一、研究背景与问题
随着国家铁路强国战略不断推进，近年来铁路有了较为迅猛的发展。国家《“十四五”铁路发展规划》指出，路网布局重点加强战略骨干通道，构建多向入藏通道，完善新疆对外通道；优化普速铁路网，提升中欧班列运输能力，加强通道建设；完善高速铁路网，加快形成“八纵八横”主通道，建设城市群、都市圈多层次轨道交通网。国内外铁路的快速发展对钢轨产品提出了产量和质量两个维度的苛刻要求。
在钢轨高效化生产方面，传统的经验化操作方式虽然一定程度上可以满足高品质钢轨冶金过程的精准化需求，但受原辅料、耐材、设备及生产组织等冶炼过程关键节点事故，严重制约生产的连续性，显著降低高品质钢轨的生产效率。开展钢轨高效化生产研究对企业和行业发展具有重要战略意义。
在钢轨低成本化生产方面，随着市场端原材料价格不断上涨，钢轨产品创效也面临极大的挑战，而传统钢轨冶炼流程冗长，生产成本极其高；钢轨轧制方面，万能轧辊立车车削，精度较低，维护成本较高；百米热处理轨头部、尾部温差较大，制约成品钢轨合格率提升，带来极大的质量损失。低成本化生产技术对产线创效和推动行业效益提升意义重大。
在钢轨洁净化生产方面，受耐材、原辅料及工艺波动等非稳态浇铸，钢轨夹杂物超标和NDT探伤报伤问题持续发生，不仅影响产品质量，严重威胁列车运行安全；传统工艺控制入炉原材料水分实现钢中氢含量的降低，但仍无法避免氢带来的危害。随着国家新铁路标准TB/T2344.1-2020发布和对钢轨的内部质量要求越来越高，开发高品质钢轨洁净化冶金关键技术具有重要意义。
二、解决问题的思路与技术方案
图1 项目总体思路
针对中国国家铁路用高品质钢轨在生产过程中存在的洁净度差、成本高、生产效率低的行业问题，以国内大型钢铁企业典型生产流程为依托，重点开展高品质钢轨全流程高效化、低成本化、高洁净化生产技术研究工作，以期在高品质钢轨生产行业共性技术问题攻关方面取得突破，并辅助以实验室理论研究和仿真模拟、工业化试验、生产应用验证、工艺固化和推广等技术路线，完成项目关键技术开发与验证。项目总体思路如图1所示。
三、主要创新性成果
1、高品质钢轨全流程高效化生产技术
在钢轨冶炼方面，项目组结合邯钢大方坯连铸实际工况，通过模拟计算铸坯断面不同位置出口温度变化规律，准确识别凝固末端位置，制定基于实际工艺参数而动态调整的压下机制，实现连铸高拉速控制；基于副枪测量与粘渣变化规律，研究了钢水温度、氧压和底吹搅拌等工艺对应关系，并利用焦炭重新建立碳氧反应，形成了副枪防粘渣技术；分析传统炼钢脱磷效率问题，研究单、双渣等不同工艺条件脱碳、磷效率规律，调整物料加入与枪位控制策略，开发了自动化炼钢直接出钢模型，为钢轨钢高效生产提供了保障。
图2 副枪粘渣故障
图3 炼钢模型开发
在钢轨轧制方面，国内首次提出钢轨全万能高效轧制思路，开发万能第三轧程精轧带载参与、UF脱头、轨腰局部加压等轧制技术，首创“万能U2有限参与的轧制技术”，实现钢轨通长尺寸波动及高低点高精度控制和轧制高效化生产；针对NDT探伤单晶直探头接触法探伤过程存在的超声波干扰和误报问题，创新开发双晶水膜聚焦探头接触法进行检测法，通过改变探头焦距大小，在消除热打印报伤误判同时又满足铁标标准要求，大幅提升生产效率。
图4 万能有限参与轧制工艺路线图
（a）单晶直探头（b）双晶水膜聚焦探头
图5 单晶探头及单双晶探头实物图
项目成果使连铸拉速提升15%，平均浇铸时间降低5.6分钟，转炉冶炼周期平均减少7分钟；全万能轧制和双晶水膜聚焦探头的应用，钢轨轧制综合效率提升9.3%，NDT探伤误报减少至0.1%以下，实现了钢轨冶炼全流程高效生产。
2、高品质钢轨全流程低成本化关键技术
在低成本化生产方面，项目组通过梳理传统钢轨冶炼长流程问题，以高效精炼处理新思路，拓展转炉出钢温度精确控制及钢包顶渣改质和RH高效真空冶金技术，实现冶炼低成本化控制。系统研究传统万能轧制立辊结构及车削制约因素，开发卧式车床车削万能轧机立辊新技术，提供车削精度，降低劳动强度和生产成本；探明百米超长定尺钢轨在冷却变化规律，提出百米超长定尺钢轨反向预弯控制理念，建立双弧反向预弯数学控制模型，形成百米超长定尺钢轨双弧反向预弯技术，实现钢轨轧制低成本化控制。
图6 卧式车床车削万能轧机立辊技术
（a）工艺改进前钢轨在冷床的弯曲（b）工艺改进后冷床上的钢轨
图7 百米轨双弧反向预弯技术
项目成果使铸坯在满足质量要求的情况下低成本化生产，工序降本35元/吨；万能轧机立辊在卧车车床上车削，车削时间压缩3/4以上，降低运行及维护费用22元/吨；百米超长定尺反向预弯技术使得成品钢轨合格率提升8.5%，轧制成本降低25元/吨。
3、高品质钢轨全流程洁净化生产技术
项目研究发现，钢中氧化物夹杂物是引起钢轨疲劳断裂的重要原因之一，氧化铝含量较高的硬质夹杂物容易导致钢轨的疲劳失效，钢中大量的氢容易导致氢致裂纹，严重危害国铁用高品质钢轨的服役寿命和铁路安全。针对上述问题，项目组通过工业CT确定探伤缺陷与工艺操作的关系，形成钢轨全流程大型夹杂物溯源技术；通过预熔精炼渣设计技术，实现了钢中氧化物夹杂物的成分控制和吸附去除；通过MnS依附氧化物粒子析出新思路，形成氧化物-硫化物协同控制技术，利用MnS夹杂物与钢基体交界处空隙形成的氢陷阱抑制钢中氢的扩散，避免氢致裂纹的发生。
图8 钢轨疲劳及核伤点
（a）NDT探伤报伤位置与铸坯工艺对应分析
（b）NDT探伤报伤夹杂物检验与溯源
图9 钢轨NDT夹杂物控制技术
项目成果使钢轨NDT探伤合格率提升至99.4%；非金属夹杂物检验合格率提升至99.3%；钢轨氢致开裂发生率为0，钢轨在线服役寿命大幅提升。
四、应用情况及效果
高品质钢轨全流程高效低成本关键生产技术开发项目在邯钢型钢生产线应用后，解决了制约钢轨生产过程中生产效率不高、表面质量、尺寸精度波动和非金属夹杂物超标等一系列工艺技术难题，同时也带动了其他钢种的高效生产，为公司炼钢轧钢全流程质量控制提升奠定了基础，也为同类型钢铁企业提供了良好的借鉴。近三年来，累计生产不同标准及牌号钢轨合计110.95万吨，累计创效3.81亿元。为公司产品创效和品牌建设做出了积极的贡献。
1、高品质钢轨全流程高效化生产关键技术应用及效果
本项目开发的高品质钢轨全流程高效化生产关键技术应用于炼钢转炉、精炼和连铸领域，轧制NDT探伤领域。该技术应用后，钢轨生产效率大幅提升。转炉冶炼周期由原来的35分钟/炉，降低至28分钟/炉。副枪粘渣频率由原来的20炉清渣一次提升为服役期间不需要清理，副枪维护时间平均减少3.5分钟。NDT探伤误报率由原来的15.2%降低至0.1%，运行效率大幅提升。钢轨全流程的高效生产，使得邯钢顺利完成国铁线路重点合同的交付。产品广泛引用于北京铁路局津兴高铁、京唐城际铁路、济南铁路局鲁南高铁、郑济高铁、莱荣高铁等重点线路，为国家铁路建设和铁路强国战略实施奠定了基础。
2、高品质钢轨全流程低成本化生产关键技术应用及效果
本项目开发的高品质钢轨全流程低成本化生产关键技术应用于炼钢全流程领域，轧制加热和万能轧制领域。技术应用后，钢轨生产成本大幅降低。其中，炼钢工序成本降低35元/吨钢。万能轧辊由原来的立式车削改为卧式车削后，车削时间压缩3/4以上，降低运行及维护费用22元/吨钢；钢轨加热工序实行阶梯化控制后，成品钢轨正品率提升8.5%，降低轧制25元/吨钢。产品边际效益不断提升，在同行业中继续保持较高产品竞争力。
3、高品质钢轨全流程洁净化生产关键技术应用及效果
本项目开发的高品质钢轨全流程洁净化化生产关键技术应用于炼钢转炉、精炼和连铸领域。技术应用后，钢轨内部洁净度得到极大提升。钢轨NDT探伤合格率由原来98.9%提升至99.4%；非金属夹杂物检验合格率由原来的98.8%提升至99.3%；钢轨氢致裂纹发生率降为0。钢轨全流程的洁净化生产，使得钢轨产品赢得越来越多客户的青睐。产品不仅广泛应用在国铁重点线路上，先后还批量供货蒙古国家铁路塔望陶乐盖至嘎舒苏海图铁路、泰国国家铁路、印度尼西亚铁路局重点项目、南非国铁铁路重点改造项目、尼日利亚城际铁路、巴西里约热内卢铁路项目、墨西哥铁路改造项目等十余个国家和地区。其中供海外项目自钢轨在线路使用以来，未发生一起质量问题投诉。产品美誉度得到国内外客户的一致好评。
在项目研发过程中还带动了邯钢技术人员的进步，先后形成20项具有自主知识产权的钢轨生产核心技术，使邯钢掌握了高效低成本生产高品质钢轨系列产品从炼钢到轧制等关键工艺控制的核心技术，不仅带动了公司研发人员的快速成长，提升了邯钢公司产品质量水平和知名度；同时该项目形成的高效化、低成本化和洁净化生产技术在其他高品质钢上也得到了推广，不仅进一步提高了邯钢钢轨产品的质量水平和市场竞争力，优化了产品结构，创造了显著的经济效益和社会效益，同时为我国铁路工业的持续快速发展做出了重要贡献，也为国家推进的一带一路建设和高铁走出去战略的实施添砖加瓦。
