Способ термической обработки рельсов

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам термической обработки железнодорожных рельсов. Техническим результатом изобретения является повышение комплекса механических свойств, получение максимальной твердости (НВ388) на глубине до 22 мм от поверхности катания головки, а также увеличение эксплуатационной стойкости рельсов за счет получения достаточной глубины закаленного слоя с однородной сорбитной структурой. Для достижения технического результата рельс с прокатного нагрева подстуживают до температуры 820-870°С и охлаждают в двух средах: первоначально сжатым воздухом с поверхности головки в течение 20-30 сек при расходе воздуха 3000-4000 м³/ч, температуре воздуха 10-25°С и давлении 0,55 МПа; затем производят охлаждение головки водо-воздушной смесью при расходе воды 25-30 л/мин, температуре воды 10-30°С и давлении 0,3-0,4 МПа, одновременно с охлаждением головки рельса производится охлаждение подошвы водо-воздушной смесью при температуре воды 10-30°С, расходе 6-7 л/мин и давлении 0,08-0,09 МПа. 2 табл.

 

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

Известен способ закалки рельсов с прокатного нагрева путем дифференцированного охлаждения элементов профиля сжатым воздухом [1]. Существенными недостатками этого способа являются ограниченная возможность получения максимальных значений твердости (НВ388) на рельсах из стали с содержанием углерода 0,71-0,82%, недостаточная глубина закаленного слоя в головке рельса.

Известны также способы термической обработки рельсов, включающие нагрев под закалку и поверхностное охлаждение головки рельса струями воды и водовоздушной смесью [2, 3]. Недостатками данных способов являются неоднородность структуры по глубине закаленного слоя, образование недопустимых структур (верхний бейнит, мартенсит) в приповерхностном слое головки, недостаточная прямолинейность рельсов из-за неравномерного охлаждения всех элементов профиля рельса, необходимость в холодной правке.

Известен также способ термической обработки рельсов [3], прототип, при котором охлаждение головки производят непрерывно до 100-400°С при увеличении расхода охладителя от 1 до 50 объемов в секунду, после которого производят регулируемое охлаждение всех элементов профиля. Существенным недостатком данного способа является неоднородность микроструктуры с поверхности головки рельса, возможность образования в поверхностном слое головки недопустимых структур (верхний бейнит, мартенсит), невозможность получения максимальных значений твердости (НВ388) на расстоянии 22 мм от поверхности катания головки.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение комплекса механических свойств, получение максимальной твердости (НВ388) на глубине до 22 мм от поверхности катания головки, а также увеличение эксплуатационной стойкости рельсов за счет получения достаточной глубины закаленного слоя с однородной сорбитной структурой.

Для этого рельс с прокатного нагрева подстуживают до температуры 820-870°С, затем производят охлаждение в двух средах: первоначально сжатым воздухом с поверхности головки в течение 20-30 сек при расходе воздуха 3000-4000 м³/ч, температуре воздуха 10-25°С и давлении 0,55 МПа; затем производят охлаждение головки водовоздушной смесью при расходе воды 25-30 л/мин, температуре воды 10-30°С и давлении 0,3-0,4 МПа, одновременно с охлаждением головки рельса производится охлаждение подошвы водо-воздушной смесью, при температуре воды 10-30°С, расходе 6-7 л/мин и давлении 0,08-0,09 МПа.

Охлаждение головки рельса в двух средах позволяет в первоначальный момент времени за счет подачи сжатого воздуха в течение 20-30 сек охладить поверхность головки до температуры 600-550°С, обеспечив образование сорбита с пластинчатой формой карбидной фазы, благодаря этому полностью исключается возможность образования в приповерхностных слоях головки недопустимых структур верхнего бейнита и мартенсита. Причем увеличение времени охлаждения сжатым воздухом (более 30 сек) приводит к резкому снижению твердости на поверхности катания, а при уменьшении времени охлаждения (менее 20 сек) возрастает вероятность образования мартенсита и бейнита. Последующее применение водовоздушной смеси с постоянным расходом воды способствует увеличению глубины и твердости закаленного слоя головки до требуемых пределов. Охлаждение подошвы рельса водовоздушной смесью производится для обеспечения его прямолинейности. При этом содержание воды в смеси, подаваемой на подошву, должно быть в четыре раза меньше, чем на головку.

Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем исходя из требований к микроструктуре, прямолинейности, механическим свойствам и твердости углеродистой стали.

Способ был реализован в полупромышленных условиях на полнопрофильных пробах длиной 1500 мм, отобранных от рельса типа Р65, изготовленного из стали марки НЭ76Ф. Нагретые до температуры 820-870°С, пробы закаливали в охлаждающем устройстве, представляющем собой две секции, состоящие из восьми ресиверов, два из которых расположены над поверхностью катания, четыре - со стороны боковых поверхностей головки, два - под подошвой рельсовой пробы. Ресиверы имеют решетки, образованные рядами отверстий диаметром 1,5 мм и расположенные на фиксированном расстоянии (50 мм) от поверхности рельса. После термообработки исследовали микроструктуру закаленного металла, а также определяли механические свойства и твердость.

Технологические параметры термообработки рельсовых проб приведены в таблице 1. Результаты механических испытаний и исследований микроструктуры в таблице 2.

Предлагаемый способ термической обработки позволил повысить комплекс механических свойств, твердость стали, а также увеличить эксплуатационную стойкость рельсов за счет получения однородной сорбитной структуры и увеличения глубины закаленного слоя.

Источники информации

1. В.В.Поляков, А.В.Великанов. Основы технологии производства железнодорожных рельсов - М.: Металлургия, 1990. 416 с.

2. А.С. СССР № 518970, кл C 21 D 9/04.

3. А.С. СССР № 350843, кл C 21 D 9/04.

4. А.С. СССР № 522751, кл C 21 D 9/04.

Таблица 1. Технологические параметры термообработки рельсовой пробы на охлаждающей установке, состоящей из двух секций (длина 1500 мм)
№	Температура рельса, °С	Режим термической обработки головки рельса	Режим охлаждения подошвы
		I этап	II этап
Давление сжатого воздуха, МПа	Расход сжатого воздуха, м3/ч	Температура воздуха, °С	Время охлаждения, сек	Давление воды, МПа	Расход воды, л/мин	Температура воды, °С	Время охлаждения, мин	Давление воды, МПа	Расход воды, л/мин
1	840	0,15	1000	10	60	0,10	8	14	5	0,03	1
2	820	0,25	1000	20	40	0,15	12	17	5	0,04	2
3	860	0,35	2000	10	30	0,20	16	26	4	0,05	3
4	850	0,45	2500	14	30	0,25	19	14	4	0,06	4
5	830	0,50	3000	18	20	0,30	23	20	3	0,07	5
6	820	0,50	3000	10	30	0,35	25	30	3	0,08	6
7	870	0,55	4000	25	20	0,40	30	10	2	0,09	7
8	870	0,55	4000	12	15	0,40	30	18	2	0,09	7

Таблица 2. Результаты физико-механических испытаний и исследований микроструктуры
№	Микроструктура закаленного слоя головки рельса	Глубина закаленного слоя (сорбита закалки), мм	Микроструктура шейки и подошвы рельса	Твердость по сечению рельса, НВ	σт,	σв,	δ5,	ϕ,	KCU, Дж/см2
ПКГ	10	22	шейка	подошва	Н/мм2	%	+20°С	-60°С
1	Сорбит закалки	5-6	Перлит	341	331	321	293	293,283	710	1160	15	44	27	12
2	Сорбит закалки	7-8	Перлит	341	341	331	283	293,283	740	1180	13	37	28	14
3	Сорбит закалки	9-15	Перлит	375	341	331	302	293,302	840	1190	12	37	30	16
4	Сорбит закалки	18-23	Перлит	375	352	341	302	302,302	900	1280	12	35	30	22
5	Сорбит закалки	24-26	Перлит	388	363	341	311	311,302	910	1290	11	36	33	24
6	Сорбит закалки	25-28	Перлит	388	375	363	321	311,321	960	1320	12	35	30	25
7	Сорбит закалки	27-30	Перлит	388	388	375	331	311,341	990	1340	12	34	32	24
8	Сорбит закалки с участками мартенсита	27-30	Перлит	388	388	375	331	311,341	1040	1360	10	32	25	16
прототип	Сорбит закалки	25		363-388	352-363	321-331

Способ термической обработки рельсов, включающий непрерывное охлаждение головки с последующим регулируемым охлаждением элементов профиля рельса, отличающийся тем, что рельс с прокатного нагрева подстуживают до температуры 820-870°С и охлаждают в двух средах: первоначально сжатым воздухом с поверхности головки в течение 20-30 с при расходе воздуха 3000-4000 м³/ч, при температуре воздуха 10-25°С и давлении 0,55 МПа, затем производят охлаждение головки водовоздушной смесью при расходе воды 25-30 л/мин, температуре воды 10-30°С и давлении 0,3-0,4 МПа, одновременно с охлаждением головки рельса производится охлаждение подошвы водовоздушной смесью при температуре воды 10-30°С, расходе 6-7 л/мин и давлении 0,08-0,09 МПа.