RO119151B1

RO119151B1 - Procedeu şi instalaţie pentru tratamentul termic al şinelor de cale ferată

Info

Publication number: RO119151B1
Application number: RO96-01832A
Authority: RO
Inventors: Jean Luc Perrin
Original assignee: Sogerail (Societe Anonyme)
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 2004-04-30
Also published as: CN1154413A; AU6439996A; ES2146849T3; DE69608056D1; CZ292245B6; FR2738843B1; FR2738843A1; BR9603804A; EP0765942B1; ZA967908B; TR199600732A2; US5714020A; DE69608056T2; ATE192505T1; RU2162486C2; UA41983C2; EP0765942A1; PL180537B1; AU708988B2; CZ272696A3

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu şi la o instalaţie pentru tratamentul termic al şinelor de cale ferată, pentru trenuri de mare viteză sau grele. Procedeul constă din supunerea şinei respective unei încălziri şi răciri diferenţiate, a părţilor componente ale şinei, astfel încât temperatura părţii superioare a şinei, care constituie calea de rulare, să fie mai mare cu cel puţin 40°C decât temperatura medie a părţii inferioare, dar fără a depăşi 1050°C, şi cu 80°C faţă de temperatura medie a părţii de legătură a şinei. Viteza de răcire, la trecerea prin domeniul temperaturii de 700°C, este mai mică de 10°C/s la suprafaţa şinei şi mai mică de 5°C/s pentru partea de legătură şi partea inferioară ale şinei. Instalaţia pentru realizarea tratamentului termic este alcătuită din nişte inductoare de încălzire şi preîncălzire (10 şi 12) şi dintr-un mijloc de răcire (9) format din mai multe conducte (14 şi 16) prevăzute cu nişte duze (17). ŕ

Description

Invenția se referă la un procedeu și la o instalație pentru tratamentul termic al șinelor de cale ferată, utilizate, în special, pentru trenurile grele și de mare viteză.

Sunt cunoscute procedee de tratament termic al șinelor de cale ferată, brevet FR 2603306, care constau din aplicarea suplimentară a unui tratament termic părților superioare a șinei respective și a unui tratament termic parțial părții de legătură, astfel încât deformările, generate de tratamentul termic, ale părții inferioare a șinei să echilibreze deformările generate de tratamentul termic al părții superioare, în scopul reducerii fazei de îndreptare ulterioară a șinei.

în cazul acestor procedee de tratament termic al șinelor de cale ferată, partea de legătură dintre partea superioară a șinei și partea inferioară a acesteia nu este tratată termic și zonele de legătură dintre partea superioară a șinei și partea de legătură, pe de o parte, și dintre partea de legătură și partea inferioară a șinei, pe de altă parte, sunt friabile din cauză că sunt încălzite, practic, între punctele de transformare și ACg, temperatură care are drept efect apariția unei structuri cu duritate scăzută.

Un alt procedeu cunoscut, FR 2109121, supune șina de cale ferată unui tratament termic cu încălzirea uniformă a șinei, pe întreaga secțiune a acesteia, în scopul obținerii unei structuri perlitice foarte fine și cu duritate ridicată, datorită aplicării unei faze de răcire accelerată, după ce s-a terminat procesul de austenitizare a întregii structuri a metalului, în urma unei încălziri încetinite sau directe de la laminare. Șina, astfel obținută are o structură metalografică omogenă și nu prezintă puncte moi în partea de legătură a părților componente ale șinei sau în zonele de legătură dintre partea de legătură a șinei cu cele două părți componente ale acesteia.

Totuși, în cazul utilizării șinelor tratate termic după acest procedeu, s-a observat că șina este deformată în urma aplicării tratamentului termic respectiv, fiind necesar a se aplica o operație de îndreptare.

Tensiunile interne reziduale, generate în timpul unei operații de îndreptare excesive, slăbesc durabilitatea părții de legătură a șinei prin dezvoltarea fisurilor longitudinale, din cauză că aceste tensiuni tind să deschidă aceste fisuri. Evaluarea sensibilității părții de legătură a șinei, la propagarea fisurilor, se face prin efectuarea unei tăieturi la capătul șinei supuse testului. Atunci când distanța dintre muchiile tăieturii este mai mare decât grosimea pânzei de ferăstrău, tensiunile reziduale tind să ușureze propagarea fisurilor, în caz contrar tensiunile reziduale se opun propagării și chiar inițierii fisurilor.

Un alt procedeu de tratament termic al elementelor de cale ferată, brevet RO 72116, constă din încălzirea numai a suprafeței de rulare a elementului de cale ferată, la o adâncime suficientă, până la temperatura de austenitizare. în continuarea acestei faze se aplică o răcire în vederea realizării călirii, prin suflarea de aer comprimat. Răcirea intensă are loc până ce temperatura zonei încălzite scade sub 65O...45O°C, după care răcirea se face în trepte și cu o intensitate mai mică, în așa fel ca domeniul de temperaturi, în prima treaptă de răcire la suprafeța șinei și înainte de transformarea perlitică, să nu fie depășit și ca această intensitate de răcire să fie menținută în zona celei mai rapide transformări perlitice, până la încheierea transformării perlitice.

în cazul în care elementele de cale ferată, de exemplu elementele de macaz, sunt confecționate din oțel, a cărei compoziție chimică poate cuprinde 0,50...0,90%C, 0,70...2,0% Mn, 0,05...1,2%Si și, eventual, până la 1,5%Cr, prima treaptă de răcire are loc cu o viteză de 3O...7O°C/s. Răcirea ulterioară, după prima treaptă de răcire, poate fi cuplată cu o fază de măsurare a temperaturii suprafeței supuse răcirii, astfel încât, în funcție de valoarea temperaturii atinse, să se regleze debitul de aer sau să se modifice viteza de răcire. în vederea realizării unei răciri corespunzătoare, este esențial ca aerul comprimat să fie dirijat numai pe suprafața de rulare a elementului de macaz pentru a nu fi expuse și alte părți ale

R0119151 Β1 elementului de macaz. în acest caz, lățimea jetului de aer comprimat trebuie să cuprindă, 50 cel puțin, lățimea maximă a suprafeței elementului de macaz care este supusă tratamentului termic. Prin combinarea treptelor de răcire se obțin valori optime ale rezilienței, fără să existe pericolul ca elementele de macaz să se deformeze într-o măsură neadmisibilă. Ca urmare a aplicării tratamentului termic, se obțin rezultate bune dacă la prima treaptă de răcire se aplică jeturilor de aer comprimat o presiune de 1,2...2,0 bar, de preferință, 1,5...1,7 bar și 55 dacă răcirea, care urmează, se face în două la patru trepte și la o presiune de 0,8...0,4 bar, cu tendință de scădere în diferitele trepte de răcire.

Pentru a modifica efectul de răcire a aerului comprimat, acesta poate fi combinat cu apă sau abur.

După finalizarea tratamentului termic de călire în trepte, se impune o răcire în apă 60 până la 100°C. Această răcire finală bruscă servește la scurtarea timpului necesar tratamentului termic.

Pentru elementele de macaz din oțel cu compoziția chimică anterior menționată, s-a dovedit a fi adecvat ca în prima treaptă de răcire, pentru călire, să se aplice o suflare energică a aerului comprimat în domeniul temperaturilor de 65O...45O°C, acest domeniu de tem- 65 peraturi trebuind a fi menținut și la începutul următoarei trepte de răcire, adică temperatura de la suprafață să nu se modifice când începe treadpta următoare de răcire. Temperatura la suprafață nu trebuie să se modifice și suprafața de rulare trebuie să fie răcită la temperaturi mai scăzute după încheierea transformării perlitice.

Și acest procedeu nu evită apariția tensiunilor interne în diferite părți componente ale 70 elementului de macaz.

Se cunosc dispozitive pentru tratamentul termic al elementelor de cale ferată, alcătuite din niște mijloace de încălzire, care pot fi niște arzătoare sau inductoare, pentru a încălzi, la temperatura necesară tratamentului termic, elementul respectiv de cale ferată. Aceste mijloace de încălzire pot realiza o încălzire până la o adâncime de 30 mm. Pentru 75 realizarea răcirii, în vederea realizării tratamentului termic de călire, se utilizează niște duze amplasate grupat pentru a realiza o răcire diferențiată a elementului de cale ferată. Primul grup de duze de răcire realizează răcirea elementului de cale ferată de la temperatura de 950°C la o temperatură cuprinsă în domeniul temperaturilor de 550...600°C. Acest grup de duze se află la o distanță, față de suprafața de rulare, de aproximativ 15...20 mm. Celelalte 80 duze sau grupuri de duze de răcire, se află la anumite distanțe față de mijlocul de încălzire și față de suprafața elementului de cale ferată, pentru a realiza diferite viteze de răcire.

Acest dispozitiv nu poate evita introducerea de tensiuni interne importante în produsul supus tratamentului termic.

Problema care apare în cazul fabricării șinelor de cale ferată pentru trenuri grele sau 85 de mare viteză, din oțeluri cu un conținut ridicat de carbon și, opțional, slab aliat, în conformitate cu normele 860-0 ale Uniunii Internaționale a Căilor Ferate, a căror compoziție chimică pot cuprinde până la 0,82% carbon, până la 1,70% mangan, până la 0,90% siliciu, până la 1,30% crom, opțional elemente de finisare a granulației structurii, după aplicarea tratamentului termic de călire, în vederea obținerii unei structuri perlitice fine, constă în apariția 90 unor pete moi în zonele încălzite între punctele de transformare Ac, și Ac₃, iar produsul prezintă deformații, fiind necesar a fi supus unor operații de îndreptare.

Obiectul prezentei invenții este aplicarea unui tratament termic care să conducă la obținerea unei structuri perlitice fine în întreaga secțiune transversală a șinei și la o distribuție a tensiunilor reziduale care să se opună propagării fisurilor longitudinale în partea de 95 legătură dintre partea superioară și partea inferioară a șinei de cale ferată.

Problema a fost rezolvată prin supunerea șinei de cale ferată, constituită din oțel eutectoid sau slab aliat, cu compoziția chimică având până la 0,82% carbon, până la 1,70% mangan, până la 0,9% siliciu, până la 1,3% crom, opțional elemente de finisare a granulației κυ nyioi bi structurii, restul fiind fier și impurități întâmplătoare, după laminarea la cald, unei răciri până la temperatura mediului ambiant, după care șina respectivă este supusă unui tratament termic adecvat pentru a-i conferi proprietățile mecanice necesare unei bune comportări în procesul de exploatare. Tratamentul termic aplicat constă din supunerea șinei de cale ferată unei încălziri continue și unei răciri corespunzătoare, în scopul de a crea o structură perlitică fină și dură, în special în partea superioară a șinei, care constituie suprafața de rulare, dar și în toată secțiunea transversală a șinei.

în timpul trecerii continue a șinei prin mijlocul de încălzire, fiecare secțiune transversală a șinei este supusă unui ciclu termic car, în prima fază, realizează o încălzire la

500...600°C a întregii secțiuni transversale a șinei. Mijloacele de încălzire realizează o încălzire mai rapidă a părții inferioare a șinei și a părții de legătură decât a părții superioare a șinei respective. în etapa următoare, secțiunea transversală a șinei trece printr-o zonă de egalizare, fază în care are loc o scădere ușoară a temperaturii suprafețelor exterioare, în timp ce miezul va avea o temperatură cu puțin mai ridicată din cauza transferului de căldură.

Următoarea fază a procedeului constă din supunerea secțiunii transversale a șinei unei noi încălziri pentru a aduce toate punctele din secțiunea transversală a șinei de cale ferată la o temperatură mai ridicată decât temperatura sfârșitului de transformare austenitică corespunzătoare oțelului din care este fabricată șina respectivă. încălzirea în această fază are ca scop obținerea unei structuri austenitice în întreaga secțiune transversală a șinei, și durează doar câteva minute. De regulă, în mai puțin de 5 min temperatura de sfârșit a transformării austenitice este cu cel puțin 100°C mai mare decât temperatura punctului de transformare Ac₃. Și în cazul acestei etape de încălzire, temperatura medie a părții de legătură și părții inferioare este mai mare decât temperatura părții superioare a șinei.

în continuare, se aplică o egalizare a temperaturii în întreaga secțiune transversală a șinei, în special în partea de legătură și în partea inferioară a șinei, pentru a obține o austenită omogenă, fără a fi nevoie de a supune șina de cale ferată la o temperatură mai mare, care ar duce la mărirea granulației. Durata totală a acestei etape de reîncălzire este, preferabil, mai mare de 4 min.

Procedeul se continuă cu o altă fază de încălzire în care este supusă supraîncălzirii numai partea superioară a șinei, astfel încât temperatura pe întreaga secțiune a acestei părți să fie cu cel puțin 40°C mai mare decât temperatura părții de legătură și a părții inferioare șinei, dar fără a depăși 1050°C, pentru a nu provoca o mărire excesivă a grăunților de austenită. După aplicarea unei egalizări a temperaturii șina de cale ferată este supusă unei operații de răcire rapidă unde are loc o răcire mai intensă a părții superioare decât a părții de legătură și a părții inferioare a șinei respective. După efectuarea acestei răciri rapide, temperatura secțiunii transversale a părții superioare a șinei este mai mică decât temperatura părții de legătură și a părții inferioare.

Viteza de răcire și temperaturile sunt de așa manieră stabilite, încât structura obținută este o structură perlitică fină și cu duritate ridicată, fără urme de bainită sau martensită.

Instalația, pentru realizarea procedeului include niște role de ghidare amplasate succesiv, un mijloc pentru preîncălzire a întregii secțiuni a șinei de cale ferată supusă tratamentului termic. în continuarea acestui mijloc de preîncălzire s-a prevăzut un alt mijloc de încălzire suplimentară și un mijloc pentru a realiza o răcire accelerată a șinei de cale ferată.

Mijlocul de preîncălzire constă din cel puțin o bobină de încălzire prin inducție, alimentată cu curent alternativ cu o frecvență mai mare sau cel puțin egală cu 2000 Hz. Bobinele au între ele niște spații libere și sunt conectate la surse de alimentare electrică curent aplicate în acest domeniu.

Mijlocul complementar de încălzire constă dintr-un inductor, plasat longitudinal deasupra șinei și este alimentat cu curent alternativ cu o frecvență mai mare sau egală cu

1000 Hz.

R0119151 Β1

Mijlocul de răcire accelerată constă din cel puțin o conductă superioară, care se în- 150 tinde longitudinal deasupra șinei de cale ferată, și dintr-o conductă inferioară, care se extinde longitudinal sub zona de tranziție a părții inferioare a șinei. Acest mijloc de răcire rapidă mai cuprinde niște conducte care se extind longitudinal de fiecare parte a zonei de tranziție a muchiei transversale. Fiecare din aceste conducte este prevăzută cu niște duze care pot crea niște jeturi de aer sau ceață pe suprafețele supuse răcirii. Duzele respective pot fi con- 155 trolate independent una față de cealaltă sau în grup, astfel încât să facă posibilă modularea independentă a intensității și duratei răcirii părților componente ale șinei de cale ferată.

Invenția prezintă următoarele avantaje.

- nu necesită condiții deosebite de aplicare;

- permite obținerea unei structuri de perlită fină cu duritate ridicată în secțiunea părții 160 superioare a șinei de cale ferată;

- poate fi aplicată la o gamă mare de produse;

- nu necesită operații importante de îndreptare a șinei după tratamentul termic. Invenția va fi prezentadtă în continuare în legătură și cu fig.1 și 2, care reprezintă:

- fig.1, instalația de tratament termic a șinelor de cale ferată; 165

- fig.2, graficele schimbării temperaturii în diverse puncte ale secțiunii șinei de cale ferată, în funcție de timp, pe durata tratamentului termic.

Procedeul de tratament termic al șinelor de cale ferată, conform invenției, constă din trecerea succesivă a șinei 1, alcătuită dintr-o parte superioară 2, o parte de legătură 3 și o parte inferioară 4, prin niște zone de încălzire, egalizare a temperaturii și răcire diferențiată 170 a diferitelor părți ale șinei. Șina de cale ferată 1 este obținută prin laminarea la cald a unui semifabricat din oțel carbon eutectoid sau slab aliat, a cărei compoziție chimică cuprinde, în greutate, așa cum este definit în standardul 860-0 al Uniunii Internaționale a Căilor Ferate, până la 0,82% carbon, până la 1,70% mangan, până la 0,90% siliciu, până la 1,30% crom, opțional elemente de finisare a structurii, restul fiind fier și impurități din procesul de elabo- 175 rare a oțelului respectiv.

Fiecare secțiune transversală a șinei de cale ferată 1 este preîncălzită, succesiv sau simultan, peste temperatura sfârșitului de transformare metalurgică, prin încălzirea oțelului din care este confecționată șina de cale ferată 1, astfel încât, simultan sau succesiv, masa de bază, din care este făcută șina 1, să prezinte uniform o structură austenitică omogenă. 180 Fiecare parte a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții superioare 2, este supraîncălzită, succesiv sau simultan, astfel încât temperatura medie a părții respective a fiecărei secțiuni transversale a șinei de cale ferată 1 este mai mare cu cel puțin 40°C decât temperatura medie a acelei părți, a aceleiași secțiuni transversale a șinei 1, care corespunde părții inferioare 4, dar fără a depăși 1050°C, preferabil 1000°C. Fiecare secțiune transver- 185 sală a șinei 1 de cale ferată este răcită, succesiv sau simultan, sub temperatura de sfârșit de transformare, prin răcirea materialului din care este confecționată șina 1, astfel încât să se obțină o structură perlitică fină în întreaga secțiune transversală a șinei de cale ferată 1. Fiecare secțiune transversală a șinei de cale ferată 1, în continuare, este lăsată, opțional, să se răcească, succesiv sau simultan, la temperatura mediului ambiant. 190

La sfârșitul fazei de preîncălzire, care poate dura cel puțin 4 min, temperatura șinei trebuie să fie mai mare decât Ac₃ + 100°C în fiecare punct al secțiunii transversale a șinei

1, Ac₃ fiind temperatura de încălzire cu viteză mică a oțelului din care este confecționată șina

1. Această preîncălzire include o succesiune alternativă de preîncălziri parțiale și de omogenizări, astfel încât, la sfârșitul preîncălzirii, să se obțină cea mai omogenă distribuție a 195 temperaturii în fiecare secțiune transversală a șinei 1.

nu I19IDI Dl

La sfârșitul încălzirii adiționale, temperatura medie a acelei părți a fiecărei secțiuni transversale a șinei 1, care corespunde părții superioare 2, este mai mare cu cel puțin 80°C decât temperatura medie a acelei părți, a aceleiași secțiuni transversale, care corespunde părții inferioare 4 a șinei 1.

în scopul obținerii unei structuri metalografice corespunzătoare, se aplică, după ce s-a realizat o distribuție corespunzătoare a temperaturii, o răcire diferențiată. în timpul acestei faze de răcire, viteza de răcire a suprafeței șinei 1, la trecerea prin domeniul temperaturilor de 700°C, este mai mică de 10°C/s. Viteza de răcire a părții de legătură 3 și a părții inferioare 4, la trecerea prin domeniul temperaturii de 700°C, este mai mică de 5°C/s.

Instalația 5 pentru realizarea procedeului, în conformitate cu fig.1, include, atât la intrare, cât și la ieșire, niște role de ghidare 6 și, amplasate în ordine, un mijloc 7 pentru preîncălzirea întregii secțiuni transversale a șinei 1, un mijloc 8 pentru încălzirea suplimentară a părții superioare 2 a șinei 1 de cale ferată, și un mijloc 9, pentru răcirea intensă a întregii secțiuni a șinei 1.

Mijlocul de preîncălzire 7 constă din cel puțin o bobină 10 de încălzire prin inducție, alimentată cu curent alternativ cu frecvența mai mare sau cel puțin egală cu 2000 Hz, urmată de un spațiu liber 11. Acest mijloc de încălzire 7 include o succesiune alternativă de zone de încălzire, corespunzând bobinelor 10 și zone de egalizare, corespunzând spațiilor libere 11. Bobinele 10 sunt conectate la niște surse de alimentare cu energie electrică, de construcție cunoscută, fără a fi reprezentate în fig.1. Prin bobinele 10 poate trece un curent de apă de răcire, așa cum este practicat în domeniul încălzirii prin inducție.

Mijlocul complementar 8 de încălzire constă dintr-un inductor 12, în formă de “U”, plasat longitudinal deasupra șinei 1, și este alimentat în mod cunoscut cu curent electric alternativ a cărui frecvență este, preferabil, mai mare sau egală cu 1000 Hz. înainte și după inductorul 12 se află niște role de ghidare 13.

Mijlocul de răcire intensă 9 constă din cel puțin o conductă superioară 14, care se extinde longitudinal deasupra zonei de tranziție a părții superioare a șinei 1 și dintr-o conductă inferioară 15, care se extinde longitudinal sub zona de tranziție a părții inferioare 4 a șinei 1 și, preferabil, mai multe conducte 16, care se extind longitudinal de fiecare parte a zonei de tranziție a părții de legătură 3. Fiecare conductă este echipată cu mai multe duze 17, care pot sufla aer sau ceață. Duzele 17 pot fi controlate independent una față de alta sau în grup, astfel încât să facă posibilă modularea independentă a intensității și duratei răcirii la partea superioară 2, la partea de legătură 3 și la partea inferioară 4 ale șinei 1 de cale ferată.

Pentru efectuarea tratamentului termic al șinei 1 de cale ferată, șina respectivă este condusă prin instalația 5 de tratament termic, astfel încât fiecare secțiune transversală a șinei 1 trece succesiv prin mijlocul de încălzire 7, mijlocul de încălzire complementară 8 și prin mijlocul de răcire intensă 9.

La trecerea prin instalația 5 de tratament termic, fiecare secțiune transversală a șinei 1 este supusă unui ciclu termic de tipul celui prezentat în fig.2, unde timpul este trecut pe abscisă, iar temperatura pe ordonată. în această figură, graficul 100 reprezintă ciclul termic al suprafeței părții inferioare 4 și a părții de legătură 3. Graficul 101 reprezintă ciclul termic al punctelor localizate în miezul părții de legătură 3 sau a părții inferioare 4, iar graficele 102, 103 reprezintă ciclul termic al punctelor suprafeței și miezului părții superioare 2.

Presupunând că, la timpul t = 0, o secțiune transversală arbitrară a șinei 1 intră în zona primei bobine 10 a mijlocului de preîncălzire 7, ciclul termic suferit de secțiunea transversală a șinei 1, de-a lungul întregului tratament termic, poate fi descris prin intermediul graficului din fig.2.

RO 119151 Β1

245 între t = 0 și timpul t_n la care secțiunea transversală a șinei 1 de cale ferată părăsește prima bobină 10, întreaga secțiune a șinei 1 este încălzită și adusă la o temperatură în jur de 500...600°C, suprafața fiind încălzită mai repede decât zona centrală a secțiunii și, din cauza frecvenței selectate pentru curentul electric, care alimentează bobinele 10, acea parte a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții de legătură 3 și părții inferioare 4, este încălzită mai repede și, prin urmare, este adusă la o temperatură mai mare decât acea parte a secțiunii transversale a șinei care corespunde părții superioare 2.

între timpii t₁ și t> secțiunea transversală a șinei 1 trece prin zona de egalizare 11, în care nu este încălzită, astfel încât temperaturile suprafeței scad ușor, pe când temperaturile miezului cresc ușor din cauza difuziei căldurii spre interiorul șinei 1, temperaturile din interiorul șinei 1 apropiindu-se de temperaturile suprafeței.

între timpii t₂ și tj, secțiunea transversală a șinei 1 trece prin interiorul celei de-a doua bobine 10 de preîncălzire, care o încălzește pentru a aduce toate punctele secțiunii transversale ale șinei 1 la temperaturi mai mari decât temperaturile de sfârșit de transformare austenitică a oțelului din care este făcută șina 1 de cale ferată, în scopul de a obține o structură austenitică în întreaga secțiune transversală a șinei 1; preîncălzirea totală durând doar câteva minute, în general mai puțin de 5 minute. în aceste condiții, temperatura de sfârșit de transformare austenitică este mai mare cu cel puțin 100°C decât temperatura Ăc₃ corespunzătoare sfârșitului transformării austenitice încete. Pentru aceleași motive prezentate mai sus, la timpul t₃ temperatura medie a părții de legătură 3 și a părții inferioare 4 este mai mare decât temperatura medie a părții superioare 2.

între timpii t₃ și t₄, secțiunea transversală a șinei 1 trece prin a doua zonă 11 de egalizare a temperaturii, temperatura egalizându-se, pe de o parte, în acea parte a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții superioare 2 și, pe de altă parte, în acea parte a secțiunii transversale care corespunde părții de legătură 3 și părții inferioare 4, pentru a obține o structură austenitică omogenă, fără a fi necesar să se încălzească șina 1 la o temperatură prea mare, care ar duce la o creștere importantă a grăunților. Durata totală a preîncălzirii, adică timpul care se scurge între t = 0 și t₄ trebuie să fie, preferabil, mai mare de 4 min.

între timpii t₄ și ζ, secțiunea transversală a șinei 1 trece pe sub mijlocul de supraîncălzire 8 al părții superioare 2 și acea parte a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții superioare 2, este încălzită astfel, încât temperatura sa medie să atingă valoarea T₂, adică mai mare cu cel puțin 40°C decât temperatura medie T, a acelei părți a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții de legătură 3 și părții inferioare 4, dar fără a depăși 1050°C, astfel încât să nu provoace o aglomerare excesivă a grăunților de austenită.

între timpii t₅ și t₆ secțiunea transversală a șinei 1 trece printr-o zonă de egalizare apoi intră în mijlocul de răcire intensă 9 înainte de a-l părăsi pe acesta din urmă la timpul t₇. La trecerea prin mijlocul de răcire 9, acea parte a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții superioare 2, este răcită în condițiile definite de temperatura T₃ de la suprafață, de timpul t₇ și de viteza de răcire Vr la trecerea prin domeniul temperaturii de 700°C la suprafață. Acea parte a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții de legătură 3 și părții inferioare 4, este răcită mai puțin energic decât acea parte a secțiunii transversale a șinei 1 care corespunde părții superioare 2, astfel încât, la ieșirea șinei din mijlocul de răcire 9, temperatura sa medie va fi mai mare decât temperatura medie a acelei părți a secțiunii transversale a șinei 1 care corespunde părții superioare 2.

250

255

260

265

270

275

280

285

290 nu I 19Ί0Ί Dl

După timpul t₇, șina 1 de cale ferată se răcește până la temperatura ambiantă în aer în mod natural. La ieșirea șinei 1 de cale ferată din mijlocul de răcire 9, deoarece temperatura suprafeței a acelei părți a secțiunii transversale, care corespunde părții superioare 2, este substanțial mai mică decât temperatura miezului, la începutul răcirii naturale în aer, se observă o ridicare a temperaturii suprafeței, ca rezultat al omogenizării temperaturii în secțiune, datorită difuziei căldurii interioare.

Viteza de răcire Vr, ca și temperatura T₃, sunt astfel alese încât structura obținută este cea mai dură structură perlitică fină posibilă, fără să existe urme de bainită sau martensită. în acest scop, viteza de răcire Vr trebuie să fie cât de mare posibil, fără a depăși viteza care face posibilă obținerea unei structuri bainitice sau martensitice. Temperatura T₃ trebuie să fie suficient de scăzută, dar nu prea scăzută pentru ca transformarea perlitică să fie completă. Temperatura T₃ trebuie să fie mai mică decât temperatura sfârșitului transformării prin răcire a oțelului din care este confecționată șina 1.

Tratamentul termic aplicat poate fi o călire în urma căreia se obține o structură complet perlitică, în care caz temperatura T₃ este temperatura mediului ambiant. Tratamentul termic aplicat poate, de asemenea fi, un tratament cvasiizotermic, caz în care temperatura T₃este de ordinul mai multor sute de grade.

Structura și duritatea dorite pot fi aceleași pentru partea inferioară 4, partea de legătură 3 și partea superioară 2. în acest caz, viteza medie de răcire a acelei părți a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții de legătură 3 și părții inferioare 4, este apropiată de temperatura acelei părți a secțiunii transversale a șinei 1 care corespunde părții superioare 2. Pe de altă parte, pentru partea de legătură 3 și pentru partea inferioară 4 poate fi dorită o duritate mai mică decât duritatea părții superioare 2. în acest caz se determină o viteză de răcire mai mică pentru acea parte a secțiunii transversale a șinei 1 care corespunde părții de legătură 3 și părții inferioare 4 decât viteza de răcire a părții superioare 2 a șinei 1. în final, pentru a ajusta temperatura la sfârșitul răcirii intense a acelei părți a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții de legătură 3 și părții inferioare 4, timpul de răcire a acestei părți poate fi redus prin neoperarea duzelor 17 aranjate în fața părții de legătură 3 sau a părții inferioare 4 și localizate la capătul de ieșire a mijlocului de răcire intensă 9.

Condițiile particulare ale răcirii intense trebuie să fie determinate corespunzător, în particular, cu caracteristicile particulare ale diagramei de transformare continuă la răcire a oțelului din care este confecționată șina 1. în practică, și pentru oțelul în cauză, viteza de răcire la suprafață Vr a acelei părți a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții superioare 2, trebuie să fie mai mică de 10°C/s, și preferabil, mai mare de 5°C/s. Media vitezei de răcire a acelei părți a secțiunii transversale, care corespunde părții inferioare 4 și părții de legătură 3, trebuie să fie, preferabil, mai mică de 5°C/s. De asemenea, preferabil, temperatura T₃, la care suprafața părții secțiunii transversale a șinei 1 părăsește mijlocul de răcire 9, trebuie să fie mai mică de 400°C.

în urma aplicării unei răciri diferențiate în timpul tratamentului termic, șina 1 se deformează, dar dacă se dorește să se obțină o duritate uniformă pe întreaga secțiune transversală a șinei 1, adică atunci când întreaga secțiune transversală a șinei 1 se răcește cu viteze comparabile, dacă acea parte a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții superioare 2 a fost supraîncălzită cu 40°C până la 80°C față de acea parte a secțiunii transversale a șinei 1, care corespunde părții inferioare 4 și părții de legătură 3, șina 1 de cale ferată se deformează puțin după revenirea la temperatura ambiantă și, după o posibilă îndreptare ușoară, partea de legătură 3 este supusă unor tensiuni reziduale care favorizează închiderea fisurilor.

R0119151 Β1

De asemenea, s-a observat că, pentru obținerea aceluiași rezultat, atunci când se călește partea superioară 2 mai mult decât partea de legătură 3 sau partea inferioară 4, supraîncălzirea trebuie să fie mai mare de 80°C și, preferabil, între 100 și 200°C. 340

Procedeul care face obiectul prezentei invenții este un tratament termic continuu, în care diversele secțiuni transversale ale șinei 1 sunt supuse succesiv tratamentului termic respectiv. Totuși, acest tratament termic poate fi realizat și prin încălzirea în ansamblu a șinei 1, de exemplu într-un cuptor, apoi supraîncălzirea întregii părți inferioare 4 și în final răcirea întregii șine 1. 345 în cazul unui exemplu practic de realizare, o șină 1 de cale ferată, fabricată prin laminare dintr-un semifabricat din oțel a cărei compoziție chimică, în greutate, cuprinde 0,78% carbon, 1,04% mangan, 0,44% siliciu, 0,22% crom, restul fiind fier și alte impurități, după sfârșitul operației de preîncălzire, care durează 4 min și 30 s, temperatura medie a părții de legătură 3 și a părții inferioare 4 este de 880°C. La sfârșitul supraîncălzirii, temperatura me- 350 die a părții superioare 2 este de 985°C. Suprafața părții inferioare 4 se răcește cu o viteză de răcire de 9°C/s la 380°C, iar partea inferioară 4 și partea de legătură 3 se răcesc cu o viteză de răcire de 2°C/s. După revenirea la temperatura mediului ambiant șina 1 este supusă unei operații de îndreptare ușoară. De-a lungul întregii secțiuni, șina 1 are o structură de perlită fină, duritatea părții superioare 2 fiind de 377 HB, iar duritatea părții de legătură 3 și a 355 părții inferioare 4 este de 340 HB. Deschiderea muchiilor tăieturii, în urma aplicării testului de tăietură cu ferăstrăul, este de aproximativ de -1,2 mm, pe când în cazul aceleiași șine tratată după procedeele de tratament termic cunoscute, deschiderea tăieturii este de + 2,2 mm.

în cazul în care șina 1 este fabricată din oțel a cărei compoziție chimică, în greutate, cuprinde 0,77% carbon, 0,91% mangan, 0,66% siliciu, 0,49% crom, restul fiind fier și impu- 360 rități, la sfârșitul supraîncălzirii, temperatura medie a părții superioare 2 este de 940°C. Suprafața părții inferioare 4 este răcită cu o viteză de răcire de 7°C/s până la 350°C. Partea inferioară 4 și partea de legătură 3 se răcesc cu o viteză de răcire de 6°C/s. După revenirea la temperatura mediului ambiant, șina 1 de cale ferată este supusă unei ușoare îndreptări.

în întreaga secțiune transversală șina 1 are o structură perlitică fină, duritatea părții supe- 365 rioare 2, a părții de legătură 3 și a părții inferioare 4 este de 390 HB. Deschiderea dintre muchiile tăieturii transversale, conform testului de tăietură cu ferăstrăul, este de aproximativ -0,9 mm, pe când pentru aceeași șină, tratată conform tehnicilor anterioare, deschiderea dintre muchiile tăieturii transversale este de +2,4 mm.

Claims

370 Revendicări

1. Procedeu pentru tratamentul termic al șinelor de cale ferată, constând din supunerea șinei respective unei încălziri pentru austenitizare și unei răciri, caracterizat prin aceea că fiecare secțiune transversală a șinei este preîncălzită, succesiv sau simultan, la o 375 temperatură superioară temperaturii sfârșitului de transformare, prin încălzire a oțelului din care este făcută șina respectivă, încât, succesiv sau simultan, în fiecare secțiune a șinei se obține o structură austenitică omogenă, iar fiecare parte a secțiunii șinei, care corespunde părții superioare a acesteia, este supraîncălzită, succesiv sau simultan, astfel încât temperatura medie a părții respective a fiecărei secțiuni transversale a șinei să fie mai mare cu cel 380 puțin 40°C decât temperatura medie a părții aparținând secțiunii transversale care corespunde părții inferioare a șinei, dar fără a depăși 1050°C, preferabil 1000°C, după care fiecare secțiune transversală a șinei este răcită, succesiv sau simultan, sub temperatura de sfârșit de transformare, prin răcire a oțelului din care este făcută șina, pentru a se obține o structură perlitică fină în întreaga secțiune transversală a șinei și, în continuare, fiecare sec- 385 țiune transversală a șinei este lăsată, opțional, să se răcească, succesiv sau simultan, la temperatura ambiantă.

RO 119151 Β1

2. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că la sfârșitul preîncălzirii, temperatura este mai mare decât A_C3 + 100°C în fiecare punct al secțiunii transversale a șinei.

3. Procedeu conform revendicării 1 sau 2, caracterizat prin aceea că, la sfârșitul încălzirii adiționale, temperatura medie a acelei părți a fiecărei secțiuni transversale a șinei, care corespunde părții superioare, este mai mare cu cel puțin 80°C decât temperatura medie a acelei părți a aceleiași secțiuni transversale care corespunde părții inferioare a șinei respective.

4. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că preîncălzirea include o succesiune de preîncălziri parțiale și de omogenizări, astfel încât să se obțină, la sfârșitul preîncălzirii, o distribuție omogenă a temperaturii în fiecare secțiune transversală a șinei.

5. Procedeu conform revendicărilor 1...4, caracterizat prin aceea că viteza de răcire, la suprafața șinei, la trecerea prin domeniul temperaturii de 700°C, este mai mică de 10°C/s.

6. Procedeu conform revendicării 5, caracterizat prin aceea că viteza de răcire la suprafața părții de legătură și a părții inferioare ale șinei, la trecerea prin domeniul temperaturii de 700°C, este mai mică de 5°C/s.

7. Procedeu conform revendicării 6, caracterizat prin aceea că temperatura suprafeței părții superioare a șinei, la sfârșitul răcirii, este mai mică sau egală cu 400°C.

8. Instalație pentru realizarea procedeului de la revendicările 1...7, alcătuită dintr-un ansamblu de încălzire prin inducție și unul de răcire, caracterizată prin aceea că ansamblul de încălzire cuprinde un mijloc de preîncălzire prin inducție (7), care operează la o frecvență mai mare sau egală cu 2000 Hz și un mijloc de supraîncălzire prin inducție (8), care operează la o frecvență mai mare sau egală cu 1000 Hz, iar ansamblul de răcire (9) este format din mai multe conducte paralele cu șina, echipate cu mai multe duze (17) cu posibilități de funcționare independentă.