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钢轨万能轧制过程理论与实验研究

董永刚  
【摘要】: 自从1964年世界上第一条高速铁路在日本问世以来,高速铁路迅速成为世界各国最重要的交通运输工具。为了满足世界人口日益增加和经济快速发展的需要,世界铁路的技术发展趋势呈现高速化和重载化。目前我国正在加快铁路高速化进程,虽然运行速度多次提高,但绝对速度仍然不能达到发达国家水平。钢轨的尺寸精度、性能和强度是制约铁路运行速度的重要因素。 钢轨的热轧过程不但对钢轨的表面质量、几何尺寸精度和钢轨外观平直度等钢轨外部质量有直接影响,而且对钢轨内部残余应力和内部缺陷有非常大的影响。更重要的是,轧制温度、轧制速度、冷却速度等工艺参数对钢轨的微观组织和晶粒大小有直接影响,从而影响钢轨的机械性能。为了得到高性能高精度钢轨,除了在炼钢阶段进行精炼并且研究新型钢轨钢之外,还需要深入细致的分析钢轨轧制过程变形机理,以建立精确的钢轨轧制过程理论模型。在理论模型基础上,再结合轧制实验和有限元数值模拟就可以确保制定出合理优化的轧制规程,并且可以实现控制轧制和控制冷却。另外随着万能连轧技术和自动控制技术的不断发展和成熟,也迫切需要建立精确的钢轨轧制理论模型。 完整的钢轨万能轧制过程理论模型应该包括金属流动规律、变形抗力模型、温度变化模型、前滑模型、力能参数模型。 钢轨万能轧制过程变形机理非常复杂,钢轨各部分压下率差异对轧制过程中的金属流动有很大影响,所以在计算轨头和轨底宽展时引入了考虑压下率差异的变形协调系数,得到了轨头和轨底的宽展公式。在此基础上根据金属不可压缩条件推导出了钢轨各部分的平均延伸系数,并从理论上定性分析了轧制过程中钢轨各部分断面金属的流动规律。 普碳钢钢轨和普通合金钢钢轨的变形抗力模型可以由管克智给出的变形抗力经验公式得到,新型合金钢轨钢和稀土钢轨的变形抗力模型可以由Scililiano和Jonas提出的修正后的Misaka公式来得到。 为了便于建立理论模型,首先简化钢轨断面形状,并且把轧制轨头的带孔型立辊简化为等效平辊,给出了钢轨断面简化后的三维几何模型,并且给出了运动学许可速度场。 为了建立钢轨的温度变化模型,本文根据能量守恒原理、热平衡方程和传热学基本定律,以轨腰、轨头和轨底的平均温度作为研究对象,考虑空气的对流和辐射温降、除鳞温降、接触温降、塑性变形温升、接触摩擦温升以及相邻机架间的穿梭温降,得到了钢轨各部分的温度变化模型。 在建立前滑模型时,推导出了万能轧制过程轨腰变形区、轨底及轨头外侧变形区的中性角公式,并且基于金属流动的秒流量相等规律推导出了轨底内侧及轨头内侧与水平辊侧面接触区的中性线方程,最后在力平衡法基础上建立了前滑系数理论模型。 为了建立力能参数理论模型,应用刚塑性材料的上限原理求出了运动学许可速度场下万能轧制过程轧制力和轧制力矩的近似解。 用有限元软件DEFORM-3D V5.0进行数值模拟时,考虑了不同规格钢轨和钢轨材料的影响,分别模拟了材料为BNbRe的60kg/m新型稀土重轨和材料为Q235的18kg/m普碳钢轻轨高温热轧过程。 为了验证理论模型并与数值模拟结果进行对比,在燕山大学轧钢实验室的三机架万能型钢轧机上完成了18kg/m普碳钢轻轨高温热轧实验,实验过程中考虑了轧制温度、轧制速度、压下率等参数的影响,采用了几组不同的轧制规程,实测了万能轧制过程中的轧制力、轧制力矩及轧件表面温度。为了便于实测轧制过程中轨腰、轨底和轨头的前滑系数,在水平辊表面、平立辊表面以及轧制轨头立辊孔型内表面加工了若干个等距凹坑。 为了对轧后钢轨微观组织进行金相分析,将轧后轧件出口端进行了淬火处理,在轨腰、轨底及轨头不同位置进行取样,并对试样相应断面进行抛光和化学腐蚀以得到微观组织,分析不同淬火温度及不同轧制规程对钢轨轧后微观组织的影响。 本文研究结果对于钢轨万能生产过程具有积极意义。建立的钢轨万能轧制理论模型可以为制定合理的轧制规程提供重要理论依据,并且便于编程实现钢轨轧制过程的自动控制和连轧控制,对控制和改善钢轨的质量有一定的参考价值。轧后钢轨微观组织分析对于制定合理的冷却制度、改善钢轨的组织性能和力学性能有比较重要的意义。


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