CN85109735A - 钢轨热处理的方法和设备 - Google Patents

Abstract

可获得多种强度等级的钢轨热处理方法，其强度范围可以从中等到高强度。该方法的步骤为：制备一根温度保持在不低于奥氏体区的高温范围内的钢轨，在其头部周围配置喷嘴装置，使喷嘴可以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等级及比钢轨钢材中的碳当量确定喷嘴和钢轨头部之间的距离；移动喷嘴装置以获得喷嘴装置和钢轨头部之间所要求的距离；将气体冷却介质以预定的流率喷射轨头达一预定的时间冷却，轨头从而在轨头获得要求的硬度等级。

Description

钢轨热处理的方法和设备

本发明涉及生产具有多种强度等级的钢轨之热处理的方法和设备，它是采用将钢轨自然轧或为了进行热处理而加温后的奥氏体状态之温度范围进行冷却而达到的。

铁路运输中，日益增加的重负荷和高速度造成轨头迅速磨损和疲劳，因而对具有高抗磨损、抗损伤特性的钢轨以及对具有从中等强度（Hv＞320）到高强度（Hv＞360）的各种强度等级钢轨的需要量不断增加。

正如研究所证实，对具有细珠光体结构的钢轨的需要量已经大大增加，众所周知，这种类型的钢轨具有极好的抗磨损，抗损坏特性。

作为现有技术在日本未审查的专利№    140316/1975中介绍了一种合金钢轨。这种钢轨由合金钢制成。该合金钢在碳钢中添加了硅、锰、镍、铬、钼和钛等元素，轧制后即可使用。

日本已批准的专利№    23885/1980介绍了另一种下面加以描述的钢轨。这种钢轨不故意添加任何合金元素，但这种钢轨的头部被重新加温至很高的温度，并从预定的温度范围开始，以一定的冷却速度通过一个固定的温度区域，以此对轨头进行冷却。

然而这些现有的钢轨具有下述缺点

前面所述的第一种钢轨，在其成分中添加了合金元素，而这些元素通常都比较昂贵，所以造成钢轨的价格上升。

上述的第二种钢轨，采用冷却介质如水或气体喷向加热到高温的钢轨头部，由此对高温的轨头施以强制冷却。这种方法只能生产具有一定强度的钢轨而不适于生产具有多种不同强度等级的钢轨。在这种强度等级钢轨的生产中，材料中的碳和其它合金元素的含量在炼钢过程中是波动的，而正是碳和合金元素基本上确定了钢轨的强度等级，而这种波动在现有技术中无法补偿，因此不可能应用现有技术获得所要求的强度等级的钢轨。

本发明的目的之一是提供一种钢轨的热处理方法，该方法适于生产具有从中等强度到高强度各种不同强度等级的钢轨，并具有要求的特性，如抗磨损、抗损坏的特性。

本发明的另一目的是提供一种适于生产具有多种不同强度等级钢轨的热处理方法，该法可以使钢轨头部的整个横截面上具有均匀的特性，如抗磨损、抗损坏特性。

本发明还有一个目的是提供一个实现本发明方法的设备，更具体地说是一个供热轧钢轧使用的节省能源的热处理设备。它具有一个很短的冷却区，因此只须要很小的安装空间。

本发明提供了一种能得到从中等硬度到高硬度多种不同硬度等级钢轨的钢轨热处理方法，该方法包括上列步骤：制备好一根温度保持在不低于奥氏体区的高温范围内的钢轨，在钢轨头部周围配置喷嘴装置，使其可以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等级及此钢轨材料中的碳当量确定喷嘴装置和钢轨头部之间的距离;移动喷嘴装置以获得喷嘴装置和钢轨头部之间所要求的距离;将气体冷却介质以预定的流率喷射轨头达一预定的时间冷却轨头，从而在轨头获得要求的硬度等级。

碳当量C由下述公式给出

（C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14）

以本发明的方法处理过的钢轨具有稳定的珠光体组织，这种钢轨的钢材主要含有（按重量）0.55～0.85%的碳，0.20～1.20%的硅，0.50～1.50%的锰，其余的是铁和一些杂质。也可以按重量加入0.20～0.80%的铬。并且至少可以在铌、钒、钛、钼、铜和镍中选出一种加到其成分中。

在本发明方法的最佳形式中，冷却是以可控制的方式用三维喷嘴来实现的，该喷嘴可以在三个方向独立地以恒定的速率将冷却介质（空气、氮气或其它介质）喷向轨头的顶面和两个侧面。用过的气体冷却介质从轨头的两个侧量角和两个根部排出。采用这种方法可以在轨头的所有部分，包括顶面、测量角、侧面和口下表面获得均匀的硬度。而且能防止过度硬化或形成不希望的组织，如避免在测量角处因容易过度冷却而形成贝氏体。

另一方面，本发明提供一种实现本发明所述钢轨热处理方法的设备，该方法可获得具有从中等到高硬度等级的多种不同硬度等级的钢轨。该设备包括：

传送所述钢轨的传送机构：

一个轨头冷却装置，它具有许多喷嘴，这些喷嘴排列于所述钢轨头部的周围，使气体冷却介质喷到所述钢轨的头部。

安置在传送机构下方的钢轨底部冷却装置，使所述气体冷却介质喷向钢轨的底面;

其中轨头冷却装置可以移动，以改变所述喷嘴与钢轨头部之间的距离。

图1为第一实施例的侧视图，它用于实现按本发明的热处理方法的第一个实施例的冷却装置;

图2为图1所示冷却装置的局部放大剖视图;

图3为根据本发明方法的实施例冷却的轨头冷却速率的冷却曲线图;

图4和图5为根据本发明方法进行热处理的钢轨横截面上的硬度测量结果曲线;

图6a和6b为围绕式轨头喷嘴头及气体冷却介质流线图;

图7a和7b为以图6a所示型式的冷却喷嘴进行热处理的钢轨横截面的硬度测量结果。

图8为说明轨头截面表面区域中各部分名称的例图。

图9为用于实现本发明热处理方法第二实施例的冷却装置中配置的喷嘴头例图;

图10a和10b为根据本发明热处理方法第二实施例进行热处理的钢轨横截面上硬度测量结果;

图11a和11b为根据本发明热处理方法的第一和第二实施例进行热处理的钢轨在轨头表面下1至1.5毫米深处的硬度分布比较曲线;

图12a和12b说明在冷却期间钢轨的挠曲;

图13是根据本发明方法的具有防止钢轨挠曲的冷却装置侧视图;

图14是用于图13所示装置的冷却装置的局部放大视图;

图15为在冷却期间为防止钢轨挠曲，钢轨上部和下部区域中空气流动速率的变化曲线;

图16为按照图13所示实施例冷却的钢轨挠曲量变化曲线;

图17为按照图13所示实施例进行热处理的钢轨横截面上硬度测量结果曲线;

图18为实现本发明方法的一个热处理设备实施例的正视图;

图1和图2示意地给出了实施本发明热处理方法的第一实施例的第一个设备例图。首先参看图1，钢轨1经热轧或为进行热处理而加温，并保持在不低于Ar₃温度的温度范围。加热钢轨至不低于Ar₃温度主要为了通过加速冷却以获得具有（优良的）抗磨损、抗损坏特性的细珠光体组织。围绕钢轨头部的半圆环形上喷头沿热钢轨1的运动方向，也就是沿钢轨的纵向延伸。喷头2具有喷嘴，该喷嘴安装得能使气体冷却介质，如空气或氮气同时喷在热钢轨1头部的顶面或侧面上。升降装置4可根据要求提升及降低喷头2，温度计5安置于冷却装置的入口侧，它用于测量热导轨1头部顶面的温度θ_S。如图2所示，上喷头2的喷嘴排列成扇形，使它们能将冷却介质对准钢轨头部的中心，以保证轨头表面均匀冷却，从而保证均匀的强度分布。标号3表示一个下喷头，该喷头与上喷头的情况一样，沿热钢轨1的运动方向，也就是热钢轨的纵向延伸，并使其能将气体冷却介质对准热钢轨1底面的中心。下喷头的作用是调整钢轨1的形状。

下面对本发明热处理方法第一个实施例以及第一种冷却装置的工作进行介绍。这里假设采用空气作为气体冷却介质。

如前所述，当钢轨刚被热轧过或为了进行热处理而加热后，热钢轨1保持在不低于Ar₃温度的温度范围。在进行热处理前，钢轨材料的碳当量Ceq由成分分析确定，而其它的条件，如要得到的硬度Hv，冷却空气流率以及上喷头的压力P是给出的，当使用图2所示的喷头时，上喷头2和轨头顶面之间的距离H按下述的公式（1）确定

Hv＝10ⁿ+（200.Ceq-190） （1）

n＝2.4993+0.039887logF-0.0051918logF²

其中

Hv：通过热处理从轨头顶面向下10毫米深范围内的硬度（与强度相对应）〔维氏硬度10kg〕

Ceq：碳当量

F：冷却度

F＝Q· $\sqrt{P}$ /H

Q：钢轨单位长度上气体冷却介质的流率〔米³/米·分〕

P：喷头压力

〔毫米水柱，喷嘴阻力系数f＝0.85〕

H：喷头和轨头之间的距离（毫米）

n：由喷嘴类型确定的系数

图1所示的冷却装置安置成使喷头2和轨头之间保持如前面所确定的距离H，钢轨1笔直地沿纵向送进。

热钢轨1顶面的表面温度θ_S由安装在冷却装置进口一侧的温度计与测量，冷却时间T_AC由测得的温度θ_S按下述公式（2）计算

T_AC≥0.336θ_S-150（sec） （2）

钢轨1连续地或根据要求间歇地或往复地按照确定的冷却时间穿过冷却装置，由此连续地被冷却。

当根据公式（1）所给出的条件实行调节时，就可以获得具有所要求的强度水平的热处理钢轨，这种钢轨具有优良的抗磨损和抗损坏的特性，而且补偿了合金元素含量波动，也就是采用一个冷却设备，一方面要求能补偿由于在炼钢过程中所出现的合金元素含量的波动而引起强度的变化，而另一方面需要能获得钢轨所要求的Hv（维氏硬度）从320到400变化范围很宽的强度等级。本发明能满足这二个要求，它以碳当量Ceq和距离H两个条件来控制热处理。根据公式本发明的热处理方法能够消除合金元素含量波动的任何不良影响，同时还提供强度等级控制的宽广的范围和有效的成分设计。这一方法对控制热轧钢轨自不低于Ar₃温度的温度范围开始的冷却特别有效。

另一方面，前面所提到的公式（2）能确定冷却时间。本发明的热处理可以对钢轨的温度进行测量。例如测量可以在图3所示的那些点上进行，也就是在低于轨头顶面5毫米的一个点、低于轨头顶面25毫米的一个点和在测量角下面5毫米的一个点进行。低于轨头顶面25毫米的测量点基本上位于轨头的中心，如果施行冷却使在这点的温度降低到接近于由于珠光体转变所引起的再加热而出现的峰值温度，珠光体转变就基本上在头部截面的整个范围内完成，应而以后中断冷却也能获得所要求的强度等级。冷却时间T可以由测得温度θ_S由冷却曲线确定，因此冷却装置就可以稳定地工作。

下面将描述本发明热处理方法的第二个实施例，以及适用于实现这一方法的第二种冷却装置。

在本发明热处理方法的第一个实施例中所应用的冷却介质如气体对于轨头的冷却是利用喷头来实现的。该喷头连续地围绕在轨头的顶面和轨头的两个侧表面，如图6a或6b所示。当使用这一类型的喷头时，用过的喷头中的气体冷却介质是沿着轨头的两个侧表面向下排出的。因此在轨头两个侧表面的较低部分冷却效果是逐渐减弱的。其部分原因是由于冷却介质的温度逐渐升高，而另一部分原因是由于存在着沿这两个表面向下流动的介质，使冲击到这两个侧表面的介质流动的冲刷作用的影响减小了。此外，颚口下表面得不到有效的冷却，由此造成在钢轨头部横截面的硬度分布不均匀，也就是说虽然接近头部顶面的区域中得到了要求的硬度，而靠近头部的侧面和口下表面硬度却不足，此外，在测量角周围由于过度冷却形成的贝氏体组织，硬度很不稳定。

这些缺点可以采用本发明的第二种实施例加以避免。下面对这种实施例作进一步的描述。

图9给出了适用于实现本发明热处理方法的第二种实施例的喷嘴头安置的形式。参看图9，刚热轧完毕或者为了热处理重新加热后的热钢轨31处于不低于温度Ar₃的温度范围内。将钢轨加热到不低于Ar₃的温度范围，主要是为了得到一个细珠光体组织，这种组织在加速冷却之后具有优良的抗磨损和抗损坏特性。在这一实施例中为了冷却钢轨的头部采用了三个独立的喷头：一个为了冷却轨头顶面的喷头32（下文中简称“上喷头”）和一对喷头34，它们用来冷却轨头的两个侧表面和颚口下表面（下文中简称“侧喷头”）。这些喷头3234、34彼此间是独立安置的，并且沿钢轨的纵向延伸。上喷头具有多个喷嘴33，它们用于将气体冷却介质如空气或氮气喷向轨头的顶面，而侧喷头34、34具有多个喷头，它们用于将冷却介质喷向轨头的侧表面和颚口的下表面。实际上，喷嘴33和轨头之间的距离和在第一实施例的情况一样是根据所要获得的强度等级来确定的。在冷却完轨头的顶面和轨头的侧表面的上部之后，冷却介质通过测量角周围的间隙排出。而冷却完轨头侧表面下部和颚口下表面的冷却介质经过轨头的根部排出。因此，测量角上的冷却程度相对减小了，这样就有效地避免了测量角的过度冷却。此外，轨头的全部表面上冷却效果十分均匀，由此，保证了轨头中强度的均匀分布。

标号36表示为冷却钢轨底面的喷头（下文中简称“下喷头”）。下喷头36沿着上喷头32和侧喷头34的长度方向延伸，它用于将气体冷却介质喷向钢轨1的底部。如图9所示，下喷头36面向钢轨1的底面，它起到调整钢轨1形状的作用。

根据图9所示的实施例，在冷却完成后冷却介质排出时所通过的间隙是沿着轨头的测量角形成的，这样测量角不直接受到新鲜的冷却介质的冷却，而被那些已经冷却过轨头其它部分的冷却介质冷却。因此，在测量角的冷却作用比在轨头的顶面和两个侧表面上的冷却作用减小了。这样边角基本上在与轨头顶面和两个侧表面同样的速度下冷却，由此，避免了在测量角范围内出现不希望形成的贝氏体组织。此外，由于喷向轨头侧表面大约一半的冷却介质，通过沿着测量角延伸的间隙排出，有可能直接应用冷却介质去冷却颚口下表面，这样，进一步使轨头整个表面的硬度趋于均匀。

下面将对另一实施例进行介绍，在这一实施例中，应用下喷嘴将气体冷却介质喷到钢轨的底面，从而有效地控制钢轨的形状。

本发明热处理方法应用将气体介质喷向钢轨的方法对钢轨进行强迫局部冷却，因而在钢轨中形成很大的温度梯度。特别是当仅仅在钢轨的头部实施冷却的时候。由于温度梯度的存在，钢轨会产生正向挠曲，此时轨头拱起如图12a所示，或产生负向挠曲，此时轨头向下凹陷如图12b所示。在以气体冷却介质冷却轨头的期间，在规定的条件下采用气体冷却介质同时冷却钢轨的底面就能够消除这一挠曲的缺点。

图13和图14显示了一个能防止钢轨挠曲的设备之安置实例。如图14所示，该设备具有一个上喷头42，它类似于第一实施例中所应用的喷头。上喷头42具有多个喷嘴，喷嘴按扇形排列，使冷却介质可以喷向钢轨的头部。该设备还具有下喷头43，它和上喷头42的情况一样沿热钢轨1运动的方向延伸，使冷却介质喷向钢轨底部的下表面即轨道底面。下喷头43的喷嘴可以同心地排列在钢轨1的附近，使冷却介质喷向钢轨底部中间的厚壁区，或者可以排列成使冷却介质分布于整个钢轨底部。下喷头43喷嘴的总面积与上喷头42喷嘴的总面积之比最好选在1/2到1/5的范围内。

设备还具有冷却介质主供应管道44，它在其进口一边与冷却介质源相连接（未在图中示出），而在其出口一边通过介质流率调整阀45与上喷头42相连，与此相类似钢轨底部的冷却介质供应管道，其进口端与冷却介质源（未示出）相连，而出口端通过介质流量调节阀47与下喷头相连接。挠曲测量装置49与挠曲（位移）检测器8相连，而且检测器安置在相邻的下喷头43之间。调整阀控制器50根据检测到的挠曲量调节冷却介质流率调整阀47打开的程度。因而各介质流率调整阀47可以独立工作，已根据热钢轨1的挠曲量调整冷却介质的流率。冷却介质流率调整阀47的调节可以由操作人员手工进行调节。操作人员根据经验凭肉眼检查挠曲量。标号51所示传送滚轮。

在应用气体冷却介质冷却轨头的时期内，从下喷头43喷出的气体冷却介质的速率根据挠曲测量装置49的测量结果进行调整。更准确地说，挠曲（位移）测量在钢轨1送入冷却设备中后立刻就开始。在钢轨刚刚送入冷却装置时，钢轨底部的温度下降速度大于钢轨头部的下降速度，因此，钢轨在头部和底部之间存在很大的温度梯度，并可检测出头部向上拱起，也就是存在如图12a所示的正向挠曲。当检测出钢轨的正向挠曲时，立刻减少下喷头冷却介质的流率，以此减少钢轨底部的冷却程度。因此头部和底部之间的温差减小了，从而减少了挠曲。

当钢轨的温度下降时，钢轨底部的温度下降到相变的温度范围。在这种情况由于钢轨底部的相变膨胀钢轨趋向于出现图12b的负向挠曲。当检测出负向挠曲变形时，增加供往下喷头43的空气量，以提高钢轨底部的冷却速度。其结果是轨头和轨底的膨胀量基本上相等，因此减小了挠曲变形。如果温度进一步下降，在钢轨底部的相变完成了，而轨头的温度下降到相变温度范围。其结果是，钢轨由于其头部的相变膨胀再次出现正向挠曲的趋势。根据这一趋势的检测，减少从下喷头喷出冷却介质的速率，以减少挠曲。

在另一种通过冷却钢轨底面以控制钢轨形状的方法中具有一个约束装置，它覆盖了钢轨的整个长度上固定并约束住钢轨防止挠曲。在整个轨头的冷却期间，冷却介质以选定的恒定流率冷却被约束住的钢轨底面，由此减少热处理完成后的垂直方向挠曲。该方法也可以检查钢轨的形状。

实现本发明热处理方法之热处理设备的另一实施例描述如下

图18显示了本发明一次处理多条钢轨的热处理设备实施例。该设备具有一个链条传送机构112，多条钢轨毛坯111a，以间隔l₁直立地排列于收送机构上，该间隔等于热处理设备的间隔。钢轨毛坯111a向链条传送机构112的输送是由另一个链条传送机构或其它合用的输送装置实现的。链传送机构112间歇地传送钢轨毛坯，一次将四根钢轨毛坯111a送入热处理区。已经送入热处理区的钢轨毛坯用标号111b表示。

此外，设备还有具有夹爪的121定位、夹紧装置。定位、夹紧装置的夹爪121在冷却工序中突出于传送平面之上，而在冷却工序开始之前缩在该平面的下面。与此类似，冷却钢轨毛坯上部的喷嘴118、119在升降框114的带动下缩向上方，升降框是由升降装置115带动，而升降装置115由立柱113控制，它们都与链传动机构112无关。

当钢轨毛坯111a被链传动机构112送进热处理区域，成为111b后，定位装置122的夹爪121收拢以夹住各个钢轨毛坯111b，使各个钢轨毛坯111b的中性轴对准各行冷却喷嘴118、120的轴线，而定位装置是以1.5米到4米的间距按着热处理状态的钢轨毛坯的各个行安置的。然后，夹紧装置123的夹爪121下降，这样夹爪121将钢轨毛坯两侧边向下拉，使钢轨毛坯固定在链传送机构112上。

所介绍的实施例具有一个轨头冷却装置，它包括立柱113、升降框114、固定在升降框114上的轨头顶面冷却喷嘴118、由升降框114带动可垂直移动的升降框116和安装在升降框116上的轨头侧面冷却喷嘴119。轨头顶面冷却喷嘴118被固定于升降框114上，而轨头侧面冷却喷嘴119固定在升降框116上。喷嘴由升降装置115定位于预先选定的高度之后，各行的空气输送管道阀门被打开，喷出冷却空气，因此迅速地冷却各个钢轨毛坯111b的头部，更准确地说是冷却各个钢轨毛坯111b的顶面、测量角、头部侧表面、颚口和颚口下表面。在热处理时要求调节钢轨头部的冷却速度，这是通过调整头部冷却喷嘴118和钢轨毛坯111b的头部表面之间的距离以及调整空气流率来实现的，而空气流率由流率调整阀125调整。钢轨头部侧表面区的冷却速度是用空气流率调整阀124调整从轨头侧面冷却喷口119喷出的冷却空气流率来控制的。喷嘴的直径在2.0毫米至9.0毫米之间的范围内。在轨头顶面冷却喷嘴118定位于钢轨毛坯111b的轨头顶面上预先选定的高度之后，轨头侧面冷却喷嘴119在升降框116的带动下定位于正对轨头侧表面的位置，而升降框116是由升降装置117推动的。轨头顶面冷却喷嘴的喷嘴总面积和轨头侧面冷却喷嘴的喷嘴总面积之比最好在0.7到1.2的范围内。轨头顶面冷却装置和轨头侧面冷却装置之间的间隙，也就是空气排出间隙为15至100毫米。

热处理设备还有对着各行钢轨的钢轨底部冷却喷嘴120，冷却空气通过各个阀门输入喷嘴。这些阀门打开，则冷却空气从底部冷却喷嘴120喷出，因而在冷却各个钢轨毛坯111b头部的同时，冷却其底部。钢轨底部的冷却速度由空气流率调整阀126调整冷却空气流率来实现与轨头的冷却速度相匹配。由此减小了钢轨在热处理后的挠曲。所述的底部冷却装置的喷嘴总面积与轨头顶面冷却装置和轨头侧面冷却装置喷嘴总面积之比为1/2～1/5。

在热处理期间，每个钢轨毛坯111b的头部的温度由温度探测器（未示出）测量。每一钢轨所需要的冷却时间根据测得温度由冷却时间控制系统计算出。在经过计算出的冷却时间之后，分别地停止向每一钢轨毛坯111b供给冷却空气。

当在冷却区中所有的钢轨毛坯111b的冷却都完成时，冷却喷嘴118、119缩向上方，而夹紧装置123的夹爪121打开并缩到链传送机构112传送平面的下方。然后，四根已热处理的钢轨毛坯111b由链传送机构112送出冷却区。被送出冷却区的钢轨的标号改为111c，这些钢轨111c由其它未在图中示出的传送机构继续送往下一工序。

虽然图18所示的实施例是设计用来一次处理四根钢轨毛坯的，但一次处理的钢轨数量可以根据条件自由选择，例如根据从一块钢锭所获得的钢轨毛坯的数量选择。所介绍的热处理不论对一次只处理一根钢轨毛坯，还是同时处理多根钢轨毛坯效果都同样好。如果设备在与链传送机构运动方向垂直方向的宽度大到足以容纳二根或多根短钢轨毛坯，那么钢轨可以排列成两行或多行，其中每一行含有两根或多根短的钢轨毛坯同时进行热处理。

虽然本实施例是以紧接于热轧制之后的钢轨毛坯进行介绍的，但这一实施例的方法和设备同样可以很好地应用于重新再加热的钢轨毛坯，尽管在这种情况重复加热的能量消耗是浪费掉的。

如前面所介绍，这一热处理设备的实施例具有多个冷却区，它们一个挨一个地排列，并且有与要热处理的钢轨毛坯长度相应的长度。向每个冷却区送入或运出钢轨毛坯是由一个链传送机构实现的。每一冷却区的热处理条件可以独立于其它冷却区进行调整。由于这些特点，这一实施例具有以下的优点：

（1）设备作为一个整体具有非常紧凑的结构，因此降低了安装费用及空间。

（2）因为取消了无效的冷却区，所以冷却工序运行所耗费用很低。

（3）由于每一行，也就是每一个冷却区的冷却时间可以独立于其它的行进行控制，所以不管热轧后各钢轨的温度如何不同，热处理均能可靠地进行。

（4）冷却速度可以在很宽的范围内，通过调整一股或二股空气流率和冷却空气喷嘴和钢轨之间的距离进行控制。因此，应用一个热处理设备，用各种尺寸和类型的钢轨毛坯可以生产出具有从中等到高等的各种强度等级的钢轨。

（5）钢轨在冷却期间由于对其底面进行冷却，平衡了温差，故减小了挠曲。这使向下一道工序的输送十分容易，并减轻了后面直工序的负担。

例1

化学成分如表1所示，132磅/码和136磅/码的钢轨毛坯是由轧制制备的。这些钢轨毛坯在轧制完成的状态仍保持不低于奥氏体区的温度，假定它们按照本发明的第一个实施例进行热处理，并应用前面图1和图2所介绍的热处理设备。

表1

（重量百分比）

轧制钢轨	C	Si	Mn	P	S	Cr	Nb	Ceq
									132磅／码	0.79	0.23	0.88	0.024	0.009	-	-	0.946
136磅／码	0.78	0.83	0.75	0.015	0.0049	0.606	0.006	1.061

对132磅/码的钢轨毛坯进行冷却是为了在轨头顶面向下10毫米深范围内获得Hv≥360的硬度，其条件为Ceq＝0.946。冷却度F和喷头压力P大约分别为26和1500毫米水柱计示压强，而流率选为41标准米³/米。分如果使用这些数值，则距离H可以从公式（1）计算出大约为60毫米。如果测量温度值θ_S＝800℃则冷却时间由公式（2）计算出应为118.8秒或稍长些。因此冷却时间选为150秒。图4为按上面所述的条件进行热处理的钢轨头部横截面上的硬度分布。从图4可看出，在表面向下10毫米深范围内得到了具有Hv＞350的细珠光体组织。

实现对136磅/码钢轨毛坯的冷却是为了在轨头顶面向下10毫米深范围内获得Hv≥370的硬度，其条件为Ceq＝1.061。冷却度F和喷头压力P分别为27和1500毫米水柱计示压强，而流率选定为41标准米³/米·分应用这些数值，从公式（1）计算出距离H约为58毫米。利用测量温度值θ_S＝780℃，从（2）计算出冷却时间为112.1秒或稍长一些。因此冷却时间选定为140秒。图5给出了按照上述条件进行热处理后的钢轨头部横截面上的硬度分布。从图5看出，在表面向下10毫米深范围内得到了具有Hv＞375的细珠光体组织，而没有出现有害的组织，如贝氏体组织。

例2

一根钢轨按照图9所示，本发明的第二实施例进行了热处理，该热处理采用的冷却气体条件与第一实施中不同。钢轨的化学成分见表2，它由轧制制备，而且轧制的钢轨仍保持在不低于奥氏体区的温度范围内送去进行热处理。

表2

轧制钢轨	C	Si	Mn	P	S
						132磅／码	0.79	0.23	0.88	0.024	0.009

热处理是在两种不同的条件下进行的，此条件为在轨头表面向下100毫米深范围内分别得到Hv＞350和Hv＞360的硬度。图10a和10b给出了这样热处理后的钢轨头部横截面上的硬度分布。图11a和11b给出了按照第二个实施例进行热处理的结果与本发明第一实施例所得到的结果进行比较的情况。

从这些图中看出，按照第二实施例进行热处理的钢轨，从轨头顶部到颚口都具有要求的Hv≥350或Hv≥360的硬度等级，并且在口下表面各处硬度也基本上达到了要求的等级。轨头整个横截面上呈现出细珠光体组织，没有出现有害的组织，如贝氏体组织。

例3

下面介绍钢轨为了要获得所要求的强度而进行热处理期间减小钢轨挠曲的实施例的一个实际应用例。

一根由热轧制制备的132磅/码的钢轨，其化学成分见表3。该钢轨按能在其长度上减小挠曲的实施例进行了热处理，它是来用将冷却空气按要求喷向钢轨底面实现的。

轧制钢轨	C	Si	Mn	P	S
						C42526	0.79	0.23	0.88	0.024	0.009

图15给出了在钢轨的整个长度都被送进冷却装置中之后连续冷却所应用的冷却空气流率的变化。从上喷嘴输出的冷却空气以恒定的速率40标准米³/米·分喷到钢轨的每个单位长度1米上，以使在轨头顶面下面5毫米的点上得到Hv≥350时的强度，而从下喷头喷出的空气流率根据测得的挠曲量变化。

图16示出在连续冷却期间，每6米长的钢轨挠曲量的变化。

刚轧制完的钢轨在其头部测量出它仍具有约800℃的温度，当它刚刚送入冷却设备后存在着大约10毫米的正向挠曲。在采用上喷嘴冷却空气期间，钢轨迅速改变它的形态至负向挠曲。当用挠曲测量装置查出这一负向挠曲后，开始从下喷嘴喷出冷却空气去冷却钢轨的底面。这一钢轨底面的冷却是以最大冷却空气流率来进行的，这一流率大约为上喷嘴空气流率的0.3倍以便产生一个正向挠曲的趋势。当钢轨底部被连续冷却一段时间，例如约一分钟后钢轨就开始出现正向挠曲。根据钢轨形态的这一改变，减少下喷嘴喷出的冷却空气流率，而冷却在四分钟后完成。其间，上喷头以40标准米³/米·分恒定速率的冷却空气连续地喷向轨头。在这一实例中，钢轨的挠曲量保持在每6米钢轨长度上不超过3毫米的很小的范围内。

图17为用上述方法对钢轨进行热处理的钢轨头部横截面上硬度分布。从图中可看出，在钢轨头部顶面向下深10毫米或更深的范围内获得了很高的、Hv约为350的硬度。这说明从钢轨头部的表面到内部都得到了很高的强度。在整个范围内组织基本上是均匀的。尤其是在轨头的表面区域得到了细珠光体组织，而没有出现任何有害的组织如贝氏体或马氏体组织。

Claims (32)

1、一种为了生产具有从中等强度到高强度的各种不同强度等级钢轨的热处理方法，此方法包括下述步骤：

制备一根温度保持在不低于奥氏体区的高温范围内的钢轨，在钢轨头部的周围配置喷嘴装置，使其可以将气体冷却介质喷向所述钢轨的头部；

根据所述钢轨头部要求的硬度等级及钢轨钢材中的碳当量，确定喷嘴装置和钢轨头部之间的距离；

移动所述喷嘴装置以获得所述喷嘴装置和所述钢轨头部之间被确定的距离。

将所述气体冷却介质以预定的流率，喷射所述轨头达一预定时间，冷却所述轨头，从而在轨头获得要求的强度等级。

2、根据权利要求1的钢轨热处理方法，其中喷嘴装置和钢轨头部之间的距离H，根据所述钢材中的碳当量Ceq所要求得到的硬度Hv、冷却空气的流率Q和构成上述喷嘴装置的上喷头中的压力P按下述公式确定;

Hv＝10ⁿ+（200Ceq-190）

n＝2.4993+0.039887logF-0.0051918logF²

其中

Hv：在轨头表面向下10毫米深范围内要求得到的硬度（维氏硬度10kg），它与所述轨头的强度相对应

Ceq：钢的碳当量，由下式给出：

Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+

V/14

F：冷却度，F＝Q· $\sqrt{P}$ /H

Q：应用于单位长度钢轨上的气体冷却介质流率（米³/米·分）

P：喷嘴头中的压力（毫米水柱，喷嘴阻力系数f＝0.85）

H：喷头和所述钢轨头部顶面之间距离（毫米）

n：由喷嘴型式确定的系数

3、根据权利要求1钢轨热处理方法，其中应用气体冷却介质进行冷却的持续时间不短于按下述公式所给出的时间

0.336θ_S-150sec

其中θ_S为在冷却之前钢轨头部表面区域的温度。

4、根据权利要求1的钢轨热处理方法，进一步还包括在冷却钢轨头部期间采用其它的冷却装置将气体冷却介质喷向钢轨底面，以减小所述钢轨沿其长度方向的挠曲。

5、根据权利要求1的钢轨热处理方法，其中冷却钢轨头部的冷却装置排列成扇形，该扇形定心于所述钢轨的头部。

6、根据权利要求1的钢轨热处理方法，制成钢轨的钢含有0.55至0.85%重量的碳，0.20至1.20%重量的硅、0.50至1.5%重量的锰、其余为铁，并进一步根据需要，含有0.10至0.80%重量的铬以及铌、钒、钛、钼、铜和镍中的至少一种元素。

7、根据权利要求1的钢轨热处理方法，在冷却期间钢轨在具有冷却钢轨头部的喷嘴装置的冷却设备中连续，间歇或往复地运动。

8、根据权利要求1的钢轨热处理方法，在其热处理钢轨的头部能够具有多种不同的强度等级，其相应于所述钢轨头部表面的硬度范围为Hv320至400。

9、根据权利要求1的钢轨热处理方法，其中温度保持在奥氏体区的钢轨是热轧制成的或为了热处理而重新加温的。

10、根据权利要求1的钢轨热处理方法，其中用气体冷却介质进行冷却一直延续到在钢轨头部的整个范围内基本上都转变为细珠光体组织。

11、为了生产具有从中等到高强度的各种不同强度钢轨的钢轨热处理方法，包括：

制备一根温度保持在奥氏体范围内的钢轨，在其头部周围配置了喷嘴装置，使其能将气体冷却介质喷向所述钢轨头部;

根据钢轨头部表面向下10毫米深范围内所要求的硬度以及构成所述钢轨的钢材中的碳当量确定喷嘴装置和钢轨头部之间的距离;

移动喷嘴以获得喷嘴装置和钢轨头部之间被确定的距离;

将气体冷却介质从喷嘴装置喷向钢轨头部以获得钢轨头部所要求的硬度;

所述气体冷却介质是以下述方式流动的，在冷却完钢轨头部之后，气体冷却介质既可通过所述钢轨头部的测量角附近形成的间隙排出也可通过根部排出，还可通过钢轨头部的根部附近形成的间隙流出。

12、根据权利要求11的钢轨热处理方法，喷嘴装置包括一个为冷却钢轨头部顶面的冷却喷嘴和一对为冷却钢轨头部侧面的冷却喷嘴，它与轨头顶面冷却喷嘴离开一定距离并安置在钢轨头部的左右两侧。其中冷却之后的一部分气体冷却介质从所述轨头顶面冷却喷嘴和二个头部侧面冷却喷嘴所形成的间隙排出。

13、根据权利要求11的钢轨热处理方法，其中喷嘴装置和钢轨头部之间的距离H，根据所述钢中的碳当量C_eq、所要求的硬度Hv、应用的冷却空气流率Q和构成喷嘴装置的上喷头中的压力P按照下式确定：

Hv＝10ⁿ+（200Ceq-190）

n＝2.4993+0.039887logF-0.005198logF²

其中

Hv：在轨头表面向下10毫米深范围内所要求得到的硬度（维氏硬度10Kg），它与轨头的强度相对应。

Ceq：钢的碳当量，由下式给出

Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14

F：冷却度，F＝Q· $\sqrt{P}$ /H

Q：应用于单位长度钢轨上的气体冷却介质流率（米³/米·分）

P：喷嘴头中的压力（毫米水住，喷嘴阻力系数f＝0.85）

H：喷头和钢轨头部顶面之间的距离（毫米）

n：由喷嘴型式确定的系数

14、根据权力要求11的钢轨热处理方法，其中应用气体冷却介质进行冷却的持续时间不短于按下述公式给出的时间

0.336θ_S-150sec

其中θ_S为在冷却之前钢轨头部表面区域的温度。

15、根据权利要求11的钢轨热处理方法，进一步还包括在冷却钢轨头部的同时应用其它的冷却装置将气体冷却介质喷向钢轨的底面，以减小钢轨沿其长度的挠曲。

16、根据权利要求11的钢轨热处理方法，冷却钢轨头部的冷却装置排列成扇形，该扇形定心于钢轨的头部。

17、根据权利要求11的钢轨热处理方法，制成钢轨的钢成分为0.55至0.85%重量的碳，0.20至1.20%重量的硅，0.50至1.50%重量的锰，其余为铁，并进一步根据需要，含有0.20至0.80%重量的铬以及铌、钒、钛、钼和镍中的至少一种元素。

18、根据权利要求11的钢轨热处理方法，在冷却期间钢轨在具有冷却钢轨头部的喷嘴装置的冷却设备中连续、间歇或往复地运动。

19、根据权利要求11的钢轨热处理方法，在热处理钢轨的头部能够具有多种不同的强度等级，其相应于钢轨头部表面的硬度为Hv320至400。

20、根据权利要求11的钢轨热处理方法，其中温度保持在奥氏体区的钢轨是热轧制的或为了热处理而重新加温的。

21、根据权利要求11的钢轨热处理方法，其中气体冷却介质进行冷却一直延续到在钢轨头部的整个范围内基本都转变为细珠光体组织。

22、实现可生产从中等到高强度的各种不同强度等级的钢轨热处理方法的热处理设备包括：

传送钢轨的传送装置;

一个轨头冷却装置，它具有许多喷嘴，这些喷嘴排列于钢轨头部的周围，使气体冷却介质喷到钢轨的头部;

安置在传送机构下方的钢轨底面冷却装置，使所述气体冷却介质喷向钢轨的底面;

其中轨头冷却装置可以移动，以改变喷嘴与钢轨头部之间的距离。

23、根据权利要求22的设备，其中钢轨头部冷却装置的喷嘴安置于围绕轨头呈扇形或倒“U”形的喷头上。

24、根据权利要求22的设备，其中轨头冷却装置具有一个装有冷却钢轨头部顶面冷却喷嘴的上喷头和一对侧喷头，它们与所述轨头顶面冷却喷嘴离开一定距离以冷却所述钢轨的两个侧表面及钢轨头部颚口的下表面。

25、根据权利要求22的设备，钢轨的下冷却装置中喷嘴的总面积与钢轨头部冷却装置中喷嘴总面积之比在1/2和1/5之间。

26、根据权利要求22的设备，进一步包括对钢轨的约束装置，以基本防止钢轨在冷却期间挠曲。

27、实现生产具有从中等到高强度的各种不同强度等级钢轨的热处理方法的热处理设备包括：

一个适用于沿垂直于钢轨纵向移动的运载型传送机构;

一个轨头顶面冷却装置，它包括安置于传送装置上方并与该传送装置无关的立柱、一个附属于立住的升降框、多个安装在升降框上用于冷却钢轨头部的气体喷嘴和调整在各个喷嘴中气体流率的阀;

轨头侧面冷却装置，它包括多个用于冷却钢轨头部两个侧面的气体喷嘴，它们可垂直移动地安装在升降框上，还有调整各个喷嘴中气体流率的阀门;

一个钢轨底面冷却装置，它包括多个安置于传送机构下面的气体喷嘴，用于冷却钢轨的底面。还有调整各个喷嘴气体流率的阀门;

可垂直移动的钢轨定位、夹紧装置，它安置于传送机构的下方。

28、根据权利要求27的设备，其中轨头顶面冷却装置和轨头侧面冷却装置之间的间隙构成了用过的冷却气体的排出通道。

29、根据权利要求27的设备，其中钢轨底面冷却装置喷嘴总面积与轨头顶面冷却装置与轨头侧面冷却装置喷嘴的总面积之比在1/2和1/5之间。

30、根据权利要求27的设备，其中喷嘴的直径在2.0至9.0毫米之间。

31、根据权利要求27的设备，其中轨头顶面冷却装置喷嘴的总面积与轨头侧面冷却装置喷嘴的总面积之比在0.7至1.2之间。

32、根据权利要求28的设备，其中构成气体通道的间隙之尺寸在15至100毫米之间。

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