СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ Российский патент 2006 года по МПК C21D9/04 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам термической обработки железнодорожных рельсов.

Известен способ закалки рельсов с прокатного нагрева путем дифференцированного охлаждения элементов профиля сжатым воздухом [1]. Существенными недостатками этого способа являются ограниченная возможность получения максимальных значений твердости (НВ388) на рельсах из стали с содержанием углерода 0,71-0,82%, недостаточная глубина закаленного слоя в головке рельса.

Известны также способы термической обработки рельсов, включающие нагрев под закалку и поверхностное охлаждение головки рельса струями воды и водовоздушной смесью [2, 3]. Недостатками данных способов являются неоднородность структуры по глубине закаленного слоя, образование недопустимых структур (верхний бейнит, мартенсит) в приповерхностном слое головки, недостаточная прямолинейность рельсов из-за неравномерного охлаждения всех элементов профиля рельса, необходимость в холодной правке.

Известен также способ термической обработки рельсов [3], прототип, при котором охлаждение головки производят непрерывно до 100-400°С при увеличении расхода охладителя от 1 до 50 объемов в секунду, после которого производят регулируемое охлаждение всех элементов профиля. Существенным недостатком данного способа является неоднородность микроструктуры с поверхности головки рельса, возможность образования в поверхностном слое головки недопустимых структур (верхний бейнит, мартенсит), невозможность получения максимальных значений твердости (НВ388) на расстоянии 22 мм от поверхности катания головки.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение комплекса механических свойств, получение максимальной твердости (НВ388) на глубине до 22 мм от поверхности катания головки, а также увеличение эксплуатационной стойкости рельсов за счет получения достаточной глубины закаленного слоя с однородной сорбитной структурой.

Для этого рельс с прокатного нагрева подстуживают до температуры 820-870°С, затем производят охлаждение в двух средах: первоначально сжатым воздухом с поверхности головки в течение 20-30 сек при расходе воздуха 3000-4000 м³/ч, температуре воздуха 10-25°С и давлении 0,55 МПа; затем производят охлаждение головки водовоздушной смесью при расходе воды 25-30 л/мин, температуре воды 10-30°С и давлении 0,3-0,4 МПа, одновременно с охлаждением головки рельса производится охлаждение подошвы водо-воздушной смесью, при температуре воды 10-30°С, расходе 6-7 л/мин и давлении 0,08-0,09 МПа.

Охлаждение головки рельса в двух средах позволяет в первоначальный момент времени за счет подачи сжатого воздуха в течение 20-30 сек охладить поверхность головки до температуры 600-550°С, обеспечив образование сорбита с пластинчатой формой карбидной фазы, благодаря этому полностью исключается возможность образования в приповерхностных слоях головки недопустимых структур верхнего бейнита и мартенсита. Причем увеличение времени охлаждения сжатым воздухом (более 30 сек) приводит к резкому снижению твердости на поверхности катания, а при уменьшении времени охлаждения (менее 20 сек) возрастает вероятность образования мартенсита и бейнита. Последующее применение водовоздушной смеси с постоянным расходом воды способствует увеличению глубины и твердости закаленного слоя головки до требуемых пределов. Охлаждение подошвы рельса водовоздушной смесью производится для обеспечения его прямолинейности. При этом содержание воды в смеси, подаваемой на подошву, должно быть в четыре раза меньше, чем на головку.

Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем исходя из требований к микроструктуре, прямолинейности, механическим свойствам и твердости углеродистой стали.

Способ был реализован в полупромышленных условиях на полнопрофильных пробах длиной 1500 мм, отобранных от рельса типа Р65, изготовленного из стали марки НЭ76Ф. Нагретые до температуры 820-870°С, пробы закаливали в охлаждающем устройстве, представляющем собой две секции, состоящие из восьми ресиверов, два из которых расположены над поверхностью катания, четыре - со стороны боковых поверхностей головки, два - под подошвой рельсовой пробы. Ресиверы имеют решетки, образованные рядами отверстий диаметром 1,5 мм и расположенные на фиксированном расстоянии (50 мм) от поверхности рельса. После термообработки исследовали микроструктуру закаленного металла, а также определяли механические свойства и твердость.

Технологические параметры термообработки рельсовых проб приведены в таблице 1. Результаты механических испытаний и исследований микроструктуры в таблице 2.

Предлагаемый способ термической обработки позволил повысить комплекс механических свойств, твердость стали, а также увеличить эксплуатационную стойкость рельсов за счет получения однородной сорбитной структуры и увеличения глубины закаленного слоя.

Источники информации

1. В.В.Поляков, А.В.Великанов. Основы технологии производства железнодорожных рельсов - М.: Металлургия, 1990. 416 с.

2. А.С. СССР № 518970, кл C 21 D 9/04.

3. А.С. СССР № 350843, кл C 21 D 9/04.

4. А.С. СССР № 522751, кл C 21 D 9/04.

Таблица 1.
Технологические параметры термообработки рельсовой пробы на охлаждающей установке, состоящей из двух секций (длина 1500 мм)№Температура рельса, °СРежим термической обработки головки рельсаРежим охлаждения подошвыI этапII этапДавление сжатого воздуха, МПаРасход сжатого воздуха, м³/чТемпература воздуха, °СВремя охлаждения, секДавление воды, МПаРасход воды, л/минТемпература воды, °СВремя охлаждения, минДавление воды, МПаРасход воды, л/мин18400,15100010600,1081450,03128200,25100020400,15121750,04238600,35200010300,20162640,05348500,45250014300,25191440,06458300,50300018200,30232030,07568200,50300010300,35253030,08678700,55400025200,40301020,09788700,55400012150,40301820,097

Таблица 2.
Результаты физико-механических испытаний и исследований микроструктуры№Микроструктура закаленного слоя головки рельсаГлубина закаленного слоя (сорбита закалки), ммМикроструктура шейки и подошвы рельсаТвердость по сечению рельса, НВσ_т,σ_в,δ₅,ϕ,KCU, Дж/см²ПКГ1022шейкаподошваН/мм²%+20°С-60°С1Сорбит закалки5-6Перлит341331321293293,2837101160154427122Сорбит закалки7-8Перлит341341331283293,2837401180133728143Сорбит закалки9-15Перлит375341331302293,3028401190123730164Сорбит закалки18-23Перлит375352341302302,3029001280123530225Сорбит закалки24-26Перлит388363341311311,3029101290113633246Сорбит закалки25-28Перлит388375363321311,3219601320123530257Сорбит закалки27-30Перлит388388375331311,3419901340123432248Сорбит закалки с участками мартенсита27-30Перлит388388375331311,3411040136010322516прототипСорбит закалки25 363-388352-363321-331        

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам термической обработки железнодорожных рельсов. Техническим результатом изобретения является повышение комплекса механических свойств, получение максимальной твердости (НВ388) на глубине до 22 мм от поверхности катания головки, а также увеличение эксплуатационной стойкости рельсов за счет получения достаточной глубины закаленного слоя с однородной сорбитной структурой. Для достижения технического результата рельс с прокатного нагрева подстуживают до температуры 820-870°С и охлаждают в двух средах: первоначально сжатым воздухом с поверхности головки в течение 20-30 сек при расходе воздуха 3000-4000 м³/ч, температуре воздуха 10-25°С и давлении 0,55 МПа; затем производят охлаждение головки водо-воздушной смесью при расходе воды 25-30 л/мин, температуре воды 10-30°С и давлении 0,3-0,4 МПа, одновременно с охлаждением головки рельса производится охлаждение подошвы водо-воздушной смесью при температуре воды 10-30°С, расходе 6-7 л/мин и давлении 0,08-0,09 МПа. 2 табл.

Способ термической обработки рельсов, включающий непрерывное охлаждение головки с последующим регулируемым охлаждением элементов профиля рельса, отличающийся тем, что рельс с прокатного нагрева подстуживают до температуры 820-870°С и охлаждают в двух средах: первоначально сжатым воздухом с поверхности головки в течение 20-30 с при расходе воздуха 3000-4000 м³/ч, при температуре воздуха 10-25°С и давлении 0,55 МПа, затем производят охлаждение головки водовоздушной смесью при расходе воды 25-30 л/мин, температуре воды 10-30°С и давлении 0,3-0,4 МПа, одновременно с охлаждением головки рельса производится охлаждение подошвы водовоздушной смесью при температуре воды 10-30°С, расходе 6-7 л/мин и давлении 0,08-0,09 МПа.