СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ Российский патент 1995 года по МПК C21D9/04 

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано при термической обработке железнодорожных рельсов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ термической обработки рельсов, включающий: противофлокенную обработку в колодцах замедленного охлаждения, предварительный объемный нагрев до температуры, в интервале Ас₁-Ас₃, последующий индукционный нагрев головки рельса до температуры аустенизации, закалку и отпуск (самоотпуск).

К недостаткам прототипа можно отнести высокую стоимость удельного расхода технологического топлива, так как объемный нагрев осуществляют до температуры 780-20^оС, а затем производят еще и индукционный нагрев головки рельса, который после температуры магнитного превращения стали не эффективен; высокую себестоимость термообработки, так как требуется оборудование как газопламенного, так и индукционного нагрева; структура в шейке и подошве смешанного типа, так как эти элементы не нагреваются до температуры аустенизации; необходимость стыковки рельсов в линию, в противном случае торцы рельсов при индукционном нагреве нагреваются (торцовой эффект), что приведет к дефектам рельсов на торцах при эксплуатации.

Целью изобретения является снижение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов, повышение качества рельсов.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе термической обработки рельсов, включающем предварительный объемный нагрев, поверхностный нагрев головки рельса, охлаждение и самоотпуск, предварительный объемный нагрев осуществляют до 560.590^оС, после чего производят скоростной струйный нагрев головки рельса до температуры закалки, затем головку и подошву рельса одновременно охлаждают до начала самоотпуска, поддерживая перепад температур между ними не более 100^оС.

В способе-прототипе нагрев производится до температуры в интервале Ас₁-Ас₃ (780-20^оС), т. е. почти до температуры аустенизации, которая на практике составляет 820-850^оС, т. е. расход технологического топлива на 1 этапе нагрева почти такой же, как и при способе объемного нагрева под закалку. Но после предварительного объемного нагрева производится еще и индукционный нагрев головки, который малоэффективен при температурах выше 768^оС (температура размагничивания стали), т.е. возрастает потребляемая мощность и, следовательно, и расход электроэнергии на нагрев.

Кроме того, при термообработке по способу-прототипу требуется газопламенное оборудование и оборудование для индукционного нагрева, что требует больших производственных площадей, повышенных требований по технике безопасности, повышает себестоимость термообработки и усложняет технологический процесс.

В заявляемом способе предварительный объемный нагрев производят до 560. 590^оС, т. е. примерно на 200^оС ниже, чем в способе-прототипе, что снижает требуемое количество тепла при нагреве на 200 кДж/кг (200000 кДж/т).

Скоростной струйный нагрев производится потоком высокоскоростных (до 200 м/с) высокотемпературных (до 1900^оС) струй газов, направленных непосредственно на нагреваемую поверхность. При этом происходит быстрый нагрев поверхности металла до требуемой температуры. Так время нагреве головки рельса от 560.590^оС до температуры 920.950^оС и 750.780^оС на поверхности катания и на глубине 20 мм от поверхности катания (требуемая глубина упрочненного слоя головки) соответственно составило при опробовании этого способа нагрева 120. 150 с, что соизмеримо со скоростью индукционного нагрева, но стоимость топливно-энергетических ресурсов при этом в 2.4 раза меньше.

При скоростном стройном нагреве происходит подогрев шейки и подошвы продуктами сгорания после удара потока струи о поверхность головки. Причем подошва подогревается в большей степени, чем шейка. При нагреве головки до 920.950^оС шейка и подошва нагреваются выше температуры Ас₃т.е. до температуры аустенизации, что позволяет производить их упрочнение при последующем охлаждении с целью получения оптимальной дифференцированной прочности. В способе-прототипе эти элементы нагреваются до температуры межкритического интервала и после охлаждения в этих элементах структуры смешанного типа.

После термообработки по заявляемому способу микроструктура в элементах сечения рельса следующая: головка сорбит закалки, шейка мелкопластинчатый перлит; подошва мелкопластинчатый перлит 1-2 степени дисперсности.

После термообработки по способу-прототипу в голове также структура сорбита закалки и в шейке и подошве смесь мелкопластинчатого и крупнопластинчатого перлита с иглами феррита и имеется большая разнозернистость структуры. Получение оптимальной по сечению рельса прочности (по заявленному способу) позволяет повысить качество рельсов за счет повышения конструктивной прочности.

При нагреве по заявляемому способу, как и по способу-прототипу, перепад температур по сечению рельса будет примерно одинаков. Но при охлаждении по заявляемому способу этот перепад будет не более 100^оС, тогда как по способу-прототипу, где не производят одновременное охлаждение подошвы и головки, в конце охлаждения составит 400.500^оС, что приведет к значительному искривлению рельса.

Чем меньше перепад температуры между головкой и подошвой рельсов в процессе охлаждения, тем меньше искривления рельса и меньше остаточные напряжения после термообработки. Рельсы, имеющие после термообработки искривленность в пределах технических требований, не подвергаются холодной правке, при которой возникают дополнительные напряжения, суммирующиеся с имеющимися, что приводит к увеличению абсолютной величины остаточных напряжений и неблагоприятной эпюре их распределения, что снижает эксплуатационную стойкость рельсов.

В заявляемом способе перепад температур между головкой и подошвой при охлаждении их до температуры самоотпуска не превышает 100^оС (после самоотпуска рельсы охлаждаются на воздухе), что обеспечит получение рельсов со стрелой прогиба в пределах технических требований, поэтому операции правки они подвергаться не будут.

Для обоснования граничных условий, входящих в формулу изобретения, и влияния их на свойства рельсов, обработанных по заявляемому способу, данные сведены в табл.1 и 2.

В табл. 1 приведены значения температур предварительного объемного нагрева шейки и подошвы после окончательного нагрева и стрела прогиба рельса длиной 25 м при нагреве. При температуре предварительного объемного нагрева менее 560^оС не происходит нагрев шейки и подошвы до температуры аустенизации, следовательно в этих элементах после термообработки образуются структуры смешанного типа (как по способу-прототипу), что снижает конструктивную прочность рельсов.

Кроме того, при температуре предварительного объемного нагрева ниже 560^оС возрастает стрела прогиба рельса при нагреве, что усложняет конструкцию оборудования, так как необходимо его расположение по радиусу. При температуре предварительного объемного нагрева выше 590^оС происходит интенсивный нагрев шейки и подошвы, что может привести к их перегреву, особенно перьев подошвы. Кроме того, возрастает расход топливно-энергетических ресурсов на нагрев под закалку, снижение удельного расхода которых является целью изобретения. Таким образом, оптимальным интервалом температур предварительного объемного нагрева является интервал 560-590^оС.

Из табл.2 следует, что при увеличении перепада температуры между головкой и подошвой возрастает искривляемость рельса после термообработки (стрела прогиба) и при перепаде температуры более 100^оС стрела прогиба превышает допустимую по техническим требованиям и рельсы необходимо подвергать холодной правке.

На фиг.1 дана схема линии термообработки рельсов по предлагаемому способу; на фиг.2 печь скоростного струйного нагрева, поперечный разрез; на фиг.3 температурный режим термообработки по предлагаемому способу и способу-прототипу.

Линия термообработки содержит рельс 1, транспортирующие ролики 2, печь 3 предварительного объемного нагрева, секционную печь 4 скоростного струйного нагрева, водовоздушные форсунки 5, а также скоростную струйно-факельную горелку 6, футеровку 7 печи скоростного струйного нагрева, головку 8 рельса, шейку 9 рельса, подошву 10 рельса.

Газовоздушная смесь через сопла направляется на поверхность головки с большой скоростью, при ее сгорании температура в струе составляет 1600. 1900^оС. От потока высокотемпературных и высокоскоростных струй происходит интенсивный нагрев головки до температуры аустенизации. После удара потока струи о поверхность головки его скорость и температура снижаются и этот поток продуктов сгорания обтекает поверхность шейки и подошвы, за счет чего происходит их нагрев, причем подошва нагревается в большей степени, чем шейка, так как поток к ней перпендикулярен.

На фиг.3 цифрами обозначено: 11,13 изменение температуры головки в процессе термообработки по предлагаемому способу и способу-прототипу соответственно; 12,14 изменение температуры подошвы в процессе термообработки по предлагаемому способу и способу-прототипу соответственно.

Т_з температура нагрева под закалку;
Т_о температура конца охлаждения или начала самоотпуска;
τ₁ время предварительного объемного нагрева (20.30 мин);
τ₂ время нагрева до температуры закалки (22.32 мин);
τ₃ время, соответствующее охлаждению перед самоотпуском (24.34 мин).

Из фиг. 3 следует, что температурные режимы по предлагаемому способу и способу-прототипу различны. В способе-прототипе не производят нагрев подошвы до температуры аустенизации, а при охлаждении возникает перепад температур до 400^оС между головкой и подошвой, что приводит к образованию напряжения в рельсе, в предлагаемом способе этот перепад не превышает 100^оС. По времени нагрев по способу-прототипу до температуры закалки имеет большую продолжительность по сравнению с предлагаемым способом, так как производят предварительный нагрев рельсов пакетами, а в предлагаемом способе поштучно.

П р и м е р. Рельсы из стали М76В после противофлокенной обработки в колодцах замедленного охлаждения без отделки загруживают поштучно в линию термообработки, состоящую из печи предварительного объемного нагрева до температуры 590^оС, в которой в качестве технологического топлива используется коксовый газ; секционной проходной печи скоростного струйного нагрева (фиг. 2), в которой в качестве технологического топлива используется природный газ давлением 0,05 МПа, для сжигания которого подавался сжатый воздух; зоны охлаждения с воздушными форсунками, установленными над головкой рельса и со стороны нижней поверхности.

Варианты термообработки рельсов по предлагаемому способу приведены в табл.3.

После нагрева головку и подошву рельса одновременно охлаждают воздушной смесью, причем относительный расход ее на подошву составляет 0,8 от расхода на головку, так как подошва имеет большую площадь поверхности и тонкое сечение и охлаждается быстрее головки. После предварительного охлаждения подошвы и головки до 300.400^оС происходит их самоотпуск за счет тепла внутренних слоев и шейки, дальнейшее охлаждение рельсов происходит на воздухе.

После термообработки рельсы имеют максимальную стрелу прогиба в положении "на боку" 50.100 мм, а в положении "стоя" на подошве 10-15 мм. При замере остаточных напряжений по изменению размера паза длиной 400 мм и шириной 5 мм в рельсовой пpобе длиной 600 мм наблюдается его сужение на 0,5.0,9 мм.

После испытаний рельсов, термообработанных по трем вариантам, были получены показатели их свойств, представлены в табл.4.

Из сравнения свойств термообработанного металла по предлагаемому способу и способу-прототипу следует, что прочностные свойства шейки и подошвы по предлагаемому способу выше, чем по способу-прототипу. В шейке и подошве металла, термообработанного по способу-прототипу, ниже балл зерна и наблюдается разнозернистость, что снижает сопротивляемость хрупким разрушениям.

Сущность изобретения: после предварительного объемного нагрева до 560 - 590°С головку рельса нагревают до температуры аустенитизации струйно-факельным потоком газа с одновременным подогревом шейки и подошвы продуктами сгорания. Головку и подошву одновременно охлаждают с обеспечением перепада температур в процессе охлаждения между ними не более 100°С. 3 ил., 4 табл.

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ, включающий предварительный объемный нагрев, поверхностный нагрев головки рельса до температур аустенитизации, охлаждение и самоотпуск, отличающийся тем, что, с целью снижения расхода топливно-энергетических ресурсов и повышения качества рельсов, предварительный объемный нагрев ведут до 560-590^oС, нагрев головки осуществляют с использованием струйно-факельного потока газов с одновременным подогревом шейки и подошвы рельса продуктами сгорания, а охлаждение головки и подошвы ведут одновременно с обеспечением перепада температур в процессе охлаждения между ними не более 100^oС.