CN86100209A

CN86100209A - 减小辊压矫直钢轨内应力的方法

Info

Publication number: CN86100209A
Application number: CN198686100209A
Authority: CN
Inventors: 威尔海姆·赫勒; 朱根·弗鲁格; 雷哈德·施威泽; 鲁茨·维伯
Original assignee: Krupp Stahl AG
Current assignee: Krupp Stahl AG
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1986-01-17
Publication date: 1986-07-16
Also published as: EP0190448A1; US4659398A

Abstract

本发明涉及一种减小辊压矫直钢轨内应力的工艺方法。在矫直工序之后，在短时间内将钢轨腹板部分加热至200至700℃，最好是350～500℃的温度范围。在达到要求的温度后钢轨在空气中冷却至室温。为了加热，钢轨在加热设备的前部连续地传送。本发明的工艺方法可以将轨头及底部的内应力减至小于50N/mm²，由此增加了钢轨的断裂强度。

Description

在适当地校正过的轧辊中热轧钢轨钢制造的钢轨，在轧制工序之后在冷床上由空气将其冷却至室温，但是因为在轨头和轨底部的质量和表面积之比例不同，因此钢轨在冷却期间要发生变形。由于对钢轨直线性的要求，所以钢轨必须在辊式矫直机上矫直，必要时还要用矫正压力机再矫直，见弗里茨·法斯特拉（Fritz Fastenrath）著，威廉·恩斯特和桑（Wilhelm Ernst & Son）编辑的德国手册“钢轨”1977年，第113、114页。

在辊压矫直的期间，整根钢轨部件塑性变形。由于在整根钢轨断面各种的变形值不同，在矫直后的钢轨中产生了内应力，钢轨的工作表面和底部的下表面在矫直工序中承受的负荷最大，内应力沿纵向是正的，也就是说存在内部拉应力。（参看上面所述手册第37页。）

所述的内应力可以达到钢轨屈服点的50%或更多些。

在钢轨工作时，内应力上还要迭加上由轮子所产生的弯曲拉应力以及由于钢轨在低温时的冷却及收缩所产生的纵向拉应力。因此在钢轨具有表面裂缝，如由于静应力或动应力而产生的疲劳裂纹的情况下，存在于钢轨中的内部拉应力，降低了钢轨的断裂强度。（克虏伯公司技术部1981年第39期工作报告第33至44页）。

为了降低在钢轨头部和底部的内部拉应力，钢轨可以进行拉伸矫直（DE-OS3223346）或可控制地冷却并水平矫直（DE-PS1942929）。但这一工艺方法在工艺上比较困难（拉伸矫直），而且在某些情况中，高速公共运输所要求的直线性难以精确地调整（拉伸矫直，可控制地冷却并水平矫直），因此由于经济上和实用性的原因，这些工艺方法不能令人满意。

减小轨头及底部内应力的其它方法为正火处理。

根据在提高的温度下正火消除内应力的技术措施在施佩林格出版社1956年出版的胡德列门特（Houdremont）所著的“特种钢技术手册”中第238页至240页中作了介绍。所述的工艺方法是一个热处理方法，该热处理是在温度范围自大约200～700℃对钢轨进行退火，包括接着进行的缓慢冷却。因为内应力的分解是通过流水作业形成的，此流水作业从开始的高温阶段直至运出钢轨为止。此处将内应力减少到很低的剩余值，约20～60N/mm²，只是通过对流水作业的工序给予足够的时间加以保证。由于这一原因钢轨退火处理实际上需要几个小时。“克虏伯技术通报”的公司报告1981年第39期中第33页介绍一种在550℃温度下，六小时的处理方法。

本发明的目的是推荐一种减小辊压矫直后的钢轨头部和底部内应力的有效和价廉的热处理方法，而且该方法可以置于普通的钢轨生产过程中去。

该任务是这样加以解决的，钢轨以0.2m/min至1m/s的速度在加热设备前部的滚道上连续地输送，相应的钢轨传送周期为1至300s/m，在此期间，仅仅钢轨的腹板部分被加热至退火温度，在达到这一温度之后钢轨被冷却至室温。

钢轨腹板的加热可以采用燃烧器或感应的方法。

钢轨在加热装置前部的传送速度取决于所选用的加热装置的能力。

本发明的过程与现有的正火过程不同，钢轨不是整个地被加温，而仅仅是加温其腹板部分。因而热处理时间很短，价格低廉。如果加热装置的能力是足够大的，热处理一根30米长的钢轨仅需30秒，而正火所需的时间为几小时。

在施行本发明的热处理方法之后，在工作面和底面上的内应力基本消除了。作为一个实例，下表给出了具有抗拉强度为1230N/mm²的、辊压矫直的高强度UIC60钢轨，在对其腹板部分加热至300、400、500或680℃后的内应力。钢轨的成分为C0.72%，Si0.70%，Mn1.1%，Cr0.94%，V0.12%，Al0.025%。图1按比例给出了所述钢轨剖面的各部分，即头部、被加热的腹板部分2及底部3。

表

品级为S1200的UIC60钢轨的内应力

其中：

（+）表示拉应力

（-）表示压应力

可以看出，通过对腹板部分的加热，纵向内应力减小至小于50N/mm²。在较高的加热温度下在工作表面甚至出现轻度的压应力。在加热到300℃时工作表面的内部应力仍未消除。

消除钢轨内部的应力可以明显地改善其断裂强度。这一关系在根据本发明进行热处理的钢轨中同样得到证实。为此目的将底部具有横向口的钢轨，在“克虏伯技术通报”1981年第39期的公司报告第33至34页介绍的试验设备中进行了试验。按照本发明进行热处理，其内应力已基本消除的钢轨，当具有大约10mm深的疲劳裂纹时，在外载荷为200N/mm²的条件下断裂，而辊压矫直的对比钢轨当裂纹深度约为2mm时就已经断裂。因此在同样的载荷条件下，根据本发明热处理的钢轨允许比以辊压矫直的对比钢轨有较深的裂纹。这说明根据本发明热处理的钢轨明显地具有比较高的断裂强度。

材料的脆性断裂强度以它的断裂韧性来表示的。

断裂韧性是表征材料的裂纹非稳定增长（脆性断裂）条件的数据，它是应力和裂纹尺寸的函数。如上面介绍中所说明，可以应用线弹性断裂力学的定律，定量地推论出钢轨脆性断裂的条件。不过计算仍必须计及内应力。

其关系式为

其中

为应力（N/mm²），K_IC为断裂韧性（N/mm3/2），M为几何系数，t为裂纹深度（mm）。

为了解释内应力的影响，图2给出了具有抗拉强度为1230N/mm²的UIC钢轨的裂纹和应力之间的关系曲线，它们是以断裂韧性为参数的。对于断裂韧性为1000N/mm^3/2，没有内应力的钢轨，在外负荷为200N/mm²的条件下允许裂纹具有大约10mm的深度。而且有内应力200N/mm²的钢轨，在同样的外载荷作用下，在裂纹深度约为2mm时就要破坏。因为小的裂纹缺隙还不会引起破坏，没有内应力的钢轨很明显具有比较高的断裂强度。另一方面早期采用无损探伤可以检查出比较大的裂纹，因此可避免破坏。

如果把钢轨看作是构件，而且把内应力看作是减小在裂纹尖端临界应力强度（等于构件的断裂韧性）的减少值。由此得到了图3所示的曲线。在图3中钢轨构件的临界K_I值标绘于钢轨的断裂韧性K_IC的上部。临界K_I值表示了钢轨断裂强度的数值。按照本发明过程处理过的无内应力的钢轨，该值集聚在45°线附近。然而，在具有内应力的钢轨，其临界K_I值很明显处于低于这一45°线的区域中。

本发明的方法也可以方便地用于消除那些轧制的，然后经过矫直的那样一些钢构件，这些构件具有腹板部分及头部和/或底部並在纵向延伸。如“T”型樑或双“T”型樑。

本发明的目的是为提供一个有效而且廉价的消除辊压矫直后的钢轨内应力的方法，而且该方法可以被结合到钢轨普通的生产线中去。该目的也可用如下另一种方法来解决，在进入辊式矫直机之前，热轧后的钢轨被冷却到低于100℃的温度，然后接着把腹板部分加热到100至500℃之间，最好是在150～350℃之间。在矫直工序之后在空气中冷却至室温。

这一方法使几乎达到拉伸强度的钢轨腹板产生预压应力。实现辊压矫直可以以较小的力并可导致整个钢轨部分产生比较均匀的变形。在矫直工序之后，腹板的温度变得和头部及底部的温度一样。在头部和底部的纵向拉应力被消除，而且甚至可以转变为压应力。

腹板的加热最好是采用与被加热的钢轨部分相适应的电感线圈进行感应加热，但也可以采用燃烧器。根据加热设备的能力和钢轨在辊式矫直机中的传送速度，腹板部分和头部及底部之间的温度梯度，可以在送进辊式矫直机和矫直工序期间的一个或几个工序中得到。通过对被加热的钢轨的处理，内应力可以或多或少地被消除或转变为压应力。如果除了腹板部分之外，轨头的下部和轨底的上部也被加温，则产生压应力。

本发明这另一种方法的效果可以以一种高阻抗、自硬化、品级为S1200的UIC60钢轨为例加以说明，该钢轨的拉伸强度为1250N/mm²。钢轨具有以下的化学成分（重量百分比）：C0.75%，Si0.72%，Mn1.1%，Cr0.95%，V0.11%，S0.018%，P0.017%，Al0.025%。

在通常的矫直过程中，在工作面和底部的下表面产生大约250至260N/mm²的纵向拉应力。而在腹板部分加热到300℃的矫直过程中，纵向拉应力减小到小于50N/mm²。

本发明这另一种方法也可以应用于消除具有腹板部分、头部和/或底部并在纵向延伸的轧制钢型材，如“T”型樑、或双“T”型樑或类似的型材的内应力。

下面借助附图对所提出的另一种解决方法作一详细说明。

图4按比例地画出了一个UIC60钢轨的剖面，它具有头部1，腹板部分2和底部3，为实现本发明的这一方法，建议不仅加热腹板部分2，而且也加热其它部分，如轨头1向腹板部分过渡的下部1′和底部3向腹板部分2过渡的上部3′。

在钢轨剖面上内应力状态的改善示于图5。在通常的矫直过程中，在被检查的具有抗拉强度为1250N/mm²的自硬化钢轨中得到了曲线“a”，在头部和底部具有高的内部拉应力。而在腹板部分加热到300℃时矫直，得到了好得多的曲线“b”。

钢轨工作特性的改善可以用在钢轨底部3上产生疲劳裂纹的疲劳试验来说明。在外载荷为200N/mm²时，用通常方法矫直的钢轨在疲劳裂纹深度为C＝1.7mm时断裂（图6）。在根据本发明的这另一种方法处理过的低应力钢轨中允许的裂纹深度增加到d＝7mm（图7）。

图6和图7均是按比例画出的

因为这一深度的表面裂纹不会或极少在钢轨中出现，所以也保证了按本发明的这另一种方法矫直的具有低应力的钢轨的断裂强度有明显的改善。

在图8中钢轨构件的临界K_I值标绘于钢轨断裂韧性K_IC的上部，与图3的画法相一致。临界K_I值反应了钢轨的断裂强度。而按本发明这另一种方法处理的无内应力钢轨，这些值也集聚在45°线附近。然而对具有内应力的钢轨，临界K_I值很明显处于45°线的下方。因此按本发明矫直的钢轨断裂强度明显高于正常矫直钢轨的断裂强度。

由于消除了内应力，也改善了作为承载物的钢轨构件的疲劳强度，即改善了反映构件在动力载荷下的阻抗的形状稳定性，形状稳定性的改善程度在10至20%的范围内。

按照本发明处理的钢轨，呈现较低的内应力，它适用于下述目的：

-不改变现有的工作特性（不改变钢轨的强度，不改变钢轨的剖面形状，不改变轴载）而使钢轨的断裂强度和使用寿命（形状稳定性）都得到改善;

-在保持断裂强度不变的情况下，不改变钢轨的剖面形状而且不改变钢轨强度，可以增加钢轨的负荷，亦即增加轴载。

Claims

1、减小辊压矫直后的钢轨头部及底部内应力的热处理方法，它包括在大约为200～700℃的温度范围内对钢轨进行退火，接着缓慢地冷却。其特征为钢轨在加热设备前部的滚道上连续地传送，其传送速度决定于加热设备的能力，该速度在0.2m/min和1m/s之间。在相应的传送过程中仅仅钢轨的腹板部分被加热到退火温度，在达到所述的温度后，钢轨被冷却至室温。

2、根据权利要求1的方法制造的钢轨。

3、根据权利要求1的方法制造的轧制钢材，该钢材具有一个腹板部分、一个头部和/或底部並延纵向延伸，如“T”型樑或双“T”型樑。

4、制造低内应力辊压矫直钢轨的方法，其特征为，在热轧制后，钢轨被冷却到低于100℃的温度，然后在辊式矫直机入口的前方被连续加热到大约100～500℃，在矫直工序之后在空气中冷却至室温。

5、根据权利要求4的方法，其特征为钢轨的腹板部分被加热至150～350℃的温度范围。

6、根据权利要求4的方法，其特征为，钢轨腹板部分，轨头的下部及钢轨底部的上部被加热。

7、根据权利要求4至6的任一种方法制造的钢轨。

8、根据权利要求4至6的任一种方法制造的轧制钢材，该钢材具有一个腹板部分，一个头部和/或底部并在纵向延伸，如“T”型樑或双“T”型樑。