ES2951582T3 - Método para tratamientos térmicos de raíles - Google Patents
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Abstract
Método de tratamiento térmico de rieles calientes para obtener una microestructura deseada que tiene propiedades mecánicas mejoradas, el método comprende una fase de enfriamiento activo en la que el riel se enfría rápidamente desde una temperatura de austenita y posteriormente se enfría suavemente, para mantener una temperatura de transformación objetivo entre valores definidos del enfriamiento. el tratamiento se realiza mediante una pluralidad de módulos de enfriamiento (12.n), comprendiendo cada módulo de enfriamiento una pluralidad de medios que pulverizan un medio de enfriamiento sobre el carril, caracterizándose el proceso porque durante la fase de enfriamiento activo, cada medio de enfriamiento es accionado para controlar la velocidad de enfriamiento del riel de manera que la cantidad de austenita transformada dentro del riel no sea inferior al 50% en la superficie del riel y no inferior al 20% en el núcleo de la cabeza del riel. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método para tratamientos térmicos de raíles
La invención se refiere a un tratamiento térmico controlado de raíles. El tratamiento está diseñado para obtener una microestructura bainítica completa de alto rendimiento caracterizada por alta resistencia, alta dureza y buena robustez en toda la sección de raíl y, también, para obtener una microestructura fina completamente de perlita en una parte seleccionada de la sección de raíl o en toda la sección de raíl.
En la actualidad, el rápido aumento de peso y velocidad de los trenes ha forzado inevitablemente a mejorar la tasa de desgaste de los raíles, en términos de pérdida de material debido a la rodadura/deslizamiento entre rueda y raíl y, por lo tanto, se ha requerido un aumento de dureza con el fin de reducir el desgaste.
En general, las características finales de un raíl de acero en términos de perfiles geométricos y propiedades mecánicas se obtienen a través de una secuencia de un proceso termomecánico: un proceso de laminación de raíles en caliente seguido por un tratamiento térmico y un paso de enderezado.
El proceso de laminación en caliente perfila el producto final según la forma geométrica diseñada y proporciona la microestructura metalúrgica requerida previamente para el siguiente tratamiento. En particular, este paso permite el logro de la microestructura fina que, a través de los siguientes tratamientos, garantizará el alto nivel de propiedades mecánicas solicitadas.
En la actualidad, están disponibles dos procesos de laminación en caliente principales, realizados en dos tipos de planta, fábricas reversibles y continuas. Se puede suponer que las propiedades finales de un raíl producido por ambos de estos procesos de laminación en caliente son bastante similares y comparables. De hecho, los raíles bainíticos, perlíticos e hipereutectαdicos se obtienen comúnmente a nivel industrial a través de ambos de estos tipos de planta.
La situación de los tratamientos térmicos es diferente. En la actualidad, hay principalmente dos medios usados para enfriar los raíles: aire o agua. El agua se usa típicamente como líquido en un depósito o se pulveriza con boquillas. El aire se comprime típicamente a través de boquillas. Ninguna de estas disposiciones permite producir todas las microestructuras de raíl con la misma planta.
En particular, una planta de tratamiento térmico puesta a punto para la producción de raíles perlíticos no puede producir raíles bainíticos.
Además, las presentes soluciones de enfriamiento no son lo suficiente flexibles y, por lo tanto, no es posible tratar toda la sección de raíl o partes de la sección de raíl de formas diferenciadas (cabeza, alma, patín).
Además, en todos los aparatos industriales actuales para tratamiento térmico de raíles, la mayor parte de la transformación de austenita ocurre fuera del aparato de enfriamiento en sí mismo, lo que significa que el tratamiento no está controlado. En particular, no se puede controlar el aumento de temperatura de raíl debido a la transformación de la microestructura. En estos procesos, la temperatura a la que ocurre la transformación de austenita es diferente que la óptima, con características mecánicas finales menores que las potencialmente obtenibles por microestructuras más finas y más homogéneas. Esto podría ser particularmente cierto en caso de raíles de bainita, donde la microestructura de vainita tiene que ser obtenida en toda la sección de raíl (cabeza, alma, patín).
Además, debido al perfil térmico real del raíl a lo largo de su longitud, un tratamiento térmico no controlado puede conducir a una falta de homogeneidad de microestructuras también a lo largo de la longitud.
El documento US 7854 883 describe un sistema para enfriar un raíl en donde solamente se puede obtener una microestructura de perlita fina. Según este documento, una microestructura de perlita fina se crea en el raíl para aumentar la dureza del raíl. No obstante, una microestructura de perlita fina significa un alto nivel de dureza, pero con degradación de elongación y robustez del producto. La elongación y robustez son también propiedades mecánicas importantes para las aplicaciones de raíles; de hecho, ambas están relacionadas con la ductilidad del material, una propiedad esencial de los materiales de raíl para la resistencia a los fenómenos de crecimiento de grietas y fallos. Los documentos EP 0098492 A2, US 4913747 A e IT LI20090004 A1 describen un tratamiento térmico de raíles similar.
Estudios recientes apuntan también a otro fenómeno particular y peligroso, prevalente en materiales perlíticos debido a la composición química particular que afecta la integridad del raíl durante su vida útil. El descubrimiento concierne a la formación de una capa martensítica, llamada Capa de Ataque Blanca (WEL), en el área de deslizamiento por contacto entre rueda y raíl, especialmente debido a la generación de altas temperaturas durante aceleraciones y deceleraciones severas o tratamientos de atrición mecánica superficial. Debido a su propiedad dura y quebradiza, se cree normalmente que la WEL es la ubicación de formación de grietas, con un consecuente efecto negativo sobre el tiempo de vida del raíl. La WEL formada en los raíles de acero bainíticos tiene baja dureza; por lo tanto, está presente una diferencia de dureza más pequeña en comparación con el material de base. La razón es
que la dureza de la capa martensítica depende principalmente del contenido de C (cuanto mayor el carbono, mayor la dureza de la capa) y la cantidad de carbono en la composición química bainítica es menor que las presentes en la microestructura perlítica. Según algún investigador, la WEL se considera como una de las causas de fatiga por contacto de rodadura. A partir de estudios en estos temas, resulta que el raíl de acero bainítico mostró al menos dos veces el tiempo de nucleación de grieta que el del raíl de acero perlítico.
Una microestructura de bainita de alto rendimiento es una mejora con respecto a la microestructura de perlita fina en términos tanto de resistencia al desgaste como de resistencia a la fatiga por contacto de rodadura. Además, la microestructura de bainita de alto rendimiento permite mejorar la robustez y elongación, manteniendo la dureza mayor que la microestructura de perlita fina.
La microestructura de bainita de alto rendimiento muestra un mejor comportamiento en los siguientes fenómenos en comparación con la microestructura de perlita fina: corrugación de paso corto y largo, descascarillado, flujo plástico lateral y comprobaciones de cabeza. Estos defectos de raíl típicos se amplifican por la aceleración y deceleración del tren (por ejemplo, líneas de metro) o en curvas de radios pequeños.
Además, el acero bainítico muestra también valores más altos de relación entre el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima, resistencia a la tracción y robustez de fractura en comparación con los mejores raíles de acero perlítico tratados con calor.
Por lo tanto, existe una necesidad de tener un nuevo método y sistema de tratamiento térmico que permita obtener un raíl con buena dureza, pero sin ninguna degradación de las otras propiedades mecánicas importantes como por ejemplo la elongación y robustez. De esta manera, se mejoraría la resistencia del raíl al desgaste o la fatiga por contacto de rodadura y se disminuiría la propagación de grietas.
El objetivo principal de la invención es, por lo tanto, proporcionar este tipo de proceso. La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
Un objetivo complementario de la presente invención es proporcionar un proceso de tratamiento térmico que permita la formación de microestructura de bainita de alto rendimiento en el raíl.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso que permita la producción en la misma planta de raíles que tengan microestructura de perlita fina. Este objetivo se alcanza, según un primer aspecto de la invención, gracias a un método de tratamiento térmico de raíles en caliente para obtener una microestructura deseada, que tiene propiedades mecánicas mejoradas, el método que comprende una fase de enfriamiento activo en donde el raíl se enfría rápidamente desde una temperatura de austenita, y posteriormente se enfría suavemente, para mantener una temperatura de transformación objetivo entre valores definidos, el tratamiento de enfriamiento que se realiza por una pluralidad de módulos de enfriamiento (12.n), cada módulo de enfriamiento que comprende una pluralidad de medios que pulverizan un medio de enfriamiento sobre el raíl, durante la fase de enfriamiento activo, cada módulo de enfriamiento que está dotado con una pluralidad de secciones de enfriamiento, cada sección que está situada en un plano transversal al raíl cuando el raíl está dentro del sistema de tratamiento térmico y cada sección que comprende, al menos:
- un medio de enfriamiento situado encima de la cabeza del raíl,
- dos medios de enfriamiento situados a cada lado de la cabeza del raíl y
- unos medios de enfriamiento situados debajo del patín del raíl y caracterizados por que cada medio de enfriamiento se acciona para controlar la tasa de enfriamiento del raíl de manera que la cantidad de austenita transformada dentro del raíl no es menor que el 50% en la superficie de raíl y no es menor que el 20% en el núcleo de la cabeza del raíl.
Según las otras características de la invención tomadas solas o en combinación:
- cada medio de enfriamiento se acciona para controlar la tasa de enfriamiento del raíl de manera que la austenita se transforme en bainita de alto rendimiento o en perlita fina
- antes del tratamiento térmico del raíl:
- proporcionar modelos con una pluralidad de parámetros relacionados con el raíl a tratar;
- proporcionar dichos modelos con valores que definen las propiedades mecánicas finales deseadas del raíl;
- calcular los parámetros de control para accionar los medios de enfriamiento para obtener tasas de enfriamiento de manera que se obtengan temperaturas predefinidas del raíl después de cada módulo de enfriamiento;
- aplicar dichos parámetros calculados para accionar los medios de enfriamiento de los módulos de enfriamiento. - el método puede comprender, además:
- medir las temperaturas de superficie del raíl aguas arriba de cada módulo de enfriamiento y comparar estas temperaturas con las calculadas por los modelos;
- modificar el parámetro de accionamiento de los medios de enfriamiento si las diferencias entre las temperaturas calculadas y las medidas son mayores que los valores predefinidos.
- el medio de enfriamiento es una mezcla de aire y agua atomizada por los medios de enfriamiento alrededor de las secciones del raíl, la cantidad de aire y la cantidad de agua atomizadas que se controlan independientemente. - la temperatura del forro del raíl que entra en el primer módulo de enfriamiento está comprendida entre 750 y 1000 °C y la temperatura del forro del raíl que sale del último módulo de enfriamiento está comprendida entre 300 °C a 650 °C.
- el raíl se enfría por los medios de enfriamiento a una tasa comprendida entre 0,5 y 70 °C/s.
Un sistema para tratamiento térmico de un raíl en caliente para obtener una microestructura deseada que tiene propiedades mecánicas mejoradas, el sistema que comprende:
- un sistema de enfriamiento activo que comprende una pluralidad de módulos de enfriamiento; cada módulo de enfriamiento que comprende una pluralidad de medios de enfriamiento operables para pulverizar un medio de enfriamiento sobre el raíl;
- unos medios de control para controlar la pulverización de los medios de enfriamiento,
caracterizado por que cada módulo de enfriamiento comprende una pluralidad de secciones de enfriamiento, cada sección de enfriamiento que está situada en un plano transversal al raíl cuando el raíl está dentro del sistema de tratamiento térmico, cada sección que comprende, al menos:
- un medio de enfriamiento (N1) situado encima de la cabeza del raíl;
- dos medios de enfriamiento (N2, N3) situados a cada lado de la cabeza del raíl; y
- un medio de enfriamiento situado debajo del patín del raíl (6);
y por que los medios de control son operables para accionar los medios de enfriamiento de manera que la cantidad de austenita transformada dentro del raíl no sea menor que el 50% en la superficie de raíl y no sea menor que el 20% en el núcleo de la cabeza del raíl, la transformación que ocurre mientras que el raíl está todavía dentro del sistema de enfriamiento activo.
Otras características tomadas solas o en combinación:
- los medios de control accionan los medios de enfriamiento de manera que se obtiene la bainita de alto rendimiento; - el sistema puede comprender además medios de medición de temperatura situados aguas arriba de cada módulo de enfriamiento y conectados a los medios de control.
- cada medio de medición de temperatura comprende una pluralidad de sensores de calor situados alrededor de una sección de los raíles para detectar de manera continua la temperatura de las diferentes piezas de la sección de raíl, - los medios de control comprenden modelos que reciben parámetros relacionados con el raíl que entra en el sistema de enfriamiento y los valores que definen las propiedades mecánicas finales deseadas del raíl, los modelos que proporcionan los parámetros de accionamiento de los medios de enfriamiento para obtener las propiedades mecánicas deseadas.
- cada módulo de enfriamiento comprende una pluralidad de secciones de enfriamiento, cada sección que está situada en un plano transversal al raíl cuando el raíl está dentro del sistema de tratamiento térmico, y cada conjunto que comprende al menos seis medios de enfriamiento, uno situado encima de la cabeza, dos situados a cada lado de la cabeza, dos situados en ambos lados del alma del raíl, uno (N6) situado debajo del patín del raíl,
- los medios de enfriamiento son boquillas de atomizador capaces de pulverizar una mezcla de agua y aire, la cantidad de aire y la cantidad de agua atomizada que se controla independientemente.
Otros objetivos y ventajas de la presente invención serán evidentes tras la consideración de la siguiente especificación, con referencia a los dibujos que se acompañan en donde:
- La Figura 1 es una vista esquemática de un sistema según la invención.
- La Figura 2 es una vista detallada de los componentes de un sistema de tratamiento térmico según la invención. - La Figura 3 es una sección transversal de un raíl rodeado por una pluralidad de medios de enfriamiento.
- La Figura 4 es una sección transversal de un raíl rodeado por una pluralidad de dispositivos de medición de temperatura.
- La Figura 5 es una vista esquemática de los pasos del método según la invención.
- La Figura 6 muestra un ejemplo de curvas de descomposición de austenita durante un proceso de tratamiento térmico controlador según la invención.
- La Figura 7 muestra curvas de descomposición de austenita típicas durante un proceso de tratamiento térmico no controlado.
- La Figura 8 muestra la evolución de la temperatura a través de la sección del raíl durante el proceso de enfriamiento controlado, de acuerdo con el método para obtener microestructuras bainíticas de alto rendimiento. - La Figura 9 muestra la evolución de temperatura a través de la sección del raíl durante el proceso de enfriamiento controlado, de acuerdo con el método para obtener microestructuras perlíticas finas.
- La Figura 10 muestra los valores de dureza en los diferentes puntos de medición para un raíl bainítico de alto rendimiento obtenido con un método según la invención.
- La Figura 11 muestra los valores de dureza en los diferentes puntos de medición para un raíl perlítico fino obtenido con un método según la invención.
La Figura 1 es una vista esquemática del diseño de la pieza de enfriamiento de una laminadora según la invención. Después de haber sido conformado por el último puesto de laminación 10, el raíl se introduce posteriormente en: una unidad de recalentamiento 11 para igualar la temperatura del raíl, un sistema de tratamiento térmico 12 según la invención, una mesa de enfriamiento al aire libre 13 y una máquina de enderezado 14.
Alternativamente, en una realización fuera de línea (no mostrada en los dibujos), en lugar de llegar directamente desde el último puesto de laminación, el producto, en una condición laminada, que entra en la unidad de recalentamiento puede ser un raíl frío proveniente de un depósito de raíles (o de un área de almacenamiento). La Figura 2 es una vista detallada esquemática de un sistema de enfriamiento según la invención. El sistema de enfriamiento comprende una pluralidad de módulos de enfriamiento 12.1, 12.2, ..., 12.n en donde el raíl 6 se enfría después de la laminación en caliente y después del recalentamiento. El raíl se enfría pasando a través del módulo de enfriamiento gracias a una cinta transportadora que transporta el raíl a una velocidad predeterminada. Aguas arriba de cada módulo de enfriamiento de 12.1 a 12.n se sitúan dispositivos de medición de temperatura T para detectar la temperatura del raíl. Esta información se proporciona a los medios de control 15 (por ejemplo, medios informáticos) conectados comunicativamente con bases de datos 16 que contienen modelos de proceso y bibliotecas.
Cada módulo de enfriamiento 12.n comprende una pluralidad de secciones de enfriamiento alineadas. Cada sección de enfriamiento comprende boquillas situadas en el mismo plano definido por una sección transversal del raíl. La Figura 3 es una sección transversal de un raíl 6 donde se puede ver una posible configuración de boquillas pertenecientes a la misma sección de enfriamiento. En esta realización, la sección de enfriamiento comprende seis boquillas situadas alrededor de la sección transversal del raíl 6. Una boquilla N1 está situada encima de la cabeza del raíl, dos boquillas N2 y N3 están situadas a cada lado de la cabeza, dos boquillas N4 y N5 opcionales están situadas en ambos lados del alma del raíl y una última boquilla N6 está situada debajo del patín del raíl 6.
Cada boquilla N1-N6 puede pulverizar diferentes medios de enfriamiento (típicamente agua, aire y una mezcla de agua y aire). Las boquillas N1-N6 están operadas por los medios de control 15 individualmente o en grupo, dependiendo de las características mecánicas finales objetivo del raíl.
La presión de salida de cada boquilla N1-N6 se puede elegir y controlar independientemente por los medios 15. Debido a su geometría, la esquina de la cabeza de raíl es una parte sometida de manera natural a un enfriamiento más alto con relación a las otras áreas de la cabeza; actuar directamente con un medio de enfriamiento en las esquinas de la cabeza podría ser peligroso y podría sobreenfriar las esquinas de la cabeza, lo que a su vez conlleva la formación de microestructuras malas como martensita o bainita de baja calidad. Este es el motivo por el que las boquillas N2 y N3 se sitúan en los lados de la cabeza y se disponen para pulverizar el medio de enfriamiento en lo lados de la cabeza del raíl, y para evitar pulverizar en las esquinas superiores del raíl. En una realización, las boquillas N2 y N3 están situadas transversales (perpendiculares) a la dirección de desplazamiento del raíl.
El control de los parámetros de cada boquilla por los medios de control 15 permite:
- obtener la microestructura objetivo (es decir, bainita de alto rendimiento o pelita fina);
- limitar la distorsión a través del perfil y a lo largo de toda su longitud.
La Figura 4 es una vista esquemática de la ubicación de los dispositivos de medición de temperatura T. Como se puede ver en esta figura, una pluralidad de dispositivos de medición de temperatura T están situados alrededor de una sección transversal del raíl 6 aguas arriba de cada módulo de enfriamiento en la dirección de avance (o hacia delante) del raíl. En esta realización, se usan cinco dispositivos de medición de temperatura T. Uno situado encima de la cabeza de raíl, uno situado en el lado de la cabeza de raíl, uno situado en el lado del alma de raíl, uno en el lado del patín de raíl y un último se sitúa debajo del patín de raíl. Los dispositivos de medición de temperatura pueden ser un pirómetro o una cámara termográfica o cualquier otro sensor capaz de proporciona la temperatura del raíl. Si está presente vapor entre la cámara termográfica y la superficie del material, la medición de temperatura se permite mediante un chorro de aire localizado e impulsivo.
Toda la información que concierne a la temperatura se proporciona a los medios de control 15 como datos para controlar el proceso de enfriamiento de raíl.
Los medios de control 15 controlan el tratamiento térmico del raíl controlando los parámetros (caudales, temperatura del medio de enfriamiento y presión del medio de enfriamiento) de cada boquilla de cada módulo de enfriamiento y también la velocidad de entrada del raíl. En otras palabras, el flujo, presión, número de boquillas activas, posición de las boquillas y eficiencia de enfriamiento de cada grupo de boquillas (N1, N2-N3, N4-N5 y N6) se puede ajustar individualmente. Cualquier módulo 12.n, por lo tanto, se puede controlar y gestionar solo o acoplado con uno o más módulos. La estrategia de enfriamiento (por ejemplo, tasa de calentamiento, tasa de enfriamiento, perfil de temperatura) está predefinida en función de las propiedades de producto final.
El sistema de tratamiento térmico flexible, que comprende los medios de control 15, los módulos de enfriamiento 12.n y los medios de medición T y S mencionados anteriormente, es capaz de tratar raíles con una temperatura de entrada en el rango de 750 - 1000 °C medida en la superficie de rodadura del raíl 6. La velocidad de entrada del raíl está en el rango de 0,5 - 1,5 m/s. La tasa de enfriamiento alcanzable está en el rango de 0,5 - 70 °C/s en función de la microestructura deseada y las características mecánicas finales. La tasa de enfriamiento se puede ajustar a diferentes valores a lo largo del aparato de tratamiento térmico flexible. La temperatura del raíl en la salida del sistema de tratamiento térmico está en el rango de 300 - 650 °C. La dureza del raíl en el caso de la microestructura de bainita de alto rendimiento está en el rango de 400 - 550 HB, en el caso de la microestructura de perlita fina está en el rango de 320 - 440 HB.
La Figura 5 muestra los diferentes pasos necesarios para controlar cada módulo de enfriamiento según la presente invención.
Durante el paso 100, se introduce una pluralidad de valores de ajuste en los medios de control de enfriamiento 15. En particular:
- la composición química del acero usado para la producción del raíl;
- la configuración y procedimientos de la laminadora en caliente;
- el tamaño de grano de austenita del raíl que entra en el sistema de enfriamiento;
- la tasa de descomposición de austenita esperada y la temperatura de transformación de austenita;
- la geometría de la sección del raíl;
- la temperatura del raíl esperada en puntos de perfil definidos (cabeza, alma y patín) y a lo largo de la longitud; - las propiedades mecánicas objetivo, por ejemplo: dureza, resistencia, elongación y robustez.
En el paso 101, los valores de ajuste se proporcionan en diferentes modelos integrados (alojados por los medios de control informatizados 15) que trabajan juntos con el fin de proporcionar la mejor estrategia de enfriamiento. Se usan varios modelos numéricos, mecánicos y metalúrgicos integrados:
- Descomposición de austenita con predicción de microestructura.
- Modelos de precipitado.
- Evolución térmica incluyendo calor de transformación.
- Propiedades mecánicas.
Los modelos de proceso integrados definen las estrategias de enfriamiento en términos de calor a ser eliminado del perfil y a lo largo de la longitud del raíl teniendo en cuenta la velocidad de entrada del raíl. Se propone una estrategia de enfriamiento especifica en función del tiempo de manera que la cantidad de austenita transformada no sea menor que el 50% en la superficie del raíl y no sea menor que el 20% en el núcleo de la cabeza del raíl a la salida del sistema de tratamiento térmico flexible. Esto significa que la transformación mencionada anteriormente ocurre mientras que el raíl está todavía dentro del sistema de tratamiento térmico y no fuera, después o aguas debajo de
este sistema. En otras palabras, para una sección transversal de un raíl que avanza dentro del sistema de tratamiento térmico 12, la transformación mencionada anteriormente ocurre entre el primer y el último sector de enfriamiento del sistema. Esto significa que esta transformación está controlada completamente por el sistema de tratamiento térmico 12. Un ejemplo de estrategia de enfriamiento calculada por los modelos de procesos integrados se da por las curvas de las figuras 8 y 9.
En el paso 102, el sistema de control 15 comunica con las bibliotecas de datos 16 con el fin de elegir la estrategia de tratamiento térmico correcta, después de la evaluación de los parámetros de entrada.
La estrategia de tratamiento térmico preestablecida entonces se afina bien teniendo en cuenta la temperatura real, medida o predicha durante la ruta de proceso del raíl. Esto garantiza la obtención del nivel esperado de las características mecánicas a lo largo de la longitud del raíl y a través de la sección transversal del raíl. Se puede obtener una varianza característica muy estricta evitando la formación de zonas con dureza demasiado alta o demasiado baja y evitando cualquier microestructura no deseada (por ejemplo, martensita).
En el paso 103, los medios de control 15 muestran la estrategia de tratamiento térmico calculada y las propiedades mecánicas esperadas al usuario, por ejemplo, en una pantalla de los medios de control 15. Si el usuario valida los valores calculados y acepta la estrategia de enfriamiento (paso 103), los datos de ajuste se envían al sistema de enfriamiento en el paso 104.
Si el usuario no valida la estrategia de enfriamiento, unos nuevos datos de ajuste se proporcionan por el usuario (paso 105 y 106) y se ejecuta el paso 101.
Después en el paso 107, se lleva a cabo una primera configuración de módulos de enfriamiento. Se proporcionan los parámetros adecuados (por ejemplo, presión, caudal) a cada módulo según la estrategia de enfriamiento optimizada sugerida por los modelos de proceso en el paso 101. En este paso, el flujo (o tasa) de enfriamiento se impone a las diferentes boquillas de los diferentes módulos del sistema de enfriamiento 12 con el fin de garantizar la obtención de la distribución de temperatura objetivo en el plazo establecido.
En el paso 108, se toman medidas de las temperaturas de superficie del raíl 6 proveniente de la laminadora en caliente 10 o de un depósito de raíles (o área de almacenamiento) antes de que el raíl entre en cada módulo de enfriamiento 12.n, por ejemplo, aguas arriba del módulo de enfriamiento 12.1. Los dispositivos de medición de temperatura T toman medidas de temperatura de manera continua. Este conjunto de datos se usa por el sistema de tratamiento térmico 12 para imponer la regulación afinada al sistema de automatización en términos de flujo de enfriamiento con el fin de tener en cuenta la falta de homogeneidad térmica real a lo largo de la longitud del raíl y a través de la sección del raíl.
En el paso 109, las temperaturas medidas se comparan con las calculadas por los modelos de proceso en el paso 101 (la temperatura que debería tener el raíl en la ubicación del dispositivo de medición de temperatura actual). Si las diferencias entre las temperaturas no son mayores que los valores predefinidos, los parámetros preestablecidos de enfriamiento se aplican para accionar los módulos de enfriamiento.
En caso de diferencias entre la temperatura calculada y las temperaturas medidas, en el paso 111 el valor preestablecido de la eliminación de flujo de calor para el módulo actual del módulo de enfriamiento 12.n se modifica consecuentemente con valores tomados de las bibliotecas de datos 16, y en el paso 112 los nuevos valores de eliminación de flujo de calor (o tasa de enfriamiento) se aplican para controlar los módulos de enfriamiento.
En el paso 113, si hay otros módulos, se repite el paso 108 y se mide un nuevo conjunto de perfil de temperatura de la superficie de raíl en el paso 108.
En el paso 114, a la salida del último módulo de enfriamiento 12.n del sistema de enfriamiento flexible 12, se toma un perfil de temperatura final. Los medios de control de enfriamiento 15 calculan el tiempo restante para enfriar el raíl hasta la temperatura ambiente en el lecho de enfriamiento. Esto es importante para estimar la progresión del proceso de enfriamiento a través de la sección del raíl.
En el paso 115, la estrategia de enfriamiento real aplicada anteriormente por el sistema de enfriamiento se proporciona a los modelos de proceso integrados con el fin de obtener las propiedades mecánicas esperadas para el producto final, y en el paso 116 las propiedades mecánicas esperadas del raíl se entregan al usuario.
Las Figuras 6 y 7 muestran la descomposición de austenita respectivamente en un raíl tratado térmicamente con el método según la invención y sin la invención. Estas figuras muestran esta descomposición de austenita para diferentes puntos (1,2 y 3) contenidos en una sección transversal del raíl.
En la Figura 6, las líneas discontinuas verticales A, B, C y D corresponden a la sección transversal de un raíl que contiene los puntos 1, 2 y 3 en cada módulo de enfriamiento 12.n y la línea E materializa la salida de estos puntos del sistema de tratamiento térmico 12.
Como se puede ver en la figura 6, la cantidad de austenita transformada dentro del raíl es más del 80% en la superficie del raíl y alrededor del 40% en el núcleo de la cabeza del raíl.
A partir de la curva de descomposición de austenita de un tratamiento térmico controlado, mostrada en la Figura 6, está claro que la austenita se transforma en la microestructura final más rápido y más homogéneamente a través de la cabeza del raíl que en un tratamiento no controlado (Figura 7). Esto es muy importante para obtener propiedades mecánicas excelentes en términos de dureza, robustez y elongación, distribuidas homogéneamente en el producto final.
Dos ejemplos de las evoluciones de temperatura objetivo en tres diferentes puntos, en la sección de un raíl enfriado según la invención, se muestran en las figuras 8 y 9 respectivamente para raíles de bainita de alto rendimiento y perlita fina.
La Figura 8 da la evolución de temperatura proporcionada por los modelos para obtener un raíl bainítico. Las líneas discontinuas verticales A, B, C y D corresponden a la entrada de la sección transversal del raíl que contiene los puntos 1, 2 y 3 en cada módulo de enfriamiento 12.n y la línea E materializa la salida de estos puntos del sistema de tratamiento térmico 12.
Los parámetros del sistema (caudal de agua y/o aire) se controlan con el fin de que las temperaturas de puntos diferentes del raíl coincidan con las temperaturas proporcionadas por estas curvas. En otras palabras, estas curvas dan la evolución objetivo de los valores de temperatura de los puntos establecidos predefinidos a través de la sección del raíl.
Después de la temperatura proporcionada a partir de los modelos, el raíl se controla para entrar en el primer módulo con una temperatura de alrededor de 800 °C. Posteriormente, en una fase la el forro del raíl (curva 1) se enfría rápido por los dos primeros módulos de enfriamiento hasta una temperatura de 350 °C con una tasa de enfriamiento en este ejemplo de aproximadamente 45 °C/s. Aquí, un enfriamiento rápido significa un enfriamiento con una tasa de enfriamiento comprendida entre 25 y 70 °C/s.
Después de esta fase de enfriamiento rápido, el raíl se enfría suavemente por las boquillas de enfriamiento restantes del primer módulo de enfriamiento y por los módulos de enfriamiento restantes. Por ejemplo, en una fase Ib, el raíl se enfría con una tasa de enfriamiento de aproximadamente 13 °C/s. Entre el final de la fase Ib (salida del primer módulo de enfriamiento) y la entrada en el segundo módulo de enfriamiento materializada por la línea discontinua vertical B, el forro de raíl se caliente de manera natural por el núcleo del raíl y la temperatura del forro del raíl aumenta. A partir de entonces, el raíl entra en el segundo módulo de enfriamiento (fase II) y el raíl se enfría con una tasa de enfriamiento de aproximadamente 8,7 °C/s. Posteriormente, el raíl entra en el tercer y cuarto módulo de enfriamiento (en las fases III y IV) y se enfría con tasas de enfriamiento aproximadas de 2,7 y 1,3 °C/s respectivamente. Por supuesto, entre la salida de cada módulo de enfriamiento 12.n y la entrada del siguiente módulo de enfriamiento, ocurre un aumento natural de la temperatura del forro del raíl debido a la temperatura del núcleo del raíl. Aquí, enfriado suavemente significa una tasa de enfriamiento comprendida entre 0,5 y 25 °C/s.
La microestructura final es completamente bainita con una dureza en la cabeza del raíl en el rango de 384 - 430 HB como se muestra en la Figura 10.
La Figura 9 da la evolución de temperatura proporcionada por los modelos pata obtener un raíl perlítico. Las líneas discontinuas verticales A, B, C y D corresponden a la entrada de la sección transversal del raíl que contiene los puntos 1, 2 y 3 en cada módulo de enfriamiento 12.n y la línea 5 materializa la salida de estos puntos del sistema de tratamiento térmico 12.
Después de la temperatura proporcionada por los modelos, el raíl se controla para entrar en el primer módulo con una temperatura en un rango de alrededor de 850 °C. Posteriormente, en una fase Ia el forro del raíl se enfría rápido por el primer módulo de enfriamiento hasta una temperatura de alrededor de 560 °C con una tasa de enfriamiento en este ejemplo de aproximadamente 27 °C/s. Aquí, enfriar rápido significa un enfriamiento con una tasa de enfriamiento comprendida entre 25 °C/s a 45 °C/s.
Después de esta fase de enfriamiento rápido, el raíl se enfría suavemente por las boquillas de enfriamiento restantes del primer módulo de enfriamiento y por los módulos de enfriamiento restantes. Por ejemplo, en una fase Ib, el raíl se enfría con una tasa de enfriamiento de aproximadamente 8 °C/s. Entre el final de la fase Ib (salida del primer módulo de enfriamiento) y la entrada en el segundo módulo de enfriamiento materializada por la línea discontinua vertical B, el forro del raíl se calienta de manera natural por el núcleo del raíl y la temperatura del forro del raíl aumenta. A partir de entonces, el raíl entra en el segundo módulo de enfriamiento (fase II) y el raíl se enfría con una tasa de enfriamiento de aproximadamente 4 °C/s. Posteriormente, el raíl entra en el tercer y cuarto módulo de enfriamiento (en las fases III y IV) y se enfría con tasas de enfriamiento aproximadas de 1,8 y 0,9 °C/s respectivamente. Por supuesto, entre la salida de cada módulo de enfriamiento 12.n y la entrada del siguiente módulo de enfriamiento, ocurre un aumento natural de la temperatura del forro del raíl debido a la temperatura del núcleo del raíl. Aquí, enfriado suavemente significa una tasa de enfriamiento comprendida entre 0,5 y 25 °C/s.
En caso de una temperatura de entrada más alta que 850 °C, los módulos que actúan en el área Ib se controlarán de manera produzcan también un enfriamiento rápido.
Después del proceso mencionado anteriormente, la microestructura final es perlita fina con una dureza en la cabeza del raíl en el rango de 342 - 388 HB como se muestra en la Figura 11.
Las curvas mencionadas anteriormente son la estrategia de enfriamiento adoptada según la invención. En otras palabras, cada boquilla se controla de manera que la distribución de temperatura a través de la sección del raíl siga las curvas de las figuras 8 y 9.
La presente invención supera los problemas de la técnica anterior por medio de controlar completamente el tratamiento térmico del raíl en caliente hasta que se transforma una cantidad significativa de austenita. Esto significa que la temperatura de transformación de austenita es la más baja posible para evitar cualquier tipo de estructura secundaria: martensita para raíles bainíticos de alta calidad o bainita superior para raíles perlíticos.
Como se mostró anteriormente, el proceso según la invención se diseña para obtener una microestructura de bainita completa de alto rendimiento caracterizada por una alta resistencia, alta dureza y buena robustez en toda la sección del raíl y, también, para obtener una microestructura de perlita fina completa en una parte seleccionada de la sección del raíl.
El proceso se caracteriza por una cantidad significativa de austenita transformada a las microestructuras de bainita o perlita elegidas cuando el raíl se somete al proceso de enfriamiento. Esto garantiza la obtención de unas microestructuras de bainita de alto rendimiento o de perlita fina. Con el fin de imponer correctamente el patrón de enfriamiento controlado requerido al raíl a lo largo de todo el tratamiento térmico, el sistema de enfriamiento flexible incluye varias boquillas de múltiples medios ajustables típicamente, pero no limitado a, agua, aire y una mezcla de agua y aire. Las boquillas son ajustables en términos de condición de encendido/apagado, presión, caudal y tipo de medio de enfriamiento según la composición química del raíl y las propiedades mecánicas finales solicitadas por los usuarios del raíl.
Los modelos de procesos, la monitorización de temperatura, los sistemas de automatización son partes activas de este proceso de tratamiento térmico controlado y permiten un control de proceso estricto con el fin de garantizar raíles de alta calidad, un nivel más alto de fiabilidad y un nivel de rechazo de raíl muy bajo.
Los raíles así obtenidos son indicados en particular en cargas de eje pesado, ferrocarriles mixtos comerciales y de pasajeros, tanto en tramos rectos como curvos, en balastos tradicionales e innovadores, puentes de ferrocarril, en túneles o empleo costero.
La invención también permite obtener una temperatura de núcleo del raíl cerca de la temperatura del forro y esto homogeneíza la microestructura y las características mecánicas de los raíles.
Claims (6)
1. Un método de tratamiento térmico de raíles en caliente para obtener una microestructura deseada que tiene propiedades mecánicas mejoradas, el método comprende una fase de enfriamiento activo en donde el raíl se enfría rápido desde una temperatura de austenita y posteriormente se enfría suavemente, para mantener una temperatura de transformación objetivo entre los valores definidos, el tratamiento de enfriamiento que se realiza por una pluralidad de módulos de enfriamiento (12.n), cada módulo de enfriamiento que comprende una pluralidad de medios que pulverizan un medio de enfriamiento sobre el raíl, el proceso que está caracterizado por que comprende: - dotar a cada módulo de enfriamiento con una pluralidad de secciones de enfriamiento, cada sección que está situada en un plano transversal al raíl cuando el raíl está dentro del sistema de tratamiento térmico, cada sección que comprende, al menos:
- unos medios de enfriamiento (N1) situados encima de la cabeza del raíl,
- dos medios de enfriamiento (N2, N3) situados a cada lado de la cabeza del raíl y
- unos medios de enfriamiento (N6) situados debajo del patín del raíl,
- durante la fase de enfriamiento activo, cada medio de enfriamiento se acciona para controlar la tasa de enfriamiento del raíl de manera que la cantidad de austenita transformada dentro del raíl no sea menor que el 50% en la superficie de raíl y no sea menor que el 20% en el núcleo de la cabeza del raíl.
en donde:
- la tasa de enfriamiento se puede establecer en diferentes valores a lo largo de dicho sistema de tratamiento térmico,
- una primera fase (la) para dicho enfriamiento rápido tiene una tasa de enfriamiento entre 25 y 70 °C/s por el primer módulo de enfriamiento para obtener un raíl bainítico,
- cada medio de enfriamiento para dicho enfriamiento suave posterior se controla individualmente en cuatro fases (Ib, II, III, IV) adicionales con diferentes tasas de enfriamiento decrecientes entre 0,5 y 25 °C/s a lo largo de la pluralidad de módulos de enfriamiento adicionales,
- cada medio de enfriamiento se acciona para controlar la tasa de enfriamiento del raíl de manera que la austenita se transforma en bainita de alto rendimiento en toda la sección del raíl y para obtener una microestructura de perlita fina completa en una parte seleccionada de la sección del raíl, en donde,
- para obtener un raíl bainítico, el raíl se controla para entrar en el primer módulo con una temperatura de alrededor de 800 °C y posteriormente, en dicha primera fase (Ia), el forro del raíl se enfría rápido hasta una temperatura de 350 °C,
- para obtener un raíl perlítico, el raíl se controla para entrar en el primer módulo con una temperatura en un rango de alrededor de 850 °C y posteriormente, en dicha primera fase (Ia), el forro del raíl se enfría rápido hasta una temperatura de alrededor de 560 °C por medios de enfriamiento rápido con una tasa de enfriamiento comprendida entre 25 °C/s a 45 °C/s.
2. El método según la reivindicación 1 que comprende, además, antes del tratamiento térmico del raíl:
- proporcionar modelos con una pluralidad de parámetros con relación al raíl a tratar;
- proporcionar dichos modelos con valores que definen las propiedades mecánicas finales deseadas del raíl;
- calcular los parámetros de control para accionar los medios de enfriamiento para obtener tasas de enfriamiento de manera que se obtengan temperaturas predefinidas del raíl después de cada módulo de enfriamiento;
- aplicar dichos parámetros calculados para accionar los medios de enfriamiento de los módulos de enfriamiento.
3. El método según la reivindicación anterior que comprende, además:
- medir las temperaturas de superficie del raíl aguas arriba de cada módulo de enfriamiento y comparar estas temperaturas con las calculadas por los modelos;
- modificar el parámetro de accionamiento de los medios de enfriamiento si las diferencias entre las temperaturas calculadas y las medidas son mayores que los valores predefinidos.
4. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el medio de enfriamiento es una mezcla de aire y agua atomizada por los medios de enfriamiento alrededor de las secciones del raíl, la cantidad de aire y la cantidad de agua atomizada que se controlan independientemente.
5. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde la temperatura del forro del raíl que entra en el primer módulo de enfriamiento está comprendida entre 750 y 1000 °C y la temperatura del forro del raíl que sale de los últimos módulos de enfriamiento adicionales está comprendida entre 300 °C a 650 °C.
6. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el raíl se enfría por los medios de enfriamiento a una tasa comprendida entre 0,5 y 70 °C/s.
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