随着社会的发展,道路拥挤、环境压力日益突出,运输效率高、成本低、环境污染小的铁路成为了世界各国交通运输业发展的首选,特别是客运高速铁路和货运重载铁路。我国具有幅员辽阔,人口众多,耕地匮乏,先天生态环境相对脆弱等国情特点,这决定了中国必须建立以铁路为基础的高效运输体系。进入新世纪以来,我国高速重载铁路得到了飞速发展,这对作为铁路重要组成部分的重轨提出了更高要求。目前,我国几家重轨生产厂均装备了具有国际先进水平的万能轧机,重轨的尺寸精度能基本满足高速重载铁路的使用要求。可是,随着轧制速度的提高,冷却时间增长,造成轧件晶粒长大明显,耐磨性下降,冲击韧性下降,表面氧化铁皮增厚,冷却后轧件弯增大等问题。提升产品质量最可行也是最有效的方法是对重轨进行全长热处理,而在现有条件下,投资小,又能全面提升重轨质量的创新性技术是重轨在线热处理技术。所以,国内重轨厂自主开发重轨在线热处理生产工艺已势在必行。本文根据某重轨厂提出的重轨在线热处理设备及工艺开发意向,选择目前用量最大的U75V60kg/m重轨为研究对象,在实验室环境下1：1模拟其在线热处理过程,并确定设备及工艺参数。论文的主要工作总结如下：(1)选择压缩空气作为冷却介质,确定重轨在线热处理实验原理。首先,将重轨在加热炉中加热至与其万能轧制成品道次出口温度一致,模拟重轨热轧状态；随后,重轨出炉空冷一段时间,模拟其在冷床旁边轨道的温降；之后,将重轨拖入喷风冷却装置对轨头顶面和两个侧面进行冷却；最后,将重轨拖出喷风冷却装置放置于轨道上空冷,模拟其在冷床上的冷却。(2)重轨在线热处理实验装置设计：重轨加热装置设计,由辊底式加热炉及保护气体通道组成,负责将重轨加热至奥氏体化状态。压缩空气系统设计,负责为重轨热处理提供压缩空气并经冷却后输送至喷风冷却装置。首先,根据喷风冷却装置长度确定耗气量,即：空压机的排气量；随后,根据耗气量配套相应的水冷却器；之后,根据喷风冷却装置进气需要设计分气缸；最后,根据压缩空气系统安全和气体平稳输送的需要设计相应的管路及阀体。喷风冷却装置设计,是实验装置的核心部分,负责重轨头部的冷却,包括：风箱设计,喷嘴设计,风箱支架设计。输送辊道设计,包括：辊道长度及托辊尺寸设计。(3)实验装置安装及调试：实验装置安装完成后须对其进行调试,主要包括：加热系统的温度均匀性及保护气体通道的通畅性；压缩空气系统的供气能力及水冷却器的冷却能力；喷风冷却装置的安装位置及风箱位置的调节；整个装置的安全性和气密性。(4)通过热模拟实验观察U75V重轨钢在不同冷却速度下的组织,为重轨热处理获得细片状珠光体提供冷却速度参考；根据膨胀法绘制U75V重轨钢的CCT曲线,确定珠光体转变温度区间,为重轨热处理开冷温度和终冷温度的设定提供依据；通过对不同保温时间下重轨组织观察,确定重轨保温时间和加热后奥氏体晶粒度。(5)通过对U75V60kg/m重轨1：1在线热处理实验,确定设备参数对硬化层厚度及硬度的影响：通过调整喷嘴离轨头表面的距离,用热像仪记录热处理前后重轨表面温度场的变化,观察喷风距离对热处理硬化层厚度和硬度的影响；通过改变压缩空气温度,用热像仪记录热处理前后重轨表面温度场的变化,观察喷风温度对热处理硬化层厚度和硬度的影响,确定喷风距离及喷风温度两个设备参数。(6)通过调节重轨在喷风冷却装置中停留的时间,用热像仪记录热处理前后重轨表面温度场的变化,研究喷风时间对热处理硬化层厚度和硬度的影响,确定U75V60kg/m重轨热处理合适的喷风时间。(7)通过调节风箱中压缩空气压力,用热像仪记录热处理前后重轨表面温度场的变化,研究喷风压力对热处理硬化层厚度和硬度的影响,确定U75V60kg/m重轨热处理合适的喷风压力。(8)利用热像仪记录的不同工艺下热处理前后重轨表面的温度场,计算轨头不同部位热处理时的平均冷却速度。可知,当设备参数固定时,影响重轨热处理性能的最主要参数为喷风压力。所以,作者利用透射电镜观察了热处理后重轨的组织形貌,并用电子探针线扫描较精确的测量了轨头不同部位的珠光体片层间距。通过对不同工艺下重轨的硬度、抗拉强度、冲击韧性进行测量,确定了U75V60kg/m热处理工艺-组织-性能的关系。(9)根据实验确定的合理的热处理工艺参数,对4m长重轨进行热处理实验,测定热处理后空冷过程中重轨的弯曲,同时,对重轨的残余应力进行了分析。另外,研究了合金元素对U75V60kg/m重轨的影响,特别是V的分布和对重轨的强化作用。本文以U75V60kg/m为研究对象,确定了其在线热处理设备及工艺参数。热处理后重轨性能高于铁道行业标准“热处理钢轨技术条件”的要求,也进一步验证了设备及工艺的可行性。所以,本实验结果对重轨热处理生产线建设及在线热处理工艺的制定提供了重要的参考依据。