CN1012966B - 生产高强度钢轨的热处理方法和装置 - Google Patents
生产高强度钢轨的热处理方法和装置Info
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Abstract
生产高强度钢轨的热处理方法其步骤是：
将一根轧制成型的钢轨进行预热，加热，空冷，压缩空气冷却，雾冷却和控制变形处理。从而在钢轨头部较深范围内得到高硬度的细珠光体组织，并且硬度从钢轨头部表面向里均匀下降。减小了其沿长度的拱曲。三维喷气装置的两侧喷头有一定夹角，很好地改善了钢轨头部强化的均匀性。
Description
本发明属于热处理技术。
随着行车速度、轴重和货、客运量的日益增大，引起铁路运输中钢轨头部的迅速磨损和疲劳，导致钢轨使用寿命显著降低。为了提高钢轨的使用性能，国内外对钢轨全长淬火方法进行了开发，以生产出具有高耐磨性和高疲劳强度的钢轨，来满足铁路运输的需要。
作为已有技术的日本专利昭55-23885，详细地描述了一种生产具有一定强度钢轨的热处理方法。然而，采用该专利介绍的方法却存在明显的不足：
1.经过热处理后的钢轨轨头强度不均匀;
2.经过热处理后的钢轨沿长度方向拱曲大;
3.整个生产线速度慢，影响产量的提高。
4.耗气量高。
本发明的目的是，提供一种生产高强度钢轨的热处理方法，不仅能在钢轨头部由表至里的较深范围内获得硬度均匀下降的细珠光体组织，而且还能使钢轨沿长度方向得到较小的挠曲，同时还能提高生产能力。
本发明的另一个目的是，提供一种生产高强度钢轨的热处理装置，以进一步改善钢轨头部表面硬度分布的均匀性。
本发明所提供的一种生产高强度钢轨的热处理方法，其步骤是：
将一根轧制成型的钢轨用工频感应装置对其整体预热，最好是使钢轨以2.0～5.0℃/S的预热速度预热到500～550℃。
再用中频感应装置对钢轨头部进行加热，最好是使钢轨头部以6.5～20.0℃/S的加热速度加热到奥氏体区以上温度区域，确切地说是在850～950℃;
然后，使钢轨在自然环境温度下空冷到一定温度区域，最好是空冷到780～730℃，以均匀钢轨轨头内的温度。
接着，用配置在钢轨头部周围的三维喷气装置，将压缩空气喷向钢轨头部，对其进行热处理。三维喷气装置由一个冷却钢轨头部踏面的喷头和一对冷却钢轨头部两侧面的喷头组成，各喷头上有数十个喷嘴，两侧喷头与钢轨截面对称轴构成1～10°的夹角。三维喷气装置以40～70m3/min的流量将压缩空气喷向钢轨头部，使其以4.6～15℃/S的冷却速度冷却到550～450℃。
紧接着，用配置在钢轨头部周围的三维喷头装置，以预定的流量将雾喷向其头部，使其以一定的冷却速度冷却到一定的温度区域，对钢轨头部进行加深处理。最好是使三维喷头装置以150～250l/Hr的水流量将雾喷向钢轨头部，使其以4.4
～11.1℃/S的冷却速度冷却到450～200℃，以保证钢轨头部表面向里至15～25mm范围内的冷却速度处于细珠光体的转变速度范围之内。从而得到硬度均匀下降的细珠光体组织，其维氏硬度为400至306（布氏硬度为390至300）。
最后，用其它的冷却装置将液体冷却介质喷向钢轨头部，使轨头与轨底间保持一定的温差，以控制钢轨经热处理后沿长度方向的挠曲。最好是使轨头温度高于轨底温度在50～100℃之间。
在整个热处理过程中，钢轨相对于热处理装置单向连续运动，其速度可提高到0.8～1.6m/min。
为了获得具有不同高强度的钢轨，可通过不同的压缩空气流量来调整淬火的冷却速度来实现，其HV可按下式确定：
HV＝9V+265 V-冷却速度
图1为本发明所说方法的实例侧视图;
图2为实施本发明时钢轨头部冷却速度的冷却曲线;
图3为说明钢轨头部截面的表面区域中各部分名称示意图;
图4为本发明所说的三维喷气装置侧视图;
图5为采用本发明所说方法的钢轨挠曲结果;
图6a和6b分别为50kg/m钢轨进行热处理后的横截面上硬度测量结果及其曲线;
图7a和7b分别为60kg/m钢轨进行热处理后的横截面上硬度测量结果及其曲线;
图8a和8b分别为75kg/m钢轨进行热处理后的横截面上硬度测量结果及其曲线;
图9a和9b分别为次级强度的50kg/m钢轨进行热处理后的横截面上硬度测量结果及曲线。
下面，就本发明的要点结合附图举例，予以详细地说明。
图1为本发明的实施例。送料辊1以0.8～1.6m/min的速度将钢轨连续单向地送入热处理装置中进行热处理。预热装置2为一般的工频感应器，它全罩在钢轨上，利用所产生的感应电流将钢轨整体以2.0～5.0℃/S的预热速度预热到500～550℃。加热装置3为一般的中频感应器，它仅罩在钢轨头部，它利用所产生的感应电流将钢轨头部以6.5～20.0℃/S的加热速度加热到850～950℃。通过预热和加热，使钢轨头部具有很小的温度梯度，并且含有的热量多，同时又提供了一个控制钢轨沿长度方向挠曲的轨底温度。测温器4位于加热装置3的出口处，以检测钢轨的加热温度。然后，使钢轨在自然环境温度下空冷却到780～730℃之间适当温度，以进一步减小钢轨头部的温度梯度。三维喷气装置5由一个冷却钢轨头部踏面的喷头12和一对冷却钢轨头部两侧面的喷头13所组成，它们分别接至压缩空气源的控制阀，喷头12和喷头13为独立的气路。各喷头上有数十个喷嘴14。两侧喷头与钢轨截剖面对称轴构成1～10°的夹角θ，其特点是，使喷向钢轨头部的压缩空气流流向更趋于合理，改善了硬度的均匀性，使上圆角和踏面的硬度趋于一致，同时增加了下圆角及下腭的冷却效果。三维喷气装置5以40～70m3/min的流量将压缩空气喷向钢轨头部，使其以4.6～15℃/S的冷却速度冷却到550～450℃，能保证在钢轨头部表面得到温度均匀的细珠光体组织。三维喷头装置6由一个冷却钢轨头部踏面的喷头和一对冷却钢轨头部两侧面的喷头组成。各喷头均有独立的（两侧喷头也可为一系统的）气、水路。各喷头上有数十个喷嘴。控制三维喷头装置6以150～250l/Hr的水流量将雾喷向钢轨头部，使其以4.4～11.1℃/S的冷却速度冷却到450～200℃，以保证在钢轨头部表面向里至15～25mm范围内得到硬度均匀下降的细珠光体组织，其维氏硬度为400至306。调整辊7用以调整钢轨的位置。一对温度测头8，分别安装在钢轨头部和钢轨底部，以测量钢轨头部与底部的温度，然后将其传送到控制器，以控制冷却装置9将适量的液体冷却介质（例如水、冷却液、油等）喷向钢轨头部，使钢轨头部高于底部温度并保持在规定的温差范围，即50～100℃，可使钢轨在热处理后沿长度方向的挠曲减小到h＜100mm/25m。此外，图1中的预热装置2、加热装置3、测温器4、三维喷气装置5、三维喷头装置6、温度测头8和冷却装置9均为有序排列并固定在支架上，与传动系统无关。钢轨10是由左至右运动。图2是表示图1热处理钢轨头部①踏面下6mm，②上圆角下6mm，③上圆角下18mm处的冷却曲线。
例1用化学成分为（重量%）：0.78%碳，0.23%硅，0.85%锰，≤0.35%硫、磷，其余为铁和微量元素的50kg/m钢轨在1.30m/min的速
度下用该发明进行热处理，其他条件为：预热速度4.8℃/S，预热温度540℃，加热速度18℃/S，加热温度890℃，空冷到760℃，三维喷气装置的两侧喷头13的夹角θ为8度。用流量为40m3/min的压缩空气喷吹钢轨头部，使其以11℃/S的冷却速度冷却到500℃，用水流量为160l/Hr的雾喷吹钢轨头部，使其以8.3℃/S的冷却速度冷却到200℃;用适量的液体冷却介质水通过冷却装置喷洒在钢轨头部，使钢轨头部比底部高50℃。所得到的钢轨轨头横截面上的硬度测量结果及曲线如图6a和6b所示，其机械性能为：
在25m钢轨上，沿长度方向的拱弯为40mm。
例2用化学成分为（重量%）：0.77%碳，0.25%硅，0.88%锰，≤0.035%硫、磷，其余为铁和其他微量元素的60kg/m钢轨，在1.21m/min的速度下用该发明进行热处理。其他条件为：预热速度4.1℃/S，预热温度为545℃;加热速度14℃/S，加热温度930℃;空冷到778℃;三维喷气装置的两侧喷头13的夹角θ为6度。用流量为55m3/min的压缩空气喷吹钢轨头部，使其以10.5℃/S的冷却速度冷却到490℃;用水流量为220l/Hr的雾喷吹钢轨头部，使其以9.1℃/S的冷却速度冷却到250℃;用适量的水喷酒在钢轨头部，使钢轨头部比底部高70℃;所得到的钢轨轨头横截面上的硬度测量结果及曲线如图7a和7b所示，其机械性能：
在25m钢轨上，沿长度方向的拱弯为90mm。
例3用化学成分为（重量%）：0.78%碳，0.27%硅，0.95%锰，≤0.035%硫、磷，其余为铁和其他杂质的75kg/m钢轨，在1.20m/min的速度下采用本发明进行热处理。其他条件为：预热速度4.5℃/S，预热温度550℃;加热速度12℃/S，加热温度910℃;空冷到770℃;三维喷气装置的两侧喷头的夹角θ为5度。用流量为70m3/min的压缩空气喷吹钢轨头部。使其以10℃/S的冷却速度冷却到480℃，再用水流量为220l/Hr的雾喷吹钢轨头部，使其以9.8℃/S的冷却速度冷却到280℃;用适量的水喷洒钢轨头部，使钢轨头部比底部高80℃，所得到的钢轨轨头横截面上的硬度测量结果及曲线如8图a和8b所示，其机械性能：
在25m钢轨上，沿长度方向的挠曲为80mm。
例4采用与例1相同的钢种成分，Hv＝9V+265可知，只需改变其他条件中的压缩空气的冷却速度，则可得到次级强度的钢轨，设定在钢轨头部踏面向里20mm内得到强度均匀下降的球光体组织，其维氏硬度为340至304，则可得到V为7.5℃/S，所得到的钢轨轨头横截面上的硬度测量结果及曲线如图9a和9b所示，其机械性能为：
在25m钢轨上，沿长度方向的挠曲为45mm。
下表为采用本发明生产的热处理钢轨与新日本制铁株式会社的热处理钢轨线路实际铺设试验对比结果。
σ0.2（MPa） σb（MPa） δ5（%） ψ（%）
902.5 1295.4 14.2 38.2
σ0.2（MPa） σb（MPa） δ5（%） ψ（%）
880 1240 14 47
σ0.2（MPa） σb（MPa） δ5（%） ψ（%）
879 1261.1 14.8 36.0
σ0.2（MPa） σb（MPa） δ5（%） ψ（%）
740 1140 12 34
国别 线路条件 最大磨耗（mm） 剥离
半径M 坡度‰ 垂磨 侧磨
新日铁 300 8.7 0.9 3.2 局部轻微
攀钢 300 13.5 1.2 1.6 局部轻微
注：①此表为上道一年后的测试结果;
②所通过的年运量为7200万吨。
Claims (4)
1、一种生产高强度钢轨的热处理方法，其特征是：
将一根轧制成型的钢轨用工频感应装置对其整体以2.0～5.0℃/s的预热速度预热到500～550℃；
再用中频感应装置对钢轨头部以6.5～20.0℃/s的加热速度加热到850～950℃；
使钢轨在自然环境温度下空冷到780～730℃；
用配置在钢轨头部周围的三维喷气装置，以40～70m3/min的流量将压缩空气喷向其头部，使其以4.6～15℃/s的冷却速度冷却到550～450℃；
还在钢轨头部周围配置三维喷头装置，以150～250l/h的水流量将雾喷向其头部，使其以4.4～11.1℃/s的冷却速度冷却到450～200℃；
还用其它的冷却装置将液体冷却介质喷向钢轨头部，使轨头与轨底间保持一定温差，其范围是轨头高于轨底50～100℃。
2、如权利要求1所说的方法，其特征是：
在整个热处理过程中，钢轨相对于热处理装置单向连续运动，其速度为0.8～1.6m/min。
3、如权利要求2所说的方法，其特征是：
可以通过不同的压缩空气流量来调整淬火时钢轨头部的冷却速度，生产具有不同强度的钢轨，其Hv可按下式确定：
Hv-9V+265 V-冷却速度，℃/s
4、一种生产高强度钢轨用的三维喷气装置，它由一个冷却钢轨头部踏面的喷头和一对冷却钢轨两侧面的喷头所组成，其特征是：
各喷头上有数十个喷嘴，两侧喷头与钢轨断面对称轴构成1～10度的夹角。
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