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

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 (σ_В=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 σ_В=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 (σ_Т=1040-1120 Н/мм²; σ_В=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, секσ_0,2σ_Вδ^ΨKCU при температуре, °СТвердость головки на глубине, ммСтруктура металла головки рельса на глубине, мм *+20-601102211022Н/мм²%МДж/м²НВ1:7÷1:945970131011360,600,46375363352ССС 60960129013370,540,30363363352ССС1:10÷1:1145970133010340,490,38388375363ССС 60990135012370,540,46388375363ССС 901000136012350,540,37401388363ССС1:12÷1:13451000134012370,490,36388363352ССС 601010135013360,480,34388375352ССС 901030136011360,460,36401388375ССС1:14÷1:15451040137010360,490,41388388375ТССС 601060139011370,460,41388388375ТССС1:16÷1:18451070140012370,470,36409401375ТССС 601100142011360,440,35409401375ТССС1:19÷1:20451110143010340,400,33409409388ТСТСС 601120149010340,390,32409409388ТСТСС1:21÷1:2245114014509320,350,28415409388ТМТСС 60115014608330,340,27415409388ТМТСС*С - Сорбит закалки; ТС - троостосорбит; ТМ - троостомартенсит

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.

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.