本发明涉及钢轨制备技术领域，具体涉及一种低轨腰残余拉应力钢轨及其制备方法。
背景技术：
残余应力是评价钢轨性能的重要指标，在tb/t2344-2012《43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》仅对钢轨轨底中心点的纵向残余应力做出要求，要求轨底中心纵向残余拉应力≤250mpa。然而在钢轨服役过程中，由于锈蚀、字符缺陷及冷伤等容易在轨腰形成疲劳裂纹源，若此时钢轨轨高方向残余拉应力过大，与列车运行弯动应力共同作用，极易造成钢轨轨腰纵向开裂。此类开裂长度可达1m以上，容易造成列车脱轨，安全隐患极大。因此，亟待一种降低钢轨轨腰沿轨高方向残余拉应力的钢轨制备方法。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术存在的钢轨轨高方向残余拉应力过大的问题，提供一种低轨腰残余拉应力钢轨及其制备方法，该方法制备的钢轨在轨腰沿轨高方向具有低残余拉应力，可减少钢轨轨腰纵裂，适用于重载、客货混运及客运专线等铁路线路。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种低轨腰残余拉应力钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将轧制后的钢轨放置于冷床上采用限位约束，并对钢轨轨头进行喷风加速冷却；
(2)采用平立复合矫直机对步骤(1)处理后的钢轨进行矫直，所述平立复合矫直机在钢轨轨头所在方向沿水平方向依次设置有第一矫直辊、第二矫直辊、第三矫直辊和第四矫直辊四个矫直辊，其中，第一矫直辊的矫直力为1600-2000kn，第二矫直辊的矫直力为1200-1600kn，第三矫直辊的矫直力为1000-1200kn，第四矫直辊的矫直力为200-300kn；
(3)对步骤(2)处理后的钢轨轨腰进行喷丸处理，其中，喷丸直径为0.2-0.4mm，喷丸速度为20-50m/s，喷丸时间为10-25s。
优选地，步骤(1)中，轧制后的钢轨放置于冷床时，钢轨的温度为750-850℃。
优选地，步骤(1)中采用限位约束的方法为：在冷床台架上，在钢轨轨头和钢轨轨底对应设置3-5对限位辊，每对限位辊之间的间距为18-22m。
优选地，步骤(2)中，第一矫直辊的矫直力为1700-1850kn，第二矫直辊的矫直力为1350-1550kn，第三矫直辊的矫直力为1010-1180kn，第四矫直辊的矫直力为200-250kn。
更优选地，步骤(2)中，第一矫直辊的矫直力为1747-1830kn，第二矫直辊的矫直力为1387-1521kn，第三矫直辊的矫直力为1018-1164kn，第四矫直辊的矫直力为211-235kn。
优选地，步骤(2)中，所述平立复合矫直机在钢轨轨底所在方向设置有4-6个矫直辊。
优选地，步骤(3)中，喷丸直径为0.3-0.4mm，喷丸速度为20-30m/s，喷丸时间为10-20s。
更优选地，步骤(3)中，喷丸直径为0.3-0.35mm，喷丸速度为20-30m/s，喷丸时间为15-20s。
本发明另一方面提供了一种前文所述的方法制备的低轨腰残余拉应力钢轨。
优选地，所述钢轨轨腰沿轨高方向的残余拉应力≤15mpa。
本发明对轧制后的钢轨采用限位约束，提升钢轨矫直前平直度，采用平立复合矫直机对钢轨进行矫直，并控制不同矫直辊的矫直压力，然后再对钢轨轨腰进行喷丸处理，同时控制喷丸处理的工艺参数，使制备的钢轨在轨腰沿轨高方向具有较低的残余拉应力。
附图说明
图1是钢轨限位约束示意图；
图2是钢轨限位约束及喷风冷却示意图；
图3是钢轨矫直示意图；
图4是钢轨轨腰喷丸示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
钢轨轨头、轨底形状差异大，经轧制后轨头内部热量高于轨底。在自然冷却过程中轨头冷却速度比轨底慢，在热胀冷缩原理的作用下，钢轨会朝轨头一侧弯曲。为保证钢轨平直度，钢轨冷却后会采用平立复合矫直法对钢轨进行矫直，其中水平矫直就是解决钢轨朝轨头弯曲的方法。经水平矫直后，在钢轨轨腰沿轨高方向会产生残余拉应力，并且钢轨矫直前越弯，矫直力越大，残余拉应力也越大。
为实现降低钢轨轨腰残余拉应力的目的，本发明提供了一种低轨腰残余拉应力钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将轧制后的钢轨放置于冷床上采用限位约束，并对钢轨轨头进行喷风加速冷却；
(2)采用平立复合矫直机对步骤(1)处理后的钢轨进行矫直，所述平立复合矫直机在钢轨轨头所在方向沿水平方向依次设置有第一矫直辊、第二矫直辊、第三矫直辊和第四矫直辊四个矫直辊，其中，第一矫直辊的矫直力为1600-2000kn，第二矫直辊的矫直力为1200-1600kn，第三矫直辊的矫直力为1000-1200kn，第四矫直辊的矫直力为200-300kn；
(3)对步骤(2)处理后的钢轨轨腰进行喷丸处理，其中，喷丸直径为0.2-0.4mm，喷丸速度为20-50m/s，喷丸时间为10-25s。
在本发明中，图1和图2为钢轨限位约束及喷风冷却示意图。
在本发明步骤(1)中，轧制后的钢轨放置于冷床时，钢轨的温度为750-850℃。在具体实施方式中，轧制后的钢轨放置于冷床时，钢轨的温度可以为750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、810℃、820℃、830℃、840℃或850℃。
由于钢轨轨头尺寸大、钢轨轨底尺寸小，钢轨轨头热容量比钢轨轨底大，钢轨轨底会先冷却。钢轨轨头冷却过程中，受热胀冷缩原理的影响，钢轨整体会向轨头侧弯曲。采用本发明所述的方法对钢轨采用限位约束，同时在钢轨轨头的一侧进行喷风加速冷却(如图2所示)，提高钢轨轨头冷却速度，可以缩小钢轨轨头和钢轨轨底冷却速度差异，减小因热胀冷缩引起的钢轨向轨头弯曲的趋势。
在本发明中，步骤(1)中采用限位约束的方法为：在冷床台架上，在钢轨轨头和钢轨轨底对应设置3-5对限位辊，每对限位辊之间的间距为18-22m。如图1所示，一侧限位辊紧靠钢轨轨底，一侧限位辊紧靠钢轨轨头。
在具体实施方式中，在冷床台架上，可以在钢轨轨头和钢轨轨底对应设置3、4或5对限位辊，每对限位辊之间的间距可以为18、19、20、21或22m。
在优选实施方式中，在冷床台架上，在钢轨轨头和钢轨轨底对应设置4对限位辊，每对限位辊之间的间距为20m。
钢轨在冷床上进行冷却的过程中，通过限位辊对钢轨约束和轨头喷风冷却的共同作用，可以提升钢轨矫直前平直度，进而降低得到的钢轨成品轨腰沿轨高方向的残余拉应力。
待钢轨在冷床冷却完成后，采用平立复合矫直机对钢轨进行矫直。矫直是引起钢轨残余应力的重要因素，其中，水平矫直对钢轨轨腰沿轨高方向的残余应力影响尤为明显。为降低钢轨轨腰沿轨高方向的残余拉应力，本发明提出了不同矫直辊采用不同的矫直压力的方法。
在具体实施方式中，所述平立复合矫直机在钢轨轨头所在方向沿水平方向依次设置有四个矫直辊(如图3所示)。四个矫直辊采用较小的矫直力对钢轨进行矫正。
其中，第一矫直辊的矫直力可以为1600kn、1650kn、1700kn、1750kn、1800kn、1850kn、1900kn、1950kn、2000kn以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
第二矫直辊的矫直力可以为1200kn、1250kn、1300kn、1350kn、1400kn、1450kn、1500kn、1550kn、1600kn以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
第三矫直辊的矫直力可以为1020kn、1040kn、1060kn、1080kn、1100kn、1120kn、1140kn、1160kn、1180kn、1200kn以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
第四矫直辊的矫直力可以为200kn、220kn、240kn、260kn、280kn、300kn以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
在本发明所述的方法中，在钢轨轨头所在方向第一矫直辊、第二矫直辊、第三矫直辊和第四矫直辊采用上述矫直力范围的原因在于：当每个矫直辊矫直力低于本发明要求下限时，矫直力不够，不能保证钢轨矫直平直度；当每个矫直辊矫直力高于本发明要求上限时，矫直力过大，会引入过大的残余拉应力，不满足改善轨腰残余应力的需求。因此，本发明将每个矫直辊矫直力限定在上述范围。
在优选实施方式中，步骤(2)中，第一矫直辊的矫直力为1700-1850kn，第二矫直辊的矫直力为1350-1550kn，第三矫直辊的矫直力为1010-1180kn，第四矫直辊的矫直力为200-250kn。
在更为优选的实施方式中，步骤(2)中，第一矫直辊的矫直力为1747-1830kn，第二矫直辊的矫直力为1387-1521kn，第三矫直辊的矫直力为1018-1164kn，第四矫直辊的矫直力为211-235kn。
在本发明所述方法中，所使用的平立复合矫直机可以在钢轨轨底所在方向设置多个矫直辊(如图3所示)。在具体实施方式中，所采用的平立复合矫直机可以在钢轨轨底所在方向设置有4、5或6个矫直辊。
完成钢轨矫直后，对钢轨轨腰进行喷丸处理，如图4所示。喷丸是消除机械结构表面残余拉应力的重要手段。可显著降低结构表面的残余拉应力，甚至可形成压应力，有利于结构的服役。
在本发明中，喷丸尺寸会影响残余应力的大小。
在具体实施方式中，喷丸直径可以为0.22mm、0.24mm、0.26mm、0.28mm、0.3mm、0.32mm、0.34mm、0.36mm、0.38mm、0.4mm以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
当喷丸直径小于0.2mm时，单个喷丸覆盖区域小，改善残余应力的深度也小，不满足改善轨腰残余应力的需求；当喷丸直径大于0.4mm时，对钢轨表面冲击过大，可能会造成钢轨表面裂纹，损坏钢轨。因此，本发明将喷丸直径范围限定在0.2-0.4mm。
在本发明中，喷丸速度会影响残余应力的大小。
在具体实施方式中，喷丸速度可以为20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s、45m/s、50m/s以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
当喷丸速度低于20m/s时，喷丸对钢轨轨腰冲击力不够，不满足改善轨腰残余应力的需求；当喷丸速度高于50m/s时，喷丸对钢轨轨腰冲击力过大，可能会造成钢轨表面裂纹，损坏钢轨。因此，本发明将喷丸速度范围限定在20-50m/s。
在本发明中，喷丸时间会影响残余应力的大小。
在具体实施方式中，喷丸时间可以为10s、12s、13s、14s、15s、16s、17s、18s、19s、20s、21s、22s、23s、24s或25s。
当喷丸时间低于10s时，喷丸时间过短，对钢轨轨腰残余应力改善不足，不满足改善轨腰残余应力的需求；当喷丸时间高于25s时，轨腰残余应力改善已达到极限，再延长时间也无法继续改善轨腰残余应力。因此，本发明将喷丸时间范围限定在10-25s。
在优先实施方式中，步骤(3)中，喷丸直径为0.3-0.4mm，喷丸速度为20-30m/s，喷丸时间为10-20s。
在更为优选实施方式中，步骤(3)中，喷丸直径为0.3-0.35mm，喷丸速度为20-30m/s，喷丸时间为15-20s。
在本发明所述的方法中，如无特别说明，制备钢轨的其他步骤，例如炉料冶炼、lf精炼、真空处理、浇铸、冷却、加热炉加热、轧制，加工等均为本领域的常规操作。
本发明另一方面提供了一种前文所述的方法制备的低轨腰残余拉应力钢轨。所述钢轨具有较低的轨腰残余应力，具体地，所述钢轨轨腰沿轨高方向的残余拉应力≤15mpa。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明实施例和对比例用于说明低轨腰残余拉应力钢轨的具体制备过程。如无特别说明，实施例和对比例中炉料冶炼、lf精炼、真空处理、浇铸、冷却、加热炉加热、轧制，加工等常规操作均相同。
实施例1
(1)将轧制后的钢轨放置于冷床上，钢轨的温度为800℃，在钢轨轨头和钢轨轨底对应设置4对限位辊对钢轨采用限位约束，并对钢轨轨头进行喷风加速冷却，其中，每对限位辊之间的间距为20m，所用的钢轨为u75v热轧钢轨；
(2)采用平立复合矫直机对步骤(1)处理后的钢轨进行矫直，所述平立复合矫直机在钢轨轨头所在方向沿水平方向依次设置有第一矫直辊、第二矫直辊、第三矫直辊和第四矫直辊四个矫直辊，其中，第一矫直辊的矫直力为1830kn，第二矫直辊的矫直力为1521kn，第三矫直辊的矫直力为1164kn，第四矫直辊的矫直力为235kn，所采用的平立复合矫直机在钢轨轨底所在方向设置5个矫直辊；
(3)对步骤(2)处理后的钢轨轨腰进行喷丸处理，其中，喷丸直径为0.3mm，喷丸速度为20m/s，喷丸时间为15s。
实施例2
(1)将轧制后的钢轨放置于冷床上，钢轨的温度为850℃，在钢轨轨头和钢轨轨底对应设置4对限位辊对钢轨采用限位约束，并对钢轨轨头进行喷风加速冷却，其中，每对限位辊之间的间距为20m，所用的钢轨为u75v热轧钢轨；
(2)采用平立复合矫直机对步骤(1)处理后的钢轨进行矫直，所述平立复合矫直机在钢轨轨头所在方向沿水平方向依次设置有第一矫直辊、第二矫直辊、第三矫直辊和第四矫直辊四个矫直辊，其中，第一矫直辊的矫直力为1747kn，第二矫直辊的矫直力为1387kn，第三矫直辊的矫直力为1018kn，第四矫直辊的矫直力为211kn，所采用的平立复合矫直机在钢轨轨底所在方向设置5个矫直辊；
(3)对步骤(2)处理后的钢轨轨腰进行喷丸处理，其中，喷丸直径为0.35mm，喷丸速度为30m/s，喷丸时间为20s。
实施例3
按照实施例1的方法实施，不同的是，步骤(2)中，第一矫直辊的矫直力为2000kn，第二矫直辊的矫直力为1200kn，第三矫直辊的矫直力为1200kn，第四矫直辊的矫直力为300kn。
实施例4
按照实施例1的方法实施，不同的是，步骤(3)中，喷丸直径为0.2mm，喷丸速度为50m/s，喷丸时间为10s。
对比例1
不进行喷丸处理，具体制备方法为：
(1)将轧制后的钢轨放置于冷床上，钢轨的温度为800℃，在钢轨轨头和钢轨轨底对应设置4对限位辊对钢轨采用限位约束，并对钢轨轨头进行喷风加速冷却，其中，每对限位辊之间的间距为20m，所用的钢轨为u75v热轧钢轨；
(2)采用平立复合矫直机对步骤(1)处理后的钢轨进行矫直，所述平立复合矫直机在钢轨轨头所在方向沿水平方向依次设置有第一矫直辊、第二矫直辊、第三矫直辊和第四矫直辊四个矫直辊，其中，第一矫直辊的矫直力为2475kn，第二矫直辊的矫直力为2335kn，第三矫直辊的矫直力为1994kn，第四矫直辊的矫直力为356kn，所采用的平立复合矫直机在钢轨轨底所在方向设置5个矫直辊。
对比例2
按照实施例1的方法实施，不同的是，步骤(1)中，将轧制后的钢轨放置于冷床上，不采用限位约束。
对比例3
按照实施例1的方法实施，不同的是，步骤(2)中，第一矫直辊的矫直力为1563kn，第二矫直辊的矫直力为1155kn，第三矫直辊的矫直力为943kn，第四矫直辊的矫直力为164kn。
对比例4
按照实施例1的方法实施，不同的是，步骤(3)中，喷丸直径为0.5mm，喷丸速度为15m/s，喷丸时间为30s。
测试例
采用切割释放法，在常温条件下对本发明实施例和对比例中制备的钢轨进行轨腰沿轨高方向残余应力测试，结果如表1所示。
表1
通过表1的结果可以看出，在相同的测试条件下，采用本发明所述的方法制备的钢轨轨腰沿轨高方向的残余拉应力明显降低，说明按照本发明所述的方法制备的钢轨具有更加优异的性能。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
1.一种低轨腰残余拉应力钢轨的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将轧制后的钢轨放置于冷床上采用限位约束，并对钢轨轨头进行喷风加速冷却；
(2)采用平立复合矫直机对步骤(1)处理后的钢轨进行矫直，所述平立复合矫直机在钢轨轨头所在方向沿水平方向依次设置有第一矫直辊、第二矫直辊、第三矫直辊和第四矫直辊四个矫直辊，其中，第一矫直辊的矫直力为1600-2000kn，第二矫直辊的矫直力为1200-1600kn，第三矫直辊的矫直力为1000-1200kn，第四矫直辊的矫直力为200-300kn；
(3)对步骤(2)处理后的钢轨轨腰进行喷丸处理，其中，喷丸直径为0.2-0.4mm，喷丸速度为20-50m/s，喷丸时间为10-25s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，轧制后的钢轨放置于冷床时，钢轨的温度为750-850℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中采用限位约束的方法为：在冷床台架上，在钢轨轨头和钢轨轨底对应设置3-5对限位辊，每对限位辊之间的间距为18-22m。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，第一矫直辊的矫直力为1700-1850kn，第二矫直辊的矫直力为1350-1550kn，第三矫直辊的矫直力为1010-1180kn，第四矫直辊的矫直力为200-250kn。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，第一矫直辊的矫直力为1747-1830kn，第二矫直辊的矫直力为1387-1521kn，第三矫直辊的矫直力为1018-1164kn，第四矫直辊的矫直力为211-235kn。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述平立复合矫直机在钢轨轨底所在方向设置有4-6个矫直辊。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，喷丸直径为0.3-0.4mm，喷丸速度为20-30m/s，喷丸时间为10-20s。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，喷丸直径为0.3-0.35mm，喷丸速度为20-30m/s，喷丸时间为15-20s。
9.权利要求1-8中任意一项所述的方法制备的低轨腰残余拉应力钢轨。
10.根据权利要求9所述的低轨腰残余拉应力钢轨，其特征在于，所述钢轨轨腰沿轨高方向的残余拉应力≤15mpa。
技术总结