分享：20CuNi铁道垫板型钢矫直工艺开发与应用

随着钢铁行业竞争日益激烈，为提高市场竞争力，加快产品升级改造，河钢唐钢型钢厂开发了技术水平较高的20CuNi铁道垫板型钢。首次采用以轧代铸的方式进行铁道垫板型钢生产，从轧制到冲孔成型开发了一套完整的生产工艺流程，实现了稳定批量生产。本文简述了铁道垫板型钢生产工艺流程，介绍了铁道垫板型钢矫直工艺的开发应用，解决了河钢唐钢大型线非对称形型钢矫直生产的难题，实现了铁道垫板型钢的稳定批量生产，为型钢的矫直生产提供了宝贵经验。

铁垫板是钢轨和轨枕之间的重要部件之一，在轮轨动力系统中起着重要的减振作用。随着重载铁路运输的发展，在钢轨逐渐重型化的同时，对垫板的性能提出了更高要求，即减振性能好、耐冲击、使用寿命长[1]。传统的铸造工艺生产的铁道垫板存在工艺复杂、生产合格率低、飞边毛刺等问题，因此河钢唐钢型钢厂结合产线特点，打破传统铸造工艺，采用以轧代铸工艺进行20CuNi铁道垫板型钢的生产。其中，矫直工序作为关键工序之一，承担着去除垫板型钢轧制后各种弯曲、扭转等缺陷，保证钢材顺直、平整的重要任务，对产品的最终质量起着决定性作用，因此铁道垫板型钢矫直工艺的开发具有十分重要的意义。

以轧代铸工艺

生产线简介

河钢唐钢型钢厂大型线2012年7月投产，以生产国家电网用大规格角钢为主要产品类型。为保证钢材成品力学性能和钢材质量，大型线采用长尺冷却和长尺矫直工艺，矫直工艺采用国内常见的大压下量矫直法。主要设备包括：1台矩形坯连铸机、1座蓄热步进梁式加热炉、2台高压水除鳞机、4架轧机、1座78 m步进式大冷床、1台9辊双支撑变节距矫直机[2]、3台热锯机、2台冷锯机、3套码垛机，其中9辊双支撑变节距式矫直机是引进德国技术，并与国内合作制造的专用设备。该矫直机选用的是德国KOCH公司设计的世界最大的不对称无级可变节距双支撑水平辊矫直机，设备精度0.01 mm，矫直机本体可根据需要升降，九辊间距可根据需要移动调整，节距1350~1800 mm，矫直辊轴心距800~1100 mm，单个矫直辊可实现水平轴向调整，保证矫直后钢材弯曲度控制在0.15%以内。

型钢产品

河钢唐钢大型线生产的铁道垫板型钢是美国铁道垫板冲孔前型材，长度在6~12 m，材质为20CuNi，较软，属于低碳耐候钢，规格为14—3/4″。铁道垫板要求无条状突起物，轨座保持平整，无拱状凸起，因此对垫板型钢的弯曲度及平整度要求较严格，一般不能超过0.2%。铁道垫板型钢关键尺寸参数如图1所示。

工艺流程

铁道垫板型钢主要生产工艺流程为：高炉铁水—钢包炉—铁水热处理—120 t转炉吹炼—LF精炼—矩形连铸机—加热炉—轧机—冷床—矫直机—冷锯—码垛机。

转炉吹炼采用高拉补吹工艺，使用铝脱氧工艺，严格控制Als含量，保证钢水纯净度；LF精炼采用白渣精炼，底吹工艺；连铸采用末端电磁搅拌，并对20CuNi连铸坯进行缓冷48 h；加热工艺采用高温、快烧加热模式，避免Cu加热产生热脆；采用双机架二辊可逆式开坯轧机轧制多个道次完成粗轧，一架可逆水平二辊精轧机(F1)和一架水平/万能可转换精轧机(F2)最终轧制成形；经过冷床预弯缓冷，进入9辊双支撑变节距矫直机，采用大压下量矫直法进行矫直；经过冷锯锯切成合同定尺，检验合格后码垛下线。

矫直工艺的开发应用

矫直孔型

河钢唐钢大型线生产其他型材产品均为对称形大断面产品如等边角钢、U型钢板桩等，矫直孔型大部分采用对产品全包围型，左右对称，矫直其上下腹板及侧壁，受力均匀，保证产品在矫直机内释放最大应力，矫直后产品平整、顺直，不会出现因残余应力造成回弯现象。而铁道垫板型钢为非对称形，且断面形状复杂，两肩长度厚度均不相同，给矫直设计带来困难，因此设计时充分考虑钢材受力位置，并根据经验采取矫直腹板的矫直方式。铁道垫板型钢矫直辊采用组合方式设计，上、下矫直辊示意图见图2。

矫直压下量

轧制后铁道垫板型钢在冷床上进行冷却，由于铁道垫板型钢中间轨座不利于冷却水流动，致使冷却水不均匀分布在型钢表面，型钢头尾部分冷却速度快于中间部位冷却速度，型钢变为两头翘起的形状，导致中间部位积水，使型钢上下表面产生温度差，上表面收缩率大于下表面，从而产生上下弯曲[3]。

河钢唐钢大型线采用9辊双支撑变节距矫直机，其排布为上4辊、下5辊，其中第1辊为下辊，且下辊为压下调整。因此，矫直压下量设计使用时，1辊压下量为零，保证铁道垫板型钢顺利咬入矫直机，3辊采用大压下量，消除不均匀变形，使型钢达到统一变形，5、7辊逐步减小压下量，使型钢残余应力完全去除，最后通过9辊小压下量对型钢进行找平，实现铁道垫板型钢的平整。

矫直生产应用

◆存在问题

在实际矫直生产应用过程中，该套矫直孔型并不理想，主要问题有：

(1)铁道垫板型钢冷却后侧弯严重，不利于咬入矫直机，容易出现咬入不正，造成型钢扭曲，矫直辊磕伤等问题。

(2)铁道垫板型钢在矫直机内移动状态不稳定，易左右窜动，导致型钢出现侧弯、矫痕等缺陷。

◆优化措施

针对实际生产中存在的问题进行分析，提出改进措施：

(1)铁道垫板型钢轧制后在大冷床进行冷却时，由于该产品特点，左肩部分短且薄，右肩部分长且厚，导致左肩冷却速度快，右肩冷却速度慢，在自然冷却状态下，型钢容易产生左侧侧弯，侧弯程度较大，给矫直机对中咬入带来困难，容易出现咬入不正，造成扭曲，甚至侧翻；当咬入偏差较大时，会造成型钢轨座凸起部位与矫直辊磕碰，导致矫直辊磕伤问题，严重影响生产节奏。为使铁道垫板型钢侧弯减小，对其进行预弯处置，利用上钢小车托起型钢，向左移动到辊道侧板靠直，保持30 s后再进入冷床，在冷床底部启用风冷设施，侧重吹铁道垫板型钢右肩部位，保证型钢长尺弯曲度控制在0.5%以内，便于咬入矫直机。

(2)在实际生产中，由于该孔型设计左右两侧无遮挡，铁道垫板型钢在矫直机内移动状态不稳定，易发生窜动，导致铁道垫板型钢轨座处易出现矫痕，且型钢出矫直机后侧弯超过0.2%的标准。

对矫直孔型进行优化，原矫直孔型中间辊环保持不变，将上矫直辊两侧辊环矫直受力点位置向铁道垫板型钢两肩端部移动，斜面比例不变，与成品斜面比例相同，辊环一段进行延伸起到轴向方向阻挡作用。优化后上矫直辊示意见图3。

下矫直辊与上矫直辊相似，保持中间辊环不变，两侧辊环矫直受力点位置向铁道垫板型钢两肩端部移动，为避免两肩底部出现矫痕，将平面改为斜面支撑，有效避免咬入或窜动造成矫直辊损伤，对型钢矫直机中的轴向移动进行了有效限制，解决了侧弯和矫痕缺陷，实现产品的高质量生产，优化后下矫直辊见图4。

结束语

20CuNi铁道垫板型钢矫直工艺的开发应用解决了河钢唐钢大型线非对称形型钢矫直生产的难题，实现了铁道垫板型钢的稳定批量生产，验证了以轧代铸进行低碳耐候铁道垫板生产的可行性，同时增强了型钢产品的竞争力，也为其他品种钢的矫直生产提供了宝贵经验。

文章来源——金属世界