终轧钢轨热预弯空冷后矫前弯曲度控制机理研究

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1、终轧钢轨热预弯空冷后矫前弯曲度控制机理研究第1章绪论1.1课题研究背景公路、航空是发达国家几十年来的主要运输方式，但随着汽车数量的激增，使得交通拥堵、城市污染等情况日益恶化，很多国家开始反思其交通运输方式，希望可以建立一种真正安全、环保、高效的交通运输体系。实践证明，铁路运输与公路、航空相比，更符合要求。目前，为了满足世界人口流动数量的日益增加和经济快速发展的需要，高速铁路已成为世界铁路发展的总趋势[1]。高速铁路对钢轨的要求简单地讲就是成品钢轨要有高的纯净度、高的尺寸精度和高的平直度。其中钢轨的平直度和残余应力是两个最为重要的质量指标。试验数据表明，一个0.

2、2mm的微小焊缝，在300km/h时引起的冲击性高频作用力可达722kN，低频轮轨作用力达321kN，在这么大的冲击力下，有可能引发重轨、轮和轴断裂，导致严重的交通事故。我国高速铁路采用铁道部规定的60kg/m重轨[2]，其断面图如图1-1所示，轨高176mm、轨头宽73mm、轨腰厚16.5mm、轨底宽150mm、断面横截面积77.45mm2，单位重量为60.35kg/m[3]。文中提到的钢轨均指60kg/m的高速重轨铁路。高速铁路用重型钢轨比普通线路用钢轨的外形尺寸要求较严格，精度要求更严格[4]。为了使我国钢轨质量达到世界先进水平，增强与进口钢轨的核心竞争

3、力，必须大力发展钢轨生产技术，提高我国钢轨的断面尺寸精度和平直度，生产出更高质量的钢轨，从而在中国的高速铁路乃至世界的高速铁路线上占有一席之地，具有相当重要的现实意义。1.2课题研究的目的与意义高速重型钢轨在生产过程中普遍经过连铸、步进式加热炉、万能轧制、热预弯、冷却、平立复合矫直等工艺流程进行生产[5]。如果轧后钢轨不经过热预弯工序，自然冷却过程中轨底和轨腰边缘的冷却速度较快，轨头的冷却速度最慢，冷却后会产生一个弯向轨头的弯曲度，必须经过矫直才能使用[6]。如果矫前弯曲度太大，对于钢轨矫直质量影响会很大[7]。冷却后断面尺寸与终轧状态(终轧状态包括钢轨终轧后

4、的温度、断面温差以及弯曲度的方向和大小)的断面尺寸相比也会发生变化。因此，深入研究钢轨的矫前弯曲度和钢轨终轧状态的关系对钢轨矫前断面尺寸和弯曲度进行控制具有重要意义。掌握冷却过程与终轧状态的冷却规律后，在此基础上对钢轨预弯冷却过程进行深入研究，掌握矫直前热预弯工序以及空冷过程中矫前钢轨弯曲度以及断面形状连续变化规律，实现对钢轨矫前断面形状和矫前弯曲度大小和方向的精确控制，得到具有理想弯曲度大小和方向以及断面尺寸精度的矫前钢轨，为我国高性能成品钢轨的生产奠定重要的理论基础。.第2章钢轨冷却温度场分析2.1传热学概述传热学是研究热的传播过程的科学。自然界中的传热现

5、象无处不在，凡是物体有温度差的地方，就有热量自发地从高温物体传到低温物体。因此，传热现象发生在各种不同的技术领域内，而且起着很大的作用。钢轨热轧完成后在冷床上冷却过程，需要应用一定的传热学理论知识去掌握其传热过程中的规律。钢轨冷却过程是一个极其复杂的传热问题，冷却过程中包含着热量传递的三种方式，即传导传热、对流传热和辐射传热，同时材料的热物理参数和边界条件都随温度的变化而变化，还有组织相变等复杂过程。物体的温度场分为稳定温度场和非稳定温度场。稳定温度场是指物体内的温度分布与时间无关，仅与空间坐标位置有关。不稳定温度场是指温度场不仅与物体的空间位置有关，还随时间

6、的变化而变化。在物体或空间内由具有相同温度的点组成的线（或面）称为等温线或等温面。不同的等温线（面）在物体内没有交点。物体内部热量只有在穿过等温线（面）的方向才会被传递。温度变化最显著的是发生在等温线（面）的法线方向，相邻两等温线（面）的温度差与沿法线方向两等温线（面）之间的距离的比值极限称为温度梯度，导热系数是衡量物质导热能力的物理量，物体温度下降单位温度，单位时间内、单位面积上所传导的热量即为导热系数的大小。不同物质的导热系数不同，即使是同一种物质，在不同的温度下，其导热系数也是不同的。金属材料的导热系数一般与温度成正比，而合金的导热系数常随温度的升高而升

7、高。..2.2温度场的数学模型在实际生产工艺中，钢轨轧制后经过热预弯工序后通过链式传动放置于步进式冷床进行冷却，为了获得更为准确的热预弯参数，首先应分析平直钢轨轨冷却过程中的温度场、弯曲变形，确定合理的冷却工艺参数，然后建立热预弯冷却模型确定合理的热预弯参数。以前的一些文献中已有人做过相关的研究，但都是以平直钢轨为基础讨论的，没有考虑到钢轨的终轧状态，即钢轨断面的温差、终轧时的最高温度和最低温度、终轧时钢轨纵向的弯曲度。本文在平直钢轨的基础上着重分析讨论考虑终轧状态的钢轨在冷却过程中温度场的变化规律。钢轨在冷却过程中的传热问题比较复杂，因为它不仅考虑钢轨与外界

8、的热交换，还考虑钢轨内部的导热。与外界