DE3501523C1 - Method for reducing the residual stresses of roller-straightened steel rails - Google Patents

Method for reducing the residual stresses of roller-straightened steel rails

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DE3501523C1 DE19853501523 DE3501523A DE3501523C1 DE 3501523 C1 DE3501523 C1 DE 3501523C1 DE 19853501523 DE19853501523 DE 19853501523 DE 3501523 A DE3501523 A DE 3501523A DE 3501523 C1 DE3501523 C1 DE 3501523C1
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Wilhelm Dr.-Ing. Heller
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Abstract

The invention relates to a method for reducing the residual stresses of roller-straightened rails. After straightening, the web of the rails is heated briefly to temperatures of 200-700 DEG C, preferably 350-500 DEG C, and after reaching the desired temperature, cools to room temperature in air. For the purpose of heating, the rail is moved continuously past the heating device. The measure according to the invention reduces the residual tensile stresses in the rail head and foot to below 50 N/mm<2>, resulting in an increased fracture resistance of the rail.

Description

Die Geschwindigkeit, mit der die Schiene sich an der Erwärmungsvorrichtung vorbeibewegt, ist von der Leistung der gewählten Erwärmungsvorrichtung abhängig. The speed at which the rail is attached to the heater moves past depends on the performance of the heating device chosen.

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Schienen im Gegensatz zum bekannten Spannungsarmglühen nicht über den gesamten Querschnitt erwärmt werden, sondern nur im Steg, ermöglicht eine sehr kurze und somit kostengünstige Behandlungsdauer der Schienen. So kann, ausreichende Leistung der Erwärmungseinrichtung vorausgesetzt, eine 30-m-Schiene z. B. in nur 30 Sekunden wärmebehandelt werden, wohingegen die beim Spannungsarmglühen aufzuwendende Zeit mehrere Stunden beträgt. The inventive method in which the rails in contrast are not heated over the entire cross-section for the known stress relief annealing, but only in the bar, enables a very short and thus inexpensive treatment duration of the rails. Provided that the heating device has sufficient power, a 30 m rail z. B. be heat treated in just 30 seconds, whereas the time to be expended in stress relief annealing is several hours.

Überraschenderweise zeigt sich, daß nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung die Zugeigenspannungen an der Fahrfläche und an der Fußunterseite weitgehend beseitigt sind. In der nachstehenden Tabelle sind als Beispiel die Eigenspannungen einer hochfesten Schiene mit einer Zugfestigkeit von 1230 N/mm2 im rollengerichteten Zustand sowie nach zusätzlicher Stegerwärmung auf 300,400,500 bzw. 680" C aufgeführt. Surprisingly, it turns out that after the heat treatment according to the invention the internal tensile stresses on the running surface and on the underside of the foot are largely eliminated are. The table below shows the residual stresses of a high-strength Rail with a tensile strength of 1230 N / mm2 in the roller-oriented state as well Listed after additional bar heating to 300,400,500 or 680 "C.

F i g. 1 zeigt in maßstäblicher Darstellung das Profil dieser Schiene mit Kopf 1, zu erwärmenden Steg 2 und Fuß 3. F i g. 1 shows the profile of this rail in a true-to-scale representation with head 1, web 2 to be heated and foot 3.

Tabelle Eigenspannungen an einer Schiene UIC 60 in Güte S 1200 Behandlungszustand Längseigenspannungen in N/mm2 Fahrfläche Fußunterseite rollengerichtet ohne nachfolgende Stegerwärmung +211 +259 rollengerichtet und Stegerwärmung 3000 C + 153 + 15 rollengerichtet und Stegerwärmung 400" C + 38 + 40 rollengerichtet und Stegerwärmung 5000 C - 21 + 21 rollengerichtet und Stegerwärmung 6800 C - 42 + 49 (+) = Zugspannung.Table of residual stresses on a UIC 60 rail in quality S 1200 treatment condition Longitudinal residual stresses in N / mm2 running surface underside of the foot roll-oriented without following Bar heating +211 +259 roll-directed and bar heating 3000 C + 153 + 15 roll-directed and bar heating 400 "C + 38 + 40 roll-oriented and bar heating 5000 C - 21 + 21 roll aligned and bar heating 6800 C - 42 + 49 (+) = tensile stress.

(-) = Druckspannung.(-) = compressive stress.

Man erkennt, daß die Längseigenspannungen durch die Stegerwärmung auf Werte unter 50 N/mm2 abgesenkt werden. Bei den höheren Erwärmungstemperaturen stellen sich an der Fahrfläche sogar geringe Druckeigenspannungen ein. Bei einer Erwärmung auf 300° C ist der Abbau der Eigenspannungen noch unvollständig. It can be seen that the internal longitudinal stresses due to the web heating can be reduced to values below 50 N / mm2. At the higher heating temperatures there are even slight residual compressive stresses on the driving surface. At a If the temperature rises to 300 ° C, the residual stresses are still incomplete.

Durch einen Abbau der Eigenspannungen von Schienen läßt sich eine wesentliche Verbesserung der Bruchsicherheit erreichen. Dieser Zusammenhang konnte an den erfindungsgemäß wärmebehandelten Schienen bestätigt werden. Dazu wurden im Fuß mit einem Querkerb versehene Schienenabschnitte mit der in Technische Mitteilungen Krupp, Werksberichte 39 (1981) S. 33 bis 44 beschriebenen Prüfanordnung untersucht. Die erfindungsgemäß wärmebehandelte Schiene brach bei einer Spannung von 200 N/mm2 mit einem Schwingbruch von rd. 10 mm Tiefe, bei der rollengerichteten Vergleichsschiene trat der Bruch dagegen bereits bei einer Rißtiefe von rd. 2 mm ein. Die erfindungsgemäß wärmebehandelte Schiene erträgt also bei gleicher Beanspruchung einen wesentlich größeren Anriß als die rollengerichtete Vergleichsschiene. Die erfindungsgemäß wärmebehandelte Schiene weist mithin eine erheblich höhere Bruchsicherheit auf. By relieving the internal stresses of the rails, a achieve a significant improvement in the fracture resistance. This connection could can be confirmed on the rails heat-treated according to the invention. For this purpose, the Rail sections provided with a transverse notch with the one in Technical Notes Krupp, Werksberichte 39 (1981) pp. 33 to 44 described test arrangement examined. The rail heat-treated according to the invention broke at a tension of 200 N / mm2 with a fatigue fracture of around 10 mm depth, in the case of the roller-oriented comparison rail In contrast, the break occurred at a crack depth of around 2 mm. According to the invention Heat-treated splint can withstand the same stress significantly larger crack than the roller-oriented comparison rail. The heat-treated according to the invention The rail is therefore considerably more resistant to breakage.

Die Rißzähigkeit ist eine Werkstoffgröße, die die Bedingungen für instabiles Rißwachstum (Sprödbruch) in Abhängigkeit von der Spannung und der Rißgröße angibt. Wie in der oben angegebenen Literaturstelle dargestellt, ist es zulässig, die Gesetze der linear-elastischen Bruchmechanik auf Schienen anzuwenden und daraus die Bedingungen für Sprödbruch quantitativ abzuleiten. Man muß allerdings die Eigenspannungen bei der Berechnung berücksichtigen. The fracture toughness is a material quantity that the conditions for unstable crack growth (brittle fracture) depending on the stress and the size of the crack indicates. As shown in the literature cited above, it is permissible to apply the laws of linear-elastic fracture mechanics to rails and from them to derive the conditions for brittle fracture quantitatively. One must, however, the residual stresses take into account in the calculation.

Der Zusammenhang lautet: Darin ist adie Spannung Klcdie Rißzähigkeit, Mein Geometriefaktor und tdie Rißtiefe.The context is: Therein a is the tension Klc the crack toughness, my geometry factor and t is the crack depth.

Fig. 2 zeigt für die Schiene UIC 60 mit 1230 im2 Zugfestigkeit, zur Erläuterung des Einflusses von Eigenspannungen, den Zusammenhang zwischen der Spannung und der Rißtiefe mit der Rißzähigkeit als Parameter. Bei einer Rißzähigkeit von 1000 N/mm3'2 wird eine eigenspannungsfreie Schiene unter einer äußeren Beanspruchung von 200 N/mm2 einen Riß von etwa 10 mm Tiefe ertragen; dagegen wird eine Schiene mit einer Eigenspannung von 200 N/mm2 bei gleicher äußerer Beanspruchung bereits bei einer Rißtiefe von rd. 2 mm brechen. Die eigenspannungsarme Schiene hat eine wesentlich höhere Bruchsicherheit, da kleine Anrisse oder Kerben nicht zum Versagen führen. Andererseits können größere Anrisse durch eine zerstörungsfreie Prüfung rechtzeitig erfaßt werden, so daß ein Versagen der Schiene vermieden werden kann. Fig. 2 shows for the rail UIC 60 with 1230 im2 tensile strength, for Explanation of the influence of residual stresses, the relationship between the stress and the crack depth with the crack toughness as a parameter. With a fracture toughness of 1000 N / mm3'2 becomes a rail free of internal stresses under an external load of 200 N / mm2 endure a crack about 10 mm deep; against it becomes a rail with an internal stress of 200 N / mm2 with the same external stress break at a crack depth of around 2 mm. The low-residual-stress rail has a Much higher break resistance, as small cracks or notches do not fail to lead. On the other hand, larger cracks can be caused by a non-destructive test can be detected in good time so that a failure of the rail can be avoided.

Betrachtet man die Schiene als Bauteil und die Eigenspannungen als eine Größe, welche die kritische Spannungsintensität an der Rißspitze (= Rißzähigkeit des Bauteils) vermindert, so ergibt sich die in F i g. 3 gezeigte Darstellung. Aufgetragen ist die Rißzähigkeit des Bauteils Schiene K, über der Rißzähigkeit des Schienenstahls K Der kritische K,-Wert stellt dabei ein Maß für die Bruchsicherheit der Schiene dar. Für den Fall der eigenspannungsfreien Schiene, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt ist, gruppieren sich die Werte um die 45"-Gerade. Für Schienen mit Eigenspannungen liegt der kritische Kl-Wert dagegen deutlich unterhalb dieser Geraden. If you consider the rail as a component and the residual stresses as a quantity which the critical stress intensity at the crack tip (= crack toughness of the component), the result is the one shown in FIG. 3 representation shown. Applied is the fracture toughness of the component rail K, above the fracture toughness of the rail steel K The critical K, value is a measure of the rail's resistance to breakage represents. In the case of the residual stress-free rail, which according to the invention Procedure is covered, the values are grouped around the 45 "straight line. For rails with residual stresses, on the other hand, the critical Kl value is significantly below this Straight lines.

Neben der Verbesserung der Bruchsicherheit ergibt das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Erhöhung der Gestaltfestigkeit, die ein Maß für die Haltbarkeit eines Bauteils unter Schwingbeanspruchung ist. Die Zunahme beträgt etwa 10 bis 20%. In addition to the improvement in the resistance to breakage, the result according to the invention Process also increases the structural strength, which is a measure of durability of a component is under vibration stress. the Increase is about 10 to 20%.

Schienen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt sind, haben folgende Vorteile: - Unter gegebenen äußeren Beanspruchungen (Betriebsbedingungen) haben die Schienen eine verbesserte Bruchsicherheit und eine erhöhte Beständigkeit gegenüber der Entstehung von Schwingrissen. Splints treated according to the method according to the invention, have the following advantages: - Under given external loads (operating conditions) the rails have improved resistance to breakage and increased durability against the occurrence of vibration cracks.

- Bei gleicher Bruchsicherheit kann die Belastung der Schienen, z. B. durch höhere Achslasten, vergrößert werden.- With the same break resistance, the load on the rails, e.g. B. can be increased by higher axle loads.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit Vorteil zum Abbau von Eigenspannungen bei gewalzten und anschließend gerichteten Stahlprofilen angewendet werden, die einen Steg und sich senkrecht zu diesem Steg anschließende Kopf- und/oder Fußteile aufweisen, wie z. B. T- oder Doppel-T-Träger. The inventive method can also be used with advantage for the degradation of Residual stresses applied to rolled and then straightened steel profiles be that a web and perpendicular to this web adjoining head and / or Have foot parts, such. B. T- or double-T-beams.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Wärmebehandlungsverfahren zur Verminderung der Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß rollengerichteter Schienen, bestehend aus einem Glühen der Schienen im Temperaturbereich von 200-700"C und einem nachfolgenden langsamen Abkühlen, d a d u r c h g e k e n n z e ich ne t, daß die Schienen über einen Rollgang kontinuierlich an einer Erwärmungseinrichtung mit einer auf die Leistung der Erwärmungseinrichtung abgestimmten Geschwindigkeit zwischen 0,2 m/min und 1 m/s vorbeigeführt werden und daß während der entsprechenden Durchlaufzeit nur der Steg der Schienen auf die Glühtemperatur erwärmt und nach Erreichen dieser Temperatur auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wird. Claims: 1. Heat treatment process to reduce the Residual tensile stresses in the head and foot of roller-oriented rails, consisting of a Annealing the rails in the temperature range of 200-700 "C and a subsequent slow one Cooling down, so that the rails do not move over a roller table continuously on a heating device with one on the performance of the heating device adjusted speed between 0.2 m / min and 1 m / s and that during the corresponding cycle time only the web of the rails to the annealing temperature heated and allowed to cool to room temperature after reaching this temperature will. 2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf gewalzte und anschließend gerichtete Stahlprofile mit einem Steg und sich senkrecht zu diesem Steg anschließenden Kopf- und/oder Fußteilen, wie T- bzw. 2. Application of the method according to claim 1 to rolled and then directed steel profiles with a web and perpendicular to this web adjoining Head and / or foot parts, such as T or Doppel-T-Träger. Double T-beam. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung der Eigenspannungen rollengerichteter Stahlschienen. The invention relates to a method for reducing the Residual stresses of roller-oriented steel rails. Durch Warmwalzen von Schienenstählen in entsprechend kalibrierten Walzen hergestellte Schienen kühlen nach dem Walzen auf Kühlbetten an Luft bis auf Raumtemperatur ab. Wegen der unterschiedlichen Verhältnisse von Masse zu Oberfläche bei Schienenkopf und -fuß verbiegen sich die Schienen jedoch beim Abkühlen. Sie müssen deshalb wegen der Geradheitsanforderungen auf Rollenrichtmaschinen gerichtet und, sofern erforderlich, noch mit Stempelpressen nachgerichtet werden (DE-Fachbuch »Die Eisenbahnschiene«, von Fritz Fastenrath, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1977, Seiten 113/114). By hot rolling rail steels in appropriately calibrated Rolls produced rails cool after rolling on cooling beds in air except for Room temperature. Because of the different ratios of mass to surface In the case of the top and bottom of the rail, however, the rails bend as they cool down. she must therefore be directed to roller straightening machines because of the straightness requirements and, if necessary, can be readjusted with punch presses (DE-Fachbuch "The Railway Track", by Fritz Fastenrath, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1977, Pages 113/114). Beim Rollenrichten wird der gesamte Schienenquerschnitt plastisch umgeformt. Da die Formänderungen jedoch über den Querschnitt unterschiedlich hoch sind, entstehen in den gerichteten Schienen Eigenspannungen. When straightening rollers, the entire rail cross-section becomes plastic reshaped. Since the changes in shape, however, vary over the cross-section residual stresses arise in the straightened rails. An der Fahrfläche und an der Fußunterseite, den im Fahrbetrieb am höchsten belasteten Stellen, sind die Eigenspannungen in Längsrichtung positiv, d. h es liegen Zugeigenspannungen vor (S. 37 des obengenannten DE-Fachbuches).On the driving surface and on the underside of the foot, which is on the highest stressed points, the residual stresses in the longitudinal direction are positive, d. h there are residual tensile stresses (p. 37 of the above-mentioned DE reference book). Die Eigenspannungen können 50% und mehr der Steckgrenze des Schienenstahles erreichen. The residual stresses can be 50% or more of the yield point of the rail steel reach. Diesen Spannungen überlagern sich im Betrieb Biegezugspannungen durch die Einwirkung der Räder und Längszugspannungen durch Abkühlung und Kontraktion der Schienen bei tiefen Temperaturen. Die in den Schienen vorhandenen Zugeigenspannungen setzen daher die Bruchsicherheit der Schienen bei Vorhandensein von Oberflächenfehlern, wie z. B. Ermüdungsanrissen, bei statischer oder schlagartiger Beanspruchung herab (Technische Mitteilungen Krupp, Werksberichte 39 (1981) Seiten 33 bis 44). Bending tensile stresses are superimposed on these stresses during operation the effect of the wheels and longitudinal tensile stresses due to cooling and contraction of the rails at low temperatures. The residual tensile stresses in the rails therefore set the break resistance of the rails in the presence of surface defects, such as B. Fatigue cracks, in the event of static or sudden loads (Technische Mitteilungen Krupp, Werksberichte 39 (1981) pages 33 to 44). Zur Absenkung der Zugeigenspannungen im Schienenkopf und im Schienenfuß kann man die Schienen reckrichten (DE-OS 32 23 346) oder gesteuert abkühlen und seitlich richten (DE-PS 19 42 929). Bei diesem Verfahren ergeben sich jedoch verfahrenstechnische Schwierigkeiten (Reckrichten) und z. T. sind die für einen Personenverkehr mit hohen Geschwindigkeiten geforderten Geradheiten nicht sicher einstellbar (Reckrichten, gesteuerte Abkühlung in Verbindung mit seitlichem Richten), so daß sich diese Verfahren aus Gründen der Wirtschaftlichkeit oder der Praktikabilität nicht durchgesetzt haben. To reduce the internal tensile stresses in the rail head and in the rail foot you can straighten the rails (DE-OS 32 23 346) or cool and controlled Align to the side (DE-PS 19 42 929). In this process, however, there are procedural issues Difficulties (straightening) and z. T. are for a passenger traffic with high Speeds required straightness not reliably adjustable (stretch straightening, controlled cooling in connection with lateral straightening), so that this process have not prevailed for reasons of economy or practicality. Ein weiteres Verfahren zur Absenkung der Zugeigenspannungen im Schienenkopf und im Schienenfuß ist das Spannungsarmglühen. Another method for reducing the internal tensile stresses in the rail head and the stress relief annealing is in the rail foot. Das Spannungsarmglühen zur Verminderung der Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß gerichteter Schienen ist in sinngemäßer Anwendung der von Houdremont im Fachbuch »Handbuch der Sonderstahlkunde, Springer-Verlag 1956«, S.238-240 beschriebenen Maßnahmen zum Abbau von Eigenspannungen durch Spannungsfreiglühen bei höheren Temperaturen ein Wärmebehandlungsverfahren, bestehend aus einem Glühen der Schienen im Temperaturbereich von 200-700"C und einem nachfolgenden langsamen Abkühlen. Da der Abbau der Eigenspannungen durch bei höheren Temperaturen einsetzende und den Schienenwerkstoff entlastende Fließvorgänge erfolgt, ist ein Vermindern der Zugeigenspannungen bis auf geringe Restwerte von 20-60 N/mm2 nur bei einer für den Ablauf der Fließvorgänge ausreichenden Zeit gegeben. Aus diesem Grund dauert in der Praxis eine derartige Glühbehandlung von Schienen mehrere Stunden. In der Literaturstelle »Technische Mitteilungen Krupp«, Werksberichte 39 (1981), S 33, ist eine Behandlungszeit von sechs Stunden bei 550"C angegeben. Stress relief annealing to reduce residual tensile stresses in The head and foot of aligned rails is applied analogously to that of Houdremont in the textbook "Handbuch der Sonderstahlkunde, Springer-Verlag 1956", pp.238-240 Measures to reduce internal stresses through stress relief annealing at higher temperatures a heat treatment process consisting of annealing the rails in the temperature range from 200-700 "C and a subsequent slow cooling. As the reduction of internal stresses due to the onset of higher temperatures and relieving the rail material If there is a flow process, the residual tensile stresses are reduced to a low level Residual values of 20-60 N / mm2 only if one is sufficient for the flow processes to take place Given time. For this reason, such an annealing treatment lasts in practice of rails several hours. In the reference »Technische Mitteilungen Krupp«, Factory reports 39 (1981), p. 33, is a treatment time of six hours at 550 "C. specified. Das Verfahren ist somit sehr kostenaufwendig. Es kann insbesondere nicht wegen der langen Glühdauer in kontinuierlich arbeitenden Durchlauföfen, die sich in die Produktionslinie von Schienen einordnen lassen, durchgeführt werden, da diese sich hemmend auf den Produktionsfluß auswirken. Aber auch die außerhalb der Produktionslinie vorgesehenen Öfen, in denen die Schienen satzweise geglüht werden, lassen eine optimale Ausnutzung eines Schienenwalzwerkes nicht zu. The process is therefore very expensive. It can in particular not because of the long annealing time in continuously operating furnace can be classified in the production line of rails, carried out, since these have an inhibiting effect on the flow of production. But also those outside Furnaces provided on the production line in which the rails are annealed in sets do not allow an optimal utilization of a rail rolling mill. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirksames und kostengünstiges Wärmebehandlungsverfahren zum Abbau der Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß rollengerichteter Stahlschienen zu schaffen, das in den üblichen Produktionsfluß bei der Schienenherstellung integriert werden kann. It is therefore the object of the present invention to provide an effective and Inexpensive heat treatment process to reduce the internal tensile stresses in the head and feet of roller-oriented steel rails that fit into the usual production flow can be integrated in the production of rails. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Schienen über einen Rollgang kontinuierlich an einer Erwärmungseinrichtung mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,2 m/min und 1 m/s vorbeigeführt werden und daß während der entsprechenden Durchlaufzeit von 1 bis 300 s/m Schienen nur der Steg der Schienen auf die Glühtemperatur erwärmt wird und nach Erreichen dieser Temperatur auf Raumtemperatur abkühlt. This problem is solved in that the rails are on a roller table continuously on a heater at a speed between 0.2 m / min and 1 m / s are passed and that during the corresponding throughput time from 1 to 300 s / m rails, only the web of the rails is heated to the annealing temperature is and after reaching this temperature cools to room temperature. Die Stegerwärmung kann mit Brennern oder induktiv vorgenommen werden. The bar heating can be carried out with burners or inductively.
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