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高速铁路先进技术及知识赵婧2010年09月主要内容国内外钢轨生产和使用大纲1.国内外钢轨标准2.钢轨的生产技术3.轨钢的研究进展4.钢轨的焊接体系5.钢轨的合理使用6.轮轨的硬度匹配铁路运输是我国的主导运输方式，具有节能、环保等优点，而钢轨是轨道交通的重要部件，承担着引导车轮、传递载荷的功能。我国铁路用钢轨主要由攀钢、鞍钢、包钢生产；钢轨轨型有50kg/m、60kg/m和75kg/m;在繁忙干线上主要铺设60kg/m钢轨，在大秦等重载铁路上铺设75kg/m钢轨；钢轨定尺长度为25m，近年来正在大力发展100m长定尺钢轨。近年来我国铁路每年钢轨用量约100～150万吨，到2010年将达到200多万吨。仅钢轨材料费就需耗资45～90亿元；因此，在钢轨生产和使用方面取得的任何技术进步，均将产生很大的社会经济效益。一、国内外钢轨标准标准是制高点。钢轨标准是钢轨生产技术进步的反映，也是铁路发展需要的体现。标准的起草和制定从一个侧面反映了一个单位在本领域的地位和水平。1.1国外钢轨标准1）ASTMA1-00美国材料试验协会制定的第一个标准就是钢轨技术条件，现行的标准为2000年版。美国铁路工程保养协会（AREMA）钢轨技术条件:较好的反映了重载铁路对钢轨的要求。对1993版、2002版、2004最新版均进行了跟踪翻译。2）前苏联/俄罗斯钢轨标准：ГOCT24182-80，热轧钢轨（前苏联标准）ГOCT18267-82;热处理钢轨（前苏联标准）ГOCTP51685-2000：有较大的修改（俄罗斯标准）。3）日本钢轨标准：JISE1101，1993,2001;热轧钢轨JISE1123，端部热处理钢轨JISE1120—1994，热处理钢轨日本钢轨技术条件要求不高，但实物水平很高。4）国际铁路联盟：UIC860钢轨供货技术条件第八版（1986.7）：本标准是流行较广的钢轨标准之一，许多国家在钢轨的国际采购招标中均使用这一标准。但由于国际铁路联盟工作重点发生变化，不再制定和修订钢轨标准，1986年制定的国际铁路联盟钢轨标准显然不能满足铁路发展和冶金生产技术进步的要求。5）欧洲钢轨标准：EN13674-1：2003（E）1994年11月提出初稿，1996年2月提出第二稿，1998年第三稿面世，2000年确定了标准号，2003年正式颁布。该标准全面反映了高速铁路对钢轨的要求，是当今世界上最先进、最严格的标准之一。在标准范围中明确规定了该技术条件适用于高速铁路。我国铁路颁布的系列钢轨标准均以该标准为采标对象，并兼顾国内的具体实际制定的。6）欧洲道岔钢轨标准：prEN13674-2:2003(E)本标准规定了欧洲铁路用道岔钢轨的有关要求。以上标准大部分中文稿均收集在《国内外最新钢轨标准汇编》(2004年版、周清跃主编译)以及《现代铁路钢轨标准汇编》（2005年版、周清跃主编译）中。1.2国内钢轨标准自1998年修建秦沈客运专线以来，铁道部根据铁路发展的需要，并兼顾国内钢轨生产的实际，先后颁布了10余个钢轨暂行技术条件和标准，涵盖了250km/h和350km/h客运专线、时速160公里以下既有线以及时速200公里提速线路用的热轧钢轨、热处理钢轨以及道岔用钢轨。从此改变了钢厂不采用铁路钢轨标准的历史。现在已经形成了由铁道部提出标准，钢厂按此生产的局面。从而大大推动了钢轨生产的现代化技术改造。1）时速200公里客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件（科技基[1999]01号）：原用于秦沈客运专线，现用于时速200公里提速线路。2）时速300公里高速铁路60kg/m钢轨暂行技术条件（科技基[1999]01号）：原用于秦沈客运专线综合试验段进口钢轨。目前国内主要钢轨标准：3）时速200公里客运专线60AT钢轨暂行技术条件（科教基[2000]41号）：用于秦沈客运专线。4)时速200公里客运专线60AT钢轨焊接暂行技术条件（科教基[2000]41号）:用于秦沈客运专线。5）《250km/h客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件》（铁科技函[2005]298号）：适用于新建250km/h客运专线。该技术条件以欧洲钢轨标准为采标对象，采用欧洲标准中规定的B级平直度及几何尺寸的要求，并在试验方法等方面兼顾国内习惯。6）《350km/h客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件》（铁科技[2004]120号）：适用于新建350km/h客运专线。该技术条件以欧洲钢轨标准为采标对象，采用欧洲标准中规定的A级平直度及几何尺寸的要求（为顶极标准），并在试验方法等方面兼顾国内习惯。7）《客运专线60AT钢轨暂行技术条件》（铁科技函[2005]101号）适用于新建客运专线。该标准以欧洲道岔钢轨标准为采标对象，结合国内钢种以及试验方法等方面的国内习惯制定。8）《250km/h和350km/h客运专线钢轨检验及验收暂行标准》（铁建设函[2005]402号）：为监督钢轨的生产质量而制定。适用于客运专线钢轨的用户检验。9）《TB/T2344-2003：43kg/m～75kg/m热轧钢轨订货技术条件》：适用于时速160km/h以下既有线用的热轧钢轨。目前铁路每年约70～100万吨大修和维修用轨均采用该标准生产和采购。该标准以欧洲钢轨标准为采标对象，并兼顾到目前我国钢轨生产厂正在进行技术改造的实际情况而制定。有的指标低于《250km/h客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件》。10）《TB/T2635-2004热处理钢轨技术条件》：适用于既有线用的热处理钢轨。以上标准均收集在《国内外最新钢轨标准汇编》(2004年版、周清跃主编译)以及《现代铁路钢轨标准汇编》（2005年版、周清跃主编译）中。二、钢轨的生产钢轨的传统生产工艺大致可分为三个部分，即冶炼、轧制和精整。以前钢轨采用平炉冶炼、模铸以及孔型法轧制生产，无论是钢质的洁净性还是几何尺寸等均不够理想。现代钢轨生产工艺主要体现在精炼、精轧、精整、质量自动检测和长尺化生产等方面。钢轨的质量比传统生产有大幅度的提高。2.1现代钢轨生产技术1）钢坯生产现代化钢轨生产一般采用精炼和连铸工艺进行，工艺流程为：生铁脱硫预处理——氧气顶吹转炉冶炼——除渣处理——LF炉外精炼——真空脱气——连铸等。通过脱硫预处理、炉外精炼和真空脱气等先进设备和技术，使钢质洁净。采用连铸生产不仅提高金属收得率和成材率，更重要的是提高了铸坯的质量。钢坯冶炼和连铸系统轨钢的转炉冶炼轨钢的四流方坯连铸2)钢轨轧制、精整和质量检测钢轨轧制工艺流程为：连铸坯——步进式加热炉——高压水除鳞——万能轧机轧制——钢轨热预弯——复合矫直——平直度在线检测——涡流探伤——超声波探伤——外观检查——锯切、端头精加工——入库。步进式加热炉能使钢坯均匀加热；采用多级高压水除鳞，可以保证钢轨的表面质量；用万能轧制技术生产，可保证钢轨的几何尺寸精度、是现代钢轨生产的标志之一。采用热预弯，可减少残余应力和矫直噪音。采用万能轧机轧制钢轨钢轨热预弯钢轨热预弯钢轨平立复合矫直激光辅助四面液压矫直3）钢轨质量检测质量检测一般采用集中布置，包括平直度激光自动检测；涡流探伤；超声波探伤；表面质量在线肉眼检查等。钢轨平直度激光自动检测2.2国内钢厂技术改造进展情况自铁道部修建秦沈客运专线、颁布时速200和300公里客运专线钢轨技术条件以来，大大推动了国内钢厂的技术改造：鞍钢已于2002年底引进国外先进设备和技术，完成了炉外精炼、真空脱气、大方坯连铸和万能法轧制钢轨的技术改造，2007年完成了100m长定尺钢轨的技术改造。攀钢已于2003年底完成了钢轨连铸生产和精加工的技术改造，2004年底完成了万能法轧制生产100m长定尺钢轨的技术改造,首批生产的10余公里100m长定尺钢已在陇海线铺设上道。包钢在1998年完成了轨钢精炼生产技改的基础上、2002年完成了钢轨的精整改造，2006年完成了万能法轧制100m长定尺钢轨的技术改造。武钢也正在进行钢轨生产的现代化技术改造。2.3与国外先进国家的差距国内钢厂在完成技术改造后，在钢轨生产设备方面已处于世界先进水平，但是，真正生产出具有世界一流水平的钢轨，国内钢厂还有待努力，尤其在轨钢内部纯净度、钢轨的表面质量以及钢轨质量的稳定性、合格率等方面。目前，攀钢100m长定尺生产的合格率已达到90%以上，包钢达到70%以上，鞍钢达到60%以上。三轨钢的研究及进展3.1钢轨的分类按轨钢的化学成分，可分为碳素钢轨（钢中无合金元素加入，又称普通钢轨）、微合金钢轨（钢中加入微量合金元素如V、Nb、Ti等）、低合金钢轨（如钢中加入0.80~1.20％Cr的EN320Cr）。按交货状态可分为热轧钢轨和热处理钢轨。热处理钢轨依其工艺条件又可分为离线热处理钢轨（钢轨轧制冷却后再重新加热）及在线热处理钢轨（利用轧制余热对其进行热处理，不再二次加热）。按轨钢的最低抗拉强度可分为680MPa级（欧洲EN200）、780MPa级（如U74等）、880MPa级（如U71Mn）、980MPa级（U75V，U76NbRE热轧轨）、1080MPa级（欧洲320Cr合金轨）、1180MPa级热处理钢轨（U75V，U76NbRE热处理钢轨等）。一般，强度等级为1080MPa及以上的钢轨被称为耐磨轨。3.2普碳钢轨及微合金钢轨所谓普碳钢轨，即碳素钢轨。钢中碳含量随强度等级的不同，在0.40～0.80%范围内变化，锰含量小于1.30％～1.40％，无其他合金元素加入。日本及欧洲一些国家仍生产和使用抗拉强度为680MPa～780MPa的碳素钢轨。这种含碳量低的钢轨生产方便，韧塑性好，焊接性能优良，不易断裂，并且成本较低。但是由于强度等级较低，耐磨性能较差，可用在运量不大、耐磨性能无需很高的铁路线路上。目前国内使用的普通及微合金钢轨主要有四个钢种，即抗拉强度为780MPa级的U74、880MPa级的U71Mn、980MPa级的U75V(原PD3)和U76NbRE(原BNbRE)。U71Mn钢轨在U74的基础上降低碳含量，增加锰含量，标准规定为880MPa级，实际抗拉强度大于930MPa以上，有较好的焊接性能。U75V(原PD3)为攀钢研制的微合金钢轨，热轧后其强度达到980MPa级，相对韧塑性差些，焊接范围较窄。U76NbRE(原BNbRE)为包钢研制的微合金钢轨。热轧后强度达到980MPa级。由于铌和稀土的作用，其韧塑性尤其低温韧性相对较好。980MPa级的钢轨经过近10年的使用以及完善，由于强度等级较高，其耐磨性能明显要好于780~880MPa级的U74和U71Mn钢轨。U75V(原PD3)经1998年调整化学成分后，韧塑性有明显提高，在繁忙重载铁路干线的直线上使用具有优势。3.3合金钢轨在钢中加入合金元素Si、Mn、Cr、Mo、V等，起到固溶强化以及细化珠光体组织作用以提高强度，这就是所谓的合金化强化。合金化强化的缺点是在提高强度的同时，带来韧塑性的损失，恶化了焊接性能。因此，强度等级为1180MPa的珠光体型合金钢轨由于断裂韧性低，残余应力大，该等级的合金轨在国外已基本上不再生产和使用。目前，国外在小半径曲线上作为耐磨轨使用较多的为1080MPa等级的合金轨。这样的合金轨焊接后要采取缓冷措施，以保证焊接接头不出现有害的马氏体组织。3.4热处理钢轨研究表明，细化轨钢珠光体组织，不仅可以提高其强度而且改善其韧塑性能，这可以通过钢轨热处理的方法得以实现。所谓热处理就是通过控制加热和冷却过程，改变金属的组织结构，使其具备优良的性能。我国钢轨热处理技术的研究始于20世纪60年代中期，80年代中发展较快。目前攀钢可年产10万吨以上的在线热处理钢轨。包钢可年产2万吨以上的离线热处理钢轨。铁路部门可生产部分离线热处理钢轨。3.5轨钢的最新研究动向3.5.1国外轨钢的研究动向1）过共析珠光体钢轨通过添加合金元素以及热处理可提高钢轨的强度。对于珠光体钢轨来说，达到1300MPa基本已到极限。再进一步提高强度和硬度，轨头表面会形成不希望出现的脆性贝氏体和马氏体组织。鉴于上述情况，日本新日铁公司的研究人员提出了这样一种新思路，即通过增加珠光体中渗碳体相