专利名称：轧辊、用于轧制钢轨的设备和钢轨轧制方法
技术领域：
本发明涉及轧辊、用于矫直钢轨的设备和钢轨轧制方法。
背景技术：
钢轨轧制过程包括对加热的钢轨依次进行开坯轧制、中间轧制和精轧以及在钢轨 冷却后进行矫直。矫直后可以通过无损探伤等方式检测钢轨的残余应力。国内外研究表明， 钢轨残余应力的大小和分布将严重影响钢轨的使用性能。钢轨残余应力越小，对钢轨使用 安全越有利。由于钢轨残余应力是在钢轨轧制过程中形成的，因此，现有技术中为了控制或 降低钢轨残余应力通常采用方法是降低钢轨矫前弯曲度和矫直压下量。降低钢轨矫前弯曲 度的目的是为钢轨矫直时降低矫直压下量提供前提条件，也就是在满足钢轨矫直后平直度 要求的同时，尽量降低矫直压下量，从而降低因矫直过程带来钢轨残余应力增加过大的影 响。由于降低了矫直压下量，这会影响钢轨的矫直效果，影响钢轨的成型性。
发明内容
本发明的目的是提供一种轧辊、一种用于轧制钢轨的设备和一种能够保证矫直效 果并降低钢轨残余应力的钢轨轧制方法。本发明的轧辊为回转体，该回转体的纵截面的两侧的至少一部分为对称的凹进的 弧形，该凹进的弧形的中点与所述纵截面的两侧的中点一致。本发明的用于轧制钢轨的设备包括一对水平辊和一对立辊，所述一对水平辊分别 用于成型钢轨两侧的轨腰，所述一对立辊分别用于成型钢轨的轨头和轨底，其中，用于成型 所述钢轨的轨底的立辊为本发明的轧辊。本发明的钢轨轧制方法包括该方法包括对钢轨进行中间轧制，其中，使用本发明 的用于轧制钢轨的设备对钢轨进行中间轧制，使得钢轨的轨底具有朝外凸出的部分。本发明的发明人经研究发现，钢轨的残余应力主要集中在钢轨的轨底，特别是钢 轨冷却和矫直时对轨底的中部会产生拉应力，从而导致轨底的中部出现残余应力集中。本 发明的钢轨轧制方法通过钢轨的热轧中间轧制使得轨底具有朝外凸出的部分，由于轨底具 有朝外凸出的部分且轨底中部的凸起程度最大，精轧时轨底中部的变形大于轨底的其它部 分。这种变形方式导致轨底两端限制轨底中部的变形，从而使轨底的中部产生压应力并使 轨底的两端产生拉应力。也就是精轧在轨底形成中部压应力且两端拉应力的应力分布状态 并使该应力状态保留下来。虽然在钢轨冷却过程中，会在轨底的中部产生拉应力，但这种拉 应力可以通过精轧后保留在轨底的中部的压应力部分抵消或完全抵消。因此，在冷却后，可 以降低轨底的中部的残余应力，甚至可以使轨底的中部仍存在压应力。因此，在最终矫直 后，轨底的残余应力显著降低。
图1是显示本发明的轧辊的纵截面形状的示意图2是中间轧制后钢轨的横截面视图；图3是矫直后钢轨的横截面视图；图4是矫直过程的示意图。
具体实施例方式本发明的轧辊为回转体，该回转体的纵截面的两侧的至少一部分为对称的凹进的 弧形，该凹进的弧形的中点与所述纵截面的两侧的中点一致。优选地，所述纵截面的两侧整体上为对称的凹进的弧形。所述凹进的弧形可以是圆或椭圆的一部分。优选地，如图1所示，所述弧形为圆弧 形A^A。也就是所述轧辊的辊面包括凹球面的一部分。更优选地，圆弧形A ^A的弦高可 以为2. 7mm-3. 9mm,弦长可以为200mm-300mm ；可选择地，可以使圆弧形A彳A的曲率半径为 20m-45m，从而使所述轧辊具有适当弯曲程度的凹球面。本发明的用于轧制钢轨的设备包括一对水平辊和一对立辊，所述一对水平辊分别 用于成型钢轨两侧的轨腰，所述一对立辊分别用于成型钢轨的轨头和轨底，其中，用于成型 所述钢轨的轨底的立辊为本发明的轧辊。下文中将用于成型所述钢轨的轨底的立辊简称为 轨底立辊。可以通过对现有的万能可逆孔型轧机进行改进来得到本发明的用于轧制钢轨的 设备，即用本发明的轧辊作为万能可逆孔型轧机的轨底立辊。与钢轨的轨头和腰部接触的 辊可以使用万能可逆孔型轧机原有的辊，从而与轨底立辊形成UR孔型(万能中间轧制孔 型)。中间轧制前，通过调整所述一对立辊和一对水平辊的位置以得到所需的UR孔型。中 间轧制时，所述一对立辊和一对水平辊绕各自的轴线转动并分别与钢轨的轨头、轨底和两 个轨腰接触以进行轧制。钢轨经中间轧制后形成与UR孔型的形状一致的横截面形状(如 图2所示)。优选地，如图1所示，轨底立辊的纵截面的两侧整体上形成为圆弧形以下 称为轨底立辊的圆弧形η圆弧形A^A的弦高用m表示，弦长为立辊的高度h。本发明的钢轨轧制方法包括对钢轨进行中间轧制，其中，使用本发明的用于轧制 钢轨的设备对钢轨进行中间轧制，使得钢轨的轨底具有朝外凸出的部分。将钢轨加热后，依 次对所述钢轨进行开坯轧制、中间轧制、精轧和矫直，其中，使用本发明的用于轧制钢轨的 设备对所述开坯轧制后的钢轨进行可逆中间轧制，使得钢轨的轨底具有朝外凸出的部分， 然后通过精轧和矫直使得轨底平直。最终钢轨的横截面形状如图3所示。由于使用了本发明的用于轧制钢轨的设备进行中间轧制，钢轨经过中间轧制后， 钢轨的横截面如图2所示，钢轨的轨底形成圆弧形B彳B(以下称为轨底的圆弧形B^B) 且轨底的圆弧形B^B至少为轨底立辊的圆弧形A彳A的一部分。其中，钢轨的轨底的高 度差的最大值为轨底的圆弧形B^B的弦高。另外，由于钢轨的轨底的宽度w小于轨底立辊的高度h(即轨底立辊的圆弧形 A-A的弦长)，所以轧制时轨底并不是与轨底立辊的整个表面接触。因此，轨底并不形成 与轨底立辊的辊面完全对应的形状，而是与辊面的中部对应的形状。也就是说，所述轨底立 辊的辊面具有与轨底接触的部分和不与轨底接触的部分，其中，将所述轨底立辊的与轨底 接触的部分定义为完全接触部分，该完全接触部分的宽度与轨底的宽度一致。也就是说，如图1所示，所述完全接触部分形成的圆弧形C^c是轨底的圆弧形A^A的一部分并与中 间轧制后轨底的圆弧形B彳B相同。钢轨的轨底的宽度近似等于中间轧制后轨底的圆弧形 B^B的弦长W。因此，圆弧形B^B和圆弧形C^C的弦长均可以用w表示，弦高均用mQ表不。另外，由图1和数学常识可知，轨底立辊的圆弧形A彳A的弦高m的大小取决于弦 长(即轨底立辊的高度h)和辊面的弯曲程度。因此，可以根据轨底的宽度w和所需的变 形量(即弦高Hltl)选择高度和辊面弯曲程度适当的轨底立辊。由于钢轨的轨底宽度通常为 110mm-155mm，优选地，为了对轨底施加适当的变形以更好地实现本发明的目的，可以使轨 底立辊的圆弧形A彳A的弦高m为2. 7mm-3. 9mm,弦长h为200mm-300mm，从而使精轧后的 轨底的圆弧形B 一 B的弦高mQ为0. 5謹-1. 0謹，弦长w为110mm-155mm。本发明的钢轨轧制方法还包括在对所述钢轨进行中间轧制前，将所述钢轨加热 并对所述钢轨进行开坯轧制，以及在对所述钢轨进行中间轧制后，对所述钢轨进行精轧和 矫直并使得轨底平直。其中，开坯轧制可以使用开坯轧制机架进行轧制，钢轨的精轧可以采用万能孔型 精轧，也就是使用万能孔型精轧机进行轧制。所述万能孔型精轧机通过由一对水平辊和一 对立辊形成的UF孔型(万能精轧孔型)进行精轧。开坯轧制、万能孔型中间轧制和万能孔 型精轧是本领域公知的轧制方法，开坯轧制机架、万能可逆孔型轧机和万能孔型精轧机的 操作和使用方法也是本领域公知的，在此不做详细说明。通常，矫直采用辊式矫直，即通过与钢轨的轨头和轨底接触的多个矫直辊进行，例 如，可以通过图4所示的上下两排辊组进行矫直，其中，1#辊、3#辊、5#辊、7#辊和9#辊与 钢轨的轨底接触且沿垂直方向位置固定，姊辊、4#辊、6#辊和8#辊与钢轨的轨头接触并可 以沿垂直方向调节位置以调整压下量。根据不同规格的钢轨可以设定相应的开坯轧制和中间轧制的轧制道次，精轧和矫 直通常为一道次。下面具体说明本发明的钢轨轧制方法。首先，将钢轨加热到所需的温度，所述钢轨的加热温度为1210°C -1250°C ；所述开 坯轧制的轧制温度为1150°C -1180°C，截面收缩率为78. 5% -81. 2%，轧制10道次；所述中 间轧制的轧制温度为1020°C -1060°C，所述中间轧制的截面收缩率为61. 4% -64. 7%，轧制 4道次；所述精轧的轧制温度为890°C _950°C，截面缩率为4. 7% -7. 5%，精轧使得轨底朝 外凸出并形成图2所示的形状；所述矫直的压下量为29. 5-40mm。精轧后使钢轨冷却1. 5-3 个小时，然后进行矫直。矫直时钢轨的放置状态为轨头朝上轨底朝下。矫直时，矫直的总压 下量为29. 5-40mm，例如可以使2#辊、4#辊、6#辊和8#辊的压下量分别为14. 0-17. 0mm、 11. 0-14. 0mm、4. 0-7. 0mm、0. 5-2. 0mm，从而得到各种规格的钢轨。下面通过实施例说明本发明的钢轨轧制方法的优点。实施例1对万能可逆孔型轧机进行改进以得到本发明的用于轧制钢轨的设备，该改进为用 本发明的轧辊作为德国西马克公司制造的用于轧制钢轨底宽度小于250mm以下的各种类 型钢轨的万能轧机机组的万能可逆孔型轧机的轨底立辊。使用U75V材料轧制75kg/m钢轨；首先将钢轨坯料加热至1210°C以进行开坯轧 制，开坯轧制的截面收缩率为78. 5% ；使用上述改进的万能可逆孔型轧机在1060°C进行中间轧制，中间轧制的截面收缩率为61. 7% ；使用万能孔型精轧机在950°C进行精轧，精轧的 截面收缩率为4. 7%;钢轨冷却3小时后，钢轨温度低于60°C，使用辊式矫直机进行矫直，矫 直压下量为40mm，其中，姊辊、4#辊、6#辊和8#辊的压下量分别为17mm、14mm、7mm、2mm，最 终得到规格为75kg/m的钢轨；矫直后采用贴电阻应变片测试应变的方法测得钢轨的残余 应力，结果如表1所示。其中，万能可逆孔型轧机的轨底立辊的高度为^Omm,轨底立辊的圆 弧形A彳A的弦高m为3. 49mm,完全接触部分形成的圆弧形C^C的弦高Hi0为1. 0mm。实施例2按照实施例1的方式轧制68kg/m钢轨，不同之处在于将钢轨坯料加热至1220°C 以进行开坯轧制，开坯轧制的截面收缩率为79. 3% ；使用改进的万能可逆孔型轧机在 1060°C进行中间轧制，中间轧制的截面收缩率为62. 5%;使用万能孔型精轧机在940°C进行 精轧，精轧的截面收缩率为5. ；钢轨冷却2. 5个小时后，使用辊式矫直机进行矫直，矫直 压下量为37. 5_，其中，邶辊、4#辊、6#辊和8#辊的压下量分别为16mm、14mm、6mm、l. 5mm, 以得到规格为68kg/m的钢轨。其中，万能可逆孔型轧机的轨底立辊的圆弧形A彳A的弦高 m为3. 09mm,完全接触部分形成的圆弧形C^C的弦高Hitl为0. 9mm。实施例3按照实施例1的方式轧制60kg/m钢轨，不同之处在于将钢轨坯料加热至1230°C 以进行开坯轧制，开坯轧制的截面收缩率为80. 6% ；使用改进的万能可逆孔型轧机在 1050°C进行中间轧制，中间轧制的截面收缩率为62. 4%;使用万能孔型精轧机在920°C进行 精轧，精轧的截面收缩率为5. 5%,；钢轨冷却2. 5个小时后，使用辊式矫直机进行矫直，矫 直压下量为35mm，其中，2#辊、4#辊、6#辊和8#辊的压下量分别为15mm、13mm、6mm、1mm，以 得到规格为60kg/m的钢轨。其中，万能可逆孔型轧机的轨底立辊的圆弧形A彳A的弦高m 为2. 79mm,完全接触部分形成的圆弧形C^C的弦高Hitl为0. 8mm。实施例4按照实施例1的方式轧制50kg/m钢轨，不同之处在于将钢轨坯料加热至1240°C 以进行开坯轧制，开坯轧制的截面收缩率为80. 8% ；使用改进的万能可逆孔型轧机在 1040°C进行中间轧制，中间轧制的截面收缩率为63.9% ；使用万能孔型精轧机在910°C进 行精轧，精轧的截面收缩率为6. 7% ；钢轨冷却2个小时后，使用辊式矫直机进行矫直，矫直 压下量为33mm，其中，2#辊、4#辊、6#辊和8#辊的压下量分别为15mm、12mm、5mm、1mm，以得 到规格为50kg/m的钢轨。其中，万能可逆孔型轧机的轨底立辊的圆弧形A ^A的弦高m为 3. 15mm,完全接触部分形成的圆弧形C 一 C的弦高mQ为0. 7mm。实施例5按照实施例1的方式轧制43kg/m钢轨，不同之处在于将钢轨坯料加热至1250°C 以进行开坯轧制，开坯轧制的截面收缩率为81. 2% ；使用改进的万能可逆孔型轧机在 1020°C进行中间轧制，中间轧制的截面收缩率为64. 7%;使用万能孔型精轧机在890°C进行 精轧，精轧的截面收缩率为7. 5% ；钢轨冷却1. 5个小时后，使用辊式矫直机进行矫直，矫直 压下量为29. 5mm，其中，邶辊、4#辊、6#辊和8#辊的压下量分别为14謹、11謹、4謹、0. 5謹， 以得到规格为43kg/m的钢轨。万能可逆孔型轧机的轨底立辊的圆弧形A^A的弦高m为 3. 02mm,完全接触部分形成的圆弧形C^C的弦高Hitl为0. 5mm。对比例1
按照实施例1的方式轧制钢轨，不同之处在于中间轧制时使用使用辊面的纵截 面两侧无凹进的弧形的、辊面平直的轨底立辊进行中间轧制。实施例1-5和对比例1中的万能可逆孔型轧机的轨底立辊的高度h、轨底立辊的圆 弧形A彳A的弦高m、中间轧制后轨底的弧形B^B的弦高Hi0 (完全接触部分形成的圆弧形 C-C的弦高)、轨底的宽度w以及矫直前后测得的轨底的中部的残余应力如表1所示。其 中残余应力的正负值分别表示拉应力和压应力，序号1-5为实施例1-5，序号6为对比例1。
权利要求
1.一种轧辊，其特征在于，所述轧辊为回转体，该回转体的纵截面的两侧的至少一部分 为对称的凹进的弧形，该凹进的弧形的中点与所述纵截面的两侧的中点一致。
2.根据权利要求1所述的轧辊，其中，所述纵截面的两侧整体上为对称的凹进的弧形。
3.根据权利要求1所述的轧辊，其中，所述凹进的弧形为圆弧形。
4.根据权利要求3所述的轧辊，其中，所述圆弧形的弦高为2.7mm-3.9mm，弦长为 200mm-300mm。
5.根据权利要求3所述的轧辊，其中，所述圆弧形的曲率半径为20m-45m。
6.一种用于轧制钢轨的设备，该设备包括一对水平辊和一对立辊，所述一对水平辊分 别用于成型钢轨两侧的轨腰，所述一对立辊分别用于成型钢轨的轨头和轨底，其特征在于， 用于成型所述钢轨的轨底的立辊为权利要求1-5中任意一项所述的轧辊。
7.一种钢轨轧制方法，该方法包括对钢轨进行中间轧制，其中，使用权利要求5所述的 用于轧制钢轨的设备对钢轨进行中间轧制，使得钢轨的轨底具有朝外凸出的部分。
8.根据权利要求7所述的钢轨轧制方法，其中，所述精轧的轧制温度为890°C-950 截面收缩率为4. 7% -7. 5%。
9.根据权利要求7或8所述的钢轨轧制方法，其中，所述朝外凸出的部分的横截面为圆 弧形，所述圆弧形的弦高为0. 5mm-1. 0mm，弦长为110mm-155mm。
10.根据权利要求7或8所述的钢轨轧制方法，其中，所述方法还包括在对所述钢轨进 行中间轧制前，将所述钢轨加热并对所述钢轨进行开坯轧制，以及在对所述钢轨进行中间 轧制后，对所述钢轨进行精轧和矫直并使得轨底平直。
11.根据权利要求10所述的钢轨轧制方法，其中，所述精轧为万能孔型精轧。
12.根据权利要求10中任意一项所述的钢轨轧制方法，其中，所述钢轨的加热 温度为1210°C -1250 °C ；所述开坯轧制的轧制温度为1150°C _1180°C，截面收缩率为 78.5% -81.2% ；所述中间轧制的温度为1020°C -1060°C，所述中间轧制的截面收缩率为 61. 4% -64. 7% ；所述矫直的压下量为29. 5mm-40mm。
全文摘要
本发明提供一种轧辊，所述轧辊为回转体，该回转体的纵截面的两侧的至少一部分为对称的凹进的弧形，该凹进的弧形的中点与所述纵截面的两侧的中点一致。本发明还提供一种用于轧制钢轨的设备，该设备一对水平辊和一对立辊，所述一对水平辊分别用于成型钢轨两侧的轨腰，所述一对立辊分别用于成型钢轨的轨头和轨底，其中，用于成型所述钢轨的轨底的立辊为本发明的轧辊。本发明还提供一种钢轨轧制方法包括该方法包括对钢轨进行中间轧制，其中，使用本发明的用于轧制钢轨的设备对钢轨进行中间轧制，使得钢轨的轨底具有朝外凸出的部分。从而在精轧和矫直后可以有效地降低轧制后钢轨的残余应力。
文档编号B21B1/085GK102049415SQ20091021235
公开日2011年5月11日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者李叙生, 王代文, 邓勇, 郭华, 陶功明 申请人:攀钢集团攀枝花钢钒有限公司, 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司, 攀钢集团钢铁钒钛股份有限公司