正火工艺及正火车应用

王利

摘 要：简要介绍热处理工艺的原理及意义，以及钢轨正火处理对确保车辆运行安全的重要性，GZH-70中频正火设备结构、工作原理以及在现场运用过程中存在的问题，并提出个人观点。

关键词：钢轨热处理工艺;中频正火原理;正火车;热处理重要性

1 前言及简介

热处理是指金属材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，改变材料表面或内部的化学成分与组织，获得所需性能的一种金属热加工工艺，他主要通过改善金属性能来达到使用要求。目前铁路运营线上的钢轨接头主要以焊接为主，所以焊缝的质量对铁路的安全运行起到了至关重要的作用。如何确保火车高速平稳运行、确保焊接质量成为了一个热门的话题，它涉及到多方面的工艺，包括焊接工艺以及热处理工艺。传统的钢轨焊接热处理工艺主要采用火焰正火，但是这种方法受气候条件以及人为因素影响较大，正火质量的波动性较大，而现在广泛采用了中频电磁正火，这种方式主要是通过改变电流频率、在钢轨内部产生同频率的感应电流，使钢轨表面温度迅速上升，从而达到加热钢轨的目的，避免了由于人为因素和自然因素对焊缝质量造成的影响。

2 正火车简介

在近几年中，铁路施工正火工艺的机械化程度越来越高，正火工艺由传统的火焰正火逐步发展成为目前的大型集装箱式正火车，其标志着铁路大修热处理工艺步入了一个新的阶段。目前在线使用的正火车有多种车型，尽管在整车设计上有一些区别，但其机头工作原理却基本相同，都是通过中频感应产生的热量对钢轨进行加热。在近几年的施工中，我们车间配备使用的为武汉利德生产的集装箱式正火车。目前使用效果还比较理想，在现场运用中未出现影响现场作业质量的设备故障，其设备固定在NX17A路用平车上，其主要由发动机、发电机，水冷系统，空气系统，液压系统、电气控制系统、双臂吊机、正火机头、中频控制柜等组成。

3 正火车工作原理

正火是热处理方式的一种，是一种能够改善钢轨韧性，消除钢轨内应力，细化钢轨内部组织，获得接近平衡状态组织的一种热处理方式。作业时通过高频正火工艺，使钢轨表面达到880℃～920℃，保温适当时间后，采用0.3 MPa以下的喷风压力进行冷却[2]。

我们目前使用的GZH-70型正火车采用中频电磁感应加热工艺和自动喷风冷却方式对现场钢轨焊接接头进行热处理。通过柴油发电机组提供380 V，50 Hz三相交流电，通过三相桥式全控整流电路，将三相交流电整流成直流电，再将其逆变成中频交流电，负载由淬火变压器和补偿电容器组成。连接成并联谐振电路，通过改变电压，电流产生涡流效应，对钢轨进行加热。使用时将机头落在钢轨上面，感应线圈环绕在钢轨轮廓上，在钢轨顶部设有红外线感应头，感应记录钢轨加热过程中的温度变化，并将温度反馈给控制程序，当钢轨温度达到设定值后，立即切断电源，张开感应头，喷风装置直接对其喷风降温。其工作原理如下图所示[1]：

4 设备特点及存在问题

正火车采用电磁感应加热钢轨强制喷风冷却，整体使用效果比较理想，其具备以下特点：

（1）设备采用电磁感应加热，钢轨升温快，芯、表温差小，钢轨内部有平缓的温度梯度，效率高，表面氧化少，不损伤钢轨母材。

（2）采用开合式感应线圈，线圈状态一目了然，线圈间距、线圈状态直观可控，维修方便。

（3）全程PLC自动控制，红外线感温探头精确控温，确保正火加热温度。并实时记录整个正火、喷风过程，实现正火过程全程可追溯，为后期作业质量把控提供理论依据。

（4）机身重量轻，体积小，应急泵简单、实用。

但其也存在一些需要改进的地方：

（1）如机头正火装置，其早期构造图主要由夹紧装置和感应装置组成，使用时我们需要将机头落在钢轨上面，打开夹紧装置以保持机头稳定。防止正火过程中机头晃动，使感应头接触钢轨造成损坏。当正火装置开始工作后，感应头会自动合拢，其感应头形状类似于钢轨外形，与钢轨之间保持均等的距离。在使用中存在感应头无法合拢与张开的情况及感应头与钢轨接触的情况，经检查发现，主要是由于气动支架变形，机构卡滞造成的，另外感应头预留的可调空间太小，由于在现场施工过程中，施工条件比较恶劣，所以焊接出来的钢轨接头在外形尺寸上会或多或少的存在一些偏差，由于施工时间较短，无法完全的进行处理，所以在感应线圈设计时应该考虑到这一点，上下左右都应该设有可活动空间，后期经过与厂家共同努力，对其线圈结构和夹持装置进行了改进，使用效果良好，后期在现场运用过程中未出现问题。

（2）箱体外形设计较小，车体内操作空间设计不足，包括吊机、正火机头操作室，空压机、冷水机室等，在设备运用過程中存在不便。

5 正火工艺的重要性

钢轨焊接质量分为内在质量和外在质量，热处理工艺是改善钢轨内在质量不可或缺的一个重要环节，其对改善内在质量有着至关重要的作用，其是焊轨作业环节中一道十分关键的工序，只有通过符合技术要求的正火过程，才能保证钢轨接头的内在质量，提高钢轨接头的安全性、可靠性及使用寿命。所以好的设备对正火的效果会有很大影响。从某种意义上讲，正火工艺是确保和巩固钢轨焊接质量的重要手段，和U71Mn钢轨相比，合理的正火工艺对高强度U75V钢轨焊接接头尤其重要，不符合技术规范的正火过程对接头的内在质量有害无益。

如果正火开始温度过高，不但达不到正火的应有效果，反而使焊缝过热区的粗大晶粒继续长大，导致接头的塑性下降。正火温度过低又无法起到细化晶粒，消除钢轨内部应力的作用。所以好的正火工艺是非常重要的。有时在对钢轨进行热处理的时候，也可以适当延长正火时间，这样的话可以延长轨底角在相变温度点以上的滞留时间，可以改善轨底角的正火效果。

由于以前的野外施工作业中主要以火焰正火为主，人工操作过程中有较大的随意性，由于不同人的技术水平不一样，对接头处的温度判断也会存在误差，所以正火的效果也不一样，对施工质量还是会存在一定的影响，而正火车的发明使用正好去除了人为因素造成的影响，对焊接质量的保证起到了很重要的作用。

6 结语

社会在不断发展，各种各样的工艺都在不断更新，新事物不断取代旧事物，时代在发展，社会在进步，我们国家正在逐步步入机械化社会，正火车的发明研制可以说是时代的进步，他去除了由于人为因素对焊接质量的影响，其加热速度快、生产效率高、节省能源、不氧化脱碳、不污染环境，有可能会成为以后大修施工中正火工艺的主要力量，它使钢轨焊接接头热处理工艺更进了一步，也为焊接质量的提高起到了很大的作用，也为铁路的安全增加了新的保障。

参考文献：

[1]GZH-70中频正火设备使用说明书[S].

[2]刘宗昌.冯佃臣.热处理工艺学[M].北京：冶金工业出版社.