ES2912874T3 - Método y aparato para el tratamiento térmico de raíles - Google Patents
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Abstract
Método para el tratamiento térmico de un raíl (1), que comprende - el precalentamiento de la cabeza, alma y pie del raíl (1); - el postcalentamiento, - el enfriamiento del raíl (1) en su sección sucesivamente hasta una temperatura que facilite la obtención de una perlita muy dispersa, caracterizado por que el control del calentamiento se lleva a cabo de forma continua o intermitente por medio de dispositivos individuales de calentamiento por inducción (4, 5) con la posibilidad de llevar a cabo una retención en los intervalos entre ellos para igualar las temperaturas de los volúmenes superficiales e interiores sobre la sección transversal del raíl (1), en donde el precalentamiento se lleva a cabo a una temperatura desde la temperatura de inicio de austenización, punto Ac1, sin superar la temperatura final de austenización, punto Ac3, en donde el precalentamiento se inicia desde las capas superficiales proporcionando una transformación de fases de pequeños volúmenes de material a medida que el frente de paso del calor se mueve hacia la profundidad del raíl, mientras que el postcalentamiento de la cabeza, alma y pie del raíl (1) se realiza mediante ciclos térmicos en la región de la transformación de las fases α-γ, en donde una vez finalizado el enfriamiento, que facilita la obtención de la perlita altamente dispersada, se realiza un autotemplado para eliminar tensiones, y posteriormente se llevan a cabo un enfriamiento adicional del raíl a una temperatura de <= 250°C con ajuste de los parámetros de un medio de enfriamiento gaseoso suministrado sobre diferentes superficies del raíl (1) y un enfriamiento final a una temperatura por debajo de 60°C.
Description
DESCRIPCIÓN
Método y aparato para el tratamiento térmico de raíles
La invención se refiere a la industria siderúrgica, más concretamente a métodos para el tratamiento térmico de raíles, incluidos los raíles de ferrocarril.
Se conoce un método para el tratamiento térmico de un raíl (Documento de Patente RU 2266966 C21D9/04, C21D11/00, C21D1/02) que comprende hacer pasar el raíl calentado por una zona de enfriamiento con zonas de entrada y salida y enfriar hasta convertir la microestructura del raíl en una microestructura de perlita o de ferrita-perlita, caracterizado porque el raíl pasa a través de una zona de enfriamiento que consiste en módulos de enfriamiento individuales e independientes dispuestos sucesivamente a lo largo de la longitud de la zona de enfriamiento, con parámetros de enfriamiento ajustados independientemente y con zonas de intervalo dispuestas entre los módulos de enfriamiento para eliminar tensiones estructurales, con medios para determinar la temperatura real de la cabeza del raíl. Dependiendo del nivel correspondiente de la temperatura real de un componente en la zona del intervalo, se ajustan los parámetros de intensidad de enfriamiento al menos con respecto al módulo de enfriamiento subsiguiente, para proporcionar una temperatura predeterminada de la cabeza del raíl durante todo el paso de la zona de enfriamiento, lo que excede la temperatura crítica para formar una estructura de bainita.
Un inconveniente de este método es el intervalo limitado de ajuste de la velocidad de enfriamiento en el proceso del modo de enfriamiento. Además, en la superficie de la cabeza, la caída de la temperatura dentro de los primeros 4-5 segundos del modo de enfriamiento alcanza los 350°C-450°C, lo que puede resultar en la formación de estructuras de bainita en la microestructura de las capas superficiales del raíl. Por lo tanto, el inconveniente básico de este método son las importantes oscilaciones de temperatura en la superficie de la cabeza del raíl (de 350°C a 100°C), que pueden dar como resultado una falta de homogeneidad de la macroestructura.
Se conoce un método para el tratamiento térmico de un raíl (Documento de Patente UA 61059 C21D9/04) que comprende el calentamiento de la cabeza del raíl en toda su longitud mediante corrientes de alta frecuencia mientras todo el raíl se desplaza continuamente a través de la zona de calentamiento. En la primera etapa, la cabeza se calienta a una temperatura de 1.050-1.100°C, después de lo cual se lleva a cabo un enfriamiento intermedio natural a corto plazo a una temperatura de 860-820°C en 10-25 segundos. En la segunda etapa se realiza un calentamiento a una temperatura de 920-980°C con su estabilización, después de lo cual se ejecuta un primer enfriamiento a 480-380°C, en donde el enfriamiento en el intervalo de temperatura
de 980°C a 800°C se realiza a una velocidad de 2-8°C/s,
de 800°C a 600°C se realiza a una velocidad de 6-14°C/s,
de 600°C a 380°C se realiza a una velocidad de 4-12°C/s.
El autotemplado se lleva a cabo en un intervalo de temperatura de 520-400°C en 55-90 segundos. Posteriormente se lleva a cabo un segundo enfriamiento, en donde el raíl se dobla a lo largo de una curva con una curvatura máxima en el pie en la zona de calentamiento y de enfriamiento hasta una cantidad que proporciona un equilibrio de las tensiones residuales que se desarrollan durante el tratamiento térmico en la cabeza del raíl.
Un inconveniente de este método es que sólo se calienta y se enfría la cabeza, no todo el perfil del raíl, lo que da como resultado la necesidad de desplazar los raíles a través de una máquina de endurecimiento en un estado flexible y curvo y en la aparición de grandes tensiones residuales después del tratamiento térmico y, en consecuencia, la necesidad de un enderezado final del raíl.
Otro inconveniente es que en el lugar donde el alma se une a la cabeza del raíl, se forma una zona de transición del material calentado al no calentado, donde después del tratamiento térmico se forma una capa de transición con características físicas y mecánicas disminuidas.
Se conoce un método de tratamiento térmico (Documento de Patente RU 2162486, clasificación internacional de patentes C21D 9/04) que se selecciona como el estado de la técnica más pertinente.
El método para el tratamiento térmico de un raíl incluye el precalentamiento de cada sección transversal del raíl hecho de acero y con una cabeza, un alma y un pie, el postcalentamiento o sobrecalentamiento sucesivo o simultáneo de la cabeza del raíl y el enfriamiento de cada sección transversal del raíl. El precalentamiento de cada sección transversal del raíl se realiza sucesiva o simultáneamente a una temperatura superior a la temperatura final de austenización del acero, obteniendo una estructura austenítica idéntica y homogénea sucesiva o simultáneamente en cada sección transversal del raíl; el postcalentamiento o sobrecalentamiento de la cabeza del raíl se realiza a una temperatura que no exceda los 1.050°C, preferiblemente a una temperatura que no exceda los 1.000°C, y se hace de tal manera que la temperatura media de cada sección transversal de la cabeza del raíl exceda la temperatura media de la misma sección transversal del pie en al menos 40°C, el enfriamiento de cada sección transversal del raíl se lleva a cabo sucesiva o simultáneamente primero hasta una temperatura que permita lograr una estructura de perlita de grano fino sobre cada sección transversal del raíl, y posteriormente, si es necesario, se lleva a cabo un enfriamiento sucesivo o
simultáneo de cada sección transversal del raíl tratado en condiciones naturales a temperatura ambiente.
Un inconveniente de este método es que no proporciona un ajuste de la velocidad de calentamiento, y un sobrecalentamiento llevado a cabo a una temperatura que no exceda los 1.050°C da como resultado un fuerte crecimiento del grano de austenita y, como consecuencia, una disminución de las propiedades físicas y mecánicas después del endurecimiento. Además, la falta de ajuste de la capacidad de enfriamiento del medio hace que sea imposible obtener una alta dureza en una profundidad de 22 mm desde la superficie de contacto de la cabeza. Como resultado, no se consigue una vida útil suficiente de los raíles.
Un inconveniente de este método es que el precalentamiento se lleva a cabo a una temperatura superior a la temperatura final de austenización del acero, lo que conduce a un cambio brusco del volumen del material calentado desde la superficie debido a la transformación de fases; esto puede provocar deformaciones y la aparición de microfisuras térmicas.
Un inconveniente de este método es que a partir del dibujo esquemático de la Figura 1 se deduce que deben estar presentes rodillos guía, y dispuestos sobre la superficie de la cabeza del raíl calentado, lo que puede provocar daños en la superficie de contacto.
Se conoce un aparato de tratamiento térmico que se describe en la revista Industrial Heating, Octubre de 1992, que se toma como el estado de la técnica más pertinente. El aparato consiste en un dispositivo de precalentamiento inductivo para austenizar un raíl, un dispositivo de precalentamiento del raíl, un aparato de enfriamiento con un sistema de cámaras de aire con control independiente del flujo hacia el raíl desde arriba, desde los lados y desde abajo.
Este dispositivo permite llevar a cabo un tratamiento térmico sólo de raíles de aceros aleados. Un inconveniente del dispositivo es el estrecho intervalo de ajuste de las velocidades de enfriamiento que facilite un tratamiento térmico de los raíles con velocidades de hasta 4,5°C/s, ya que el medio de enfriamiento es el aire, lo que no permite llevar a cabo un tratamiento térmico de los raíles de acero al carbono sin alear, ya que para esto último son necesarias velocidades de enfriamiento significativamente más altas (12°C/s y más).
El Documento de Patente WO 2008/042982 se refiere a un aparato y un método de microtratamiento extremadamente rápido de aleaciones y artículos a base de hierro con bajo, medio y alto contenido de carbono mediante calentamiento rápido y enfriamiento rápido de al menos una parte de la aleación/artículo. Esta etapa de calentamiento implica calentar casi inmediatamente la aleación a base de hierro a una temperatura seleccionada por encima de su temperatura de conversión de austenita. Luego, la aleación se templa inmediatamente, también a una velocidad extremadamente rápida, en al menos una parte de la aleación a base de hierro en una unidad de templado adyacente a la unidad de calentamiento. Este procedimiento forma una aleación de alta resistencia en un área deseada, dependiendo de dónde se realizó el tratamiento.
El Documento de Patente RU 2023026 describe un método para el tratamiento térmico de raíles en donde la primera etapa de recocido de esferoidización consiste en calentar hasta 200-300°C y retención de 1 a 3 h; la segunda etapa hace de 1 a 3 ciclos de calentamiento de 50 a 100°C/h hasta 740-780°C con 1 a 3 h de retención seguido de enfriamiento de 1 a 6°C/s hasta 520-420°C; la tercera etapa consiste en un calentamiento de 650 a 700°C seguido de retención de 2 a 4 h a la temperatura dada con velocidad de enfriamiento de 25 a 50°C/h hasta 620 a 540°C y enfriamiento final por aire. El endurecimiento de la superficie se lleva a cabo calentando entre 870 y 990°C, seguido de un enfriamiento de 7 a 26°C/s entre 720 y 460°C. Cuando el acero del raíl contiene del 0,82 al 0,85% en peso de carbono, la segunda etapa del recocido esferoidizante se lleva a cabo como un ciclo, cuando contiene del 0,86 al 0,92% en peso de carbono, el recocido comprende dos ciclos, cuando contiene del 0,93 al 0,96% en peso implica tres ciclos.
Las tareas del método y aparato reivindicados son:
- aumentar el nivel de las propiedades físicas y mecánicas y mejorar la vida útil del raíl;
- obtener la rectitud requerida del raíl después del tratamiento térmico, lo que permite excluir el enderezamiento en una máquina enderezadora de rodillos;
- ampliar el intervalo de ajuste de las velocidades de enfriamiento en el proceso de tratamiento térmico;
- estabilizar la velocidad de desplazamiento del raíl a través del aparato y su intervalo de ajuste requerido dependiendo del grado de acero;
- permitir el tratamiento térmico de raíles de diferentes grados de aceros para raíles.
El resultado técnico es la creación de un método y un aparato que hace posible lo siguiente:
- controlar los dispositivos de calentamiento individuales en cada zona según un modo programado, tanto de forma continua como intermitente, dependiendo de la composición química del acero;
- controlar los modos de calentamiento del raíl en un modo de paso con una alternancia de zonas de calentamiento y zonas de igualación de temperatura;
- efectuar un precalentamiento a una temperatura a partir de la temperatura de inicio de la austenización (punto Ac1), sin superar la temperatura final de austenización (punto Ac3);
- llevar a cabo un postcalentamiento de la cabeza, alma y pie del raíl por ciclos térmicos en un intervalo de temperatura desde la transformación de las fases a-Y a la austenización total de todo el volumen de cada sección transversal;
- llevar a cabo el tratamiento térmico de raíles de aceros al carbono sin alear y aleados;
- cambiar gradualmente o bruscamente la velocidad de enfriamiento en el proceso de tratamiento térmico durante diferentes fases de enfriamiento;
- obtener una estructura de perlita laminar homogénea altamente dispersa a una profundidad de más de 22 mm desde la superficie de contacto de la cabeza mediante la intensificación de la capacidad de enfriamiento del medio gaseoso en el proceso de enfriamiento;
- conseguir en la superficie de contacto una dureza de hasta 415 HB, potenciando las propiedades plásticas y de resistencia del acero tratado térmicamente mediante un aumento de la dispersión de la perlita;
- cambiar la velocidad de enfriamiento de cada parte del raíl, ejerciendo una influencia sobre la profundidad del endurecimiento, la dispersión de la estructura y las propiedades físicas y mecánicas, debido al hecho de que cada módulo de enfriamiento está provisto de una unidad para controlar y ajustar los parámetros del medio de enfriamiento;
- proporcionar una velocidad de desplazamiento estable del raíl a través del aparato y del intervalo requerido de su ajuste, dependiendo del grado de acero.
El resultado técnico se logra mediante un método para el tratamiento térmico de un raíl, que comprende el precalentamiento de la cabeza, alma y pie del raíl; el postcalentamiento, enfriando el raíl en su sección sucesivamente hasta una temperatura que facilite la obtención de perlita altamente dispersada, según la invención el control del calentamiento se realiza de forma continua o intermitente por medio de dispositivos de calentamiento por inducción individuales con la posibilidad de llevar a cabo una retención en los intervalos entre ellos para igualar las temperaturas de los volúmenes superficiales e interiores en la sección transversal del raíl, en donde el precalentamiento se realiza desde la temperatura de inicio de la austenización, punto Ac1 , a la temperatura final de austenización, punto Ac3; en donde el precalentamiento se inicia desde las capas superficiales proporcionando una transformación de fases de pequeños volúmenes de material a medida que el frente de paso de calor se mueve hacia la profundidad del raíl, mientras se lleva a cabo el postcalentamiento de la cabeza, alma y pie del raíl mediante ciclos térmicos en la región de transformación de las fases a-Y, en donde tras finalizar el enfriamiento, que facilita la obtención de la perlita altamente dispersada, se realiza un autotemplado para eliminar tensiones, y posteriormente un enfriamiento adicional del raíl a una temperatura de <250°C con ajuste de los parámetros de un medio refrigerante gaseoso suministrado sobre las diferentes superficies del raíl y se lleva a cabo un enfriamiento final a una temperatura por debajo de 60°C.
Además, en el método reivindicado se mantiene una temperatura predeterminada después del ciclo térmico, lo que facilita la homogeneización de la austenita.
Además, en el método reivindicado, la capacidad de enfriamiento del medio de enfriamiento gaseoso se ajusta en función de la temperatura y la humedad del aire, y también en función de la composición química del acero y de la temperatura del raíl a la entrada de la zona de enfriamiento.
El resultado técnico se logra en un aparato para el tratamiento térmico de un raíl, que comprende dispositivos individuales de calentamiento por inducción en zonas de precalentamiento y postcalentamiento y módulos de enfriamiento, según la invención el aparato está provisto de una zona de autotemplado, un dispositivo adicional para enfriamiento adicional y un dispositivo para enfriamiento forzado final, que se disponen sucesivamente después de los módulos de enfriamiento, en donde los dispositivos de calentamiento con zonas de control y enfriamiento intermedio independientes se disponen en la zona de postcalentamiento para llevar a cabo el tratamiento por ciclos térmicos del raíl en la región de transformación de las fases a-Y, en donde cada módulo de enfriamiento comprende un dispositivo para formar un medio de enfriamiento gaseoso con una unidad para controlar y ajustar los parámetros de enfriamiento del medio de enfriamiento gaseoso, en donde se proporciona un sistema de control automático para transmitir una señal a un sistema de suministro de aire y agua según un modo de enfriamiento de un raíl predeterminado, que a través de las unidades de control suministra la cantidad predeterminada de aire y agua para formar el medio de enfriamiento gaseoso suministrado por medio de los módulos de enfriamiento al raíl.
Además, en el aparato reivindicado, cada dispositivo de calentamiento se ajusta de forma independiente.
Además, en el aparato reivindicado cada módulo de enfriamiento comprende una unidad para controlar y ajustar los parámetros del medio de enfriamiento gaseoso suministrado sobre las diferentes superficies del raíl dependiendo del modo de enfriamiento predeterminado para cada módulo de enfriamiento del raíl, facilitando un cambio en la velocidad de enfriamiento del raíl en diferentes fases del modo de enfriamiento.
Además, en el aparato reivindicado existen mecanismos para desplazar y/o centrar el raíl dispuestos fuera de los dispositivos de calentamiento y también instalados adicionalmente en los módulos de enfriamiento, en donde en el mecanismo de desplazamiento el ajuste de la cabeza del raíl se realiza mediante un rodillo no impulsado y con un fuerza de tracción regulable.
Además, en el aparato reivindicado, los mecanismos desplazamiento estabilizan la velocidad de desplazamiento del raíl a través del aparato y facilitan el intervalo requerido de su ajuste dependiendo del grado de acero.
Ejecución de la invención
La Figura 1 muestra una representación esquemática del aparato para el tratamiento térmico de raíles, implementando el método reivindicado con respecto a un modo de tratamiento térmico mostrado como en un gráfico en la Figura 1a. El aparato de la Figura 1 comprende:
1. un raíl;
2. un dispositivo de transporte;
3. un dispositivo para alimentar y desplazar el raíl;
4. dispositivos de calentamiento para el precalentamiento,
5. dispositivos de calentamiento de la zona de tratamiento por ciclos térmicos;
6. zonas de enfriamiento en la zona de tratamiento por ciclos térmicos;
7. dispositivos de calentamiento de la zona de homogeneización;
8. módulos de enfriamiento de la zona de endurecimiento;
9. un mecanismo de centrado de raíles;
10. un dispositivo adicional para el enfriamiento diferenciado;
11. un dispositivo para el enfriamiento forzado final.
I es la zona de precalentamiento;
II es la zona de ciclos térmicos;
III es la zona de homogeneización;
IV es la zona de igualación de temperatura;
V es la zona de enfriamiento;
VI es la zona de autotemplado;
VII es la zona de enfriamiento adicional diferenciada;
VIII es la zona de enfriamiento forzado final.
El gráfico del tratamiento térmico de los raíles según el método reivindicado en la Figura 1a es un gráfico del cambio de la temperatura de la superficie y del centro de la cabeza del raíl mientras pasa por la zona I de precalentamiento, por la zona II de ciclos térmicos, por la zona III de homogeneización, por la zona IV de igualación de temperatura, por la zona V de enfriamiento, por la zona VI de autotemplado, por la zona VII de enfriamiento diferenciado adicional, y por la zona VIII de enfriamiento forzado final.
La Figura 2 muestra la disposición de los elementos de calentamiento en los dispositivos de calentamiento de las zonas I y II, en donde
1 es el raíl;
12 es el elemento de calentamiento de la cabeza del raíl;
13 es el elemento de calentamiento del alma del raíl;
14 es el elemento de calentamiento del pie del raíl.
La Figura 3 muestra la disposición de los elementos de calentamiento en los dispositivos de calentamiento de la zona III: 1 es el raíl;
12 es el elemento de calentamiento de la cabeza del raíl;
14 es el elemento de calentamiento del pie del raíl.
La Figura 4 muestra esquemáticamente la zona de enfriamiento, donde:
1 es el raíl;
8 son los módulos de enfriamiento;
15 son los dispositivos para formar el medio de enfriamiento gaseoso con la unidad para controlar y ajustar los parámetros de enfriamiento;
16 es la unidad para el control de los parámetros del aire y del agua;
17 es el sistema de suministro de aire y agua;
18 es el sistema de control automatizado (ACS, por sus siglas en inglés).
La Figura 5 muestra el dispositivo de alimentación y desplazamiento del raíl (vista frontal), en donde:
1 es el raíl;
19 es el mecanismo de ajuste del rodillo superior;
20 es el rodillo guía inferior con un accionamiento,
21 es el mecanismo de accionamiento del rodillo guía inferior;
22 es el rodillo superior.
La descripción de la función del aparato reivindicado explica la ejecución del método reivindicado.
El raíl 1 se transporta por medio del dispositivo de transporte 2, que puede tener la forma de un transportador de rodillos, por ejemplo, al dispositivo de alimentación y desplazamiento 3 (Figura 5). El dispositivo de alimentación y desplazamiento 3 desplaza el raíl a la zona de calentamiento con una velocidad predeterminada según el modo de tratamiento térmico, sin dañar la superficie de contacto del raíl. Los mecanismos de desplazamiento 3 estabilizan la velocidad de desplazamiento del raíl a través del aparato y proporcionan el intervalo requerido de su ajuste dependiendo del grado de acero.
El calentamiento por inducción con corrientes de alta frecuencia se usa como método de calentamiento. El calentamiento se realiza a diferentes velocidades según el grado de acero, de forma continua y/o intermitente según el modo programado, con el objetivo de obtener un calentamiento más homogéneo de cada sección transversal del raíl y una igualación de la temperatura no sólo sobre la sección de la cabeza del raíl, sino también sobre las secciones del alma y del pie, para minimizar las tensiones térmicas y las deformaciones del raíl durante el calentamiento. El cabezal y el pie difieren en masa y configuración, por lo que su calentamiento se lleva a cabo a diferentes velocidades, mientras que el calentamiento del pie se lleva a cabo según una regla predeterminada según el modo de calentamiento del cabezal para evitar la flexión del raíl.
En la zona I de precalentamiento con los dispositivos de calentamiento por inducción individuales 4 que tienen un control independiente (no mostrados en la Figura 1), el raíl se calienta a la temperatura de inicio de austenización (punto Ac1) sin superar la temperatura final de austenización (punto Ac3) de modo que durante el calentamiento, que comienza a partir de las capas superficiales, se proporciona una transformación de fases de pequeños volúmenes del material a medida que el frente de calentamiento se mueve hacia la profundidad del raíl, debido a lo cual se reducen las tensiones internas, eliminando la posibilidad de microfisuras térmicas que se producen y se reduce la flexión del raíl.
El calentamiento en la zona I de precalentamiento se realiza de la siguiente manera.
Cuando el raíl 1 se desplaza a través del aparato (Figura 1), cada una de sus secciones transversales pasa a través del primer dispositivo de calentamiento 4 para el precalentamiento, las capas superficiales de la cabeza del raíl se calientan por los elementos de calentamiento 12 (Figura 2) a una temperatura predeterminada T1 según un modo programado, durante un período T1. Durante este período T1 el centro de la cabeza del raíl se calienta por transferencia
de calor a una temperatura ti (Figura 1a).
El calentamiento de los otros elementos del perfil del raíl (alma y pie) se lleva a cabo con sus elementos de calentamiento independientes 13 y 14 (Figura 2). El calentamiento del pie y del alma se lleva a cabo según una regla predeterminada según el modo de calentamiento de la cabeza, para evitar la flexión del raíl.
Además, esta sección transversal pasa por la primera zona de igualación del gradiente de temperatura en la profundidad y en la sección del raíl (no mostrada en la Figura 1). En esta zona se lleva a cabo un enfriamiento intermedio de la superficie de todos los elementos del perfil del raíl 1 en lugares donde no hay dispositivos de calentamiento 4. En el momento T2 cuando una determinada sección transversal del raíl sale de esta zona de igualación del gradiente de temperatura en la profundidad y en la sección del raíl, la temperatura de la superficie de la cabeza del raíl es T2 y la del centro es t2 , en donde T1 > T2 y ti < t2 , y correspondientemente el gradiente de temperatura A2 de la superficie y del centro de la cabeza del raíl en el momento T2 igualando A2 = T2 - t2 es menor que el gradiente de temperatura A1 de la superficie y del centro de la cabeza del raíl en el momento T1 igualando A1 = T1 - t1. Operaciones análogas también ocurren con el gradiente de temperatura en los otros elementos del perfil del raíl.
Además, esta sección transversal del raíl 1 entra al dispositivo de calentamiento posterior 4 y, al pasar a través de él, la superficie de la cabeza se calienta a una temperatura T3, y el centro a t3, y posteriormente, al pasar a la zona posterior de igualación del gradiente de temperatura en la profundidad y en la sección del raíl, se produce una reducción de la diferencia de temperatura de la superficie y del centro de la cabeza del raíl, y así sucesivamente. Al establecer los modos de calentamiento para los elementos de calentamiento 12, 13, 14 (Figura 2) en la zona I de precalentamiento, se puede lograr un gradiente mínimo de temperatura en la profundidad y en la sección del raíl.
A continuación, el raíl se hace pasar a la zona II con dispositivos de calentamiento individuales 5 y zonas intermedias de enfriamiento 6, donde se lleva a cabo el ciclo térmico en el intervalo de temperatura de la transformación de las fases a-Y. El control independiente de los dispositivos de calentamiento 5 en la zona II (no mostrado en la Figura 1) hace posible establecer la regla del ciclo térmico requerida de cada sección transversal del raíl dependiendo de la composición química del acero, para así obtener buenas propiedades físicas y mecánicas y una reducción de las tensiones internas que provocan la flexión del raíl. Así se obtiene una estructura austenítica homogénea y uniforme de grano fino en todo el volumen de cada sección transversal del raíl.
En la Figura 2 se muestra la disposición de los elementos de calentamiento independientes en los dispositivos de calentamiento de la zona I y de la zona II, donde el raíl 1 se calienta uniformemente de manera diferenciada en su sección por los elementos de calentamiento 12, 13, 14 que tienen un control independiente (no mostrado en la Figura 2). El control independiente de los elementos de calentamiento permite establecer un modo de calentamiento para cada elemento del perfil del raíl según una regla predeterminada y cambiarlo según la composición química del acero.
Además, el raíl se hace pasar a la zona III para la homogeneización de la austenita, calentándolo con dispositivos de calentamiento individuales 7 a una temperatura superior a la temperatura de austenización (punto Ac3) y su retención a esa temperatura para la homogeneización de la austenita. La disposición de los elementos de calentamiento en los dispositivos de calentamiento de la zona III se muestra en la Figura 3, donde la cabeza y el pie del raíl 1 se calientan mediante los elementos de calentamiento 12 y 14 ajustables individualmente, respectivamente.
En las zonas de calentamiento I, II y III, el calentamiento del raíl se lleva a cabo mediante el calentamiento de las capas superficiales del raíl, mientras que el calentamiento de los volúmenes interiores del raíl se realiza mediante transferencia de calor. Por lo tanto, el modo de calentamiento del raíl está predeterminado para cada grado de acero en cada zona con una velocidad que facilita una caída insignificante entre la temperatura de la superficie y la de las capas internas. Además, entre los dispositivos de calentamiento individuales 4, 5, 7 hay zonas de igualación del gradiente de temperatura de la profundidad y de la sección del raíl (no mostradas en la Figura 1).
A continuación, el raíl pasa a la zona IV de control e igualación de temperatura final, donde la superficie del raíl experimenta un enfriamiento intermedio en condiciones naturales hasta una temperatura no por debajo de Ar1.
Además, el raíl se hace pasar a la zona de enfriamiento V con módulos de enfriamiento individuales 8, donde se lleva a cabo un enfriamiento ajustado a diferentes velocidades según el grado del acero, de forma continua y/o intermitente según el modo programado para obtener una perlita altamente dispersa y buenas propiedades físicas y mecánicas en la estructura de acero.
El modo de enfriamiento de la cabeza así como de los demás elementos del perfil del raíl consiste en varias etapas.
En la primera etapa, durante el enfriamiento intensivo, se proporciona una velocidad de enfriamiento de la superficie de la cabeza en la que la temperatura de la superficie de la cabeza del raíl se reduce desde la temperatura de calentamiento hasta una temperatura de mínima estabilidad de la austenita, durante un tiempo que no exceda la duración del periodo de incubación para la transformación de la perlita.
En la segunda etapa de enfriamiento, la velocidad de enfriamiento se reduce a un nivel que facilite una transformación total de la perlita en las capas superficiales.
Además, la velocidad de enfriamiento se incrementa gradualmente para facilitar la formación de una perlita altamente dispersa según el avance de la transformación de la fase hacia la profundidad de la cabeza.
El modo de enfriamiento programado se selecciona de una base de datos según la temperatura real (medida) de la superficie del raíl y del grado del acero. En la Figura 4 se muestra el esquema funcional de la zona de enfriamiento V. Un sistema de control automatizado 18 con una base de datos de los modos de tratamiento térmico transmite una señal al sistema de suministro de aire y agua 17 de acuerdo con el modo de enfriamiento del raíl predeterminado, que a través de las unidades de control 16 suministran la cantidad predeterminada de aire y agua para formar un medio de enfriamiento gaseoso suministrado por medio de los módulos de enfriamiento 8 al raíl 1. Por medio de una unidad de control y de ajuste de los parámetros de enfriamiento, cada dispositivo 15 forma la composición predeterminada del medio de enfriamiento gaseoso para su módulo de enfriamiento 8, lo que permite proporcionar la velocidad de enfriamiento requerida del raíl 1 cuando pasa a través del módulo de enfriamiento 8 dado según el modo de enfriamiento programado en la etapa de enfriamiento dada. Esto permite obtener la velocidad de enfriamiento requerida de acuerdo con el modo de enfriamiento predeterminado del raíl a medida que avanza a través de la zona V de enfriamiento. Un intervalo de ajuste suficientemente amplio de las velocidades de enfriamiento (2-14.5°C/s) hace posible un tratamiento térmico de los raíles de aceros aleados y sin alear al carbono. El raíl procedente de la zona V de enfriamiento, una vez completadas las transformaciones de la perlita en todo el volumen de la sección dada, pasa a la zona de autotemplado VI.
A la salida de la zona V se encuentra el dispositivo de alimentación y desplazamiento 3 (Figura 5), que desplaza el raíl a una velocidad predeterminada según el modo de tratamiento térmico sin dañar la superficie de contacto del raíl (mediante el ajuste de la cabeza del raíl, que se realiza por un rodillo no impulsado (no mostrado) y con una fuerza de tracción ajustable) al dispositivo de transporte 2, que se puede conformar, por ejemplo, como un transportador de rodillos. Los mecanismos de desplazamiento 3 estabilizan la velocidad de desplazamiento del raíl a través del aparato y proporcionan el intervalo requerido para su ajuste dependiendo del grado del acero.
Una vez que ha pasado por la zona VI de autotemplado, el raíl 1 pasa a la zona VII, donde por medio de un dispositivo 10 dispuesto adicionalmente se lleva a cabo un enfriamiento adicional diferenciado a una temperatura por debajo de 250°C, lo que permite evitar el alabeo térmico y un posterior enderezamiento en una máquina enderezadora de rodillos (reducción de tensiones). Además, en la zona VIII, donde se dispone adicionalmente el dispositivo 11, se lleva a cabo un enfriamiento forzado final a una temperatura por debajo de 60°C, lo que permite evitar una operación de retención del raíl, en un refrigerador por un período de 2-4 horas.
En las zonas I, II, III de calentamiento, en la zona IV de igualación de temperatura y en la zona V de enfriamiento entre los dispositivos de calentamiento individuales y los módulos de enfriamiento se disponen mecanismos de centrado de raíles 9 que evitan daños en la superficie de contacto de la cabeza de raíl. Cuando el raíl se mueve a través del aparato, los mecanismos de centrado 9 evitan su posible flexión a altas temperaturas (particularmente en los momentos de las transformaciones de fases) provocada por la gravedad.
El método de tratamiento térmico propuesto se ejecuta sobre muestras de perfil completo de 1.200 mm de longitud, tomadas de raíles de acero cuya composición química se da en la Tabla 1.
El tratamiento térmico de las muestras de raíl se llevó a cabo en el aparato mostrado esquemáticamente en la Figura 1 según el modo programado mostrado en la Figura 1a.
Para evaluar la calidad del tratamiento térmico de los raíles se determinó la microestructura de la cabeza, la resistencia y propiedades plásticas, la dureza y la resistencia al impacto. Los resultados obtenidos se dan en la Tabla 2.
Las mediciones de la curvilinealidad de las muestras de raíl después del tratamiento térmico mostraron un aumento de la flexión inicial de 0,02 mm para una longitud de 1 metro.
Claims (8)
1. Método para el tratamiento térmico de un raíl (1), que comprende
- el precalentamiento de la cabeza, alma y pie del raíl (1);
- el postcalentamiento,
- el enfriamiento del raíl (1) en su sección sucesivamente hasta una temperatura que facilite la obtención de una perlita muy dispersa,
caracterizado por que
el control del calentamiento se lleva a cabo de forma continua o intermitente por medio de dispositivos individuales de calentamiento por inducción (4, 5) con la posibilidad de llevar a cabo una retención en los intervalos entre ellos para igualar las temperaturas de los volúmenes superficiales e interiores sobre la sección transversal del raíl (1),
en donde el precalentamiento se lleva a cabo a una temperatura desde la temperatura de inicio de austenización, punto Ac1, sin superar la temperatura final de austenización, punto Ac3, en donde el precalentamiento se inicia desde las capas superficiales proporcionando una transformación de fases de pequeños volúmenes de material a medida que el frente de paso del calor se mueve hacia la profundidad del raíl,
mientras que el postcalentamiento de la cabeza, alma y pie del raíl (1) se realiza mediante ciclos térmicos en la región de la transformación de las fases a-Y,
en donde una vez finalizado el enfriamiento, que facilita la obtención de la perlita altamente dispersada, se realiza un autotemplado para eliminar tensiones, y posteriormente se llevan a cabo un enfriamiento adicional del raíl a una temperatura de < 250°C con ajuste de los parámetros de un medio de enfriamiento gaseoso suministrado sobre diferentes superficies del raíl (1) y un enfriamiento final a una temperatura por debajo de 60°C.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que se mantiene una temperatura predeterminada después del ciclo térmico, lo que facilita la homogeneización de la austenita.
3. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que la capacidad de enfriamiento del medio de enfriamiento gaseoso se ajusta mediante una cantidad predeterminada de aire y agua dependiendo de la temperatura y de la humedad del aire, y también dependiendo de la composición química del acero y de la temperatura del raíl en la entrada a la zona de enfriamiento (V).
4. El aparato para el tratamiento térmico de un raíl (1), que comprende
- dispositivos individuales de calentamiento por inducción (4, 5) en las zonas de precalentamiento (I) y de postcalentamiento (II, III, IV) y
- módulos de enfriamiento (8),
caracterizado por que
el aparato está provisto de una zona de autotemplado (VI), de un dispositivo adicional (10) para enfriamiento adicional y de un dispositivo (11) para enfriamiento forzado final, que se disponen sucesivamente después de los módulos de enfriamiento (8),
los dispositivos de calentamiento (4, 5) se disponen a intervalos, en donde los dispositivos de calentamiento (5) con zonas independientes de control y enfriamiento intermedio (6) se disponen en la zona de postcalentamiento (II) para llevar a cabo el ciclo térmico del raíl en la región de la transformación de las fases a-Y,
en donde cada módulo de enfriamiento (8) comprende un dispositivo (15) para formar un medio de enfriamiento gaseoso con una unidad (16) para controlar y ajustar los parámetros del medio de enfriamiento gaseoso,
en donde se proporciona un sistema de control automatizado (18) para transmitir una señal a un sistema de suministro de aire y agua (17) según un modo de enfriamiento de raíl predeterminado, que, a través de las unidades de control (16), suministra la cantidad predeterminada de aire y agua para formar el medio de enfriamiento gaseoso suministrado por medio de los módulos de enfriamiento (8) al raíl (1).
5. El aparato según la reivindicación 4, caracterizado por que cada dispositivo de calentamiento (4, 5) se ajusta de forma independiente.
6. El aparato según la reivindicación 4, caracterizado por que cada módulo de enfriamiento (8) comprende la unidad (16) para controlar y ajustar los parámetros del medio de enfriamiento gaseoso suministrado sobre diferentes superficies del raíl (1) dependiendo del modo de enfriamiento predeterminado para cada módulo de enfriamiento de
raíl individual (8), adaptado para cambiar la velocidad de enfriamiento del raíl en diferentes fases del modo de enfriamiento.
7. El aparato según la reivindicación 4, caracterizado por que los mecanismos (3, 9) para desplazar y/o centrar el raíl (1) se disponen fuera de los dispositivos de calentamiento (4, 5) y también se instalan adicionalmente en los módulos de enfriamiento (8), en donde se lleva a cabo el ajuste de la cabeza del raíl por un rodillo no impulsado y con una fuerza de tracción ajustable.
8. El aparato según la reivindicación 7, caracterizado por que los mecanismos de desplazamiento (3) están adaptados para estabilizar la velocidad de desplazamiento del raíl (1) a través del aparato y facilitar el intervalo requerido de su ajuste dependiendo del grado del acero.
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