CN1127790A - 钢轨在线余热强化工艺及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢轨利用轧制余热强化工艺及其装置，属于钢轨处理技术，将终轧温度高于900℃的钢轨，经热锯热切成定尺后用输送辊道运往强化装置，由计算机控制按钢轨入口温度和前后温差来设定输送辊道的运行速度，从而实现不同的强化时间。强化装置由咬入机、导向辊、牵引机和冷却机组构成，冷却机组由冷却轨头的三维喷头和冷却轨底的喷头组成，各喷头沿钢轨长度方向纵向布置，以2～4kg/cm2风压将0.024～0.048m3/min的水雾化喷向轨头和轨底，强化后钢轨头部踏面硬度高且均匀，硬化层深达37～47mm，钢轨平直、挠度小，机械性能好，本发明适用于50～75kg/m和60AT轨的在线强化处理。
Description
本发明涉及一种钢轨利用轧制余热进行强化的工艺及其装置，特别适合于钢轨在线余热动态强化，属于钢轨的热处理技术。
铁路运输随着高速度、高轴重，大运量，高车流密度方向发展，供钢轨头部磨损加剧和出现疲劳损伤，致使钢轨使用寿命大为缩短。为进一步提高钢轨的使用性能，世界各国均在钢轨的热处理技术方面进行了研究和开发，生产具有高耐磨性和高疲劳强度的钢轨，以满足铁路运输的需要。
钢轨的热处理方法通常采用离线热处理，如中国专利88105864.5和92113263.8，分别介绍了一种生产高强度钢轨的热处理方法。该方法均将加工平直的冷态钢轨运至热处理车间，先用工频感应整体予热，再用中频感应对其轨头加热至予定的热处理温度，然后在自然环境中空冷至予定的温度范围，随后用压缩空气和喷水冷却。其优点是在钢轨充分恢复和再结晶下，靠重新加热，加速冷却强化，韧性较好。但存在着两个重要缺点：一是硬化区或淬火层较浅；二是由于冷态重新加热处理，能源消耗大，产量低，成本高。
近年来国外正在开发一种钢轨在线热处理新工艺，即在钢轨轧制生产线上，利用钢轨轧制余热，直接用辊道送至热处理车间，其主要优点是节省能源，产量大，成本低，硬化层深，且性能可达到相关标准的要求。如日本的新日本制铁株式会社在中国的专利申请85109735，介绍了一种钢轨在线热处理方法及其设备，它可用于轧制余热钢轨或冷态钢轨重新加热至奥氏体状态之温度范围，在钢轨头部周围配置喷咀装置，将气体冷却介质喷向钢轨的头部。根据钢轨头部所要求的硬度及此钢轨材料中的碳当量来确定喷咀装置和钢轨头部之间的距离，移动喷咀装置将气体以予定的流率喷射轨头达一予定的时间冷却轨头，从而使轨头获得要求的硬度。在冷却钢轨头部的同时，采用钢轨底面的冷却装置，将气体介质喷向钢轨底面，以减小钢轨沿其长度方向的挠曲。其优点是连续冷却，生产率高，钢轨机械性能好。但其不足之处为周期性静态热处理，是将3～4支钢轨置于冷却机组内同时热处理，要使冷却介质沿冷却机组全长分布均匀是非常困难的，要修正钢轨初始温度沿钢轨全长不可避免的波动，温度波动对钢轨全长性能的稳定性有决定性影响。经过热处理后的钢轨轨头强度不均匀，硬度分布是随从表面向下的深度而降低。且在钢轨材料中还需加入0.20～0.80％(重量)的合金元素铬，此外至少还得加入铌、钒、钛、钼、铜、镍等合金元素中的一种，而这些元素价格昂贵，这就造成钢轨价格的升高。设备复杂、投资大。
本发明是按如下步骤实现的：是将终轧后温度高于900℃的钢轨，经热锯锯切成定尺，温度为830～880℃，用输送辊道运往强化装置。在进入强化装置之前，用间距7～10M的两组侧温仪测量入口温度，测量空冷温降速度，确定钢轨全长温度范围，以决定辊道运行加速度，保证钢轨前后必要的强化时间。钢轨入口温度可为860～720℃，一支钢轨连续温差允许～100℃ 。嗣后，用咬入机、输送辊道和导向辊送入冷却机组；钢轨进入冷却机组内，由计算机控制按此支钢轨入口温度和前后温差来设定输送辊道的起点速度和加速度，对此支轨从前到后给予不同的速度来实现不同的强化时间。在钢轨强化过程中，钢轨相对于冷却机组单向连续运动，其速度为0.2～1.25m/s，连续可调。
强化装置是由咬入机、导向辊、输送辊道、牵引机和冷却组构成，咬入机和牵引机分别前后紧压于钢轨轨头踏面和轨底，导向辊位于钢轨轨腰两侧，钢轨由输送辊道托着单向连续运动。冷却机组位于钢轨的头部上方和钢底的下方，支承于机架上。冷却机组是由一个冷却钢轨头部踏面的喷头和一对冷却轨头两侧面的喷头以及一个冷却轨底的喷头所组成，冷却轨头的三维喷头是沿钢轨长度方向纵向布置，喷头距轨头踏面高度为80～120mm，三维喷头喷射水雾横向夹角为20～30度。确保水雾喷射在钢轨整个踏面和轨头两侧下圆角3～4mm以上部位。冷却轨底的喷头也沿钢轨长度方向纵向布置，喷头与轨底距离可调，可将水雾喷射轨底中央2/3。四个喷头长度为1.0～3.0m，每隔1.5m为一组成单元，每个喷头前端设有数十个喷咀，尾端分别与压缩空气风管和水管相连接。以2～4kg/cm2压力的压缩空气，将流量为0.024～0.048m3/min的水雾化，分别喷向钢轨头部和底部，控制调节输送辊道的速度，使其以8～18℃/S的冷却速度进行强化冷却，其强化时间为40″～1′。确保钢轨不产生马氏体相变，轨头轨底采用均衡冷却，以控制钢轨经强化处理后沿长度方向的挠曲。
强化处理后的钢轨后由牵引机牵出，在钢轨出口处用测温仪测量自回火温度为550～600℃，随后经冷床自然冷却后精整入库。
本发明的优点及其效果是：
(1)本发明采用钢轨在线余热动态强化处理，可连续生产，大量节省能源，产量大，成本低。
(2)强化装置结构简单，易于制作。冷却机组长短可根据产量要求而定，灵活性强，长度可加长或缩短，只控制输送辊道运行速度，其他参数不变，易于操作。
(3)强化过程只改变强化时间，冷却能力不作过程控制，为一常数。本发明强化时间短，平均约50秒，而国外为1.5～3分钟。
(4)强化冷却采用双介质风和水，用压缩空气使水雾化，以水提高冷速，适用于普碳钢轨强化，不用加铬。以风为主体，可克服热轧中不稳定因素，克服仅用水作冷却介质对特定化学成分的限制，使强化性能稳定。
(5)本发明采用轨头、轨底均衡冷却，钢轨头部踏面硬度高、且均匀，硬化深度为37～47mm。钢轨平直，挠度小，机械性能好。
(6)轨头、轨底均呈现压缩应力，对线路使用有利。
本发明适用于50～75kg/m和60AT轨的在线强化处理。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为钢轨在线余线强化工艺的实例侧视图；
图2为强化装置运行机构纵向布置示意图；
图3为图2A-A剖视冷却机组横断面结构示意图；
图4a和图4b分别为60kg/m钢轨740℃强化后轨头横断面硬度测量结果及其曲线；
图5a和图5b分别为60kg/m钢轨720℃强化后轨头横断面硬度测量结果及其曲线；
图6为余热强化后冷至室温钢轨变形示意图；
图7为钢轨强化后残留应力测点示意图。
如图1所示，终轧温度高于900℃的钢轨[1]由输送辊道[2]运至热锯[3]热切成定尺后，由过跨测温仪[4]测量钢轨温度低于830℃(此温度同热处理线位置相关)的非热处理轨，用辊道[6]送往热轧轨生产线，而高于830℃的为余热处理轨，进入过跨台架[5]，在由辊道[7]送往余热强化装置[9]入口之前，用间距7～10M的两组侧温仪[8]测量空冷温降速度和钢轨入口温度及其前后温差。嗣后，如图2所示，钢轨[14]由咬入机[12]、输送辊道[15]和导向辊[13]进入冷却机组，由计算机控制按此支钢轨入口温度和前后温差来设定输送辊道[15]的起点速度及加速度，对此支轨从前到后给予不同的速度来实现不同的强化时间。其输送辊道运行速度为0.2～1.25m/s，一支轨的强化时间为40″-1′。
强化装置[9]是由咬入机[12]、导向辊[13]、输送辊道[15]、牵引机[16]和冷却机组构成。冷却机组如图3所示，是由一个冷却钢轨头部踏面的喷头[18]和一对冷却轨头两侧面的喷头[19]以及一个冷却轨底的喷头[20]所组成，冷却轨头的三维喷头是沿钢轨[14]长度方向纵向布置，支承于机架[17]上。喷头[18]距钢轨[19]踏面高度为80～120mm，以适应不同钢轨规格强化，三维喷头喷射水雾横向夹角为20～30度，以喷射轨头两侧下圆角3～4mm以上部位。冷却轨底的喷头[20]距轨底高度可调，以冷却喷射复盖轨底中央2/3部分。高度可调为控制均衡冷却，控制变形。
每个喷头上有数十个喷咀，以2～4kg/cm2压力的压缩空气，每隔1.5m为一单元(上下4个喷头)将流量为0.024～0.048m3/min的水雾化，喷向轨头和轨底，使其以8～18℃/S的冷却速度进行强化冷却。强化处理后的钢轨由输送辊道[15]和牵引机[16]牵出，在钢轨出口处用测温仪[10]测量自回火温度为550～600℃，随后经冷床自然冷却后精整入库。
实施例：
用化学成份(重量％)为：0.76～0.82C、0.70～1.0Mn的一支钢轨坯终轧成60kg/m级钢轨77m，经热锯锯切成25m轨三支，经连续测温结果列于表1。第一支轨锯切温度为882～874℃，前后温差11.8℃，第二支轨锯切温度为871～863℃，前后温差13.5℃，第三支轨锯切温度为856～836℃，前后温差26.5℃，钢轨从锯切至强化装置入口前，运行中空冷速度为0.8℃/s，运行时间90s，温降72℃。三支轨连续送入强化装置进行强化处理。其强化条件为：冷却机组三维喷头距踏面高度100mm，三维喷头喷射水雾横向夹角为30度。压缩空气为3kg/cm2，水量为0.030M3/min，冷却速度为14℃/s，三支轨输送辊运行速度为0.2～1.25m/s，强化时间分别为55″、50″和45″。强化处理后测量自回火温度分别600℃、580℃和560℃。
740℃和720℃下余热强化处理后的60kg/m钢轨横断硬度测量结果及分布曲线分别如图4a、图4b和图5a、图5b所示。余热强化后冷至室温钢轨变形程度如图6所示，挠曲f一般为25mm/11.7m，2.1‰，14mm/12m，1.2‰最大为98mm和11.6m，8.4‰。其机械性能与现有技术比较列于表2。钢轨余热强化处理后残留应力测量结果和分布列于表3和如图7所示。
钢轨余热强化后全长踏面硬度差列于表4，在820～720℃下，温差为100℃，ΔHB＝29。
锯切温度及每支轨前后温差(℃) 表1
| 支 号 | 1 | 2 | 3 |
| 锯切温度 | 874～882 | 863～871 | 856～836 |
| 每支轨前后温差 | 11.8 | 13.5 | 26.5 |
强化轨机械性能比较 表2
| 类别 | 机 械 性 能 | 踏面硬度HB | 硬化深度≥300HB | ||
| δ0.2MPa | δbMPa | δs％ | |||
| 西欧标准 | ≥740 | ≥1160 | ≥9 | 341～388 | ≥22mm |
| 中国铁道部要求 | ≥800 | ≥1200 | ≥10 | 341～388 | ≥22mm |
| 本发明 | 855 | 1260 | 11.2 | 390～400 | 47mm |
钢轨余热强化后全长踏面硬度差
ΔHB＝MaxHB－minHB 表4
| 温度(℃) | 820 | 800 | 780 | 760 | 740 | 720 |
| ΔHB | 10 | 8 | 8 | 29 | 13 | 8 |
钢轨余热强化处理后残留应力测量结果(MPa)表3
Claims (5)
1.一种钢轨在线余热强化工艺，其特征在于：
(1)将终轧温度高于900℃的钢轨，经热锯锯切成定尺后，温度为830～880℃，用输送辊道运往强化装置；
(2)钢轨在进入强化装置之前，用间距7～10M的两组侧温仪测量入口温度为860～720℃，由咬入机、输送辊道和导向辊送入冷却机组；
(3)用配置在钢轨头部周围的三个喷头和位于钢轨底部的一个喷头，以2～4kg/cm2压力的压缩空气，将流量为0.024～0.048m3/min的水雾化，分别喷向钢轨头部和底部，调节输送辊道的速度，使其以8～18℃/S的冷却速度强化处理，强化时间为40″～1′；
(4)强化处理后的钢轨由牵引机牵出，在钢轨出口处用测温仪测量自回火温度为550～600℃，经冷床自然冷却后精整入库。
2.根据权利要求1所述的强化工艺，其特征在于冷却机组的输送辊道速度是根据钢轨入口温度和此支轨前后温差决定，在钢轨强化过程中，钢轨相对于冷却机组单向连续运动，其速度为0.2～1.25m/s，连续可调。
3.一种为实现权利要求1所述工艺的强化装置，它由咬入机、导向辊、输送辊道、牵引机和冷却机组构成，其特征在于：咬入机和牵引机分别前后紧压于钢轨轨头踏面和轨底，导向辊位于钢轨轨腰两侧，钢轨由输送辊道托着单向连续运动，冷却机组位于钢轨的头部上方和钢底的下方，并支承于机架上。
4.根据权利要求3所述的强化装置，其特征在于：所说的冷却机组是由一个冷却钢轨头部踏面的喷头和一对冷却轨头两侧面的喷头以及一个冷却轨底的喷头所组成，冷却轨头的三维喷头是沿钢轨长度方向纵向布置，喷头高度和角度可调，每个喷头前端设有数十个喷咀，尾端分别与压缩空气风管和水管控制连接，每隔1.5m为一组成单元。
5.根据权利要求4所述的强化装置，其特征在于：冷却轨头的三维喷头距轨头踏面高度为80～120mm，喷射水雾横向夹角为20～30度。
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