BR112014031014B1

BR112014031014B1 - método de tratamento térmico de trilhos aquecidos para obter uma microestrutura que tenha propriedades mecânicas melhoradas

Info

Publication number: BR112014031014B1
Application number: BR112014031014A
Authority: BR
Inventors: Gioachino Lainati Alberto; Saccocci Alessio; Mazzarano Andrea; Sciuccati Augusto; Pegorin Federico; Langellotto Luigi
Original assignee: Primetals Tech Italy S R L; Siemens Spa Italiana
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2019-09-10
Also published as: EP2859127B1; WO2013186137A1; US20150107727A1; KR102139204B1; RU2014154400A; EP2859127A1; CN104508153A; CN108277336A; BR112014031014A2; IN2014DN10577A; EP2859127C0; EP2674504A1; ES2951582T3; JP2015523467A; US10125405B2; PL2859127T3; KR20150045996A; JP6261570B2; RU2637197C2

Abstract

resumo patente de invenção: "método e sistema para tratamentos térmicos de trilhos". a patente de invenção refere-se a um método de tratamento térmico de trilhos quentes para obter uma microestrutura desejada que tenha propriedades mecânicas desejadas em que o método compreende uma fase de resfriamento ativa em que o trilho é rapidamente resfriado de uma temperatura austenítica e subsequentemente resfriado suavemente para manter uma temperatura de transformação-alvo entre valores definidos em que o tratamento de resfriamento é realizado por uma pluralidade de módulos de resfriamento (12.n), em que cada módulo de resfriamento compreende uma pluralidade de meios que aspergem um meio de resfriamento no trilho, em que o processo é caracterizado em que, durante a fase de resfriamento ativa, cada meio de resfriamento é acionado para controlar a taxa de resfriamento do trilho de modo que a quantia de austenita transformada dentro do trilho não seja menor do que 50% na superfície de trilho e não é menor do que 20% no núcleo de boleto de trilho.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO DE TRATAMENTO TÉRMICO DE TRILHOS AQUECIDOS PARA OBTER UMA MICROESTRUTURA QUE TENHA PROPRIEDADES MECÂNICAS MELHORADAS.

[001] A presente invenção refere-se a um tratamento controlado térmico de trilhos e a um sistema de resfriamento flexível para executar o método. O tratamento é projetado para obter microestrutura de bainita de alto desempenho totalmente caracterizado por resistência alta, dureza alta e boa tenacidade na seção de trilho completa e, também, para obter microestrutura de perlita fina totalmente em uma porção selecionada da seção de trilho ou em toda a seção de trilho.

[002] Atualmente, a rápida elevação no peso e velocidade de trens forçou inevitavelmente a melhora da taxa de desgaste de trilhos, em termos deperda de material devido ao rolamento/deslizamento entre roda e trilho e, portanto, um aumento de dureza foi necessário a fim de reduzir desgaste.

[003] Em geral, as características finais de um trilho de aço em termos de perfis geométricos e propriedades mecânicas são obtidas através de uma sequência de um processo termomecânico: um processo de laminação a quente de trilho seguido por um tratamento térmico e uma etapa de retificação.

[004] O processo de laminação a quente perfila o produto final de acordo com o formato geométrico projetado e fornece a microestrutura metalúrgica pré-requisitada para o seguinte tratamento. Em particular, essa etapa permite a realização da microestrutura fina que, através dos seguintes tratamentos, irá garantir o alto nível de propriedades mecânicas requisitadas.

[005] No presente, dois processos de laminação a quente principais, realizados em dois tipos de instalações, usinas reversíveis e contínuas, estão disponíveis. As propriedades finais de um trilho produzido

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2/22 a partir de ambos esses processos de laminação a quente podem ser consideradas bem similares e comparáveis. De fato, trilhos bainíticos, perlíticos e hipereutetóides são comumente obtidos em nível industrial através desses dois tipos de instalação.

[006] A situação para tratamentos térmicos é diferente. No presente, há principalmente dois meios utilizados para resfriar os trilhos: ar ou água. A água é tipicamente utilizada como líquido em um tanque ou aspergidas com bocais. O ar é tipicamente comprimido através de bocais. Nenhuma dessas disposições permite a produção de todas as microestruturas de trilho com a mesma instalação.

[007] Em particular, uma instalação de tratamento térmico ajustada para produção de trilhos perlíticos não pode produzir trilhos bainíticos.

[008] Adicionalmente, as presentes soluções de resfriamento não são flexíveis o suficiente e, portanto, não é possível tratar toda a seção de trilho ou porções da seção de trilho de diferentes maneiras (boleto, alma, pé).

[009] Adicionalmente, em todos os presentes aparelhos industriais para tratamento térmico de trilhos, a maior parte da transformação de austenita ocorre fora do próprio aparelho de resfriamento, isso significa que o tratamento não é controlado. Em particular, o aumento de temperatura de trilho devido à transformação de microestrutura não pode ser controlado. Nesses processos, a temperatura na qual a transformação de austenita ocorre é diferente daquela ideal, com características finais menores que aquelas potencialmente obteníveis por microestruturas mais finas e mais homogêneas. Isso poderia ser particularmente verdadeiro no caso de trilhos de bainita, em que a microestrutura de bainita tem que ser obtida em toda a seção de trilho (boleto, alma e pé).

[0010] Ademais, devido ao perfil térmico real do trilho ao longo do comprimento, um tratamento térmico não controlado pode conduzir à

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3/22 falta de homogeneidade de microestruturas também ao longo do comprimento.

[0011] O documento US 7 854 883 revela um sistema para resfriar um trilho em que somente uma microestrutura de perlita fina pode ser obtida. De acordo com esse documento, uma microestrutura de perlita fina é criada no trilho para aumentar a dureza do trilho. No entanto, a microestrutura de perlita fina significa alto nível de dureza, porém com degradação de alongamento e tenacidade do produto. Alongamento e tenacidade também são propriedades mecânicas importantes para aplicações de trilhos; de fato, ambos são relacionados à ductilidade do material, uma propriedade essencial para materiais de trilho para a resistência a fenômenos de crescimento de fendas e falhas.

[0012] Estudos recentes também apontaram para outro fenômeno particular e perigoso, prevalente em materiais perlíticos devido à composição química particular que afeta a integridade do trilho durante o serviço. A observação dizia respeito à formação de uma camada martensítica, chamada Camada de Gravação Branca (White Etching Layer - WEL), na área de deslizamento de contato entre a roda e o trilho, especialmente devido à geração de altas temperaturas durante acelerações e desacelerações severas ou tratamento de atrito mecânico com superfície. Devido à sua propriedade dura e quebradiça, acredita-se que a WEL é geralmente a localização de formação de fendas, com um efeito negativo consequente no tempo de vida do trilho. A WEL formada nos trilhos de aço bainíticos tem dureza baixa; portanto, uma diferença menor na dureza comparação com o material de base está presente. A razão é que a dureza da camada martensítica depende do teor de C (quanto maior o carbono maior a dureza da camada) e a quantidade de carbono na composição química bainítica é menor do que aqueles presentes na microestrutura perlítica. A partir de um pesquisador, a WEL é considerada uma das causas de fadiga de contato de rolamento. A partir

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4/22 de estudos nesses tópicos, parece que o trilho de aço bainítico mostrou pelo menos duas vezes o tempo para nucleação de fenda de que aquele do trilho de aço perlítico.

[0013] A microestrutura de bainita de alto desempenho é um aprimoramento em relação à microestrutura de perlita fina em termos tanto de resistência a desgaste quanto a resistência à fadiga de contato de rolamento. Adicionalmente, microestrutura de bainita de alto desempenho permite a melhora de tenacidade e alongamento, mantendo a dureza maior do que a microestrutura de perlita fina.

[0014] A microestrutura de bainita de alto desempenho mostra um comportamento melhor em seguir fenômenos em comparação com a microestrutura de perlita fina: corrugação de passo curto e longo, lascamento, fluxo plástico lateral e fissuras. Esses defeitos de trilho típicos são amplificados por aceleração e desaceleração de trem (por exemplo, linhas subterrâneas) ou em curvas de raio pequeno.

[0015] Adicionalmente, o aço bainítico também mostra valores mais altos de razão entre limite convencional de elasticidade e limite de resistência à tração, resistência à tração e tenacidade de fratura em comparação em comparação com os melhores trilhos de aço perlíticos tratados com calor.

[0016] Portanto, há uma necessidade de ter um novo método e sistema de tratamento térmico que permita obter trilho com boa dureza, porém sem qualquer degradação das outras propriedades mecânicas importantes como, por exemplo, alongamento e tenacidade. Dessa maneira, a resistência do trilho ao desgaste e à fadiga de contato de rolamento seria aprimorada e a propagação de fendas seria diminuída.

[0017] O objetivo principal da invenção é, portanto, fornecer esse tipo de processo e aparelho.

[0018] Um objetivo acompanhante da presente invenção é fornecer

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5/22 um processo de tratamento térmico que permite a formação de microestrutura bainita de alto desempenho no trilho.

[0019] Outro objetivo da presente invenção é fornecer um processo e sistema que permitem na mesma instalação de produção de trilho que tem microestrutura de perlita fina.

[0020] Esse objetivo é obtido, de acordo com um primeiro aspecto da invenção graças a um método de tratamento térmico de trilhos quentes para obter uma microestrutura desejada, que tem propriedades mecânicas desejadas em que o método compreende uma fase de resfriamento ativa em que o trilho é rapidamente resfriado de uma temperatura austenítica, e subsequentemente resfriado suavemente para manter uma temperatura de transformação-alvo entre valores definidos em que o tratamento de resfriamento é realizado por uma pluralidade de módulos de resfriamento (12.n), em que cada módulo de resfriamento compreende uma pluralidade de meios que aspergem um meio de resfriamento no trilho, durante a fase de resfriamento ativa, em que cada módulo de resfriamento é dotado de uma pluralidade de seções de resfriamento, em que cada seção é localizada em um plano transversal ao trilho quando o trilho está dentro do sistema de tratamento térmico, e em que cada seção compreende pelo menos:

[0021] - um dispositivo de resfriamento localizado sobre o boleto do trilho, [0022] - dois dispositivos de resfriamento localizados em cada lado do boleto do trilho, e um dispositivo de resfriamento localizado abaixo dos pés do trilho em que cada dispositivo de resfriamento é acionado para controlar a taxa de resfriamento do trilho de modo que a quantia de austenita transformada dentro do trilho não seja menor do que 50% na superfície de trilho e não seja menor do que 20% no núcleo de boleto de trilho.

[0023] De acordo com outros recursos da invenção considerados

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6/22 sozinhos ou em combinação:

[0024] - cada dispositivo de resfriamento é acionado para controlar a taxa de resfriamento do trilho de modo que a austenita seja transformada em bainita de alto desempenho ou em perlita fina.

[0025] - antes do tratamento térmico do trilho:

[0026] - dotar modelos de uma pluralidade de parâmetros em relação ao trilho a ser tratado;

[0027] - dotar os ditos modelos de valores que definem as propriedades mecânicas finais desejadas do trilho;

[0028] - computar parâmetros de controle para acionar o dispositivo de resfriamento para obter taxas de resfriamento de modo que temperaturas predefinidas do trilho após cada módulo de resfriamento sejam obtidas;

[0029] - aplicar os ditos parâmetros computados para acionar o dispositivo de resfriamento dos módulos de resfriamento.

[0030] - o método pode compreender adicionalmente:

[0031] medir temperaturas de superfície do trilho a montante de cada módulo de resfriamento e comparar essas temperaturas com aquelas calculadas pelos modelos;

[0032] modificar o parâmetro de acionamento do dispositivo de resfriamento se as diferenças entre as temperaturas calculadas e aquelas medidas forem maiores que valores previamente definidos.

[0033] - o dispositivo de resfriamento é uma mistura de ar e água atomizada pelo dispositivo de resfriamento ao redor das seções do trilho, em que a quantidade de ar e a quantidade de água atomizada são independentemente controladas.

[0034] - a temperatura de camada superficial do trilho que entra no primeiro módulo de resfriamento é compreendida entre 750 e 1.000 °C e a temperatura de camada superficial do trilho que sai do último módulo de resfriamento é compreendida entre 300 °C a 650 °C.

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7/22 [0035] - o trilho é resfriado pelo dispositivo de resfriamento em uma taxa compreendida entre 0,5 e 70 °C/s.

[0036] De acordo com um segundo aspecto, a invenção diz respeito a um sistema para tratamento térmico de um trilho quente para obter uma microestrutura desejada que tem propriedades mecânicas desejadas, em que o sistema compreende:

[0037] - um sistema de resfriamento ativo que compreende uma pluralidade de módulos de resfriamento; em que cada módulo de resfriamento compreende uma pluralidade de dispositivos de resfriamento operáveis para aspergir um dispositivo de resfriamento no trilho;

[0038] - meios de controle para controlar a dispersão a jato do dispositivo de resfriamento, [0039] em que cada módulo de resfriamento compreende uma pluralidade de seções de resfriamento, em que cada seção de resfriamento é localizada em um plano transversal ao trilho quando o trilho está dentro do sistema de tratamento térmico, em que cada seção compreende pelo menos:

[0040] - um dispositivo de resfriamento (N1) localizado sobre o boleto do trilho, [0041] - dois (N2, N3) dispositivos de resfriamento localizados em cada lado do boleto do [0042] - trilho, e um dispositivo de resfriamento localizado abaixo dos pés do trilho (6), e em que [0043] os meios de controle são operáveis para acionar o dispositivo de resfriamento de modo que a quantia de austenita transformada dentro do trilho não seja menor do que 50% na superfície de trilho e não seja menor do que 20% no núcleo de boleto de trilho, em que a transformação ocorre enquanto o trilho ainda está dentro do sistema de resfriamento ativo.

[0044] De acordo com outros recursos da invenção considerados

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8/22 sozinhos ou em combinação:

[0045] - os meios de controle acionam o dispositivo de resfriamento de modo que bainita de alto desempenho ou em perlita fina, [0046] - o sistema pode compreender adicionalmente meios de medição de temperatura localizados a montante de cada módulo de resfriamento e conectados aos meios de controle.

[0047] - cada meio de medição de temperatura compreende uma pluralidade de sensores de calor localizados em uma seção dos trilhos para detectar continuamente a temperatura de partes diferentes da seção de trilho, [0048] - os meios de controle compreendem modelos que recebem parâmetros em relação ao trilho que entra no sistema de resfriamento e os valores que definem as propriedades mecânicas finais desejadas do trilho, em que os modelos fornecem o parâmetro de acionamentos do dispositivo de resfriamento para obter as propriedades mecânicas desejadas.

[0049] - cada módulo de resfriamento compreende uma pluralidade de seção de resfriamento, em que cada seção é localizada em um plano transversal ao trilho quando o trilho está dentro do sistema de tratamento térmico, e em que cada conjunto compreende pelo menos seis dispositivos de resfriamento, um localizado sobre o boleto do trilho, dois localizados em cada lado do boleto, dois localizados em ambos os lados da alma do trilho, um (N6) localizado abaixo dos pés do trilho, [0050] - os dispositivos de resfriamento são bocais atomizadores que podem aspergir uma mistura de água e ar, em que a quantidade de ar e a quantidade de água atomizada são independentemente controladas.

[0051] Outros objetivos e vantagens da presente invenção ficarão aparentes mediante consideração do seguinte relatório descritivo, com referência aos desenhos anexados em que:

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9/22 [0052] - A Figura 1 é uma vista esquemática de um sistema de acordo com a invenção.

[0053] - A Figura 2 é uma vista detalhada dos componentes de um sistema de tratamento térmico de acordo com a invenção.

[0054] - A Figura 3 é um corte cruzado transversal de um trilho circundado por uma pluralidade de dispositivo de resfriamento.

[0055] - A Figura 4 é um corte cruzado transversal de um trilho circundado por uma pluralidade de dispositivos de medição de temperatura.

[0056] - A Figura 5 é uma vista esquemática das etapas do método de acordo com a invenção.

[0057] - A Figura 6 mostra um exemplo de curvas de decomposição de austenita durante um processo de tratamento térmico controlado de acordo com a invenção.

[0058] - A Figura 7 mostra curvas de decomposição de austenita típicas durante um processo de tratamento térmico não controlado.

[0059] - As Figuras 8 mostra a evolução da temperatura ao longo da seção de trilho durante processo de resfriamento controlado, de acordo com o método para obter microestruturas bainítica de alto desempenho.

[0060] - A Figura 9 mostra a evolução da temperatura ao longo da seção de trilho durante processo de resfriamento controlado, de acordo com o método para obter microestruturas perlíticas finas.

[0061] - As Figuras 10 mostra os valores de dureza nos pontos de medição diferentes para um trilho bainítico de alto desempenho obtido com um método de acordo com a invenção.

[0062] - A Figura 11 mostra os valores de dureza nos pontos de medição diferentes para um trilho perlítico fino obtido com um método de acordo com a invenção.

[0063] A Figura 1 é uma vista esquemática do gabarito da parte de

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10/22 resfriamento de uma usina de laminação de acordo com a invenção. Após ter sido conformado pelo último assento de laminação 10, o trilho é introduzido subsequentemente em: uma unidade de reaquecimento 11 para equalizar a temperatura de trilho, um sistema de tratamento térmico 12 de acordo com a invenção, uma mesa de resfriamento ao ar livre 13 e uma máquina de retificação 14.

[0064] Alternativamente, em uma modalidade fora de linha (não é mostrada nos desenhos), ao invés de sair direto do último assento de laminação, o produto, em uma condição laminada, que entra na unidade de reaquecimento pode ser um trilho frio que sai de um pátio de trilho (ou de uma área de armazenamento).

[0065] A Figura 2 é uma vista esquemática detalhada de um sistema de resfriamento de acordo com a invenção. O sistema de resfriamento compreende uma pluralidade de módulos de resfriamento 12.1, 12.2...12.n em que o trilho 6 é resfriado após laminação a quente ou após reaquecimento. O trilho é resfriado passando-se através do módulo de resfriamento graças a um transportador que carrega o trilho em uma velocidade predeterminada. A montante de cada módulo de resfriamento 12.1 a 12.n, dispositivos de medição de temperatura T são localizados para detectar a temperatura do trilho. Essas informações são fornecidas a meios de controle 15 (por exemplo, meios de computador) conectados comunicativamente com bancos de dados 16 que contêm bibliotecas e modelos de processo.

[0066] Cada módulo de resfriamento 12.n compreende uma pluralidade de seção de resfriamento alinhada. Cada seção de resfriamento compreende bocais localizados no mesmo plano definido por um corte cruzado transversal do trilho. A Figura 3 é um corte cruzado transversal de um trilho 6 em que uma possível configuração de bocais que pertence à mesma seção de resfriamento pode ser vista. Nessa modalidade, a seção de resfriamento compreende seis bocais localizados ao

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11/22 redor da seção cruzada do trilho 6. Um bocal N1 é localizado sobre o boleto do trilho, dois bocais N2 e N3 são localizados em cada lado do boleto, dois bocais opcionais N4 e N5 são localizados em ambos os lados da alma do trilho e um último bocal N6 é localizado abaixo dos pés do trilho 6.

[0067] Cada bocal N1 a N6 pode aspergir diferentes dispositivos de resfriamento (tipicamente água, ar e uma mistura de água e ar). Os bocais N1 a N6 são operados pelos meios de controle 15 individualmente ou em grupo, dependendo das características mecânicas finais alvejadas de trilho.

[0068] A pressão de saída de cada bocal N1 a N6 pode ser escolhida e controlada independentemente pelos meios 15.

[0069] Devido à sua geometria, o canto do boleto de trilho é uma parte naturalmente submetida a um resfriamento maior em relação às outras áreas de boleto; atuar diretamente com um dispositivo de resfriamento nos cantos do boleto pode ser perigoso e pode resfriar em excesso os cantos de boleto que, por sua vez, traz a formação de má microestrutura como martensita ou bainita de baixa qualidade. É por essa razão que os bocais N2 e N3 estão localizados nos lados do boleto e são dispostos para aspergir o dispositivo de resfriamento nos lados do boleto do trilho e para evitar aspergir nos cantos de topo do trilho. Em uma modalidade bocais, N2 e N3 são localizados de modo transversal (perpendicular) à direção de percurso do trilho.

[0070] O controle dos parâmetros de cada bocal pelos meios de controle 15 permite:

[0071] - obter a microestrutura alvejada (isto é, bainita de alto desempenho ou perlita fina);

[0072] - limitar a distorção ao longo do perfil e ao longo do comprimento total.

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12/22 [0073] A Figura 4 é uma vista esquemática da localização dos dispositivos de medição de temperatura T. Conforme pode ser visto nessa figura, uma pluralidade de dispositivos de medição de temperatura T são localizados em um corte cruzado transversal do trilho 6 a montante de cada módulo de resfriamento na direção de avanço (ou adiante) do trilho. Nessa modalidade, cinco dispositivos de medição de temperatura T são utilizados. Um localizado sobre o boleto de trilho, um localizado no lado do boleto de trilho, um localizado na alma de trilho, um no lado dos pés de trilho e um último é localizado abaixo dos pés do trilho. Os dispositivos de medição de temperatura podem ser um pirômetro ou uma câmara termográfica ou qualquer outro sensor com a capacidade de fornecer a temperatura do trilho. Se vapor estiver presente entre a câmara termográfica e a superfície de material, a medição de temperatura é permitida por jato de ar localizado e impulsivo.

[0074] Todas as informações a respeito da temperatura são fornecidas aos meios de controle 15 como dados para controlar o processo de resfriamento de trilho.

[0075] Os meios de controle 15 controlam o trilho tratamento térmico controlando-se os parâmetros (taxas de fluxo, temperatura do dispositivo de resfriamento e pressão do dispositivo de resfriamento) de cada bocal de cada módulo de resfriamento e também a e velocidade de trilho de entrada. Em outras palavras, o fluxo, a pressão, o número de bocais ativos, a posição dos bocais e a eficiência de resfriamento de cada grupo de bocal (N1, N2 a N3, N4 a N5 e N6) podem ser individualmente estabelecidas. Qualquer módulo 12.n pode, portanto, ser controlado sozinho ou acoplado a um ou mais módulos. A estratégia de resfriamento (por exemplo, taxa de aquecimento, taxa de resfriamento, perfil de temperatura) é predefinida como uma função das propriedades de produto finais.

[0076] O sistema de tratamento térmico flexível, que compreende

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13/22 os meios de controle 15, os módulos de resfriamento 12.n e os meios de medição T e S mencionados acima, tem a capacidade de tratar trilhos com uma temperatura de entrada na faixa de 750 a 1.000 °C medida na superfície de fluxo do trilho 6. A velocidade de trilho de entrada está na faixa de 0,5 a 1,5 m/s. A taxa de resfriamento alcançável está na faixa de 0,5 a 70°C/s como função de microestrutura desejada e características mecânicas finais. A taxa de resfriamento pode ser estabelecida em diferentes valores ao longo do aparelho de tratamento térmico flexível. A temperatura de trilho na saída do sistema de tratamento térmico está na faixa de 300 a 650 °C. A dureza de trilho no caos da microestrutura de bainita de alto desempenho está na faixa de 400 a 550 HB, no caos da microestrutura de perlita fina está na faixa de 320 a 440 HB.

[0077] A Figura 5 mostra as diferentes etapas necessárias para controlar cada módulo de resfriamento de acordo com a presente invenção.

[0078] Durante a etapa 100, uma pluralidade de setting valores é introduzida nos meios de controle de resfriamento 15. Em particular: [0079] - composição química do aço utilizado para a produção de trilho;

[0080] - configurações e procedimentos de usina de laminação a quente;

[0081] - tamanho de grão de austenita de trilho que entra no sistema de resfriamento;

[0082] - taxa de decomposição de austenita e temperatura de transformação de austenita esperadas;

[0083] - geometria da seção de trilho;

[0084] - temperatura de trilho esperada nos pontos de perfil definidos (boleto, alma e pé) e ao longo do comprimento;

[0085] - as propriedades mecânicas alvejadas, por exemplo: dureza, resistência, alongamento e tenacidade.

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14/22 [0086] Na etapa 101, os valores de ajuste são fornecidos em diferentes modelos embutidos (hospedados pelos meios de controle computadorizados 15) que trabalham juntamente a fim de fornecer a melhor estratégia de resfriamento. Vários modelos numéricos, mecânicos e metalúrgicos embutidos são utilizados:

[0087] - Decomposição de austenita com previsão de microestrutura.

[0088] - Modelos de precipitação.

[0089] - Evolução térmica que inclui calor de transformação.

[0090] - Propriedades mecânicas.

[0091] Os modelos de processo embutidos definem as estratégias de resfriamento em termos de calor a ser removido do perfil e ao longo do comprimento do trilho levando em consideração velocidade de trilho de entrada. Uma estratégia de resfriamento especifica em função de tempo é proposta de modo que a quantia de austenita transformada não seja menor do que 50% na superfície de trilho e não seja menor do que 20% no núcleo de boleto de trilho na saída do sistema de tratamento térmico flexível. Isso significa que a transformação mencionada acima ocorre enquanto o trilho ainda está dentro do sistema de tratamento térmico e não fora, depois ou a jusante desse sistema. Em outras palavras, para um corte cruzado transversal de um trilho que avança dentro do sistema de tratamento térmico 12, a transformação mencionada acima ocorre entre o primeiro e o último setor de resfriamento do sistema. Isso significa que essa transformação é completamente controlada pelo sistema de tratamento térmico 12. Um exemplo de estratégia de resfriamento computada pelos modelos de processo embutidos é dado pelas curvas Figuras 8 e 9.

[0092] Na etapa 102, o sistema de controle 15 se comunica com bibliotecas de dados 16 a fim de escolher a estratégia de tratamento térmico correta, após a avaliação dos parâmetros de entrada.

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15/22 [0093] A estratégia de tratamento térmico previamente estabelecida é, então, perfeitamente ajustada levando-se me consideração a temperatura real, medida ou prevista durante a rota de processo de trilho. Isso garante a obtenção de nível esperado de características mecânicas ao longo de todo o comprimento do trilho e através de seção de trilho transversal. A variação característica muito estrita pode ser obtida evitandose a formação de zona com dureza muito alta ou muito baixa e evitandose qualquer microestrutura indesejada (por exemplo, martensita).

[0094] Na etapa 103, os meios de controle 15 mostram a estratégia de tratamento térmico computada e as propriedades mecânicas esperadas ao usuário, por exemplo, em uma tela dos meios de controle 15. Se o usuário validar os valores computados e aceitar a estratégia de resfriamento (etapa 103), dados de ajuste são submetidos ao sistema de resfriamento na etapa 104.

[0095] Se o usuário não validar a estratégia de resfriamento, novos dados de ajuste são fornecidos pelo usuário (etapa 105 e 106) e a etapa 101 é executada.

[0096] Adicionalmente na etapa 107, uma configuração dos primeiros módulos de resfriamento é executada. Os parâmetros adequados (por exemplo, pressão, taxa de fluxo) são fornecidos a cada módulo de acordo com a estratégia de resfriamento otimizada sugerida pelos modelos de processo na etapa 101. Nessa etapa, o fluxo (ou taxa) de resfriamento é imposto aos diferentes bocais dos diferentes módulos do sistema de resfriamento 12 a fim de garantir a obtenção da distribuição de temperatura-alvo no tempo devido.

[0097] Na etapa 108, medidas de temperaturas de superfície do trilho 6 que sai da usina de laminação a quente 10 ou de um pátio de trilho (ou área de armazenamento) são feitas antes de o trilho entrar em cada módulo de resfriamento 12.n, por exemplo, a montante de módulo de resfriamento 12.1. Os dispositivos de medição de temperatura T fazem

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16/22 medições de temperatura continuamente. Esse conjunto de dados é utilizado pelo sistema de tratamento térmico 12 para impor regulação precisa ao sistema de automatização em termos de fluxo de resfriamento a fim de levar em consideração a falta de homogeneidade térmica real ao longo do comprimento de trilho e ao longo da seção de trilho.

[0098] Na etapa 109, as temperaturas medidas são comparadas com aquelas calculadas pelos modelos de processo na etapa 101 (temperatura que o trilho deveria ter na localização do atual dispositivo de medição de temperatura). Se as diferenças entre as temperaturas não forem maiores que os previamente definidos, os parâmetros previamente estabelecidos de resfriamento são aplicados para acionar os módulos de resfriamento.

[0099] Em caso de diferenças, entre a temperatura calculada e as temperaturas medidas, na etapa 111 o valor previamente estabelecido de remoção de fluxo de calor para o atual módulo do módulo de resfriamento 12.n é consequentemente modificado com valores tirados das bibliotecas de dados 16, e na etapa 112, os novos valores de remoção de fluxo de calor (ou taxa de resfriamento) são aplicados para controlar os módulos de resfriamento.

[00100] Na etapa 113, se houver outros módulos, a etapa 108 é repetida e um novo conjunto de perfil de temperatura da superfície de trilho é medida na etapa 108.

[00101] Na etapa 114, na saída do último módulo de resfriamento

12.n do sistema de resfriamento flexível 12 um perfil de temperatura final é feito. Os meios de controle de resfriamento 15 calculam o tempo restante para resfriar o trilho até temperatura ambiente no leito de resfriamento. Isso é importante para estimar a progressão do processo de resfriamento ao longo da seção de trilho.

[00102] Na etapa 115, a estratégia de resfriamento real previamente

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17/22 aplicada pelo sistema de resfriamento é fornecida aos modelos de processo embutidos a fim de obter as propriedades mecânicas esperadas para o produto final, e na etapa 116, as propriedades mecânicas esperadas do trilho são entregues ao usuário.

[00103] As Figuras 6 e 7 mostram a decomposição de austenita respectivamente em um trilho tratado termicamente com o método de acordo com a invenção e sem a invenção. Essas figuras mostram essa decomposição de austenita para diferentes pontos (1, 2 e 3) contidos em um corte cruzado transversal do trilho.

[00104] Na Figura 6, as linhas pontilhadas verticais A, B, C e D correspondem ao corte cruzado transversal de um trilho que contém os pontos 1, 2 e 3 em cada módulo de resfriamento 12.n e a linha E materializa a saída desses pontos do sistema de tratamento térmico 12.

[00105] Conforme pode ser visto, na Figura 6, a quantia de austenita transformada dentro do trilho é maior do que 80% na superfície de trilho e por volta de 40% no núcleo de boleto de trilho.

[00106] A partir da curva de decomposição de austenita de um tratamento térmico controlado, mostrado na Figura 6, está claro que a austenita é transformada na microestrutura final mais rápida e mais homogeneamente ao longo do boleto de trilho que em um tratamento não controlado (Figura 7). Isso é muito importante para obter propriedades mecânicas excelentes em termos de dureza, tenacidade e alongamento, homogeneamente distribuídas no produto final.

[00107] Dois exemplos de evoluções de temperatura-alvejada em três diferentes pontos, na seção de um trilho, resfriadas de acordo com a invenção são mostrados nas Figuras 8 e 9 respectivamente para trilhos de bainita de alto desempenho e perlita fina.

[00108] A Figura 8 oferece a evolução da temperatura fornecida pelos modelos para obter um trilho bainítico. As linhas pontilhadas verticais A, B, C e D correspondem à entrada do corte cruzado transversal do

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18/22 trilho que contém os pontos 1, 2 e 3, em cada módulo de resfriamento

12.n e a linha E materializa a saída desses pontos do sistema de tratamento térmico 12.

[00109] Os parâmetros do sistema (taxa de fluxo de ar e/ou água) são controlados a fim de que as temperaturas de diferentes pontos correspondam com as temperaturas fornecidas por essas curvas. Em outras palavras, essas curvas oferecem a evolução-alvo de valores de temperatura de pontos de conjunto previamente definidos ao longo da seção de trilho.

[00110] Seguindo a temperatura fornecida a partir dos modelos, o trilho é controlado para entrar no primeiro módulo com uma temperatura de cerca de 800 °C. Subsequentemente, em uma fase Ia, a camada superficial do trilho (curva 1) é rapidamente resfriada pelos dois primeiros módulos de resfriamento para uma temperatura de 350 °C com uma taxa de resfriamento nesse exemplo de aproximadamente 45°C/s. Aqui, resfriamento rápido significa um resfriamento com uma taxa de resfriamento compreendida entre 25 e 70 °C/s.

[00111] Após essa fase de resfriamento rápida, o trilho é resfriado suavemente pelos bocais de resfriamento restantes dos primeiros módulos de resfriamento e pelos módulos de resfriamento restantes. Por exemplo, em uma fase lb, o trilho é resfriado com uma taxa de resfriamento de aproximadamente 13°C/s. Entre o final da fase lb (saída do primeiro módulo de resfriamento) e a entrada no segundo módulo de resfriamento materializada pela linha pontilhada vertical B, a camada superficial do trilho é naturalmente aquecida pelo núcleo do trilho e a temperatura de trilho de camada superficial aumenta. Após isso, o trilho entra no segundo módulo de resfriamento (fase II) e o trilho é resfriado com uma taxa de resfriamento de aproximadamente 8,7 °C/s. Subsequentemente o trilho entra no terceiro e no quarto módulos de resfriaPetição 870190034133, de 10/04/2019, pág. 23/36

19/22 mento (nas fases III e IV) e é resfriado com taxas de resfriamento aproximadas de respectivamente 2,7 e 1,3 °C/s. Claro, entre a saída de cada módulo de resfriamento 12.n e a entrada do próximo módulo de resfriamento, um aumento natural da temperatura de camada superficial do trilho ocorre devido à temperatura de núcleo de trilho. Aqui, resfriado suavemente significa uma taxa de resfriamento que compreende entre 0,5 e 25 °C/s.

[00112] Em caso de temperatura de entrada maior do que 800 °C, os módulos que atuam na área Ib serão controlados de modo a produzir, também, resfriamento rápido.

[00113] A microestrutura final é bainita total com dureza no boleto de trilho na faixa de 384 a 430 HB conforme mostrado na Figura 10.

[00114] A Figura 9 oferece a evolução da temperatura fornecida pelos modelos para obter um trilho perlítico. As linhas pontilhadas verticais A, B, C e D correspondem à entrada do corte cruzado transversal do trilho que os pontos 1, 2 e 3, em cada módulo de resfriamento 12.n e a linha E materializa a saída desses pontos do sistema de tratamento térmico 12.

[00115] Seguindo a temperatura fornecida a partir dos modelos, o trilho é controlado para entrar no primeiro módulo com uma temperatura em uma faixa de cerca de 850 °C. Subsequentemente, em uma fase Ia, a camada superficial do trilho é rapidamente resfriada pelo primeiro módulo de resfriamento para uma temperatura de cerca de 560 °C com uma taxa de resfriamento nesse de aproximadamente 27 °C/s. Aqui, resfriamento rápido significa um resfriamento com um resfriamento compreendido entre 25 °C/s a 45 °C/s.

[00116] Após essa fase de resfriamento rápida, o trilho é resfriado suavemente pelos bocais de resfriamento restantes dos primeiros módulos de resfriamento e pelos módulos de resfriamento restantes. Por

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20/22 exemplo, em uma fase lb, o trilho é resfriado com uma taxa de resfriamento de aproximadamente 8 °C/s. Entre o final da fase lb (saída do primeiro módulo de resfriamento) e a entrada no segundo módulo de resfriamento materializada pela linha pontilhada vertical B, a camada superficial do trilho é naturalmente aquecida pelo núcleo do trilho e a temperatura de trilho de camada superficial aumenta. Após isso, o trilho entra no segundo módulo de resfriamento (fase II) e o trilho é resfriado com uma taxa de resfriamento de aproximadamente 4 °C/s. Subsequentemente, o trilho entra no terceiro e no quarto módulo de resfriamento (nas fases III e IV) e é resfriado com taxas de resfriamento aproximadas de respectivamente 1,8 e 0,9 °C/s. Claro, entre a saída de cada módulo de resfriamento 12.n e a entrada do próximo módulo de resfriamento, um aumento natural da temperatura de camada superficial do trilho ocorre devido à temperatura de núcleo de trilho. Aqui, resfriado suavemente significa uma taxa de resfriamento compreendida entre 0,5 e 25 °C/s.

[00117] No caso de temperatura de entrada maior do que 850 °C, os módulos que atuam na área Ib serão controlados de modo a produzir, também, resfriamento rápido.

[00118] Após o processo mencionado acima, a microestrutura final é perlita fina com dureza no boleto de trilho na faixa de 342 a 388 HB conforme mostrado na Figura 11.

[00119] As curvas mencionadas acima são a estratégia de resfriamento adotada de acordo com a invenção. Em outras, cada bocal é controlado de modo que a distribuição de temperatura ao longo da seção de trilho siga as curvas das Figuras 8 e 9.

[00120] A presente invenção supera os problemas da técnica anterior por meio de controle completo do tratamento térmico do trilho quente até uma quantia significativa de austenita ser transformada. Isso significa que a austenita temperatura de transformação é a menor possível

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21/22 para evitar qualquer tipo de estruturas secundárias: martensita para trilhos bainítico de alta qualidade e martensita ou bainita superior para trilhos perlíticos.

[00121] Conforme mostrado acima, o processo de acordo com a invenção é projetado para obter microestrutura de bainita de alto desempenho total caracterizada por alta resistência, alta dureza e boa tenacidade em toda a seção de trilho e, também, para obter microestrutura de perlita fina total em uma porção selecionada da seção de trilho ou em toda a seção de trilho.

[00122] O processo é caracterizado por uma quantia significativa de austenita transformada nas microestruturas de bainita ou perlita escolhidas quando o trilho ainda está submetido ao processo de resfriamento. Isso garante a obtenção de microestruturas de bainita de alto desempenho e perlita fina. A fim de impor corretamente o padrão de resfriamento controlado requisitado ao trilho ao longo do tratamento térmico, o sistema de resfriamento flexível inclui vários bocais de múltiplos meios ajustáveis tipicamente, porém sem limitação, de água, ar e uma mistura de água e ar. Os bocais são ajustáveis em termos de condição de ligar/desligar, pressão, taxa de fluxo e tipo de dispositivo de resfriamento de acordo com a composição química do trilho e as propriedades mecânicas finais requisitadas pelos usuários de trilho.

[00123] Os modelos de processo, monitoramento de temperatura, sistemas de automatização são partes ativas desse processo de tratamento térmico controlado e permitem um controle de processo estrito a fim de garantir trilhos de alta qualidade, um nível mais alto de confiabilidade e uma rejeição de trilho muito baixa.

[00124] Os trilhos obtidos dessa maneira são particularmente indicados para cargas de eixo pesadas, ferrovias comerciais-passageiro misturadas, ambos em trechos retos e curvados, em lastros tradicionais ou inovadores, pontes de ferrovia, em emprego em túneis ou litorais.

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22/22 [00125] A invenção também permite a obtenção de uma temperatura núcleo do trilho próxima à temperatura de camada superficial e esse homogeneíza a microestrutura e os recursos mecânicos dos trilhos.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de tratamento térmico de trilhos aquecidos para obter uma microestrutura que tenha propriedades mecânicas melhoradas, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:

realizar uma fase de resfriamento ativa com uma pluralidade de módulos de resfriamento (12.n) durante a qual um trilho (6) é resfriado a uma taxa de resfriamento mais alta por pelo menos um da pluralidade de módulos de resfriamento (12.n) de uma temperatura austenítica e subsequentemente resfriado a uma taxa de resfriamento mais baixa por pelo menos outro da pluralidade de módulos de resfriamento (12.n) para manter uma temperatura de transformação-alvo entre valores definidos, cada um da pluralidade de módulos de resfriamento (12.n) possuindo uma pluralidade de dispositivos de resfriamento (N1, N2, N3, N4, N5, N6) que aspergem um meio de resfriamento no trilho (6), sendo que a taxa de resfriamento mais alta realizada pelo um da pluralidade de módulos de resfriamento (12.n) situa-se entre 25 e 70°C/s e a taxa de resfriamento mais baixa realizada pelo outro da pluralidade de módulos de resfriamento (12.n) situa-se entre 0.5 e 25°C/s;

durante o resfriamento subsequente da fase de resfriamento ativa, controlar individualmente a pluralidade de módulos de resfriamento (12.n) sob quatro fases (Ib, II, III, IV) com taxas de resfriamento diferentes ao longo da pluralidade de módulos de resfriamento (12.n);

fornecer cada um dos módulos de resfriamento (12.n) com uma pluralidade de seções de resfriamento, cada uma das seções de resfriamento disposta em um plano transversal ao trilho (6) quando o trilho (6) está dentro do sistema de tratamento térmico (12), cada uma das seções de resfriamento contendo:

- um dos dispositivos de resfriamento (N1) disposto acima de um boleto do trilho (6);

- dois (N2, N3) dos dispositivos de resfriamento dispostos em

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2/4 cada lado do boleto do trilho (6); e

- um dos dispositivos de resfriamento (N6) disposto abaixo dos pés do trilho (6), durante a fase de resfriamento ativa, acionar cada um dos dispositivos de resfriamento (N1, N2, N3, N4, N5, N6) para controlar uma taxa de resfriamento do trilho (6) de modo que uma quantia de austenita transformada dentro do trilho (6) seja maior do que 50% em uma superfície de trilho (6) e seja maior do que 20% em um núcleo de boleto de trilho (6); e durante a fase de resfriamento ativa, acionar pelo menos alguns dos dispositivos de resfriamento para controlar uma taxa de resfriamento do trilho (6) com base em uma temperatura medida do trilho (6).

2. Método, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda acionar cada um dos dispositivos de resfriamento (N1, N2, N3, N4, N5, N6) para controlar a taxa de resfriamento mais alta e a taxa de resfriamento mais baixa de modo que a austenita seja transformada em bainita possuindo uma dureza de 550 a 400 HB.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende realizar as etapas adicionais de:

- dotar modelos de uma pluralidade de parâmetros em relação ao trilho (6) a ser tratado;

- dotar os modelos de valores que definem as propriedades mecânicas finais do trilho (6);

- computar parâmetros de controle para acionar os dispositivos de resfriamento (N1, N2, N3, N4, N5, N6) para obter taxas de resfriamento de modo que temperaturas predefinidas do trilho (6) após cada um dos módulo de resfriamento (12.1, 12.2, ..., 12.n) sejam obtidas; e

- aplicar parâmetros computados para acionar o dispositivo

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3/4 de resfriamento dos módulos de resfriamento (12.1, 12.2, ..., 12.n).
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

- medir temperaturas de superfície do trilho (6) a montante de cada um dos módulos de resfriamento (12.1, 12.2, ..., 12.n) e comparar as temperaturas de superfície com aquelas calculadas pelos modelos; e

- modificar um parâmetro de acionamento dos dispositivos de resfriamento (N1, N2, N3, N4, N5, N6) se diferenças entre temperaturas calculadas e aquelas medidas são maiores que valores previamente definidos.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda formar um meio de resfriamento a partir de uma mistura de ar e água atomizada pelos dispositivos de resfriamento (N1, N2, N3, N4, N5, N6) ao redor de seções do trilho (6), uma quantidade do ar e uma quantidade da água atomizada sendo independentemente controladas.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma temperatura de camada superficial do trilho (6) que entra em um primeiro módulo de resfriamento (12.1, 12.2, ..., 12.n) é compreendida entre 750 °C e 1.000 °C e a temperatura de camada superficial do trilho (6) que sai de um último módulo de resfriamento (12.1, 12.2, ..., 12.n) é compreendida entre 300 °C a 650 °C.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda acionar cada um dos dispositivos de resfriamento (N1, N2, N3, N4, N5, N6) para controlar a taxa de resfriamento mais alta e a taxa de resfriamento mais baixa de modo que a austenita seja transformada em perlita possuindo uma dureza de 440 a 320 HB.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado

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4/4 pelo fato de que a taxa de resfriamento mais alta realizada pelo um da pluralidade de módulos de resfriamento (12.n) é pelo menos o dobro da taxa de resfriamento mais baixa realizada pelo outro da pluralidade de módulos de resfriamento (12.n).