CN101818239B - 铁路车轮热处理加热炉及其热处理工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路车轮热处理加热炉，其中的感应加热装置的结构是在所述铁路车轮的踏面外围，设感应加热线圈，在所述的铁路车轮的轮辋的内侧面及轮辋的内侧面至辐板过渡区域的相应位置，设感应加热补偿线圈。本发明还公开了所述的热处理加热炉的热处理工艺方法。采用上述技术方案，实现了轮辋高强度高韧性、辐板低强度高韧性的工艺目标。两相区加热速度特快、奥氏体温区停留时间特短，利于晶粒均匀细化，提高轮辋韧性。能够实现车轮轮辋部位的快速加热，在使轮辋部位完全奥氏体化的同时，辐板部位温度保持在Ac3以下。本发明具有启动快、加热速度快、温度容易控制、加热效率高、工艺重复性好、工件表面质量好、环保等优点。

Description

铁路车轮热处理加热炉及其热处理工艺方法

技术领域

本发明属于冶金工业生产的技术领域，涉及铁路车轮的制造技术，更具体地说，本发明涉及一种铁路车轮热处理加热炉。另外，本发明还涉及所述的热处理加热炉采用的热处理工艺方法。

背景技术

随着我国铁路事业的飞速发展，高速动车组的运行里程和区间都不断扩大。目前，高速动车组的关键部件，包括车轮，都依赖进口，因此实现高速动车组关键部件国产化是当务之急。马钢与铁道部合作承担了高速动车组车轮的研制开发任务。

从前期试制结果看，对于CRH2动车组车轮，采用常规热处理工艺，车轮综合性能与国外车轮相比存在明显差距，突出表现在辐板性能上，主要是辐板强度明显高于国外车轮，而辐板塑性、韧性显著低于国外车轮。

对所试制车轮和国外车轮解剖分析发现：两者辐板组织差距很大，前期试制车轮为铁素体-珠光体组织，而国外车轮为铁素体-部分球化珠光体组织。众所周知，珠光体发生球化后，渗碳体由连续分布的片状变为分散分布的球状，成为以软相铁素体为基体的组织，会使强度大幅度下降，塑、韧性大幅度提高。因此，要使辐板综合性能得到实质性提高，关键是要控制辐板的组织状态。

实验室研究表明，700℃～Ac3退火均能使珠光体部分球化。但在实物热处理生产中，要使辐板达到低强度高韧性、轮辋具有高强度高韧性，则必须保证淬火加热过程中，既使轮辋完全奥氏体化、又使辐板温度处于700℃-Ac3。

马钢车轮热处理加热炉炉内气氛温度是均匀的，辐板最薄，总是最先达到目标温度，高温保持时间最长，采用常规加热无法同时使轮辋温度＞Ac3、辐板温度＜Ac3。

因此，要满足动车组车轮的综合性能要求，必须寻求新的热处理工艺或热处理装置。

发明内容

本发明所要解决的第一个问题是提供一种铁路车轮热处理加热炉，其目的是在保证车轮轮辋强度的前提下，提高辐板的韧性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的铁路车轮热处理加热炉，包括感应加热装置、运料小车、上料小车、下料小车、臂式机械手、电控系统，所述的感应加热装置的结构是在所述铁路车轮的踏面外围，设感应加热线圈，在所述的铁路车轮的轮辋的内侧面及轮辋的内侧面至辐板过渡区域的相应位置，设感应加热补偿线圈。

所述的铁路车轮热处理加热炉设温度自动控制系统，所述的温度自动控制系统中设红外测温装置，并根据红外测温装置测得结果，自动调节所述的感应加热线圈和感应加热补偿线圈的电流和频率。

所述的铁路车轮的端面水平设置。

按质量百分数计算，所述的铁路车轮的材料成分包括：

C：0.50％～0.69％；Si：≤1.1％；Mn：≤1.1％；P：≤0.035％；S：≤0.040％。

具体地说，所述的铁路车轮的材料成分包括：

C：0.60％～0.67％；Si：0.25％～0.28％；Mn：0.77％～0.79％；P：0.010％～0.011％；S：0.003％～0.002％。

本发明所要解决的第二个问题是提供以上所述的铁路车轮热处理加热炉采用的热处理工艺方法，其发明目的与上述技术方案是相同的。为此，本发明采取的技术方案是所述的热处理加热炉的热处理工艺方法的流程如下：

先对铁路车轮进行正火、退火处理，以细化晶粒并使铁路车轮的辐板部位获得所需的组织状态；

上料小车将铁路车轮运至上料处，并定位；

臂式机械手将铁路车轮抓取，并运至运料小车上；

运料小车移动至热处理加热炉的下方；

上移运料小车将铁路车轮上升至热处理加热炉内；

将铁路车轮的踏面置于与感应加热线圈相距感应加热距离的位置上；铁路车轮的轮辋内侧面与感应加热补偿线圈之间保持感应加热的距离；

采用感应加热线圈和感应加热补偿线圈对铁路车轮进行加热，加热时旋转铁路车轮；加热过程中，所述的温度自动控制系统根据红外测温装置测得结果，自动调节所述的感应加热线圈和感应加热补偿线圈的电流和频率；

加热完毕后，下移运料小车使铁路车轮移出热处理加热炉；

运料小车移动至下料位；

臂式机械手将铁路车轮转运至淬火台；

进行淬火；

完成淬火后，臂式机械手将铁路车轮转运至下料小车上；

运送完成热处理的铁路车轮的下料小车移走，换上空的下料小车，定位，工艺循环重新开始。

所述的对铁路车轮进行加热，是实现对铁路车轮的轮辋部位的快速加热，在使轮辋部位完全奥氏体化的同时，辐板部位温度保持在Ac3以下。

所述的感应加热补偿线圈用于铁路车轮的轮辋和辐板过渡区域的加热，通过所述的温度自动控制系统控制加热温度，使得在加热结束时，轮辋全截面的温度≥800℃，轮辋至辐板过渡处＜780℃，辐板温度＜760℃，缩小整个轮辋截面的温差。

通过所述的温度自动控制系统控制加热温度，在加热功率达到500KW时，铁路车轮的轮辋在700℃以上加热时间小于10min。

本发明采用上述技术方案，实现了轮辋高强度高韧性、辐板低强度高韧性的工艺目标。两相区加热速度特快、奥氏体温区停留时间特短，利于晶粒均匀细化，提高轮辋韧性。能够实现车轮轮辋部位的快速加热，在使轮辋部位完全奥氏体化的同时，辐板部位温度保持在Ac3以下。本发明具有启动快、加热速度快、温度容易控制、加热效率高、工艺重复性好、工件表面质量好、环保等优点。加热参数一经确定，对所有同规格车轮，加热效果基本一致，没有现有热处理加热装置的工艺波动性和不稳定性。感应加热补偿线圈用于轮辋与辐板过渡区的加热，以保证轮辋全截面的温度≥800℃，缩小整个轮辋截面的温差。温度自动控制系统根据红外测温结果自动调节电流和频率，达到控制温度和温差的目的。上述技术方案具有突出的实质性特点，并在现有技术的基础上取得了显著的技术进步，解决了本领域长期未能解决的技术难题，充分体现了本发明的新颖性、创造性和实用性。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明所提供的感应加热装置结构示意图；

图2为本发明的实施例一中的车轮测温点位置示意图；

图3为本发明的实施例二中的车轮测温点位置示意图；

图4为本发明的实施例一的轮辋各测温点测温结果曲线图；

图5为本发明的实施例二的轮辋各测温点测温结果曲线图。

图中标记为：

1、铁路车轮，2、感应加热线圈，3、感应加热补偿线圈，4、底座。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示，本发明提供的是一种铁路车轮热处理加热炉，包括感应加热装置、运料小车、上料小车、下料小车、臂式机械手、底座4、电控系统。

为了解决现有技术存在的问题，本发明采取了如下的技术方案：

本发明所提供的铁路车轮热处理加热炉，其中所述的感应加热装置的结构如图1所示，是在所述铁路车轮1的踏面外围，设感应加热线圈2，在所述的铁路车轮1的轮辋的内侧面及轮辋的内侧面至辐板过渡区域的相应位置，设感应加热补偿线圈3。

所述的轮辋的内侧面即车轮带挡边的侧面。

本发明能够实现车轮轮辋部位的快速加热，而辐板温度低于Ac3。使用本装置对车轮轮辋进行加热，在使轮辋部位完全奥氏体化的同时，辐板部位温度保持在Ac3以下。实现了轮辋高强度高韧性、辐板低强度高韧性的工艺目标。

采用这种装置进行处理的技术指标可以达到：

在功率达到500KW时，轮辋在700℃以上加热时间小于10min；

能够实现车轮轮辋部位的快速加热，在使轮辋部位完全奥氏体化的同时，辐板部位温度保持在Ac3以下。加热结束时，轮辋全截面的温度≥800℃，轮辋-辐板过渡处＜780℃，辐板温度＜Ac3。

本发明的上述技术方案具有启动快、加热速度快、温度容易控制、加热效率高、工件表面质量好、环保等优点。

本发明的工艺重复性好。加热参数一经确定，对所有同规格车轮，加热效果基本一致，没有现有热处理加热装置的工艺波动性和不稳定性。

两相区加热速度特快、奥氏体温区停留时间特短，利于晶粒均匀细化，提高轮辋韧性。

感应加热线圈用于对车轮轮辋部位进行加热；感应加热补偿线圈用于轮辋与辐板过渡区的加热，以保证轮辋全截面的温度≥800℃，缩小整个轮辋截面的温差。温度自动控制系统根据红外测温结果自动调节电流和频率，达到控制温度和温差的目的。

所述的铁路车轮热处理加热炉设温度自动控制系统，所述的温度自动控制系统中设红外测温装置，并根据红外测温装置测得结果，自动调节所述的感应加热线圈2和感应加热补偿线圈3的电流和频率。

所述的铁路车轮1的端面水平设置。

按质量百分数计算，所述的铁路车轮1的材料成分包括：

C：0.50％～0.69％；Si：≤1.1％；Mn：≤1.1％；P：≤0.035％；S：≤0.040％。

具体地说，所述的铁路车轮1的材料成分包括：

C：0.60％～0.67％；Si：0.25％～0.28％；Mn：0.77％～0.79％；P：0.010％～0.011％；S：0.003％～0.002％。

本发明还提供以上所述的铁路车轮热处理加热炉采用的热处理工艺方法，其发明目的与上述技术方案是相同的。为此，本发明采取的技术方案是所述的热处理加热炉的工艺方法的流程如下：

先对铁路车轮1进行正火、退火处理，以细化晶粒并使铁路车轮1的辐板部位获得所需的组织状态；

上料小车将铁路车轮1运至上料处，并定位；

臂式机械手将铁路车轮1抓取，并运至运料小车上；

运料小车移动至热处理加热炉的下方；

上移运料小车将铁路车轮1上升至热处理加热炉内；

将铁路车轮1的踏面置于与感应加热线圈2相距感应加热距离的位置上；铁路车轮1的的轮辋内侧面与感应加热补偿线圈3之间保持感应加热的距离；

采用感应加热线圈2和感应加热补偿线圈3对铁路车轮1进行加热，加热时旋转铁路车轮1；加热过程中，所述的温度自动控制系统根据红外测温装置测得结果，自动调节所述的感应加热线圈2和感应加热补偿线圈3的电流和频率；

加热完毕后，下移运料小车使铁路车轮1移出热处理加热炉；；

运料小车移动至下料位；

臂式机械手将铁路车轮1转运至淬火台；

进行淬火；

完成淬火后，臂式机械手将铁路车轮1转运至下料小车上；

运送完成热处理的铁路车轮1的下料小车移走，换上空的下料小车，定位，循环重新开始。

所述的对铁路车轮1进行加热，是实现对铁路车轮1的轮辋部位的快速加热，在使轮辋部位完全奥氏体化的同时，辐板部位温度保持在Ac3以下至700℃。

所述的感应加热补偿线圈3用于铁路车轮1的轮辋和辐板过渡区域的加热，通过所述的温度自动控制系统控制加热温度，使得在加热结束时，轮辋全截面的温度≥800℃，轮辋至辐板过渡处＜780℃，辐板温度＜Ac3，缩小整个轮辋截面的温差。

通过所述的温度自动控制系统控制加热温度，在加热功率达到500KW时，铁路车轮1的轮辋在700℃以上加热时间小于10min。

下面通过两个实施例对本发明的技术方案做详细的说明。

其中，实施例的参数均指采用本发明技术得到的参数，对比例的参数均指用于与相应实施例对照的、采用现有技术的得到的参数。

表1、实施例一和实施例二及对比例的铁路车轮化学成分(质量百分数)：

C

Si

Mn

P

S

其余

实施例一和对比例

0.60％

0.25％

0.77％

0.010％

0.003％

微量

实施例二和对比例

0.67％

0.28％

0.79％

0.011％

0.002％

微量

实施例一：

取两件同炉号铁路车轮1，其成分如表1所示，其中一件预先加工好热电偶测温孔，位置如图2所示(如图中的a、b、c点)；另一件为采用现有技术的对比例。(图2为沿铁路车轮1轴线的剖视图。)

将两件铁路车轮1同时进行820℃、时间为1h的正火，接着进行710℃～740℃、时间为1h退火预处理。

然后使用本发明的上述装置和上述方法，对加工有测温孔的一件铁路车轮1的轮辋进行感应加热，温度设定为850℃，轮辋内部测温结果如图4所示，加热结束后进行淬、回火。(图4中的a、b、c曲线分别反映图2中的a、b、c点的相应的温度变化。)

另一件铁路车轮1按850℃×2h的常规现有工艺进行淬火加热，加热结束后进行淬回火。将两件铁路车轮1进行解剖分析，拉伸试验和冲击试验结果分别见表2和表3。

表2、实施例一及其对比例中的铁路车轮拉伸试验结果：

表3、实施例一及其对比例中铁路车轮冲击功试验结果：

实施例二

取两件同炉号铁路车轮1，其成分如表1所示，其中一件预先加工好热电偶测温孔，位置如图3示(如图中的A、B、C、D、E点)；另一件为采用现有技术的对比例。(图3是沿铁路车轮1轴线的剖视图。)

将两件铁路车轮1同时进行820℃、时间为1h的正火，接着进行710℃～740℃、时间为1h退火预处理。

然后使用本发明的上述装置和上述方法，对加工有测温孔的一件铁路车轮1的轮辋进行感应加热，温度设定为860℃，轮辋内部测温结果如图5所示，加热结束后进行淬、回火。(图4中的A、B、C、D、E曲线分别反映图2中的A、B、C、D、E点的相应的温度变化。)

另一件铁路车轮1按860℃×2h的常规现有工艺进行淬火加热，加热结束后进行淬、回火。将两件铁路车轮1进行解剖分析，拉伸试验和冲击试验结果分别见表4和表5。

表4、实施例二及其对比例中铁路车轮拉伸试验结果：

表5、实施例二及其对比例中铁路车轮冲击功试验结果：

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铁路车轮热处理加热炉，包括感应加热装置、运料小车、上料小车、下料小车、臂式机械手、电控系统，其特征在于：所述的感应加热装置的结构是在所述铁路车轮(1)的踏面外围，设感应加热线圈(2)，在所述的铁路车轮(1)的轮辋的内侧面及轮辋的内侧面至辐板过渡区域的相应位置，设感应加热补偿线圈(3)。

2.按照权利要求1所述的铁路车轮热处理加热炉，其特征在于：所述的铁路车轮热处理加热炉设温度自动控制系统，所述的温度自动控制系统中设红外测温装置，并根据红外测温装置测得结果，自动调节所述的感应加热线圈(2)和感应加热补偿线圈(3)的电流和频率。

3.按照权利要求2所述的铁路车轮热处理加热炉，其特征在于：所述的铁路车轮(1)的端面水平设置。

4.按照权利要求1或2或3所述的铁路车轮热处理加热炉，其特征在于：按质量百分数计算，所述的铁路车轮(1)的材料成分包括：

C：0.50％～0.69％；Si：≤1.1％；Mn：≤1.1％；P：≤0.035％；S：≤0.040％。

5.按照权利要求4所述的铁路车轮热处理加热炉，其特征在于：按质量百分数计算，所述的铁路车轮(1)的材料成分包括：

C：0.60％～0.67％；Si：0.25％～0.28％；Mn：0.77％～0.79％；P：0.010％～0.011％；S：0.003％～0.002％。

6.按照权利要求3所述的铁路车轮热处理加热炉采用的热处理工艺方法，其特征在于：所述的热处理加热炉的工艺方法的流程是：

先对铁路车轮(1)进行正火、退火处理，以细化晶粒并使铁路车轮(1)的辐板部位获得所需的组织状态；

上料小车将铁路车轮(1)运至上料处，并定位；

臂式机械手将铁路车轮(1)抓取，并运至运料小车上；

运料小车移动至热处理加热炉的下方；

上移运料小车将铁路车轮(1)上升至热处理加热炉内；

将铁路车轮(1)的踏面置于与感应加热线圈(2)相距感应加热距离的位置上；铁路车轮(1)的轮辋内侧面与感应加热补偿线圈(3)之间保持感应加热的距离；

采用感应加热线圈(2)和感应加热补偿线圈(3)对铁路车轮(1)进行加热；加热时旋转铁路车轮(1)；加热过程中，所述的温度自动控制系统根据红外测温装置测得结果，自动调节所述的感应加热线圈(2)和感应加热补偿线圈(3)的电流和频率；

加热完毕后，下移运料小车使铁路车轮(1)移出热处理加热炉；

运料小车将铁路车轮(1)移动至下料位；

臂式机械手将铁路车轮(1)转运至淬火台；

进行淬火；

完成淬火后，臂式机械手将铁路车轮(1)转运至下料小车上；

运送完成热处理的铁路车轮(1)的下料小车移走，换上空的下料小车，定位，工艺循环重新开始。

7.按照权利要求6所述的热处理工艺方法，其特征在于：

按质量百分数计算，所述的铁路车轮(1)的材料成分包括：

C：0.50％～0.69％；Si：≤1.1％；Mn：≤1.1％；P：≤0.035％；S：≤0.040％；

所述的对铁路车轮(1)进行加热，是实现对铁路车轮(1)的轮辋部位的快速加热，在使轮辋部位完全奥氏体化的同时，辐板部位温度保持在Ac3以下至700℃。

8.按照权利要求6所述的热处理工艺方法，其特征在于：所述的感应加热补偿线圈(3)用于铁路车轮(1)的轮辋的和辐板过渡区域的加热，通过所述的温度自动控制系统控制加热温度，使得在加热结束时，轮辋全截面的温度≥800℃，轮辋至辐板过渡处温度＜780℃，辐板温度＜Ac3，缩小整个轮辋截面的温差。

9.按照权利要求6所述的热处理工艺方法，其特征在于：通过所述的温度自动控制系统控制加热温度，在加热功率达到500KW时，铁路车轮(1)的轮辋在700℃以上加热时间小于10min。

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