RU2705820C1 - Method of thermal treatment of weld joints of rails and device for implementation of method - Google Patents
Method of thermal treatment of weld joints of rails and device for implementation of method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2705820C1 RU2705820C1 RU2018138182A RU2018138182A RU2705820C1 RU 2705820 C1 RU2705820 C1 RU 2705820C1 RU 2018138182 A RU2018138182 A RU 2018138182A RU 2018138182 A RU2018138182 A RU 2018138182A RU 2705820 C1 RU2705820 C1 RU 2705820C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rail
- heating
- inductor
- rails
- temperature
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу и устройству термической обработки сварных соединений рельсов, например длинномерных рельсов и бесстыковых плетей, и может быть использовано на железнодорожном, городском и промышленном транспорте для восстановления структуры и свойств в области сварных соединений рельсов.The invention relates to a method and apparatus for heat treatment of welded joints of rails, for example long rails and jointless lashes, and can be used in railway, urban and industrial vehicles to restore the structure and properties in the field of welded joints of rails.
В результате сварки рельсов в области сварных соединений структура и физико-химические свойства металла отличаются от структуры и свойств металла на основной протяженности рельсов, поэтому сварные соединения рельсов наиболее подвержены повреждениям.As a result of welding of rails in the field of welded joints, the structure and physicochemical properties of the metal differ from the structure and properties of metal in the main length of the rails, therefore, welded joints of rails are most susceptible to damage.
Известен способ нагрева сварной зоны рельсов по патенту РФ 2545855 (опубл. 10.04.2015), в котором проблему рельсовых стыков решают путем уменьшения остаточного напряжения в шейке рельса в сварной зоне. Способ включает выдержку во времени, которую проводят после стыковой сварки рельсов, затем нагрев до температуры от 400°С до 750°С в областях, которые находятся на расстоянии С от центра сварного шва, причем:A known method of heating the welded zone of the rails according to the patent of the Russian Federation 2545855 (publ. 04/10/2015), in which the problem of rail joints is solved by reducing the residual stress in the neck of the rail in the welded zone. The method includes a time delay, which is carried out after butt welding of the rails, then heating to a temperature from 400 ° C to 750 ° C in areas that are at a distance C from the center of the weld, and:
0,2L ≤ С ≤ 3L, где L - длина зоны термического влияния (ЗТВ) сварки. После нагрева производят естественное охлаждение рельса.0.2L ≤ C ≤ 3L, where L is the length of the heat affected zone (HAZ) of the weld. After heating, the rail is naturally cooled.
Недостатком способа является то, что в нем не предусмотрена перекристаллизация сварного шва, структура которого состоит из крупнозернистого сорбитообразного перлита и ферритной сетки вокруг зерен. Производимая в способе выдержка во времени не приводит к изменению неудовлетворительной крупнозернистой микроструктуры с высокой хрупкостью, образовавшейся в результате сварки в зонах сварного шва и термического влияния сварки.The disadvantage of this method is that it does not provide for recrystallization of the weld, the structure of which consists of coarse-grained sorbitol-like perlite and a ferrite network around the grains. The time delay produced by the method does not lead to a change in the unsatisfactory coarse-grained microstructure with high brittleness resulting from welding in the zones of the weld and the thermal effect of welding.
Другим недостатком является то, что после нагрева до температуры от 400°С до 750°С области нагрева имеют пониженную твердость материала рельса. Естественное охлаждение, производимое после нагрева, не восстанавливает твердость металла до необходимой величины. В итоге недостаточная твердость в области сварного стыка приводит к образованию вогнутостей (седловин) на поверхности катания рельса, повышению уровня динамического воздействия подвижного состава и повышению риска развития трещин в зоне сварных стыков.Another disadvantage is that after heating to a temperature of from 400 ° C. to 750 ° C., the heating regions have a reduced hardness of the rail material. Natural cooling produced after heating does not restore the hardness of the metal to the required value. As a result, insufficient hardness in the area of the weld joint leads to the formation of concavities (saddles) on the rolling surface of the rail, an increase in the level of dynamic action of rolling stock and an increase in the risk of cracks in the area of welded joints.
Известен термообрабатывающий комплекс по патенту РФ 2521071 (опубл. 27.06.2014), применяемый для термообработки сварных рельсовых стыков. Термообрабатывающий комплекс содержит индуктор, устройство охлаждения и транспортирующее средство для перемещения рельса. Индуктор выполнен с возможностью нагрева рельса с его боковых сторон, устройство охлаждения выполнено с возможностью охлаждения головки рельса (см. расположение индукторов поз. 14 и сопла поз. 15 на фиг. 3 известного патента). Транспортирующее средство выполнено в виде транспортера-толкателя для перемещения рельса в одну сторону.Known heat treatment complex according to the patent of the Russian Federation 2521071 (publ. 06/27/2014), used for heat treatment of welded rail joints. The heat treatment complex includes an inductor, a cooling device and a conveyor for moving the rail. The inductor is made with the possibility of heating the rail from its sides, the cooling device is made with the possibility of cooling the rail head (see the location of the inductors pos. 14 and nozzle pos. 15 in Fig. 3 of the known patent). The transporting means is made in the form of a conveyor-pusher for moving the rail in one direction.
Недостатком известного комплекса является то, что при термообработке нагревают рельс только с его боковых сторон, и охлаждают только головку рельса, что приводит к деформации рельса, в частности, его изгибу, вплоть до того, что рельс не пройдет через закалочную установку. Кроме того, при таком охлаждении в головке рельса образуются большие растягивающие остаточные напряжения, что отрицательно сказывается на износостойкости рельса в процессе эксплуатации.A disadvantage of the known complex is that during heat treatment the rail is heated only from its lateral sides, and only the rail head is cooled, which leads to deformation of the rail, in particular, to its bending, until the rail does not pass through the quenching unit. In addition, with such cooling, large tensile residual stresses are formed in the rail head, which negatively affects the wear resistance of the rail during operation.
Транспортировка рельса при помощи толкателя одностороннего действия приводит к низкой точности позиционирования сварного стыка относительно индуктора и устройства охлаждения, что снижает качество изготовленного рельса.Transportation of the rail using a single-action pusher leads to low accuracy of positioning of the welded joint relative to the inductor and cooling device, which reduces the quality of the manufactured rail.
Известен способ термообработки сварных соединений рельсов по патенту РФ 2309185 (опубл. 27.10.2007), выбранный за ближайший аналог для объекта «способ». Способ включает сварку встык рельсов с образованием сварного соединения и зоны термического влияния сварки, индукционный нагрев всего сечения рельса в области сварного соединения до температуры закалки на длину, превышающую длину зоны термического влияния сварки, после завершения процесса нагрева выдержку во времени при температуре закалки, и затем принудительное охлаждение головки сжатым воздухом с одновременным охлаждением шейки и подошвы на воздухе. Устройство для осуществления способа содержит индуктор с активными проводниками в головке и подошве рельса, а также установку для охлаждения головки рельса сжатым воздухом.A known method of heat treatment of welded joints of rails according to the patent of the Russian Federation 2309185 (publ. 27.10.2007), selected for the closest analogue for the object "method". The method includes butt welding of rails with the formation of a welded joint and a heat affected zone of welding, induction heating of the entire rail section in the welded area to a hardening temperature by a length exceeding the length of the heat affected weld zone, after completion of the heating process, holding in time at the hardening temperature, and then forced cooling of the head with compressed air while cooling the neck and sole in air. A device for implementing the method comprises an inductor with active conductors in the head and sole of the rail, as well as an apparatus for cooling the rail head with compressed air.
Согласно известного способа рельс типа Р65 в области сварного соединения подвергался нагреву до температуры 870°С в течение 240 с. Длительность выдержки во времени после завершения процесса нагрева составляла от 10 с. до 20 с. According to the known method, a rail of type P65 in the area of the welded joint was heated to a temperature of 870 ° C for 240 s. The duration of exposure in time after completion of the heating process ranged from 10 s. up to 20 s.
При нагреве всего сечения рельса в области сварного соединения до температуры закалки, граничные с нагреваемой областью зоны термического влияния нагрева вследствие теплообмена нагреваются до температуры ниже температуры начала фазовых превращений в металле. В результате последующего охлаждения области, нагретые под закалку, восстанавливают исходную твердость, т.е. твердость рельса до его термообработки. Однако зоны термического влияния нагрева, расположенные по обе стороны от участка нагрева, имеют пониженную твердость, в том числе твердость поверхности катания головки рельса.When heating the entire rail section in the welded joint region to the quenching temperature, the heat-affected zones adjacent to the heated region due to heat exchange heat up to a temperature below the temperature at which phase transitions begin in the metal. As a result of subsequent cooling, the areas heated under quenching restore the initial hardness, i.e. rail hardness before heat treatment. However, the heat affected zones located on both sides of the heating section have reduced hardness, including the hardness of the rolling surface of the rail head.
Основным недостатком известного способа является то, что нагрев до температуры нагрева под закалку в течение 240 с может привести к образованию граничных с нагреваемой областью зон термического влияния нагрева большой длины вследствие длительного нахождения упомянутых граничных зон в интервале температур от температуры отпуска при нагреве рельсов в процессе их производства до температуры нагрева под закалку, ввиду нерегулируемости времени нахождения в указанном интервале температур. После закалки эти граничные зоны, имеющие большую длину, не достигают твердости исходного рельса. Это в итоге приводит к выходу из строя рельсовых плетей вследствие износа и дефектов в зонах термического влияния нагрева по обе стороны от каждого сварного стыка.The main disadvantage of this method is that heating to a quenching heating temperature for 240 s can lead to the formation of zones of thermal influence of heating of long lengths that are boundary with the heated region due to the long-term presence of the mentioned boundary zones in the temperature range from the tempering temperature when the rails are heated during heating production to a heating temperature for hardening, due to unregulated time spent in the specified temperature range. After quenching, these boundary zones having a large length do not reach the hardness of the initial rail. This ultimately leads to failure of the rail lashes due to wear and tear in the heat affected zones on both sides of each welded joint.
Внедрение термообработки сварных соединений сыграло важную роль в упрочнении структуры металла и повышении долговечности сварных соединений. Но в современных условиях, в связи с ростом нагрузки на ось, увеличением скорости движения подвижного состава и увеличением динамических ударов при прохождении стыков рельсов, указанных мер недостаточно. Это обусловлено тем, что размер зоны термического влияния нагрева под закалку значительно превышает размер контактной площадки, представляющей собой площадь соприкосновения колеса с рельсом. Таким образом, в современных условиях остро встала задача снижения степени износа рельсов при контактном взаимодействии пары «колесо-рельс».The introduction of heat treatment of welded joints played an important role in hardening the metal structure and increasing the durability of welded joints. But in modern conditions, due to an increase in axle load, an increase in the speed of rolling stock and an increase in dynamic impacts when passing rail joints, these measures are not enough. This is due to the fact that the size of the zone of the thermal influence of quenching significantly exceeds the size of the contact area, which is the contact area of the wheel with the rail. Thus, in modern conditions, the task of reducing the degree of wear of rails during contact interaction of a pair of "wheel-rail" has become acute.
Следующим недостатком способа является то, что при непрерывном нагреве всего сечения рельса до температуры нагрева под закалку температура нагрева поверхности и центра сечения рельса значительно отличаются между собой. Чтобы прогреть центр рельса до температуры под закалку, нужно больше времени. Выдержка во времени, производимая только после окончания нагрева, в полной мере не устраняет большой градиент температур по глубине и сечению рельса. В результате это приводит к неоднородности микроструктуры и свойств рельса.A further disadvantage of the method is that during continuous heating of the entire rail section to a temperature for quenching, the heating temperatures of the surface and the center of the rail section are significantly different. To warm the center of the rail to a temperature for hardening, you need more time. The time delay, produced only after the end of heating, does not completely eliminate the large temperature gradient along the depth and cross section of the rail. As a result, this leads to heterogeneity of the microstructure and rail properties.
Другим недостатком описанного способа является то, что проводимые в качестве закалки принудительное охлаждение сжатым воздухом головки рельса с одновременным охлаждением шейки и подошвы на воздухе не обеспечивают повышение твердости и пластичности металла головки до необходимого уровня, в связи с низкой скоростью охлаждения.Another disadvantage of the described method is that the forced cooling of the rail head with compressed air while cooling the neck and sole in air does not provide an increase in the hardness and ductility of the metal of the head to the required level, due to the low cooling rate.
Известны способ и устройство термообработки сварного рельсового стыка по патенту РФ 2589533 (опубл. 10.07.2016). Способ включает сварку встык двух рельсов (170) и (180) с образованием сварного стыка (160) и зоны термического влияния сварки (162), нагрев зоны (200) измененной структуры сварного рельсового стыка до температуры, обеспечивающей фазовые превращения в металле преимущественно в аустенит, и принудительное охлаждение зоны (200) измененной структуры сварного рельсового стыка. Устройство для обработки сварного рельсового стыка, выбранное за ближайший аналог для объекта «устройство», содержит нагревательное и охлаждающее устройство (130), которое соединено с установочным и зажимным центрирующим узлом (110) и размещено над головкой рельса. Нагревательное и охлаждающее устройство (130) содержит нагревательный элемент (140) для нагрева зоны (200) измененной структуры сварного рельсового стыка и охлаждающий элемент (150) для указанной зоны. Зона (200) измененной структуры проходит внутрь рельсов (170), (180) на глубину d1, равную 2-30 мм, от поверхности катания головки рельса. Индуктор (140) и охлаждающий элемент (150) размещены в одном корпусе и в непосредственной близости друг от друга. При проведении термообработки корпус устройства (130) позиционируют над сварным стыком (160), зажимают с обеих сторон при помощи захватывающих элементов (112, 118) и центрируют посредством регулировочных устройств (116, 122) в виде винтов, рычагов, шестерней или штифтов. По завершении обработки сварного рельсового стыка перемещают устройство (130) и захватывающие элементы (112,118) от рельсов (170,180).A known method and device for heat treatment of a welded rail joint according to the patent of the Russian Federation 2589533 (publ. 10.07.2016). The method includes butt welding of two rails (170) and (180) to form a welded joint (160) and a heat affected zone of welding (162), heating zone (200) of the altered structure of the welded rail joint to a temperature that provides phase transformations in the metal mainly to austenite , and forced cooling of zone (200) of the altered structure of the welded rail joint. A device for processing a welded rail joint selected for the closest analogue to the object “device” contains a heating and cooling device (130), which is connected to the installation and clamping centering unit (110) and placed above the rail head. The heating and cooling device (130) comprises a heating element (140) for heating the zone (200) of the changed structure of the welded rail joint and a cooling element (150) for the specified zone. The area (200) of the changed structure extends into the rails (170), (180) to a depth of d 1 equal to 2-30 mm from the rolling surface of the rail head. The inductor (140) and the cooling element (150) are placed in one housing and in close proximity to each other. During the heat treatment, the device body (130) is positioned above the welded joint (160), clamped on both sides by means of gripping elements (112, 118) and centered by means of adjusting devices (116, 122) in the form of screws, levers, gears or pins. Upon completion of the processing of the welded rail joint, the device (130) and the gripping elements (112,118) are moved from the rails (170,180).
Основным недостатком известных способа и устройства является отсутствие нагрева всего сечения рельса. Производят локальный нагрев, при котором нагревают только наружные поверхности (173), (183) головок рельсов. Отсутствие нагрева шейки, подошвы и остальной части головки рельса приводит к отсутствию перекристаллизации 8 большей части сечения рельса, что ухудшает механические свойства в области сварного соединения и в итоге не обеспечивает достаточную прочность рельсового стыка.The main disadvantage of the known method and device is the lack of heating of the entire section of the rail. Local heating is produced, in which only the outer surfaces (173), (183) of the rail heads are heated. The lack of heating of the neck, sole and the rest of the rail head leads to the absence of recrystallization 8 of most of the rail section, which impairs the mechanical properties in the welded area and as a result does not provide sufficient strength of the rail joint.
Кроме того, нагрев и охлаждение только поверхности головки, без нагрева и охлаждения подошвы, приводит к увеличению коробления рельса и, как следствие, к необходимости увеличения усилий при правке рельса и к увеличению внутренних остаточных напряжений в изготовленном рельсе.In addition, heating and cooling only the surface of the head, without heating and cooling the sole, leads to an increase in warpage of the rail and, as a consequence, to the need to increase efforts when dressing the rail and to increase the internal residual stresses in the manufactured rail.
Недостатком устройства является и то, что охлаждающие каналы выполнены между индукционными катушками, в непосредственной близости друг от друга, что затрудняет процесс термообработки из-за влияния теплопроводности материала корпуса и приводит к нестабильности режимов нагрева и охлаждения.The disadvantage of this device is that the cooling channels are made between the induction coils, in close proximity to each other, which complicates the heat treatment process due to the influence of the thermal conductivity of the material of the case and leads to instability of the heating and cooling modes.
Следующим недостатком является то, что ручное центрирование устройства (130) при помощи винтов, рычагов, шестерней или штифтов не исключает ошибок при данной технологической операции. В итоге это приводит к нестабильности режимов нагрева и охлаждения и низкому качеству рельсового стыка.A further disadvantage is that manual centering of the device (130) with screws, levers, gears or pins does not exclude errors during this technological operation. As a result, this leads to instability of the heating and cooling modes and poor quality of the rail joint.
Предлагаемое изобретение позволяет решить задачу повышения прочности и износостойкости сварных соединений рельсов и увеличения ресурса эксплуатации сварных рельсов.The present invention allows to solve the problem of increasing the strength and wear resistance of welded joints of rails and increasing the service life of welded rails.
Техническим результатом группы изобретений является улучшение микроструктуры и свойств рельса в области сварного соединения и уменьшение размеров зон термического влияния нагрева под закалку, имеющих пониженную твердость.The technical result of the group of inventions is to improve the microstructure and properties of the rail in the area of the welded joint and to reduce the size of the zones of the thermal influence of quenching heating having a reduced hardness.
Техническая задача для объекта «способ» решена за счет того, что при осуществлении способа термической обработки сварных соединений рельсов, включающего сварку встык рельсов с образованием сварного соединения и зоны термического влияния сварки, индукционный нагрев всего сечения рельса в области сварного соединения до температуры закалки на длину, превышающую длину зоны термического влияния сварки, выдержку во времени при температуре закалки, и затем охлаждение, при индукционном нагреве всего сечения рельса производят дополнительную выдержку во времени при температуре, равной температуре отпуска при нагреве данных рельсов в процессе их производства, и затем нагрев в интервале температур от температуры отпуска при нагреве данных рельсов в процессе их производства до температуры закалки производят в течение от 50 с до 130 с. The technical problem for the object "method" is solved due to the fact that when implementing the method of heat treatment of welded joints of rails, including butt welding of rails with the formation of a welded joint and a heat affected zone of welding, induction heating of the entire section of the rail in the welded joint region to the quenching temperature per length exceeding the length of the zone of the heat effect of welding, exposure in time at the quenching temperature, and then cooling, when induction heating the entire rail section, produce additional holding in time at a temperature equal to the tempering temperature when heating these rails during their production, and then heating in the temperature range from the tempering temperature when heating these rails during their production to the hardening temperature is carried out for from 50 s to 130 s.
Техническая задача для объекта «устройство» решена на устройстве термической обработки сварных соединений рельсов, содержащем индуктор, устройство охлаждения и устройство позиционирования сварного стыка рельса относительно индуктора и устройства охлаждения. В отличие от ближайшего аналога, индуктор выполнен с возможностью нагрева всего сечения рельса в области сварного соединения, индуктор и устройство охлаждения расположены между собой на определенном расстоянии вдоль рельса и установлены по меньшей мере на одной платформе, оснащенной приводом, с возможностью линейного перемещения вдоль рельса, снабженного транспортирующим средством, устройство позиционирования выполнено с возможностью автоматического позиционирования сварного стыка рельса и индуктора относительно друг друга, а также автоматического позиционирования сварного стыка рельса и устройства охлаждения относительно друг друга.The technical problem for the object "device" is solved on the device for heat treatment of welded joints of rails containing an inductor, a cooling device and a positioning device for the welded joint of the rail relative to the inductor and cooling device. Unlike the closest analogue, the inductor is made with the possibility of heating the entire rail section in the welded area, the inductor and the cooling device are located at a certain distance along the rail and are installed on at least one platform equipped with a drive, with the possibility of linear movement along the rail, equipped with a conveying means, the positioning device is configured to automatically position the welded joint of the rail and inductor relative to each other, and e automatic positioning of the welded joint of the rail and cooling device relative to each other.
Сущность предложенного изобретения поясняется с помощью графических материалов.The essence of the proposed invention is illustrated using graphic materials.
На фиг. 1 представлена температурно-временная диаграмма способа термообработки рельса в области сварного соединения. На фиг. 2 изображено устройство термической обработки сварных соединений рельсов. На фиг. 3 показано поперечное сечение индуктора и рельса. На фиг. 4 показано поперечное сечение устройства охлаждения и рельса.In FIG. 1 is a temperature-time diagram of a heat treatment method for a rail in a weld area. In FIG. 2 shows a device for heat treatment of welded joints of rails. In FIG. 3 shows a cross section of an inductor and a rail. In FIG. 4 shows a cross section of a cooling device and a rail.
На температурно-временной диаграмме (фиг. 1) обозначены:On the temperature-time diagram (Fig. 1) are indicated:
- графики изменения температуры при термообработке сварного стыка в следующих элементах профиля рельса: А - в шейке, В - в центре головки, С - в центре подошвы;- graphs of temperature changes during heat treatment of the welded joint in the following elements of the rail profile: A - in the neck, B - in the center of the head, C - in the center of the sole;
- t1 - время нагрева до Тотп., где Тотп. - температура отпуска при нагреве данных рельсов в процессе их производства;- t1 - heating time to Totp., where Totp. - tempering temperature when heating these rails in the process of their production;
- t2 - время выдержки при Тотп.;- t2 - holding time at Totp .;
- t3 - время нагрева до Тзак., где Тзак. - температура нагрева под закалку;- t3 - heating time to Tzak., where Tzak. - heating temperature for hardening;
- t4 - время выдержки при Тзак.;- t4 - holding time at Tzak .;
-t4 - время охлаждения до завершения перлитных превращений.-t4 - cooling time until completion of pearlite transformations.
Устройство термической обработки сварных соединений рельсов (фиг. 2) содержит индуктор 1, устройство охлаждения 2, устройство позиционирования 3 сварного стыка 4 и индуктора/устройства охлаждения относительно друг друга, транспортирующее средство 6 для перемещения рельса 5 и систему управления 7. Индуктор 1 и устройство охлаждения 2 расположены между собой на определенном расстоянии S вдоль рельса 5. Индуктор 1 и устройство охлаждения 2 установлены по меньшей мере на одной платформе 8. Платформа 8 оснащена линейным приводом 9 для ее реверсивного перемещения вдоль рельса 5.The device for heat treatment of welded joints of rails (Fig. 2) contains an
Устройство позиционирования 3 выполнено с возможностью автоматического позиционирования сварного стыка 4 и индуктора 1 относительно друг друга, а также сварного стыка 4 и устройства охлаждения 2 относительно друг друга, посредством системы управления 7. Устройство позиционирования 3 включает в себя привод 10 транспортирующего средства 6 для линейного перемещения рельса 5, привод 9 платформы и систему управления 7. В качестве транспортирующего средства 6 для перемещения рельса 5 может быть использован любой известный механизм. Например такой, как приводная тележка, имеющая возможность перемещения относительно платформы 8 вместе с расположенным на ней рельсом, или оснащенные приводами ролики, которые перемещают рельс посредством своего вращения, не перемещаясь относительно платформы 8. При этом транспортирующее средство 6 имеет возможность реверсивного перемещения рельса 5 вдоль платформы 8.The
Система управления 7 включает в себя блок управления 11, датчики позиционирования 12 индуктора и датчики позиционирования 13 устройства охлаждения. Блок управления 11 соединен информационной линией связи с преобразователем частоты 14, подключенным через трансформатор 15 к индуктору 1, для регулирования процесса нагрева, а также блок управления 11 соединен информационной линией связи с приводом 9 платформы 8 и приводом 10 транспортирующего средства 6 рельса. Для автоматического позиционирования сварного стыка 4 относительно индуктора 1 и устройства охлаждения 2 в продольном направлении рельса, привод 9 платформы 8 оснащен энкодером или датчиком перемещения или датчиком наличия ферритной фазы или другим датчиком подобного назначения. Для автоматического позиционирования индуктора 1 и устройства охлаждения 2 относительно сварного стыка 4, в плоскости поперечного сечения рельса, привод 16 индуктора (фиг. 3) и привод 17 устройства охлаждения (фиг. 4) оснащены датчиком контроля геометрии рельса или фотоэлектрическим датчиком или датчиком подобного назначения. Автоматическая установка в заданной рабочей позиции рельса и индуктора/устройства охлаждения относительно друг друга позволяет увеличить точность позиционирования при сокращении времени позиционирования.The
Индуктор 1 (см. фиг. 3) выполнен с возможностью нагрева всего сечения рельса 5 в области сварного соединения, при этом индуктор 1 выполнен с возможностью дифференцированного нагрева одновременно головки и подошвы рельса 5.The inductor 1 (see Fig. 3) is made with the possibility of heating the entire section of the
Устройство охлаждения 2 (см. фиг. 4) выполнено с возможностью охлаждения всего сечения рельса 5 в области сварного соединения, при этом устройство охлаждения 2 выполнено с возможностью дифференцированного охлаждения одновременно головки и подошвы рельса 5.The cooling device 2 (see Fig. 4) is made with the possibility of cooling the entire section of the
Изобретение реализуется следующим образом.The invention is implemented as follows.
При осуществлении способа используют предварительно закаленные рельсы, при нагреве которых в процессе их производства производили отпуск. Известно, что нагрев закаленной стали при отпуске производят до температуры ниже критической точки Aci. При этом температуру отпуска при нагреве данных рельсов в процессе их производства выбирают, исходя из требуемой прочности рельсов, с целью получения после отпуска структуры металла, сочетающей достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость. Температура отпуска при нагреве данных рельсов в процессе их производства определяется экспериментально для конкретных типов рельсов и является технологическим параметром процесса производства данного рельса. Например, температура отпуска рельсов типа Р65 из стали 76Ф составляет (450 - 500)°С, рельсов типа Р65 из стали 76ХФ составляет (550 - 600)°С.In the implementation of the method, pre-hardened rails are used, during heating of which, production was carried out during their production. It is known that tempering steel during tempering is produced to a temperature below the critical point Aci. In this case, the tempering temperature during heating of these rails during their production is selected based on the required strength of the rails in order to obtain a metal structure after tempering combining a sufficiently high hardness and high impact strength. The tempering temperature during heating of these rails during their production is determined experimentally for specific types of rails and is a technological parameter of the production process of this rail. For example, the tempering temperature of rails of type P65 from steel 76F is (450 - 500) ° C, of rails of type P65 from steel 76KhF is (550 - 600) ° C.
Сварку встык предварительно закаленных рельсов производят любым известным методом: индукционно-прессовой сваркой, электроконтактной сваркой, газопрессовой сваркой, электродуговой сваркой и др. Зона термического влияния сварки имеет микроструктуру переплавленного металла и, как следствие, неудовлетворительные механические свойства.Butt welding of pre-hardened rails is carried out by any known method: induction-press welding, electric contact welding, gas pressure welding, electric arc welding, etc. The heat-affected zone of welding has a microstructure of the remelted metal and, as a result, unsatisfactory mechanical properties.
После формирования сварного стыка 4, для проведения нагрева, рельс 5 и индуктор 1 позиционируют (устанавливают в заданной рабочей позиции) относительно друг друга. Для этого сначала перемещают рельс 5 в индуктор 1 до расположения сварного стыка 4 в плоскости серединного поперечного сечения индуктора 1 (см. линию О на фиг. 2). Затем индуктор 1 посредством его привода 16 (фиг. 2 и 3) позиционируют относительно поверхностей рельса 5 (см. зазоры a1, а2, b1, b2 на фиг. 3). При позиционировании индуктора 1 вертикальную ось рельса совмещают с вертикальной осью индуктора (a1=а2 на фиг. 3), что позволяет равномерно нагреть рельс и в результате минимизировать искривление рельса. А также при позиционировании индуктора 1 зазоры b1 и b2 устанавливают в зависимости от режима нагрева для обеспечения минимального коробления рельса.After the formation of the welded joint 4, for heating, the
Далее производят первый этап нагрева всего сечения рельса в области сварного соединения на длину, превышающую длину зоны термического влияния сварки. Первый этап нагрева начинают не ранее чем через 200 секунд после образования сварного шва, чтобы сварной стык по всему сечению остыл до температуры ниже Тотп., что обеспечивает фазовые γ-α превращения в металле. Нагрев на первом этапе производят до температуры отпуска при нагреве данных рельсов в процессе их производства (Тотп.). Т.к. температура Тотп. ниже температуры начала фазовых α-γ превращений в металле, то металл рельса в нагреваемой области сохраняет исходную структуру и твердость, а также после закалки не образуются зоны пониженной твердости по обе стороны от нагреваемой области.Next, the first stage of heating the entire rail section in the welded joint region is performed by a length exceeding the length of the heat affected zone of the weld. The first stage of heating begins no earlier than 200 seconds after the formation of the weld, so that the weld along the entire cross section cools to a temperature below Totp., Which provides phase γ-α transformations in the metal. The heating at the first stage is carried out to the tempering temperature when these rails are heated during their production (Totp.). Because Totp temperature. below the temperature of the onset of phase α-γ transformations in the metal, the rail metal in the heated region retains its original structure and hardness, and after quenching, zones of reduced hardness are not formed on both sides of the heated region.
Далее производят выдержку во времени при температуре Тотп.в течение (5-40) с. Выдержка может осуществляться как при выключенном индукторе 1, так и при включенном индукторе 1 с регулированием количества теплоты, направляемой навстречу рельсу 5. Выдержка во времени при температуре Тотп. обеспечивает выравнивание температуры по сечению рельса во всем нагреваемом объеме и обеспечивает гомогенизацию аустенита.Next, produce an exposure in time at a temperature of Totp. For (5-40) s. The shutter speed can be carried out both when the
На втором этапе нагрева производят нагрев всего сечения рельса на длину, превышающую длину зоны термического влияния сварки, от температуры Тотп. до температуры нагрева под закалку (Тзак.), т.е. до температуры, обеспечивающей фазовые превращения в металле преимущественно в аустенит.Так, температура нагрева под закалку составляет (800-950)°С для рельсов типа Р65 из стали 76Ф и (850-1000)°С для рельсов типа Р65 из стали 76ХФ. Нагрев всего сечения рельса на длину, превышающую длину зоны термического влияния сварки, исключает наложение зон термического влияния нагрева, имеющих недостаточную твердость, на сварной шов. Нагрев в интервале температур от температуры отпуска при нагреве данных рельсов в процессе их производства до температуры закалки производят в течение определенного временного промежутка, составляющего от 50 с до 130 с. Данный временной промежуток позволяет выполнить два условия, первое из которых заключается в сокращении времени нахождения рельса в интервале температур от Тотп.до Тзак., в течение которого может происходить нежелательное снижение твердости в частях рельса, прилегающих к зоне нагрева, а второе условие состоит в достаточности времени для осуществления полной перекристаллизации всего сечения сварного стыка рельса. Таким образом, нагрев на втором этапе позволяет получить полную перекристаллизацию микроструктуры всего сечения сварного стыка 4 при уменьшенной длине зон термического влияния нагрева, образованных в результате теплообмена по обе стороны от участка нагрева.At the second stage of heating, the entire rail section is heated by a length exceeding the length of the zone of the thermal influence of welding from the temperature Totp. to the heating temperature for quenching (Tzak.), i.e. to a temperature that provides phase transformations in the metal mainly to austenite. Thus, the temperature for quenching is (800-950) ° С for rails of the type P65 made of steel 76F and (850-1000) ° С for the rails of the type R65 made of steel 76ХФ. Heating the entire rail section for a length exceeding the length of the heat affected zone of the weld eliminates the overlap of the heat affected heat zones with insufficient hardness on the weld. Heating in the temperature range from the tempering temperature when these rails are heated during their production to the hardening temperature is carried out for a certain time period of 50 s to 130 s. This time period allows two conditions to be fulfilled, the first of which is to reduce the time spent on the rail in the temperature range from Totp to Tzak, during which an undesirable decrease in hardness in the parts of the rail adjacent to the heating zone can occur, and the second condition is sufficient time for complete recrystallization of the entire section of the welded joint of the rail. Thus, the heating in the second stage allows you to get a complete recrystallization of the microstructure of the entire cross section of the weld joint 4 with a reduced length of the heat affected zones formed by heat exchange on both sides of the heating section.
Далее, для проведения охлаждения, рельс 5 и устройство охлаждения 2 позиционируют относительно друг друга. Сначала рельс 5 перемещают до расположения сварного стыка 4 в серединном поперечном сечении устройства охлаждения 2 (см. линию О'-О' на фиг. 2). При перемещении рельс не подвержен нагреву. В результате производится выдержка во времени в течение от 5 с до 40 с, обеспечивающая выравнивание температуры по сечению рельса и формирование однородной аустенитной структуры во всем нагреваемом объеме, т.е. гомогенизацию аустенита. При этом рельс 5 перемещают на определенное расстояние S, которое включено в логику программы системы управления 7, что способствует обеспечению высокой точности позиционирования рельса 5 относительно устройства охлаждения 2, в продольном направлении рельса. Затем устройство охлаждения 2 позиционируют относительно рельса 5 (см. фиг. 4) посредством его привода 17, т.е. устанавливают необходимые зазоры c1, с2, d1, d2 между поверхностями рельса 5 и устройством охлаждения 2, как показано на поперечном сечении рельса фиг. 4. Логика позиционирования рельса 5 и устройства охлаждения 2 относительно друг друга аналогична логике позиционирования рельса 5 и индуктора 1.Further, for cooling, the
Охлаждение производят путем принудительного дифференцированного охлаждения одновременно головки и подошвы рельса 5, с регулированием скорости охлаждения каждого элемента рельса, что позволяет повысить пластические и прочностные свойства термообработанной стали в зонах термического влияния сварки и термического влияния нагрева под закалку, а также снизить коробление рельса и обеспечить благоприятную эпюру распределения внутренних остаточных напряжений.Cooling is carried out by forced differential cooling at the same time of the rail head and sole 5, with the cooling rate of each rail element being regulated, which allows to increase the plastic and strength properties of heat-treated steel in the zones of the heat effect of welding and the heat effect of hardening, as well as reduce the warpage of the rail and ensure favorable diagram of the distribution of internal residual stresses.
В результате произведенной термообработки получают перекристаллизацию сварного стыка (шва) 4 по всему сечению рельса 5 и восстановление исходной твердости в зоне термического влияния сварки. При этом длина зон термического влияния нагрева составляет от 8 мм до 12 мм, что менее длины контактной площадки колеса с рельсом, и расположены указанные зоны на определенных расстояниях от сварного стыка (шва) 4.As a result of the heat treatment, recrystallization of the weld joint (seam) 4 over the entire cross section of the
Система управления 7 по программно заданному режиму управляет термической обработкой рельса как в процессе нагрева, так и в процессе охлаждения, с коррекцией режима по контролируемым параметрам, а также обеспечивает точное автоматическое позиционирование сварного стыка 4 рельса относительно индуктора 1 и устройства охлаждения 2.The
Нагрев рельса в зоне сварного соединения до температуры нагрева под закалку, и последующее охлаждение рельса в зоне сварного соединения проводят способами, известными из патентов патентообладателя ООО НПП «ТЭК»: №2487177, №2484148, №2456352 и №2607882. Данные способы позволяют существенно улучшить дисперсность структуры и физико-механические свойства рельсов. Так, в патенте №2484148 раскрыты дифференцированный нагрев элементов профиля рельса до интервала температур между Ac1 и Ас3 и дифференцированное охлаждение элементов профиля рельса. Дифференцированный нагрев элементов профиля рельса позволяет получить необходимую глубину прокаливания и достичь минимального градиента температуры по глубине и сечению рельса. Дифференцированное охлаждение элементов профиля рельса проводят путем регулирования параметров охлаждающей среды, в частности, изменения охлаждающей способности водовоздушной смеси, изменением давления и расхода воздуха и расхода воды. В результате получают однородную высокодисперсную пластинчатую перлитную структуру на глубину более 22 мм от поверхности катания головки рельса.The rail is heated in the welded joint zone to the tempering temperature and the rail is subsequently cooled in the welded joint zone using methods known from patents of the patentee NPP TEK LLC: No. 2487177, No. 2484148, No. 2456352 and No. 2607882. These methods can significantly improve the dispersion of the structure and the physico-mechanical properties of the rails. So, in patent No. 2484148, differentiated heating of rail profile elements to a temperature interval between Ac1 and Ac3 and differential cooling of rail profile elements are disclosed. Differentiated heating of the rail profile elements allows to obtain the required calcination depth and achieve a minimum temperature gradient along the depth and cross section of the rail. Differential cooling of rail profile elements is carried out by adjusting the parameters of the cooling medium, in particular, changing the cooling ability of the air-water mixture, changing the pressure and air flow and water flow. The result is a homogeneous highly dispersed lamellar pearlite structure to a depth of more than 22 mm from the rolling surface of the rail head.
Пример реализации изобретения.An example implementation of the invention.
Предварительно закаленные рельсы типа Р65 из стали 76ХФ с исходной твердостью 370-380 НВ по ГОСТ Р 51685-2013 были сварены электроконтактным методом оплавления. Температура отпуска при нагреве данных рельсов в процессе их производства составляет от 550°С до 600°С, температура нагрева под закалку составляет от 850°С до 1000°С.Pre-hardened rails of type P65 made of steel 76KhF with an initial hardness of 370-380 HB according to GOST R 51685-2013 were welded by the electric contact method of fusion. The tempering temperature during heating of these rails during their production is from 550 ° C to 600 ° C, the temperature for hardening is from 850 ° C to 1000 ° C.
Первый этап нагрева всего сечения рельса в области сварного соединения произвели от температуры окружающей среды до температуры 550°С. Нагрев произвели на длину 90 мм, симметрично превышающую длину зоны термического влияния сварки, в течение 100 с. Затем произвели выдержку во времени при температуре 550°С в течение 15 с. The first stage of heating the entire rail section in the welded area was performed from ambient temperature to a temperature of 550 ° C. Heating was performed to a length of 90 mm, symmetrically exceeding the length of the heat affected zone of welding, for 100 s. Then, exposure was performed in time at a temperature of 550 ° C for 15 s.
Далее произвели второй этап нагрева всего сечения рельса в области сварного соединения от температуры 550°С до температуры 950°С. Нагрев произвели на длину 90 мм, симметрично превышающую длину зоны термического влияния сварки, в течение 120 с. Затем произвели выдержку во времени при температуре 950°С в течение 15 с. Next, the second stage of heating the entire rail section in the welded area from a temperature of 550 ° C to a temperature of 950 ° C was performed. The heating was carried out to a length of 90 mm, symmetrically exceeding the length of the zone of the thermal influence of welding, for 120 s. Then, exposure was performed in time at a temperature of 950 ° C for 15 s.
Охлаждение произвели путем принудительного дифференцированного охлаждения одновременно головки и подошвы рельса, с регулированием скорости охлаждения каждого элемента рельса.Cooling was carried out by forced differential cooling at the same time of the rail head and sole, with regulation of the cooling rate of each rail element.
В результате термообработки получили улучшенную структуру металла и восстановленную до исходной твердость и пластичность металла в зонах термического влияния первоначального нагрева. Глубина закаленного слоя составила не менее 10 мм и величина твердости более 360 НВ, что соответствует требованиям современных нормативов. Длина зоны термического влияния повторного нагрева составила от 6 мм до 12 мм, что менее длины контактной площадки колеса с рельсом и в результате значительно уменьшает динамическую нагрузку (удары) при прохождении стыков рельсов.As a result of heat treatment, an improved metal structure was obtained and the hardness and ductility of the metal restored to its original state in the heat affected zones of the initial heating. The depth of the hardened layer was not less than 10 mm and the hardness was more than 360 HB, which meets the requirements of modern standards. The length of the thermal influence zone of reheating was from 6 mm to 12 mm, which is less than the length of the contact area of the wheel with the rail and as a result significantly reduces the dynamic load (impacts) during the passage of the rail joints.
Дополнительная выдержка во времени при Тотп. позволяет устранить большой градиент температур по сечению рельса при сохранении твердости и механических свойств рельсов. По окончании дополнительной выдержки рельс равномерно нагрет до Тотп. по поверхности и центру (см. фиг. 1), что обеспечивает сокращение времени нагрева главным образом центра рельса до температуры закалки. Таким образом, дополнительная выдержка во времени обеспечивает выравнивание температуры по сечению рельса во всем нагреваемом объеме, что позволяет уменьшить продолжительность нагрева в интервале температур от температуры отпуска при нагреве данных рельсов в процессе их производства (Тотп.) до температуры нагрева под закалку (см. интервал t3 на фиг. 1).Additional time exposure at Totp. allows to eliminate a large temperature gradient over the rail section while maintaining the hardness and mechanical properties of the rails. At the end of the additional exposure, the rail is evenly heated to Totp. along the surface and the center (see Fig. 1), which reduces the heating time of the main rail center to the hardening temperature. Thus, an additional time delay ensures temperature equalization over the rail cross section in the entire heated volume, which makes it possible to reduce the heating time in the temperature range from tempering temperature when heating these rails during their production (Totp.) To the tempering heating temperature (see the interval t3 in Fig. 1).
Уменьшение времени нахождения рельса при температурах выше Тотп., в течение которого может происходить снижение твердости, позволяет получить уменьшение размеров зон с пониженной твердостью, при ускоренной перекристаллизации всего сечения сварного шва.Reducing the residence time of the rail at temperatures above Tot., During which a decrease in hardness can occur, allows us to obtain a decrease in the size of zones with reduced hardness, with accelerated recrystallization of the entire section of the weld.
Таким образом, предложенный способ, осуществляемый на предложенном устройстве, позволяет уменьшить износ рельсов в области сварного соединения до степени износа основного тела рельсов.Thus, the proposed method, implemented on the proposed device, allows to reduce the wear of the rails in the welded area to the degree of wear of the main body of the rails.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018138182A RU2705820C1 (en) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | Method of thermal treatment of weld joints of rails and device for implementation of method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018138182A RU2705820C1 (en) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | Method of thermal treatment of weld joints of rails and device for implementation of method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2705820C1 true RU2705820C1 (en) | 2019-11-12 |
Family
ID=68579807
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018138182A RU2705820C1 (en) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | Method of thermal treatment of weld joints of rails and device for implementation of method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2705820C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2726209C1 (en) * | 2019-12-18 | 2020-07-09 | Открытое акционерное общество «Завод бурового оборудования» | Method for thermal treatment of welded joint zone of drilling pipes |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014077140A1 (en) * | 2012-11-16 | 2014-05-22 | 新日鐵住金株式会社 | Post-heating treatment device |
| RU2524526C1 (en) * | 2012-12-06 | 2014-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | Method of heat treatment of rail weld joints |
| RU179347U1 (en) * | 2017-07-06 | 2018-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Магнит" (ООО "Магнит") | Device for induction heating of welded joints of railway rails during heat treatment |
| RU2667574C1 (en) * | 2017-09-14 | 2018-09-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Томская Электронная Компания" | Method and device for thermal processing of welded rail connections |
-
2018
- 2018-10-29 RU RU2018138182A patent/RU2705820C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014077140A1 (en) * | 2012-11-16 | 2014-05-22 | 新日鐵住金株式会社 | Post-heating treatment device |
| RU2524526C1 (en) * | 2012-12-06 | 2014-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | Method of heat treatment of rail weld joints |
| RU179347U1 (en) * | 2017-07-06 | 2018-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Магнит" (ООО "Магнит") | Device for induction heating of welded joints of railway rails during heat treatment |
| RU2667574C1 (en) * | 2017-09-14 | 2018-09-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Томская Электронная Компания" | Method and device for thermal processing of welded rail connections |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2726209C1 (en) * | 2019-12-18 | 2020-07-09 | Открытое акционерное общество «Завод бурового оборудования» | Method for thermal treatment of welded joint zone of drilling pipes |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2589533C2 (en) | Method and device for processing welded rail joint | |
| JP4906651B2 (en) | Heat treatment method for steel rail and heat treatment apparatus used therefor | |
| US10697034B2 (en) | System and method for producing a hardened and tempered structural member | |
| KR900002195B1 (en) | Method for heat treating rails | |
| KR102139204B1 (en) | Method and system for thermal treatments of rails | |
| JP2008069456A6 (en) | Heat treatment method for steel rail and heat treatment apparatus used therefor | |
| RU2162486C2 (en) | Method for heat treatment of steel rail | |
| EP2700724B1 (en) | Method and apparatus for heat treating rails | |
| RU2681046C1 (en) | Method of manufacturing rail lashes and complex for implementing method | |
| RU2705820C1 (en) | Method of thermal treatment of weld joints of rails and device for implementation of method | |
| WO2018168969A1 (en) | Cooling device and production method for rail | |
| WO1997017197A1 (en) | Stainless steel surface claddings of continuous caster rolls | |
| RU2667574C1 (en) | Method and device for thermal processing of welded rail connections | |
| EP3186402B1 (en) | Method and device for production of heat treated welded rail for rail transport and rail produced therewith | |
| KR100644781B1 (en) | head heat treatment equipment and method of the processed asymmetrical rail and a forged rail | |
| JP2001300633A (en) | Low temperature coiling method of high strength hot rolled steel strip | |
| JPH0775886A (en) | Method for welding intermediate cast of rail systematized by finely divided pearlite | |
| KR200391033Y1 (en) | head heat treatment equipment of the processed asymmetrical rail and a forged rail | |
| JPH0657327A (en) | Manufacture of h-shape steel having high toughness and strength | |
| JPH03104824A (en) | Heat treatment of long-sized welded rail | |
| HU195545B (en) | Method and apparatus for inhibiting the buckling of rails in the through area between the end and profile of rail tongue |