一、研究背景與問(wèn)題

隨著國(guó)家鐵路強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略不斷推進(jìn)，近年來(lái)鐵路有了較為迅猛的發(fā)展。國(guó)家《“十四五”鐵路發(fā)展規(guī)劃》指出，路網(wǎng)布局重點(diǎn)加強(qiáng)戰(zhàn)略骨干通道，構(gòu)建多向入藏通道，完善新疆對(duì)外通道；優(yōu)化普速鐵路網(wǎng)，提升中歐班列運(yùn)輸能力，加強(qiáng)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(guó)內(nèi)外鐵路的快速發(fā)展對(duì)鋼軌產(chǎn)品提出了產(chǎn)量和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)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(yàn)化操作方式雖然一定程度上可以滿(mǎn)足高品質(zhì)鋼軌冶金過(guò)程的精準(zhǔn)化需求，但受原輔料、耐材、設(shè)備及生產(chǎn)組織等冶煉過(guò)程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)事故，嚴(yán)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(kāi)展鋼軌高效化生產(chǎn)研究對(duì)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(chǎng)端原材料價(jià)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(zhǎng)，生產(chǎn)成本極其高；鋼軌軋制方面，萬(wàn)能軋輥立車(chē)車(chē)削，精度較低，維護(hù)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(lái)極大的質(zhì)量損失。低成本化生產(chǎn)技術(shù)對(duì)產(chǎn)線(xiàn)創(chuàng)效和推動(dòng)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(dòng)等非穩(wěn)態(tài)澆鑄，鋼軌夾雜物超標(biāo)和NDT探傷報(bào)傷問(wèn)題持續(xù)發(fā)生，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重威脅列車(chē)運(yùn)行安全；傳統(tǒng)工藝控制入爐原材料水分實(shí)現(xiàn)鋼中氫含量的降低，但仍無(wú)法避免氫帶來(lái)的危害。隨著國(guó)家新鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB/T2344.1-2020發(fā)布和對(duì)鋼軌的內(nèi)部質(zhì)量要求越來(lái)越高，開(kāi)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(wèn)題的思路與技術(shù)方案

圖1 項(xiàng)目總體思路

針對(duì)中國(guó)國(guó)家鐵路用高品質(zhì)鋼軌在生產(chǎn)過(guò)程中存在的潔凈度差、成本高、生產(chǎn)效率低的行業(yè)問(wèn)題，以國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)典型生產(chǎn)流程為依托，重點(diǎn)開(kāi)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(wèn)題攻關(guān)方面取得突破，并輔助以實(shí)驗(yàn)室理論研究和仿真模擬、工業(yè)化試驗(yàn)、生產(chǎn)應(yīng)用驗(yàn)證、工藝固化和推廣等技術(shù)路線(xiàn)，完成項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證。項(xiàng)目總體思路如圖1所示。

三、主要?jiǎng)?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(xiàng)目組結(jié)合邯鋼大方坯連鑄實(shí)際工況，通過(guò)模擬計(jì)算鑄坯斷面不同位置出口溫度變化規(guī)律，準(zhǔn)確識(shí)別凝固末端位置，制定基于實(shí)際工藝參數(shù)而動(dòng)態(tài)調(diào)整的壓下機(jī)制，實(shí)現(xiàn)連鑄高拉速控制；基于副槍測(cè)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(duì)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(wèn)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(kāi)發(fā)了自動(dòng)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(kāi)發(fā)

在鋼軌軋制方面，國(guó)內(nèi)首次提出鋼軌全萬(wàn)能高效軋制思路，開(kāi)發(fā)萬(wàn)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(wàn)能U2有限參與的軋制技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)鋼軌通長(zhǎng)尺寸波動(dòng)及高低點(diǎn)高精度控制和軋制高效化生產(chǎn)；針對(duì)NDT探傷單晶直探頭接觸法探傷過(guò)程存在的超聲波干擾和誤報(bào)問(wèn)題，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)雙晶水膜聚焦探頭接觸法進(jìn)行檢測(cè)法，通過(guò)改變探頭焦距大小，在消除熱打印報(bào)傷誤判同時(shí)又滿(mǎn)足鐵標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要求，大幅提升生產(chǎn)效率。

圖4 萬(wàn)能有限參與軋制工藝路線(xiàn)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(shí)物圖

項(xiàng)目成果使連鑄拉速提升15%，平均澆鑄時(shí)間降低5.6分鐘，轉(zhuǎn)爐冶煉周期平均減少7分鐘；全萬(wàn)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(bào)減少至0.1%以下，實(shí)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(xiàng)目組通過(guò)梳理傳統(tǒng)鋼軌冶煉長(zhǎng)流程問(wèn)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(shí)現(xiàn)冶煉低成本化控制。系統(tǒng)研究傳統(tǒng)萬(wàn)能軋制立輥結(jié)構(gòu)及車(chē)削制約因素，開(kāi)發(fā)臥式車(chē)床車(chē)削萬(wàn)能軋機(jī)立輥新技術(shù)，提供車(chē)削精度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本；探明百米超長(zhǎng)定尺鋼軌在冷卻變化規(guī)律，提出百米超長(zhǎng)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(zhǎng)定尺鋼軌雙弧反向預(yù)彎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼軌軋制低成本化控制。

圖6 臥式車(chē)床車(chē)削萬(wàn)能軋機(jī)立輥技術(shù)

（a）工藝改進(jìn)前鋼軌在冷床的彎曲（b）工藝改進(jìn)后冷床上的鋼軌

圖7 百米軌雙弧反向預(yù)彎技術(shù)

項(xiàng)目成果使鑄坯在滿(mǎn)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(wàn)能軋機(jī)立輥在臥車(chē)車(chē)床上車(chē)削，車(chē)削時(shí)間壓縮3/4以上，降低運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用22元/噸；百米超長(zhǎng)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(xiàng)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(yán)重危害國(guó)鐵用高品質(zhì)鋼軌的服役壽命和鐵路安全。針對(duì)上述問(wèn)題，項(xiàng)目組通過(guò)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(guò)預(yù)熔精煉渣設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼中氧化物夾雜物的成分控制和吸附去除；通過(guò)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(kuò)散，避免氫致裂紋的發(fā)生。

圖8 鋼軌疲勞及核傷點(diǎn)

（a）NDT探傷報(bào)傷位置與鑄坯工藝對(duì)應(yīng)分析

（b）NDT探傷報(bào)傷夾雜物檢驗(yàn)與溯源

圖9 鋼軌NDT夾雜物控制技術(shù)

項(xiàng)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(yàn)合格率提升至99.3%；鋼軌氫致開(kāi)裂發(fā)生率為0，鋼軌在線(xiàn)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(kāi)發(fā)項(xiàng)目在邯鋼型鋼生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)用后，解決了制約鋼軌生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)效率不高、表面質(zhì)量、尺寸精度波動(dòng)和非金屬夾雜物超標(biāo)等一系列工藝技術(shù)難題，同時(shí)也帶動(dòng)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(lèi)型鋼鐵企業(yè)提供了良好的借鑒。近三年來(lái)，累計(jì)生產(chǎn)不同標(biāo)準(zhǔn)及牌號(hào)鋼軌合計(jì)110.95萬(wàn)噸，累計(jì)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(xiàn)。

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(xiàng)目開(kāi)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(lái)的35分鐘/爐，降低至28分鐘/爐。副槍粘渣頻率由原來(lái)的20爐清渣一次提升為服役期間不需要清理，副槍維護(hù)時(shí)間平均減少3.5分鐘。NDT探傷誤報(bào)率由原來(lái)的15.2%降低至0.1%，運(yùn)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(guó)鐵線(xiàn)路重點(diǎn)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(jì)南鐵路局魯南高鐵、鄭濟(jì)高鐵、萊榮高鐵等重點(diǎn)線(xiàn)路，為國(guó)家鐵路建設(shè)和鐵路強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)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(xiàng)目開(kāi)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(wàn)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(wàn)能軋輥由原來(lái)的立式車(chē)削改為臥式車(chē)削后，車(chē)削時(shí)間壓縮3/4以上，降低運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)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(jìng)爭(zhēng)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(xiàng)目開(kāi)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(lái)98.9%提升至99.4%；非金屬夾雜物檢驗(yàn)合格率由原來(lái)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(lái)越多客戶(hù)的青睞。產(chǎn)品不僅廣泛應(yīng)用在國(guó)鐵重點(diǎn)線(xiàn)路上，先后還批量供貨蒙古國(guó)家鐵路塔望陶樂(lè)蓋至嘎舒蘇海圖鐵路、泰國(guó)國(guó)家鐵路、印度尼西亞鐵路局重點(diǎn)項(xiàng)目、南非國(guó)鐵鐵路重點(diǎn)改造項(xiàng)目、尼日利亞城際鐵路、巴西里約熱內(nèi)盧鐵路項(xiàng)目、墨西哥鐵路改造項(xiàng)目等十余個(gè)國(guó)家和地區(qū)。其中供海外項(xiàng)目自鋼軌在線(xiàn)路使用以來(lái)，未發(fā)生一起質(zhì)量問(wèn)題投訴。產(chǎn)品美譽(yù)度得到國(guó)內(nèi)外客戶(hù)的一致好評(píng)。

在項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中還帶動(dòng)了邯鋼技術(shù)人員的進(jìn)步，先后形成20項(xiàng)具有自主知識(shí)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(dòng)了公司研發(fā)人員的快速成長(zhǎng)，提升了邯鋼公司產(chǎn)品質(zhì)量水平和知名度；同時(shí)該項(xiàng)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(jìn)一步提高了邯鋼鋼軌產(chǎn)品的質(zhì)量水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)為我國(guó)鐵路工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，也為國(guó)家推進(jìn)的一帶一路建設(shè)和高鐵走出去戰(zhàn)略的實(shí)施添磚加瓦。