一种长大坡道线路钢轨用钢的选择方法与流程

1.本发明涉及钢铁应用领域，更具体地涉及一种长大坡道线路钢轨用钢的选择方法。


背景技术：

2.我国地域广阔，地形地貌复杂，我国的铁路也相应的展现出多种特点，其中山区铁路是主要的形式之一。与平原地区铁路相比，山区铁路，特别是西南高原地区的铁路，例如在建的川藏铁路，线路复杂多变，通过总重不均衡、曲线半径小、坡道多且大和长。
3.由于钢轨应用环境和用途的差异，因此这些地区的钢轨与其他地区相比会出现服役过程中钢轨磨耗、接触疲劳伤损更加突出的问题。根据线路特点选用适宜的、性能优异的钢轨是提高钢轨使用寿命的重要手段。但目前缺乏针对川藏铁路这样复杂的地貌特征和使用特点来设计钢轨性能的相关指导方法。
4.因此，有必要提供一种针对长大坡道线路的钢轨用钢的选择方法以实现提高钢轨使用寿命的目的。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种长大坡道线路钢轨用钢的选择方法以解决现有技术中存在的上述问题中的至少一项。该方法能够根据钢轨的使用环境和用途来从根本上指导钢轨的成分设计，提高钢轨性能与应用环境的匹配性，延长钢轨使用寿命。
6.为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
7.根据本发明的一方面，提供一种长大坡道线路钢轨用钢的选择方法，包括下列步骤：
8.基于线路的曲线半径等级cr、轴重等级ar和通过总重等级fv确定线路综合指数ri；
9.基于线路综合指数ri确定钢轨的抗拉强度ts需要满足的要求；
10.基于钢轨的抗拉强度ts需要满足的所述要求来设计和选择钢轨钢的化学成分及制备工艺。
11.根据本发明的一个实施例，所述线路综合指数ri根据以下公式确定：
12.线路综合指数ri＝曲线半径等级cr*权重系数a+轴重等级ar*权重系数b+通过总重等级fv*权重系数c。
13.根据本发明的一个实施例，根据下列规则基于线路综合指数ri确定钢轨的抗拉强度ts需要满足的要求：
14.ri≤3.0时，900mpa≤ts＜1000mpa；
15.3.0＜ri≤4.0时，1000mpa≤ts＜1100mpa；
16.4.0＜ri≤5.0时，1100mpa≤ts＜1200mpa；
17.ri＞5.0时，1200mpa≤ts＜1300mpa。
18.根据本发明的一个实施例，其中：
19.当坡道曲线半径＞1200m时，cr＝1；当600m＜坡道曲线半径≤1200m时，cr＝2；当坡道曲线半径≤600m时，cr＝3；
20.当轴重＜19吨时，ar＝1；当19吨≤轴重＜23吨时，ar＝2；当23吨≤轴重＜27吨时，ar＝3；
21.当通过总重＜3000万吨时，fv＝1；当3000万吨≤通过总重＜6000万吨时，fv＝2；当6000万吨≤通过总重＜10000万吨时，fv＝3。
22.根据本发明的一个实施例，其中a＝1.0，b＝0.6，c＝0.8。
23.根据本发明的一个实施例，所述钢轨钢的化学组分包括c、si、mn、cr、v以及下列元素中的至少一种：cu、ni、nb、ti。
24.根据本发明的一个实施例，其中所述钢轨钢的化学组分满足以下关系：
25.si＝6.93[c]+1.15[si]+1.26[mn]+1.46[cr]+6.2[v]+4.92[nb]/[ti]+0.63[cu]+0.86[ni]；
[0026]
当ri≤3.0时，5.0≤si＜5.8；
[0027]
当3.0＜ri≤4.0时，5.8≤si＜6.6；
[0028]
当4.0＜ri≤5.0时，6.6≤si＜7.4；
[0029]
当ri＞5.0时，7.4≤si＜8.2。
[0030]
根据本发明的一个实施例，所述钢轨钢通过以下方法制备而成：
[0031]
将钢坯加热至钢坯易于变形，置于开坯机轧制成形，经万能轧机粗轧、中轧和精轧制成钢轨，万能轧制后利用轧制余热进行在线热处理，经精整和检测后获得钢轨钢成品。
[0032]
根据本发明的一个实施例，所述粗轧和中轧采用低温大变形量轧制。
[0033]
根据本发明的一个实施例，所述钢轨钢的抗拉强度≥900mpa，屈强比≥0.68。
[0034]
本发明提供的长大坡道线路钢轨用钢的选择方法与现有技术相比，具备以下有益效果中的至少一项：本发明的方法根据长大坡道线路的曲线半径、轴重、通过总重控制钢轨的强度，实现钢轨性能与线路条件的匹配，可以抑制钢轨磨损和接触疲劳伤损发展，从而能够延长该钢轨的使用寿命，减少钢轨维护工作量。
附图说明
[0035]
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0036]
图1示例性地示出了根据本发明的长大坡道线路钢轨用钢的选择方法的流程图。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0038]
本发明提供了一种根据长大坡道线路的曲线半径、轴重、通过总重控制钢轨的强度，实现钢轨性能与线路条件的匹配。如图1所示，该方法总体包括下列步骤：
[0039]
步骤s1：基于线路的曲线半径等级cr、轴重等级ar和通过总重等级fv确定线路综
合指数ri；
[0040]
步骤s2：基于线路综合指数ri确定钢轨的抗拉强度ts需要满足的要求；
[0041]
步骤s3：基于钢轨的抗拉强度ts需要满足的要求来设计钢轨的化学成分及制备工艺。
[0042]
钢轨的线路综合指数ri是综合考虑需要铺设钢轨的区域的曲线半径、在该线路上运行的机车的轴重以及该线路的铁路运输量的参数。可以根据该参数来确定钢轨所需满足的强度要求。
[0043]
在本发明的一些实施例中，线路综合指数ri根据以下公式(1)确定：
[0044]
线路综合指数ri＝曲线半径等级cr*权重系数a+轴重等级ar*权重系数b+通过总重等级fv*权重系数c公式(1)
[0045]
其中曲线半径等级cr随轨道线路的曲线半径不同而存在差异，具体地，当坡道曲线半径＞1200m时，cr＝1，当600m＜坡道曲线半径≤1200m时，cr＝2，当坡道曲线半径≤600m时，cr＝3。
[0046]
其中轴重等级ar随运行机车的轴重不同而存在差异，具体地，当轴重＜19吨时，ar＝1，当19吨≤轴重＜23吨时，ar＝2，当23吨≤轴重＜27吨时，ar＝3。
[0047]
其中通过总重等级fv随线路预测通过总重的不同而存在差异，具体地，当通过总重＜3000万吨时，fv＝1，当3000万吨≤通过总重＜6000万吨时，fv＝2，当6000万吨≤通过总重＜10000万吨时，fv＝3。这里所提及的通过总重包括货通过总重和客通过总重两者。
[0048]
在本发明的一些实施例中，权重系数a、b、c可以选用固定值，例如，a＝1.0，b＝0.6，c＝0.8。
[0049]
钢轨的抗拉强度ts是将钢轨钢制成钢轨后，将其铺设在轨道上时的抗拉强度。根据钢轨的抗拉强度ts可以相应地设计钢轨钢的化学成分及制备工艺。
[0050]
可以基于线路综合指数ri确定钢轨的抗拉强度ts需要满足的要求。在本发明的一些实施例中，根据下列规则基于线路综合指数ri确定钢轨的抗拉强度ts需要满足的要求：
[0051]
ri≤3.0时，900mpa≤ts＜1000mpa；
[0052]
3.0＜ri≤4.0时，1000mpa≤ts＜1100mpa；
[0053]
4.0＜ri≤5.0时，1100mpa≤ts＜1200mpa；
[0054]
ri＞5.0时，1200mpa≤ts＜1300mpa。
[0055]
然后可以基于钢轨的抗拉强度ts需要满足的要求来设计和选择钢轨钢的化学成分及制备工艺。
[0056]
在本发明的一些实施例中，所用的钢轨钢的化学组分包括c、si、mn、cr、v以及下列元素中的至少一种：cu、ni、nb、ti，且各化学组分满足以下关系：
[0057]
si＝6.93[c]+1.15[si]+1.26[mn]+1.46[cr]+6.2[v]+4.92[nb]/[ti]+0.63[cu]+0.86[ni]；
[0058]
当ri≤3.0时，5.0≤si＜5.8；
[0059]
当3.0＜ri≤4.0时，5.8≤si＜6.6；
[0060]
当4.0＜ri≤5.0时，6.6≤si＜7.4；
[0061]
当ri＞5.0时，7.4≤si＜8.2；
[0062]
si指的是钢中强化成分的总的强化指数或者强化系数，[m]指的是m元素的含量的
100倍所对应的数值，例如当钢中c含量为0.65％时，公式中的[c]则表示0.65。
[0063]
碳(c)：碳是提高强度最经济有效的合金元素，对组织和性能影响极大。c含量每增加0.1％，抗拉强度rm大约提高90mpa，屈服极限rel大约提高40～50mpa，碳对提高钢强度的作用非常明显。当c含量＜0.50％时，通常无法保证钢轨具有合适的强硬度和耐磨耗性能；当c含量＞0.75％时，钢轨钢的碳化物比例过高，钢的强度、硬度指标过高，对钢轨的塑韧性有不利影响。
[0064]
硅(si)：硅可以提高钢在加热和冷却时的临界转变温度，增加热滞后作用。硅能显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比。在车轮钢中，提高si含量对车轮抗剥离和抗擦伤性能有益。当si含量＜0.30％，其固溶量偏低导致强化效果不明显；当si含量＞0.90％时，促进奥氏体晶粒先共析铁素体析出，先共析铁素体数量过多，对接触疲劳性能不利。
[0065]
锰(mn)：锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时锰又是碳化物形成元素。锰能增加过冷奥氏体的稳定性，也强烈增加钢的淬透性。在钢中添加mn元素，可以提高钢的抗拉强度和屈服极限。当mn含量＜0.40％时，其难以达到增加碳化物硬度从而增加钢的强硬度的作用；当mn含量＞1.00％时，钢淬透性过高有可能产生贝氏体或马氏体等异常组织。
[0066]
铬(cr)：铬和铁可以形成连续的固溶体，与碳形成多种碳化物，对钢的性能有显著的影响，特别是钢的耐磨性。铬能显著提高钢的淬透性，铬还使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少。当cr含量＜0.25％时，形成的碳化物硬度及比例较低，钢轨淬透性较低，难以获得较高的轨头内部性能；当cr含量＞0.80％，钢轨的淬透性过高，易使钢轨生成有害的贝氏体和马氏体组织。
[0067]
铜(cu)：铜是扩大γ相区的元素，是具有通过固溶强化而提高屈服强度的效果的元素，此外，铜的加入可以提高钢的抗腐蚀性能。当cu含量＜0.20％时，耐蚀效果不明显，但是，cu含量超过0.5％时，再增加铜的含量，效果的增加就不太明显了。
[0068]
镍(ni)：当ni含量＜0.15％时，其对于cu元素在钢中的强化效果不明显；当ni含量＞0.35％时，淬火性升高，生成马氏体，其结果是耐疲劳损伤性容易降低。
[0069]
钒(v)：钒在钢中以钒碳氮化物的形式析出，抑制奥氏体晶粒的生长，能够细化钢中晶粒尺寸。当v含量＜0.04％时，其碳氮化物析出较少，强化效果不明显；当v含量＞0.15％时，易在钢中形成粗大的碳氮化物，反而降低钢的韧塑性。
[0070]
铌(nb)：铌在钢中的作用与钒相似，通过铌碳氮化物的析出来细化奥氏体晶粒，同时提高钢的硬度和韧塑性。当nb含量＜0.01％时，其碳氮化物析出较少，强化效果不明显；当nb含量＞0.08％时，易在钢中形成粗大的碳氮化物，反而降低钢的韧塑性。
[0071]
因此，需要综合调控钢中的各个成分以使钢轨钢的抗拉强度与所确定的钢轨的抗拉强度ts相适应。
[0072]
除了对钢的组分进行设计外，还需要采用合适的制备工艺才能获得满足设计性能的钢轨钢。
[0073]
在本发明的一些实施例中，钢轨钢通过以下方法制备而成：将钢坯加热至钢坯易于变形，置于开坯机轧制成形，经万能轧机粗轧、中轧和精轧制成钢轨，万能轧制后利用轧制余热进行在线热处理，经精整和检测后获得钢轨钢成品。其中钢坯是由高炉铁水经转炉冶炼、lf精炼、电加热和连铸制备得到。
[0074]
具体地，钢轨钢采用万能轧制法轧制，粗轧和中轧采用低温大变形量轧制，开轧温度控制在1150～1200℃、终轧温度控制在850～900℃。轧制后利用轧制余热进行在线热处理，当轨顶面温度为750～790℃时，以4.0～5.5℃/s的冷却速度加速冷却42～52s，然后再以1.0～2.0℃/s的冷却速度冷却至500℃以下后自然冷却。此时，通过调整上述热轧前的加热温度、冷却速度，控制了最终得到的钢轨钢的强度和屈强比，可使钢轨钢的抗拉强度≥900mpa，屈强比≥0.68。
[0075]
以下为根据本发明的长大坡道线路钢轨用钢的选择方法的具体实施例。除非另有说明，下列实施例中所使用的原料、设备、耗材等均可通过常规商业手段获得。
[0076]
实施例1
[0077]
青藏铁路那曲至岗秀段线路为长大坡道类型，其坡道中曲线半径主要为两种，一种是约为800m的小半径曲线，另一种是半径1300m及以上的曲线。在该线路上运行的主要是轴重23吨左右的机车。经调研和测算，该线路通过总重约为3500万吨。根据该线路的坡道小半径曲线确定其对应的曲线半径等级cr分别为2、1，其权重系数设定为1，根据轴重数据确定轴重等级ar为2，其权重系数设定为0.6，根据线路通过总重确定其通过总重等级fv为2，其权重系数设定为0.8。根据计算线路综合指数ri的公式确定该线路800m小半径曲线综合指数ri应为4.8、1300m大半径曲线综合指数ri应为3.8。根据规则可以基于线路综合指数ri确定800m半径曲线线路钢轨的抗拉强度ts应处于1100～1200mpa范围内，1300m及以上半径曲线线路钢轨的抗拉强度ts应处于1000～1100mpa范围内。
[0078]
实施例2
[0079]
本实施例为制备满足实施例1所要求的性能的钢轨钢的相关工艺。
[0080]
根据实施例1确定的钢轨的抗拉强度ts和钢中强化成分的总的强化指数si限定的关系确定钢轨的化学成分可以由以下重量百分比的元素组成：c：0.55-0.75％、si：0.30-0.90％、mn：0.40-1.20％、cr：0.25-0.80％、v：0.02-0.20％，还包括cu、ni、mo、nb、ti中的至少一种，其中，cu：0.20-0.50％、ni：0.15-0.35％、mo：0.03-0.15％、nb：0.01-0.08％、ti：0.001-0.030％，其余为fe和不可避免的杂质。
[0081]
将具有表1所示的成分组成的铸坯经冷却和清理后的铸坯装入步进式加热炉中加热至易于轧制变形。钢轨采用万能轧制法轧制，开轧温度控制为1150～1200℃、终轧温度控制在850～900℃。轧制后利用轧制余热进行在线热处理，轨顶面温度从750～790℃，以4.0～5.5℃/s速度加速冷却42～52s，然后再以1.0～2.0℃/s的速度冷却至500℃以下后自然冷却。此时，通过调整上述热轧前的加热温度、冷却速度，控制了最终得到的钢轨钢的强度和屈强比。
[0082]
表1实验例的化学成分
[0083]
编号csimnpscrcunivnb实验例10.560.350.870.0120.0060.260.010.010.030.030实验例20.610.320.630.0180.0030.260.010.010.030.030实验例30.580.381.080.0170.0060.30.010.010.070.003实验例40.620.350.970.0160.0070.280.010.010.050.002实验例50.620.670.830.0150.0060.420.310.150.050.002实验例60.650.590.860.0140.0060.350.260.150.050.003
实验例70.690.640.860.0130.0060.430.340.210.060.005实验例80.710.640.790.0170.0090.460.310.180.060.002实验例90.740.810.840.0120.0030.610.010.010.120.030实验例100.740.860.710.0110.0040.650.010.010.120.030
[0084]
为说明本发明上述实验例制备的钢轨的相关性能，以下对实验例的钢轨钢进行力学性能检验，其中按gb/t 13298标准检验室温金相组织，按gb/t 228.1标准测试屈服强度、抗拉强度和延伸率，按gb/t 231.1标准测试布氏硬度，具体数据见表2。按gb/t 229标准测试室温冲击功，按tb/t 2344.1和gb/t 4161测试钢轨断裂韧度kic，按tb/t 2375-1993测试钢轨相对耐蚀性。磨损量在mm-200磨损试验机上进行，磨损方式为干磨，转速200r/min，对磨总转数10万转，试验负荷980n、滑差10％。接触疲劳寿命测试在time 8123滚动接触疲劳试验机上进行，滑差1.0％、油润滑条件下实施试验，将发生剥离(疲劳损伤)时的转数示于表2。上述转速的值可以视为钢轨的疲劳损伤寿命的指标。
[0085]
表2实验例拉伸、硬度及接触疲劳性能
[0086][0087]
综合分析上述测试结果可知，实验例1-4的钢轨钢可以满足1300m及以上半径曲线线路钢轨的性能要求，实验例5-10的钢轨钢可以满足800m半径曲线线路钢轨的性能要求。根据该方法选择的钢轨钢能抑制钢轨磨损和接触疲劳伤损发展，从而能够延长该钢轨的使用寿命，减少钢轨维护工作量。基于经验和模拟数据预测，使用根据本发明的方法选择和设计的钢轨钢与现有技术中应用的钢轨钢相比，其寿命可以延长1倍，成本可以降低50％以上，该方法具有广阔的推广应用前景。
[0088]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0089]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0090]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种长大坡道线路钢轨用钢的选择方法，其特征在于，包括下列步骤：基于线路的曲线半径等级cr、轴重等级ar和通过总重等级fv确定线路综合指数ri；基于线路综合指数ri确定钢轨的抗拉强度ts需要满足的要求；基于钢轨的抗拉强度ts需要满足的所述要求来设计和选择钢轨钢的化学成分及制备工艺。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线路综合指数ri根据以下公式确定：线路综合指数ri＝曲线半径等级cr*权重系数a+轴重等级ar*权重系数b+通过总重等级fv*权重系数c。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据下列规则基于线路综合指数ri确定钢轨的抗拉强度ts需要满足的要求：ri≤3.0时，900mpa≤ts＜1000mpa；3.0＜ri≤4.0时，1000mpa≤ts＜1100mpa；4.0＜ri≤5.0时，1100mpa≤ts＜1200mpa；ri＞5.0时，1200mpa≤ts＜1300mpa。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中：当坡道曲线半径＞1200m时，cr＝1；当600m＜坡道曲线半径≤1200m时，cr＝2；当坡道曲线半径≤600m时，cr＝3；当轴重＜19吨时，ar＝1；当19吨≤轴重＜23吨时，ar＝2；当23吨≤轴重＜27吨时，ar＝3；当通过总重＜3000万吨时，fv＝1；当3000万吨≤通过总重＜6000万吨时，fv＝2；当6000万吨≤通过总重＜10000万吨时，fv＝3。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中a＝1.0，b＝0.6，c＝0.8。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢轨钢的化学组分包括c、si、mn、cr、v以及下列元素中的至少一种：cu、ni、nb、ti。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述钢轨钢的化学组分满足以下关系：si＝6.93[c]+1.15[si]+1.26[mn]+1.46[cr]+6.2[v]+4.92[nb]/[ti]+0.63[cu]+0.86[ni]；当ri≤3.0时，5.0≤si＜5.8；当3.0＜ri≤4.0时，5.8≤si＜6.6；当4.0＜ri≤5.0时，6.6≤si＜7.4；当ri＞5.0时，7.4≤si＜8.2。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢轨钢通过以下方法制备而成：将钢坯加热至钢坯易于变形，置于开坯机轧制成形，经万能轧机粗轧、中轧和精轧制成钢轨，万能轧制后利用轧制余热进行在线热处理，经精整和检测后获得钢轨钢成品。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述粗轧和中轧采用低温大变形量轧制。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述钢轨钢的抗拉强度≥900mpa，屈强比≥0.68。

技术总结
本发明公开了一种长大坡道线路钢轨用钢的选择方法，包括：基于线路的曲线半径等级CR、轴重等级AR和通过总重等级FV确定线路综合指数RI；基于线路综合指数RI确定钢轨的抗拉强度TS需要满足的要求；基于钢轨的抗拉强度TS需要满足的要求来设计和选择钢轨钢的化学成分及制备工艺。该方法能够根据钢轨的使用环境和用途来从根本上指导钢轨的成分设计，提高钢轨性能与应用环境的匹配性，延长钢轨使用寿命。延长钢轨使用寿命。延长钢轨使用寿命。


技术研发人员：陈崇木 邓勇 李若曦 李晓煜
受保护的技术使用者：攀钢集团攀枝花钢钒有限公司
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/8/14