Способ термической обработки рельсов


 


Владельцы патента RU 2487178:

Открытое акционерное общество "ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат" (ОАО "ЕВРАЗ ЗСМК") (RU)

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам термической обработки железнодорожных рельсов. Для обеспечения сбалансированного комплекса механических свойств рельсов из углеродистой и низколегированной стали, уменьшения кривизны рельсов в вертикальной плоскости, сведения к минимуму усилий при холодной правке и обеспечения минимальных остаточных напряжений рельсы длиной 100-200 м ускоренно охлаждают после окончания горячей прокатки воздухом или воздухом с примесью воды по головке и по подошве рельса в два этапа, сначала в интервале температур от ≥900°С до ≤870°С по головке со скоростью охлаждения 2-15°С/с, а по подошве со скоростью 1-10°С/с, а затем в интервале температур от 870°С до 650°С и менее по головке со скоростью охлаждения 2-20°С/с, а по подошве со скоростью охлаждения 1-15°С/с, при этом в каждом конкретном случае скорость охлаждения по головке отличается от скорости охлаждения по подошве, а общее время ускоренного охлаждения составляет 90-145 с. Сталь, при необходимости, дополнительно содержит один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей, мас.%: хром от 0,04 до 1,10, ванадий от 0,03 до 0,09, азот от 0,007 до 0,020, ниобий от 0,001 до 0,06. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

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

Известен способ термической обработки рельсов из высокоуглеродистой стали, содержащей 0,90-1,20% углерода, предусматривающий ускоренное охлаждение со скоростью 5-20°С/с кромочных участков подошвы от температур ≥650°С, затем головку, шейку и центральную часть подошвы подвергают охлаждению со скоростью 1-10°С/с (JP №4267334, C21D 9/04).

Существенным недостатком указанного способа термической обработки является то, что головка и подошва рельса охлаждаются с одинаковой скоростью, вследствие этого рельсы искривляются и возникает необходимость в холодной правке рельсов, что неблагоприятно сказывается на величине остаточных напряжений.

Известны также способы термической обработки рельсов из углеродистой или низколегированной стали, предусматривающие ускоренное охлаждение рельса с температуры аустенитной области в диапазоне 750-650°С (JP №4267267, C21D 9/04), ускоренное охлаждение со скоростью 5-15°С/с до температуры 650-500°С (RU №2113511, C21D 9/04), ускоренное охлаждение со скоростью 10-30°С/с до температуры 750-600°С (RU №97121881, C21D 9/04, С22С 38/04), ускоренное охлаждение со скоростью 5-15°С/с до температуры 650-500°С (RU №96123715, C21D 9/04), ускоренное охлаждение поверхностного слоя головки рельса от Ar1 со скоростью 1-10°С/с и 2-20°С/с на глубине ≥20 мм (JP №3731934, C21D 9/04).

Существенным недостатком указанных способов термической обработки рельсов является отсутствие регламентированного охлаждения подошвы рельсов, что неблагоприятно сказывается на их кривизне.

Наиболее близким техническим решением является способ термической обработки рельсов, при котором рельс длиной 100-200 м из стали, содержащей 0,90-1,20% углерода, через ≤200 с после окончания горячей прокатки ускоренно охлаждают до ≤600°С со скоростью 1-10°С/с из области температур аустенитной структуры головки, шейки и подошвы рельса (JP №4272410, C21D 9/04).

Существенными недостатками данного способа охлаждения являются следующие.

1. Невозможность использования для термической обработки рельсов из низколегированной стали, а также углеродистой стали с более низким содержанием углерода.

2. Недостаточная прямолинейность рельсов в вертикальной плоскости за счет отсутствия дифференцированного (разной скорости) охлаждения головки и подошвы рельса.

Задачей изобретения является обеспечение сбалансированного комплекса механических свойств на рельсах из углеродистой и низколегированной стали, уменьшение кривизны рельсов в вертикальной плоскости, сведение к минимуму усилий при холодной правке и обеспечение минимальных остаточных напряжений.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе термической обработки стальных рельсов длиной 100-200 м, включающем ускоренное охлаждение после окончания горячей прокатки, согласно изобретению, осуществляют ускоренное охлаждение воздухом или воздухом с примесью воды по головке и по подошве рельса в два этапа, сначала в интервале температур от ≥900°С до ≤870°С по головке со скоростью охлаждения 2-15°С/с, а по подошве со скоростью 1-10°С/с, а затем в интервале температур от 870°С до 650°С и менее по головке со скоростью охлаждения 2-20°С/с, а по подошве со скоростью охлаждения 1-15°С/с, при этом в каждом конкретном случае скорость охлаждения по головке отличается от скорости охлаждения по подошве, а общее время ускоренного охлаждения составляет 90-145 с. При этом сталь, при необходимости, дополнительно содержит один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей от 0,04 до 1,10% мас. хрома, от 0,03 до 0,09% мас. ванадия, от 0,007 до 0,020% мас. азота и от 0,001 до 0,06% мас. ниобия.

Заявляемые пределы выбраны экспериментальным путем, исходя из требований к прямолинейности, микроструктуре и остаточным напряжениям рельсов из углеродистой и низколегированной сталей.

Выбор заявленных скоростей охлаждения в интервалах температур от не менее чем 900°С до не более 870°С и от не более 870°С до 650°С и менее обусловлен необходимостью получения перлитной структуры, а также достижения минимального градиента температур по сечению рельса для достижения требуемой его прямолинейности и остаточных напряжений.

При охлаждении головки и подошвы рельса в интервале температур от не менее чем 900°С до не более 870°С со скоростью охлаждения соответственно менее 2°С/с и 1°С/с не обеспечивается требуемая производительность охлаждающего устройства. При скорости охлаждения головки и подошвы соответственно более 15°С/с и 10°С/с возрастает вероятность образования с поверхности головки и подошвы бейнитной и мартенситной структуры.

Охлаждение головки и подошвы рельса в интервале температур от не более 870°С до 650°С и менее со скоростью охлаждения соответственно менее 2°С/с и 1°С/с не обеспечивает требуемый уровень механических свойств дифференцированно упрочненных рельсов. При скорости охлаждения головки и подошвы соответственно более 20°С/с и 15°С/с возрастает вероятность образования с поверхности головки и подошвы бейнитной и мартенситной структуры.

Заявленные скорости охлаждения обеспечиваются конструкцией охлаждающего устройства, которое включает секции длиной 2400 мм. Каждая секция состоит из 4-х перфорированных коробов, три из которых размещены над головкой и один вдоль средней части подошвы рельса. Каждый короб соединен с трубопроводом. Регулируя давление воздуха при помощи автоматизированных дроссельных регулирующих пневмоклапанов, поддерживаются необходимые скорости охлаждения, обеспечивающие необходимый комплекс механических свойств и минимальный температурный градиент между головкой и подошвой рельса.

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.

Хром увеличивает прокаливаемость рельсовой стали и увеличивает прочность перлита за счет образования легированного цементита. При содержании хрома менее 0,04% воздействие его незначительно, увеличение его содержания более 1,10% приводит к образованию мартенсита.

Для улучшения пластичности и ударной вязкости рельсовой стали могут быть добавлены один или несколько из числа перечисленных элементов: ванадий, ниобий и азот. Введение азота в сочетании с ванадием и ниобием позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает увеличение сопротивляемости хрупкому разрушению. Наличие ванадия и ниобия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При содержании азота менее 0,007% действие его незначительно и невозможно обеспечить измельчение зерна, а более 0,020% возможны случаи пятнистой ликвации и «азотного» кипения (пузыри в стали). Выбранное содержание ванадия и ниобия обеспечивает получение требуемой ударной вязкости за счет карбонитридного упрочнения. При концентрации ванадия менее 0,03% и ниобия менее 0,001% действие их незначительно. При введении в сталь ванадия более 0,09% и ниобия более 0,06% возрастает количество карбонитридов, которые приводят к снижению ударной вязкости стали.

Рельсовую сталь (таблица 1) выплавляли в 100-тонной дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100 И7 и разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали и прокатывали на рельсы типа Р65 длиной 25-100 м, которые подвергали дифференцированной закалке (то есть производили ускоренное охлаждение элементов профиля с разными скоростями) в охлаждающем устройстве. После окончания горячей прокатки рельсы при температуре 950-1080°С позиционировали в положение «на подошву» и по одному задавали в охлаждающее устройство. Рельс фиксировали в охлаждающем устройстве при помощи зажимного устройства. Охлаждение рельса проводили в два этапа. На первом этапе охлаждение головки и подошвы рельса в интервале температур от 900-1030°С до 730-870°С производили соответственно со скоростью 2-15°С/с и 1-10°С/с. На втором этапе охлаждение головки и подошвы рельса в интервале температур от 730-870°С до 540-640°С проводили соответственно со скоростью 2-20°С/с и 1,5-15°С/с. После охлаждения рельс с температурой 540-640°С выдавали из охлаждающего устройства и передавали на холодильник для охлаждения до температуры 60°С и ниже.

Таблица 1
Химический состав рельсовой стали
№ рельса Массовая доля элементов, %
С Mn Si V Nb Cr Ni Cu S P N2
1 0,74 0,85 0,62 0,06 - 0,30 0,06 0,07 0,008 0,009 0,020
2 0,87 0,95 0,39 - 0,05 0,40 0,10 0,09 0,009 0,012 0,008
3 0,83 0,95 0,40 0,10 - 0,15 0,10 0,11 0,006 0,017 0,017
4 0,84 0,80 0,60 0,08 - 0,25 0,15 0,15 0,012 0,015 0,015
5 0,79 0,90 0,43 0,07 0,01 0,58 0,08 0,15 0,005 0,011 0,009
6 0,85 0,90 0,35 0,10 - 0,05 0,09 0,10 0,007 0,013 0,018
7 0,79 0,78 0,55 0,08 0,001 0,80 0,06 0,05 0,013 0,010 0,012

После охлаждения исследовали микроструктуру металла, а также определяли стрелу прогиба и остаточные напряжения.

Технологические параметры охлаждения рельсов приведены в таблице 2.

Таблица 2
№ рельса Режим охлаждения рельса
I Этап II Этап Общее время охлаждения, с Температура рельса после охлаждения, °С
Время охлаждения, с Температура начала охлаждения, °C Скорость охлаждения, °С/с Время охлаждения, с Температура начала охлаждения, °C Скорость охлаждения, °С/с
головка подошва головка подошва головка подошва головка подошва головка подошва
1 110 960 900 2 1 10 740 790 20 15 120 540 640
2 30 960 900 3 2 60 870 840 5,5 3,5 90 540 630
3 40 1030 960 4 2,5 65 870 860 5 4 105 545 600
4 70 995 925 2,5 1,5 75 820 820 3,6 2,6 145 550 625
5 70 995 940 3,5 3 30 750 730 7 5 100 540 580
6 15 960 910 7 5 115 855 835 2,6 2 130 556 605
7 15 980 920 15 10 100 755 770 2 1,5 115 555 620

Результаты замеров стрелы прогиба и остаточных напряжений, а также исследований микроструктуры представлены в таблице 3, результаты механических испытаний представлены в таблице 4.

Таблица 3
№ рельса Стрела прогиба рельса, мм Расхождение паза, мм Микроструктура рельса
1 10 1,4 Перлит
2 10 1,2 Перлит
3 5 1,1 Перлит
4 6 1,0 Перлит
5 10 1,2 Перлит
6 5 1,0 Перлит
7 15 1,2 Перлит
Таблица 4
Результаты механических испытаний
№ рельса σт σв δ5 ψ Твердость KCU при температуре +20°С
Н/мм2 % НВ10 НВ22 НВш НВпод НВпкг Дж/см2
1 900 1320 11 34 388 373 343 352 395 29
30
2 930 1300 12 36 388 373 352 363 388 27
31
3 980 1333 10,5 33 395 388 352 352 398 35
33
4 980 1320 13 38 388 375 363 363 389 30
28
5 930 1380 15 37 395 385 363 345 398 32
31
6 890 1312 11,5 34 388 375 345 363 390 34
31
7 910 1360 12,5 33 383 373 331 345 388 32
32
Примечание: НВпкг - твердость на поверхности катания головки рельса;
НВ10, НВ22 - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм;
НВш - твердость в шейке;
НВпод - твердость в подошве.

Предлагаемый способ термической обработки рельсов позволил получить сбалансированный комплекс механических свойств при удовлетворительной перлитной структуре, а также улучшить прямолинейность рельсов и обеспечить низкие остаточные напряжения.

1. Способ термической обработки рельсов из стали длиной 100-200 м, включающий ускоренное охлаждение после окончания горячей прокатки, отличающийся тем, что ускоренное охлаждение осуществляют воздухом или воздухом с примесью воды по головке и по подошве рельса в два этапа, сначала в интервале температур от ≥900°С до <870°С по головке со скоростью охлаждения 2-15°С/с, а по подошве со скоростью 1-10°С/с, а затем в интервале температур от 870°С до 650°С и менее по головке со скоростью охлаждения 2-20°С/с, а по подошве со скоростью охлаждения 1-15°С/с, при этом в каждом конкретном случае скорость охлаждения по головке отличается от скорости охлаждения по подошве, а общее время ускоренного охлаждения составляет 90-145 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сталь, при необходимости, дополнительно содержит один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей, мас.%: хром от 0,04 до 1,10, ванадий от 0,03 до 0,09, азот от 0,007 до 0,020, ниобий от 0,001 до 0,06.



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к области металлургии, в частности к охлаждению зоны сварного соединения рельса непосредственно после сварки. .

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к термической обработке железнодорожных рельсов. .

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

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству рельсов. .

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при термической обработке железнодорожных рельсов. .

Изобретение относится к области термической обработки деталей из стали, в том числе деталей, имеющих сложную форму. .

Изобретение относится к области обработки металлов и предназначено для термообработки, связанной с нормализацией структуры металла после сварки, в частности алюминотермитной сварки рельсов с промежуточным литьем.

Группа изобретений относится к области термической обработки головки рельсов в охлаждающей ванне. Охлаждающая ванна содержит по меньшей мере один продольный отсек (1), включающий центральную емкость (31) для погружения в нее обрабатываемой головки рельса, подающий коллектор (2) для подачи текучей среды, две вторичные емкости (32), расположенные по бокам от центральной емкости (31) для сбора охлаждающей текучей среды, когда она переливается через верхний край первичной центральной емкости (31). Вдоль вторичных емкостей (32) установлены сливные трубы (12), расположенные таким образом, чтобы каждая пара соответствующих сливных труб (12) была соединена с поперечной трубой (13), установленной под дном отсека (1) и соединенной, в свою очередь, с перепускным контуром охлаждающей текучей среды, при этом на сливных трубах (12) над вторичными емкостями (32) установлены регулируемые по высоте удерживающие элементы (16), которые образуют сквозное отверстие для головки рельса, причем по меньшей мере один удерживающий элемент (16) из каждой их пары выполнен с возможностью поворота вокруг штыря (17). Технический результат заключается в обеспечении стабильного и в среднем равномерного потока охлаждающей текучей среды, контактирующей с погруженной головкой рельса, по всей длине ванны при непрерывном обмене текучей среды, в результате чего оптимизируется скорость охлаждения головки рельса. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стальному рельсу, применяемому при железнодорожной перевозке грузов. Рельс выполнен из стали, содержащей в мас.%: от более чем 0,85 до 1,20 С, от 0,05 до 2,00 Si, от 0,05 до 0,50 Mn, от 0,05 до 0,60 Cr, Р ≤ 0,0150, Fe и неизбежные примеси - остальное. Не менее 97% поверхностной части головки, находящейся в области от поверхности угловой части головки и верхней части головки как исходной точки до глубины 10 мм, имеет перлитную структуру. Твердость по Виккерсу перлитной структуры составляет HV 320-500. Значение отношения CMn/FMn, составляет от 1,0 до 5,0, где CMn [ат.%] - концентрация Mn в цементитной фазе в перлитной структуре, FMn [ат.%] - концентрация Mn в ферритной фазе. Головная часть рельсов обладает одновременно высокими значениями износостойкости и ударной вязкости. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 13 ил., 3 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области термомеханической обработки сварных соединений, например сварных стыков рельсов, и может быть использовано на железнодорожном транспорте. Техническим результатом является повышение твердости и коррозионной стойкости сварных стыков рельсов за счет его упрочнения. Технический результат достигается тем, что осуществляют нагрев всего сечения рельса в зоне сварного шва до 850-900°С, затем принудительно охлаждают потоком воздуха головку рельса в зоне сварного стыка, а шейку и подошву рельса - естественным путем на воздухе, при этом головку рельса в зоне сварного стыка охлаждают до температуры начала мартенситного превращения Мн°С, а в диапазоне температур Мн-Ткомн°С производят упрочнение дробью диаметром 0,8-1,5 мм. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к способам термической обработки рельсов. Способ включает повторный нагрев сварной зоны рельсов в области P, расположенной на расстоянии С от центра Q сварного шва, причем 0,2Lh≤C≤3Lh, где Lh - длина зоны термического воздействия (HAZ) в сварной зоне рельса. Технический результат в получении сварного соединения с усталостной прочностью, подавляющей образование усталостных трещин в шейке рельса в сварной зоне в горизонтальном направлении и образование усталостных трещин при изгибе в подошве в сварной зоне рельсов. 12 з.п. ф-лы, 4 пр., 7 табл., 31 ил.

Изобретение относится к способам термообработки рабочей поверхности головки рельса для упрочнения рабочих поверхностей путем поверхностной электроконтактной термообработки. Способ термообработки рабочей поверхности головки рельса включает обработку рабочей поверхности головки рельса посредством передвижного устройства непосредственно на путях без демонтажа рельсов. Обработку осуществляют электроконтактным нагревом с пропусканием электрического тока через контактные элементы, прижимаемые к обрабатываемой поверхности под давлением, с последующим охлаждением зоны нагрева и на участках рабочей поверхности головки рельса при достижении критического износа поверхностного слоя рельса, составляющего 1,5…2,0 мм и имеющего мартенситную структуру. Электроконтактный нагрев рабочей поверхности головки рельса осуществляют до температуры закаливания 850°С и охлаждают водой с температурой 18-20°С. Перед термообработкой проводят коррекцию рабочей поверхности головки рельса шлифованием. Устройство выполнено передвижным в виде тележки на колесах с двумя ребордами, рама которой состоит из подвижной и неподвижной частей. На неподвижной части рамы перпендикулярно направлению движения выполнены направляющие салазки для перемещения подвижной части рамы, на которой последовательно по ходу движения установлены с двух сторон скользящие нагревательные контактные элементы, шлифовальные головки с приводом посредством кронштейнов и телескопических штанг, нагревательные контактные ролики и охлаждающее устройство с соплами. При этом подвижная часть рамы соединена с неподвижной ее частью посредством гидроцилиндра двухстороннего действия с двухсторонним штоком. Нагревательные элементы и шлифовальные головки имеют регуляторы силы прижатия к рабочей боковой поверхности головки рельса и соединены с телескопическими штангами через изолирующие элементы. Нагревательный контактный ролик имеет токосъемник с поджимными пружинами. Технический результат заключается в повышении износостойкости и долговечности действующего железнодорожного пути. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

Рельс // 2561947
Изобретение относится к высокопрочному рельсу. Для обеспечения устойчивости рельса к замедленному разрушению в рельсе 95% или более структуры в той поверхностной части головки рельса, которая простирается от поверхностей угловых частей головки рельса и верхней части головки рельса на глубину 20 мм, является бейнитной или перлитной структурой, и эта структура содержит от 20 до 200 сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм на квадратный миллиметр в области наблюдения в горизонтальном поперечном сечении рельса. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 6 табл.

Изобретение относится к термообработке стального рельса. Способ получения заэвтектоидного стального рельса с закаленной головкой включает этап закалки головки стального рельса, имеющего состав стали, содержащей, вес.%: 0,86-1,00 углерода, 0,40-0,75 марганца, 0,40-1,00 кремния, 0,05-0,15 ванадия, 0,015-0,030 титана и азот в количестве, достаточном для реакции с титаном с образованием нитрида титана. Охлаждение рельса осуществляют в две стадии, при этом на первой стадии ускоренное охлаждение осуществляют от исходной температуры в диапазоне примерно от 775 до 750°C в период от 0 до 20 с до промежуточной температуры в диапазоне примерно от 670 до 610°C. На второй стадии охлаждение осуществляют от промежуточной температуры в диапазоне примерно от 670 до 610°C в течение от 20 до 110 с до температуры в диапазоне примерно от 550 до 500°C со скоростью охлаждения меньшей, чем при ускоренном охлаждении. Технический результат заключается в повышении износостойкости рельса за счет увеличения твердости. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 пр., 5 табл., 9 ил.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения гарантированного технического ресурса и выносливости подрельсовой зоны подкрановых балок с тяжелым 8К, 7К режимом работы мостовых кранов при интенсивной эксплуатации получают непрерывно-литую заготовку портальную в сечении из стали 35ГС, охлаждают её до температуры 950÷1050°C, по рольгангам поступательно транспортируют ее в клеть прокатного стана, всесторонне обжимают ее валками прокатного стана с четырех сторон и пластически деформируют портальное сечение до проектных размеров с суммарным коэффициентом вытяжки не менее 7,8, образуют из пары зеркальных Z-образных профилей единый, монолитный портальный профиль с единой главой и парой пят, причем площадь сечения главы и пары пят равны друг другу, режут готовый прокат на мерные длины, а при монтаже портального рельса на верхний пояс подкрановой балки пару пят рельса и верхний пояс подкрановой балки механизированно объединяют в единое целое фрикционными шпильками, с гарантией затягивают гайки шпилек гайковертом, образуют единый замкнутый портальный рельс с продольной полостью внутри, обладающий увеличенным моментом инерции кручения ∑ J К р Б л о к в 16,2÷10,6 раза, а моментом инерции изгиба J X Б л о к в 5,2÷6,4 раза по сравнению со стандартным рельсом по ГОСТ 4121-76. 2 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области термической обработки сварных рельсовых стыков и может быть использовано на железнодорожном транспорте. Устройство для обработки сварного рельсового стыка содержит установочный зажимной и центрирующий узел для захвата головки рельса. Захватывающий элемент разъемно захватывает головку рельса. Нагревательное и охлаждающее устройство соединено с установочным и зажимным центрирующим узлом и размещено над головкой рельса. Нагревательное и охлаждающее устройство содержит нагревательный элемент для нагрева зоны измененной структуры сварного рельсового стыка и охлаждающий элемент для указанной зоны. Достигается возможность улучшения получаемой микроструктуры сварного рельсового стыка и рельсов вблизи него. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх