钢轨焊缝热处理系统的应用1汇总文档格式.docx
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但这种加热方式因设备沉重、功率大、感应器设计困难以及线上焊接的条件限制等因素的限制，应用于线上焊缝热处理较为困难，但铁路技术的飞速发展特别是高速无缝铁路的发展，对这种技术的要求越来越强烈。
钢轨焊缝热处理系统这一整套设备的研制成功，使上述难题得到了科学合理的解决方案。
这种高新的感应加热技术，配合强制风冷，和智能化的控制系统及记录存档功能，被共同集合于钢轨焊缝热处理系统这一整套设备，并在这套设备里，配备了辅助的钢轨切割、钢轨打磨、平直度校验、焊缝超声波探伤等设备。
焊缝经本套设备热处理后的韧性、塑性、表面硬度等综合性能均可达到要求，在焊接工艺满足的情况下，甚至可以达到母材的性能。
本设备加热部分如图2.2所示。
前段铜质感应器可打开，闭合通电后，产生交变磁场，将内部钢轨加热。
设备由吊机吊至工作处，并可靠固定后，按下加热按钮即可实现钢轨的正火加热，设备自动测温探头，适时将数据传回控制中心，可以适时的显示、记录、存档加热过程中的每一时刻的为目的温度。
加热到合适的温度，设备会制动停止。
整体设备美观、实用、智能、高效、操作简单、稳定性高。
图2.2感应加热设备
2.2线上钢轨焊缝热处理系统整套设备介绍
2.2.1钢轨焊缝热处理系统技术参数
1）适用环境
环境温度：
-10℃～+45℃
平均相对湿度：
≤90％
海拔：
≤3000m
2）作业条件
钢轨类型：
60kg/m，75kg/m
轨距：
1435mm
超高：
≤180mm
最大坡度：
33‰
最小曲线半径：
145m
2.2.2钢轨焊缝热处理系统主要组成设备技术参数
1）发电机组
发电机组采用250GF“康明斯”动力发电机组，整个发结构紧凑，采用大容量底盘油箱，满足野外作业加油周期长得需求，机组固定安装在集装箱内。
机组外观如图2.3，相关参数如下：
图2.3发电机组
发电机组型号：
250GF
容量/功率：
280/250KW
柴油机型号：
MTAA11-G3
柴油机功率：
310/282KW
油箱容积：
800L
气缸数：
6
排列：
直列
排气量：
11L
进气方式：
涡轮增压
2）空压机
采用博莱特微油式螺杆压缩机，具有可靠性高、易损件少、动力平衡性好、震动小、噪音低、效率高等特点。
在压缩过程中，凭借自身所产生的压力差，不断向压缩室及轴承注入润滑油，注入的润滑油可在转子之间行车油膜，阴转子可直接由阳转子带动，并起到密封的作用，同时润滑油可降低因高频压缩所产生的噪声，可吸收大量的压缩热。
机组外观如图2.4，基本参数如下：
图2.4空压机
机组型号：
BLT-60A/7
外形尺寸：
（长*宽*高）1335*970*1630
机器重量：
830kg
冷却风量：
3276m3/h
电机功率：
45kw
7.8m3/min
排气压力：
0.7MPa
3）中频感应加热设备
加热装置采用德国西门子IGBT变频，电压反馈串联谐振电路。
变换效率高达97.5%以上；
拥有双闭环控制功能，最大程度提高加热效率。
整个控制系统均为数字集成化，各种保护动作速度快，整机的故障效率低，寿命长。
基本参数如下：
型号：
JZ-200
接入电源：
380V/50Hz
额定输出功率：
200KW
输入电流：
330A
频率：
2000Hz
功率因数：
≥0.95
负载持续率：
100%
加热设备如图3.1所示
图2.5中频加热设备
4）喷风装置
喷风装置通过高压气管与空压机后的储气罐连接，主要为钢轨中频加热后，提供强制风冷，从而更好的细化晶粒，并使钢轨表面因急速冷却产生一层马氏体、贝氏体，从而增加钢轨表面硬度，提高其耐磨性，延长钢轨寿命。
喷风开启由电控控制，并自动计时，到达需要的停止的时间能自动停止，基本参数如下，其喷风盒外形如图3.3所示。
喷风压力：
2-4bar（根据轨种不同进行适当调整）
喷风时间：
150-210s（根据轨种及使用环境不同进行适当调整）
喷风孔径：
φ3拉瓦尔孔
图2.5喷风装置外形图
5）液压吊机
该机组采用全液压控制，操作方便灵活、动作平稳、安全可靠。
机组主要技术参数如下，吊机外观如图2.6所示：
工作类型：
A5级
允许工作风力：
5级以下（风力不超过13.8m/s）
使用环境温度：
-15℃~+45℃
最大工作负荷：
1000kg
工作半径：
最小1.9m最大2.7m
回转角度：
360°
回转速度：
2r/min
提升速度：
7m/min
1300×
800×
2200
图2.6液压吊机
6）辅助设备
辅助设备包括钢轨仿形打磨机、钢轨平直尺、焊缝探伤仪、钢轨仿形打磨机对焊接接头的轨顶、轨底面及轨头侧面工作边进行外形精整，提高其表面质量；
钢轨平直尺用于检测钢轨平直度；
焊缝探伤仪用于检测焊缝处探伤，防止有焊接缺陷的焊接接头给行车埋下隐患。
2.2.3钢轨焊缝热处理系统工作环境及整体结构
钢轨焊缝热处理系统将上述所有设备集合一起，以集装箱的形势放置于平板车，与焊轨车共同完成线上钢轨接头焊接及热处理的任务，需配备的工作人员有机长一人、技术员一人、轨道车司机一人、设备操作手一人和辅助操作手3-4人。
钢轨焊缝热处理系统整体设备外观如图2.7所示。
图2.7钢轨焊缝热处理系统整体设备外观
第三章钢轨焊缝热处理系统的使用
3.1设备调节参数对热处理效果的影响
3.1.1加热频率和加热功率对加热效果的影响
频率的高低直接影响着感应器的透热性，也直接影响到钢轨焊缝处界面的内部与外表面的温差，频率越高，加热效率越高，但加热的深度越浅，一个合适的加热频率不但要保证很好透热性，还要综合考虑加热效率满足需求，经过多次的加热试验，选择符合铁路热处理需求的加热频率。
图3.1测温点
为了测量钢轨加热时的内部温度，选取如图3.1所示的1、2、3、4、5五个点，打孔深度为50mm。
将热电偶插入钢轨内部，在加热时五个通道的温度分别依次显示，并进行循环显示。
选定功率分别为60KW、80KW、100KW、120KW、140KW，加热频率分别选择1.5KHz、2.5KHz、3.5KHz、4.5KHz四种常用频率。
用点温仪测量轨顶和轨底角的外表面温度，测量记录外轨顶表面温度到920℃时，其他各点的温度值。
加热数据如下：
表3-1：
功率为60KW时测试数据
:
测温点
加热频率
1.5KHz
2.5KHz
3.5KHz
4.5KHz
测试点1（℃）
918
905
880
862
测试点2（℃）
878
871
869
865
测试点3（℃）
858
850
846
842
测试点4（℃）
854
851
测试点5（℃）
861
856
852
加热时间（s）
455
405
352
294
917
881
877
872
868
859
843
853
863
358
316
273
表3-2：
功率为80KW时测试数据
表3-3：
功率为100KW时测试数据
906
883
860
876
867
857
845
841
855
864
355
309
264
219
表3-4：
功率为120KW时测试数据
915
907
875
870
298
256
228
195
表3-5：
功率为140KW时测试数据
281
245
203
181
从以上测试数据可以看出，功率在120Kw再往上提高功率时，由于受到机组本身有效值的影响，功率继续调大所节省时间越来越不明显，140Kw比120Kw时，仅仅省时约10秒多一点，而在加热设备没有受到有效值的制约时，每提高20Kw，可减少用时在40-50秒。
而随着频率的变化数值可以看出，在加热频率在1.5KHz和2.5KHz时，钢轨的透热性都很好，钢轨内外温差几乎没有变化。
当频率继续增大到3.5KHz以上时，内外温差开始发生较大的变化，同时加热时间也由于受到加热效率的影响，时间也在缩短。
综合所有数据，设备的加热功率和加热频率的参数，选定在加热功率120Kw、加热频率2.5KHz，最为经济和科学，轨顶轨底温度满足钢轨正火温度轨顶900-950℃，轨底820-870℃的要求。
在此参数下，钢轨的典型温升曲线如图3.2所示。
图3.2温升曲线
3.1.2喷风风压对热处理效果的影响
钢轨在经过感应加热，时内部组织完全转变为奥氏体，然后进行冷却，冷却时，根据冷却速度的不同，奥氏体会转变为珠光体或马氏体、贝氏体，钢轨正火的目的，就是为了得到珠光体这种组织，珠光体根据晶粒度的等级不同，对钢轨的机械性能也产生较大的影响。
晶粒越细，性能越好，冷却速度越快晶粒就越细，但冷却速度又不能无限制的快，否者，奥氏体来不及结晶成珠光体，就会成为马氏体和贝氏体，这种组织硬度大、韧性塑性差，钢材冷脆性明显。
查阅铁路钢轨热处理相关文献，我国铁路上常用的钢轨的临界冷却速度分别如表3-6所列。
表3-6：
各种钢轨钢的临界冷却速度
轨种
U74
U76NbRE
U71Mn
U75
最高冷却速度（℃/s）
7.5
3.75
2.5
3.0
表3-7：
各种钢轨钢适合的冷却风压
冷却风压（MPa）
0.45
0.3
0.2
根据表中数据，用实际喷风装置进行测试，根据轨种不同，将喷风风压调整到0.2-0.45Mpa可满足冷却速度的要求。
各种钢轨所对应的喷风冷却风压如表3-7所示，各钢轨钢在不同冷却速度下的硬度如表3-8所示。
表3-8：
各钢轨钢在不同冷速下的硬度（IIV）
冷却速度（℃/s）
0.1
0.5
1
2
3
5
U74钢
303
331
360
376
399
U71Mn钢
334
346
370
387
U75V钢
314
338
363
395
397
U76NbBE钢
284
295
337
354
373
3.2设备热处理效果测试
为了对设备热处理性能有一个确切的理解，将实际应用中记录保存的数据进行了整理，经大量的数据整理分析，将重要数据整理到3-9表格，U75V、U76、U71Mn、U74每种钢轨各随机抽样25根钢轨焊接接头的试验数据，表3-9中列举了U75其中13根钢轨的记录数量，其余各组数据未一一列出，根据最终试验数据，作为测试设备热处理效果的依据。
表3-9：
热处理数据记录表
焊缝编号
加热前温度（℃）
加热时间
（S）
加热功率
（KW）
加热后温度（℃）
喷风压力
（bar）
喷风时间
喷风后温度（℃）
（KHZ）
轨顶
轨底角
<
500
235
120
920
180
482
486
236
492
4
210
485
216
496
209
483
7
224
491
8
218
9
234
10
231
11
12
230
13
226
记录人：
年月日
锤数
4锤不断指数
60KgU75
共30根
挠度mm
1-10
11-20
21-30
30-40
断裂根数
经处理25根
21
未处理5根
60KgU76
20
60KgU71Mn
22
3.2.1落锤试验
落锤实验是检验焊接接头综合性能，尤其是整体韧性的主要手段，生产中的形式检验、周期性检验都离不开它，被称为焊接接头检验的第一关。
大量实验证明，若焊接质量不合格或焊接后不经过热处理，落锤实验都难以通过。
下表3-10是U75V、U76、U71Mn钢轨焊头的落锤实验结果。
本试验采用一锤制，即锤重1吨，高度4.6米，一锤不断为合格。
表3-10：
落锤试验结果
由表3-10可以看出，经过热处理的25根钢轨全部通过检验，绝大部分都达到了4锤不断指数，而未经过热处理的5根钢轨只有少部分通过了检验，但也基本再第二锤的时候就断了，这充分说明了，经过现在参数热处理后的钢轨，其焊接处的综合性能得到了很大的提升。
3.2.2硬度试验
如图3.3所示,取图上标注位置处A、B、C、D、E处各点，向里每间隔3mm取点，每个标记处置取点个数如图3.3所示。
钢轨轨头横断面硬度试验结果见表3-11。
图3.3硬度测试位置示意图
表3-11：
钢轨横断面硬度测试结果
由表及里每点间隔3mm
A向
B向
C向
D向
E向
35
37
38
34
36
33
32
30
31
U75V
39
40
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