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钢轨轧制厂:为适应未来发展趋势的创新
发布日期:2015-11-17 阅读次数:1719

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在现在严酷的铁路市场中,生厂商要求高质量的材料和以最低的运输费用换取最高的生产率。这对技术支持者的挑战是为了满足市场的要求和产品上的革新需要提供给铁轨生厂商可用的最先进而且灵活的技术。高质量铁轨的生产需要精确的合金成分设计,严格的轧制流程控制和最后的热处理方案。西门子和意大利的材料开发中心已经提供它们的方法和技术来发展一套新型的在线灵活的导轨淬火系统:双相钢轨喷射硬化系统。采用这项技术可以提高产品的机械性能,同时可以使钢轨的服役时间增加到普通未经过处理钢轨的三倍。

双相钢轨喷射硬化系统(idRHa+®)可以处理珠光体或者贝氏体钢轨并且对在线和离线处理都适用。由于这种系统的灵活度,使得采用一种专用的冷却工艺和对钢轨断面温度扩散的严格控制成为了可能。为了控制整个过程中的微观组织演变,这种冷却工艺在运输的前后都有采用。这种冷却工艺是由完整的热力学和冶金学模型计算得出的。中国一钢铁公司已经向西门子公司下了订单,将此技术用于100级长轨的淬火。现已大致介绍了这个创新工程的亮点。为了将数值分析模拟出的热处理工艺进行验证,一些实验已经在中间工厂完成。结果显示:通过创新的灵活的系统,铁路硬化和过程控制中的应用得到优化的冷却策略的改进。

1.铁路市场和双相钢轨喷射硬化系统发展的技术要点

全球钢轨的产量已经到达一个稳定的每年1200万吨的数值,受人口,经济/政治和技术的驱动影响和维持。全球工厂预计的产能总和是每年1500万吨,有迹象表明,在接下来的十年全球产能可以达到每年2000万吨。

目前世界上只有极少数地区的铁路网络密度接近于或大于0.05km/km2,但是这个数字代表了大多数大陆的其他地区的中期目标。除了铁路网络的延伸,由于高速列车和重载运输的要求,对高质量轨道的需求趋势也越来越明显。

众所周知,铁轨的技术和质量要求在相关国家和地区的有明确的标准,铁路技术质量和性能的快速发展因此导致了很多标准的快速更新。这个趋势明显的一个例子就是国际标准的更新:新的欧洲标准EN 13674-1:2011-04,美国标准ASTM A1-2010,俄罗斯标准GOST 51685-2011(为TU 0921 231 01124323-2007总体技术规范的一部分),印度标准IRS T12-2009和中国标准TB/T 2344-2012。

可以发现,在最近的3到4年间生产铁轨的主要国家的标准在进行更新,很明显这是由飞跃性的科技革新所驱动。在某些情况下(如俄罗斯的GOST ДT350-HH的铁轨标准就是为了在极低温环境下的应用),这些标准明确要求产品的性能甚至超过了工厂能够生产的产品,它要求的产品在技术上还处于验证阶段甚至有些还处于实验阶段。

在世界市场上钢轨生产方案的灵活性和快速应对性已经成为了必须,工厂必须拥有快速的自动设置操作,对市场要求的自适应性,智能控制系统和不会过高的开销,从而有效率的生产各种等级、尺寸、长度的产品。

技术的快速更新和对铁轨经济上的要求挑战设备制造商的能力,要求其发展与渐进式创新组合的解决方案。现在在钢轨轧钢厂最时兴的解决方案使得运营成本(减少20%到30%)得到显著遏制,同时生产优质的产品附加值较高的产品;例如考虑生产在线热处理的硬化铁轨的情况,其市场价,根据国家的不同,要比未处理的标准轨道高出8%至20%,并估计节省至少10%的生产成本。

本文介绍了西门子公司的核心创新技术:一种叫做idRHa+®(双相钢轨喷射硬化系统)用于轨道硬化的热处理工艺系统,目前正在世界上第一次实现与中国钢铁公司的合作,准备于2014年上半年试运行。IdRHa+®的第二个订单(ARBZ(哈萨克斯坦)的订单)最近也由西门子公司获得,作为生产铁轨和型材的一个完整新工厂的一部分。 idRHa+®承诺在灵活性方面和可靠性上提供无与伦比的性能,其生产的无缝钢轨可长达120多米。

2.idRHa+®项目:设计阶段和工艺流程

西门子已与材料开发中心(CSM)共同研发idRHa+®技术,西门子公司和CSM在两年前启动了一次联合研究工作后,于2012年4月签署了合作协议。该技术的目标是提供定制的技术包,使轧机运营商能够生产出符合国际铁路联运的当前和未来需求的轨道。该项目的目标是用一个灵活/自动系统来满足对钢的当前和未来在铁轨的硬度方面、机械强度、耐磨性和滚动接触疲劳性的技术性能要求。

该系统被设想为一个高生产率的可以在线热处理的热轧长导轨的轧机(即百米×60千克/米×25块/小时=150吨/小时),但也可以适用于多次或连续的处理短轨(12-25米),无论是在线和离线使用。这种西门子公司和CSM之间的伙伴关系启用了一个全面整体的方法,这意味着所有钢轨生产周期的各个方面都有考虑到,通过数值、热力学、机械和冶金学上建立模型来模拟,甚至在实际工业生产中进一步验证其真实性。

因此,顾客可以看到该过程的完整仿真模拟,甚至可以预先测试不同冷却工艺的钢轨的真实样本,这样建成的硬化工厂可以很快的生产名义上拥有完整一致性和性能可靠性的产品。西门子公司和CSM定义新的标准,提升标准同时支持产品在国际市场上的认证以成为客户所购买产品的整个生命周期的合作伙伴。

该活动是设置为一个研发项目(R&D project),其采用结构化的产品生命周期管理模型,以确保有效的发展从而给予客户明显的技术差异和显而易见的好处。该项目的主要技术内容和idRHa+®的一些独特的设计特点在此说明。

钢轨的几何轮廓和机械性能方面的最终特性,通过一系列热机械处理得到:先是热钢轨轧制过程,随后进行热处理和矫直步骤。根据所设计的几何形状热轧得到终产品,并提供随后处理所需的金相组织。特别地,此步骤可实现优良的显微结构,通过随后的处理,以保证所需的高等级的机械特性。

目前,在两种不同类型工厂里有两种主要的热轧工序:可逆轧机和连续轧机。由这两个热轧过程产生的钢轨的最终性能,可以假定是具有相似性和可比性的。事实上,贝氏体,珠光体和过共析钢轨在工业上通过这两种工厂都可以获得。而热轧生产线的设计在一定程度上对导轨的质量影响不大,可用的标准铁轨硬化的解决方案并不是非常灵活和适合处理所有范围等级和有选择的铁轨断面整体一致或部分断面存在差异化(头,网络,底)的情况。

此外,在所有目前用于热处理钢轨的工业装置,由于一些技术和经济的制约,如冷却空间的可用性,工艺流程和生产效率,冷却介质的成本,过时的流程控制,大部分都在冷却装置外发生奥氏体转变。这意味着奥氏体转变过程不是完全受到控制的,当奥氏体发生分解,由于潜热转化会导致铁轨温度会有一个不受抑制的增加。在这种情况下,奥氏体的转变温度比理想情况高,最终得不到更细的和更均匀的微观结构,机械性能下降。这种不受控制的温度分布对贝氏体钢轨影响也很大,在整个铁轨断面(头,网络和底)得到均匀的结构所要求理想转变路径是很窄的。另外,由于沿钢轨的长度方向实际的温度分布,一个不受或部分受到控制的热处理无法应用选择性的和可变的冷却,导致产品的微观结构在钢轨断面和钢轨长度方向都不一致。

idRHa+®的设计克服了先前提到的那些问题,它用一种严格受到控制的热处理工艺来代替,在钢轨上使用此方法直到显著数量的奥氏体转化(在导轨上表面的至少50%,轨头芯部的不低于20%)。这意味着,奥氏体转变温度维持在一个狭窄的理想频带,从而避免产生不希望得到的次级结构的风险:如贝氏体轨中的马氏体和珠光体钢轨中的马氏体/贝氏体。奥氏体转变温度的严格控制是通过一个过程控制系统管理下,由一个适宜长度的专用灵活装置,再配备多手段控制冷却装置得到的。

通过idRHa+®的受控热处理工艺可在线对轧机的直接进料进行操作,或使用旁通结构进行操作;用于离线应用的特殊设计目前正在开发中。

目前采用的是利用环境温度来加热的系统,以应对离线应用;或在热轧后加热以平衡钢轨温度的系统,以应对在线应用。

加热使用了一系列的高功率感应模块,其顶部、底部线圈是由IGBT变频器供电分别独立供电。感应模块的一些特殊的设计特点特此说明。灵活的热处理设备由模块,轨道长度/大小和待产牌号组成,模块的数量和相对位置取决于工厂的生产力。每个模块都配备有一组可更换的冷却装置(喷雾喷嘴的雾化器或喷气叶片)。钢轨的进口温度保持在750-1000℃(运行表面测量的温度)。冷却速率的范围是 0.5-40℃/s,根据希望得到的微观结构和最终的机械性能来调控其速率。

根据钢轨热处理的等级的不同,设备的出口温度在300-650℃之间变化。

任何模块可以单独控制和管理或与多个模块一起控制。处理进程的工艺参数(例如,加热速率,冷却速率,温度分布)被预先定义为最终产品性能的函数。该过程控制系统采用多个嵌入式热力学,机械和冶金学模型,包括奥氏体分解与微观组织的预测的模型,模拟沉淀行为的模型,相变热量计算热演化的模型,对机械性能预测的模型,对变形行为预测模型。

由上述模型装置,该控制系统管理和预测的过程,并根据产品的参数:

◆ 钢轨的化学成分; 

◆ 钢轨的机械性能(例如,硬度,强度); 

◆ 热轧机的设置和程序; 

◆ 预计轨温的定义的轮廓点 剖面点(头,网络和底)和 沿长度(头,中,尾); 

◆ 预计奥氏体分解率 和相变温度。

预先设定的冷却工艺考虑到在钢轨处理过程中测量或用综合数据预测出的实际参数进行微调。

用最合适的冷却平均值及其工作参数(例如压力,流速)来设定每个模块,其参数是根据由过程模型的计算优化过的。这保证了一个理想的冷却路线应用在了钢轨的长度方向和钢轨横向断面的每个位置。非常严格的特性变化可以通过避免形成区域太高或太低的硬度或任何不希望的微观结构得到。

钢轨的温度在不同的特征位置的测量之后,在过程控制系统还会考虑到钢轨的实际化学特性,包括目标产品的组织和机械性能。高温计或热扫描相机等温度测量装置会保持连续的监测温度:这组数据被过程控制系统用来对自动化系统进行微调,自动化系统会有选择性地使用冷却模块,调节冷却介质流量,钢轨的运送速度以动态地纠正钢轨长度方向和整个钢轨断面的任何可识别的热量的不均匀。

嵌入的过程模型根据钢轨的剖面和长度方向上有选择性的热量散失来定义其冷却工艺。为了在灵活装置的出口使钢轨的奥氏体转变百分比在轨道表面的不低于50%且轨头芯部不低于20%,必要把温度关于时间的下降速率控制在一个具体的范围内。

该数值模型的正确性已被仔细检查,并通过建在CSM实验室的试验装置里大量实验的广泛验证。该工厂已经配备了所有必要的调节装置和控制来模拟设置和参数的任意组合;这使得它可以测试种类繁多的冷却工艺,并记录其参数,同时与数值模型提供的与结果进行交叉对比。

几种类型的组合已经过测试,以确定理想的设计选择:即产品的表征和过程与各种类型的喷嘴,喷雾器及喷气叶片的安装在不同的配置的相关性的关系已进行了深入研究。与合格厂商的密切合作提供了开发特殊成分使其具有更好的性能和开发完全与idRHa+®切合的钢轨热处理产线的机会。

不同质量的几个钢轨样品已经通过热电偶检测并记其记录其断面的温度变化。实验得出的温度变化被用来微调数值模型。

一套全面的数值模式的可用性,并可以使用试验装置进行物理测试的可能性,提供给我们的客户一个独特的机会来开展新等级铁轨的研究,并真正意义上理解idRHa+系统的广泛适用性。举例来说,这套方法已经与中国公司一起成功地应用:- U71Mn,U75V和U76CrRE –对这三个等级的R60尺寸的钢轨进行了测试,共有77个不同的系统设置的组合和工作参数,每一次试验的数据都被记录和处理以解决最终设计准则。

3.idRHa+的一种独特的操作灵活性的特点

该idRHa+钢轨硬化系统由一组相互协调的设备集成,每一个设备都具有特定的功能和技术目的。该系统是完全模块化的,以便它可以根据工艺需要,对生产率的要求和现有工厂的限制以多种配置进行组装。

各功能单元的设计给予了最大的适应性且具有相同效率来处理任何尺寸和等级的钢轨。为了在线应用程序,在经过精轧机或下游的冷却床后,钢轨由一个导轨转动系统垂直举起,转动系统的旋转中心可以横向地调整从而得到任何大小的钢轨以送入其右侧上游位置的idRHa+产线。热钢轨在其长度方向可以弯曲活着有突起部分,尤其是在端部的第一米内。因此,有一个热矫直单元放置在热处理设备前是非常有用的,其通过由一组垂直可调的压紧辊施加软塑性变形恢复的导轨的平直度。

一组的感应加热装置中,至少有两个提供热能,以平衡钢轨沿长度方向的温度并调节钢轨断面的温度分布;为了使整体能量有足够的缓冲区来恢复其在钢轨长度方向和钢轨断面的温度梯度,一个典型的在线idRHa+处理系统的装机功率为每轧一吨钢30-35kWh,这意味着对于150吨/小时的生产率的安装功率大约5MW。感应单元的设置是由有限元建模分析预先定义的,并根据实际操作时检测的该温度分布进行动态调整。

感应加热器的设计是非常重要的,在很短的时间和在有限的空间里有选择性的和高效的将高功率密度传送到钢轨。感应加热器(线圈)对钢轨的头部和底部分开加热,为了达到最大效率通过单独的设计成IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的功率变换器对其供能,同时此技术可优化控制其能耗。

感应加热器为了应对可能出现的未矫直的钢轨和包括不对称钢轨在内的不同尺寸和形状的钢轨,其在垂直和水平轴向是可调节的。钢轨由水平和垂直方向的夹辊引导通过感应线圈,同时由轧辊上的轮廓跟踪装置来避免钢轨和陶瓷壁接触的危险。

由感应单元加热后,钢轨进入称为idRHa+技术核心的冷却区域中。如之前所述,该生产线由一些冷却模块依次组成,其总程度能保证足够的时间以在钢轨头部的大部分奥氏体(表面> 50%,芯部>20%)的转化。

每个模块都配备了一组冷却坡度有选择性的作用在钢轨上的一部分,以给予适当的传热系数以达到所需的性能,他们也有在钢轨截面保持均衡的温度梯度以遏制过量变形的功能。冷却装置可用雾化雾喷嘴,可以搭配不同的冷却介质和喷气叶片;产线上适当的冷却装置组合和其充分的可替换性给予了该系统配合任何不同工艺要求的绝对灵活性。该冷却器的位置是可调的凸轮系统,以和钢轨保持适当的距离达到最优化的冷却效果,以适应不同尺寸的钢轨的处理,包括非对称轨道。冷却器安装在液压倾斜的坡道,以方便维护操作。这些模块是由盖子密封的,并配有抽气系统抽走产生的蒸汽,其盖子有液压系统控制开闭,便于打开。

每个模块都配备有一组摆动液压压紧辊,保持钢轨在横向夹住以通过冷却装置;该设备的特定的设计使得它适应任何尺寸和形状的钢轨。在各模块之间,有许多装有垂直空转辊的水平压紧辊,以保持在钢轨中心和钢轨长度方向不变形。

4结论

该idRHa+®钢轨硬化技术由西门子与CSM合作开发,几个创新的设计特点使它成为时下市场上最灵活,最高效的设备。IdRHa+®由一个嵌入式技术形成,该技术经过复杂的数值模型和广泛的工业级试验装置中得到实验数据共同作用而成。该综合方法结合量身定制的分析和样品钢轨的试验,因此西门子和CSM成为了所有铁轨生产者的理想的产品生命周期的合作伙伴,同时又可以作为其内部生产技术的一个补充。

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