RU2003705C1 - Способ термической обработки рельсов и установка дл его осуществлени - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к металлургической промышленности, конкретнее к термической обработке рельсов.

Известны различные способы термической обработки рельсов, разработанные и используемые как в СССР, так и за рубежом (2-15).

Например, известна поверхностна  закалка головки рельсов с использованием индукционного нагрева (2), Технологи  термического упрочнени  головки рельсов с нагревом их под закалку токами высокой частоты  вл етс  сложным процессом, дл  осуществлени  которого в зависимости от типа и химического состава металла рельсов установлены скорости движени  рельсов в закалочной машине, подводима  мощность, темпераiypa головки рельсов. Недостатком этого способа термической обработки рельсов  вл етс  значительный перепад температур от головки рельса к шейке и подошве, что влечет за собой искривление рельсов (9).

Известен также способ поверхностной закалки головки рельсов с объемного печного нагрева (10,11). Недостатком этого способа  вл етс  искривление рельсов на головку, достигаемое после гор чего гиба 150 мм.

Из известных наиболее удачным способом закалки рельсов с целью получени  низких остаточных раст гивающих напр жений, минимального искривлени   вл етс  закалка при упругом изгибе в зоне нагрева и охлаждени  выпуклостью на головку (9). Но данный способ не получил широкого распространени  ввиду малой производительности установки. Кроме того, шейка и подошва, а также часть головки рельсов остаютс  без перекристаллизационного нагрева и, следовательно, без улучшени  структуры металла.

Разработаны также способы различных режимов охлаждени , позвол ющих проводить термообработку рельсов с прокатного нагрева (12-18). Однако даже при получении высоких механических свойств в этих способах не обеспечиваетс  контактно-усталостной прочности металла вследствие неоднородного и крупного зерна аустенита, который имеют рельсы непосредственно после прокатки. Кроме того услови  эксплуатации железных дорог за рубежом (в Европе , Японии) значительно отличаютс  от условий эксплуатации в СССР. После закалки по этому способу также требуетс  правка на роликоправильных машинах в холодном состо нии, и, следовательно, рельсы приобретают неблагопри тную эпюру остаточных напр жений.

Известен также способ закалки головки рельсов с использованием индукционного нагрева (19-21), который широко используетс  за рубежом. Принципиальным недо- 5 статком этого вида термического упрочнени  рельсов  вл етс  отсутствие перекристаллизационного нагрева шейки и подошвы, необходимость штемпельной правки, что снижает хрупкую прочность

0 рельсов,

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ термической обработки рельсов (1), включающий объемный нагрев, охлаждение жидкой средой, отпуск. Данный

5 способ предполагает дальнейшую правку рельсов, а также строгое выдерживание временного режима при охлаждении. При этом виде термического упрочнени  рельсов достигаетс  улучшение их прэчностных

0 характеристик при удовлетворительных пластических свойствах и высокой сопротивл емости ударному разрушению.

Недостатками этого способа термической обработки  вл ютс  коробление рель5 сов в процессе закалки и необходимость их холодной правки на роликоправильных машинах , после которой в объемно-закаленных рельсах возникает раст гивание напр жени  до 250 МН/м2 и более, что от0 рицательно сказываетс  на хрупкой прочности рельсов.

К недостаткам можно также отнести и применение большого количества масла дл  охлаждени  рельсов, что способствует за5 гр знению окружающей среды.

Целью предлагаемого способа  вл ютс  повышение механических и эксплуатаци- онных свойств рельсов, исключение короблени . Предлагаемый способ позвол 0 ет производить закалку рельсов в автоматическом режиме в массовом производстве.

Дл  этого в известном способе термической обработки рельсов, включающем объемный нагрев, охлаждение жидкой средой,

5 отпуск, дополнительно перед охлаждением жидкой средой шейку рельса, нижнюю поверхность головки и верхнюю поверхность подошвы с двух сторон защищают от попадани  охлаждающей жидкости так, чтобы

0 они оставались нагретыми при подаче охлаждающей среды, а затем охлаждают жидкой средой поверхность катани  головки, боковые грани головки и нижнюю поверхность подошвы рельса, и предварительный

5 отпуск осуществл ют за счет самоотпуска теплом, оставшимс  в защищенных от жидкой среды част х рельса.

Также в предлагаемом способе охлаждение осуществл ют быстродвижущимс  потоком воды (БПВ) со скоростью, например , 15-20 м/с, подаваемой одновременно из спрейерных устройств на головку и подошву рельса.

Предлагаетс  также устройство дл  осуществлени  термической обработки по предлагаемому способу, содержащее ролики рольганга с направл ющими ребордами, которые в пределах закалочной камеры имеют возможность смещатьс  от вертикальной оси рельса в обе стороны, две жесткие полосы, длина которых равна длине рельса, имеющие поперечный профиль дл  плотного замыкани  с двух сторон пространства в распор между нижними поверхност ми головки и верхними поверхност ми подошвы, закрепленные на жестком основании с возможностью перемещени  и соединенные с управл емыми силовыми цилиндрами, расположенными вдоль обеих сторон рельса, и с регулировочными пружинами, которые другими концами закреплены на жестком основании, а также упоры, укрепленные на жестком основании на уровне боковых поверхностей рельса так, чтобы преп тствовать опрокидыванию рельса.

В предлагаемом устройстве управл емые силовые цилиндры размещены вдоль рельса на рассто нии одного метра друг от друга.

Также в устройстве над головкой и под подошвой рельса размещены спрейеры.

На фиг.1 представлено устройство дл  осуществлени  закалки по предложенному способу термической обработки рельсов; на фиг.2 - кривые выносливости, построенные по результатам испытани  рельсов, упрочненных стандартной термоообработкой (крива  - 1) и предлагаемым способом (крива  - 2); на фиг.З - внешний вид (макроструктура ) излома рельсов после сравнительных испытаний на циклическую долговечность (За - закалка в масле, отпуск 450°С, 2 ч, без правки; РМах 60 кН, число циклов до разрушени  105959; 36 - закалка БПВ, отпуск 450°С, 2 ч, Рмах 60 кН, число циклов до разрушени  289500; Зв - закалка БПВ, отпуск 450°С, 2 ч, Рмах 50 кН, число циклов до разрушени  630720); на фиг.4 - график результатов замера твердости на рельсах после различных- вариантов упрочнени  (кривые 1 и 2 - закалка рельсов по предлагаемому способу; кривые 3 и 4 - закалка рельсов с применением нагрева ТВЧ (компани  Ниппон кокан).

Устройство дл  осуществлени  закалки по предложенному способу термической обработки рельсов (фиг.1) содержит ролики рольганга с ребордами 1, две жестких полосы 2, длина которых равна длине рельса, имеющие поперечный профиль дл  плотного замыкани  с двух сторон пространства в распор между нижними поверхност ми головки и верхними поверхност ми подошвы, закрепленные на жестком основании с возможностью перемещени  и соединенные с управл емыми силовыми цилиндрами 3, расположенными вдоль обеих сторон рельса на рассто нии одного метра друг от друга , и с регулировочными пружинами 4, которые другими концами закреплены на жестком основании, а также упоры 5, укрепленные на жестком основании на уровне боковых поверхностей рельса так, чтобы преп тствовать опрокидыванию рельса. Над головкой и под подошвой рельса размещены спрейеры 6.

Дл  испытаний, результаты которых представлены-на фиг.2, следует добавить, что оценка циклической долговечности производилась на полнопрофильном рельсе марки Р65 при трехточечном изгибе с рассто нием между опорами 500 мм, головкой вниз с острым надрезом с радиусом при вершине 0,8 мм, глубиной 2,5 мм и асимметрией цикла R ,1. Рельсы, закаленные по предлагаемому способу, имеют предел выносливости на 25% выше по сравнению с рельсами после объемной закалки в масле.

Расчет в зкости разрушени  К1с показал преимущество закалки БПВ в 1,75 раз.

К1с 40 МПа стандартный рельс Кузнецкого меткомбината;

К1с 70МПа VM -опытные, БПВ.

Обращает на себ  внимание значительна  разница в размере трещин усталости стандартных и опытных рельсов, что свидетельствует о значительном преимуществе по трещиностойкости.

Предложенный способ осуществл ют следующим образом.

Рельс сначала подают в печь дл  нагрева под закалку, а затем с помощью роликов рольганга с ребордами 1 перемещают внутрь данного устройства так, чтобы жесткие полосы 2 закрывали всю длину рельса. С помощью управл емых силовых цилиндров 3, которые могут быть выполнены как гидравлическими (например, ГОСТ 15608), так и воздушными (например, ГОСТ 6540), и расположены по длине рельса, например, через один метр, прижимают жесткие полосы 2 до плотного замыкани  с двух сторон пространства (в распор) между нижними поверхност ми головки и поверхност ми подошвы.

В следующий момент i -пки с реборда ми 1, на которых нахог .; ,-.-льс, уход т в стороны, а рельс по . ваге между полосами 2

Затем производ т закалку головки рельса и нижней поверхности его подошвы, например быстродвижущимс  потоком воды , подаваемой с помощью спрейеров 6. Шейка же рельса, нижн   поверхность головки в зоне перехода шейки в головку и верхн   поверхность подошвы в это врем  защищены от попадани  охлаждающей жидкости и остаютс  нагретыми до темпе- оатуры 650-750°С. В таком состо нии рельс поступает на отпуск. Причем предварительно отпуск осуществл етс  теплом, сохраненным в шейке рельса.

Положение полос 2 в вертикальной плоскости регулируетс  с помощью регулировочных пружин 4, что гарантирует свободное вхождение полос между головкой и подошвой рельса. Спрейеры 6 расположены сверху и снизу рельса. Вода через них подаетс  со скоростью , например, 15-20 м/с на головку и на подошву рельса.

Брем  и объем подаваемой воды через верхние и нижние спрейеры бустанавлива- ,.,v:y экспериментально с учетом получени  -походимых механических свойств в головке рельса и отсутстви  деформации рельсов

После закалки движение частей закалочной машины происходит в обратном пор дке . Подвод тс  ролики реборд 1, отвод тс  полосы 2, с помощью приводного рольганга рельс выдвигаетс  из закалочной машины в противоположную сторону от нагревательной печи. Причем в предлагаемом устройстве цикл загрузки, закалки и выдачи рельсов можно автоматизировать.

Таким образом интенсивное охлаждение головки и подошвы, а также распор жесткими полосами рельса по всей длине обеспечивает его пр молинейность и исключает необходимость правки его на роли- коправильных машинах, которые создают неблагопри тную эпюру напр жений.

Остаточное тепло в рельсе (шейке) выполн ет дво кую роль.

1.Тепло, распростран  сь в охлажденную головку и подошву, производит самоотпуск .

2.Наиболее важна  роль остаточного тепла (основна  иде  технологии) состоит в том. что при интенсивном охлаждении головки и подошвы рельс удлин етс  (1,4 мм на погонный метр или 35 мм при рельсе 25 м), при этом разогрета  шейка рельса пластически деформируетс  вследствие пониженной прочности металла. В дальнейшем при охлаждении шейки и сжатии металла шейки в головке и подошве рельса возникают сжимающие напр жени .

В табл.4 приведены результаты, характеризующие наличие остаточных напр жений в рельсах, подвергнутых различной термической обработке.

ГОСТ 18267-82 предусмотрено определение уровн  и знака остаточных напр жений методом расхождени  паза в рельсах после разрезки вдоль шейки проб рельсов размером 600 мм на длину 400 мм.

0 Проверка предложени  осуществл лась на образцах рельсов, термически упрочненных на специально сконструированной и из- готовленной закалочной установке в соответствии со схемой, приведенной на

5 фиг.1. Закалке подвергались куски рельсов длиной 600 мм марки Р65, металл производства Кузнецкого металлургического комбината (КМК). Как видно, закалка рельсов по предложенному способу дала значительное

0 сужение паза, что свидетельствует о сжимающих напр жени х в головке и подошве рельса.

Приведем также сравнение износостойкости металла стандартных рельсов произ5 водства КМК и закаленных быстродвижущимс  потоком воды по предложенному способу. Испытани  на износ проводили на машине, моделирующей качение колеса по кривой. Рельсовый ролик диа0 метром 40 мм и толщиной 6 мм свободно без продольного проскальзывани  катилс  по колесному ролику. Оси вращени  роликов были повернуты на угол 3 град. Ролики прижимались друг к другу усилием 700Н. Скорость

5 вращени  колесного ролика 450 об/мин . В процессе изнашивани  на колесном ролике образовывалась канавка. Износ оценивали по изменению диаметра в центре канавки колесного ролика в средней части (по толщи0 не) рельсового ролика. Среднюю скорость из- нашивани  за 50000-100000 оборотов рассчитывали как отношение изменени  диаметра роликов к числу оборотов.

Было испытано 3 опытных рельса с раз5 личной длительностью охлаждени  закалки.

Все рельсы подвергались отпуску при 450°С

в течение 2 ч. Ролики вырезались из головки

рельса параллельно поверхности катани .

Колесные ролики вырезались из серий0 ного колеса также параллельно поверхности катани  с различной глубиной по ободу. В табл.5 приведены результаты испытаний на износ роликов, вырезанных из рельсовых сталей с глубины 10 мм от

5 поверхности катани  при качении с поперечным проскальзыванием в паре с колесными стал ми.

В табл. 6 приведены результаты испытаний рельсовых роликов, вырезанных непосредственно с поверхности катани .

Рельсовые ролики, ролики вырезанные с глубины 20 мм, испытывались в паре с колесными, вырезанными с глубины 30 мм (твердость 270-290НВ). Рельсовые ролики, вырезанные непосредственно с поверхности , испытывались в паре с колесными, вырезанными на глубине 10 мм от поверхности катани  (твердость 310-325 НВ).

Из таблиц можно видеть, что износостойкость опытных рельсов выше, чем стандартных как у поверхности, так и на глубине. На поверхности опытных рельсов имеетс  слой сорбита отпуска с зернистым перлитом . Износостойкость зернистых структур, как известно,ниже чем пластинчатых структур , имеющих ту же твердость. Поэтому поверхностный слой опытных рельсов обрабатывалс  на большую твердость, чем у стандартных (390-400 НВ вместо 380 НВ) и, соответственно, имел более высокую дисперсность сорбита. При этом износостойкость не только не снизилась, но и была выше на 12% даже в паре с более твердыми колесными роликами.

Результаты испытаний, приведенные в табл. 2-6, а также вышеуказанные по снени  и расчеты доказывают, что предложенный способ термической обработки рельсов имеет р д преимуществ по сравнению с известными аналогами, используемыми как в СССР, так и за рубежом, а именно предложенный способ можно примен ть при массовом производстве в автоматическом режиме, он исключает коробление, повышает механические и эксплуатационные свойства рельса.

(56) 1. Авторское свидетельство СССР № 269186, кл. G 21 D 9/04, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР №434113, кл. G 21 D9/04, 1972.

3.Патент Японии № 41-53420, кл. 10А731, 1966.

4. Патент Японии № 41-11253,кл. 10 А 731,1969.

5.Патент ФРГ te 26553 2 кл.С01 D 1/78, 1977

6.Автооское свидетельство СССР №461141, кл G 01 D 9/04, 1974

57. Патент Австрии № 259611

кл. 1844/12, 1968.

8. Пол ков В.В. и Великанов А В Ос технологии производства железнсдорОА-ы рельсов. М.: Металлурги , 199С с 416

0 9. Лемпицкий В В , Казарновский J С Губерт С.В. и др. Производство и термин ека  обработка рельсов М Металлург- 1972, с. 272.

10 Авторское свидетельство СССР

5 № 121463 и 127623. кл G 01 О

11.Авторское свидетельство СССР № 127625

12.Патент Бельгии № 0049004 кл. G01 D9/04

013,14 Изготовление рельсов .

ски упрочненной головкой с прокат - . грева. Институт Черметинформац.- J 4091 и 4013 Пер материалы фирмы , ( Alpine. 1988. с 16

515. Фусуда К и Вада Н Спосгб ст|

го охлаждени  рельсов с погружением тохаган, 1987 № 13, т 73, с 156

16.Макино Е., Судзуки Т С , -i Термообработка рельсов с приме ie-чн

0 довоздушного тумана Taqv тс - агзн-1 №5 т. 73, с. 174

17.Фукуда К., Кагэ ма X и Термообработка рельсов с применс не . л ной ванны. Тэцу то хаганэ, 1987, IV L ;

5 с. 175.

18.Steel Times, 1988, №5 v 216 г

19.Kail Enginering International LCS

20.Давыдова Н М.. Брик С Д. л. ние качества сортового проката упро- 0 щей термообработкой Обзор ичФормт,, Сер. металловедение термическа  оои С 1 ка, 1984 Вып 2, с 1-19.

21.Development of Hest-T pstirv high Strength Rail Production System i

5 Japan, 1987, N° 10 v 20 p. 35 -0

Таблица Хэрактеристикзмеханических свойств рельсов термически упрочненных по существующим в различных странах технологи м

Таблица 2 Резульгаты испытани  на раст жение рельсов, закаленных по предложенному способу и стандартному режиму термообработки

)БПВ - быстродвижущийс  поток воды

Т a 6 л i- . ,

Результаты испытани  на ударную а экость {эн МДж/м ) по сечению рельса температура испытаний 20°С. дл  рельсов получен

ложенному способу и стандартному режиму термообработки

Требование ГОСТ 18267-82 аа при 20°С не менее 0.25 МДж/м2

где БПВ - быстродвижущийс  поток воТаблица Д

Таблица 5

Claims (4)

1. Способ термической обработки рельсов , включающий объемный нагрев, охлаждение жидкой средой и отпуск, отличающийс  тем, что в качестве жидкой 20 среды используют воду, движущуюс  со скоростью 15 - 20 м/с из спрейерных устройств , охлаждению подвергают только поверхность катани , боковые грани головки и нижнюю поверхность подошвы рель-25 са, при этой шейку, нижнюю поверхность головки и верхнюю поверхность подошвы защищают от попадани  воды с помощью жестких полос, после чего осуществл ют

30

самоотпуск.

2. Установка дл  термической обработки рельсов, содержаща  камеру, транспортер с роликами, спрейеры, отличающа с  тем, что она снабжена устройством фиксации и предотвращени  короблени  и попадани  хладагента на шейку и верхнюю поверхность подошвы рельса, выполненным в виде двух жестких полос длиной,

Таблица 6

равной длине рельса, с поперечным профилем , обеспечивающим плотное прилегание с двух сторон пространства в распор между нижней поверхностью головки и верхней поверхностью подошвы рельса и основани  с жестко прикрепленных к нему с двух сторон рельса управл емых силовых цилиндров, пружин, соединенных одними концами с полосами, и упоров дл  предотвращени  опрокидывани  рельса, расположенных на уровне боковых поверхностей рельса, при этом цилиндры соединены с полосами, а ролики выполнены с ребордами и установлены с двух сторон рельса по всей его длине с возможностью перемещени  относительно друг друга.

3.Установка по п.2, отличающа с  тем, что цилиндры размещены вдоль рельса на рассто нии 1 м друг от друга.

4.Установка по п,2, отличающа с  тем, что спрейеры размещены над головкой и под подошвой рельса.

ft. 2

--; - - . -- ;S. „ .,

-..:

. ,: -., с г-о-ъ

/; - л /4

&Јь && & /г

. i ,.-  

ч-Л

i С ЈҐ-., Ј,; ,

l r l/ifev ife

f..

О 4 8 1Z 1Б 20 М 283235мм Фиг. 4