ES2905767T3 - Procedimiento de fabricación de riel de grúa de acero de alta resistencia - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de fabricación de un riel de grúa endurecido en la cabeza de alta resistencia que comprende las etapas de: proporcionar un riel de acero de grúa que tiene una composición que comprende, en porcentaje en peso: carbono 0,79 - 1,00 %; manganeso 0,40 - 1,00; silicio 0,30 - 1,00; cromo 0,20 - 1,00; vanadio 0,05 - 0,35; titanio 0,01 - 0,035; nitrógeno 0,002 a 0,0150; y siendo el resto predominantemente hierro, dicho riel de acero de grúa provisto a una temperatura entre 700 y 0 °C; enfriar dicho riel de acero de grúa a una velocidad de enfriamiento que, si se grafica en una gráfica con coordenadas xy representando el eje x el tiempo de enfriamiento en segundos y representando el eje y la temperatura en °C de la superficie de la cabeza del riel de acero de grúa, se mantiene en una región entre una gráfica de límite de velocidad de enfriamiento superior definida por una línea superior que conecta coordenadas xy (0 s, 800 °C), (40 s, 700 °C) y (140 s, 600 °C) y una gráfica de límite de velocidad de enfriamiento inferior definida por una línea inferior que conecta coordenadas xy (0 s, 700 °C), (40 s, 600 °C) y (140 s, 500 °C), y en el que la velocidad de enfriamiento de 0 segundos a 20 segundos graficada en la gráfica tiene un promedio dentro de un intervalo de entre 2,25 °C/seg y 5 °C/seg, y la velocidad de enfriamiento de 20 segundos a 140 segundos graficada en la gráfica tiene un promedio dentro de un intervalo de entre 1 °C/seg y 1,5 °C/seg; en el que dicha etapa de enfriamiento de dicho riel de acero de grúa comprende enfriar dicho riel con agua durante 140 segundos y comprende además la etapa de enfriar dicho riel en aire a temperatura ambiente después de dicha etapa de enfriar dicho riel con agua durante 140 segundos.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de fabricación de riel de grúa de acero de alta resistencia
Campo de la invención
[0001] La presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de rieles de grúa de acero de alta dureza.
Antecedentes de la invención
[0002] Las grúas que se mueven sobre rieles de acero instalados en el suelo o en pistas elevadas se utilizan para transportar objetos y materiales de un lugar a otro. Ejemplos de ello son los edificios industriales (acerías) y los puertos donde se descargan buques y se colocan mercancías en vehículos de transporte. Los rieles se llaman rieles de grúa y se requieren para soportar cargas pesadas de forma segura mientras se mantiene un ciclo de vida prolongado de bajo mantenimiento. En comparación con los «rieles T» comunes utilizados para ferrocarriles y líneas de tránsito de ferrocarril ligero, los rieles de grúa típicamente tienen secciones de cabeza significativamente más masivas y secciones de alma más gruesas.
[0003] A medida que las cargas han aumentado con los años, el riel de la grúa debe resistir la deformación plástica y los daños. La tendencia actual es que el riel de la grúa debe tener una mayor dureza y alta resistencia para resistir daños. Una grúa industrial típica (acería) tiene ocho ruedas de 60-70 cm de diámetro con cargas de rueda de hasta 60 toneladas. El punto de contacto real entre un riel de grúa de acero y la rueda de la grúa es bastante pequeño y generalmente se concentra en el centro de la cabeza del riel de la grúa. Dado que tanto el riel como la rueda están en un alto nivel de compresión, se producen tensiones localizadas muy grandes. Recientemente, muchas grúas han cambiado a ruedas más duras para prolongar la vida útil de las ruedas y reducir los costes de mantenimiento. La grúa móvil y las cargas de choque que la acompañan pueden provocar daños por fatiga en el riel de la grúa, la rueda y el sistema de vigas de soporte. Los rieles de la grúa también están sujetos al desgaste de la cabeza y se inspeccionan rutinariamente para determinar que la cantidad de desgaste sigue siendo aceptable para su uso continuo. Es necesario reemplazar el riel de la grúa cuando sufra deformación y desgaste no simétrico o por aplastamiento.
[0004] Con base en el aumento de las cargas de la grúa y las ruedas de la grúa de mayor dureza, los requisitos técnicos del riel de la grúa en general están cambiando a grados de acero de mayor dureza y mayor resistencia. Debido al tamaño limitado del mercado de rieles para grúas, hay pocas acerías que produzcan rieles para grúas, lo que deja a los clientes en una situación difícil.
[0005] La planta de ArcelorMittal Steelton es el principal productor de rieles de grúa en el hemisferio occidental y ha utilizado su instalación de endurecimiento de la cabeza del riel para producir un riel de grúa de mayor dureza mediante enfriamiento acelerado directamente desde el laminador de rieles. Sin embargo, los clientes están solicitando un riel de grúa de dureza aún mayor para aplicaciones de carga pesada que los disponibles en composiciones de acero para rieles convencionales. Existe una necesidad en la técnica de un riel de grúa de alta dureza que tenga una dureza más alta de la que está disponible actualmente convencionalmente.
[0006] Los documentos US 2011/0139320 y US 2011/0253268 describen procedimientos para fabricar rieles de acero endurecidos en la cabeza.
Resumen de la invención
[0007] La presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de un riel de grúa endurecido en la cabeza de alta resistencia. El procedimiento comprende las etapas de proporcionar un riel de acero que tiene una composición que comprende, en porcentaje en peso: carbono 0,79 -1,00 %; manganeso 0,40 - 1,00; silicio 0,30 -1,00; cromo 0,20 - 1,00; vanadio 0,05 - 0,35; titanio 0,01 - 0,035; nitrógeno 0,002 a 0,0150; y siendo el resto predominantemente hierro. El riel de acero provisto a una temperatura entre aproximadamente 700 y 800 °C. El procedimiento comprende la etapa adicional de enfriar dicho riel de acero a una velocidad de enfriamiento que, si se grafica en una gráfica con coordenadas xy representando el eje x el tiempo de enfriamiento en segundos y representando el eje y la temperatura en °C de la superficie de la cabeza del riel de acero, se mantiene en una región entre una gráfica de límite de velocidad de enfriamiento superior definida por una línea superior que conecta coordenadas xy (0 s, 800 °C), (40 s, 700 °C) y (140 s, 600 °C) y una gráfica de límite de velocidad de enfriamiento inferior definida por una línea inferior que conecta coordenadas xy (0 s, 700 °C), (40 s, 600 °C) y (140 s, 500 °C).
[0008] La velocidad de enfriamiento de 0 segundos a 20 segundos graficada en la gráfica tiene un promedio dentro de un intervalo de entre aproximadamente 2,25 °C/seg y 5 °C/seg, y la velocidad de enfriamiento de 20 segundos a 140 segundos graficada en la gráfica tiene un promedio dentro de un intervalo de entre aproximadamente 1 °C/seg y 1,5 °C/seg, en el que dicha etapa de enfriamiento de dicho riel de acero comprende enfriar dicho riel con agua durante 140 segundos, y en el que dicha etapa de enfriamiento de dicho riel de acero comprende además la
etapa de enfriar dicho riel en aire a temperatura ambiente después de dicha etapa de enfriar dicho riel con agua durante 140 segundos.
[0009] La composición de riel de acero puede comprender preferentemente, en porcentaje en peso: carbono 0,8 - 0,9; manganeso 0,7 - 0,8; silicio 0,5 - 0,6; cromo 0,2 - 0,3; vanadio 0,05 - 0,1; titanio 0,02 - 0,03; nitrógeno 0,008 - 0,01; y siendo el resto predominantemente hierro. La composición de riel de acero puede comprender más preferentemente, en porcentaje en peso: carbono 0,87; manganeso 0,76; silicio 0,54; cromo 0,24; vanadio 0,089; titanio 0,024; fósforo 0,011; azufre 0,006; nitrógeno 0,009; y siendo el resto predominantemente hierro.
[0010] El riel de la grúa tiene una parte de la cabeza que puede tener una microestructura completamente perlítica. La cabeza de dicho riel de grúa puede tener una dureza promedio Brinell de al menos 370 HB a una profundidad de 9,5 mm (3/8 pulgadas) desde el centro superior de dicha cabeza de riel de grúa; al menos 370 HB a una profundidad de 9,5 mm (3/8 pulgadas) desde los lados de dicha cabeza de riel de grúa; y al menos 340 HB a una profundidad de 19 mm (3/4 pulgadas) desde el centro superior de dicha cabeza de riel de grúa. El riel de grúa puede tener un límite elástico de al menos 827 MPa (120 ksi), una resistencia máxima a la tracción de al menos 1241 MPa (180 ksi), una elongación total de al menos el 8 % y una reducción de área de al menos el 20 %.
[0011] La etapa de proporcionar un riel de acero puede comprender las etapas de: formar una masa fundida de acero a una temperatura de aproximadamente 1600 °C a aproximadamente 1650 °C mediante la adición secuencial de manganeso, silicio, carbono, cromo, seguido de titanio y vanadio en cualquier orden o en combinación para formar la masa fundida; desgasificar al vacío dicha masa fundida para eliminar adicionalmente oxígeno, hidrógeno y otros gases potencialmente dañinos; colar dicha masa fundida en palancones; calentar los palancones colados a aproximadamente 1220 °C; laminar dicho palancón en un palancón «laminado» empleando una pluralidad de pasadas en un laminador de palancones; colocar dichos palancones laminados en un horno de recalentamiento; recalentar dichos palancones laminados a 1220 °C para proporcionar una temperatura de laminación uniforme del riel; descalaminar dicho palancón laminado; hacer pasar dicho palancón laminado secuencialmente a través de un desbastador, un desbastador intermedio y un acabador para crear un riel de acero acabado, teniendo dicho acabador una temperatura de acabado de salida de 1040 °C; descalaminar dicho riel de acero acabado a más de 900 °C para obtener un óxido secundario uniforme en dicho; y enfriar por aire dicho riel acabado a aproximadamente 700 °C -800 °C.
[0012] La etapa de enfriar dicho riel de acero con agua puede comprender enfriar dicho riel de acero con chorros de pulverización de agua. El agua que comprende dichos chorros de pulverización de agua puede mantenerse a una temperatura de entre 10 -16 °C. La etapa de enfriar dicho riel de acero con chorros de pulverización de agua puede comprender dirigir dichos chorros de agua en la parte superior de la cabeza del riel, los lados de la cabeza del riel, los lados del alma del riel y el patín del riel. La etapa de enfriar dicho riel de acero con chorros de pulverización de agua puede comprender hacer pasar dicho riel de acero a través de una cámara de enfriamiento que incluye dichos chorros de pulverización de agua. La cámara de enfriamiento puede comprender cuatro secciones y el caudal de agua en cada sección se puede variar dependiendo del requisito de enfriamiento en cada una de las secciones. La mayor cantidad de agua se puede aplicar en la primera sección/entrada de dicha cámara de enfriamiento, creando una velocidad de enfriamiento lo suficientemente rápida como para suprimir la formación de cementita proeutectoide e iniciar el inicio de la transformación de perlita por debajo de 700 °C. El caudal de agua en la primera sección/entrada de la cámara de enfriamiento puede ser de 25 m3/h, el caudal de agua en la segunda sección de la cámara de enfriamiento puede ser de 21 m3/h, el caudal de agua en la tercera sección de la cámara de enfriamiento puede ser de 9 m3/h; y el caudal de agua en la cuarta/última sección de la cámara de enfriamiento puede ser de 10 m3/h.
Breve descripción de los dibujos
[0013]
La figura 1 es una sección transversal esquemática de la parte de cabeza de un riel de grúa que denota ubicaciones en la cabeza del riel de grúa que se promediará para determinar la dureza de la cabeza del riel de grúa;
Las figuras 2a y 2b grafican la dureza promedio Brinell de los cuatro grados de riel de grúa analizados en esta invención (CC, HH, HC e INV) en la parte superior y centro de la cabeza del riel, respectivamente;
La figura 3 representa una sección transversal de un riel de grúa y los chorros de pulverización de agua que se utilizan para enfriar el riel de grúa;
La figura 4 grafica las curvas de enfriamiento (temperatura de la cabeza del riel en °C en comparación con el tiempo transcurrido desde que entró en la primera sección de la cámara) de 9 rieles de la presente invención a medida que pasan consecutivamente a través de las secciones de la cámara de enfriamiento;
La figura 5 grafica la temperatura de la cabeza del riel en °C en comparación con el tiempo transcurrido desde que entró en la primera sección de la cámara para un solo riel, las líneas punteadas indican los límites superior e inferior de la envoltura de enfriamiento inventiva.
Descripción detallada de la invención
[0014] La presente invención implica una combinación de composición de acero y enfriamiento acelerado para producir un riel de grúa de dureza y resistencia superiores.
Especificaciones actuales:
[0015] La especificación estándar para rieles de grúa es ASTM A759 «Carbon Steel Crane Rails» («Rieles de grúa de acero al carbono»). Los límites de composición son (en % en peso): Carbono 0,67-0,84 %; Manganeso 0,70 1,10 %; Silicio 0,10-0,50 %; Fósforo 0,04 % máx.; Azufre 0,05 % máx. Aunque la microestructura no se especifica en ASTM A759, los rieles de grúa hechos de esta composición exhiben una microestructura perlítica cuando se enfrían por control en un lecho de enfriamiento o se enfrían por aceleración.
Progresión de la composición y dureza del riel de la grúa:
[0016] Durante años, la composición del riel de la grúa consistió en la química simple C-Mn-Si mostrada anteriormente. Sin embargo, se han desarrollado diferentes grados de riel de grúa para aumentar las propiedades de dureza. La dureza es el requisito de propiedad principal especificado en el riel de la grúa. La figura 1 es una sección transversal esquemática de la parte de cabeza de un riel de grúa. Los presentes inventores utilizan el patrón mostrado en la figura 1 para las mediciones de dureza Brinell en la cabeza del riel de la grúa (175lb/yd). Las ubicaciones A3, B3 y C3 en la cabeza del riel de la grúa se promediarán y se denominarán dureza de la cabeza superior. Las ubicaciones D1 y E1 en la cabeza del riel de la grúa se promediarán y se denominarán dureza de la cabeza lateral y la ubicación B6 en la cabeza del riel de la grúa se denominará dureza de la cabeza central.
Grados de riel de grúa:
[0017] A continuación, se describen tres grados de riel de grúa de la técnica anterior existentes y el grado inventivo (INV codificado).
Riel de grúa refrigerado por control (CC):
[0018] Los rieles C-Mn-Si se laminan en un laminador de rieles y simplemente se enfrían por aire en un lecho de enfriamiento. Este grado se denomina riel de grúa refrigerado por control (CC). Las composiciones representativas de los rieles de grúa CC se enumeran en la tabla 1.
Tabla 1
[0019] El contenido de carbono se encuentra en el punto eutectoide del diagrama binario hierro-carbono y la microestructura resultante es 100 % perlita.
Riel de grúa endurecido en la cabeza (HH):
[0020] El siguiente desarrollo de rieles de grúa en la década de 1990 fue el de enfriar por aceleración rieles de grúa hechos de un acero C-Mn-Si básico para lograr una mayor dureza mediante el desarrollo de una separación interlaminar de perlita más fina. En comparación con el acero utilizado para los rieles CC, el acero para los rieles HH contiene más Mn, Si y Cr. El procedimiento de enfriamiento acelerado se llama endurecimiento de la cabeza. Las composiciones representativas del riel de grúa endurecido en la cabeza (HH) se muestran en la tabla 2. Esta tabla representa tres series de riel de grúa, donde el carbono varía de 0,80 - 0,82 %, el Mn de 0,96 - 0,99 %, el Si de 0,40 0,44 % y el Cr de 0,20-0,21 %.
Tabla 2
[0021] Riel de grúa de alto contenido de carbono (HC): Para lograr una dureza aún mayor, el nivel de
carbono del acero HH anterior se incrementó de 0,80-0,82 % de C a 0,88-0,90 % de C y los rieles de grúa laminados de esta composición también están endurecidos en la cabeza. Las composiciones representativas del riel de grúa HC endurecido en la cabeza se muestran en la tabla 3.
[0022] A un nivel de carbono más alto, estos rieles están en el lado hipereutectoide del punto eutéctico binario hierro-carbono. Esto significa que existe la posibilidad de formar redes de cementita proeutectoides en los límites anteriores del grano de austenita. Si estas redes están presentes, la ductilidad será menor. Sin embargo, el enfriamiento acelerado ayudará a minimizar la formación de red.
Tabla 3
[0023] Ensayo de riel de grúa de alta dureza y alta resistencia: Para lograr una dureza y resistencia aún mayores que el riel de grúa HC sin sacrificar la ductilidad, los presentes inventores han llevado a cabo ensayos de un nuevo riel de grúa de mayor dureza con una composición modificada combinada con parámetros de endurecimiento de la cabeza específicamente modificados. El grado inventivo (INV) implica un acero de riel de grúa endurecido en la cabeza con menor Mn y mayor Si y Cr. También se añaden importantes elementos de microaleación de titanio y vanadio. La composición utilizada en el ensayo se muestra en la tabla 4 en porcentaje en peso (el hierro es el resto).
Tabla 4
[0024] El riel de grúa de acero de alta resistencia de la presente invención tiene una microestructura perlítica y, en general, la siguiente composición en % en peso, siendo el hierro el resto sustancial:
Carbono 0,79 - 1,00 (preferentemente 0,8 - 0,9)
Manganeso 0,40 - 1,00 (preferentemente 0,7 - 0,8)
Silicio 0,30 - 1,00 (preferentemente 0,5 - 0,6)
Cromo 0,20 - 1,00 (preferentemente 0,2 - 0,3)
Vanadio 0,05 - 0,35 (preferentemente 0,05 - 0,1)
Titanio 0,01 - 0,035 (preferentemente 0,02 - 0,03)
Nitrógeno 0,002 - 0,0150 (preferentemente 0,008 - 0,01)
[0025] El carbono es esencial para lograr propiedades de riel de alta resistencia. El carbono se combina con el hierro para formar carburo de hierro (cementita). El carburo de hierro contribuye a una alta dureza y transmite alta resistencia al acero del riel. Con un alto contenido de carbono (por encima de aproximadamente el 0,8 % en peso de C, opcionalmente por encima del 0,9 % en peso), una fracción de mayor volumen de carburo de hierro (cementita) continúa formándose por encima de la del acero eutectoide convencional (perlítico). Una forma de utilizar el mayor contenido de carbono en el nuevo acero es mediante enfriamiento acelerado (endurecimiento de la cabeza) y la supresión de la formación de redes de cementita proeutectoide dañinas en los límites de grano de austenita. Como se analiza más adelante, el nivel de carbono más alto también evita la formación de ferrita blanda en la superficie del riel mediante descarburación normal. En otras palabras, el acero tiene suficiente carbono para evitar que la superficie del acero se convierta en hipoeutectoide. Los niveles de carbono superiores al 1 % en peso pueden crear redes de cementita indeseables.
[0026] El manganeso es un desoxidante del acero líquido y se añade para inmovilizar al azufre en forma de sulfuros de manganeso, evitando así la formación de sulfuros de hierro que son frágiles y perjudiciales para la ductilidad en caliente. El manganeso también contribuye a la dureza y resistencia de la perlita al retardar la nucleación de la transformación de perlita, reduciendo así la temperatura de transformación y disminuyendo la separación de perlita interlaminar. Los altos niveles de manganeso (por ejemplo, por encima del 1 %) pueden generar segregación interna indeseable durante la solidificación y microestructuras que degradan las propiedades. En realizaciones ejemplares, el manganeso se reduce desde un nivel de composición de acero endurecido en la cabeza convencional para cambiar la «nariz» del diagrama de transformación de enfriamiento continuo (CCT) a tiempos más cortos, es decir, la curva se desplaza hacia la izquierda. Generalmente, se forman más perlita y menores productos de transformación (por ejemplo, bainita) cerca de la «nariz». Según realizaciones ejemplares, la velocidad de enfriamiento
inicial se acelera para aprovechar este cambio, las velocidades de enfriamiento se aceleran para formar la perlita cerca de la nariz. El funcionamiento del procedimiento de endurecimiento de la cabeza a velocidades de enfriamiento más altas promueve una microestructura perlítica más fina (y más dura). Sin embargo, cuando se opera a velocidades de enfriamiento más altas hay problemas ocasionales con la inestabilidad de la transferencia de calor donde el riel se sobreenfría y se vuelve insatisfactorio debido a la presencia de bainita o martensita. Con la composición inventiva, el endurecimiento de la cabeza se puede llevar a cabo a velocidades de enfriamiento más altas sin la aparición de inestabilidad. Por lo tanto, el manganeso se mantiene por debajo del 1 % para disminuir la segregación y evitar microestructuras indeseables. El nivel de manganeso se mantiene preferentemente por encima de aproximadamente el 0,40 % en peso para inmovilizar el azufre a través de la formación de sulfuro de manganeso. El alto contenido de azufre puede crear altos niveles de sulfuro de hierro y conducir a una mayor fragilidad.
[0027] El silicio es otro desoxidante del acero líquido y es un potente reforzador de la solución sólida de la fase de ferrita en la perlita (el silicio no se combina con la cementita). El silicio también suprime la formación de redes de cementita proeutectoide continuas en los límites de grano de austenita anteriores mediante la alteración de la actividad del carbono en la austenita. El silicio está presente preferentemente a un nivel de al menos aproximadamente el 0,3 % en peso para evitar la formación de redes de cementita y a un nivel no mayor al 1,0 % en peso para evitar la fragilización durante la laminación en caliente.
[0028] El cromo proporciona un fortalecimiento de la solución sólida en las fases de ferrita y cementita de la perlita.
[0029] El vanadio se combina con el exceso de carbono y nitrógeno para formar carburo de vanadio (carbonitruro) durante la transformación para mejorar la dureza y fortalecer la fase de ferrita en la perlita. El vanadio compite eficazmente con el hierro por carbono, evitando así la formación de redes continuas de cementita. El carburo de vanadio refina el tamaño de grano austenítico y actúa para romper la formación continua de redes de cementita proeutectoide en los límites de grano de austenita, particularmente en presencia de los niveles de silicio puestos en práctica por la presente invención. Los niveles de vanadio por debajo del 0,05% en peso producen precipitados insuficientes de carburo de vanadio para suprimir las redes continuas de cementita. Los niveles superiores al 0,35 % en peso pueden ser perjudiciales para las propiedades de elongación del acero.
[0030] El titanio se combina con nitrógeno para formar precipitados de nitruro de titanio que fijan los límites de grano de austenita durante el calentamiento y laminación del acero, evitando así el crecimiento excesivo del grano austenítico. Este refinamiento del grano es importante para restringir el crecimiento del grano de austenita durante el calentamiento y laminación de los rieles a temperaturas de acabado superiores a 900 °C. El refinamiento de granos proporciona una buena combinación de ductilidad y resistencia. Los niveles de titanio por encima del 0,01 % en peso son favorables a la elongación por tracción, produciendo valores de elongación superiores al 8 %, tales como del 8 12 %. Los niveles de titanio por debajo del 0,01 % en peso pueden reducir el promedio de elongación por debajo del 8 %. Los niveles de titanio por encima del 0,035 % en peso pueden producir partículas de TiN grandes que son ineficaces para restringir el crecimiento del grano de austenita.
[0031] Es importante combinar el nitrógeno con el titanio para formar precipitados de TiN. Típicamente, una cantidad de impureza de nitrógeno de origen natural está presente en el procedimiento de fusión de horno eléctrico. Puede ser deseable añadir nitrógeno adicional a la composición para llevar el nivel de nitrógeno por encima del 0,002 % en peso, que es típicamente un nivel de nitrógeno suficiente para permitir que el nitrógeno se combine con titanio para formar precipitados de nitruro de titanio. Generalmente, no son necesarios niveles de nitrógeno superiores al 0,0150 % en peso.
[0032] El nivel de carbono es esencialmente el mismo que el grado de riel de grúa de alto contenido de carbono (HC). La composición es hipereutectoide con una fracción de cementita de mayor volumen para mayor dureza. El manganeso se reduce a propósito para evitar que se formen productos de transformación más bajos (bainita y martensita) cuando se sueldan los rieles de la grúa. El nivel de silicio se incrementa para proporcionar una mayor dureza y para ayudar a suprimir la formación de redes de cementita proeutectoide en los límites anteriores del grano de austenita. El cromo ligeramente superior es para una mayor dureza añadida. La adición de titanio se combina con nitrógeno para formar partículas submicroscópicas de nitruro de titanio que precipitan en la fase de austenita. Estas partículas de TiN fijan los límites del grano de austenita durante el ciclo de calentamiento para evitar el crecimiento del grano, lo que resulta en un tamaño de grano austenítico más fino. La adición de vanadio se combina con carbono para formar partículas submicroscópicas de carburo de vanadio que precipitan durante la transformación de perlita y resulta en un fuerte efecto de endurecimiento. El vanadio junto con la adición de silicio y el enfriamiento acelerado suprimen la formación de redes de cementita proeutectoides.
[0033] Propiedades de dureza: La dureza promedio Brinell de los tres grados convencionales y el grado de invención se muestran en la tabla 5.
[0034] Como se puede observar, la dureza aumenta progresivamente de CC a HH a HC a INV en las ubicaciones superior, lateral y central de la cabeza del riel. Las gráficas mostradas en las figuras 2a y 2b grafican la dureza promedio Brinell de los cuatro grados de riel de grúa analizados en esta invención (CC, HH, Hc e INV) en la parte superior y centro de la cabeza del riel, respectivamente. Las curvas muestran la progresión en dureza a medida que cambia el contenido de aleación y el procedimiento. Se observa que los rieles inventivos que tienen la composición inventiva enfriada por el procedimiento inventivo tienen la mayor dureza a su alrededor.
[0035] Propiedades de resistencia: Además de la dureza, se midieron las propiedades de tracción en la cabeza del riel. Se mecanizó una muestra de tracción ASTM A370 estándar con un diámetro del manómetro de 12,7 mm (1^") y una longitud del manómetro de 50,8 mm (2") desde la esquina superior de la cabeza del riel. La tabla 6 muestra el límite elástico típico (YS), la resistencia a la tracción (UTS), el porcentaje de elongación total y el porcentaje de reducción en el área de los tres grados convencionales y el grado de invención.
[0036] Como se observa en la progresión de la dureza anterior, la resistencia también aumenta de un grado a otro. Es interesante observar que la ductilidad (representada por el % de elongación total y el % de reducción en el área) del riel de grúa HC de alto contenido de carbono es inferior a los otros grados. Esto se debe a que el acero es hipereutectoide y existe el potencial de formar redes de cementita proeutectoide en los límites anteriores del grano de austenita. Se sabe que estas redes reducen la ductilidad al proporcionar un camino fácil para la propagación de grietas. El grado de invención, incluso a un nivel de carbono elevado similar, tiene una ductilidad mejorada. El mayor nivel de silicio ayuda a minimizar estas redes. También la adición de vanadio actúa para suprimir la formación de redes en los límites de austenita. Por lo tanto, el porcentaje de reducción en el área (ductilidad) del grado de invención es un 36 % mejor que el grado de HC al mismo nivel de carbono.
[0037] Generalmente, la fabricación de acero puede realizarse en un intervalo de temperatura lo suficientemente alto como para mantener el acero en un estado fundido. Por ejemplo, la temperatura puede estar en un intervalo de aproximadamente 1600 °C a aproximadamente 1650 °C. Los elementos de aleación pueden añadirse al acero fundido en cualquier orden particular, aunque es deseable disponer la secuencia de adición para proteger determinados elementos tales como titanio y vanadio de la oxidación. Según una realización ejemplar, se añade primero manganeso como ferromanganeso para desoxidar el acero líquido. A continuación, se añade silicio en forma de ferrosilicio para desoxidar adicionalmente el acero líquido. A continuación, se añade carbono, seguido de cromo. El vanadio y el titanio se añaden en las etapas penúltima y última, respectivamente. Después de añadir los elementos de aleación, el acero puede desgasificarse al vacío para eliminar adicionalmente el oxígeno y otros gases potencialmente dañinos, tales como el hidrógeno.
[0038] Una vez desgasificado, el acero líquido puede colarse en palancones (por ejemplo, 370 mm x 600 mm) en una máquina de colada continua de tres hebras. La velocidad de colada se puede establecer, por ejemplo, en menos de 0,46 m/s. Durante la colada, el acero líquido se protege del oxígeno (aire) mediante una envoltura que implica tubos de cerámica que se extienden desde el fondo del cucharón hacia la artesa (un recipiente de retención que distribuye el acero fundido en los tres moldes a continuación) y el fondo de la artesa en cada molde. El acero líquido puede agitarse electromagnéticamente mientras se encuentra en el molde de colada para mejorar la homogeneización y, por lo tanto, minimizar la segregación de la aleación.
[0039] Después de la colada, los palancones colados se calientan a aproximadamente 1220 °C y se laminan en un palancón «laminado» en una pluralidad (por ejemplo, 15) de pasadas en un laminador de palancones. Los palancones laminados se colocan «calientes» en un horno de recalentamiento y se recalientan a 1220 °C para proporcionar una temperatura uniforme de laminado del riel. Después de la decalaminación, el palancón laminado puede laminarse en el riel en múltiples (por ejemplo, 10) pasadas en un desbastador, desbastador intermedio y una acabadora. La temperatura de acabado es deseablemente de aproximadamente 1040 °C. El riel laminado puede decalaminarse nuevamente por encima de aproximadamente 900 °C para obtener un óxido secundario uniforme en el riel antes del endurecimiento de la cabeza. El riel puede enfriarse por aire a aproximadamente 800 °C - 700 °C.
[0040] Procedimiento inventivo: Para lograr la mayor dureza en la presente invención, tanto la composición como el procesamiento son esenciales. El riel de la grúa se procesa directamente fuera del laminador de rieles mientras todavía está en estado austenítico. El titanio ya ha formado partículas de TiN que han restringido el crecimiento del grano durante el calentamiento. Los rieles se terminan de laminar a temperaturas entre 1040-1060 °C. Después de abandonar la última zona del laminador de rieles, los rieles (aún austeníticos) se envían a la máquina de endurecimiento de cabezales. A partir de una temperatura superficial de entre 750 y 800 °C, el riel pasa a través de una serie de boquillas de pulverización de agua configuradas como se muestra en la figura 3, que representa una sección transversal de un riel de grúa y los chorros de pulverización de agua que se utilizan para enfriar el riel de grúa.
[0041] A partir de la figura 3, se puede observar que la configuración de la boquilla de pulverización de agua incluye un pulverizador de agua de cabeza superior 1, dos pulverizadores de agua de cabeza lateral 2, dos pulverizadores de agua de alma 3 y un pulverizador de agua de patín 4. Las boquillas de pulverización se distribuyen longitudinalmente en una cámara de enfriamiento de 100 metros de largo y la cámara contiene cientos de boquillas de enfriamiento. El riel se mueve a través de la cámara de pulverización a una velocidad de 0,5-1,0 metros/segundo. Para la consistencia de la propiedad, la temperatura del agua se controla entre 10-16 °C.
[0042] El caudal de agua se controla en cuatro secciones independientes de la cámara de enfriamiento; teniendo cada sección 25 metros de largo. Por ejemplo, al procesar el perfil 175CR (175lb/yd) que se muestra anteriormente, los caudales de agua de la cabeza superior y lateral se ajustan para cada sección de 25 metros para lograr la velocidad de enfriamiento adecuada para lograr una microestructura perlítica fina en la cabeza del riel. La figura 4 grafica las curvas de enfriamiento de 9 rieles de la presente invención a medida que pasan consecutivamente a través de las secciones de la cámara. Específicamente, la figura 4 grafica la temperatura de la cabeza del riel en °C en comparación con el tiempo transcurrido desde que entró en la primera sección de la cámara. Siete pirómetros (cuyas mediciones de temperatura se muestran como los puntos de datos en la figura 4) están ubicados en posiciones clave en cada sección. Estos pirómetros miden la temperatura de la superficie superior de la cabeza del riel. Los 7 pirómetros de cabeza superior están ubicados de la siguiente manera:
Piro 1: A medida que el riel entra en la cámara de enfriamiento - llamada temperatura de entrada; Piro 2: En una ubicación a mitad de camino a través de la 1.a sección;
Piro 3: Al final de la 1.a sección;
Piro 4: En una ubicación a mitad de camino a través de la 2.a sección;
Piro 5: Al final de la 2.a sección;
Piro 6: Al final de la 3.a sección; y
Piro 7: Al final de la 4.a sección.
[0043] Una parte importante del procedimiento según la invención es controlar la velocidad de enfriamiento en las cuatro secciones independientes de la cámara de enfriamiento. Esto se logra mediante un control preciso del flujo de agua en cada sección; particularmente el flujo total en las boquillas de la cabeza superior y lateral en cada sección. Para los 9 rieles de la presente invención analizados anteriormente en relación con la figura 4, la cantidad de flujo de agua en las boquillas de cabeza superior en la primera sección de 25 metros fue de 25 m3/h, 21 m3/h en la 2a sección, 9 m3/h en la 3a sección y 10 m3/h en la 4a sección. Después de que el riel sale de la 4a sección, se enfría mediante enfriamiento por aire a temperatura ambiente. Esta división del flujo de agua influye en el nivel de dureza y la profundidad de dureza en la cabeza del riel. La curva de enfriamiento del primero de los 9 rieles en la figura 4 se grafica en la figura 5 para mostrar el resultado del reparto de agua. Específicamente, la figura 5 grafica la temperatura de la cabeza del riel en °C en comparación con el tiempo transcurrido desde que entró en la primera sección de la cámara para un solo riel. Las líneas punteadas indican los límites superior e inferior de la envoltura de enfriamiento inventiva.
[0044] La mayor cantidad de agua se aplica en la 1.a sección, lo que crea una velocidad de enfriamiento lo suficientemente rápida como para suprimir la formación de cementita proeutectoide e iniciar el inicio de la transformación de perlita por debajo de 700 °C (entre 600-700 °C). Cuanto menor sea la temperatura inicial de la transformación de perlita, más fina será la separación interlaminar de perlita y mayor será la dureza del riel. Una vez que la cabeza del riel de la grúa comienza a transformarse en perlita, la transformación de perlita emite calor, llamado
calor de transformación, y el procedimiento de enfriamiento se ralentiza dramáticamente a menos que se aplique la cantidad adecuada de agua. En realidad, la temperatura superficial puede calentarse más que antes: esto se conoce como recalescencia. Se requiere un alto nivel de flujo de agua controlado para eliminar este exceso de calor y permitir que la transformación de la perlita continúe teniendo lugar por debajo de los 700 °C. Los flujos de agua en las secciones 3.a y 4.a continúan extrayendo calor de la superficie del riel. Este enfriamiento adicional es necesario para obtener una buena profundidad de dureza.
[0045] Como se indicó anteriormente, las líneas punteadas en la figura 5 muestran la envoltura de enfriamiento inventiva y los dos regímenes de enfriamiento de la presente invención. El primer régimen de enfriamiento de la envoltura de enfriamiento abarca de 0-40 segundos en la cámara de enfriamiento. En este régimen de la envoltura de enfriamiento, la curva de enfriamiento está limitada por una línea de límite superior de enfriamiento y una línea de límite inferior de enfriamiento (líneas punteadas en la figura 5). La línea de enfriamiento superior se extiende desde el tiempo t=0 seg a una temperatura de aproximadamente 800 °C a t=40 seg y una temperatura de aproximadamente 700 °C. La línea de enfriamiento inferior se extiende desde el tiempo t=0 seg a una temperatura de aproximadamente 700 °C a t=40 seg y una temperatura de aproximadamente 600 °C. El segundo régimen de enfriamiento de la envoltura de enfriamiento abarca de 40 a 140 segundos en la cámara de enfriamiento. En este régimen de la envoltura de enfriamiento, la curva de enfriamiento está nuevamente limitada por una línea de límite de enfriamiento superior y una línea de límite de enfriamiento inferior (líneas punteadas en la figura 5). La línea de enfriamiento superior se extiende desde el tiempo t=40 seg a una temperatura de aproximadamente 700 °C a t=140seg y una temperatura de aproximadamente 600 °C. La línea de enfriamiento inferior se extiende desde el tiempo t=40 seg a una temperatura de aproximadamente 600 °C a t=140 seg y una temperatura de aproximadamente 500 °C.
[0046] Dentro de los dos regímenes de enfriamiento de la envoltura de enfriamiento, la velocidad de enfriamiento está en dos etapas. En la etapa 1, que abarca los primeros 20 segundos en la cámara de enfriamiento, la velocidad de enfriamiento está entre aproximadamente 2,25 °C/seg y 5 °C/seg hasta una temperatura de entre aproximadamente 730 °C y 680 °C. La etapa 2 abarca de 20 segundos a 140 segundos en los que la velocidad de enfriamiento está entre 1 °C/seg y 1,5 °C/seg hasta una temperatura de entre aproximadamente 580 °C y 530 °C. A partir de entonces, los rieles se enfrían por aire a temperatura ambiente.
[0047] A menos que se indique lo contrario, todos los porcentajes mencionados en esta invención son en peso.
Claims (13)
1. Un procedimiento de fabricación de un riel de grúa endurecido en la cabeza de alta resistencia que comprende las etapas de:
proporcionar un riel de acero de grúa que tiene una composición que comprende, en porcentaje en peso:
carbono 0,79 - 1,00 %;
manganeso 0,40 - 1,00;
silicio 0,30 - 1,00;
cromo 0,20 - 1,00;
vanadio 0,05 -0,35;
titanio 0,01 -0,035;
nitrógeno 0,002 a 0,0150; y
siendo el resto predominantemente hierro, dicho riel de acero de grúa provisto a una temperatura entre 700 y 800 °C; enfriar dicho riel de acero de grúa a una velocidad de enfriamiento que, si se grafica en una gráfica con coordenadas xy representando el eje x el tiempo de enfriamiento en segundos y representando el eje y la temperatura en °C de la superficie de la cabeza del riel de acero de grúa, se mantiene en una región entre una gráfica de límite de velocidad de enfriamiento superior definida por una línea superior que conecta coordenadas xy (0 s, 800 °C), (40 s, 700 °C) y (140 s, 600 °C) y una gráfica de límite de velocidad de enfriamiento inferior definida por una línea inferior que conecta coordenadas xy (0 s, 700 °C), (40 s, 600 °C) y (140 s, 500 °C), y en el que la velocidad de enfriamiento de 0 segundos a 20 segundos graficada en la gráfica tiene un promedio dentro de un intervalo de entre 2,25 °C/seg y 5 °C/seg, y la velocidad de enfriamiento de 20 segundos a 140 segundos graficada en la gráfica tiene un promedio dentro de un intervalo de entre 1 °C/seg y 1,5 °C/seg;
en el que dicha etapa de enfriamiento de dicho riel de acero de grúa comprende enfriar dicho riel con agua durante 140 segundos y comprende además la etapa de enfriar dicho riel en aire a temperatura ambiente después de dicha etapa de enfriar dicho riel con agua durante 140 segundos.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha composición comprende, en porcentaje en peso:
carbono 0,8 -0,9;
manganeso 0,7 -0,8;
silicio 0,5 -0,6;
cromo 0,2 -0,3;
vanadio 0,05 -0,1;
titanio 0,02 -0,03;
nitrógeno 0,008-0,01; y
siendo el resto predominantemente hierro.
3. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que dicha composición comprende, en porcentaje en peso: carbono 0,87; manganeso 0,76; silicio 0,54; cromo 0,24; vanadio 0,089; titanio 0,024; fósforo 0,011; azufre 0,006; nitrógeno 0,009; y siendo el resto predominantemente hierro.
4. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho riel de grúa tiene una parte de cabeza que tiene una microestructura completamente perlítica.
5. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la cabeza de dicho riel de grúa tiene una dureza promedio Brinell de al menos 370 HB a una profundidad de 9,5 mm (3/8 pulgadas) desde el centro superior de dicha cabeza de riel de grúa; al menos 370 HB a una profundidad de 9,5 mm (3/8 pulgadas) desde los lados de dicha cabeza de riel de grúa; y al menos 340 HB a una profundidad de 19 mm (3/4 pulgadas) desde el centro superior de dicha cabeza de riel de grúa.
6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que dicho riel de grúa tiene un límite elástico de al menos 827 MPa (120 ksi); una resistencia máxima a la tracción de al menos 1241 (180 ksi), una elongación total de al menos el 8 % y una reducción de área de al menos el 20 %.
7. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de proporcionar un riel de acero de grúa comprende las etapas de:
formar una masa fundida de acero a una temperatura de 1600 °C a 1650 °C mediante la adición secuencial de
manganeso, silicio, carbono, cromo, seguido de titanio y vanadio en cualquier orden o en combinación para formar la masa fundida;
desgasificar al vacío dicha masa fundida para eliminar adicionalmente oxígeno, hidrógeno y otros gases potencialmente dañinos; colar dicha masa fundida en palancones;
calentar los palancones colados a 1220 °C;
laminar dicho palancón en un palancón «laminado» que emplea una pluralidad de pasadas en un laminador de palancones; colocar dichos palancones laminados en un horno de recalentamiento;
recalentar dichos palancones laminados a 1220 °C para proporcionar una temperatura de laminación uniforme del riel; descalaminar dicho palancón laminado;
hacer pasar dicho palancón laminado secuencialmente a través de un desbastador, un desbastador intermedio y un acabador para crear un riel de acero acabado, teniendo dicho acabador una temperatura de acabado de salida de 1040 °C; descalaminar dicho riel de acero acabado por encima de 900 °C para obtener un óxido secundario uniforme en dicho; y enfriar por aire dicho riel acabado a 700 °C - 800 °C.
8. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de enfriar dicho riel de acero de grúa con agua comprende enfriar dicho riel de acero de grúa con chorros de pulverización de agua.
9. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el agua que comprende dichos chorros de pulverización de agua se mantiene a una temperatura de entre 10 y 16 °C.
10. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de enfriar dicho riel de acero de grúa con chorros de pulverización de agua comprende dirigir dichos chorros de agua en la parte superior de la cabeza del riel, los lados de la cabeza del riel, los lados del alma del riel y el patín del riel.
11. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de enfriar dicho riel de acero de grúa con chorros de pulverización de agua comprende hacer pasar dicho riel de acero de grúa a través de una cámara de enfriamiento que incluye dichos chorros de pulverización de agua.
12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que dicha cámara de enfriamiento comprende cuatro secciones y el caudal de agua en cada sección se varía dependiendo del requisito de enfriamiento en cada una de las secciones.
13. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que el caudal de agua en la primera sección/entrada de la cámara de enfriamiento es de 25 m3/h, el caudal de agua en la segunda sección de la cámara de enfriamiento es de 21 m3/h, el caudal de agua en la tercera sección de la cámara de enfriamiento es de 9 m3/h; y el caudal de agua en la cuarta/última sección de la cámara de enfriamiento es de 10 m3/h.
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