Способ термической обработки рельсов и установка для его осуществления
(192 RU (51) (11) О "
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5036339/02 (22) 03.01.92 (46) 30.11.93 Бюл. ¹ 43 — 44 (71) Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (72) Федин В.М.; Девяткин В П.; Шур ЕА; Великанов
A.В.; Ушаков Б.К.; Пан А.В.; Шумилин Е.Н.; Киричков
АА; Школьник Л.M. Сафонова К3. Будницкий Г.Г.;
Меньшиков А.Г. (73) Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
РЕЛЬСОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУ—
ЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Сущность изобретения: после объемного нагрева поверхность катания и боковые грани головки (Г) и нижнюю поверхность (П) подошвы ПО рельса (P) охлаждают водой, движущейся со скоростью 15 — 20 м/с из спрейерных устройств. При этом в процессе охлаждения шейку, нижнюю ПГ и верхнюю П подошвы защищают от попадания во.,: s помощью жестких полос. За счет тепла защv,...à.— ных частей рельса осуществляют само-.. ц;.ê 3,-ключительная операция — отпуск Уст - ов;-. осуществления данного способа содержит само. транспортер с роликами, спрейеоьi и устрой(; фиксации и предотвращения коробления и попал ния хладагента на шейку и верхнюю ПГ в,, двух жестких полос 2, имеющих попе,.с. филь для плотного замыкания с двух стэ-;.— ранства в распор между нижними ПГ и в;; . .1п . и соединенных с управляемыми сиповь м ц рами 3, расположенными вдоль обеих старо:- Р,: . регулировочными пружинами 4 d ;:.êæã /г;;.,: расположенные на уровне боковых ПР .-Л. пятствовать опрокидыванию Р над Г и г швой Pразмещены спрейеры :Ролики выло;;; ребордами и установлены с двух лора . Р па ",:: его длине с возможностью псремсшг. i : с-,-о;и тельно друг друга. 2 с. и 2 з;. „- -пы 4, 2003705
Изобретение относится к металлургической промышленности, конкретнее ктермической обработке рельсов.
Известны различные способы термической обработки рельсов, разработанные и используемые как в СССР, так и за рубежом (2-15).
Например, известна поверхностная закалка головки рельсов с использованием индукционного нагрева (2), Технология термического упрочнения головки рельсов с нагревом их под закалку токами высокой частоты является сложным процессом, для осуществления которого в зависимости от типа и химического состава металла рельсов установлены скорости движения рельсов в закалочной машине, подводимая мощность, температура головки рельсов. Недостатком этого способа термической обработки рельсов является значительный перепад температур от головки рельса к шейке и подошве, что влечет за собой искривление рельсов (9), Известен также способ поверхностной закалки головки рельсов с объемного печного нагрева (10,11). Недостатком этого способа является искривление рельсов на головку, достигаемое после горячего гиба
150 мм.
Из известных наиболее удачным способом закалки рельсов с целью получения низких остаточных растягивающих напряжений, минимального искривления является закалка при упругом изгибе в зоне нагрева и охлаждения выпуклостью на головку (9), Но данный способ не получил широкого распространения ввиду малой производительности установки. Кроме того, шейка и подошва, а также часть головки рельсов остаются без перекристаллизационного нагрева и, следовательно, без улучШения структуры металла.
Разработаны также способы различных режимов охлаждения, позволяющих проводить термообработку рельсов с прокатного нагрева (12-18). Однако даже при получении высоких механических свойств в этих способах не обеспечивается контактно-усталостной прочности металла вследствие неоднородного и крупного зерна аустенита, который имеют рельсы непосредственно после прокатки, Кроме того условия эксплуатации железных дорог за рубежом (в Европе, Японии) значительно отличаются от условий эксплуатации в СССР, После закалки по этому способу также требуется правка на роликоправильных машинах в холодном состоянии, и, следовательно, рельсы приобретают неблагоприятную эпюру остаточных напряжений.
Известен также способ закалки головки рельсов с использованием индукционного нагрева (19-21), который широко используется за рубежом, Принципиальным недостатком этого вида термического уп рочнения рельсов является отсутствие перекристаллизационного нагрева шейки и подошвы, необходимость штемпельной правки, что снижает хрупкую прочность рельсов, Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки рельсов (1), включающий объемный нагрев, охлаждение жидкой средой, отпуск. Данный способ предполагает дальнейшую правку рельсов, а также строгое выдерживание временного режима при охлаждении, При этом виде термического упрочнения рельсов достигается улучшение их прочностных характеристик при удовлетворительных пластических свойствах и высокой сопротивляемости ударному разрушению.
Недостатками этого способа термической обработки являются коробление рельсов в процессе закалки и необходимость их холодной правки на роликоправильных машинах, после которой в объемно-закаленных рельсах возникает растягивание напряжения до 250 MH/ì и более, что отрицательно сказывается на хрупкой прочности рельсов.
К недостаткам можно также отнести и применение большого количества масла для охлаждения рельсов, что способствует загрязнению окружающей среды.
Целью предлагаемого способа являются повышение механических и эксплуатационных свойств рельсов, исключение коробления. Предлагаемый способ позволяет производить закалку рельсов в автоматическом режиме в массовом производстве, Для этого в известном способе термической обработки рельсов, включающем обьемный нагрев, охлаждение жидкой средой, отпуск, дополнительно перед охлаждением жидкой средой шейку рельса, нижнюю поверхность головки и верхнюю поверхность подошвы с двух сторон защищают от попадания охлаждающей жидкости так, чтобы они оставались нагретыми при подаче охлаждающей среды, а затем охлаждают жидкой средой поверхность катания головки, боковые грани головки и нижнюю поверхность подошвы рельса, и предварительный отпуск осуществляют за счет самоотпуска теплом, оставшимся в защищенных от жидкой среды частях рельса.
Также в предлагаемом способе охлаждение осуществляют быстродвижущимся потоком воды (БПВ) со скоростью, наприi003iu мер, 15-20 м/с, подаваемой одновременно из спрейерных устройств на головку и подошву рельса.
Предлагается также устройство для осуществления термической обработки по предлагаемому способу, содержащее ролики рольганга с направляющими ребордами, которые в пределах закалочной камеры имеют возможность смещаться от вертикальной оси рельса в обе стороны, две жесткие полосы, длина которых равна длине рельса, имеющие поперечный профиль для плотного замыкания с двух сторон пространства в распор между нижними поверхностями головки и верхними поверхностями подошвы, закрепленные на жестком основании с возможностью перемещения и соединенные с управляемыми силовыми цилиндрами, расположенными вдоль обеих сторон рельса, и с регулировочными пружинами, которые другими концами закреплены на жестком основании, а также упоры, укрепленные на жестком основании на уровне боковых поверхностей рельса так, чтобы препятствовать опрокидыванию рельса.
В предлагаемом устройстве управляемые силовые цилиндры размещены вдоль рельса на расстоянии одного метра друг от друга.
Также в устройстве над головкой и под подошвой рельса размещены спрейеры, На фиг.1 представлено устройство для осуществления закалки по предложенному способутермической обработки рельсов; на фиг.2 — кривые выносливости, построенные по результатам испытания рельсов, упрочненных стандартной термоообработкой (кривая - 1) и предлагаемым способом (кривая -2); на фиг.3- внешний вид(макроструктура) излома рельсов после сравнител ьн ых испытаний на циклическую долговечность (3a - закалка в масле, отпуск 450 С, 2 ч, без правки; Р 60 кН, число циклов до разрушения 105959; Зб - закалка БПВ, отпуск
450 С, 2 ч, P gx 60 кН, число циклов до разрушения 289500; Зв — закалка БПВ, отпуск 450 С, 2 ч, Р ах 50 кН, число циклов до разрушения 630720); на фиг.4 - график результатов замера твердости на рельсах после различных. вариантов упрочнения (кривые 1 и 2 - закалка рельсов по предлагаемому способу; кривые 3 и 4 — закалка рельсов с применением нагрева ТВЧ (компания
"Ниппон кокан" ).
Устройство для осуществлен ия за кал ки по предложенному способу термической обработки рельсов (фиг.1) содержит ролики рольганга с ребордами 1, две жестких полосы 2, длина которых равна длине рельса, имеющие поперечный профиль для плотно5
55 го замыкания с двух сторон пространства в распор между нижними поверхностями головки и верхними поверхностями подошвы, закрепленные на жестком основании с возможностью перемещения и соединенные с управляемыми силовыми цилиндрами 3, расположенными вдоль обеих сторон рельса на расстоянии одного метра друг от друга, и с регулировочными пружинами 4, которые другими концами закреплены на жестком основании, а также упоры 5, укрепленные на жестком основании на уровне боковых поверхностей рельса так, чтобы препятствовать опрокидыванию рельса, Над головкой и под подошвой рельса размещены спрейеры 6.
Для испытаний, результаты которых и редста влен ы. на фиг.2, следует доба вить, что оценка циклической долговечности производилась на полнопрофильном рельсе марки Р65 при трехточечном изгибе с расстоянием между опорами 500 мм, головкой вниз с острым надрезом с радиусом при вершине 0,8 мм, глубиной 2,5 мм и асимметрией цикла R о =0,1. Рельсы, закаленные по предлагаемому способу, имеют предел выносливости на 25 выше по сравнению с рельсами после объемной закалки в масле.
Расчет вязкости разрушения К1с показал преимущество закалки БПВ в 1,75 раз, K1c = 40 МПа VM - стандартный рельс
Кузнецкого меткомбината;
К1с = 70 МПа VM - опытные, БПВ.
Обращает на себя внимание значительная разница в размере трещин усталости стандартных и опытных рельсов, что свидетельствует о значительном преимуществе по трещиностойкости, Предложенный способ осуществляют следующим образом.
Рельс сначала подают в печь для нагрева под закалку, а затем с помощью роликов рольганга с ребордами 1 перемещают внутрь данного устройства так, чтобы жесткие полосы 2 закрывали всю длину рельса.
С помощью управляемых силовых цилиндров 3, которые могут быть выполнены как гидравлическими (например, ГОСТ 15608), так и воздушными (например, ГОСТ 6540), и расположены по длине рельса, например, через один метр, прижимают жесткие полосы 2 до плотного замыкания с двух сторон пространства (в распор) между нижними поверхностями головки и вер, ними поверхностями подошвы.
В следующий MQMpHi l,.,"èêè с ребордами 1, на которых нахо".., ..-ëüc, уходят в стороны, а рельс по ° . вате между полосами 2.
2003705
Затем производят закалку головки рельса и нижней поверхности его подошвы, например быстродвижущимся потоком воды, подаваемой с помощью спрейеров 6.
U ейкa же рельса, нижняя поверхность головки в зоне перехода шейки в головку и верхняя поверхность подошвы в это время защищены от попадания охлаждающей жидкости и остаются нагретыми до температуры 650-750 С. В таком состоянии рельс поступает на отпуск. Причем предварительно отпуск осуществляется теплом, сохраненным в шейке рельса, Положение полос 2 в вертикальной плоскости регулируется с помощью регулировочных пружин 4, что гарантирует свободное вхождение полос между головкои и подошвой рельса, Спрейеры б расположены сверху и снизу рельса. Вода через них подается со скоро< тью, например, 15-20 м/с на головку и на г:одошву рельса.
Время и объем подаваемой воды через верхние и нижние спрейеры 6 устанавливао эк-,периментально с учетом получения ь:.-оЬходимых механических свойств в головке рел.,са и отсутствия деформации рельсов.
После закалки движение частей закало- ной машины происходит в обратном порядке. Подводятся ролики реборд 1, отводятся полосы 2, с помощью приводного рольганга рельс выдвигается из закалочной машины в противоположную сторону от нагревательной печи. Причем в предлагаемом устройстве цикл загрузки, закалки и выдачи рельсов можно автоматизировать.
Таким образом интенсивное охлаждение головки и подошвы, а также распор жесткими полосами рельса по всей длине обеспечивает его прямолинейность и исключает необходимость правки его на роликоправильных машинах, которые создают неблагоприятную эпюру напряжений.
Остаточное тепло в рельсе (шейке) выполняет двоякую роль.
1. Тепло, распространяясь в охлажденную головку и подошву, производит самоотпуск, 2. Наиболее важная роль остаточного тепла (основная идея технологии) состоит в том, что при интенсивном охлаждении головки и подошвы рельс удлиняется (1,4 мм на
ilot0HHblA метр или 35 мм при рельсе 25 м), при этом разогретая шейка рельса пластически деформируется вследствие пониженной п роч ности металла. B дальнейшем и ри охлаждении шейки и сжатии металла шейки в головке и подошве рельса возникают сжимающие напряжения, 20
30 лись друг к другу усилием 700Н, Скорость
35 вращения колесного ролика 450 об/мин . В процессе изнашивания на колесном ролике
5
В табл.4 приведены результаты, характеризующие наличие остаточных напряжений в рельсах, подвергнутых различной термической обработке.
ГОСТ 18267-82 предусмотрено определение уровня и знака остаточных напряжений методом расхождения паза в рельсах после разрезки вдоль шейки проб рельсов размером 600 мм на длину 400 мм.
Проверка предложения осуществлялась на образцах рельсов, термически упрочненных на специально сконструированной и изготовленной закалочной установке в соответствии со схемой, приведенной на фиг.1. Закалке подвергались куски рельсов длиной 600 мм марки Р65, металл производства Кузнецкого металлургического комбината (КМК). Как видно, закалка рельсов по предложенному способу дала значительное сужение паза, что свидетельствует о сжимающих напряжениях в головке и подошве рельса.
Приведем также сравнение износостойкости металла стандартных рельсов производства КМК и закаленных быстродвижущимся потоком воды по предложенному способу. Испытания на износ проводили на машине, моделирующей качение колеса по кривой. Рельсовый ролик диаметром 40 мм и толщиной 6 мм свободно без продольного проскальзывания катился по колесному ролику, Оси вращения роликов были повернуты на угол 3 град, Ролики прижимаобразовывалась канавка, Износ оценивали по изменению диаметра в центре канавки колесного ролика в средней части (по толщине) рельсового ролика, Среднюю скорость изнашивания за 50000-100000 оборотов рассчитывали как отношение изменения диаметра роликов к числу оборотов.
Было испытано 3 опытных рельса с различной длительностью охлаждения закалки.
Все рельсы подвергались отпуску при 450 С в течение 2 ч. Ролики вырезались из головки рельса параллельно поверхности катания, Колесные ролики вырезались иэ серийного колеса также параллельно поверхности катания с различной глубиной по ободу.
В табл,5 приведены результаты испытаний на износ роликов, вырезанных из рельсовых сталей с глубины 10 мм от поверхности катания при качении с поперечным проскальзыванием в паре с колесными сталями, В табл. б приведены результаты испытаний рельсовых роликов, вырезанных непосредственно с поверхности катания.
2003705
Рельсовые ролики, ролики вырезанные с глубины 20 мм, испытывались в паре с колесными, вырезанными с глубины ЗО мм (твердость 270-290НВ). Рельсовые ролики, вырезанные непосредственно с поверхности, испытывались в паре с колесными, вырезанными на глубине 10 мм от поверхности катания (твердость 310-325 Н В).
Из таблиц можно видеть, что износостойкость опытных рельсов выше, чем стандартных как у поверхности, так и на глубине, На поверхности опытных рельсов имеется слой сорбита отпуска с зернистым перлитом. Износостойкость зернистых структур, как известно, ниже чем пластинчатых структур, имеющих ту же твердость. Поэтому поверхностный слой опытных рельсов обрабатывался на большую твердость, чем у стандартных (390-400 Н В вместо 380 H B) и, соответственно, имел более высокую дисперсность сорбита. При этом износостойкость не только не снизилась, но и была выше íà 12% даже в паре с более твердыми колесными роликами.
Результаты испытаний, приведенные в табл, 2-6, а также вышеуказанные пояснения и расчеты доказывают, что предложенный способ термической обработки рельсов имеет ряд преимуществ по сравнению с известными аналогами, используемыми как в СССР, так и за рубежом, а именно предложенный способ можно применять при массовом производстве в автоматическом режиме, он исключает коробление, повышает механические и эксплуатационные свойства рельса, {56) 1. Авторское свидетельство СССР
¹ 269186, кл, G 21 D 9/04, 1968.
2. Авторское свидетельство СССР
¹ 434113, кл. G 21 D 9/04, 1972.
З.Патент Японии № 41-53420, кл.
10А731, 1966.
4. Патент Японии № 41 †112,кл. 10 А
731, 1969.
5. Патент ФРГ ¹ 26553 2, кл. G 01 D 1/78, 1977.
6. Авторское свидетельство СССР
N 461141, xn. G 01 D 9 04, 1974.
5 7. Патент Австрии № 259611, кл. 18 44/12, 1968.
8. Поляков В.В. и Великонов А B. Ос:- ;-. технологии производства железнсдорож:-. ьl, рельсов, М.; Металлургия, 1990. с. 416.
10 9. Лемпицкий В.В., Казарновский Д.С..
Губерт С.В. и др. Производств" " тер;и-:»ская обработка рельсов. М: Металлур и:
1972, с. 272.
10. Авторское свидетельство СССР
15 ¹ 121463 и 127623, кл. G 01 D
11. Авторское свидетельство ССCP
¹ 127625.
12. Патен Бельгии ¹ 0049004, кл. G 01 D 9!04.
20 13, 14. Изготовление рельсов с -=," ски упрочненной головкой с прокате:,. грева. Институт Черметинформац: -.
4091 и 4013 Пер. материалы фирмы
Alpine", 1988, с. 16, 25 15. Фусуда K и Вада Н. Спосо ст :,:. го охлаждения рельсов с погружение то хаган, 1987, № 13, т. 73, с. 156
16. Макина Е., Судзуки Т., Су, н.
Термообработка рельсов с приме,енис..ЗО довоздушного тумана. Тацу,о кагана
¹ 5т, 73, с. 174.
17, Фукуда К„Кагэяма Х. и Ма.,:
Термообработка рельсов с примене.:.ие ляной ванны. Тэцу то хаганэ, 1987, ¹ =., 3.
35 с. 175.
18, Steel Times, 1988, N.. 5 v. 216. р . ..
19. Kail Enginering 1птегnational. .=. = .::
20. Давыдова Н,M.. Брик С.Д. Ут. ... ние качества сортового проката упроч —;-:
40 щей термообработкой. Обзор инфор.",л:,.
Сер. металловедение термическая обр::б ка, 1984. В ы п.2, с. 1 — 19.
21, Developmen- of Неа -Т -а. па
high Strength Ra! I Production Systen
45 Japan, 1987, ¹ 10. v. 20, р, 35--40
2003705
Таблица!
Характеристикамеханических свойств рельсов термически упрочненных по существующим в различных странах технологиям
Австрия
Великобретания
ФРГ
Япония
Показа т
Я вета
Ф к ямы овсталь
Закалка головок рельсов с использованием
Закалка головок Закалка головок Закалка головок
Закалка головок
Способ тер скан абра ерхностная лка ronoeo рельсов с использованиемнагрева ТВЧ и охлаждение рельсов с использованиемнагрева ТВЧ и охлаждение ворельсов спосоGvM S-О ьсов с инционного прокатного нагрева водой с синтетическими добавками нагревас самоотпуском последующим отпуском довоздуш ной смесью сжатым воздухом ментов рельсов с нагрева ТВЧ, регупируемогоТаблица 2
Рсзупчаты испытания на растяжение рельсов. закаленных по предложенному способу и стандартному режиму термоабрабатки
Положение образцов
Номер образца
Обьект:спыгзния
36
36
38.6
10,8
12,7
10,7
931,0
848.0
819.9
Головка рельса у поверхности
Шейка
Подошва кмк
1259
1182
1186
Рельс KMK
Закалка а масле
Пп;„с, .150" С
10,0
33.3
1110
1 1.0
965
36.0
1186
12,4
131
12,5
10.8
847
611
849
998
33,3
34,7
41,2
38,6
1189
985,9
1301
Головка рельса у поверхности на выкружке
Подошва рельса в центре
Шейка рельса
11,8
13,6
12,0
1013
811
1290
43,7
1121
29,2
9,8
901
923
638,5
971
36.0
33,3
42,5
10.9
13,4
12,0
1268
986.2
1204
«)БПВ - быстродвижущийся поток воды
Заг,Iп .. БпГ1 1
Расхст воды
200 м /ч
Отпуск 450 С
Воем«охлаждения
105 с
Закалка БПВ
Расход воды
200 м /ч
Время охлаждения
120 с
Отпуск 450 С, 2 ч
Закалка БПВ
Расход воды
200 м /ч
Время охлаждения
135 с
Отпуск 450 С, 2ч рельсов с использованием:
1.тепла прокатногонагрева и охлаждения водойсточным регулированием скоростей охлаждения элеГоловка рельса у поверхности на выкружке
Головка рельса у поверхности центра сечения
Головка рельса в нижней части головки в центре сечения
Шейка рельса
Подошва рельса в центре
Край подошвы
Головка рельса у поверхности
Головка рельса в нижней части в центре
Шейка рельса
Подошва рельса в центре
6 7
Ф ° ю ю °
° °
Юиийииииии ю ю ° ю ° . ю °
° ° ° ю ° ю ю °
° ° ю. 11
° ю
11
° ° ю.. °
° ю °
Ф : ° °
1 1 Ф ю ° ° :. °! ю I в ° «а ° ° ° ° ° °
° ° °
Ф ° 1 е
° ° .ю °
° 1 а
Э ° .
° й
° ° .° ° ° в в ° °
° l °
1 в в ° ° ° ° °° ° ° в ° °
° ° °
° . °
МФюа образцоа по сечению
Объект испытания
Ф ° 1 Ф ° 1 ° Ф Ф 1 1 ° Ф
1 1 Ф Ф 1 Ф 1 1 1 1 1
1 ° ° Ф Ф 1 ° Ф Ф Ф Ф! ° 1 I I Ф I ° Ф 1
Твердость роликов по Виккерсу, НЫО
° !
° °
° ° °
Э °
° °
° °: °
° ° °
° !
° Э
° Э °
° Э °
° °! °
Э и °! °
° ° °
° ° ° . °
° °
° . ° ° !
° !° °
° ° °
° ° ° ° - °
° °
° °
° °
° ° ° ° °
° . ° °
° ° ° ° ° ° °
° °
: Э
° ° °
° ° ° ° °
° °! ° . ° !
° ° ° ° ° °
° °
° °
° °
° ° ° ° !° ° ° °
° !
° °
° !
° °
° ° °
° ° °
: Э Э
° !
° °
° ° ° °! °
° °
° ° ° ° °
° !
° °
° °
° . ° !! ° . °
° . !
° ° °!
° °! ° ° !!
° °
Э ° Û
° ЭЭ !Э
° ° ° °
° Э - °
° °
° ° ° ° °
° = °
° ° °
° ° !. ЮИИИ!ИПМИИИП!ИУпаи ИИШП
ЮИИ!11ПЮИИИИШГ (ШИП пйаи!иипии1!!1 Я 1и1п!! ийа1!!иипи111!!! и11!!., ИИ1!!!1ИВИИ111!!Е..ЙИИ111! ИИИ1И МИИй1111!ЫИИИИ11!!.. ИИ1111!ЫИИИИ11(!ЫИПИИ1111
" ПИ1111!ВИИИИ11!!ииПИИ1И!, ИИИ!!ЫИПИь11!1ЫИИИИ111! ИИИПИИ!!1ИИПИИ11!! ИПИИПИ, ИИИИИ61!!ЫИИИ111!1 ИИИИIIИ ИИИИ11!1ЫИИИ11111ЫИИИИ1!!1. ИИИИИИ!МИИИ1НПМВИИИНН
МИИИИ1111МИИИП!ПЮИИИИНП ((N
° ° ° Э ° ° ° ° ° ° °
° ° ° ° ° . ° ° ° . °! ° ° ° ° ° ° = ° ! ° ° ° . ° ° ° =
° ° ° . ° ° 1 ° °! ° ° ° ° ° !
° ° ° ° ° ° ° °
I
2003705
° / с.
Составитель В.Федин
Техред М.Моргентал KoPPeKToP C. )ско.= . л:; кто р С. Кулакова
Заказ 3309
Тираж Подписное
НПО "Поиск" Роспатента
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
