способ термической обработки рельсов

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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	т	в	5		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.