(jī)—冷鋸—碼垛機(jī)。

轉(zhuǎn)爐吹煉采用高拉補(bǔ)吹工藝，使用鋁脫氧工藝，嚴(yán)格控制Als含量，保證鋼水純凈度；LF精煉采用白渣精煉，底吹工藝；連鑄采用末端電磁攪拌，并對(duì)20CuNi連鑄坯進(jìn)行緩冷48 h；加熱工藝采用高溫、快燒加熱模式，避免Cu加熱產(chǎn)生熱脆；采用雙機(jī)架二輥可逆式開(kāi)坯軋機(jī)軋制多個(gè)道次完成粗軋，一架可逆水平二輥精軋機(jī)(F1)和一架水平/萬(wàn)能可轉(zhuǎn)換精軋機(jī)(F2)最終軋制成形；經(jīng)過(guò)冷床預(yù)彎緩冷，進(jìn)入9輥雙支撐變節(jié)距矯直機(jī)，采用大壓下量矯直法進(jìn)行矯直；經(jīng)過(guò)冷鋸鋸切成合同定尺，檢驗(yàn)合格后碼垛下線。

圖1 鐵道墊板型鋼示意圖(單位：mm)

矯直工藝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

矯直孔型

河鋼唐鋼大型線生產(chǎn)其他型材產(chǎn)品均為對(duì)稱(chēng)形大斷面產(chǎn)品如等邊角鋼、U型鋼板樁等，矯直孔型大部分采用對(duì)產(chǎn)品全包圍型，左右對(duì)稱(chēng)，矯直其上下腹板及側(cè)壁，受力均勻，保證產(chǎn)品在矯直機(jī)內(nèi)釋放最大應(yīng)力，矯直后產(chǎn)品平整、順直，不會(huì)出現(xiàn)因殘余應(yīng)力造成回彎現(xiàn)象。而鐵道墊板型鋼為非對(duì)稱(chēng)形，且斷面形狀復(fù)雜，兩肩長(zhǎng)度厚度均不相同，給矯直設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，因此設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮鋼材受力位置，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采取矯直腹板的矯直方式。鐵道墊板型鋼矯直輥采用組合方式設(shè)計(jì)，上、下矯直輥示意圖見(jiàn)圖2。

矯直壓下量

軋制后鐵道墊板型鋼在冷床上進(jìn)行冷卻，由于鐵道墊板型鋼中間軌座不利于冷卻水流動(dòng)，致使冷卻水不均勻分布在型鋼表面，型鋼頭尾部分冷卻速度快于中間部位冷卻速度，型鋼變?yōu)閮深^翹起的形狀，導(dǎo)致中間部位積水，使型鋼上下表面產(chǎn)生溫度差，上表面收縮率大于下表面，從而產(chǎn)生上下彎曲[3]。

圖2 上、下矯直輥示意圖

河鋼唐鋼大型線采用9輥雙支撐變節(jié)距矯直機(jī)，其排布為上4輥、下5輥，其中第1輥為下輥，且下輥為壓下調(diào)整。因此，矯直壓下量設(shè)計(jì)使用時(shí)，1輥壓下量為零，保證鐵道墊板型鋼順利咬入矯直機(jī)，3輥采用大壓下量，消除不均勻變形，使型鋼達(dá)到統(tǒng)一變形，5、7輥逐步減小壓下量，使型鋼殘余應(yīng)力完全去除，最后通過(guò)9輥小壓下量對(duì)型鋼進(jìn)行找平，實(shí)現(xiàn)鐵道墊板型鋼的平整。

矯直生產(chǎn)應(yīng)用

◆ 存在問(wèn)題

在實(shí)際矯直生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，該套矯直孔型并不理想，主要問(wèn)題有：

(1) 鐵道墊板型鋼冷卻后側(cè)彎嚴(yán)重，不利于咬入矯直機(jī)，容易出現(xiàn)咬入不正，造成型鋼扭曲，矯直輥磕傷等問(wèn)題。

(2) 鐵道墊板型鋼在矯直機(jī)內(nèi)移動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，易左右竄動(dòng)，導(dǎo)致型鋼出現(xiàn)側(cè)彎、矯痕等缺陷。

◆ 優(yōu)化措施

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施：

(1) 鐵道墊板型鋼軋制后在大冷床進(jìn)行冷卻時(shí)，由于該產(chǎn)品特點(diǎn)，左肩部分短且薄，右肩部分長(zhǎng)且厚，導(dǎo)致左肩冷卻速度快，右肩冷卻速度慢，在自然冷卻狀態(tài)下，型鋼容易產(chǎn)生左側(cè)側(cè)彎，側(cè)彎程度較大，給矯直機(jī)對(duì)中咬入帶來(lái)困難，容易出現(xiàn)咬入不正，造成扭曲，甚至側(cè)翻；當(dāng)咬入偏差較大時(shí)，會(huì)造成型鋼軌座凸起部位與矯直輥磕碰，導(dǎo)致矯直輥磕傷問(wèn)題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏。為使鐵道墊板型鋼側(cè)彎減小，對(duì)其進(jìn)行預(yù)彎處置，利用上鋼小車(chē)托起型鋼，向左移動(dòng)到輥道側(cè)板靠直，保持30 s后再進(jìn)入冷床，在冷床底部啟用風(fēng)冷設(shè)施，側(cè)重吹鐵道墊板型鋼右肩部位，保證型鋼長(zhǎng)尺彎曲度控制在0.5%以?xún)?nèi)，便于咬入矯直機(jī)。

(2) 在實(shí)際生產(chǎn)中，由于該孔型設(shè)計(jì)左右兩側(cè)無(wú)遮擋，鐵道墊板型鋼在矯直機(jī)內(nèi)移動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，易發(fā)生竄動(dòng)，導(dǎo)致鐵道墊板型鋼軌座處易出現(xiàn)矯痕，且型鋼出矯直機(jī)后側(cè)彎超過(guò)0.2%的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)矯直孔型進(jìn)行優(yōu)化，原矯直孔型中間輥環(huán)保持不變，將上矯直輥兩側(cè)輥環(huán)矯直受力點(diǎn)位置向鐵道墊板型鋼兩肩端部移動(dòng)，斜面比例不變，與成品斜面比例相同，輥環(huán)一段進(jìn)行延伸起到軸向方向阻擋作用。優(yōu)化后上矯直輥示意見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化后上矯直輥示意圖

下矯直輥與上矯直輥相似，保持中間輥環(huán)不變，兩側(cè)輥環(huán)矯直受力點(diǎn)位置向鐵道墊板型鋼兩肩端部移動(dòng)，為避免兩肩底部出現(xiàn)矯痕，將平面改為斜面支撐，有效避免咬入或竄動(dòng)造成矯直輥損傷，對(duì)型鋼矯直機(jī)中的軸向移動(dòng)進(jìn)行了有效限制，解決了側(cè)彎和矯痕缺陷，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高質(zhì)量生產(chǎn)，優(yōu)化后下矯直輥見(jiàn)圖4。

圖4 優(yōu)化后下矯直輥示意圖

結(jié)束語(yǔ)

20CuNi鐵道墊板型鋼矯直工藝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用解決了河鋼唐鋼大型線非對(duì)稱(chēng)形型鋼矯直生產(chǎn)的難題，實(shí)現(xiàn)了鐵道墊板型鋼的穩(wěn)定批量生產(chǎn)，驗(yàn)證了以軋代鑄進(jìn)行低碳耐候鐵道墊板生產(chǎn)的可行性，同時(shí)增強(qiáng)了型鋼產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，也為其他品種鋼的矯直生產(chǎn)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。