способ термической обработки рельсов

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 ( _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 _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 ( _Т=1040-1120 Н/мм² ; _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/м ²).

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 рельсов
Соотношение концентрата и воды в водополимерном растворе, используемом в водополимерновоздушной среде	Время охлаждения, сек	0,2	В			KCU при температуре, °С		Твердость головки на глубине, мм			Структура металла головки рельса на глубине, мм *
						+20	-60	1	10	22	1	10	22
		Н/мм2		%		МДж/м2		НВ
1:7÷1:9	45	970	1310	11	36	0,60	0,46	375	363	352	С	С	С
	60	960	1290	13	37	0,54	0,30	363	363	352	С	С	С
1:10÷1:11	45	970	1330	10	34	0,49	0,38	388	375	363	С	С	С
	60	990	1350	12	37	0,54	0,46	388	375	363	С	С	С
	90	1000	1360	12	35	0,54	0,37	401	388	363	С	С	С
1:12÷1:13	45	1000	1340	12	37	0,49	0,36	388	363	352	С	С	С
	60	1010	1350	13	36	0,48	0,34	388	375	352	С	С	С
	90	1030	1360	11	36	0,46	0,36	401	388	375	С	С	С
1:14÷1:15	45	1040	1370	10	36	0,49	0,41	388	388	375	ТС	С	С
	60	1060	1390	11	37	0,46	0,41	388	388	375	ТС	С	С
1:16÷1:18	45	1070	1400	12	37	0,47	0,36	409	401	375	ТС	С	С
	60	1100	1420	11	36	0,44	0,35	409	401	375	ТС	С	С
1:19÷1:20	45	1110	1430	10	34	0,40	0,33	409	409	388	ТС	ТС	С
	60	1120	1490	10	34	0,39	0,32	409	409	388	ТС	ТС	С
1:21÷1:22	45	1140	1450	9	32	0,35	0,28	415	409	388	ТМ	ТС	С
	60	1150	1460	8	33	0,34	0,27	415	409	388	ТМ	ТС	С
*С - Сорбит закалки; ТС - троостосорбит; ТМ - троостомартенсит