СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ Российский патент 2007 года по МПК C21D9/04 

Описание патента на изобретение RU2294387C1

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

Известен способ объемной закалки рельсов в минеральном масле с последующим отпуском [1], имеющий существенные недостатки. Объемная закалка рельсов в масле или других закалочных средах не может обеспечить требуемое качество рельсов. Она приводит их к искривлению из-за неодинаковой скорости охлаждения различных частей профиля и наличию растягивающих напряжений, возникающих в головке у поверхности катания в результате правки и способствующих развитию поперечных усталостных трещин в рельсах при их эксплуатации. Масло имеет сравнительно низкую закаливающую способность, не обеспечивает требуемую твердость головки рельса. Закаленные в масле рельсы из углеродистой стали имеют сравнительно низкую твердость (341-388 НВ), что обусловлено малой скоростью охлаждения их при закалке и низкой прокаливаемостью стали.

Образующаяся структура сорбит закалки в них не может иметь твердость более 388НВ. Рельсы, имеющие такую структуру, не удовлетворяют повышенным требованиям эксплуатации.

Кроме того, применяемые для закалки изделий индустриальные минеральные масла дороги, дефицитны, пожароопасны. Они выделяют в атмосферу токсичные пары, загрязняя окружающую среду, ухудшают условия труда. Использование этих масел требует специальной системы вентиляции, пожаротушения, аварийного слива, применения чистого азота для защиты от возгорания.

Известен также способ термической обработки рельсов [2] - прототип, заключающийся в том, что закалку головки рельса проводят погружением в полимерную среду с температурой 20-58°С, причем время обработки составляет 40-60 сек, а скорость охлаждения головки 8-13°С/сек, при этом подошву рельса охлаждают сжатым воздухом. В качестве полимера используют водный раствор железосодержащей соли полиакриловой кислоты в соотношении 1:(14-18).

Существенным недостатком данного способа является неравномерное и неконтролируемое по длине охлаждение головки рельса. При погружении головки рельса в полимерную среду между горячей головкой рельса и полимерным раствором образуется паровая рубашка, величина которой не остается постоянной по длине 25-метрового рельса, что не обеспечивает получение однородной структуры головки. Неоднородная структура головки рельса приводит к анизотропии механических свойств и короблению рельсов водой. Такая термообработка исключает возможность получения прямолинейных рельсов. При правке их наводятся остаточные напряжения, снижающие усталостную прочность и способствующие развитию контактно-усталостных дефектов.

Задачей изобретения является повышение механических свойств, твердости головки рельса за счет образования в ней структуры троостосорбита, а также получение прямолинейных рельсов, не имеющих растягивающих напряжений.

Для этого предложен способ термической обработки рельсов, включающий закалку поверхности головки рельса с температуры аустеиизации в водополимерновоздушной среде при одновременном охлаждении подошвы рельса сжатым воздухом, в котором закалку головки рельса ведут распыленной водополимерновоздушной средой до 400-280°С, а затем охлаждают сжатым воздухом до 150°С, при этом охлаждение подошвы рельса ведут с температуры аустенизации до 150°С. При этом: а) в водополимерновоздушной среде используют водополимерный раствор, содержащий концентрат полимера ПК-М и воду при соотношении 1:14 -1:20; б) в водополимерновоздушной среде используют водополимерный раствор, содержащий концентрат полимера Бреокс Термо А и воду при соотношении 1:17-1:25.

Заявляемые параметры технологии и их пределы выбраны экспериментальным путем исходя из требований к микроструктуре, кривизне, механическим свойствам и твердости рельсов. Этот способ термической обработки рельсов можно осуществлять на выходе их из обычной или универсальной клетей прокатного стана при температуре конца прокатки 950-870°С или из нагревательной печи при температуре 800-850°С, а также с отдельного нагрева недокатов до 900-950°С при прокатке их на рельсы в универсальной клети (ВтМО). Время охлаждения головки рельса определяется соотношением концентрата полимера и воды в водополимерном растворе.

Термическую обработку рельсов можно осуществлять, например, в рельсозакалочной установке роликового типа, установленной непосредственно за чистовой клетью рядом с ней или за нагревательной печью.

Рельс, нагретый в печи до температуры аустенизации, в положении головкой вниз, подают в систему роликовых клетей, где охлаждают головку рельса водополимерновоздушной смесью, подаваемой устройством высокого давления, которое представляет собой 2-камерную коробку, сваренную из листовой стали. В верхнюю камеру подводится водополимерный раствор, а в нижнюю - воздух под давлением. Эта среда из верхней камеры эжектируется воздухом и смешивается с ним в водополимерновоздушную смесь с помощью форсунок, расположенных между роликами. С целью исключения излишнего расхода концентрата полимера необходимо использовать выпадающий на дно установки водополимерный раствор из водополимерновоздушной среды. Это позволит сохранить в водополимерном растворе соотношение концентрата и воды и, следовательно, его охлаждающую способность. Поэтому система подачи водополимерных растворов должна быть замкнутой (оборотного цикла). Учитывая, что в процессе закалки при соприкосновении водополимерновоздушной среды с горячим металлом происходит испарение воды, необходимо периодически контролировать охлаждающую способность самих водополимерных растворов по кривым охлаждения термодатчика и сравнивать с кривыми охлаждения растворов с первоначально выбранным соотношением концентрата и воды в них.

Опробование предлагаемого способа произведено на полнопрофильных пробах длиной 1,5 м, отобранных от одного рельса типа Р65 из стали Э76Ф следующего состава (масс.%): 0,78 С; 0,9 Mn; 0,35 Si; 0,014Р; 0,01 S; 0,07 V; 0,008 Al; 0,010 N.

Нагретую пробу рельса до 820-840°С устанавливали на стенде головкой вниз, которую закаливали в течение 45-60 сек водополимерновоздушной смесью, приготовленной в форсунках высокого давления путем смешивания водополимерного раствора с сжатым воздухом. Одновременно производили в течение этого же времени охлаждение подошвы рельса сжатым воздухом со скоростью в 4 раза меньшей, чем головки. Затем, отключив подачу водополимерного раствора, производили одновременно охлаждение головки и подошвы рельса только сжатым воздухом в течение 20-40 сек. За время охлаждения пробы перемещали ее возвратно-поступательно.

Водополимерные растворы, используемые для получения водополимерновоздушной среды, готовили на основе концентрата ПК-М.

Сжатый воздух получали от установки, состоящей из компрессора и ресивера с полезным объемом 6м3. При охлаждении головки рельса водополимерновоздушной смесью, расстояние от форсунок до головки рельса составляло 150 мм, давление воздуха 5000-5500 Н/м2. Расход водополимерного раствора подбирали из расчета получения достаточно быстро охлаждающей хорошо распыленной водополимерновоздушной смеси, поток ее был туманообразным.

При проведении опытов по упрочнению головки рельса расход водополимерного раствора составлял около 6 г/с. Его определяли опытным путем - весь раствор собирали в водополимеросборник и с помощью мензурки измеряли его расход ( при выключенном воздухе).

Опыты показали (табл.), что уровень прочностных свойств, относительного удлинения, твердости и ударной вязкости при -60°С головки рельса, закаленной водополимерновоздушными средами, зависит от соотношения концентрата и воды в водополимерном растворе, который используется для приготовления водополимерновоздушной среды.

С повышением содержания воды в водополимерном растворе характеристики механических свойств рельса значительно увеличиваются. Закалка головки рельса водополимерновоздушными средами, имеющими соотношение концентрата и воды 1:17÷1:22, обеспечивает более высокий уровень ударной вязкости при -60°С, чем закалка рельсов в масле. При этом с повышением прочностных характеристик и твердости она практически не снижается. Все пробы выдержали копровые испытания при -60°С и высоте падения груза 9,25 м.

При закалке головки рельса с применением растворов, имеющих это соотношение в пределах 1:7÷1:9, получены сравнительно высокие прочностные свойства (σВ=1290-1310 Н/мм2) и твердость (363-375 НВ), удовлетворяющие требованиям стандарта для закаленных в масле рельсов.

С увеличением этого соотношения до 1:10÷1:13 уровень прочностных свойств закаленной головки водополимерновоздушной средой значительно выше, чем закаленных в масле рельсов, и составляет σВ=1330-1350 Н/мм2. При этом уровень твердости на поверхности катания головки и глубине 10 мм от нее увеличивается соответственно до 388 и 375 НВ.

Как следует из таблицы, оптимальное соотношение концентрата и воды в водополимерных растворах составляет 1:14÷1:20. Закалка головки рельса водополимерновоздушными средами, имеющими это соотношение в указанных пределах, обеспечивает получение требуемых структур (троостосорбит), механических свойств (σТ=1040-1120 Н/мм2; σВ=1370-1430 Н/мм2), твердости (388-409 НВ) на глубине 10 мм от ее поверхности катания и ударной вязкости при -60°С (0,32-0,41 МДж/м2).

Аналогичная структура и такой же уровень прочностных, пластических свойств, ударной вязкости при -60°С и твердости головки рельса были получены при закалке ее водополимерновоздушной средой, для получения которой использовали водополимерный раствор Бреокс Термо А, имеющий оптимальное соотношение концентрата Бреокс Термо А и воды 1:17÷1:25.

Предлагаемый способ термической обработки обеспечивает получение прямолинейных рельсов и исключает необходимость править их на РПМ.

Источники информации

1. Лемпицкий В.В., Казарновский Д.С., Губерт С.В. Производство и термическая обработка рельсов - М.: Металлургия, 1972. - 272 С.

2. Патент RU 2254382 C1, С 21 D 9/04, 20.06.1005,

Механические свойства рельсовСоотношение концентрата и воды в водополимерном растворе, используемом в водополимерновоздушной средеВремя охлаждения, секσ0,2σВδΨKCU при температуре, °СТвердость головки на глубине, ммСтруктура металла головки рельса на глубине, мм *+20-601102211022Н/мм2%МДж/м2НВ1:7÷1:945970131011360,600,46375363352ССС60960129013370,540,30363363352ССС1:10÷1:1145970133010340,490,38388375363ССС60990135012370,540,46388375363ССС901000136012350,540,37401388363ССС1:12÷1:13451000134012370,490,36388363352ССС601010135013360,480,34388375352ССС901030136011360,460,36401388375ССС1:14÷1:15451040137010360,490,41388388375ТССС601060139011370,460,41388388375ТССС1:16÷1:18451070140012370,470,36409401375ТССС601100142011360,440,35409401375ТССС1:19÷1:20451110143010340,400,33409409388ТСТСС601120149010340,390,32409409388ТСТСС1:21÷1:2245114014509320,350,28415409388ТМТСС60115014608330,340,27415409388ТМТСС*С - Сорбит закалки; ТС - троостосорбит; ТМ - троостомартенсит

Похожие патенты RU2294387C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ 2005
  • Павлов Вячеслав Владимирович
  • Пятайкин Евгений Михайлович
  • Корнева Лариса Викторовна
  • Ворожищев Владимир Иванович
  • Козырев Николай Анатольевич
  • Годик Леонид Александрович
  • Дементьев Валерий Петрович
  • Моренко Андрей Владимирович
  • Щеглова Алла Борисовна
RU2283353C1
СПОСОБ ЗАКАЛКИ ТВЕРДОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА 2007
  • Осколкова Татьяна Николаевна
  • Щеглова Алла Борисовна
RU2355513C1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВЫХ НАКЛАДОК 2005
  • Павлов Вячеслав Владимирович
  • Корнева Лариса Викторовна
  • Пятайкин Евгений Михайлович
  • Козырев Николай Анатольевич
  • Моренко Андрей Владимирович
  • Щеглова Алла Борисовна
  • Ворожищев Владимир Иванович
  • Тараборин Александр Николаевич
  • Шур Евгений Авелевич
  • Ткачев Александр Иванович
RU2291206C1
СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ПРОФИЛИРОВАННОГО ПРОКАТА, В ЧАСТНОСТИ РЕЛЬСА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2008
  • Кузьмиченко Владимир Михайлович
  • Хлыст Сергей Васильевич
  • Павлов Вячеслав Владимирович
  • Корнева Лариса Викторовна
  • Шестаков Андрей Николаевич
  • Иванов Алексей Геннадьевич
  • Кириченко Михаил Николаевич
  • Пшеничников Павел Александрович
RU2369646C1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ 2005
  • Павлов Вячеслав Владимирович
  • Пятайкин Евгений Михайлович
  • Корнева Лариса Викторовна
  • Козырев Николай Анатольевич
  • Годик Леонид Александрович
  • Дементьев Валерий Петрович
  • Моренко Андрей Владимирович
  • Тараборин Александр Николаевич
  • Бедарев Николай Иванович
RU2280700C1
Способ термической обработкиРЕльСОВ 1979
  • Казарновский Давид Самуилович
  • Бабич Алик Петрович
  • Сапожков Валерий Евгеньевич
  • Хургин Лев Семенович
  • Заннес Александр Николаевич
  • Верещага Евгения Андреевна
SU804702A2
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ 1994
  • Галицын Г.А.
  • Добужская А.Б.
  • Муравьев Е.А.
  • Дерябин А.А.
  • Киричков А.А.
  • Мешков А.И.
  • Агеенко Ю.Я.
RU2081191C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ 2010
  • Хлыст Сергей Васильевич
  • Кузьмиченко Владимир Михайлович
  • Киричков Анатолий Александрович
  • Сергеев Сергей Михайлович
  • Шестаков Андрей Николаевич
  • Кириченко Михаил Николаевич
  • Пшеничников Павел Александрович
  • Иванов Алексей Геннадьевич
  • Кожевников Константин Геннадьевич
  • Гонтарь Алексей Владимирович
  • Хлыст Илья Сергеевич
  • Кушнарев Алексей Владиславович
RU2456352C1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ 2004
  • Павлов В.В.
  • Ворожищев В.И.
  • Пятайкин Е.М.
  • Корнева Л.В.
  • Козырев Н.А.
  • Теплоухов Г.М.
  • Оржех М.Б.
  • Дементьев В.П.
  • Годик Л.А.
  • Моренко А.В.
  • Руденков В.А.
RU2254382C1
Способ изготовления рельсовых плетей и комплекс для осуществления способа 2017
  • Хлыст Сергей Васильевич
  • Иванов Алексей Геннадьевич
  • Кириченко Михаил Николаевич
  • Кузьмиченко Владимир Михайлович
  • Хлыст Илья Сергеевич
  • Шестаков Андрей Николаевич
  • Сергеев Сергей Михайлович
  • Пшеничников Павел Александрович
RU2681046C1

Реферат патента 2007 года СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам термической обработки железнодорожных рельсов. Закалку головки рельса осуществляют водополимерновоздушной средой до 400-280°С, затем сжатым воздухом до 150°С и одновременно охлаждают подошву рельса сжатым воздухом с температуры аустенизации до 150°С. Водополимерные растворы, использующиеся для получения водополимерновоздушной среды, готовят из концентрата полимера ПК-М, соотношение концентрата и воды в этом водополимерном растворе составляет 1:14÷1:20. Для приготовления водополимерных растворов можно использовать концентрат полимера Бреокс Термо А, в которых оптимальное соотношение этого концентрата и воды должно составлять 1:17÷1:25. Использование изобретения позволяет повысить комплекс механических свойств и твердость головки рельсов, получить высокопрочные износо- и хладостойкие рельсы с благоприятными (сжимающими) остаточными напряжениями, увеличить их прямолинейность и эксплуатационную стойкость. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула изобретения RU 2 294 387 C1

1. Способ термической обработки рельсов, включающий закалку поверхности головки рельса с температуры аустенизации в водополимерно-воздушной среде при одновременном охлаждении подошвы рельса сжатым воздухом, отличающийся тем, что закалку головки рельса ведут распыленной водополимерно-воздушной средой до 400-280°С, а затем охлаждают сжатым воздухом до 150°С, при этом охлаждение подошвы рельса ведут с температуры аустенизации до 150°С.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в водополимерно-воздушной среде используют водополимерный раствор, содержащий концентрат полимера ПК-М и воду при соотношении 1:14÷1:20.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в водополимерно-воздушной среде используют водополимерный раствор, содержащий концентрат полимера Бреокс Термо А и воду при оптимальном соотношении 1:17÷1:25.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2007 года RU2294387C1

Способ термической обработки рельсов 1983
  • Бабич Алик Петрович
  • Ермолаев Вячеслав Николаевич
  • Шпак Василий Иванович
  • Чухно Валерий Владимирович
SU1174487A1
Способ термической обработки режущих элементов сельскохозяйственных машин 1989
  • Карнаух Анатолий Иванович
  • Клементьев Игорь Петрович
  • Хусид Осип Семенович
  • Данич Владимир Андреевич
  • Целуйко Виталий Алексеевич
  • Андрианова Ирина Измаиловна
  • Бейлинова Лариса Александровна
SU1705363A1
Способ термической обработкиРЕльСОВ 1979
  • Казарновский Давид Самуилович
  • Бабич Алик Петрович
  • Сапожков Валерий Евгеньевич
  • Хургин Лев Семенович
  • Заннес Александр Николаевич
  • Верещага Евгения Андреевна
SU804702A2
ОБЛАДАЮЩИЕ ПРЕВОСХОДНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ И СВАРИВАЕМОСТЬЮ РЕЛЬСЫ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ ТЕРМООБРАБОТАННОЙ ПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ИХ ПРОИЗВОДСТВА 1996
  • Масахару Уеда
  • Хидеаки Кагеяма
  • Коуити Утино
  • Кодзи Бабазоно
  • Кен Кутараги
RU2139946C1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ 2004
  • Павлов В.В.
  • Ворожищев В.И.
  • Пятайкин Е.М.
  • Корнева Л.В.
  • Козырев Н.А.
  • Теплоухов Г.М.
  • Оржех М.Б.
  • Дементьев В.П.
  • Годик Л.А.
  • Моренко А.В.
  • Руденков В.А.
RU2254382C1
JP 63203724 А, 23.08.1988
Закалочная среда 1984
  • Паронян Анаит Серобовна
  • Мнацаканян Рубен Манукович
  • Аракелян Нелли Арамаисовна
  • Татевосян Геворк Аветисович
  • Шушанян Шушаник Смбатовна
  • Геворкян Альберт Вачикович
SU1211308A1

RU 2 294 387 C1

Авторы

Ворожищев Владимир Иванович

Перетятько Владимир Николаевич

Шур Евгений Авелевич

Громов Виктор Евгеньевич

Юнин Геннадий Николаевич

Михайлов Алексей Сергеевич

Филиппова Марина Владимировна

Даты

2007-02-27Публикация

2005-07-20Подача