60 kg/m鋼軌軌底線紋缺陷原因分析及解決措施

杜健

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司，四川 攀枝花 617000）

攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠軋制60 kg/m軌有兩種鋼坯規(guī)格，分別是380 mm×280 mm和410 mm×320 mm，其中380 mm×280 mm鑄坯是軌梁廠常用坯料斷面。但由于煉鋼產(chǎn)量原因，380 mm×280 mm坯料滿足不了軌梁廠正常的生產(chǎn)需求。為了解決鋼軌生產(chǎn)原料不足問題，軌梁廠萬能一線開發(fā)了410 mm×320 mm鋼坯，用以軋制60 kg/m鋼軌。采用410 mm×320 mm鋼坯的主要優(yōu)勢是軋制壓縮比大，生產(chǎn)的鋼軌金屬致密度較好，各方面性能更優(yōu)。但是由于鋼坯斷面較大，軋制過程中軋件端部劈頭和爛頭導(dǎo)致中間軋廢、鋼軌表面缺陷較多。特別是950軋機為了消耗相對380 mm×280 mm鋼坯斷面更多壓縮比帶來的軌底線紋缺陷，不僅原因查找困難，而且對鋼軌使用還存在潛在的安全風(fēng)險。

1 60 kg/m鋼軌工藝設(shè)計

為了減小采用410 mm×320 mm鑄坯軋制60 kg/m鋼軌成本投入，提高生產(chǎn)效率，在工藝設(shè)計時考慮BD2和萬能區(qū)域工藝不變，只對950軋機工藝進(jìn)行改變。在950軋機上新增一個箱形孔，以適應(yīng)410 mm×320 mm鑄坯生產(chǎn)需要。410 mm×320 mm坯料軋制60 kg/m鋼軌新增箱形孔主要尺寸見圖1，采用410 mm×320 mm鑄坯軋制60 kg/m鋼軌時，950軋機配置2個箱形孔、1個梯形孔、2個帽形孔；采用380 mm×280 mm坯料時950軋機孔型配置為1個箱形孔、1個梯形孔、4個帽形孔。

圖1 410 mm×320 mm坯料軋制60 kg/m鋼軌新增孔型Fig.1 60 kg/m Rails Rolled by 410 mm×320 mm Billets by Adding New Passes

950軋機壓下規(guī)程設(shè)計需注意以下問題：

（1）各孔型軋制道次盡量均衡，以保證整套軋輥軋制量；

（2）進(jìn)梯形孔的軋件盡量設(shè)計不翻鋼，以保證梯形孔的軋制穩(wěn)定性。

基于上述問題考慮，設(shè)計的410 mm×320 mm坯料軋制60 kg/m鋼軌的壓下規(guī)程見表1。

表1 410 mm×320 mm坯料軋60 kg/m鋼軌的壓下規(guī)程Table 1 Reduction Procedures for 60 kg/m Rails Rolled by 410 mm×320 mm Billets

2 軌底線紋原因分析

2.1 軌底線紋缺陷的形貌

采用410 mm×320 mm坯料軋制60 kg/m鋼軌軌底正中心存在0～0.3 mm深的線紋，長度約300～1 600 mm，缺陷在100 m鋼軌通長位置不固定，只有少部分鋼軌存在此缺陷。在軋制過程和成品檢查過程無法通過肉眼進(jìn)行識別，需要通過檢測中心超聲波探傷檢查，針對報警位置進(jìn)行人工打磨，用白紙漫射法才能檢查出該缺陷，軌底線紋及超聲波探傷結(jié)果見圖2。

圖2 軌底線紋及超聲波探傷結(jié)果Fig.2 Linear Textures at Rail Foot and Results Detected by Ultrasonic Testing

2.2 軌底線紋產(chǎn)生原因分析

單純從鋼軌缺陷形貌和探傷結(jié)果分析，很難分析出缺陷產(chǎn)生原因。最初檢測中心超聲波探傷發(fā)現(xiàn)此缺陷后，根據(jù)軋制經(jīng)驗，判斷可能是開坯機軋制過程中存在的刮傷缺陷，但對與鋼軌接觸位置的孔型、導(dǎo)衛(wèi)及輥道進(jìn)行處理后，仍未得到改善。通過理論計算、計算機仿真分析和現(xiàn)場驗證試驗，確定了軌底線紋產(chǎn)生的原因。

2.2.1 軌底線紋缺陷產(chǎn)生機理分析

為了分析線紋產(chǎn)生的原因，對950軋機箱形孔的變形狀態(tài) （雙鼓形還是單鼓形）進(jìn)行理論計算，從計算結(jié)果看，坯料在箱形孔發(fā)生的是雙鼓形變形，并在軌底中間對應(yīng)部位形成較深的凹心，具體情況如下：

在箱形孔中軋制矩形件時，沿橫截面上的寬展分布相當(dāng)復(fù)雜，它主要決定于接觸表面上的摩擦條件和沿軋件高度上的不均勻變形程度。根據(jù)這些因素的影響，軋制后軋件側(cè)邊的形狀可呈雙鼓形、單鼓形和平直形。寬展沿軋件高度上分布不均勻的主要因素是l與h的比值，當(dāng)l/h=0.5～1.0時，軋件側(cè)邊的形狀可呈雙鼓形［1］，根據(jù)這一規(guī)則對950軋機箱形孔的l/h進(jìn)行了計算，變形系數(shù)見表2。從計算結(jié)果看，在950軋機箱形孔軋制時軋件側(cè)邊呈現(xiàn)雙鼓形。

2.2.2 箱形孔變形仿真分析

采用ANSYS軟件對950軋機箱形孔軋制變形進(jìn)行了仿真分析［2-6］，從仿真結(jié)果看，950軋機箱形孔軋件變形為雙鼓形，同時在軌底對應(yīng)部位形成了較嚴(yán)重的凹心，印證了上述理論計算結(jié)果，主要兩個道次的變形仿真狀態(tài)見圖3。

表2 950軋機箱形孔變形系數(shù)Table 2 Deformation Coefficient of Box Holes of 950 Rolling Mill

2.2.3 現(xiàn)場驗證試驗

根據(jù)上述原因分析，開展了如下驗證試驗：

（1）950軋機規(guī)程優(yōu)化驗證試驗

為了消除軌底線紋缺陷，現(xiàn)場對950軋機壓下規(guī)程設(shè)計了三個調(diào)整方案進(jìn)行驗證，各方案具體情況如下：

方案一：在原規(guī)程方案上進(jìn)行微調(diào)，增大或減小第一個箱形孔立壓道次的高度，驗證是否是因梯形孔切鋼或者脫方而產(chǎn)生的該缺陷。

試驗結(jié)果：增加或減小第一個立箱形孔壓道次高度，對應(yīng)的鋼軌軌底線紋缺陷超聲波報警情況無任何變化，對應(yīng)位置打磨后缺陷仍然存在。未修改規(guī)程前報警率為21%，調(diào)整后對應(yīng)報警率分別為30%和27%，缺陷未消除。

方案二：950軋機軋制前進(jìn)行270°翻鋼，排除由于坯料原因產(chǎn)生的此缺陷。

試驗結(jié)果：試驗四爐鋼坯翻鋼軋制，對應(yīng)成品軌底報警為80%。通長打磨發(fā)現(xiàn)，軌底正中心存在不連續(xù)零星線紋，缺陷位置不固定，深度均在0～0.3 mm，分析可能是加熱過程中出現(xiàn)的陰陽面導(dǎo)致除鱗效果的差別。通過觀察，鋼坯靠近加熱爐出口位置，除鱗效果明顯差于鋼坯背離加熱爐的一面。950軋機翻270°軋制后，將除鱗較差的一面軋制在軌底，軌底線紋缺陷報警率增加。

方案三：調(diào)整各孔型軋制道次，減小320 mm斷面在第二個箱形孔壓下量，增大梯形孔的壓下量，通過限制寬展來減小軌底對應(yīng)的凹心。調(diào)整前后的壓下規(guī)程見表3。

表3 調(diào)整前后的壓下規(guī)程Table 3 Reduction Procedures before and after Adjustment

試驗結(jié)果：從檢測中心探傷報警情況分析，通過此法調(diào)整后，軌底線紋缺陷得到明顯改善，報警率減少為5%，繼續(xù)減小第二個箱形孔壓下量后，共計軋制60支鋼軌均未發(fā)現(xiàn)該缺陷。

（2）中間軋廢驗證試驗

通過軋制規(guī)程優(yōu)化，初步驗證了軌底線紋缺陷產(chǎn)生原因是箱形孔軋制時形成的凹心過大，導(dǎo)致在后續(xù)道次軋制時夾雜的氧化鐵皮無法焊合。為了進(jìn)一步驗證產(chǎn)生原因，將第一個帽孔軋制一半打廢，便于觀察梯形孔與帽孔軋制道次軋件形成該缺陷的過程。

通過中間軋廢發(fā)現(xiàn)，梯形孔大頭側(cè)面呈現(xiàn)雙鼓形，軌底中間存在明顯溝壑狀，梯形孔大頭側(cè)面形貌見圖4；帽形切深孔軋制完成軋件局部存在深約0.5 mm的軌底線紋，具體形貌見圖5。

圖4 梯形孔大頭側(cè)面形貌Fig.4 Side Profile of Big End in Trapezoidal Pass

圖5 帽形切深孔線紋形貌Fig.5 Pattern of Linear Textures with Hat Knifing Pass

試驗結(jié)論：通過中間軋廢可以明顯觀察到410 mm×320 mm鑄坯在梯形孔軋制完成后，軌底正中心出現(xiàn)明顯溝壑狀，帽形切深孔加工后未完全焊合，導(dǎo)致軌底細(xì)小線紋產(chǎn)生，進(jìn)一步驗證了上述分析。

3 軌底線紋解決措施及效果

3.1 解決措施

為了徹底解決軌底線紋缺陷的問題，根據(jù)缺陷產(chǎn)生的原因，在孔型工藝與軋制規(guī)程上進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）為了消除軌底凹陷，對孔型進(jìn)行優(yōu)化。將950軋機第I孔上的水平輥改平，將第III孔軌底斜度改平4 mm，將第IV孔軌底圓弧由R80改為R150。優(yōu)化后的孔型見圖6。

（2）優(yōu)化950軋機的軋制規(guī)程。優(yōu)化原則：減少第二個箱形孔的壓下量，增加梯形孔壓下量和展寬量，通過梯形孔限制展寬，緩解軌底凹心程度。優(yōu)化后的950軋機壓下規(guī)程見表4。

圖6 950軋機優(yōu)化后的孔型Fig.6 Optimized Passes for 950 Rolling Mill

表4 優(yōu)化后的950軋機壓下規(guī)程Table4 Reduction Procedures for Optimized 950 Rolling Mill

3.2 實施效果

優(yōu)化后的孔型及壓下規(guī)程于2019年9月2日上機試驗，梯形孔大頭側(cè)面未出現(xiàn)凹心，檢測中心未出現(xiàn)軌底線紋報警，對成品鋼軌軌底打磨未發(fā)現(xiàn)該缺陷。治理后的軌底打磨和探傷情況見圖7。

圖7 治理后軌底打磨及超聲波探傷結(jié)果Fig.7 Rail Foot Polishing and Results Detected by Ultrasonic Testing

4 結(jié)語

針對410 mm×320 mm鑄坯軋制60 kg/m鋼軌存在的軌底線紋缺陷，通過現(xiàn)場觀察、理論計算和計算機仿真分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生軌底線紋的主要原因是箱形孔軋制時形成的凹心過大，在后續(xù)道次軋制時局部夾雜的氧化鐵皮無法焊合。根據(jù)線紋原因采取優(yōu)化950軋機的孔型參數(shù)和壓下規(guī)程，成功消除了軌底線紋缺陷。