EA018426B1

EA018426B1 - Способ термообработки рельсов

Info

Publication number: EA018426B1
Application number: EA201000874A
Authority: EA
Inventors: Альфредо ПОЛОНИ; Нуредин Капай; Андреа ДЕ ЛУКА; Джанлука Баццаро
Original assignee: Даньели Энд К. Оффичине Мекканике С.П.А.
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2013-07-30
Also published as: EP2231884B1; BRPI0819730B1; ATE510934T1; US8388775B2; PL2231884T3; ITMI20072244A1; EA201000874A1; WO2009068644A1; US20100300586A1; CN101868557B; EP2231884A1; UA98685C2; CN101868557A; BRPI0819730B8; JP5536660B2; JP2011504967A; ES2367092T3; BRPI0819730A2

Abstract

Процесс поточной термообработки прокатанных рельсов, позволяющий получать мелкую перлитную структуру, равномерную по всей заданной поверхностной толщине головки рельса. Также описывается новое устройство для термообработки рельсов в общем технологическом потоке с системой прокатки, которое по сравнению с известными устройствами является намного более простой конструкцией, имеет высокую стойкость к внешним воздействиям и требует меньшего объема технического обслуживания.

Description

(57) Процесс поточной термообработки прокатанных рельсов, позволяющий получать мелкую перлитную структуру, равномерную по всей заданной поверхностной толщине головки рельса. Также описывается новое устройство для термообработки рельсов в общем технологическом потоке с системой прокатки, которое по сравнению с известными устройствами является намного более простой конструкцией, имеет высокую стойкость к внешним воздействиям и требует меньшего объема технического обслуживания.

018426 В1

018426 Β1

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к включенному в общий технологический поток способу для термообработки прокатанных рельсов с целью улучшения механических свойств, по меньшей мере, в поверхностном слое головки рельсов, и к устройству для термической обработки рельсов, в частности к устройству для поточной термообработки рельсов, выходящих из системы прокатки.

Уровень техники

Известный уровень техники включает в себя различные решения, касающиеся устройств и способов для термообработки прокатанных рельсов; эти устройства и способы предназначены, в частности, для придания твердости головке рельса с помощью операции закалки.

Многие из этих устройств не установлены в общую поточную линию с прокатными клетями. Это влечет за собой складирование прокатанных рельсов и последующий их нагрев перед закалкой со значительным расходом энергии и низкой эффективностью производства.

В других системах эти устройства, как вариант, расположены вдоль линии прокатки. Прокатанный рельс выгружается на роликовый механизм, который крепится к полу; далее рельс перемещается манипуляторами, включающими в себя сложные рычажные системы, которые управляют манипулированием рельса во время его термообработки; и, наконец, он выгружается на охлаждающий стеллаж или плиту с помощью соответствующего выталкивающего механизма.

Рельсы, которые нагреваются или непосредственно поступают из прокатного стана, подвергаются быстрому охлаждению или с помощью распылительных сопел, которые выпускают охлаждающую среду (воду, воздух или воду, смешанную с воздухом) на головку рельса, или посредством погружения головки рельса в бак, содержащий охлаждающую жидкость.

Отрицательным фактором при использовании распылительных сопел является то, что имеет место деформация рельса в направлении его длины из-за разности температур в разных участках рельса и из-за последующих различных величин теплового расширения.

При использовании в качестве альтернативы бака для погружения головки рельса обеспечивается более равномерное охлаждение в направлении длины, хотя, в любом случае, различие температур между основанием горячего рельса и охлаждаемой головкой приводит к изгибанию рельса; недостаток состоит в том, что используемые манипуляторы не являются достаточно жесткими и устойчивыми к противодействию такому изгибанию. Другой недостаток таких манипуляторов состоит в том, что во время термообработки они всегда контактируют с рельсом в одной и той же точке, создавая, тем самым, холодные зоны на самом рельсе.

Кроме того, при использовании всех известных устройств, производительность всей линии является крайне низкой. Производительность не превышает 12-15 рельсов/ч для рельсов, которые имеют длину примерно 100 м. Такие устройства также имеют сложную конструкцию и требуют значительного технического обслуживания; тем самым, оба указанных фактора требуют увеличения расходов на производство и техническое обслуживание устройства.

Следовательно, имеется необходимость предложить инновационное устройство для термообработки рельсов, выходящих из системы прокатки, позволяющее устранить вышеуказанные недостатки.

Что касается процесса термообработки, то способы погружения обеспечивают непрерывное охлаждение головки рельса, которое приводит к получению металлической структуры, неравномерной по всей толщине термообработанного слоя.

Как альтернатива, другие способы включают введение в сталь, подвергаемую термообработке, легирующих элементов, как, например, кремний и алюминий, для получения необходимых окончательных характеристик; добавление легирующих элементов имеет недостаток, связанный со значительным увеличением производственных затрат.

Следовательно, имеется необходимость предложить инновационное устройство для термообработки головки рельса, позволяющий повысить механические свойства за счет обеспечения улучшенной металлической структуры без добавления в сталь легирующих элементов.

Краткое описание изобретения

Основная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить новый процесс поточной термообработки прокатанных рельсов, обеспечивающий получение мелкой перлитной структуры, которая является равномерной по всей заданной поверхностной толщине головки рельса, в частности пригодной для использования рельсов в условиях очень низких температур за счет повышенной вязкости.

Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство для термообработки рельсов, используемое в общем технологическом потоке с системой прокатки и имеющее простую конструкцию, высокую стойкость к внешним воздействиям и требующее меньшего объема технического обслуживания по сравнению с существующими устройствами.

Следовательно, настоящее изобретение имеет целью решить вышеуказанные задачи за счет применения процесса поточной термообработки рельса, выходящего из системы прокатки, который, по п.1 формулы изобретения включает в себя следующие этапы:

первый этап охлаждения рельса на воздухе до достижения температуры поверхности головки рель

- 1 018426 са по меньшей мере 720°С;

второй этап охлаждения с помощью охлаждающей среды до получения температуры поверхности головки рельса выше температуры Аг³ на 50-150°С во избежание фазового превращения аустенита в перлит;

третий этап охлаждения на воздухе, имеющий заданную продолжительность, в результате чего температура поверхности выравнивается до температуры поверхностного слоя головки рельса; вышеуказанный поверхностный слой имеет глубину в диапазоне 15-25 мм от поверхности;

четвертый этап охлаждения с помощью охлаждающей среды до получения температуры поверхности головки рельса ниже 500°С, в результате чего происходит фазовое превращение аустенита в перлит;

в котором вышеуказанный перлит имеет равномерную структуру с мелкой гранулометрией в заданном поверхностном слое.

По другому аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для поточной термообработки рельсов, выходящих из системы прокатки, которое по п.8 формулы изобретения включает в себя по меньшей мере одну подвижную тележку, содержащую продольный роликовый механизм, включающий в себя пары роликов, предназначенных для приема рельса вдоль оси прокатки, выходящего из вышеуказанной системы, и поддерживающий положение прокатки; вышеуказанный роликовый механизм может поворачиваться вокруг продольно оси, параллельной оси прокатки, для ориентации головки рельса в нижнем направлении;

продольный бак для охлаждающей жидкости, в который может быть погружена головка рельса.

Преимущественно устройство по изобретению включает в себя по меньшей мере один роликовый механизм, позволяющий направлять рельс точно вдоль линии прокатки, тем самым, поддерживая то же самое положение, в котором он выходит из последней прокатной клети, т.е. с осью симметрии рельса, расположенной, по существу, в горизонтальном положении. Тот же самый роликовый механизм также обеспечивает жесткую опору для рельса, манипулирование во время гермической обработки и выгрузку рельса на охлаждающую плиту. Следовательно, роликовый механизм устройства по изобретению выполняет все эти функции с помощью способов, отличающихся от способов, используемых для традиционного роликового механизма, который служит только для перемещения прокатанного рельса вперед, и поэтому должен использоваться совместно со специальными устройствами манипулятора.

Дополнительное преимущество устройства по изобретению состоит в том, что оно имеет два роликовых механизма, которые попеременно и, будучи выровненными по оси прокатки, обеспечивают почти одновременную термообработку двух рельсов, повышая производительность системы. Таким образом, по сравнению с производительностью известных устройств обеспечивается удвоенная производительность при скорости прокатки в диапазоне 8-10 м/с.

Преимущественно погружение рельса в бак по всей длине обеспечивает равномерность термообработки, тепловые деформации практически исключаются или уменьшаются до минимума за счет жесткости устройства, а также обеспечивается большая гибкость в манипулировании на заключительном этапе охлаждения, что является наиболее важным для получения требуемой окончательной структуры. Получение мелкого перлитного зерна зависит от скорости охлаждения на этом заключительном этапе, а также от деформации материала, получаемого в прокатных клетях. Следовательно, высокие скорости охлаждения являются предпочтительными, что в любом случае не ведет к образованию нежелательных бейнитной и бейнитно-сорбитной структур.

Процесс по настоящему изобретению преимущественно предусматривает четыре этапа охлаждения, два с помощью воздуха и два с помощью воды с добавками или другой соответствующей охлаждающей жидкостью. Головка рельса, полученная с помощью этого процесса, имеет следующие свойства:

высокую твердость (340 420 НВ);

высокую износостойкость;

достаточную вязкость;

высокую усталостную прочность;

сохранение вышеуказанных механических свойств при очень низких окружающих температурах (до -60°С);

глубину равномерной мелкой перлитной структуры по меньшей мере 15-25 мм;

надлежащее качество поверхности и надлежащую прямолинейность рельса в конце термообработки; отсутствие поверхностных микротрещин.

Предпочтительные варианты выполнения изобретения описываются в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества изобретения станут более понятными из подробного описания предпочтительных, но не исключительных вариантов выполнения устройства для термообработки рельсов, которое показано на не ограничивающем примере с помощью приложенных чертежей, на которых фиг. 1а и 1Ь - примеры компоновок систем производства рельсов, снабженных устройством по изобретению;

- 2 018426 фиг. 2 - вид сбоку на устройство по изобретению;

фиг. 3 - диаграмма, показывающая динамику изменения температуры во времени в ходе нескольких этапов процесса по изобретению как на поверхности, так и, соответственно, в заданном поверхностном слое головки рельса;

фиг. 4 - диаграмма, показывающая динамику изменения температуры во времени по логарифмической шкале для заключительного этапа охлаждения, относящегося к способу по изобретению, как на поверхности, так и, соответственно, в заданном поверхностном слое головки рельса; кроме того, показаны кривые превращений при непрерывном охлаждении или кривые превращения;

фиг. 5 - диаграмма, показывающая динамику изменения температуры во времени на одном этапе охлаждения погружением, предусмотренном в известных процессах, как на поверхности, так и, соответственно, в заданном поверхностном слое головки рельса;

фиг. 6 - диаграмма температура-время, показывающая динамику изменения температуры на первых трех этапах охлаждения, относящихся к способу по изобретению, как на поверхности, так и, соответственно, в заданном поверхностном слое головки рельса.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Фиг. 1а иллюстрирует пример компоновки части системы производства рельсов, включающей в себя устройство для термообработки по изобретению. Эта примерная компоновка включает в себя нагревательную печь 1 для заготовок;

систему 2 прокатки заготовок для получения рельсов;

две передвижных тележки 3, 4, каждая из которых включает в себя продольный роликовый механизм для перемещения, поддержки и манипулирования рельсами во время термообработки;

охлаждающую плиту или стеллаж 5, на который выгружаются термически обработанные плиты;

правильную машину 6, используемую для обеспечения допусков на прямолинейность согласно требованиям;

роликовый механизм 7 для транспортировки рельсов на склад.

Правильная машина 6 может быть установлена справа и/или слева от охлаждающей плиты 5.

Фиг. 1Ь показывает вариант компоновки, в котором устройство для термообработки по изобретению, включающее в себя передвижные тележки 3 и 4, всегда расположено вдоль оси прокатки X, хотя в этом случае охлаждающая плита 5 расположена между последней клетью прокатного стана и устройством по изобретению. Эта компоновка обеспечивает возможность поточной термообработки только некоторых прокатанных рельсов. Прокатанные рельсы, не требующие закалки, могут быть выгружены на плиту 5, которая перемещает эти рельсы и выгружает их непосредственно в правильную машину 6.

В устройстве по изобретению тележки 3, 4 расположены параллельно друг другу и оси X прокатки и преимущественно адаптированы для попеременного расположения вдоль вышеуказанной оси прокатки. Каждая тележка, фактически, имеет возможность перемещаться в боковом направлении по отношению к оси прокатки благодаря наличию манипуляционного средства, например системы реек, предусмотренной на полу, или другой соответствующей системы.

Каждая тележка 3, 4, показанная на фиг. 2, включает в себя продольный роликовый механизм 15, 16 с парами роликов 10, 10' с электроприводом, имеющих горизонтальную ось, когда тележка находится в положении (Ь), и адаптированных для приема рельса 9, 9' вдоль оси X прокатки, выходящего из системы 2 прокатки, тем самым, удерживая его в положении прокатки, т.е. в положении с горизонтальной осью симметрии. Пары 10, 10' роликов имеют профилированную поверхность для направления рельса 9, 9' в области перехода от стенки рельса к подошве рельса. Все эти роликовые пары 10, 10' могут иметь привод или привод могут иметь не все роликовые пары, например, с интервалами в одну пару. Преимущественно для того чтобы придать жесткость захватываемому рельсу и предотвратить нежелательный изгиб, расстояние между каждой парой роликов 10, 10' может находиться в диапазоне 0,5-2 м. Диаметр вышеуказанных роликов может находиться в диапазоне 400-600 мм.

Роликовый механизм, расположенный сразу же у выхода из линии прокатки, служит для извлечения, направления и захватывания прокатанного рельса с целью выполнения термообработки. В конце термообработки рельс выгружается на охлаждающую плиту 5 с помощью того же самого роликового механизма.

Для каждой пары роликов 10 с электроприводом также предусмотрен поддерживающий ролик 12, имеющий вертикальную ось, когда тележка находится в положении (Ь) и контактирующий с основанием подошвы рельса для улучшения направления рельса в том же положении, как и положение, при котором он выходит из последней клети прокатного стана.

В предпочтительном варианте пара роликов 10, 10' с электроприводом может быть разведена, и во время этапа приема прокатанного рельса, который должен быть подвергнут термообработке, нижние неподвижно закрепленные ролики, когда ось находится в горизонтальном положении, принимают рельс, в то время как верхние подвижные ролики поднимаются из рабочего положения. Например, верхние ролики могут быть подняты посредством поворачивания вокруг штифта, чтобы облегчить вставление рельса в устройство по изобретению. Как только рельс будет полностью вставлен, верхние ролики и поддерживающие ролики 12 соответственно прижимаются к стенке и подошве рельса для обеспечения захвата.

- 3 018426

Преимущественно весь продольный роликовый механизм поворачивается соответствующим образом так, чтобы вращаться вокруг продольной оси, параллельной оси X прокатки, для ориентации головки рельса в нижнем направлении.

Каждая тележка 3, 4 дополнительно включает в себя продольный бак 11, 11', содержащий охлаждающую жидкость, предпочтительно, но не обязательно, воду, содержащую синтетическую добавку, например гликоль, в которую погружается головка рельса. Бак 11, 11' имеет продольный размер, по меньшей мере, равный размеру рельса, и расположен на основании тележки.

Для поднятия бака 11, 11' с основания тележки на заданную высоту для выполнения погружения головки рельса в охлаждающую жидкость предусмотрены приводные средства. Такие приводные средства могут включать в себя, например, гидравлические домкраты или рычажную систему. Преимущественно толщина роликов 10, 10' составляет 60-80 мм так, чтобы не допустить столкновения с расположенным ниже охлаждающим баком при его подъеме.

Уровень охлаждающей жидкости в баке 11, 11' может находиться рядом с краями бака или жидкость может переливаться, тем самым, разбрызгиваясь в боковом направлении каждый раз при погружении рельса. В последнем случае могут быть предусмотрены боковые сборные баки 13, 13' и преимущественно также могут быть предусмотрены рециркуляционные средства для подачи собранной жидкости в бак. Также могут быть предусмотрены перемешивающие средства для перемешивания охлаждающей жидкости в баке, например генераторы колебаний.

На роликовых механизмах 15, 16 расположены распылительные сопла 14, которые предназначены для охлаждения подошвы рельса с целью предотвратить тепловые деформации как следствие разницы температур между головкой и подошвой рельса. Дополнительное преимущество состоит в том, что за счет этого в подвергнутом термообработке рельсе образуются меньшие остаточные механические напряжения. Распылительные сопла 14 предпочтительно распыляют такую же самую жидкость, что и жидкость, содержащаяся в баке, возможно, даже смешанную с воздухом.

Уже упомянутый выше привод роликовых пар 10, 10' определяет знакопеременное продольное перемещение рельса, которое позволяет соплам 14 охлаждать подошву рельса по всей длине и, следовательно, также и часть подошвы, контактирующей с поддерживающими роликами 12.

Ниже описывается рабочий цикл, относящийся к предпочтительному варианту выполнения устройства по изобретению с двумя тележками 3, 4, снабженными соответствующими роликовыми механизмами 15, 16.

1) . Первая тележка 3 изначально расположена вдоль оси X прокатки (положение Ь на фиг. 2) и принимает первый рельс 9, имеющий длину, например, до 150 м и прокатываемый со скоростью 8-10 м/с. После того как рельс 9 будет захвачен роликовым механизмом 15, он не остается неподвижным, а непрерывно перемещается назад и вперед так, чтобы равномерно распределять тепловую нагрузку по захватывающим роликам 10, и так, чтобы не создавать холодных пятен на стенке рельса.

2) . После принятия прокатанного рельса 9 первая тележка 3 перемещается от линии прокатки (положение Ь на фиг. 2) вправо (положение с), в то время как ее роликовый механизм 15 поворачивается против часовой стрелки на 90° так, чтобы ось симметрии рельса была ориентирована по вертикали и головка рельса была направлена вниз; в то же самое время вторая тележка 4 перемещается из бокового положения (положение а) в положение вдоль оси прокатки (положение Ь).

3) . Воздушное охлаждение рельса 9 на тележке 3 продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура выше 720°С, предпочтительно в диапазоне 800-850°С, в течение суммарного времени, например в диапазоне 40-90 с, предпочтительно 80 с; в то же самое время вторая тележка 4 (положение Ь) принимает второй рельс 9', который также перемещается назад и вперед так, чтобы равномерно распределять тепловую нагрузку по захватывающим роликам 10', и так, чтобы не создавать холодных пятен на стенке рельса.

4) . После приема второго рельса 9' вторая тележка 4 возвращается в боковое положение (положение а), в то время как ее роликовый механизм 16 поворачивается против часовой стрелки на 90° так, чтобы ось симметрии рельса 9' была сориентирована по вертикали и головка рельса была направлена вниз; в то же самое время первая тележка 3 перемещается в положение вдоль линии прокатки (положение Ь) и ее бак 11 поднимается вышеуказанными приводными средствами (не показано), например гидравлическими домкратами, чтобы выполнить второй этап охлаждения погружением головки первого рельса 9 в поднятый бак 11. Преимущественно вышеуказанное продольное знакопеременное перемещение рельса 9 приводит к образованию паровой пленки, которая имеет тенденцию к образованию при контакте с поверхностью головки рельса во время охлаждения, и разрушается при погружении головки рельса, тем самым, улучшая теплообмен.

5) . По истечении времени, предусмотренного для этапа погружения, например, в диапазоне 10-20 с, предпочтительно 15 с, бак 11 первой тележки 3 (положение Ь) опускается для выполнения этапа выдержки на воздухе (имеющего продолжительность, например, в диапазоне 10-60 с, предпочтительно 15 с; в то же самое время завершается первый этап воздушного охлаждения второго рельса 9' (положение а) и бак 11' второй тележки 4 поднимается так, чтобы выполнить второй этап охлаждения погружением головки

- 4 018426 рельса 9'.

6) . Далее бак 11' (положение а) опускается для выполнения этапа выдержки на воздухе (имеющего продолжительность, например, в диапазоне 10-60 с, предпочтительно равную 15 с), и бак 11 (положение Ь) снова поднимается для выполнения завершающего этапа охлаждения погружением головки первого рельса 9 (имеющего продолжительность примерно 250 с).

7) . Аналогично, бак 11' (положение а) снова поднимается для выполнения последней операции охлаждения погружением головки второго рельса 9'.

8) . После завершения последнего этапа термообработки первого рельса 9 бак 11 (положение Ь) снова опускается, роликовый механизм 15 поворачивается на 90° в направлении, противоположном предыдущему направлению, с целью возврата оси симметрии рельса в горизонтальное положение, ролики 10 с электроприводом перемещают подвергнутый термообработке рельс 9 вперед, выгружая его на охлаждающую плиту 5, расположенную ниже по технологическому потоку, и принимают третий рельс для термообработки (этап 1), когда он выходит из последней клети прокатного стана.

9) . После приема третьего рельса первая тележек 3 повторяет операции, описанные в этапах 2) и 3), в то время как на второй тележке 4, после завершения последнего этапа термообработки рельса 9', бак 11' (положение а) снова опускается, роликовый механизм 16 поворачивается на 90° в направлении, противоположном предыдущему направлению, с целью возврата оси симметрии рельса в горизонтальное положение, в то время как та же тележка 4 перемещается назад в положение, соосное с линией 1 прокатки (положение Ь), ролики 10' с электроприводом перемещают второй подвергнутый термообработке рельс 9' вперед, выгружая его на охлаждающую плиту 5, расположенную ниже по технологическому потоку, и получают четвертый рельс для термообработки, когда он выходит из последней клети прокатного стана.

Цикл продолжается, повторяя вышеописанные этапы 4-9. Рельсы 9, 9' всегда загружаются на соответствующие тележки и выгружаются с них вдоль оси X прокатки.

Как вариант, вместо подъема и опускания бака 11, 11' можно соответственно предусмотреть опускание и поднимание роликового механизма 15, 16, уже повернутого на 90° против часовой стрелки.

Процесс термообработки рельсов для закалки головки рельса, объект настоящего изобретения, содержащий четыре вышеописанных этапа охлаждения, также может быть выполнен, используя устройства, отличающиеся от устройства, описанного выше.

В любом случае процесс по изобретению выполняется в общем технологическом потоке, т.е. на выходе из линии прокатки, когда рельс достигает зоны термообработки так, чтобы преимущественно использовалась остаточная температура прокатки, равная примерно 900-950°С. Таким образом, по сравнению со вспомогательными процессами обеспечивается значительная экономия энергии, необходимая для повторного нагрева рельса перед закаливанием.

Ниже описывается предпочтительный вариант выполнения процесса по изобретению, относящийся к стали, имеющей процентное содержание углерода в диапазоне 0,7-0,9% и содержание марганца в диапазоне 0,75-1,25%.

На выходе из линии прокатки, когда рельс достигает зоны термообработки на момент времени 1=0 (фиг. 3), весь рельс охлаждается на воздухе до достижения температуры поверхности по меньше мере 720°С, предпочтительно в диапазоне 800-850°С. Этот первый этап воздушного охлаждения имеет продолжительность, например, в диапазоне 40-90 с, предпочтительно 80 с. На этом первом этапе исключаются температуры ниже 720°С, чтобы всегда иметь надлежащий запас, обеспечивающий, что на последующем втором этапе охлаждения не произойдет никаких металлургических превращений аустенита.

Таким образом, предусматривается второй этап охлаждения только головки рельса с помощью охлаждающей жидкости до тех пор, пока температура поверхности головки не будет немного превышать температуру Аг3 превращения аустенита в перлит. В частности, значение этой температуры поверхности будет выше температуры Аг3 на 50-150°С и, таким образом, это позволяет предотвратить фазовое превращение аустенита в перлит. Второй этап, имеющий продолжительность, например, в диапазоне 10-20 с, предпочтительно 15 с, может быть выполнен погружением головки рельса в бак с водой или другой соответствующей жидкостью, возможно, содержащей синтетическую добавку, или может быть выполнен с помощью струй воды или другой соответствующей жидкости, возможно, содержащей синтетическую добавку, направленных на головку рельса и выходящих из сопел, предусмотренных в охладительных камерах и расположенных так, чтобы покрывать всю длину рельса.

Преимущественно процесс по изобретению предусматривает прерывание охлаждения вышеуказанной жидкостью и выполнение третьего этапа охлаждения снова на воздухе, продолжающегося, например, в диапазоне 10-60 с, предпочтительно 15 с, с целью выравнивания температуры поверхности головки рельса до температуры поверхности, соответствующей заданному поверхностному слою головки рельса, имеющему глубину предпочтительно 25-25 мм, измеренную, начиная от вышеуказанной поверхности. Фактически, нагрев внутренних слоев доводит поверхностные слои до температуры примерно 720-840°С.

Это третий этап может быть выполнен за счет удаления головки рельса из вышеуказанного бака или за счет закрытия сопел, образующих струи, направленные на головку.

- 5 018426

Далее предусматривается четвертый этап охлаждения, опять же с помощью той же самой охлаждающей жидкости, до получения температуры поверхности ниже 500°С, предпочтительно ниже 400°С. Этот четвертый этап, продолжающийся, например, примерно 250 с, может быть выполнен или погружением головки рельса в вышеуказанный бак, или распылением из вышеуказанных сопел охладительных камер.

Максимальная продолжительность четвертого этапа составляет 180-350 с, при этом должна, например, обеспечиваться скорость охлаждения, достаточно высокая для того, чтобы получить мелкозернистую структуру перлита и одновременно не допустить образования бейнитной и бейнитно-сорбитной структур, как известно, жестких, но хрупких. Например, вышеуказанная скорость охлаждения по только что описанному варианту выполнения составляет не более 3-4 С°/с.

Общая продолжительность цикла термообработки, включающая в себя все четыре этапа охлаждения, зависит от состава стали, из которой изготавливается рельс, с учетом процентного содержания углерода (в диапазоне 0,45-1,2%), и содержания в ней легирующих элементов. Общее время описанной выше термообработки составляет, например, 240-520 с и предпочтительно 360 с.

Кроме того, продолжительность первых трех этапов охлаждения также зависит от условий, в которых рельс поступает из линии прокатки, как, например, остаточная температура поверхности, и условия выравнивания температуры между поверхностью и вышеуказанным поверхностным слоем головки рельса. Продолжительность вышеуказанных первых трех этапов также может быть значительно уменьшена на величину, зависящую от того, выходит ли рельс из прокатной клети при относительно низкой температуре, и при условии надлежащего выравнивания температуры между поверхностью и сердцевиной головки рельса.

При выполнении процесса с использованием способа погружения в бак с жидкостью преимущественный вариант выполнения по изобретению предусматривает также охлаждение основания или подошвы рельса с помощью распылительных сопел во избежание тепловых деформаций;

знакопеременное перемещение рельса вперед и назад вдоль продольной оси, чтобы позволить вышеуказанным соплам равномерно охлаждать всю подошву и не допустить образования паровой пленки из-за остающегося контакта с поверхностью головки, когда головка погружается в бак.

В процессе по изобретению выполнение первого охлаждения жидкостью, при котором не происходит никаких фазовых превращений, позволяет уменьшить общее время цикла термообработки головки рельса; кроме того, прерывание второго этапа охлаждения жидкостью и выполнение третьего этапа охлаждения воздухом (выдержка) позволяет выровнять, с точки зрения металлургии, температуру вышеуказанного поверхностного слоя головки рельса с температурой наружной поверхности. Таким образом, для выполнения следующего четвертого этапа охлаждения с помощью жидкости, будет иметь место примерно такая же начальная температура превращения аустенитно-перлитной фазы как для поверхности, так и для всего вышеуказанного поверхностного слоя, и, соответственно, примерно такая же скорость охлаждения. Следовательно, в конце вышеуказанного превращения фазы в поверхностном слое, толщина которого составляет примерно 15-25 мм, предпочтительно по меньшей мере 20 мм, преимущественно образуется мелкая и равномерная перлитная структура. Мелкая и равномерная перлитная структура требуется для эксплуатации рельса при очень низких температурах, например до -60°С.

Фиг. 3 показывает диаграмму, которая отображает динамику изменения температуры во времени в ходе четырех этапов охлаждения головки рельса (на воздухе, в жидкости, выравнивание температуры на воздухе, в жидкости) как на поверхности, так и, соответственно, во внутреннем слое головки рельса, имеющей толщину 20 мм, начиная от вышеуказанной поверхности. Диаграмма относится к способу по изобретению, который может выполняться, соответственно, с помощью двух вариантов устройств для термообработки рельсов:

вариант, который предусматривает погружение головки рельса в бак с водой или другой соответствующей жидкостью, возможно содержащей синтетическую добавку;

и вариант, который предусматривает получение струй воды с добавками или другой соответствующей жидкости с помощью распылительных сопел, которые открываются или закрываются в зависимости от этапа охлаждения, который должен быть выполнен.

На этапе охлаждения погружением в жидкость можно использовать воду с добавлением соответствующего полимера при температуре в диапазоне 35-55°С или чистую воду при температуре близкой к точке кипения.

В частности, кривая 20 показывает динамику изменения температуры поверхности головки рельса, в то время как кривая 21 показывает динамику изменения температуры внутреннего слоя толщиной 20 мм головки рельса. Обе кривые 20, 21 включают в себя четыре сегмента, относящиеся, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому этапам охлаждения.

Фиг. 4 показывает диаграмму, которая отображает динамику изменения температуры во времени по логарифмической шкале во время последнего этапа охлаждения головки рельса. На диаграмме показаны кривые превращений при непрерывном охлаждении или кривые Бейна, которые ограничивают области

- 6 018426 следующих фаз: аустенита, перлита и бейнита. По настоящему изобретению только на этом заключительном этапе охлаждения выполняется металлургическое превращение в головке рельса: фактически, кривые 20 и 21 входят в перлитную область, представленную кривыми непрерывного охлаждения.

Крутой наклон кривых 20 и 21 на фиг. 4, т.е. высокая скорость охлаждения на последнем этапе термообработки, является предпочтительным, чтобы получить особо мелкое перлитное зерно, не вызывая образования бейнитных и/или бейнитно-сорбитной структур. В частности, по способу настоящего изобретения наклон кривых 20 и 21 должен быть таким, чтобы они проходили рядом бейнитной областью, не пересекая ее (фиг. 4).

Преимущественно предпочтительная скорость охлаждения на заключительном этапе термической обработки по изобретению находится в диапазоне 2-7°С/с, предпочтительно 2-5°С/с. В примере рельса, изготовленного из стали, имеющей процентное содержание углерода в диапазоне 0,7-0,9% и содержание марганца в диапазоне 0,75-1,25%, оптимальная скорость охлаждения равна 3-4°С/с.

Преимущественно выполнение промежуточного третьего этапа охлаждения на воздухе (выравнивание температуры на фиг. 3) позволяет всему заданному поверхностному слою головки рельса иметь одинаковую температуру наружной поверхности, обеспечивая, таким образом, получение равномерной перлитной структуры и, тем самым, равномерных механических свойств по всей толщине, подвергнутой термообработке, во время заключительного этапа охлаждения с помощью жидкости. Фиг. 5 и 6 показывают две диаграммы температура-время по логарифмической шкале, которые соответственно относятся к известным процессам, в которых предусматривается один этап охлаждения погружением;

к первым трем этапам охлаждения по способу согласно изобретению.

На фиг. 5 и 6 кривые, обозначенные позицией 20, показывают динамику изменения температуры поверхности головки рельса; кривые, обозначенные позицией 21, показывают динамику изменения температуры во внутреннем слое толщиной 20 мм головки рельса.

Из сравнения можно отметить, что в процессе по изобретению (фиг. 6) различие температуры между поверхностью и вышеуказанным внутренним слоем перед охлаждением, которое вызывает аустенитно-перлитное превращение (точки А и В), будет примерно в три раза меньше, чем различие, получаемое в известных процессах. Благодаря последнему аспекту заключительный этап охлаждения позволяет получить равномерную перлитную структуру и, таким образом, равномерность механических свойств по всему вышеуказанному заданному поверхностному слою.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ поточной термообработки рельса, выходящего из системы прокатки, включающий в себя следующие этапы:

первый этап, на котором охлаждают рельс на воздухе до получения температуры поверхности головки рельса по меньшей мере 720°С;

второй этап, на котором охлаждают рельс с помощью охлаждающей среды до получения температуры поверхности головки рельса выше температуры Аг³ на 50-150°С во избежание фазового превращения аустенита в перлит;

третий этап, на котором охлаждают рельс на воздухе, имеющий заданную продолжительность, в результате чего нагрев внутренних слоев доводит поверхностные слои до температуры 720-840°С, и температура поверхности выравнивается до температуры поверхностного слоя головки рельса; вышеуказанный поверхностный слой имеет глубину в диапазоне 15-25 мм от поверхности;

четвертый этап, на котором охлаждают рельс с помощью охлаждающей среды до получения температуры поверхности головки рельса ниже 500°С, в результате чего происходит фазовое превращение аустенита в перлит с равномерной структурой с мелкой гранулометрией в вышеуказанном поверхностном слое.
2. Способ по п.1, в котором скорость охлаждения на вышеуказанном четвертом этапе охлаждения равна примерно 2-7°С/с.
3. Способ по п.1 или 2, в котором второй и четвертый этапы охлаждения выполняются с помощью погружения головки рельса в бак, содержащий вышеуказанную охлаждающую жидкость.
4. Способ по п.3, в котором третий этап охлаждения выполняют посредством удаления головки рельса из вышеуказанного бака.
5. Способ по п.1 или 2, в котором второй и четвертый этапы охлаждения выполняют с помощью струй охлаждающей среды, направленных на головку рельса и выходящих из специально предназначенных для этой цели сопел, расположенных так, чтобы покрывать всю длину рельса.
6. Способ по п.5, в котором третий этап охлаждения выполняют посредством закрытия вышеуказанных сопел.