EP0161236A2 - Dispositif perfectionnés pour la fabrication de rails - Google Patents
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- EP0161236A2 EP0161236A2 EP85870064A EP85870064A EP0161236A2 EP 0161236 A2 EP0161236 A2 EP 0161236A2 EP 85870064 A EP85870064 A EP 85870064A EP 85870064 A EP85870064 A EP 85870064A EP 0161236 A2 EP0161236 A2 EP 0161236A2
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- B21B1/08—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling structural sections, i.e. work of special cross-section, e.g. angle steel
- B21B1/085—Rail sections
Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing rails, and in particular high-resistance rails, comprising a heat treatment of the rails as soon as they leave the last stand of the rolling mill, that is to say in the hot rolling, as well as on an implementation device.
- Its object is to obtain, preferably without adding alloying elements to the steel, rails having, after cooling, a high breaking strength, good wear resistance, good resistance impact, elongation at least equal to 10% and good weldability.
- high strength steels it is especially meant steels containing 0.4% to 0.85% of C, 0.4% to 1% of Mn and 0.1% to 0.4% of Si and preferably 0 , 6% to 0.85% C and 0.6% to 0.8% Mn; where appropriate, these steels can contain up to 1% of Cr or up to 0.3% of Mo or up to 0.15% of V. It is not however outside the scope of the invention to apply the process with steels whose carbon and manganese contents are between 0.4% and 0.6% and which do not contain alloying elements.
- the bead must be made of fine perlite free of proeutectoid ferrite and martensite and possibly containing a certain percentage of bainite and that the hardness gradient in the bead be as low as possible.
- the applicants have proposed another method which consists in lowering the temperature of the rail at the outlet of the hot rolling mill to a value not less than that at which the pearlitic transformation in the bead begins; from this temperature, the continuously moving rail is subjected to rapid cooling until at least 80% of the aotenite-perlite allotropic transformation is carried out in the rail; the rail is then allowed to cool to room temperature.
- the method of the invention is based on the unexpected observation that it is not necessary to carry out the complete allotropic transformation of the bead during the intense cooling treatment, to give the rail the desired properties; it is quite possible to obtain these properties even for relatively short treatment times, provided that the different parts of the rail are subjected to cooling, the intensities of which are chosen in an appropriate manner.
- Figures 1, 2 and 3 attached hereto illustrate the reality of this basic principle of the method of the present invention; their purpose is to show that the properties (in this case the breaking load) are obtained while a large part of the bead is still in the austenitic state.
- the curve A represents the evolution of the temperature of a point located 14 mm below the upper surface of the bead, during the rapid cooling phase (1) and during the cool-down phase on the normal cooler (II).
- FIG. 2 represents, at two different times of a heat treatment in accordance with the principle of the invention, the state of the austenite / perlite transformation in the bead (ie V in%), from the upper surface to the surface lower (distance d between 0 and 35 mm); curve B gives the situation of this allotropic transformation at the outlet of the rapid cooling device and curve C this situation 25 seconds after the end of this cooling.
- FIG. 1 It can be seen (FIG. 1) that at the depth of 14 mm (this depth corresponds to the taking of the tensile test pieces according to the standards), the cooling rate is 6.8 ° C / s and the temperature at the end of the treatment is 675 ° C.
- Figure 2 shows that at the depth of 14 mm, the transformation hardly started at the end of the treatment; despite this, the properties corresponding to the target values were obtained at this depth.
- FIG. 2 also shows that at the end of the rapid cooling phase, only 32% of the volume of the bead is transformed, this percentage rising to approximately 47%, 25 sec after the end of the treatment.
- FIG. 3 represents both the distribution in the bead of temperatures (° C) and the state of the allotropic transformation (%) at the outlet of the rapid cooling device; on the abscissa are given the distances between the points considered and the upper surface of the bead (mm).
- FIG. 3 shows that, for test No. 20 for example, the perlite formed in the bead at the outlet of the ramp only occupies around 42% of the volume thereof.
- the thermal cycle imposed on the bead in the cooling installation and chosen on the basis of metallurgical considerations is applied in a particular and selective manner to the upper and lower parts of the bead, while the cooling of the core and the pad is adjusted according to the transient deformations of the rail during the treatment.
- the deflection taken by the rail during treatment becomes so large that any mechanical guidance becomes illusory and the application of heat treatment of the rail impossible.
- the upper part of the bead is intensively cooled to ensure in this part the allotropic transformation of austenite into perlite (possibly with bainite while mixing) while the lower part of the bead is much less cooled to preserve the austenitic state; during this same rapid cooling phase, the other parts are also cooled: parts of the rail to harmonize the expansions.
- the process for the manufacture cation of rails, object of the present invention in which, as soon as it leaves the hot rolling mill, the temperature of the rail is lowered to a value not less than that at which the pearlitic transformation in the bead begins and, from this temperature , the rail in continuous travel is subjected to rapid cooling and then the rail is allowed to cool down to ambient temperature, is essentially characterized in that for a given temperature of the bead at the entrance to the rapid cooling ramp, adjusts the length of the ramp, the running speed of the rail and the average density of the heat fluxes applied to the bead, to the core and to the shoe so that on the one hand the final mechanical properties in the bead are obtained while , at the exit of the said ramp, less than 60% of the section of the bead has undergone the allotropic austenite-perlite transformation and, on the other hand, the differences in elongation between the bo urrelet and soul and between the bead and the pad are minimized.
- the slow cooling phase which follows the rapid cooling phase, there is a temperature homogenization in the bead; the temperature decreases in the lower part of the bead due to the departure of calories to the cooler adjacent parts of the rail, that is to say both the upper part of the bead and the core.
- the residual austenite also turns into perlite and the entire rail then acquires the desired microstructure.
- the cooling is adjusted in such a way that the martensite is not formed at any point of the bead.
- the choice of the length of the rapid cooling ramp and of the running speed of the rail in this ramp amounts to fixing the duration of the treatment in question; these values are linked to the choice of the average density of the heat flux applied to the surface of the bead during the heat treatment.
- This particular characteristic of the process of the invention is based on the work of the applicants relating to the cooling effect of the various devices which can be used to implement the process, and in particular the case of a nozzle of a determined type, placed at a certain height above the cooled surface and supplied with water at a known rate and temperature.
- FIG. 5 shows the evolution of the surface temperature of the bead in the middle part of the cooling system.
- the surface temperature of the bead rises although, in the arrangement of sprinklers corresponding to this figure, the entire surface of the bead between two consecutive sprinklers is under water.
- the temperature at the start of martensite formation 250 ° C for the steel considered
- ⁇ 1 is the value of the average flow in the area under direct influence of the sprinklers
- ⁇ 2 is the value of the average flow in the flooded area, but not watered between sprinklers
- At the distance between sprinklers and B the width of the sprinkled area by a sprinkler; the values of these parameters are known when it is a specific installation.
- TMT average transformation temperature
- Figure 8 shows an example of the relationship between the breaking load and TMT for a steel at 0.75% C and 0.72% Mn. This fact is of the greatest importance not only for the definition of the thermal cycle, but also for the control of the process.
- the core and the shoe of the rail are cooled by water nozzles similar to those used for the bead.
- the desired average flow is obtained by adjusting the distance between nozzles and the water flow rate per nozzle; these two parameters can be adjusted separately for the core and for the skate.
- FIG. 10 shows an exemplary embodiment of the principles set out above. Some of the guide groups can also be used as means for driving the rail with adjustable speed.
- rollers 1, l ', 1 ", ... arranged against the shoe of the rail and 2, 2', 2", ... arranged against the upper face of the bead are used for so-called “vertical” guidance ;
- rollers 3, 3 ', 3 ", ... pressed against the short sides of the bead are used for so-called” horizontal "guidance.
- all or part of the guide rollers are supported on the rail with forces whose values are chosen beforehand to tolerate a certain deformation of the rail during the heat treatment.
- it is advantageous to leave the rollers which are supported with such a predetermined force for example the rollers 2, 2 ′, 2 "in FIG. 10), limited mobility in the guide plane, while that the other rollers are said to be "fixed in space” (for example the rollers 1, 1 ′, 1 "in FIG. 10).
- Measuring the position of the rollers pressing on the rail with a preset force makes it possible to determine the deformations of the rail during processing.
- the computer separately adjusts the cooling on the core and the shoe so as to minimize deformation of the rail during treatment.
- This adaptation of the cooling on the core and on the shoe in order to minimize the deformations of the rail can be carried out both in the vertical plane and in the horizontal plane.
- FIG. 10 a further distinction is made between the cooling boxes fitted with sprinklers, spraying respectively the upper face of the bead (box 4), the lower face of the shoe (box 5) and the two faces of the core (boxes 6 and 7 ).
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Abstract
Description
- La présente invention porte sur un procédé pour la fabrication de rails, et notamment de rails à haute résistance, comportant un traitement thermique des rails dès leur sortie de la dernière cage du laminoir, c'est-à-dire dans la chaude de laminage, ainsi que sur un dispositif de mise en oeuvre.
- Elle a pour objet l'obtention, de préférence sans addition à l'acier d'éléments d'alliage, de rails présentant, après refroidissement, une résistance à la rupture élevée, une bonne résistance à l'usure, une bonne résistance aux chocs, un allongement au moins égal à 10 % et une bonne soudabilité.
- Par aciers à haute résistance, il faut entendre spécialement des aciers contenant 0,4 % à 0,85 % de C, 0,4 % à 1 % de Mn et 0,1 % à 0,4 % de Si et de préférence 0,6 % à 0,85 % de C et 0,6 % à 0,8 % de Mn; le cas échéant, ces aciers peuvent contenir jusqu'à 1 % de Cr ou jusqu'à 0,3 % de Mo ou jusqu'à 0,15 % de V. Il ne sort toutefois pas du domaine de l'invention d'appliquer le procédé à des aciers dont les teneurs en carbone et en manganèse sont comprises entre 0,4 % et 0,6 % et ne contenant pas d'éléments d'alliage.
- Il est connu que pour obtenir un rail ayant les propriétés énumérées ci-dessus, il faut que le bourrelet soit constitué de perlite fine exempte de ferrite proeutectoide et de martensite et contenant éventuellement un certain pourcentage de bainite et que le gradient de dureté dans le bourrelet soit le plus faible possible.
- A cet égard, il a déjà été proposé, en particulier dans le brevet belge n° 854.834, d'effectuer un traitement thermique du rail, en refroidissant de façon différente le bourrelet et le patin. Selon ce brevet belge, le bourrelet du rail est soumis à un refroidissement accéléré par trempe à l'eau bouillante agitée mécaniquement, alors que le patin est refroidi à l'air ou dans l'eau calme à 100°C.
- Ce procédé connu permet certes de minimiser les déformations permanentes des rails. Toutefois, sa mise en oeuvre à l'échelle industrielle présente des difficultés technologiques.
- En outre, il peut provoquer d'importantes déformations transitoires du rail au cours du traitement, ce qui risque de donner lieu à certaines déformations permanentes.
- Pour éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus, les demandeurs ont proposé un autre procédé qui consiste à abaisser la température du rail à la sortie du laminoir à chaud jusqu'à une valeur non inférieure à celle à laquelle débute la transformation perlitique dans le bourrelet; à partir de cette température, le rail en défilement continu est soumis à un refroidissement rapide jusqu'à ce qu'au moins 80 % de la transformation allotropique austénite - perlite soient réalisés dans le rail; on laisse ensuite refroidir le rail jusqu'à la température ambiante.
- Ce procédé, qui a été décrit dans le brevet luxembourgeois n° 84.417 du 11.10.1982, donne des résultats intéressants, mais nécessite une durée de traitement assez importante.
- Au cours de leurs travaux ultérieurs, les demandeurs ont alors mis au point un procédé original, comportant une phase de traitement thermique beaucoup plus courte que celle nécessaire dans le procédé antérieur, combinant une méthode de refroidissement du bourrelet qui permet d'obtenir les qualités mécaniques requises, et une méthode de refroidissement du patin et de l'âme assurant la rectitude du rail, pendant et après le traitement thermique.
- Le procédé de l'invention est basé sur la constatation inattendue qu'il n'est pas nécessaire de réaliser la transformation allotropique complète du bourrelet au cours du traitement de refroidissement intense, pour conférer au rail les propriétés voulues; il est tout à fait possible d'obtenir ces propriétés même pour des durées de traitement relativement faibles, pour autant que les différentes parties du rail soient soumises à des refroidissements dont les intensités sont choisies de manière adéquate.
- Les figures 1, 2 et 3 ci-annexées illustrent la réalité de ce principe de base du procédé de la présente invention; elles ont pour objet de montrer que les propriétés (en l'occurrence la charge de rupture) sont obtenues alors qu'une grande partie du bourrelet est encore à l'état austénitique.
- Sur la figure 1, qui est un diagramme température/temps, la courbe A représente l'évolution de la température d'un point situé à 14 mm sous la surface supérieure du bourrelet, au cours de la phase de refroidissement rapide (1) et au cours de la phase de refroidissement calme sur le refroidissoir normal (II).
- La figure 2 représente, à deux moments différents d'un traitement thermique conforme au principe de l'invention, l'état de la transformation austénite/ perlite dans le bourrelet (soit V en %), depuis la surface supérieure jusqu'à la surface inférieure (distance d comprise entre 0 et 35 mm); la courbe B donne la situation de cette transformation allotropique à la sortie du dispositif de refroidissement rapide et la courbe C cette situation 25 secondes après la fin de ce refroidissement.
- Ces figures 1 et 2 illustrent les résultats obtenus en pratiquant selon le principe ci-avant, dans les conditions suivantes :
- - type de rail : EB 50 T;
- - température d'entrée du rail dans la rampe de refroidissement rapide : 875°C;
- - longueur de la rampe : 18 m; vitesse de défilement du rail : 0,53 m/sec;
- - densité moyenne de flux calorifique à la surface supérieure du bourrelet: 1,15 MW/m2;
- - densité moyenne de flux calorifique à la surface inférieure du bourrelet: 0,10 MW/m2;
- - composition de l'acier : C: 0,63 %, Mn: 0,65 %.
- e bourrelet est assimilé à un plat refroidi de manière intense à sa face supérieure et de manière modérée à sa face inférieure (
Φ sup./Φ inf. = 11,5). - On constate (fig. 1) qu'à la profondeur de 14 mm (cette profondeur correspond au prélèvement des éprouvettes de traction suivant les normes), la vitesse de refroidissement estde 6,8°C/s et la température à la fin du traitement est de 675°C. La figure 2 montre qu'à la profondeur de 14 mm, la transformation n'a pratiquement pas commencé à la fin du traitement; malgré cela, on a obtenu, à cette profondeur, les propriétés correspondant aux valeurs visées.
- La figure 2 montre également qu'à la fin de la phase de refroidissement rapide, 32 % seulement du volume du bourrelet sont transformés, ce pourcentage passant à environ 47 %, 25 sec après la fin du traitement.
- La figure 3 représente à la fois la répartition dans le bourrelet des températures (°C) et l'état de la transformation allotropique (%) à la sortie du dispositif de refroidissement rapide; en abscisse sont données les distances entre les points considérés et la surface supérieure du bourrelet (mm).
- Les courbes D et E représentent la répartition des températures et les courbes F et G la situation de la transformation allotropique austénite/per- lite, dans les conditions pratiques suivantes :
- Essai n° 19 (courbes E et G) :
- - acier 0,77 C - 0,68 Mn - 0,22 Si
- - température d'entrée du bourrelet : 810°C
- - durée du traitement pour la section considérée →51 sec
- - débit d'eau total dans la rampe : 34,2 m3/h
- - densité de flux calorifique moyenne sur la face supérieure du bourrelet 0,70 MW/m2
- - type de rail : EB 50 T
- Essai n° 20 (courbes D et F) :
- - acier 0,77 C - 0,68 Mn - 0,22 Si
- - température d'entrée du bourrelet : 865°C
- - durée du traitement pour la section considérée → 49 sec
- - débit d'eau total dans la rampe : 40,2 m3/h
- - densité de flux calorifique moyenne sur la face supérieure . du bourrelet 0,814 MW/m2
- - type de rail : EB 50 T
- Cette figure 3 montre que, pour l'essai n° 20 par exemple, la perlite formée dans le bourrelet à la sortie de la rampe n'occupe que 42 % environ du volume de celui-ci.
- Le fait que les propriétés voulues sont obtenues sans que la transformation dans le bourrelet soit complète est d'une grande importance pratique, car il permet, pour une production horaire donnée, de raccourcir la rampe et, par conséquent, de diminuer les frais d'investissement.
- Pour mettre en pratique les principes de base du procédé de la présente invention, le cycle thermique imposé au bourrelet dans l'installation de refroidissement et choisi sur la base de considérations métallurgiques est appliqué de façons particulières et sélectives aux parties supérieures et inférieures du bourrelet, tandis que le refroidissement de l'âme et du patin est réglé en fonction des déformations transitoires du rail pendant le traitement. En effet, l'expérience a montré que, en l'absence d'un tel réglage, la flèche prise par le rail en cours de traitement devient tellement importante que tout guidage mécanique devient illusoire et l'application du traitement thermique du rail impossible.
- C'est la combinaison des deux caractéristiques qui permet d'obtenir, dans des conditions économiques optimales, un rail répondant aux conditions imposées quant aux propriétés mécaniques et à l'aspect géométrique du produit final.
- Suivant une particularité essentielle du procédé de l'invention, au cours de la phase de refroidissement rapide, on refroidit de façon intense la partie supérieure du bourrelet pour assurer dans cette partie la transformation allotropique de l'austénite en perlite (avec éventuellement de la bainite en mélange) tandis que l'on refroidit beaucoup moins la partie inférieure du bourrelet pour y conserver l'état austénitique; au cours de cette même phase de refroidissement rapide, on refroidit également les autre: parties du rail pour harmoniser les dilatations.
- Selon les principes qui viennent d'être énoncés, le procédé pour la fabrication de rails, objet de la présente invention, dans lequel dès la sortie du laminoir à chaud on abaisse la température du rail jusqu'à une valeur non inférieure à celle à laquelle débute la transformation perlitique dans le bourrelet et, à partir de cette température, on soumet le rail en défilement continu à un refroidissement rapide et on laisse ensuite refroidir le rail jusqu'à la température ambiante, est essentiellement caractérisé en ce que pour une température donnée du bourrelet à l'entrée de la rampe de refroidissement rapide, on règle la longueur de la rampe, la vitesse de défilement du rail et la densité moyenne des flux calorifiques appliqués au bourrelet, à l'âme et au patin de manière telle que d'une part les propriétés mécaniques finales dans le bourrelet soient obtenues alors que, à la sortie de la dite rampe, moins de 60 % de la section du bourrelet ait subi la transformation allotropique austénite-perlite et que d'autre part les différences d'allongement entre le bourrelet et l'âme et entre le bourrelet et le patin soient minimisées.
- Au cours de la phase de refroidissement lent qui suit la phase de refroidissement rapide, il se produit une homogénéisation de température dans le bourrelet; la température diminue dans la partie inférieure du bourrelet en raison du départ des calories vers les parties adjacentes plus froides du rail, c'est-à-dire à la fois la partie supérieure du bourrelet et l'âme. L'austénite résiduelle se transforme également en perlite et l'ensemble du rail acquiert alors la microstructure recherchée.
- Suivant une mise en oeuvre particulière du procédé de l'invention, le refroidissement est réglé de manière telle que la martensite ne soit formée en aucun point du bourrelet.
- Suivant l'invention, le choix de la longueur de la rampe de refroidissement )rapide et de la vitesse de défilement du rail dans cette rampe revient à fixer la durée du traitement en question; ces valeurs sont liées au choix de la densité moyenne du flux calorifique appliqué à la surface du bourrelet au cours du traitement thermique.
- Dans un procédé de fabrication de rail, déjà connu notamment par la demande de brevet européen n° 0098492, il a été préconisé d'appliquer au rail en défilement une phase de refroidissement intense dans une installation comprenant une série de zones de pulvérisation d'eau séparées par des zones de refroidissement à l'air.
- Pour mettre en oeuvre ce procédé, il faut donc grouper les gicleurs à eau dans des zones séparées par des sections de refroidissement à l'air. Cette disposition a pour conséquence une ligne de refroidissement de grande longueur dont l'implantation dans un laminoir existant peut présenter certaines difficultés.
- Au contraire, dans la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, il s'est avéré, de façon surprenante, qu'il n'était pas opportun de disposer les gicleurs à eau par groupes séparés par des sections de refroidissement à l'air; une disposition uniforme et ininterrompue des gicleurs le long de la rampe de refroidissement permet d'obtenir les propriétés désirées tout en évitant la martensite. Cette disposition uniforme des gicleurs à eau est particulièrement avantageuse dans la mesure où elle permet d'utiliser des rampes très courtes.
- Cette caractéristique particulière du procédé de l'invention est basée sur les travaux des demandeurs relatifs à l'effet refroidissant des différents dispositifs utilisables pour mettre en oeuvre le procédé, et notamment le cas d'un gicleur d'un type déterminé, placé à une certaine hauteur par rapport à la surface refroidie et alimenté en eau avec un débit et une température connus.
- La densité de flux calorifique enlevée à la surface refroidie en un point (x1, y1) de celle-ci dépend essentiellement de la température de cette surface : Φ = f (T ). Pour une valeur donnée de T , le flux dépend également des coordonnées (x, y). La figure 4 montre la variation de (0) suivant (x) avec y = 0 et pour un gicleur plat pour lequel le plan oyz choisi est le plan de symétrie du gicleur. On constate que le flux diminue très rapidement dès qu'on s'éloigne du plan de symétrie du gicleur et ce, bien que l'eau s'étale sur la surface refroidie sur une assez grande distance du plan de symétrie du gicleur.
- Dans le cas d'un rail dont le bourrelet est refroidi au défilé dans une installation comportant des gicleurs uniformément répartis et distants l'un de l'autre de 175,5 mm, la figure 5 montre l'évolution de la température superficielle du bourrelet dans la partie médiane de l'installation de refroidissement. Dès qu'on s'éloigne du plan de symétrie d'un gicleur, la température superficielle du bourrelet remonte bien que, dans la disposition des gicleurs correspondant à cette figure, toute la surface du bourrelet entre deux gicleurs consécutifs est sous eau. De plus, la température du début de formation de la martensite (250°C pour l'acier considéré) n'est pas atteinte.
- Dans une représentation simplifiée que l'on peut adopter, l'évolution du flux calorifique le long de la rampe à une température de surface donnée est schématisée comme indiqué par la figure 6, où l'on considère néanmoins deux types de refroidissement sur la surface supérieure du bourrelet :
- a) les zones B sous l'influence directe des gicleurs pour lesquelles on utilise des valeurs Φ1(t) qui constituent la moyenne spatiale dans la zone d'impact et pour chaque température;
- b) les zones A entre gicleurs; ces zones sont sous eau, mais les mesures ont montré que le flux calorifique y est nettement plus faible que sous les gicleurs du moins dans le domaine de la caléfaction. De plus, la transition caléfaction-ébullition nucléée y a lieu de manière relativement brutale.
- Dans la simplification ci-dessus, on a négligé la variation du flux suivant y, l'expérience ayant montré qu'elle est faible.
- Dans ce qui suit, on utilisera la notion de densité moyenne de flux calorifique (1) (ou, par souci de brièveté, le terme "flux moyen") pour délimiter le domaine de l'invention.
-
- En principe,
Φ (350) = 1,32 MW/m2 représentera l'intensité de refroidissement du bourrelet de manière raisonnablement correcte pour autant que la température moyenne de la face supérieure du bourrelet ne s'écarte pas trop de T*s = 350°C, ce qui est le cas de la figure 5. - Si l'on adopte la simplification de la figure 6, on a :
- La valeur du flux moyen étant déterminée grâce à la relation (a), pour appliquer le procédé de l'invention, il n'y a dès lors plus qu'à rechercher la valeur de la durée (τ) de la phase du refroidissement rapide, en tenant compte bien entendu de la composition de l'acier, des propriétés visées pour le rail et des caractéristiques générales de l'installation dont on dispose.
- Dans une mise en oeuvre particulière du procédé de la présente invention, on utilise avantageusement la notion de "température moyenne de transformation" (en abrégé TMT).
- Au cours de leurs travaux, les demandeurs ont en effet mis en évidence le fait que, si les paramètres tels que la vitesse moyenne de refroidissement ou la température moyenne en fin de refroidissement contrôlé ont une influence sur les propriétés mécaniques du bourrelet, le paramètre contrôlant directement et de manière univoque les propriétés est cette "température moyenne de transformation".
- Dans le cadre de l'invention, on a défini de la façon suivante la dite température TMT :
- On a considéré un point de la section du bourrelet (soit dans les exemples qui suivent un point situé sur le plan de symétrie du rail et à 14 mm de la surface du bourrelet- point de prélèvement des éprouvettes de traction), point dont la température varie pendant et après le traitement suivant la loi :
-
- En combinant ces deux cinétiques (1) et (2), on obtient: T = f,(z), d'où
- Se basant sur le fait remarquable qu'il existe une relation étroite et univoque entre les propriétés mécaniques et la température dite TMT, les demandeurs préconisent de déterminer les valeurs de 0 et de T en utilisant comme seul paramètre cette température en question qui, pour un acier de composition donnée, serait alors la seule variable dont dépendent les propriétés mécaniques.
- La figure 8 montre un exemple de la relation entre la charge de rupture et TMT pour un acier à 0,75 % C et 0,72 % Mn. Ce fait est de la plus haute importance non seulement pour la définition du cycle thermique, mais également pour le contrôle du procédé.
- Pour un acier donné, la relation "charge de rupture - TMT" permet de déterminer (TMT) min et (TMT) max à partir des valeurs respectivement maximales et minimales des charges de rupture visées dans le bourrelet, par exemple dans le cas de la figure 8, des valeurs (TMT) min = 615°C et (TMT) max = 645°C si l'on vise une charge de rupture comprise entre 1080 et 1200 MPa (acier à 0,75 5 C et 0,72 % Mn).
- Dans un problème particulier, il est possible de déterminer un domaine de variation des deux paramètres
Φ et T définissant les conditions de refroidissement. - Les données du problème sont les suivantes :
- - la composition de l'acier,
- - la fourchette des propriétés mécaniques visées et dès lors les valeurs maximale et minimale de la température moyenne de transformation,
- - la température d'entrée maximale du bourrelet dans la rampe fonction de la température de fin de laminage et donc de l'installation,
- - la température d'entrée minimale du bourrelet dans la rampe; cette température doit être supérieure à la température de début de transformation afin d'éviter la formation de structures douces en surface du bourrelet.
- Il existe en outre deux contraintes :
- - l'absence de formation de martensite dans ce bourrelet,
- - la transformation de 60 % max d'austénite dans la section du bourrelet à la sortie de la rampe.
- On a donné à la figure 9 une représentation schématique du domaine de variation de
Φ et T. Dans cette figure : - - La courbe A correspond à une température d'entrée maximum et une température moyenne de transformation minimum.
- - La courbe B correspond à une température d'entrée minimum et une température moyenne de transformation maximum.
- - La courbe C correspond au flux maximum pour lequel il ne se forme pas de martensite dans la section du bourrelet.
- - La courbe D correspond au temps de trempe pour lequel le pourcentage d'austénite transformée à la sortie de la rampe est de 60 %.
-
- où T = durée de traitement (s)
-
Φ = flux moyen (MW/m 2) - T0 = température initiale du bourrelet
- a, b, c, d = coefficients dépendant de la composition et du type du rail, ainsi que de la valeur visée pour TMT.
-
- Dans une mise en oeuvre avantageuse du procédé de l'invention, l'âme et le patin du rail sont refroidis par des gicleurs à eau analogues à ceux utilisés pour le bourrelet. Le flux moyen désiré est obtenu par un réglage de la distance entre gicleurs et du débit d'eau par gicleur; ces deux paramètres sont ajustables séparément pour l'âme et pour le patin.
- Les essais industriels ont toutefois montré que malgré tous les soins apportés au réglage du refroidissement des trois parties du rail (bourrelet, patin, âme), il était impossible d'éviter complètement les déformations transitoires de celui-ci dues surtout à l'apparition et au développement différentiel de la transformation allotropique dans les trois parties du rail.
- L'existence de cette tendance aux déformations transitoires rend le guidage du rail, pendant le traitement, indispensable, mais aussi difficile.
- Au cours de leurs travaux, les demandeurs ont développé un mécanisme de guidage efficace, dont les caractéristiques essentielles sont les suivantes:
- - le guidage du rail dans le plan vertical n'est pas assuré par des paires de galets dont les axes de rotation sont situés dans un plan perpendiculaire au déplacement du rail, mais les galets doivent être décalés et de préférence être groupés par trois;
- - le diamètre des galets de guidage dans le plan horizontal doit être compris entre 0,5 et 1,5 fois la distance entre deux galets successifs;
- - le guidage dans le plan horizontal doit se faire par appui sur les faces latérales du bourrelet par des galets à axe vertical situés entre les groupes de galets de guidage vertical.
- La figure 10 montre un exemple de réalisation des principes énoncés ci-dessus. Certains des groupes de guidage peuvent être également utilisés comme moyens d'entraînement du rail à vitesse réglable.
- Sur cette figure 10, les galets 1, l', 1", ... disposés contre le patin du rail et 2, 2', 2", ... disposés contre la face supérieure du bourrelet servent au guidage dit "vertical"; les galets 3, 3', 3", ... appuyés contre les petits côtés du bourrelet servent au guidage dit "horizontal".
- Dans une réalisation particulière du dispositif de l'invention, tout ou partie des galets de guidage sont appuyés sur le rail avec des forces dont les valeurs sont choisies au préalable pour tolérer une certaine déformation du rail au cours du traitement thermique. Dans une telle réalisation du dispositif, il est avantageux de laisser aux galets qui sont appuyés avec une telle force préétablie (par exemple les galets 2, 2', 2" sur la figure 10), une mobilité limitée dans le plan de guidage, tandis que les autres galets sont dits "fixes dans l'espace" (par exemple les galets 1, 1', 1" sur la figure 10).
- La mesure de la position des galets qui appuient sur le rail avec une force préétablie permet de déterminer les déformations du rail au cours du traitement. A l'aide du modèle du procédé, le calculateur ajuste séparément le refroidissement sur l'âme et le patin de manière à minimiser les déformations du rail au cours du traitement.
- Cette adaptation du refroidissement sur l'âme et sur le patin en vue de minimiser les déformations du rail peut s'effectuer aussi bien dans le plan vertical que dans le plan horizontal.
- Sur la figure 10, on distingue encore les boîtes de refroidissement munies de gicleurs, arrosant respectivement la face supérieure du bourrelet (boîte 4), la face inférieure du patin (boîte 5) et les deux faces de l'âme (boîtes 6 et 7).
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