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1、doc高速铁路钢轨材质选择【doc】高速铁路钢轨材质选择高速铁路钢轨材质选择 高速铁路钢轨材质选择 卢祖文:中国铁道学会工务委员会,主任,北京,100844 摘要:阐述高速铁路对钢轨的基本 要求,介绍高速铁路钢轨的主要伤 损类型以及我国钢轨存在的主要差 距,并介绍我国高速铁路钢轨的选 材要求. 关键词:高速铁路:钢轨;伤损类型 对耋喜 作边平顺性比普通铁路高得多.为保 证列车高速运行的平顺性,线路下部 基础,轨道上部结构以及各轨道部件 都要为钢轨的正常工作提供良好条 件.而钢轨本身,其内在质量,材质 性能,断面公差,平直程度等都是十 分重要的特性.钢轨任技术上要能保 证足够的强度,韧性,耐磨性

2、,稳定 性和平顺性,在经济上要能保证合理 的大修周期,减少养护维修工作量. 1高速铁路对钢轨的基本要求 1.1钢轨使用的一般要求 钢轨在极其复杂的受力条件下工 作,而钢轨状态的好坏又直接影响行 车安全.因此,对钢轨使用要求是十分 严格的,而且钢轨有的性能之间是矛 盾的,要综合比较才能达到合理选择 的目的.钢轨应满足以下使用要求. (1)较高强度和抗磨耗性能,以 达到较高的承载能力和较长的使用寿 命.钢轨使用寿命与钢轨强度和硬度 有密切的关系.任一般铁路,由丁 客,货混跑,轴重大,密度高,钢轨 伤损比较突出.随着轨道结构的强化 和钢轨重型化,钢轨的伤损越来越集 中于钢轨的头部,轨头部分的疲劳损

3、伤.轨面剥离,压溃及波磨己成为钢 轨伤损的主要形式.因此钢轨强度和 硬度的提高有利干提高钢轨承载能力 和使用寿命. (2)较高的抗疲劳伤损的安全可 靠性,防止轨头内侧剥离及可能由此 引起的钢轨横向断裂.钢轨长期在列 车周期性重复荷载下工作,应有较高 的疲劳强度和较好的冲击韧性. (3)较强的抗不均匀磨耗性能和 钢轨全长范围内硬度的均匀性,避免 引起波纹,波浪等不均匀磨耗. (4)良好的焊接性能,以便采用 无缝线路. (5)良好的道岔机加工性能以获 得良好的道岔质量. (6)化学成分便于进行热处理, 以提高钢轨的强韧性. (7)严格的尺寸公差及钢轨工作 边平顺性,以减少轨道周期性不平顺. 1.2

4、高速铁路对钢轨的要求 高速铁路目前已遍及1o个国家 和地区,投入运营的高速铁路达到5 435km.各国高速铁路运输条件不尽 相同,结构各有特点,对钢轨的选材 也有差异.但由于高速铁路都具有曲 线半径大,列车运行速度高的共同特 点,因此对钢轨质量都有很高的要 求,主要表现在钢质纯净度,钢轨的 内在和表面质量,几何尺寸精度和外 观平直度. 1.2.1保证材质高纯净,提高钢轨 可靠性 各国在生产高速铁路用钢轨钢时采 取的主要冶金措施有以下几方面. (1)铁水预处理.铁水预处理是 存高炉出铁口进行脱硅,任铁水罐车 内脱磷,脱硫;或采用双连炼钢,即 先在一个转炉上对铁水进行脱磷,脱 硫,然后在另一个炉子

5、内进行冶炼, 以达到在冶炼前进一步降低铁水中的 有害杂质含量. (2)采用炉外精炼技术.炉外精 炼可以进一步调整钢水成分和钢水温 度,降低夹杂含量,保证出钢时钢水 成分的精度. (3)钢水进行真空脱气,使溶解 在钢水中的氢,氧等气体含量进一步 降低,以减少这些气体对钢轨钢性能 的影响. (4)采用连铸工艺.由于连铸时 采用保护浇铸,能有效地防止在浇铸 中钢液被二次氧化,大大减少lr钢中 的夹杂,同时还能显着改善钢坯表面 质量. 1.2.2保证轧制高精度,提高钢轨 质量 实践证明,采用传统模铸+孔 型法的生产工艺不能满足高速铁路 对钢划伤,脱碳,尺寸精度,外观平 直度和内外表面质量的要求.特别是

6、 传统工艺所固有的缺陷,如几何尺寸 不对称,钢轨高低横向超差,表面存 在的轧痕,量检查的盲区等问题阻碍 着钢轨质量的提高.以万能法轧制为 代表的钢轨生产新工艺解决lr这些问 题,主要工艺特点为: (1)采用连铸大方坯,改善钢坯 的低倍组织; (2)采用步进式加热炉加热钢坯, 可以有效地控制炉内温度条件,防止 I10/2004CHINESERAILWAYS., 中国铁路 钢坯住加热过程中脱碳和加热温度 均; (3)采用高压水除磷技术,最大 限度地降低因氧化铁皮所造成的轧痕 等缺陷; (4)采用万能法孔设计和计算 机在线调整钢轨几何尺寸,保证钢轨 断面的轧制精度; (5)采用长尺轧制,长尺冷却,反

7、 向预弯和长尺矫直【艺,减小矫前弯 曲度和降低矫后残余应力,提高钢轨 疲劳寿命; (6)采用带硬质合金的,可随温 定尺的联合锯占机床准确进行锯钻和 端头加工. 2高速铁路钢轨的主要伤损类 型和我国铁路钢轨的主要差距 2.1高速铁路钢轨的主要伤损 由于钢轨所具有的特殊重要性, 铁路和冶金部门历米t1分重视钢轨技 术的发展,而钢轨伤损则是研究钢轨 问题的基础.各国都根据钢轨研究, 制造,使用情况编制了钢轨伤损分 类,随着钢轨技术的进步和运输条 件的变化,这个分类也在不断深化和 完善.近期欧洲铁路联盟公布的UIC 钢轨伤损分类就是在原分类的基础 上,充分吸取高速和重载运输条件下 出现的各种新的伤损进

8、行编制的,可 以作为研究高速运输条件下选择钢轨 的参考. 有关文献介绍rUIC钢轨伤损分 类方法和新的运输条件下最具代表性 的钢轨伤损,并介绍了预防这些伤 损,延长钢轨使用寿命的措施. 由于高速铁路列车运行速度高, 动车组轴重轻,钢轨垂直和水平磨耗 都比较小,而钢轨表面的接触疲劳伤 损成为主要伤损.有关文献对轮轨接 触疲劳伤损的3种类型(轨头龟裂,隐 伤,蜂窝状裂纹)进行了详细介绍. (1)轨头龟裂.轨头龟裂是在钢 轨表面出现的细小裂纹(在轨距角踏面 处呈斜线状),裂纹间距约为o.5,1o mm不等,连续出现.表面裂纹最初 以10.,15.角度向踏面下发展,然 后向轨头深处发展,角度越来越大.

9、 踏面斜向排列的裂纹向踏面下发展 时可能合拢和形成剥离掉块,可能 转变为隐伤型(限于轨角处踏面的隐 伤);向踏面深处发展导致钢轨横向 断裂. (2)隐伤(又称踏面裂纹或踏面压 溃).隐伤通常发生在直线或大半径曲 线地段的钢轨踏面上,特别在高速铁 路出现得比较多.出现隐伤的钢轨, 在踏面能观察到呈半围形成V形的裂 纹,该处踏面比周围表面低,颜色明 显发暗,宽度稍宽.隐伤最初的形态 是在踏面的内侧上圆角处出现表面裂 纹,然后与踏面呈较小的角度向内和 向运行方向扩展,同时裂纹上部材料 的塑性变形造成踏面局部凹陷,致使 轮轨不接触或产生锈蚀,从而使凹陷 部位变暗.隐伤与轨头龟裂一样,其 产生与表层金属

10、的塑性变形以及变形 层处萌生疲劳裂纹密切相关,本质上 属于踏面剥离裂纹类伤损. (3)蜂窝状裂纹.这种裂纹在钢 轨踏面钢轨中心线与轨头上圆角之间 (距中心线大约10,25mm)条状范围 内,在较长的波浪磨耗区段则呈周期 的簇分布.这种裂纹与波峰的间距为 20,1O0mm,出现规律呈周期性.在 钢轨表面,蜂窝状群裂纹长度约为 5,15mm,与钢轨纵轴夹角约45., 倾斜向下发展与踏面呈20.,30. 蜂窝状裂纹仅在200km/h及以上的 线路上出现,主要在大半径曲线的外 轨上,或者交替地出现在直线轨道的 两股钢轨上,与钢轨波浪磨耗同时存 在.据有关资料介绍,蜂窝状裂纹在 钢轨波浪磨耗很小的时候也

11、可能形 高速铁路钢轨材质选择卢祖文 成,裂纹的增长和新裂纹的产生过程 在一定程度上与波浪磨耗的发展相 似.在列车高速运行条件下,波峰的 前方会产生较大的接触应力,致使这 些部位形成蜂窝状裂纹. 2.2我国铁路提速区段钢轨主要伤损 我国目前还没有高速铁路,对高 速铁路钢轨运用状况没有经验,除了 了解国外高速铁路的情况外,还可借 鉴提速区段钢轨运用状况,深入分析 各种伤损的特点和成因,以便提出我 国高速铁路钢轨材质选择的建议.我 国铁路自1997年实施提速工程以来, 列车最高时速超过120km的区段已 达1.3万km.在这些区段虽然客车速 度提高了,但仍然是客,货混跑,钢 轨伤损既具有重载线路钢轨

12、伤损的特 点,又出现了许多不同于既有铁路的 钢轨伤损.这些区段钢轨特有的主要 伤损有以下几个方面. (1)直线地段钢轨交替不均匀侧 面磨耗.客,货混跑的直线地段,随 着客车速度的提高出现了大量钢轨交 替不均匀侧面磨耗,使直线轨道平顺 性恶化,降低了运行质量.直线地段 钢轨交替不均匀磨耗有3个特征:不 均匀侧磨波形呈等间距且左右交替; 磨耗波连续发生,其波数有较大的随 机性;磨耗量在波磨群中段较大,两 端较小,波长范围基本固定.直线钢 轨交替不均匀侧磨在发展过程中波长 不变面磨耗幅值随着累计通过总重 的增大而逐渐增大.交替侧磨幅值 从3mm发展到13mm过程中,磨耗 幅值与累计通过总重呈正相关.

13、通过 仿真分析和试验,直线钢轨交替侧磨 的原因是货车蛇行失稳,同时线路方 向不平顺也有一定影响. (2)钢轨波浪状弯曲.钢轨波浪 状弯曲是和波浪磨耗完全不同的一类 病害,它不是在列车运行时产生的钢 轨伤损,而是由于钢轨制造过程中辊 中国铁路(10/2004CHINESERAILWAYSi 高速铁路钢轨材质选择卢祖文 式矫直机偏心或不圆造成的波长约3m 的周期性弯曲.钢轨上的这种周期性 不平顺在列车作用下会增大对基础设 施的各种作用力,同时还会印制在 道床和路基上,反过来又会使这种不 平顺进一步扩大,形成恶性循环.钢 轨波浪状弯曲表现为钢轨轨面呈明显 的波浪状不平顺,钢轨轨头下颚,轨 底均随钢轨

14、踏面呈周期性的垂直弯曲 (钢轨断面在钢轨长度方向呈波浪形弯 曲).在既有线的提速区段钢轨的波浪 状弯曲十分普遍. (3)钢轨波浪形磨耗.在时速超 过l20km地段出现的钢轨踏面的波 浪形磨耗实际具有重载线路钢轨波磨 )公司科研 的特点.广州铁路(集团所对广深准高速铁路钢轨波浪形磨耗 的特点和发展规律进行了一系列现场 调查,测试和理论研究工作.结果表 明,波浪形磨耗与轨道条件密切相 关,其发生地点是道岔,曲线,线路 下沉地段,道床不易捣固地段,道床 板结地段以及轨道结构受约束较多较 复杂的地段.广深线的波磨多属长波 型磨耗,波长分布在0.2,1.7m,其 中1.0m波长最多;波深0.3,1.2

15、mm,0.6mm波深的波磨轨最多.从 轮轨关系和材料的角度看,钢轨强度 不足和钢轨表面质量不良是引起波浪 形磨耗的直接原闪. (4)钢轨斜裂纹(斜线状剥离裂 纹).钢轨斜裂纹扩展属复合型裂纹扩 展,其特征是裂纹硬化层表面产生并 沿一定角度向深层扩展,随着裂纹扩 展,速率加快,造成断裂.斜线状剥 离裂纹的伤损发展特点与过去在曲线 卜大量出现的鱼鳞状剥离裂纹发展特 点有明显的差别.斜线状剥离裂纹主 要是位于工作边轨距角的踏面处呈斜 线状形貌,而且踏面裂纹还没有发展 成剥离掉块时就可能导致钢轨横向断 裂,这是钢轨斜线状剥离裂纹与鱼鳞 状剥离裂纹的明显不同之处.钢轨斜 裂纹在列车速度比较高,平均轴重相

16、 对较小的广深线近期被发现,接着在 京广线等重载线路也陆续发现.根据 铁科院的调查,发生斜裂纹伤损具有 以下规律:?发生斜裂纹的钢种几乎 遍及现在使用的各个钢种:U7lMn, PD3,法国U78,日本U78淬火轨,奥 地利低合金轨等;?裂纹扩展由慢到 快的顺序是:珠光体钢轨钢一合金钢 轨钢一贝氏体钢轨钢;?珠光体片层 间距或珠光体团尺寸愈小,接触疲劳 寿命愈长,因此,淬火轨抗接触疲劳 性能优于热轧轨;?残余应力愈小, 接触疲劳寿命愈长;?斜裂纹伤损与 冶金质量,化学成分,力学性能无关; ?斜裂纹伤损与钢轨轨头局部应力过 大有关,而局部应力过大与打磨形状 不合理,列车蛇行运动有关. 钢轨伤损的成

17、因非常复杂,我国 铁路的重载是逐步发展的,列车速度 的提高是渐进的.在20世纪80年代 形成的大力提高列车重量,积极增 加行车密度,努力提高行车速度的 格局基本没有变化,只是四次大面积 提速提高了行车速度的重要地位.在 运输条件没有根本的变化,而钢轨内 在质量基本稳定,机械性能逐步提高 的情况下,反而出现了一种新的伤 损,但在与广深线速度相当而轴重, 密度大得多的一些地段没有出现这种伤 损.这需要从其他方面例如作业方式的 变化和工艺等方面进行分析和研究. 3高速铁路钢轨选材 3.1钢种成熟在铁路运输的发展中,随着冶金 水平的提高,各国钢轨基本形成适合 国情的系列.欧洲高速铁路除德国为 客货混运

18、外,其他各国均为客运专线, 速度高轴重轻,因此基本按UIC标准 系列选用900A钢种.法国在既有线运 行高速列车时,在半径小于l200m 的曲线上铺设耐磨钢轨.日本高速铁 路实行全寿命维修,东海道新干线 l975年铺设了NHH淬火轨,以降低 接头和曲线的钢轨磨耗.我国铁路在 20世纪80年代前基本使用U7lMn和 U74钢轨,分别属于90公斤级和80公 斤级,由于承载能力不足,明显不能 适应运输条件.为了解决这两种钢轨 使用寿命短的问题,铁道,冶金部门 联合开发了PD2,PD3和稀土轨.PD3 属高碳微钒轨,以U7lMn为基础,通 过调整C,Si和Mn的含量,加入V, 使新钢种在热轧状态就具有

19、较高强 度,达到980MPa.对PD3钢轨的部 级鉴定认为:PD3钢轨大于980 MPa,比U7lMn提高l0%以上;65 大于8%;落锤检验全部合格;接触疲 劳和实物疲劳性能均优于U7lMn; 可不进行轨端淬火;比U7lMn轨耐磨 性能提高50%以上;具有良好的焊接 性能;可取代U7lMn钢种.自l993年 通过技术鉴定,PD3钢轨用量逐渐增 加,线路换轨大修每年铺设数十万t, 延长了钢轨使用寿命,使钢轨伤损的 严重程度得到缓解,因此可以说PD3和 UIC900A,U7lMn一样是成熟的钢种. 3.2强韧匹配 高速铁路和重载线路条件不同, 运输环境也有很大的差异,而钢轨强 韧.I牛达到合理的

20、匹配所选择的技术方 案也是不同的.高速铁路线路平面条 件好,轮轨接触应力相对重载线路比 较小,因此除特殊地段外,不必采用 淬火轨.根据高速铁路目前提供的运 输条件,轴重在l7t及以下时, 乙IC900A钢种的强度是合适的,如轴 重在l9t及以下时,l00公斤级的钢 轨也应该是合适的.韧性是高速铁路 对钢轨的重要要求之一,UIC900A钢 轨的延伸率可达l0%,我国国产钢轨 的延伸率标准都是8%,但实物检测基 豳煎亘中国铁路 本郜在l0%以上,UIC900A钢轨 处rl州一水甲.如为r进一步提高钢 轨的强度和韧性,仃进行钢轨全长 淬火,从强度考虑小仅没有必要而凡 将人人增加成本.对条沈客运专线国

21、 钏轨的调查和榆验表明,延伸率都 在12%以上.uI以队为,闺产钢轨的 强韧性指标配合,可以满足高速 铁路的要求. 3.3材质洁净 钢轨材质内部岛洁净,何利于提 高钢轨疲劳性能,I靠性能及使用寿 命,是高速铁路钢轨的最基本要求. 前述的世界各国制造高速铁路钢轨所 采取的冶金措施,使钢轨钢的冶炼水 大大提高,钢轨材质达到很高的纯 净度.我国的钢轨制造业紧跟世界 冶金行业的先进水,对冶炼设备进 ij大规模改造,准备为高速铁路的 发磋发挥作用.我们对高速铁路钢轨 材质纯净度提出r如要求: (1)严格控制钢中的有害元素 如S,P含量,要求P?0.025%,S为 0.008,0.025;如采用无铝脱氧,

22、 则要求钢中Al含晕?0.004%; (2)严格控制钢中气体含量,要 求钢液中的H含?0.00025%,O 含草?0.002%,而rL钢轨成品中H含 革小于0.00015%; (3)严格控制钢Il残留元素,要求: Mo<().02%,Ni<().10%,Cr<0.15%, Cu<0.5%,Ti<0.025%,Sb<0.040%, Sn<0.040%,Cu+l0Sn<0.35%, Cr+MO+Ni+Cu<0.35%: (4)严格控制钢中夹杂物含量, 要求A类(硫化物)夹杂物小于或等于 2级;B类(氧化物),C类(硅酸盐), D类(球状氧化物)

23、夹杂物小于或等1二 1.0级. 3.4焊接优良 无缝线路技术,r1于淌火l钢轨 接,减少列车任接区的冲击与振 动,不仅延长了轮轨部件的使用寿 命,减少养护维修工作量,更重要的 是提供_平滑的运行表面,降低了牵 引阻力,提高r行车平稳性.所以,高 速铁路必须铺设无缝线路,钢轨具有 良好的焊接性能是铺设无缝线路的基 本条件之一.钢轨的焊接性能除表现 为可焊性外,还应该具有焊后良好的 机械性能.秦沈客运专线铺设鞍钢 PD3轨,攀钢PD3轨和法国UIC900A 轨,铁科院对这三种钢轨的焊接性能 进行了.检验和分析,结果如下. (1)钢轨焊接接头硬度.踏面硬 度:焊缝中心60mm以内钢轨踏面硬 度与母材

24、之比分别为l04%,l04%和 l09%,焊缝轨顶面硬度比母材高,有 利于减少使用过程中低接头的出现, 对保证焊接接头使用中的平顺性十分 重要. 沿钢轨纵向的焊缝硬度:这三种 钢轨的焊缝轨头部位的硬度都达到钢 轨母材的99%,lll%,有利于保证使 用中焊接接头的平顺性.而焊缝轨头 软点硬度平均值与母材平均硬度之比 分别为83%,85%和85%,都达到标 准要求. (2)拉伸性能.焊缝抗拉强度与 母材之比分别为97%,99%和l04%, 均高于标准要求;焊缝伸长率与母材 之比分别为l05%,l05%和93%,也 都达到标准要求. (3)冲击性能.由于采用了焊后 热处理技术(焊接接头重新加热到奥

25、氏 体化温度以上,再喷压缩空气冷却全 断面),焊接接头的冲击韧性有大幅度 提高,达到母材的ll5%,l48%,其 中鞍钢l29%,攀钢l48%,法国ll5%, 显然这对保证焊接接头的安全使用是 有利的. (4)疲劳,静弯及落锤.三种钢 轨的这三项指标都通过了技术标准的 规定. 高速铁路钢轨材质选择卢祖文 3.5适用道岔 道岔是线路结构的重要组成部 分,又是线路的突出薄弱环节,道岔 承受来自两个方向列车的作用,其钢 轨件的技术性能应该比区间钢轨更 好.如应具有良好的焊接性实现道岔 无缝化,具有比区间钢轨更高的强度 以延长道岔使用寿命,具有更好的韧 性以提高道岔的可靠性等.为了达到 这些要求,法国

26、,德国,日本等国在 选择道岔钢轨材质时遵守如下原则: (1)可焊性好,其中包括道岔内钢 轨的焊接和道岔与区间钢轨的焊接,因 此采用的钢轨应尽量与区间钢轨相同; (2)强度和韧性等于或高于区间钢 轨,这就需要采取冶金措施(采用合金 钢轨)或工艺措施(全长淬火). 根据这两方面要求,法国铁路 道岔钢轨和区间采用同一钢种,即 UIC900A,尖轨为整根轨,强度等级 900MPa;德国铁路道岔强调道岔钢 轨强度要高于区间钢轨,因此采用淬 火钢轨,强度等级ll00MPa,尖轨 为整根轨;日本铁路道岔则根据用户 要求,采用强度等级800MPa,llo0 . MPa的钢轨鉴于此,我国铁路道岔钢轨如选 用900MPa级的900A轨或U7lMn 轨,则强度偏低需要进行淬火,而根 据我国目前的工艺水平,对变截面的 尖轨进行淬火是困难的,因此要与区 间钢轨的选材统筹考虑. 综上所述,综合各方面的技术要 求和我国既有铁路钢轨运用状况,高 速铁路钢轨选材可在UIC900A, U7lMn和PD3三种钢种中比选,以PD3钢轨较好. 中国铁路q萤重墼匾 责任编辑周洲 收稿日期2004-0809