鐵路的咣當聲兒沒了，超長無縫鋼軌是如何「煉成」的？

出品| 網易新聞學院

作者| 王麟，科普作家鐵路工程師

　　鐵路最早發源於英國，從1825年世界上第一條商業運營的達林頓至斯托克頓鐵路開通以來，至今已經192年了。而鐵路之所以能在誕生後的短時間內稱霸全球，除了蒸汽機車的發明，還有一個重要原因，就是鐵軌的發明並大規模地普及應用。

　　不管普通的綠皮火車，還是高速動車組，都需要在鐵路軌道上面運行，而鋼軌就是組成鐵路軌道的重要部件。鋼軌也是與火車的車輪密切接觸的部件，其質量好壞，直接影響著鐵路運輸效率和運輸安全。

（一）鋼軌「誕生記」

　　要製造性能優異的鋼軌，不是一件容易的事情，鋼軌製造都需要哪些高新技術呢？

　　按照生產工藝，鋼軌的產生要分三步：冶煉、軋制和精整，當然還要經過最後的集中檢測以及鋼軌的長定尺化生產。

首先是鋼軌所用鋼材的「精鍊」技術，包括生鐵脫硫的預處理技術 、氧氣頂吹轉爐冶煉技術、爐外精鍊、真空脫氣和大方坯連鑄技術等。

　　轉爐鍊鋼工藝流程

　　為什麼要脫硫？避免污染是一方面。通過脫硫預處理、爐外精鍊和真空脫氣等先進設備和技術，能使得鋼質更潔凈。比如爐外精鍊技術可以進一步調整鋼水成分和鋼水溫度，降低夾雜含量，保證出鋼時鋼水成分的精度；對鋼水進行真空脫氣，使溶解在鋼水中的氫、氧等氣體含量進一步降低，以減少這些氣體對鋼軌鋼性能的影響。

　　連鑄機

　　而採用大方坯連鑄工藝能有效地防止在澆鑄中鋼液被二次氧化，減少了鋼中的夾雜，顯著改善鋼坯表面質量。

其次是鋼軌的「精軋」技術，包括步進式加熱爐加熱、高壓水除鱗、萬能軋機軋制和鋼軌熱預彎等。步進式加熱爐可以使鋼坯均勻加熱；高壓水除鱗可以保證鋼軌的表面質量；再通過萬能軋制技術進行生產，採用熱預彎可減少殘餘應力和矯直噪音。

　　中國自主研發的萬能軋機高速鋼軌生產線，規模生產出時速350公里客運專線鋼軌（圖片來源：新華社）

第三是鋼軌的「精整」技術，包括平立複合矯直、四面液壓補矯、聯合鋸鑽機床定尺和鑽孔等；

第四就是鋼軌的集中檢測技術，包括超聲波探傷、渦流探傷、激光輔助平直度和鋼軌幾何尺寸的自動檢測等；

　　鋼軌電動探傷檢測車

第五就是鋼軌的長定尺化生產技術，這項技術可以讓整根鋼軌尺寸保持高度一致，焊接接頭少，鋼軌的平順性高。

（二）遇到熱脹冷縮，無縫線路如何釋放「洪荒之力」不變形？

　　在普通有縫線路上，為了滿足鋼軌熱脹冷縮的要求，每隔一個標準25米長度的鋼軌，就會留下接頭和縫隙，鋼軌隨著溫度的變化會縮短和伸長，其內部產生的應力會通過鋼軌軌縫進行釋放。但是這種有縫線路存在很多缺點，一來降低行車速度，二來損傷鋼軌接頭，三來加大了線路的維修頻率，提高了養護維修成本，因此，發展無縫線路，是大勢所趨。

　　打磨無縫線路

無縫線路就是將標準長度的鋼軌焊接成長達幾公里的長軌條線路。那麼，如果將標準短鋼軌焊接成長達幾百米甚至數公里長的鋼軌條，一旦遇到熱脹冷縮，如何解決鋼軌內部產生的應力釋放問題呢？這個問題如果不解決，鋼軌由於溫度變化產生的應力無處釋放，就會造成鋼軌互相擠壓或者拉扯，輕則鋼軌扭曲，重則鋼軌斷裂，給鐵路運營帶來安全隱患。

　　目前無縫線路解決這個問題的方法，就是在長軌條焊接之前要做是應力放散和軌溫鎖定。所謂「應力放散」，就是在合適的軌溫範圍內使鋼軌伸縮，抵消鋼軌內部的溫度力，然後再重新鎖定線路。「軌溫鎖定」就是參照鋪設地區年最高溫度和最低溫度數值，將鋼軌鎖定在一個溫度範圍之內，這樣無縫線路即使熱脹冷縮，產生的應力也在允許的範圍之內，不會造成脹軌和拉斷。

　　無縫線路結構示意圖

　　無縫線路鋪設分為固定區、伸縮區和緩衝區三部分。固定區的線路全部被鎖定，伸縮區留有一些軌縫，滿足應力釋放要求，緩衝區是無縫線路向有縫線路的過渡區段。按照無縫線路鋪設長度的不同，可分為普通無縫線路，長度控制在1~2公里；區間無縫線路，在兩個車站之間鋪設；跨區間無縫線路，鋪設長度可以包括一個或者幾個車站，長達數十甚至上百公里。

　　鐵路鋪設無縫線路的好處多多，而我們乘車之時，就再也聽不到那持續不斷的車輪與鋼軌接頭撞擊的咣當聲了。

　　青藏鐵路換軌，把原來的短軌換成長軌，再把長軌焊接在一起。

（三）普快、高鐵客專、重載鐵路鋼軌要求各不同

　　想必大家都知道，國內普快、高鐵客專以及重載鐵路上使用的鋼軌都是不同的。重載鐵路上採用每米75公斤的鋼軌，而普速鐵路和高鐵客專的正線一般採用每米重60公斤的鋼軌，雖然都是60kg/m，但高鐵客專對鋼軌的技術要求更高——鋼軌的外形尺寸要滿足高平直度和高几何尺寸精度要求；要求鋼質潔凈，表面無缺陷、脫碳層淺、殘餘拉應力小，滿足鋼軌的高抗疲勞性能。

　　這裡所說的「脫碳」，指的是鋼材在各種熱加工工序的加熱或保溫過程中，由於氧化作用，使其表面的碳全部或部分喪失的現象。鋼表層的脫碳會大大降低了鋼材的表面的硬度、抗拉強度、耐磨性和疲勞極限，所以鋼軌的表面脫碳層越淺越好。另外，高鐵客專使用的鋼軌還要安全可靠，具有良好的韌塑性和焊接性能。

（四）中國與世界的差距還有多大

　　前面我們提到，鐵路最早源於英國。從木軌到如今的鋼軌，經歷500年的悠悠歲月。英國的工程師亨利·貝塞麥和羅伯特·福里斯特·穆希特，他們聯合研發製造出成本低廉的精鋼，讓鋼軌的大規模應用成為可能。

　　成本低廉的精鋼研製成功之後，羅伯特·穆希特於1857年在英國米德蘭鐵路德比火車站鋪設了一段鋼軌軌道，這種鋼軌能夠承受極為繁重的鐵路運量，不需要在短期更換。相比之下，鍛鐵軌每六個月就需要全部更換一次，最短的竟然只維持三個月。穆希特也成為全世界第一個將鋼軌應用到鐵路上的人。

　　貝塞麥鍊鋼爐

　　中國的的鋼鐵企業在20世紀80年代開始對高速和重載鐵路用鋼軌的技術攻關，引進了國外先進設備和技術，經過一系列技術改造，目前已經掌握了全套的鋼軌製造技術，高鐵客專和重載鐵路用的鋼軌實現自給自足。

　　但是，我們要真正生產出具有世界一流水平的鋼軌，還有很長的路要走。

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