一、研究背景與問題
隨著國家鐵路強國戰(zhàn)略不斷推進，近年來鐵路有了較為迅猛的發(fā)展。國家《“十四五”鐵路發(fā)展規(guī)劃》指出，路網(wǎng)布局重點加強戰(zhàn)略骨干通道，構(gòu)建多向入藏通道，完善新疆對外通道；優(yōu)化普速鐵路網(wǎng)，提升中歐班列運輸能力，加強通道建設(shè)；完善高速鐵路網(wǎng)，加快形成“八縱八橫”主通道，建設(shè)城市群、都市圈多層次軌道交通網(wǎng)。國內(nèi)外鐵路的快速發(fā)展對鋼軌產(chǎn)品提出了產(chǎn)量和質(zhì)量兩個維度的苛刻要求。
在鋼軌高效化生產(chǎn)方面，傳統(tǒng)的經(jīng)驗化操作方式雖然一定程度上可以滿足高品質(zhì)鋼軌冶金過程的精準化需求，但受原輔料、耐材、設(shè)備及生產(chǎn)組織等冶煉過程關(guān)鍵節(jié)點事故，嚴重制約生產(chǎn)的連續(xù)性，顯著降低高品質(zhì)鋼軌的生產(chǎn)效率。開展鋼軌高效化生產(chǎn)研究對企業(yè)和行業(yè)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。
在鋼軌低成本化生產(chǎn)方面，隨著市場端原材料價格不斷上漲，鋼軌產(chǎn)品創(chuàng)效也面臨極大的挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)鋼軌冶煉流程冗長，生產(chǎn)成本極其高；鋼軌軋制方面，萬能軋輥立車車削，精度較低，維護成本較高；百米熱處理軌頭部、尾部溫差較大，制約成品鋼軌合格率提升，帶來極大的質(zhì)量損失。低成本化生產(chǎn)技術(shù)對產(chǎn)線創(chuàng)效和推動行業(yè)效益提升意義重大。
在鋼軌潔凈化生產(chǎn)方面，受耐材、原輔料及工藝波動等非穩(wěn)態(tài)澆鑄，鋼軌夾雜物超標和NDT探傷報傷問題持續(xù)發(fā)生，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重威脅列車運行安全；傳統(tǒng)工藝控制入爐原材料水分實現(xiàn)鋼中氫含量的降低，但仍無法避免氫帶來的危害。隨著國家新鐵路標準TB/T2344.1-2020發(fā)布和對鋼軌的內(nèi)部質(zhì)量要求越來越高，開發(fā)高品質(zhì)鋼軌潔凈化冶金關(guān)鍵技術(shù)具有重要意義。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
圖1 項目總體思路
針對中國國家鐵路用高品質(zhì)鋼軌在生產(chǎn)過程中存在的潔凈度差、成本高、生產(chǎn)效率低的行業(yè)問題，以國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)典型生產(chǎn)流程為依托，重點開展高品質(zhì)鋼軌全流程高效化、低成本化、高潔凈化生產(chǎn)技術(shù)研究工作，以期在高品質(zhì)鋼軌生產(chǎn)行業(yè)共性技術(shù)問題攻關(guān)方面取得突破，并輔助以實驗室理論研究和仿真模擬、工業(yè)化試驗、生產(chǎn)應(yīng)用驗證、工藝固化和推廣等技術(shù)路線，完成項目關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與驗證。項目總體思路如圖1所示。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、高品質(zhì)鋼軌全流程高效化生產(chǎn)技術(shù)
在鋼軌冶煉方面，項目組結(jié)合邯鋼大方坯連鑄實際工況，通過模擬計算鑄坯斷面不同位置出口溫度變化規(guī)律，準確識別凝固末端位置，制定基于實際工藝參數(shù)而動態(tài)調(diào)整的壓下機制，實現(xiàn)連鑄高拉速控制；基于副槍測量與粘渣變化規(guī)律，研究了鋼水溫度、氧壓和底吹攪拌等工藝對應(yīng)關(guān)系，并利用焦炭重新建立碳氧反應(yīng)，形成了副槍防粘渣技術(shù)；分析傳統(tǒng)煉鋼脫磷效率問題，研究單、雙渣等不同工藝條件脫碳、磷效率規(guī)律，調(diào)整物料加入與槍位控制策略，開發(fā)了自動化煉鋼直接出鋼模型，為鋼軌鋼高效生產(chǎn)提供了保障。
圖2 副槍粘渣故障
圖3 煉鋼模型開發(fā)
在鋼軌軋制方面，國內(nèi)首次提出鋼軌全萬能高效軋制思路，開發(fā)萬能第三軋程精軋帶載參與、UF脫頭、軌腰局部加壓等軋制技術(shù)，首創(chuàng)“萬能U2有限參與的軋制技術(shù)”，實現(xiàn)鋼軌通長尺寸波動及高低點高精度控制和軋制高效化生產(chǎn)；針對NDT探傷單晶直探頭接觸法探傷過程存在的超聲波干擾和誤報問題，創(chuàng)新開發(fā)雙晶水膜聚焦探頭接觸法進行檢測法，通過改變探頭焦距大小，在消除熱打印報傷誤判同時又滿足鐵標標準要求，大幅提升生產(chǎn)效率。
圖4 萬能有限參與軋制工藝路線圖
（a）單晶直探頭（b）雙晶水膜聚焦探頭
圖5 單晶探頭及單雙晶探頭實物圖
項目成果使連鑄拉速提升15%，平均澆鑄時間降低5.6分鐘，轉(zhuǎn)爐冶煉周期平均減少7分鐘；全萬能軋制和雙晶水膜聚焦探頭的應(yīng)用，鋼軌軋制綜合效率提升9.3%，NDT探傷誤報減少至0.1%以下，實現(xiàn)了鋼軌冶煉全流程高效生產(chǎn)。
2、高品質(zhì)鋼軌全流程低成本化關(guān)鍵技術(shù)
在低成本化生產(chǎn)方面，項目組通過梳理傳統(tǒng)鋼軌冶煉長流程問題，以高效精煉處理新思路，拓展轉(zhuǎn)爐出鋼溫度精確控制及鋼包頂渣改質(zhì)和RH高效真空冶金技術(shù)，實現(xiàn)冶煉低成本化控制。系統(tǒng)研究傳統(tǒng)萬能軋制立輥結(jié)構(gòu)及車削制約因素，開發(fā)臥式車床車削萬能軋機立輥新技術(shù)，提供車削精度，降低勞動強度和生產(chǎn)成本；探明百米超長定尺鋼軌在冷卻變化規(guī)律，提出百米超長定尺鋼軌反向預(yù)彎控制理念，建立雙弧反向預(yù)彎數(shù)學(xué)控制模型，形成百米超長定尺鋼軌雙弧反向預(yù)彎技術(shù)，實現(xiàn)鋼軌軋制低成本化控制。
圖6 臥式車床車削萬能軋機立輥技術(shù)
（a）工藝改進前鋼軌在冷床的彎曲（b）工藝改進后冷床上的鋼軌
圖7 百米軌雙弧反向預(yù)彎技術(shù)
項目成果使鑄坯在滿足質(zhì)量要求的情況下低成本化生產(chǎn)，工序降本35元/噸；萬能軋機立輥在臥車車床上車削，車削時間壓縮3/4以上，降低運行及維護費用22元/噸；百米超長定尺反向預(yù)彎技術(shù)使得成品鋼軌合格率提升8.5%，軋制成本降低25元/噸。
3、高品質(zhì)鋼軌全流程潔凈化生產(chǎn)技術(shù)
項目研究發(fā)現(xiàn)，鋼中氧化物夾雜物是引起鋼軌疲勞斷裂的重要原因之一，氧化鋁含量較高的硬質(zhì)夾雜物容易導(dǎo)致鋼軌的疲勞失效，鋼中大量的氫容易導(dǎo)致氫致裂紋，嚴重危害國鐵用高品質(zhì)鋼軌的服役壽命和鐵路安全。針對上述問題，項目組通過工業(yè)CT確定探傷缺陷與工藝操作的關(guān)系，形成鋼軌全流程大型夾雜物溯源技術(shù)；通過預(yù)熔精煉渣設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了鋼中氧化物夾雜物的成分控制和吸附去除；通過MnS依附氧化物粒子析出新思路，形成氧化物-硫化物協(xié)同控制技術(shù)，利用MnS夾雜物與鋼基體交界處空隙形成的氫陷阱抑制鋼中氫的擴散，避免氫致裂紋的發(fā)生。
圖8 鋼軌疲勞及核傷點
（a）NDT探傷報傷位置與鑄坯工藝對應(yīng)分析
（b）NDT探傷報傷夾雜物檢驗與溯源
圖9 鋼軌NDT夾雜物控制技術(shù)
項目成果使鋼軌NDT探傷合格率提升至99.4%；非金屬夾雜物檢驗合格率提升至99.3%；鋼軌氫致開裂發(fā)生率為0，鋼軌在線服役壽命大幅提升。
四、應(yīng)用情況及效果
高品質(zhì)鋼軌全流程高效低成本關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)項目在邯鋼型鋼生產(chǎn)線應(yīng)用后，解決了制約鋼軌生產(chǎn)過程中生產(chǎn)效率不高、表面質(zhì)量、尺寸精度波動和非金屬夾雜物超標等一系列工藝技術(shù)難題，同時也帶動了其他鋼種的高效生產(chǎn)，為公司煉鋼軋鋼全流程質(zhì)量控制提升奠定了基礎(chǔ)，也為同類型鋼鐵企業(yè)提供了良好的借鑒。近三年來，累計生產(chǎn)不同標準及牌號鋼軌合計110.95萬噸，累計創(chuàng)效3.81億元。為公司產(chǎn)品創(chuàng)效和品牌建設(shè)做出了積極的貢獻。
1、高品質(zhì)鋼軌全流程高效化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用及效果
本項目開發(fā)的高品質(zhì)鋼軌全流程高效化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于煉鋼轉(zhuǎn)爐、精煉和連鑄領(lǐng)域，軋制NDT探傷領(lǐng)域。該技術(shù)應(yīng)用后，鋼軌生產(chǎn)效率大幅提升。轉(zhuǎn)爐冶煉周期由原來的35分鐘/爐，降低至28分鐘/爐。副槍粘渣頻率由原來的20爐清渣一次提升為服役期間不需要清理，副槍維護時間平均減少3.5分鐘。NDT探傷誤報率由原來的15.2%降低至0.1%，運行效率大幅提升。鋼軌全流程的高效生產(chǎn)，使得邯鋼順利完成國鐵線路重點合同的交付。產(chǎn)品廣泛引用于北京鐵路局津興高鐵、京唐城際鐵路、濟南鐵路局魯南高鐵、鄭濟高鐵、萊榮高鐵等重點線路，為國家鐵路建設(shè)和鐵路強國戰(zhàn)略實施奠定了基礎(chǔ)。
2、高品質(zhì)鋼軌全流程低成本化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用及效果
本項目開發(fā)的高品質(zhì)鋼軌全流程低成本化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于煉鋼全流程領(lǐng)域，軋制加熱和萬能軋制領(lǐng)域。技術(shù)應(yīng)用后，鋼軌生產(chǎn)成本大幅降低。其中，煉鋼工序成本降低35元/噸鋼。萬能軋輥由原來的立式車削改為臥式車削后，車削時間壓縮3/4以上，降低運行及維護費用22元/噸鋼；鋼軌加熱工序?qū)嵭须A梯化控制后，成品鋼軌正品率提升8.5%，降低軋制25元/噸鋼。產(chǎn)品邊際效益不斷提升，在同行業(yè)中繼續(xù)保持較高產(chǎn)品競爭力。
3、高品質(zhì)鋼軌全流程潔凈化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用及效果
本項目開發(fā)的高品質(zhì)鋼軌全流程潔凈化化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于煉鋼轉(zhuǎn)爐、精煉和連鑄領(lǐng)域。技術(shù)應(yīng)用后，鋼軌內(nèi)部潔凈度得到極大提升。鋼軌NDT探傷合格率由原來98.9%提升至99.4%；非金屬夾雜物檢驗合格率由原來的98.8%提升至99.3%；鋼軌氫致裂紋發(fā)生率降為0。鋼軌全流程的潔凈化生產(chǎn)，使得鋼軌產(chǎn)品贏得越來越多客戶的青睞。產(chǎn)品不僅廣泛應(yīng)用在國鐵重點線路上，先后還批量供貨蒙古國家鐵路塔望陶樂蓋至嘎舒蘇海圖鐵路、泰國國家鐵路、印度尼西亞鐵路局重點項目、南非國鐵鐵路重點改造項目、尼日利亞城際鐵路、巴西里約熱內(nèi)盧鐵路項目、墨西哥鐵路改造項目等十余個國家和地區(qū)。其中供海外項目自鋼軌在線路使用以來，未發(fā)生一起質(zhì)量問題投訴。產(chǎn)品美譽度得到國內(nèi)外客戶的一致好評。
在項目研發(fā)過程中還帶動了邯鋼技術(shù)人員的進步，先后形成20項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋼軌生產(chǎn)核心技術(shù)，使邯鋼掌握了高效低成本生產(chǎn)高品質(zhì)鋼軌系列產(chǎn)品從煉鋼到軋制等關(guān)鍵工藝控制的核心技術(shù)，不僅帶動了公司研發(fā)人員的快速成長，提升了邯鋼公司產(chǎn)品質(zhì)量水平和知名度；同時該項目形成的高效化、低成本化和潔凈化生產(chǎn)技術(shù)在其他高品質(zhì)鋼上也得到了推廣，不僅進一步提高了邯鋼鋼軌產(chǎn)品的質(zhì)量水平和市場競爭力，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，同時為我國鐵路工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展做出了重要貢獻，也為國家推進的一帶一路建設(shè)和高鐵走出去戰(zhàn)略的實施添磚加瓦。
