高速钢轨表面轧疤形成原因及控制技术

赵利永，陈立坷，付国龙，高文博

（河钢邯钢大型轧钢厂，河北 邯郸 056000）

钢轨是铁路运输的基础，在轨道车辆的运行中起到了支撑与导向的双重作用，直接关系到轨道车辆行驶的平稳性与安全性。为了满足我国不断增长的铁路交通运输需求量，高速、重载逐渐成为铁路运输的主要发展方向，作为其基础的高速钢轨因而也成为市场中较受关注的产品，对产品质量和性能的要求也是越来越高。钢轨生产需要经过多道复杂的生产工艺，也容易出现一些缺陷问题，其中轧疤便是一种较为常见的钢轨表面质量缺陷。钢轨轧疤的存在不仅降低了钢轨表面的平整度，而且严重影响钢轨的力学性能，特别是在重载列车高速运行的动态荷载作用下，轧疤缺陷部位很容易出现应力集中的问题，导致产生钢轨裂纹甚至是断裂，严重危害行车安全。对此，应在钢轨的生产环节加强对轧疤缺陷的检测，分析缺陷产生原因，以采取有效的防治措施，消除轧疤缺陷。

1 轧疤缺陷的宏观特征和金相检查

钢轨轧疤缺陷是指粘附在钢轨局部表面的金属薄片状疤皮，主要由氧化铁皮组成，轨头、轨腰、轨底等多个部位均可出现。轧疤的外形轮廓极不规则，与基体结合方式也有所不同，有的与钢轨基体相连，一旦形成难以去除；有的则不与基体相连，并容易在钢轨矫直时脱落，使该部位出现坑槽。轧疤缺陷不仅直接影响钢轨表面质量，并且与轨身裂纹存在一定的联系，导致裂纹簇的产生，降低钢轨力学性能，特别是在轧疤缺陷延伸至轨底较深位置时，则钢轨容易在矫直时产生轨底裂。轧疤缺陷的危害程度主要与结疤面积、深浅及变化程度有关，按照其外形及分布特征，轧疤缺陷可分为锯齿结疤、块状结疤、点状夹结疤、折疤等不同类型。邯钢公司曾在生产50kg/m规格钢轨时，出现成批次的轧疤缺陷，通过对轧疤外貌、位置的观察以及金相检查，对轧疤的宏观特征及分布规律进行了研究。

1.1 缺陷宏观特征

轧疤多分布在距离钢轨端部4m的位置，最长不超过10m，外观形貌不一，大多粘附在钢轨表面与基体不相连。有的轧疤在钢轨矫直，轨体形态发生改变后不再与轨体紧密粘连，并因此而脱落，原缺陷部位形成凹坑。

1.2 轧疤缺陷的分布规律

通过对存在轧疤缺陷钢轨的分布统计发现，轧疤缺陷的多少与炼钢浇次存在一定的关系；轧疤缺陷多集中在上、下腹腔，且上腹腔缺陷率要高于下腹腔。因此认为除了下腹腔金属异物因自重掉落外，除鳞效果也对其产生有较大的影响。

1.3 金相检查

通过对缺陷部位的金相检查发现，缺陷部位存在明显的脱碳现象，金相组织异常粗大，缺陷与基体之间存在大量不同形态的氧化物夹杂其中。进一步检查可确定该氧化物质为氧化铁，组织类型为魏氏体和珠光体、铁素体组织的混合物。对轧疤脱落后的凹坑进行检查，发现凹坑与脱落的氧化物的形态大小基本一致，脱碳层深度与正常基体位置脱碳深度一致；凹坑表面比较圆滑，未有明显的折叠、裂纹等缺陷。由此也判断该凹坑为外来金属物质压入并脱落后形成。

2 钢轨轧疤缺陷的原因分析

通过对轧疤缺陷的宏观特征与金相组织检查可发现，轧疤的形成为氧化铁皮压入所致，产生于钢轨的轧制环节。结合钢轨轧制工艺分析，产生轧疤缺陷的原因主要有以下。

2.1 铸坯两端残留流渣较多

端头金属残留渣主要产生于坯料的切割环节。如果存在缺陷的铸坯入炉加热，或者是出现坯料切割尺寸控制不良，切割端头流渣清理不干净等情况，均可能使两端残留流渣进入到轧制环节，粘附在坯料或是轧辊表面，对其造成污染。轧制时，这些粘附在坯料和辊面的金属残留渣在巨大的轧制作用下会被压入坯料中，继而形成钢轨表面轧疤。

2.2 轧件端头弯曲或是导卫板设计安装不良

在轧制环节，轧件端头弯曲和导卫板设计安装缺陷是造成钢轨轧疤缺陷的几个关键因素。如果轧件出现弯曲、扭转，或者导卫板设计安装不良，未能起到应有的稳定支撑和导向作用的话，轧件头部在被轧辊咬入的过程中很容易撞击到轧辊辊面或是辊台。在造成轧件变形损坏的同时，其撞击部位掉落的金属碎屑也会粘结在轧辊表面，从而在该部位产生粘肉现象。粘肉使得轧辊表面变得不再平整，这些粘附的金属碎屑在轧辊旋转到下一周期后将被压入轧件下颚，继而造成钢轨表面的轧疤缺陷。

2.3 除鳞效果不佳

铸坯在加热的过程中会不可避免地与外界氧气发生反应，并在表面形成大量的氧化铁皮。在坯料进入轧制环节之前，必须采用高压水除鳞将这些氧化铁皮清理干净，否则在轧制中，这些氧化铁皮就会被轧辊压入坯料中，继而在坯料表面形成轧疤。

轧机的除鳞装置主要起到了去除钢轨表面金属脱落物或是粘结力较小的金属异物的作用，因此，机组除鳞效果的好坏也是影响钢轨轧疤缺陷的关键。

3 高速钢轨生产中轧疤缺陷控制的技术措施

3.1 严格控制铸坯质量，清除残留流渣

首先，在进入加热炉和轧制工序之前，应对铸坯表面进行检查，通过清理和精整等措施避免存在质量问题的铸坯进入轧制环节。同时还要准确控制坯料的切割尺寸，将切割端头的流渣等清理干净，避免出现切割伤和金属渣残留。

通过对生产经验的总结，认为轧制用钢轨铸坯应达到以下技术要求：①铸坯表面不得有深度大于1.5mm的划痕、压痕、凹坑、凸块、气孔；不得有肉眼可见的裂纹、夹杂、结疤、翻皮等；②铸坯横截面不得有裂纹、皮下气泡、缩孔等影响使用的缺陷。其次是要加强铸坯表面以及两侧残留流渣的清除，可采用火焰清理法，清除后确保表面不得有厚度大于2mm的流渣。连铸生产方面，应严格控制和优化工艺参数，减少铸坯凹陷、肚鼓、划伤等表面缺陷。最高则是要加强对铸坯的检查验收，加大检验频次，对不合格的铸坯进行退料处理，不得使存在质量缺陷的铸坯流入下道工序。

3.2 确保轧件端头的平直度

对于因轧件端头弯曲、撞击而引起的轧疤缺陷，可在保证轧件尺寸不变的前提下，可通过调整轧机的头、底的压下量，调整万能轧机轧制线高度、横向位置等措施，以使轧件轧后保持平直，轧制线在同一水平。

3.3 合理设计和按照导卫板

导卫板的设计和高度调整应以确保轧件准确导入孔型为标准。通过调整万能轧机的出口、入口卫板的办法，导正轧件位置，尽量减少轧件端部冲击孔型的可能性，保证轧件对中咬入。

3.4 改善生产线除鳞效果

万能轧机机组采用高压水、高压风相结合的除鳞方式，生产线上共布置有4个除鳞点。首先应对钢轨轧疤缺陷进行观察，如缺陷部位存在大量压入状氧化铁皮的话，则说明是生产线除鳞效果不佳，应对除鳞装置进行改善，以优化除鳞效果。

对各除鳞点的除鳞效果进行观察，检查除鳞点左右喷嘴位置是否对中，下表面喷嘴是否处于孔型中心线上，否则则对喷嘴位置和角度予以调整，消除除鳞盲区，使轧件被喷嘴喷射范围完全覆盖。再者，可适当增大除鳞的风水压力，改善除鳞效果，使附着力较强的氧化铁皮得到清除。

4 结语

轧疤是钢轨常见的表面质量缺陷，其形成机理也主要与金属异物的压入有关。根据轧疤缺陷产生的原因，从消除残留流渣，避免端头撞击，改善除鳞等几个方面入手，可使轧疤缺陷得到有效根治，从而为铁路运输提供高质量的钢轨产品。