一、研究的背景与问题
在国家实施“八纵八横”铁路网规划和西部开发的背景下，中西部铁路建设存在建设条件差、供给能力不足等明显短板。偏远地区新建线路或大维修工程用钢轨，难于实现500米成品钢轨点对点线路直铺，生产供给链、运输链偶发时空梗阻现象；若采用既有焊轨基地供给，存在运距长、多次倒运和运力差异等困难；若沿线新建焊轨线，又会产生土地占用、重复建设等资源浪费问题。
开展钢铁企业“500米成品钢轨生产技术创新与产业化应用”研究，创建面向线路直接铺设的一站式钢轨生产方式，可实现500米长钢轨直接供给，并进一步提升生产质量管控能力；同时，满足中国国土面积胡焕庸线以西直铺钢轨的战略需求，降低铁路建设成本、缓解铁路运输压力、保障钢轨质量、提升线路施工进度，解决西部偏远地区高效直接铺设钢轨的难题。
图1 拟解决的主要问题与不足
主要问题：国内路网建设和焊轨能力分布不平衡。既有线路建设钢轨供给模式，是钢轨厂先将100米钢轨铁路运输至各铁路局集团公司焊轨基地，经焊轨基地焊接成500米长钢轨后，再运至铺轨现场焊连、铺设。这种多点作业、多级管控的传统长钢轨生产供给模式，存在钢轨易受损伤、供应效率低、运输成本高、资金占用大等问题，增加了西部及无人偏远地区路网建设难度。
主要不足：钢轨实物质量如何更好满足直供线路铺设和长寿化服役等要求。如：持续提升钢轨稳定服役的氢含量控制；钢轨硫含量对接头性能影响情况；存有高速钢轨高低点差大于0.30mm现象；不同钢种钢轨不能混焊和焊接接头合格率不稳定；未形成合金钢轨成熟稳定的焊接工艺等。
这些问题与不足涉及钢轨内部质量、外形尺寸、焊接质量、时序衔接、运输等多个方面,需要结合项目研究进一步提升和优化，如图1所示。
二、思路与技术方案
针对上述问题与不足，构建钢轨洁净化、均质化冶炼和高精度轧制、高表面控制技术体系，依托先进的钢轨全万能连轧、在线余热淬火、长钢轨焊接等生产技术装备，通过企业主体、市场导向、产学研用深度融合的研发合作，集成钢铁企业500米成品钢轨生产技术，在钢铁企业内部完成500米成品钢轨生产和质量管控。这一方面可以突破传统长钢轨供给模式，缩短供应链，延伸钢轨生产产业链；另一方面可以从生产源头进一步保证母材和焊接接头质量稳定性，提高路网建设长钢轨供给效率和安全性，实现钢铁企业生产500米成品钢轨制造和直供线路铺设的“快递服务”。项目主要研究内容及总体思路，如图2所示。
图2 项目研究内容及总体思路
包头钢铁（集团）有限责任公司围绕500米成品钢轨生产制造，形成企业长钢轨生产流程一贯制控制技术，在企业内部构建标准化生产流程和模块化界面管理模式，解决长钢轨生产、运输、质量控制等过程中多级管控问题，建立工序可控、质量稳定、可追溯性的关键技术流程和质量保障体系；深化百米钢轨生产技术研究，通过冶炼和轧制工艺创新与优化，提升钢轨洁净度、均质化水平、尺寸精度和组织性能稳定性，为长钢轨稳定生产奠定坚实基础；对影响成品钢轨接头合格率因素开展深入研究，实现工序间反馈，优化前工序生产控制，并确定更有利于长钢轨质量保证和应用的生产工艺、作业标准，提高钢轨接头合格率；通过500米成品钢轨批量化生产与规模化直供线路铺设，实现技术验证和典型应用。
三、主要创新成果
项目研究填补了钢铁企业500米成品钢轨产品空白，解决了我国西部偏远地区高效直接铺设钢轨的难题，实现了长钢轨“短流程”制造与应用。系列研究成果、创新装备、规模化生产与实践应用，形成钢铁企业500米成品钢轨生产技术集成。主要创新性进展如下：
1、国际上首家集成了钢铁企业厂内500米成品钢轨生产技术，缩短了长钢轨生产制造流程，实现了钢轨生产到线路铺设“JIT”；解决了长钢轨生产流程长、运输环节多、质量多级管控等影响直接铺设的难题；形成了长钢轨规模化、标准化、连续化生产技术体系和绿色低碳作业新模式，率先获得钢轨产品全生命周期评价（LCA)。
2、为保证长钢轨服役及焊接性能，开发了钢轨钢精炼深脱硫技术，优化真空精炼吹氩工艺，实现钢轨[S]≤0.005%；形成氢含量系列控制技术，钢轨坯可控温缓冷，实现钢轨[H]≤0.3×10-6。
3、率先采用中间包感应加热技术生产钢轨，提高了连铸生产稳定性和钢坯内部质量，铸坯等轴晶率提高4%以上，稳定控制铸坯锰偏析指数≤1.06。
4、开发利于长钢轨质量控制的百米钢轨高精度轧制技术，提高了钢轨通长尺寸控制精度，百米钢轨头尾两端轨高尺寸偏差≤0.40mm，端部高低点差≤0.20mm；在线热处理珠光体、贝氏体钢轨组织性能稳定；百米钢轨合格率达到95%以上。
5、研究揭示了500米成品钢轨焊接过程灰斑和微裂纹形成机理和影响机制，通过钢轨Mn、S含量控制和焊接工艺优化，采用钢轨端头打磨机器人系统，提高了钢轨焊接接头质量，实现500米成品钢轨接头合格率≥99.5%，接头落锤合格率100%。
四、应用情况与前景
1.应用情况
项目开展以来，已累计生产各类500米成品钢轨270余万吨，实现发运2.2万公里，利润3.4亿元。形成满足高速、普速、重载线路的多品种500米成品钢轨系列，标志性产品大规模应用于川藏铁路拉林线、青藏铁路、兰新二线及大秦铁路等一大批国家重大铁路项目工程，实现500米成品钢轨直铺应用。
项目实施过程中，创新开发应用了长钢轨系列生产装备和技术。中国钢铁工业协会组织的科技成果评价认为：“500米成品钢轨生产技术创新与产业化应用项目研究成果，整体达到国际先进水平”。研究内容、创新技术、主要成果和典型应用，如图3所示。
图3 项目创新技术、主要成果和应用
项目研究共形成专利18项（发明专利9项、实用新型9项），参与4项标准制修订，发表相关技术论文25篇。
2、推广应用前景
企业生产的500米成品钢轨大量用于国家路网和西部开发建设，其生产运输、质量管控、资金成本等优势日趋显现，规模化、标准化、绿色化生产技术体系和低碳新模式推广优势显著。
500米成品钢轨一贯制生产控制技术，促进了钢铁企业生产效率提升和产品质量系统性改进。直供模式较传统模式，减少钢轨倒运次数和伤损，有效地缓解了铁路运输压力和运力消耗，提高了供给效率，降低了用户端库存和资金占用，实现了钢轨生产制造和产业上下游的接力对接与低碳排放。
国际权威机构出具的“百米钢轨全生命周期评价报告”和“U76CrRE钢轨产品环境声明”，标志着系列产品可绿色化生产应用，环境友好。
钢铁企业500米成品钢轨制造集成技术和“JIT”生产模式，有效地保证了钢轨产品质量稳定性和供给时效性，符合低碳绿色发展战略需求；为国家路网建设实现高质量发展，提供了长钢轨集成制造技术和实践应用等重要支撑，社会效益显著，市场应用前景广阔。
