DE69029664T2

DE69029664T2 - Fortlaufende schienenproduktion

Info

Publication number: DE69029664T2
Application number: DE69029664T
Authority: DE
Inventors: Robert L. Pueblo Co 81005 Cryderman; John C. Pueblo Co 81005 Winkley
Original assignee: CF&I Steel Corp
Current assignee: CF&I Steel Corp
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2010-12-01
Also published as: KR0140235B1; DK0502986T3; ZA904906B; GR3022651T3; ATE147450T1; CN1038661C; EP0502986A4; CA2069888C; MX167667B; DE69029664D1; WO1991008342A1; US5419387A; CS343590A3; PL164678B1; PL287995A1; US5018666A; ES2098345T3; EP0502986B1; CN1052159A; KR920701570A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenbahnschiene und auf eine Anlage zu deren Herstellung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eisenbahnen spielen eine wichtige Rolle beim Transport von Gütern und, in geringerem Ausmaß, von Personen. Die Wartung des bestehenden Eisenbahnsystems und die Einrichtung neuer Eisenbahnlinien erfordern eine kontinuierliche Quelle für neue Eisenbahnschienen.
Herkömmlicherweise wurden Schienen in Abschnitten hergestellt, die ungefähr 12 m (39 Fuß) lang waren. Diese Länge wurde einfach aufgrund der Länge der Eisenbahnwagen gewählt, die die Schienen zur Baustelle beförderten. An der Baustelle wurden die Schienenabschnitte zusammengenietet. Die Verwendung dieser kurzen Schienenabschnitte und die Unebenheit, die durch die genietete Zusammenfügung entstand, verursachten mehrere Probleme. In erster Linie bewirkten die diskontinuierlichen Schienen eine sehr unruhige Fahrt. Wichtiger ist, daß die unruhige Fahrt zu einem erhöhten Schienenverschleiß führte und die Maximalgeschwindigkeit begrenzte, die die Züge auf den Schienen erreichen konnten. Das Zusammennieten der Schienenabschnitte an der Baustelle ist ferner ein zeitaufwendiger und teurer Vorgang.
Seit kürzerem ist es zur üblichen Praxis geworden, die Schienenabschnitte zusammenzuschweißen, statt die Abschnitte zusammenzunieten. Die kontinuierlich verschweißten Schienen bewirken eine wesentlich ruhigere Fahrt und führen somit zu haltbareren Schienen. Gemeinsam mit dem Aufkommen des Schienenschweißens wurde es für Schienenhersteller allgemeine Praxis, Schienenabschnitte am Herstellungsort zu einem relativ langen Band zusammenzuschweißen. Es ist die derzeit übliche Praxis, Schienenabschnitte - von 12 m (39 Fuß) bis zu 30 m (100 Fuß) - zu verwenden, die zu Bändern mit einer Länge von einer Viertelmeile zusammengeschweißt werden. Es werden spezielle Eisenbahnwagen verwendet, um die geschweißten Bänder zur Schienenbaustelle zu befördern. Die geschweißten Bänder werden an der Baustelle dann entweder zusammengenietet oder zusammengeschweißt.
Diese Praxis besitzt im Vergleich zum herkömmlichen Prozeß große Vorteile sowohl hinsichtlich der Effektivität als auch hinstchtlich der höheren Schienenqualität. Jedoch besitzt dieses Verfahren immer noch verschiedene Nachteile. Obwohl die Schweißverbindungen, die zum Verbinden der kurzen Abschnitte zu 0,4 km (eine Viertelmeile) langen Bändern verwendet werden, eine glattere Oberfläche schaffen und länger halten als die vernieteten Verbindungen, bleiben die Schweißstellen die schwächsten Stellen der Schiene. Der Schweißvorgang erfordert ferner eine separate Einrichtung, in der die kürzeren Schienenabschnitte untersucht werden, die Enden vor dem Verschweißen behandelt werden und die 0,4 km (eine Viertelmeile) langen Bänder auf die Eisenbahnwagen verladen werden.
Es gibt im Stand der Technik keine Beschreibungen oder aktuellen Beispiele von nichtverschweißten einteiligen Bändern, die die Länge der derzeit verwendeten verschweißten Bänder erreichen. Wie oben erwähnt worden ist, werden Schienenabschnitte typischerweise in Längen von 12 bis 57 m (39 bis 190 Fuß) hergestellt und anschließend zu den langen Bändern verschweißt
In der derzeitigen Praxis umfaßt die Schienenherstellung die folgenden Schritte: 1) Walzblockbildung, 2) Walzblokkerwärmung, 3) Reversierwalzen des Walzblocks, um einen Vorblock auszubilden, 4) Reversierwalzen des Vorblocks, um eine Schiene auszubilden, 5) Kühlen und Ausrichten der ausgebildeten Schiene, 6) Untersuchen der Schiene und 7) Wärmebehandeln der Schiene, um dieser bessere Abnutzungseigenschaften zu verleihen.
Die Walzblockbildung wird entweder durch Strangguß oder durch Gießformungsprozesse bewerkstelligt. Bei der typischen Anordnung wird die Walzblockbildung an einer von der Schienenwalzeinrichtung getrennten Stelle durchgeführt, wobei dem Walzblock vor dem Walzen erlaubt wird, abzukühlen. Bevor der Walzblock gewalzt wird, ist es dann im allgemeinen erforderlich, ihn wieder aufzuwärmen.
Der Walzblock wird auf ungefähr 982ºC (1800ºF) erwärmt und einer Serie von "Walz-Behandlungen unterworfen. Das Walzen umfaßt das Hindurchführen des schmiedbaren Walzblocks zwischen großen Walzen, die einen beträchtlichen Druck auf das Metall ausüben, um den Schienenrohling zu strecken und zu formen. Ein kritischer Faktor bei der Schienenherstellung ist, daß das Endprodukt um die Honzontalachse nicht symmetrisch ist. Um die asymmetrische Schiene zu erhalten, muß der Walzkörper nicht nur gewalzt werden, um die geeignete Form zu erreichen, sondern es muß auch auf die inneren Spannungen geachtet werden, die aufgrund des asymmetrischen Walzprozesses im Metall erzeugt werden.
Der Walzblock wird in einem "Durchlauf" durch ein Walzwerk geführt, bis der gesamte Abschnitt zwischen den Walzen hindurchgelaufen ist. Dann wird die Bewegungsrichtung des Walzblocks umgekehrt und der Walzblock läuft durch das gleiche Walzwerk zurück. In Abhängigkeit vom Typ des verwendeten Walzwerks kann der Walzblock zwischen den gleichen Walzen oder zwischen anderen Walzen hindurchlaufen, die Druck auf unterschiedliche Abschnitte des Walzblocks ausüben. Der Walzblock kann bis zu zehn oder zwölf Durchläufe in einem einzigen Walzwerk erfahren, bevor er zum nächsten Walzwerk vorrückt Dieser Rückwärts- und Vorwärtsprozeß wird allgemein als "Reversierwalzen" bezeichnet. Nach Verlassen des ersten Walzwerks wird die zukünftige Schiene meist als Vorblock bezeichnet.
Der Vorblock läuft in diesem Rückwärts- und Vorwärtsverfahren von Walzwerk zu Walzwerk, bis die endgültige Schiene ausgebildet ist. Der typische Schienenherstellungsprozeß umfaßt zusätzlich zu den Walzwerken sowohl Kantensäummaschinen als auch Stirnschneidmaschinen, um eine brauchbare Schienenform zu erzeugen.
Nach dem Durchlaufen des letzten Walzwerks werden die Schienen einem kontrollierten Abkühlungsprozeß unterworfen. Das kontrollierte Abkühlen umfaßt häufig das asymmetrische Beauf schlagen der Schiene mit gekühlter Luft oder mit Wasser, um eine starke Verzerrung der Schiene während ihrer Abkühlung zu verhindern. Die verschiedenen Abschnitte der asymmetrischen Schiene, die einen Kopfabschnitt, einen Basisabschnitt und einen Stegabschnitt umfassen, neigen von sich aus dazu, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abzukühlen. Aufgrund der unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten in den verschiedenen Abschnitten der Schiene tritt ein beträchtliches Verbiegen oder Krümmen der Schiene auf, wenn der Schiene erlaubt wird, sich in einer unkontrollierten Umgebung abzukühlen. Dies führt zur Erzeugung von internen Spannungen im Metall, die zu einem minderwertigen Schienenprodukt führen.
Während des Reversierwalzprozesses, der derzeit zur Erzeugung von Schienen verwendet wird, wird den Enden der zukünftigen Schiene eine beträchtliche Aufmerksamkeit gewidmet. Wenn das Ende des Vorblocks ein bestimmtes Walzwerk verläßt, wird durch die Walzen eine beträchtliche Energie auf das Metall übertragen, wobei dies im allgemeinen zu einer gewissen Endenverzerrung führt. Da der Vorblock bei jedem Durchlauf durch ein Walzwerk zwischen die schnelldrehenden Walzen eindringen muß, ist es dann, wenn das Ende ausreichend verformt ist, möglich, daß der Vorblock nicht richtig zwischen die Walzen eindringt und der gesamte Prozeß angehalten wird. Es ist an wenigstens drei Stellen im Prozeß erforderlich, die Enden des Walzblocks oder Vorblocks abzuschneiden, um ein geeignet geformtes Ende zu erhalten.
Aufgrund der Merkmale des Reversierwalzprozesses ist es unmöglich, Schienen herzustellen, die sehr viel länger als 57 m (190 Fuß) sind. Bei jedem Durchlauf durch ein Walzwerk müssen die Walzen so eingestellt werden, daß auf den Vorblock über dessen gesamte Länge ein gleichmäßiger Zug ausgeübt wird. Wenn zwischen dem einen Ende und dem anderen in der Schiene ein Temperaturgefälle vorhanden ist, führt die konsistente Kraft zu einer inkonsistent geformten Schiene. Diese Temperaturgefälle führen im Reversierwalzprozeß zu inkonsistent geformten Schienen, wenn die Schiene länger als ungefähr 57 m (190 Fuß) ist.
Der Vorteil des Reversierwalzprozesses liegt darin, daß die Schiene auf einer relativ kleinen Fläche unter Verwendung nur weniger Walzwerke hergestellt werden kann. Selbstverständlich verursachen die zahlreichen Reversierdurchläufe des Prozesses beträchtliche Verzögerungen bei der Herstellung, da in einem Walzwerk zu einem Zeitpunkt nur ein Vorblock gewalzt wird.
Beispiele von Offenbarungen, die die Herstellung von Schienen unter Verwendung von Reversierwalzprozessen beschreiben, sind die US-Patente Nr. 4,301,670 von Engel und 4,344,310 von Kozono. In den US-Patenten Nr. 3,342,053 von Stammbach und 4,503,700 von Kishikawa werden Prozesse zur Herstellung von Schienen beschrieben, die als "kontinuierlich" bezeichnet werden. Keines dieser Patente beschreibt jedoch einen wirklich kontinuierlichen Prozeß. Sowohl im Stammbach- als auch im Kishikawa-Patent findet wenigstens in der Vorblockbildungsstufe ein Reversierwalzen statt.
Die US-Patente Nr. 3,310,971 von Motomatsu und 3,555,862 von Yoshimo beschreiben jeweils Prozesse zur Stranggußproduktion von Stahlprodukten mit großem Querschnitt. Keines der Patente schlägt die Verwendung ihrer Prozesse zur Erzeugung asymmetrischer Schienen vor.
Das US-Patent Nr. 4,820,015 von Takeuchi offenbart einen Stranggußprozeß zur Formung eines zusammengesetzten Metallmaterials. Dieser Stranggußprozeß wird in einer Ausführungsform verwendet, um einen Walzblock zu bilden, der für die Schienenproduktion verwendet wird. Takeuchi schlägt nicht vor, den Stranggußprozeß mit einem kontinuierlichen Walzprozeß zu verbinden, um Stahlschienen herzustellen.
Keine der obenerwähnten Referenzen lehrt die Herstellung von Schienen, die einteilig, nicht verschweißt und ungefähr 0,4 km (eine Viertelmeile) lang sind. Ferner lehrt keine der obenerwähnten Referenzen die Herstellung von Schienen unter Verwendung eines wirklich kontinuierlichen Walzprozesses.
Der Ausdruck "kontinuierliches Walzen", wie er hier verwendet wird, meint einen Prozeß, in dem der schmiedbare Stahl durch ein Walzwerk nach dem anderen geführt wird, wobei verschiedene Abschnitte der gleichen zukünftigen Schiene gleichzeitig in mehreren Walzwerken gewalzt werden.
Schließlich lehrt keine der obenerwähnten Referenzen einen Prozeß für die Herstellung von Schienen, in dem unterschiedliche Abschnitte eines gegebenen Vorblocks gleichzeitig gewalzt und abgekühlt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenbahnschiene geschaffen, das die Schritte des Gießens eines Walzblocks und des Walzens des Walzblocks zum Ausbilden der Eisenbahnschiene umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzblock durch einen einzelnen kontinuierlichen Durchlauf durch mehrere Walzwerke geformt wird.
Andere Aspekte der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 19 ausgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Schiene der vorliegenden Erfindung die gleiche Länge wie die derzeit verwendeten geschweißten Schienenbänder, ist jedoch, da sie in einem kontinuierlichen Prozeß hergestellt wird, frei von Schweißstellen und anderen Schwachstellen, die bei der Herstellung von Schienen mittels Reversierwalzen und Verschweißen erzeugt werden.
Die Schiene der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise mehr als 60 m (200 Fuß) lang und ist vorzugsweise ungefähr 0,4 km (eine Viertelmeile) oder ungefähr 432 m (1440 Fuß) lang.
Der kontinuierliche Walzherstellungsprozeß der vorliegenden Erfindung kann eine einteilige Schiene mit einer Länge von 0,4 km (einer Viertel Meile) herstellen. Dieser Prozeß ist gekennzeichnet durch eine Reihe von Walzwerken, wobei verschiedene Abschnitte der auszubildenden Schiene gleichzeitig in mehreren Walzwerken gewalzt werden. Der kontinuierliche Walzprozeß ist ferner mit einem kontrollierten Abkühlungsprozeß verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Stranggußprozeß verwendet, um den Walzblock herzustellen, der in den kontinuierlichen Walzprozeß eingeführt wird. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform werden zwei Stranggußeinheiten verwendet, um die effiziente Nutzung des kontinuierlichen Walzsystems zu maximieren, da die Geschwindigkeit des schmiedbaren Stahls am Eingang des kontinuierlichen Walzsystems ungefähr doppelt so hoch ist wie die Geschwindigkeit der Herstellung des Walzblocks mittels des Stranggußprozesses.
Der kontinuierliche Walzabschnitt der vorliegenden Erfindung umfaßt mehrere Walzwerke. Die vordere Kante des schmiedbaren Stahls läuft von Werk zu Werk, wobei der Walzblock so lang ist, daß eine einzelne auszubildende Schiene gleichzeitig in mehreren Walzwerken bearbeitet wird. In jedem Walzwerk wird der Schienenguerschnitt schrittweise verringert und geformt. Wenn die Schiene das kontinuierliche Walzsystem verläßt, ist der gewünschte Schienenquerschnitt erreicht.
Unmittelbar nach dem kontinuierlichen Walzabschnitt rückt die Schiene in den kontrollierten Kühlungsabschnitt des Herstellungsprozesses vor. Während der vordere Abschnitt der Schiene gekühlt wird, befindet sich auf diese Weise der Endabschnitt immer noch im kontinuierlichen Walzwerk.
Durch den gesamten kontinuierlichen Walzprozeß wird der Vorblock kontinuierlich und schrittweise gestreckt, während der Querschnitt verringert wird. Daher wird bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die gesamte Schiene den gesamten kontinuierlichen Walzabschnitt durchlaufen hat, nicht die volle endgültige Länge der Schiene erreicht. Zu dem Zeitpunkt, zu dem das hintere Ende der Schiene den kontinuierlichen Walzabschnitt durchlaufen hat, hat das vordere Ende der Schiene bereits den kontrollierten Abkühlungsabschnitt verlassen und wird in den Abschlußabkühlungs- und Transportabschnitt befördert.
Bis die gesamte Länge der Schiene durch diesen Abschlußabkühlungs- und Transportabschnitt vorgerückt ist, wird die Vorwärtsbewegung der Schiene nicht angehalten. Nach dem Abkühlen wird die Schiene seitlich bewegt, wobei die Schiene axial in die entgegengesetzte Richtung zu den Nachinspektions- und Reparaturflächen zurückbewegt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer typischen Schiene.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Schienenherstellungsprozesses der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine schematische Anordnung einer Ausführungsform einer Herstellungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Im folgenden werden eine verbesserte Eisenbahnschiene und ein System sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben genauer beschrieben. Die Schiene der Erfindung besitzt eine herkömmliche Form, mit der Ausnahme, daß sie im wesentlichen frei von Schweißstellen ist, wird mittels eines kontinuierlichen Walzprozesses hergestellt und ist mehr als ungefähr 60 m (200 Fuß) lang. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Schiene ungefähr 0,4 km (eine Viertelmeile) oder 432 m (1440 Fuß) lang.
Die Schiene der vorliegenden Erfindung ist den derzeit im Gebrauch befindlichen Schienen überlegen, da die Anzahl der Schweißstellen für eine gegebene Schienenstrecke erheblich verringert wird, wenn sie verlegt ist. Zum Beispiel enthält ein Schienenstrang, der die 0,4 km (eine Viertelmeile) langen Schienen der vorliegenden Erfindung verwendet, vier Schweißstellen pro 1,6 km (Meile) Schiene. Andererseits enthält bei Verwendung der derzeit erhältlichen Bandschienen - unter der Annahme, daß Abschnitte mit 27 m (90 Fuß) Länge verwendet werden - der gleiche Schienenstrang von 1,6 km (einer Meile) Länge ungefähr 64 Schweißstellen.
Wie oben beschrieben worden ist, kann eine solche Schiene nicht mit den derzeit verwendeten Prozessen für die Schienenherstellung hergestellt werden. Dies beruht auf den Beschränkungen im Reversierwalzprozeß. Daher stellt die 0,4 km (eine Viertelmeile) lange einteilige Schiene der vorliegenden Erfindung ein neuartiges und einzigartiges Produkt dar - ungeachtet der Herstellungsweise einer solchen Schiene.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer typischen Schiene. Die Schiene besteht aus einem Kopfabschnitt 10, einem Stegabschnitt 12 und einem Basisabschnitt 14. Wenn die Schiene als asymmetrisch bezeichnet wird, bezieht sich dies auf die Symmetrie bezüglich einer imaginären horizontalen Linie 15. Obwohl alle Schienen die gleiche allgemeine Querschnittsform besitzen, sind die wirklichen Abmessungen der verschiedenen, derzeit hergestellten und verwendeten Typen von Schienen leicht unterschiedlich. Leichte Veränderungen des Schienenquerschnitts können durch Einstellen der Walzkräfte im kontinuierlichen Walzschritt der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Die Asymmetrie der Schiene erzeugt aus verschiedenen Gründen Schwierigkeiten bei der Formung der Schienen. Der als anfängliches Startmaterial verwendete Walzblock besitzt im allgemeinen einen rechteckigen Querschnitt. Wenn der Walzblock schrittweise und allmählich in den gewünschten Querschnitt umgeformt wird, werden auf verschiedene Abschnitte des Walzblocks asymmetrisch Kräfte ausgeübt. Die asymmetrische Kraf tausübung führt innerhalb der Schiene zu Bereichen mit erhöhten inneren Spannungen. Wenn diese internen Spannungen nicht sorgfältig überwacht werden, können sie die maximale Lebensdauer der Schiene beträchtlich verringern.
Die Schienenasymmetrie führt ferner zu Problemen beim Abkühlungsprozeß der Schiene. Wenn die Schiene geformt ist und die geeignete Querschnittsform besitzt, besitzt sie typischerweise eine Temperatur von mehr als 427ºC (800ºF). Wenn sich die Schiene auf Raumtemperatur abkühlt, kühlt sich die größere Masse des Kopfes langsamer ab als die Basis, wobei die Schiene dazu neigt, sich zu biegen, da die kühlere Basis schneller schrumpft als der Kopfabschnitt. Unglücklicherweise wird die bei der Abkühlung erzeugte Spannung nicht vollständig abgebaut, wenn die gesamte Schiene Raumtemperatur erreicht, sondern führt zu internen Spannungen, die die Leistungsmerkmale der fertiggestellten Schiene nachteilig beeinflussen. Aus diesem Grund wird vorgezogen, die Schienen einer kontrollierten Abkühlung zu unterwerfen, in der der Kopfabschnitt und der Basisabschnitt der Schiene unterschiedlich gekühlt werden.
Kontinuierliche Walzprozesse für die Herstellung von Stahlprodukten mit kleinem Querschnitt wie z. B. Blockstahl oder Stangen sind weit verbreitet. Bei kontinuierlichen Walzprozessen wird im Gegensatz zu den Reversierwalzprozessen der schmiedbare Stahl in mehreren Walzwerken gleichzeitig bearbeitet. Das Hauptproblem beim kontinuierlichen Walzen ist die Notwendigkeit, einen bestimmten Typ von "Zugkraftpuffer" zwischen den Walzwerken vorzusehen. Die zum Formen der Stahlprodukte verwendeten Walzen sind sehr schwer und drehen sich mit hohen Drehzahlen.
Wenn gleichzeitig in mehreren Walzwerken bearbeitet wird, wird es schwierig, irgendwelche sofortigen Einstellungen der Walzengeschwindigkeit in irgendeinem gegebenen Werk vorzunehmen. In einer solchen Situation erzeugt selbst eine sehr leichte Erhöhung oder Verringerung der Drehzahl in einem einzigen Werk eine beträchtliche Zugkraft im schmiedbaren Stahl. Die Zugkraft könnte im günstigsten Fall zu schlechteren Stahlprodukten und im ungunstigsten Fall zu einem gefährlichen Walzbetrieb führen.
Für Produkte mit kleinem Querschnitt wird der Zugkraftpuffer bewerkstelligt, indem dem Stahl erlaubt wird, sich zwischen den Walzwerken zu biegen. Leichte Veränderungen der Walzengeschwindigkeit werden durch das Maß des Biegens kompensiert. Die US-Patente 3,310,971 von Motomatsu und 3,555,862 von Yoshimo beschreiben jeweils Vorrichtungen zum Schaffen von Zugkraftpuffern in kontinuierlichen Walzprozessen, in denen die Querschnittsgröße des Materials zu groß ist, um ein Biegen oder eine Schleifenbildung zwischen den Walzwerken zu erlauben. Es liegt im Bereich des Wissens des durchschnittlichen Fachmanns, verfügbare Technologien wie diese zu verwenden, um einen geeigneten und vorteilhaften Zugkraftpuffer für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung einzurichten.
Gemäß dem Schienenherstellungsprozeß der vorliegenden Erfindung wird geschmolzener Stahl auf eine im allgemeinen kontinuierliche Weise zu Schienen mit höherer Qualität geformt. Fig. 2 zeigt ein schematisches Vorrücken des Stahls. Die Figur zeigt sowohl die physikalische Richtung des Stahls als auch die relative Temperatur des Stahls, wenn er sich durch die Grundstufen des Prozesses bewegt.
Der erste Abschnitt des Prozesses ist das Stranggiesen 16 der schmiedbaren Stahlwalzblöcke. Der Walzblock ist eine rechteckige Stahlform, die mittels des kontinuierlichen Walzprozesses zu der fertigen Schiene umgeformt wird. In einem Stranggußprozeß wird der geschmolzene Stahl durch eine Gießform gegossen, die die gewünschte Querschnittsform besitzt, wobei der geschmolzene Stahl durch die Gießform fließt, bis er abgekühlt ist und eine im wesentlichen feste Form annimmt. An diesem Punkt tritt der Stahl aus der Gießform aus. Im Gegensatz zum Strangguß steht das Festformgießen, bei dem eine Gießform mit geschmolzenem Stahl gefüllt wird, der sich dann verfestigen kann, woraufhin die Gießform entfernt wird.
Der obere Abschnitt der Gießform der Stranggußvorrichtung wird in einer vertikalen Stellung gehalten, wobei der geschmolzene Stahl in die Oberseite gegossen wird. Der Stahl kann durch die Gießform mit einer solchen Geschwindigkeit fließen, daß der Stahl relativ zäh ist, wenn er aus dem Boden der Gießform austritt und in eine horizontale Richtung gelenkt wird. Die kontinuierliche Bewegung des Gußblocks kann direkt in den kontinuierlichen Walzabschnitt 18 hinein fortgesetzt werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Strangguß- und die kontinuierlichen Walzprozesse auf einer Linie angeordnet, so daß der stranggegossene Walzblock direkt vom Ausgang der Stranggußform in den kontinuierlichen Walzabschnitt vorrückt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind einem kontinuierlichen Walzabschnitt zwei Stranggußformen zugeordnet. Die zwei Gießvorrichtungen erzeugen beide Walzblöcke, die in das kontinuierliche Walzwerk eintreten. Das 2-zu-1-Verhältnis wird aufgrund der relativen Geschwindigkeiten der Walzblockherstellungsrate und der Geschwindigkeit des Walzblocks beim Eintritt in den kontinuierlichen Walzabschnitt 18 bevorzugt.
Wie oben beschrieben worden ist, wird im kontinuierlichen Walzabschnitt 18 der schmiedbare Stahlwalzblock kontinuierlich und gleichzeitig verarbeitet und geformt, während er durch eine Serie von Walzwerken vorrückt. Die Walzwerke sind auf einer geraden Linie in einer festen Position ausgerichtet. Wenn sich die Vorderkante des Walzblocks von Werk zu Werk bewegt, bewirkt jedes folgende Walzwerk eine Formung und Verringerung des Querschnitts des Schienenrohlings.
Es ist zu beachten, daß dann, wenn der Walzblock gebildet und geformt wird, die Länge des Walzblocks von ungefähr 54 m (180 Fuß) auf ungefähr 432 m (1440 Fuß) zunimmt. Daher ist die Geschwindigkeit des Metalls, wenn es den kontinuierlichen Walzabschnitt 18 verläßt, wesentlich größer als die Geschwindigkeit des Metalls, das in den kontinuierlichen Walzabschnitt eintritt - selbst wenn sich sowohl am Ausgang als auch am Eingang ein und dieselbe Schiene befindet.
Wenn das Metall den kontinuierlichen Walzabschnitt 18 verläßt, tritt die Schiene - die sich immer noch auf einer geraden Linie in der gleichen Richtung bewegt - in den kontrollierten Abkühlungsabschnitt 20 des Prozesses ein. Im kontrollierten Abkühlungsabschnitt 20 werden in einer asymmetrischen Weise Kühlmittel (die Nebel oder Luft verwenden) auf die Schiene aufgebracht. Wenn die Schiene den kontinuierlichen Walzabschnitt 18 verläßt, kann sie eine Temperatur von ungefähr 482ºC (900ºF) besitzen. Die Schiene, die den kontrollierten Abkühlungsabschnitt 20 verläßt, besitzt eine Temperatur von ungefähr 260ºC (500ºF). Ein Großteil der Schrumpfung der Schiene, die beim Abkühlen der Schiene auftritt, tritt im kontrollierten Abkühlungsabschnitt 20 auf. Die Hauptfunktion des kontrollierten Abkühlungsabschnitts 20 ist, ein Verwinden und Verbiegen der Schiene zu verhindern, und nicht die Erzeugung von vorteilhafteren metallurgischen Merkmalen. Die Fähigkeit zum Verhindern des Verbiegens ist extrem kritisch, wenn Schienen behandelt werden, die bis zu 432 m (1440 Fuß) lang sind.
Aufgrund der kontinuierlichen Eigenschaft des Prozesses der vorliegenden Erfindung können während eines Großteils des Schienenherstellungsprozesses unterschiedliche Abschnitte einer gegebenen Schiene gleichzeitig sowohl dem Walzen als auch dem kontrollierten Abkühlen unterworfen sein.
Die kontinuierlich bewegte Schiene verläßt den kontrollierten Abkühlungsabschnitt 20 und rückt zum Abschlußabkühlungs- und Transportbettabschnitt 22 vor. Wenn die gesamte Schiene sowohl durch den kontinuierlichen Walzabschnitt 18 als auch den kontrollierten Abkühlungsabschnitt 20 vorgerückt ist, wird die Vorwärtsbewegung des kontinuierlichen Prozesses angehalten. Die fertige Schiene wird seitlich in die Abschlußabkühlungs- und Transportbettstation 22 bewegt und kann dort mittels Luft auf handhabbare Temperaturen abkühlen.
Die Bewegung der Schiene vom Stranggußabschnitt 16 zum kontinuierlichen Walzabschnitt 18, zum kontrollierten Abkühlungsabschnitt 20 und schließlich zum Abschlußabkühlungs- und Transportbettabschnitt 22 umfaßt die Grundelemente des Prozesses der vorliegenden Erfindung. Selbstverständlich erfordert in der Praxis die Produktion von Schienen mit 0,4 km (einer Viertelmeile) Länge in einem kontinuierlichen Prozeß beträchtlich mehr Schritte und Prozesse.
Eine genauere Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungssystems und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Fig. 3 zeigt eine schematische Übersicht einer Herstellungseinrichtung, die verwendet werden kann, um das Verfahren dieser Erfindung durchzuführen. Jeder spezielle Bereich der Einrichtung wird in der Reihenfolge beschrieben, in der ihn der Schienenrohling passiert, um zu einer fertigen Schiene zu werden, die bereit ist, auf einen Zug verladen zu werden.
Der Stranggußabschnitt 16 umfaßt einen Heißmetalltransportbereich 24, einen Entgaser- und Wiederaufwärmungsbereich 26, eine Gießvorrichtung 28, ein Walzblocktransportbett 30 sowie einen Walzblock-Halteofen 32.
Die Herstellung der Schiene muß mit heißem, geschmolzenen Stahl beginnen. Der Stahl kann von Rohmaterialien oder vom Einschmelzen von Schrottmetall stammen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der geschmolzene Stahl mittels Wiederaufwärmung von ausgewähltem Schrottmaterial in Lichtbogenöfen erzeugt, wobei die chemische Zusammensetzung, die Deoxidation, die Temperatur und die Entschwefelung des geschmolzenen Stahls sorgfältig kontrolliert werden. Der geschmolzene Stahl wird aus der Quelle des geschmolzenen Stahls zur Oberseite der Gießvorrichtung 28 transportiert. Der geschmolzene Stahl wird im Heißmetalltransportbereich 24 zur Gießvorrichtung transportiert.
Vor dem Einfüllen in die Gießvorrichtung 28 wird der geschmolzene Stahl im Bereich 26 wiederaufgewärmt und entgast. Die Eigenschaften des geschmolzenen Stahls werden überprüft, wobei alle Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung oder in der Temperatur, die vor dem Gießen erforderlich sind, im Wiederaufwärmungs- und Entgasungsbereich 26 vorgenommen werden.
Die Stranggußvorrichtung 28 umfaßt eine oder mehrere Stranggußformen. Die Gußformen sind in den obersten Abschnitten vertikal angeordnet, in denen der geschmolzene Stahl am flüssigsten ist. Die Gießformen können sich in einem Winkel in die Horizontale biegen, um das Fließen des Stahls aus der Gießform in eine horizontale Richtung zu erleichtern.
Das Walzblocktransportbett 30 ist ein Bereich zum Aufbewahren und Transportieren der in der Gießvorrichtung 28 erzeugten Walzblöcke. Das Transportbett 30 kann die schmiedbaren Walzblöcke senkrecht zu deren Länge bewegen. Der Walzblockhalteofen 32 ist neben dem Walzblocktransportbett 30 angeordnet und hat zwei Funktionen. Der Halteofen hilft sicherzustellen, daß der Walzblock auf einer konsistenten und für das Walzen geeigneten Temperatur gehalten wird. Der Halteofen ist ferner mit einer Vorrichtung zum Transportieren des Walzblocks zum Eingang des kontinuierlichen Walzabschnitts 18 ausgerüstet.
Der kontinuierliche Walzabschnitt 18 umfaßt einen Schneid/Scherbereich 34, einen Induktionserwärmungsbereich 36 sowie ein Walzwerk 38. Im Schneidischerbereich 34 ist eine Vorrichtung zum Präparieren der Vorderkante des Walzblocks zum Einführen in das Walzwerk vorgesehen. Im Induktionserwärmungsbereich 36 ist eine Vorrichtung vorgesehen, die die geeignete Temperaturkonsistenz innerhalb des Walzblocks sicherstellt, wenn dieser durch den Bereich läuft.
Das Walzwerk 37 besteht aus mehreren Walzwerken, die auf eine Linie ausgerichtet sind. Die Walzwerke umfassen jeweils einen Motor und große, schnelidrehende Walzen, die dazu dienen, einen verformenden Druck auf den zwischen den Walzen hindurchlaufenden Stahl auszuüben. Die Walzen bewirken ferner die Bewegung des Stahls durch das Walzwerk 38.
Der kontrollierte Abkühlungsabschnitt 20 der vorliegenden Erfindung enthält den kontrollierten Abkühlungsbereich 40. Der kontrollierte Abkühlungsbereich 40 besitzt eine Vorrichtung zum asymmetrischen Behandeln der ausgebildeten Schiene, um ein deutliches Verbiegen der Schiene während des Abkühlens der Schiene von ihrer Abschlußwalztemperatur von ungefähr 260ºC (500ºF) zu verhindern. Das kontrollierte Abkühlen kann durch Beaufschlagen ausgewählter Bereiche der Schiene mit einem Nebel- oder Gasstrom durchgeführt werden.
Der Abschlußabkühlungs- und Transportbettabschnitt 22 umfaßt einen Abschlußabkühlungsbereich 42 und ein Schienentransportbett 44. Im Abschlußabkühlungsbereich 42 wird eine symmetrischere Abkühlung der Schiene verwendet.
Im Schienentransportbett 44 wird die Vorwärtsbewegung der Schiene angehalten, wobei die Schiene seitlich bewegt werden kann.
Die obenbeschriebenen Bereiche sind erforderlich, um gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eine einteilige Schiene mit 0,4 km (eine Viertelmeile) Länge kontinuierlich zu formen. Die Vervollständigung des Schienenbehandlungsprozesses verwendet jedoch mehrere zusätzliche funktionale Schritte. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten die zusätzlichen Bereiche des Formungs-Folgeabschnitts folgendes:
Schienenrichtbereich 46,
Entzunderungsbereich 48,
Positionssensor 50,
UT-Inspektion 52,
Oberflächeninspektion 54
Lackierung 56
Transportbett 58
Sägen und Bohren 60
Sägen und Bohren 62
Schweißvorrichtung 64
Aufbewahrungsgestell 66
Zugbeladungsgestell 68
Der Schienenrichtbereich 46 enthält eine Vorrichtung, die leichte Biegefehler im Schienenprodukt korrigieren kann. In einer Ausführungsform enthält der Schienenausrichter massive Walzen, die auf die Schiene eine Ausrichtungskraft von 900 bis 1600 kN (100 bis 180 t) ausübt. Die Außenflächen der Schienen werden im Entzunderungsbereich 48 entzundert. Der Positionssensor 50 dient zum Aufzeichnen der Position aufirgendeiner Schiene, die den verschiedenen Inspektionsstufen der Herstellungsfolgeprozesse entspricht. Die Schiene wird im UT-Inspektionsbereich 52 mittels Ultraschall aufinnere Fehler untersucht. Die Ultraschallinspektion erfaßt innere Risse in den Kopf-, Steg- und Basisabschnitten der Schiene. Im Oberflächeninspektionsbereich 54 findet eine manuelle Oberflächeninspektion der Schiene statt. Falls erforderlich, wird im Lackierungsbereich 56 eine Lackierung auf die Schiene aufgebracht.
Das Transportbett 58 besitzt eine Vorrichtung zum seitlichen Bewegen der Schiene. Der Säge- und Bohrbereich 60 ist mit einer Vorrichtung zum Absägen der Enden der fertigen Schiene ausgerüstet. Der Säge- und Bohrbereich 62 besitzt eine Vorrichtung zum Sägen der Schiene an irgendeiner Stelle, an der in den Inspektionsprozessen irgendein Fehler festgestellt wurde, und bereitet die zwei Stücke zum Schweißen vor. Der Schweißbereich 64 besitzt eine Ausrüstung zum Verschweißen der Schiene, wenn im Säge- und Bohrbereich 62 Abschnitte herausgeschnitten wurden. Das Aufbewahrungsgestell 66 kann mehrere der fertigen Schienen aufbewahren, während das Zugbeladungsgestell 68 eine Vorrichtung besitzt, um die fertigen Schienen auf einen Eisenbahnwagen zu laden, um die Schiene aus der Fabrik abzutransportieren.
In der Herstellungsnachbearbeitung der Schiene wird die Schiene zuerst im Schienentransportbett 44 seitlich bewegt. Ein Großteil des Abkühlens der Schiene auf Raumtemperatur findet im Schienentransportbett 44 statt. Nach dem Abkühlen wird die Schiene axial in der Richtung entgegengesetzt zur Bewegung der Schiene im Herstellungsprozeß bewegt. Die Vorderkante der Schiene durchläuft den Schienenausrichtungsbereich 46, den Entzunderungsbereich 48, den Positionssensor 50, den UT-Inspektionsbereich 52, den Oberflächeninspektionsbereich 54 und den Lackierungsbereich 56. Wenn die Vorderkante der Schiene den Lackierungsbereich 56 verläßt, rückt sie in das Transportbett 58 vor und durch dasselbe hindurch, bis die gesamte Schiene den Lackierungsbereich 56 durchlaufen hat, wobei zu diesem Zeitpunkt die Axialbewegung der Schiene angehalten wird. Die Schiene wird im Transportbett quer bewegt, wobei die zwei Enden in den Säge- und Bohrbereichen 60 und 62 abgesägt werden.
Zu diesem Zeitpunkt wird eine axiale Bewegung der Schiene eingeleitet, diesmal in der gleichen Richtung wie während des Schienenherstellungsprozesses. Wenn während der Inspektionsprozesse irgendwelche Bereiche von Schienenfehlern identifiziert worden sind, wird dann, wenn die Schiene durch den Säge- und Bohrbereich 62 läuft, die Vorwärtsbewegung angehalten und die Schiene an beiden Seiten der Fehlstelle abgesägt. Die zwei Enden werden anschließend im Schweißbereich 64 zusammengeschweißt. Anschließend wird die Schienenbewegung fortgesetzt, bis die gesamte Schiene auf dem Aufbewahrungsgestell 66 angeordnet ist.
Auf der Grundlage der obigen Offenbarungen und der allgemein bekannten und verfügbaren Informationen ist es für einen Fachmann möglich, gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung Schienen mit 0,4 km (einer Viertelmeile) Länge herzustellen. Die Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie oben gegeben ist, soll ein Beispiel und eine Ausführungsform der Erfindung schaffen, soll jedoch nicht den Umfang der Ansprüche, wie er im folgenden definiert ist, einschränken.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Eisenbahnschiene, das die Schritte des Gießens eines Walzblocks und des Walzens des Walzblocks zum Ausbilden einer Eisenbahnschiene umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzblock in einem einzigen kontinuierlichen Durchlauf durch mehrere Walzwerke geformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Schiene einen Kopfabschnitt, einen Stegabschnitt und einen Basisabschnitt umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner den Schritt des asymmetrischen Abkühlens der Abschnitte umfaßt, um ein Verbiegen der Eisenbahnschiene zu verhindern.

3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem dann, wenn ein Abschnitt einer Schiene gewalzt wird, ein anderer Abschnitt derselben Schiene abgekühlt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene wenigstens 60 m (200 Fuß) lang ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene wenigstens 432 m (1440 Fuß) lang ist.

6. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzblock mittels eines Stranggußprozesses hergestellt wird.

7. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es den Schritt des Behandelns der Eisenbahnschiene mit einer oder mehreren der folgenden Operationen umfaßt:

a) Inspizieren;

b) Lackieren;

c) Enden absägen; und

d) Fehlstellen entfernen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, in dem das Entfernen von Fehlstellen das Absägen der Eisenbahnschiene zum Entfernen einer Fehlstelle und das Wiederzusammenschweißen der abgesägten Enden der Eisenbahnschiene umfaßt.

9. Eisenbahnschiene, die durch ein Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche hergestellt wird.

10. Anlage zur Herstellung einer Eisenbahnschiene nach Anspruch 9, wobei die Anlage enthält:

a) einen Gießabschnitt und

b) einen Walzabschnitt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Walzabschnitt mehrere auf einer Linie angeordnete Walzwerke zum schrittweisen Formen eines Walzblocks zu einer Eisenbahnschiene in einem einzigen kontinuierlichen Durchlauf umfaßt.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießabschnitt ein Stranggußabschnitt ist.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stranggußabschnitt einen Heißmetalltransportbereich, einen Heißmetallentgasungs- und Wiederaufwärmungsbereich, wenigstens eine Gießvorrichtung, ein Walzblocktransportbett und einen Walzblockhalteofen umfaßt.

13. Anlage nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen kontrollierten Abkühlungsabschnitt mit einer Vorrichtung zum asymmetrischen Kühlen der Eisenbanhnschiene umfaßt, um ein Verbiegen derselben während des Abkühlens zu verhindern.

14. Anlage nach Anspruch 13, in der der Walzabschnitt und der kontrollierte Abkühlungsabschnitt auf einer Linie angeordnet sind.

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießabschnitt und der Walzabschnitt auf einer Linie angeordnet sind.

16. Anlage nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Abschlußabkühlungs- und Transportbettabschnitt enthält.

17. Anlage nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzabschnitt einen Schneid/Scherbereich und einen Induktionserwärmungsbereich enthält.

18. Anlage nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 17, die einen oder mehrere der folgenden Bereiche enthält:

a) einen Inspektionsbereich,

b) einen Lackierungsbereich,

c) einen Endenabsägebereich und

d) einen Fehlstellenentfernungsbereich.

19. Anlage nach Anspruch 18, in der der Fehlstellenentfernungsbereich eine Vorrichtung zum Absägen einer Eisenbahnschiene und eine Vorrichtung zum Zusammenschweißen benachbarter Enden von Eisenbahnschienen enthält.