第一章绪论Word格式.docx

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法国现有三条高速新线和TGV列车通行网络分别占法铁路网总营业里程的4%和18%,却承担了一半以上的旅客周转量;

德国正在运营的高速线以及时速达200kln了h的ICE列车的通达里程只占德国铁路总营业里程的1%和10%,却担负着50%的旅客周转量。

经过几十年的发展,高速铁路的建设已成为一项非常成熟的技术,而且世界各国都已认识到,发展高速铁路在改善国内交通状况,促进经济和社会的持续、健康发展具有重要的战略意义。

因此,高速铁路在世界范围内呈现出蓬勃发展的强劲势头,欧洲、美洲、亚洲诸国和地区,正在计划进一步加快高速铁路的建设。

目前,世界上有高速铁路运营的国家和地区包括日本、法国、德国、英国、意大利、西班牙、韩国、比利时、月-麦、瑞典、中国和中国台湾。

1.1.2国内高速铁路发展概况

我国是人口众多、耕地匿乏、人均资源短缺、先天脆弱性生态环境的国家,在土地、能源、环境等方面的压力都远远大于其它国家,这就决定了中国必须更有效地建立资源节约型的交通运输体系,也就是说,我国的国情决定了必须建立以铁路为主的高效运输体系。

但是,随着经济的快速发展,铁路成了制约国民经济发展的“瓶颈”;

另一方面,我国铁路运输对国民经济高速发展的制约已到了简单修建新线都不能解决问题的阶段,特别是在经济发达的沿海地区。

因此,国务院、铁道部做出决定,加速开展Zookn公h以上高速行车技术的攻关。

近年来,我国正在掀起高速铁路建设的高潮。

1994年,国内第一条最高时速为160公里的广深准高速铁路建成通车。

随后几年间,铁道部对京沪、京广、京哈等几大铁路干线的列车进行了大幅度的提速,平均时速达到160虹n/II,广深准高速铁路经提速后列车最高时速已达200ki孔七,这些都为中国铁路建设时速200km以上高速铁路奠定了基础。

在“十五”期间,国家加大了对铁路建设的投资力度,时速200km月1的秦沈客运专线建成通车,这标志着我国建设健康高效的新型铁路运输体系的开始。

设计时速350km/h、运营速度300hnjh的京沪高速铁路通过立项并已开工建设。

根据全国铁路规划,到20ro年,我国新建时速200如订11以上的客运专线和高速铁路将达到9800kill,约占49%。

可以说,高速铁路的建设将对二十一世纪我国国民经济的发展具有重要的推动作用。

1.2高速铁路对重轨的要求

随着高速铁路在世界范围内的蓬勃发展,高速铁路也将是我国今后铁路建设的重点和方向。

而重轨作为其中的关键部件之一,其实物质量应该满足铁路高速运输的新要求。

为满足我国高速铁路建设对重轨的性能需要,从1998年起,铁道部先后正式颁布过《时速200公里客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件》、《时速300公里客运专线60kg加钢轨暂行技术条件》、《时速250公里客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件》和《时速350公里客运专线6okg/m钢轨暂行技术条件》,其中后两个技术条件明确了高速铁路重轨的标准定尺长度是10Om。

新标准要求生产出来的重轨具有高纯净度、高尺寸精度和高平直度的“三高”特点,这对我国重轨生产提出了崭新的要求。

1.2.1高速铁路重轨断面及钢种

在断面规格上,国外基本上都是采用60kg/m的重轨[l1。

日本新干线在初期是采用JIS50kg/m断面,经过一段运行后发现50kg/m断面的刚度不够,造成路基维护增加,决定改用JIS60kg/m断面。

后来的法国、德国、意大利、西班牙、澳大利亚等国家学习了日本的经验,都采用了UIC60kg/m断面。

通过几十年高速铁路的运营考验,已证明60kg/m断面完全能满足高速铁路运营的需要。

我国高速铁路采用铁道部规定的60kg/m重轨I2],其断面图如图1.1所示,轨高176~、头宽73~、腰厚16.5~、底宽150~、截面积77.45。

澎、单重60.35kg/m。

文中60kg/m重轨均指高速铁路重轨。

图1.1我国6okg加重轨断面图

由于高速铁路的设计大多数是专门从事客运,由于运行速度快,轴重轻,要求重轨具有良好的韧性和抗疲劳性能,同时考虑到高速铁路需要采用无缝线路,对重轨的焊接性能的要求较高,通常国外高速铁路用重轨一般采用780MP卜880MPa强度等级的碳素普通轨f3l,并要求重轨材质纯净,钢中有害元素（如P、s）及残留元素含量低,氢、氧、氮气体含量少,非金属夹杂物,尤其是B类氧化物夹杂要求控制在1.0一1.5级以下。

各国高速铁路用重轨钢的成分和性能见表1.1

目前国内大量使用的普通及微合金重轨钢主要有四种,而高速铁路重轨主要是采用U71Mn和U75V两种材质。

U7lMll的抗拉强度等级为880MPa,U75V的抗拉强度等级为98OMPa级。

1.2.2对重轨尺寸精度的要求

为保证列车高速运行时的平稳性、舒适性、安全性,高速铁路对重轨质量的要求主要反映在重轨钢的纯净度、重轨表面质量、内部质量、几何尺寸精度和重轨外观平直度等几个方面。

各国铁路标准对高速铁路用重轨的表面质量、尺寸精度和平直度等都有具体的要求。

表1.2为国内外高速铁路钢轨标准在断面尺寸精度方面的要求。

从表中可以看出,高速铁路用重轨与普通线路用重轨相比,高速铁路对重轨的外形尺寸项目要求较多,精度要求更严,除通常所要求的轨高、头宽、腰厚、底宽等项目外,特别提出了对轨头顶部断面、轨底边缘厚度和轨底凹陷的要求。

表1.1高速铁路用重轨钢的化学成分及性能

表1.2不同标准对重轨断面尺寸偏差的要求

1.2.3对重轨表面质量的要求

热伤表示在热状态下形成的重轨热刮伤、轧痕、纵向线纹、折叠、氧化铁皮压入等缺陷的深度。

冷伤表示在冷状态条件下形成的重轨纵向或横向划痕,碰伤的深度。

表1.3为国内外高速铁路重轨标准对重轨表面质量的要求。

表1.3不同标准对重轨表面质量的要求

1.2.4对重轨平直度的要求

平直度是衡量重轨实物质量的主要指标之一,重轨平直度直接影响列车运行速度、安全性及舒适性。

试验数据表明,一个0.2~的微小焊缝迎合阶不平顺,在300kn岁11日寸引起的冲击性高频动作用力可达722kN,低频轮轨力达321kN,这样大的冲击力,有可能引发重轨、轮、轴断裂,导致恶性脱轨事故[4,5]。

因此,为保证列车运行的安全,各国高速铁路技术标准对重轨平直度和扭曲偏差提出了十分严格的要求,如表1.4。

与普通线路用重轨相比,高速铁路用重轨的平直度指标在内容上更为全面,包括轨端、轨身、小腰的平直度及全长弯曲,也包括轨端和全长扭曲等,并且其指标量值更为严格。

1.3国外高速铁路重轨生产工艺

目前国外大约有14个国家23个比较知名的重轨生产厂家。

这些厂家基本都于20世纪70年代末完成了工艺和设备的现代化改造。

其中主要有以下厂家采用万能轧机生产高速铁路重轨,分别为:

（1）法国钢铁集团哈亚士厂（CorusRail,Sogerial,Hayan眼e）;

（2）日本新日铁八蟠厂伽ipponSteel,物WataWorks）;

（3）南非依斯科比勒陀利亚厂（IsCOR,pretoriaWorks）;

（4）美国惠灵匹兹堡钢铁公司万能钢轨厂（Wheeling一Pittsbuxghsteel）;

（5）澳大利亚BHp怀阿拉厂（WhyallaBHpBrokenHillprop）;

（6）韩国江源工业有限公司Pohang钢铁厂;

（7）意大利piornbinoLuechiniSiderurgica;

（8）加拿大悉尼钢厂（Sydney）;

（9）波兰卡特维茨大型厂（Katerviz）;

（10）巴西欧鲁布朗库厂。

采用传统轨梁轧机生产重轨的厂也基本上都采用了炉外精炼、连铸、步进式加热炉和平立复合矫直设备,采用超声波、涡流检测技术和计算机对重轨质量进行检测控制。

严格按UIC860等国际通用标准组织生产。

代表厂家有:

英国钢铁公司沃金顿厂、德国蒂森公司AG厂、美国宾夕法尼亚钢厂、乌克兰亚速钢厂、卢森堡罗月一厂等。

1.3.1国外重轨万能生产工艺基本流程

目前,国际上普遍采用的重轨万能轧制法有两种生产工艺:

一种为以矿石为原料的长流程工艺;

另一种为以废钢为原料短流程工艺。

长流程工艺是以矿石为原料,经高炉、转炉冶炼,再经过炉外精炼和真空脱气处理,有效控制成分和有害气体后,经大方坯连铸成一定尺寸的钢坯,这些钢坯在步进式炉内加热到轧制温度后,被送到开坯机进行开坯形成重轨雏形,然后在万能粗轧机组进行可逆多道次粗轧,最后在万能精轧机上轧出成品。

成品重轨在热状态下由热锯切成定尺后,送至步进式冷床,首先进行热预弯,冷却到室温后进行平立复合矫直机矫直,再对重轨进行表面和内部质量检查（重轨轨高、平直度等自动检测、涡流探伤及超声波探伤）,然后采用联合锯钻组合机床对重轨进行切头、钻孔、倒棱、轨端淬火,最后对加工好的成品轨进行质量抽查和包装。

短流程重轨生产工艺是以废钢为主要原料,经电炉粗炼、LF炉精炼、vD或RH炉真空脱气后送连铸机铸成所需尺寸的钢坯。

其后步工艺与长流程相同。

为减小重轨生产过程中产生的原始不平顺,满足高速铁路重轨平顺性的要求,国外重轨生产企业在采取多种先进冶炼技术保证重轨钢高纯净度的同时,尤其重视保证重轨断面尺寸、表面质量和平直度的高精度,主要措施有:

（1）采用连铸钢坯,由于避免了铸锭坯的二次氧化和模壁粗糙,连铸坯轧制的重轨表面缺陷可减少55%。

（2）采用高压水除鳞,利用高压水除去轧件加热时形成的氧化皮,可有效提高重轨的表面质量。

（3）采用万能轧机轧制,万能轧机可实现四个方向的对称轧制,并可调整轧辊和压下量,控制轧制速度,从而提高重轨的尺寸精度及其稳定性。

（4）采用平立复合矫直,利用多个可变辊距的水平辊和垂直辊,辅之以激光测量和计算机控制,在水平和垂直两个方向进行复合矫直,使重轨具有较高的平直度和尺寸精度以及较小的扭曲和较低的残余应力。

（5）采用四面液压机补充矫直,在平立复合矫直的基础上,利用四面液压机对轨端和局部不平顺进行补充矫直,可进一步提高重轨的轨端和全长平直度。

（6）采用先进检测技术,用激光对重轨的几何尺寸和平直度进行自动检测,用涡流检测重轨的表面质量。

这些厂高速铁路重轨生产技术主要应用了精炼、真空脱气、连铸、万能轧制、长尺冷却、复合矫直和重轨检测中心等先进技术,这些正是现代重轨生产工艺的主要特征。

体现了重轨生产“三精”即精炼、精轧、精整的基本要求,生产的重轨不仅具有精确的断面尺寸,而且具有良好的内部质量。

1.3.2高速铁路重轨的长定尺化生产

高速铁路列车轴重轻、运行速度快,对轨道平顺性的要求大于其它线路。

提高重轨的平顺性,增加重轨的定尺长度是实现轨道平顺的根本。

通常重轨的轧制长度为75一12Om,为了横移的方便以及缓冷的需要,轧制后热锯切成几根,入坑去氢缓冷,然后进行矫直、探伤等。

一根重轨经矫直后,形成5个区域[l。

]:

在重轨两端各形成一个非矫直区及过渡区,中部为矫直变形区。

各个区域的轨高、头宽尺寸都有不同程度的变化。

随着炼钢技术的进步,特别是炉外精炼、真空脱气以及大方坯连铸技术的配套使用,使取消重轨的缓冷成为可能,这为重轨的长尺化生产创造了前提条件。

为适应高速铁路的发展要求,国外许多钢厂纷纷进行重轨长尺化生产的技术改造。

如日本伽sC,NKK）重轨的交货定尺长度为50m;

法国（Corus公司）为80m;

奥地利（奥钢联）及德国（蒂森公司）可达120m,这也是目前世界上最长的重轨定尺长度。

重轨长尺化生产采用长尺矫直,冷锯定尺工艺,利用热轧头尾余量切除矫直区和过渡区,使整根重轨尺寸和高度一致,可以大大提高重轨整体的平顺性。

重轨长尺化生产还便于对其进行热预弯,减少重轨矫直前的弯曲度,以降低重轨因矫直引起的残余应力和表面损伤,同时还可以提高其平直度和成材率。

另外,由于探伤再锯切,重轨两端的探伤盲区不复存在,可保证重轨端头的内部质量。

再者,增加定尺重轨的长度,可以减少焊接接头的数量,提高轨道运行的平顺性及安全可靠性。

因此,国外高速铁路纷纷采用长定尺钢轨。

重轨定尺越长,焊接接头越少,对提高轨道平顺性也越有利,对行车安全越有利。

定尺长度的确定既要考虑生产厂进行技术改造的可行性,也要考虑使用中与既有技术的衔接。

根据我国铁路发展的需要,铁道部有关部门已将发展10Om长定尺重轨确定为我国铁路的技术政策。

国内主要重轨生产厂家经过设备升级和技术改造后,均能生产loom长定尺重轨。

1.3.3国外典型重轨生产厂家工艺及装备

（1）法国钢铁集团哈亚士厂

该厂是法国最大的重轨生产厂,也是最早采用万能轧制法生产重轨的厂家。

其工艺流程为,加热炉~初轧机一开坯机一双机架万能轧机一轧边机一万能粗轧机一轧边机一万能精轧机一冷却一平立复合矫直一液压补矫一检测一端头加工一入库,见图1.3。

该厂重轨孔型系统特点是:

在第一架开坯机上设计了6个孔型,其中3个箱形孔和3个冒形孔;

第二架开坯机上设计了4个轨形孔;

在双万能轧机组上设计了2个万能孔型和2个轧边孔;

在万能轧机上设计了1个半万能孔。

步进式加热炉小时加热能力为80t;

初轧机和开坯机都为二辊可逆轧机,辊径为95Ornln,车昆身长2250~,电机功率分别为6190kw和3700kW。

双万能轧机水平辊辊径为1230~,电机功率3700kW,立辊辊径为800mm;

轧边机辊径为550~。

万能粗轧机的水平辊辊径为1170~,电机功率为6190kw,轧边机辊径为922~,电机功率为148OkW。

万能精轧机的水平辊辊径为1100~,立辊直径为800~,电机功率为162OkW。

该厂的万能工艺已在世界推广应用,采用其专利技术用万能法生产重轨的厂家有:

日本新日铁八蟠厂、南非依斯科比勒陀利亚厂（ISCOR,Pretoriaworks）、美国惠灵匹兹堡钢公司万能钢轨厂等。

（2）美国惠灵匹兹堡钢铁公司万能钢轨厂

这是一座工艺设备齐全的轧钢厂,装备有现代化工艺的万能轧机,全部采用万能法生产重轨,还可以生产宽边型钢、标准型钢,方钢等。

可生产轧件的最大长度为6Om。

全部轧机采用滚柱轴承和高精度止推轴承,可以保证产品尺寸精度和形状精度。

工艺流程见图1.4所示,步进式加热炉一高压水除鳞一开坯机一粗轧机一高压水除鳞一万能粗轧机一轧边机一万能中轧机一轧边机一高压水除鳞一万能精轧机一热锯一冷床一辊式联合矫直机一液压矫直一加工线。

步进式加热炉长26.82m,宽为8.44m,加热能力185确,可加热的最大钢坯尺寸为254mLmx355rnr以x6179mm。

开坯机为二辊可逆轧机,轧辊尺寸为必IO00mmx2300mm,电机功率2940kw。

粗轧机为二辊可逆轧机,轧辊尺寸必86Ommx2030mm,电机功率4416kw。

万能粗轧机辊径11SOInlll,电机功率11O4kW。

万能中轧机电机功率llO4kW。

万能精轧机辊径为1150~,电机功率22O8kW。

轧边机轧辊尺寸必860~xl65o~,电机功率llO4kW。

（3）加拿大悉尼钢厂

该厂是一个有近百年历史的重轨生产厂,长期以来一直采用长流程加横列式轧机生产重轨,即采用高炉、平炉、初轧和横列式轧机。

1991年改建完成后,该厂淘汰原有工艺,成为世界上第一座采用短流程工艺加万能法生产重轨的企业。

工艺流程:

废钢（分选、配料）一废钢预热一电炉冶炼一炉外精炼一真空脱气一大方坯连铸一坑式缓冷一步进炉加热一高压水除鳞一开坯一粗轧一万能机组中轧和精轧一自动打印一热锯锯切一反向预弯一步进冷床冷却一缓冷坑缓冷一上垛一平立辊矫直一磁粉探伤一超声波探伤一人工检查一端头加工一压力补矫一成品检查包装一入库一发货。

步进式加热炉,加热能力165比,炉内尺寸为7650x28448Ill」11。

开坯机为二辊可逆车L机,轧辊尺寸为必1026~x2032~,由两台电机带动,电机功率为2572kw。

粗轧机为二辊可逆式轧机,轧辊尺寸为必IO16rnnlx2794111」11,由两台功率为3380kw的电机带动。

万能轧机组由3架轧机组成,即万能粗轧机、二辊轧边机、万能精轧机。

万能粗轧机轧辊尺寸必n17mm（水平辊）及必787~（立辊）,电机功率为4410kw。

轧边机为二辊水平轧机,轧辊尺寸必863nllllx1727仃山1,电机功率为1100kw。

万能精轧机由功1117mm的水平辊和沪787mm的立辊组成,电机功率为2200kw。

热锯共有两台,一台直径为1068mm，另一台直径为1574mm，分别由两台功率为110kw的电机驱动。

冷床为步进式,尺寸2159Oln刀nX44450~,在冷床入口设有预弯推钢机。

平立联合矫直由7个水平辊和6个立辊组成,矫直速度1.13m/S。

（4）德国蒂森公司AG厂

德国蒂森工厂具有100多年生产重轨的历史,是世界上主要的重轨生产厂,年产30万吨。

该厂在重轨生产方面以丰富的经验和技术诀窍闻名于世,在众多高速铁路重轨生产厂中,多数采用万能法轧制重轨,而蒂森公司是用孔型法生产高速铁路用重轨。

目前,约有80%一90%重轨能达到高速铁路轨EN标准（主要受断面尺寸和平直度限制）。

可生产125m长定尺的高速铁路用重轨。

其生产工艺流程:

高炉铁水~铁水预脱硫一氧气顶吹转炉冶炼一RH真空脱气一六流连铸一步进式加热炉一高压水除鳞一粗轧一精轧（总计H道次）一热锯一步进式冷床一平立复合矫直一检测中心一端头四面压力矫直一锯钻加工一轨端淬火（或全长淬火）矫直一入库一发货。

1.4国内高速铁路重轨生产工艺及主要设备

2002年以前,我国四家重轨生产厂家（包括鞍钢、攀钢、包钢、武钢）均采用的是横列式轧机孔型轧制法。

为了生产出满足客运专线要求的具有高安全性、高平直度以及高尺寸精度的高速铁路用重轨,国内生产厂家进行了“精炼”、“精轧”、“精整”以及长尺化生产的技术改造。

2002年鞍钢率先引进了万能机组,成为国内首家采用万能轧制法生产重轨的厂家。

之后攀钢、包钢和武钢也相继引进了万能机组。

采用万能轧制法生产高速铁路重轨无疑成为国内当前的主流方法。

1.4.1鞍钢大型厂

2001年2月,鞍钢大型厂重轨生产线改造全面开工。

该工程分二期进行,一期工程在原有厂房内改造精整加工线;

二期工程新建万能轧制线。

该生产线于2002年12月8日全线试车成功,2003年该条重轨万能生产线投入使用,可以生产50m长定尺的高速铁路重轨。

整个轧制线布置有5机架,开坯机BDI和BDZ,万能轧机及轧边机UR/E用F,是德国SMS公司研制的紧凑式CCS五机架万能机组。

连铸坯在850℃左右装入步进式加热炉,加热到1250℃左右。

钢坯经高压水第一次除鳞后,由沪1150~轧机、功1100~轧机开坯轧制,经第二次除鳞后由万能机组轧制成成品,经热锯锯切成定尺或倍尺,热打印机打印标识后,上步进式冷床进行预弯、冷却。

需要缓冷处理的重轨,则不进行预弯,而是在冷床入口处翻转90“,通过快速链式运输小车运送到收集台架,集中编组后再由吊车装入缓冷坑缓冷。

冷却后的重轨,经平立复合矫直机矫直后,通过检测中心对平直度、表面质量等进行检测,之后送入加工线加工,经检查合格后入库、发货。

生产工艺流程见图1.5。

为适应高速铁路采用100m长定尺重轨的新需求,鞍钢于2007年1月,对原有SOm万能重轨生产线进行技术改造,解决生产IOOm长定尺重轨横移能力问题。

同年4月,100m长定尺重轨生产线改造工程全线热负荷试车成功。

万能机组是德国SMS公司设计制造,由三架轧机即万能粗轧机UR、轧边机E、万能精轧机UF组成,轧机主要技术参数见表1.5。

其整体装备代表了当今世界重轨轧机的最高水平,具备多项先进功能,例如:

全程自动轧钢;

水平辊及立辊辊缝自动调整（AGC）;

液压辊系平衡以及压上、压下系统;

轧边机整机架在线横移;

下辊轴向液压自动调整;

轧辊轴承油气润滑系统;

全自动快速换辊系统等。

该生产线年设计规模75万吨。

其中轨类钢55万吨,大型材10万吨,H型钢10万吨。

原料是由四流连铸机直接供料热装,铸坯断面为280rnlnX380~,320~x41o~两种,长度为5一sm。

鞍钢生产的主要产品品种有以下几种。

（1）轨类钢

国标43一75kg/m重轨U-ICSO、UIC6o、BSgoA、BSIOoA重轨以及QU8o一100吊车轨,、60AI…道岔轨,DU48、DU52导电轨等;

（2）大型材

25号一40号工字钢,25号科0号槽钢,14号一20号角钢以及球扁钢等;

（3）H型钢

H150火150一H4O0x20O等。

表1.5万能机组主要技术参数

1.4.2攀钢轨梁厂

攀钢万能生产线于2003年9月正式开工,该生产线引进了先进的七机架万能轧机,其主要工艺设备步进式加热炉、开坯及万能轧机、长尺步进式冷床、热锯机等均代表了行业先进水平。

2004年12月,该万能生产线试车成功。

该生产线建成后,攀钢能够按照国际上最严格的EN标准组织生产高强度、高平直度、高表面质量的IOOIn长尺重轨,能满足350七n/」1高速铁路用重轨的要求。

攀钢领衔承担了“十五”国家科技攻关计划的重点项目—“高速重载钢材新技术”项目。

并与轧制技术及连轧自动化实验室一起合作承担了“十五”项目中“高精度钢轨轧制技术研究”的攻关项目,在现有设备和轧制工艺的基础上进行全万能孔型系统轧制高速铁路用重轨的研究。

该重轨生产线是我国第一条100m长定尺重轨生产线,由德国西马克（SMs一MEER）、西门子（SIMENS）和意大利达涅利（DANIELI）提供技术和主要设备。

轧制生产线由7架轧机组成,按1一1一2一2一1形式布置,其