Brevet FR2603306A1 — publié le 19880304

La présente invention concerne une installation, un appareil et des procédés de fabrication de rails de chemins de fer, et plus précisément, le durcissement d'un rail d'acier à haute teneur en carbone par traitement thermique. L'invention s'applique en particulier au durcissement de rail par traitement thermique réalisé par chauffage du rail d'une manière qui assure une déformation thermique équilibrée pendant le traitement d'un rail avec une rectitude résultante qui réduit considérablement la nécessité O10 d'utilisation d'opérations mécaniques ultérieures pour la compensation de la distorsion. Cependant, les hommes du métier peuvent noter que l'invention peut être adaptée à d'autres domaines et d'autres éléments, par exemple lorsque des techniques analogues de traitement thermique sont uti15 lisées et lorsqu'une déformation des produits est indésirable. Un rail de chemin de fer est habituellement formé d'acier à haute teneur en carbone. Comme la taille, la puissance et le poids des trains ont augmenté, l'augmenta20 tion des charges appliquees aux rails, ainsi que l'augmentation des forces de traction et de poussée latérale, ont provoqué une usure accélérée des rails. La réduction de la durée d'utilisation des rails a nécessité un accroissement des coûts d'entretien et de remplacement, et des inspec25 tions plus fréquentes et a posé des problèmes importants de sécurité. On a déjà suggéré et utilisé diverses formes et divers types de rails durcis ou à résistance accrue dans l'industrie des rails afin que ces problèmes soient réso30 lus, avec des degrés divers de succès. On a constaté que les défauts présentés par la plupart des propositions antérieures sont tels que ces propositions n'ont elles-mêmes qu'un intérêt économique et pratique limité. On sait déjà traiter thermiquement des parties de 35 rail qui sont soumises à des forces d'usure. Un tel traitement thermique convient à un rail d'acier à haute teneur en carbone ou d'acier allié. Ces procédés posent un problème car une transformation métallurgique, des variations métallurgiques de volume ou une déformation thermique du rail nécessitent souvent des opérations mécaniques de compensation de la déformation du rail. Ces opérations mécaniques de compensation sont coûteuses et de réalisation difficile, elles impliquent habituellement l'utilisation de forces relativement grandes et elles limitent la longueur d'un rail qui peut être traité. Malgré tout, un redressement ultérieur est nécessaire pour l'obtention d'un rail accep10 table. D'autres suggestions ont porté sur l'utilisation d'un rail d'acier allié ayant de meilleures caractéristiques de résistance à l'usure, mais un tel rail présente les mêmes propriétés dans tout son volume et en consé15 quence, constitue un rail relativement coûteux. L'augmentation de coût du rail d'acier allié a limité ses applications à des situations dans lesquelles ce coût peut être justifié. Ainsi, l'industrie demande depuis longtemps un appa20 reil et des procédés perfectionnés de fabrication de rails de chemins de fer ayant d'excellentes caractéristiques de résistance à l'usure mais pouvant être fabriqués à un coût inférieur à celui d'un rail d'acier allié. L'invention concerne un appareil et un procédé de 25 durcissement d'un rail de chemin de fer, formé d'acier à haute teneur en carbone, ne présentant pas les problèmes précités ni d'autres problèmes, et elle concerne un procédé et une installation dont la conception est simple, qui provoquent un durcissement rentable du rail là o cela est 30 nécessaire, qui peuvent être facilement adaptés à diverses caractéristiques dimensionnelles des rails et qui donnent un rail résistant à l'usure, tout en réduisant les opérations mécaniques ultérieures nécessaires à la compensation de la distorsion. L'invention concerne un procédé et une installation de traitement thermique d'un rail de chemin de fer, destinés à la fabrication d'un rail ayant d'excellentes caracté- ristiques de résistance à l'usure. Le rail a un champignon, une âme et un patin placés autour d'axes neutres vertical et horizontal. Le procédé comporte une première étape de préchauffage de l'ensemble du rail comprenant le champi5 gnon, l'âme et le patin, à une première température prédéterminée, inférieure à la température de transformation métallurgique de l'acier du rail. Une seconde étape comprend le chauffage du champignon et du patin du rail à des températures prédéterminées supérieures à la température de 10 transformation métallurgique afin que le rail présente une déformation thermique équilibrée autour des axes. Une troisième étape comprend la trempe du champignon et du patin du rail afin que le rail prenne une structure métallurgique voulue ayant d'excellentes caractéristiques de résistance à 15 l'usure et donnant une déformation thermique équilibrée autour des axes neutres, pendant l'opération de trempe. L'opération de trempe comprend la réduction des températures du champignon et du patin à une valeur inférieure à la température de transformation métallurgique. Une quatrième 20 étape Su procdi comprenr.d un refrcidissement postérieur de l'ensemble du rail, avec conservation d'une déformation thermique équilibrée autour des axes neutres. La déformation thermique équilibrée de la totalité du champignon, de l'âme et du patin permet le durcissement du rail, avec 25 fabrication d'un rail présentant une rectitude importante, si bien que la nécessité d'un traitement mécanique ultérieur de compensation de la distorsion est réduite. Selon un autre aspect de l'invention, l'étape de préchauffage comporte le chauffage global du rail à une 30 température d'environ 5400C. Ensuite, le champignon et le patin sont chauffés à des températures supérieures à la température de transformation métallurgique, c'est-à-dire A pour un acier allié. De préférence, des techniques de s chauffage par induction sont utilisées afin qu'elles don35 nent une déformation thermique équilibrée par rapport aux axes neutres du rail. La troisième étape de trempe du champignon et du patin comporte une trempe localisée à l'air du champignon et du patin à environ 5400C. Une trempe générale par pulvérisation est utilisée afin que la température du rail durci soit alors abaissée à la température ambiante. Selon l'invention, une installation est réalisée pour la mise en oeuvre du procédé décrit. L'installation comporte une bobine de préchauffage par induction, associée au rail afin qu'elle assure un chauffage sensiblement global d'un tronçon de rail, à une première température prédé10 terminée inférieure à une température de transformation métallurgique du rail. Après le préchauffage global, une bobine de chauffage par induction du champignon et une bobine de chauffage par induction du patin sont disposées afin qu'elles chauffent le champignon et le patin respecti15 vement, à des températures prédéterminées supérieures à la température de transformation métallurgique du rail. Un dispositif de trempe et de refroidissement du rail chauffé est ensuite disposé et réglé autour du rail de manière que le rail subisse une déformation thermique équilibrée de 20 façon générale lors du chauffage, de la trempe et du refroidissement, avec formation d'un rail droit durci et résistant à l'usure. Un avantage obtenu par utilisation de l'invention est la réalisation d'un rail de chemin de fer ayant d'ex25 cellentes caractéristiques de résistance à l'usure, obtenu à l'aide de procédés perfectionnés de traitement thermique. Un autre avantage de l'invention est la mise à disposition d'un procédé et d'une installation permettant l'obtention de rails d'acier à haute teneur en carbone, 30 traités thermiquement et durcis, qui sont pratiquement rectilignes, si bien que la nécessité d'étapes ultérieures de traitement destinées à assurer la compensation de la distorsion mécanique est réduite. Un avantage supplémentaire de l'invention concerne 35 aussi un procédé et une installation de traitement thermique d'un rail de chemin de fer à haute teneur en carbone limitant la formation de contraintes résiduelles dans le rail, après traitement thermique. Un autre avantage de l'invention est la possibilité du traitement d'un rail de longueur indéfinie, contrairement aux procédés antérieurs qui étaient limités par des contraintes physiques à des tronçons relativement courts. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'une instal10 lation de traitement thermique de rail réalisée selon l'invention, représentant un rail de chemin de fer circulant dans l'installation; la figure 2 est une vue en perspective éclatée d'une partie de l'installation de la figure 1, avec certaines 15 parties représentées en coupe afin que la représentation soit facilitée; la figure 3A est une vue en élévation d'un rail placé dans une installation de traitement thermique selon l'invention, les éléments de l'installation étant représen20 tés en coupe partielle par raison de simplicité; et la figure 3B est un graphique correspondant au rail de la figure 3A et représente en particulier les températures créées dans le rail par les éléments de l:installation de traitement thermique. On se réfère maintenant aux dessins qui représentent un rail 10 de chemin de fer ayant un axe neutre vertical 12 et un axe neutre horizontal 14 et qui est disposé dans une installation 16 de traitement thermique destinée à former un rail ayant d'excellentes caractéristiques de résistance 30 à l'usure, par durcissement par traitement thermique. Plus précisément et comme l'indique la figure 1, le rail 10 a un champignon 20, une âme 22 et un patin 24, analogues aux constructions classiques de rails. Le rail est de préférence formé en une seule pièce d'acier à haute teneur en 35 carbone. Comme le rail 10 a normalement une grande longueur, l'invention met en oeuvre le déplacement relatif du rail dans l'installation 16 de la manière indiquée par la flèche 26 de la figure 1, l'installation 16 étant fixée à un châssis (non représenté) lui-même fixe par rapport au rail mobile 10. Dans une variante, l'installation 16 peut être 5 fixée à un châssis roulant (non représenté) qui peut être déplacé le long d'un rail fixe 10. Quel que soit le procédé de déplacement, le sens de déplacement relatif du rail 10 et de l'installation 16 de traitement thermique est indiqué par la flèche 26. Dans l'ordre d'exposition du rail 10 dans l'ensemble 16 de traitement thermique, une partie de rail est d'abord alignée de façon générale par rapport à l'installation 16, de préférence par des rouleaux 32, 34, 36, 38 d'antraînement. Une bobine 40 de préchauffage par induction, alimen15 tée par une source d'énergie électrique (non représentée), préchauffe le rail 10 à une température inférieure à la température de transformation métallurgique du rail, comme décrit plus en détail dans la suite. Un dispositif de guidage, par exemple des rouleaux 42, 44, associé à un in20 ducteur 46 de champignon et à un inducteur 48 de base ou de patin, ayant des positions opposées, aligne les inducteurs 46, 48 de manière que le champignon 20 et le patin 24 soient chauffés de façon pratiquement simultanée aux températures prévues, supérieures à la température de transfor25 mation métallurgique afin que le rail subisse une transformation métallurgique et produise finalement un champignon durci. Le chauffage du champignon et du patin de manière pratiquement simultanée assure une déformation thermique équilibrée du rail autour des axes neutres 12, 14 et évite 30 une déformation thermique ou métallurgique du rail importante au point que celui-ci présente une courbure ou une cambrure par rapport à la rectitude acceptable. Un dispositif de guidage, par exemple des rouleaux , 52, aligne un dispositif 54 de trempe de champignon et 35 un dispositif 56 de trempe de patin qui ont pour rôle de réduire les températures du champignon et du patin par trempe à l'air,- à une température inférieure à la tempéra- ture de transformation métallurgique du rail. Le chauffage et le refroidissement réglés du champignon assurent le durcissement de celui-ci et l'augmentation des caractéristiques de résistance à l'usure voulues pour un rail de chemin de fer. Des rouleaux 62, 64 de guidage assurent l'alignement par rapport à un dispositif 66 de refroidissement par pulvérisation d'eau qui réduit la température du rail 10 à la température ambiante approximativement. Des rouleaux 68, 10 70, 72, 74 de guidage qui assurent finalement un alignement, facilitent la circulation du rail hors de l'installation de traitement thermique. On se réfère maintenant en particulier à la figure 2 qui est une perspective plus détaillée et éclatée d'une installation selon l'invention, destinée en particulier à illustrer les étapes de chauffage, de trempe et de refroidissement du procédé selon l'invention, le rail 10 étant représenté en traits mixtes avec ses axes neutres 12, 14, par raison de commodité. Le durcissement du rail 10 est 20 réalisé par augmentation de la température du champignon du rail au-delà de la température de transformation métallurgique et par trempe du champignon de manière connue afin qu'un champignon durci 20 soit formé avec d'excellentes caractéristiques de résistance à l'usure. Selon une carac25 téristique de l'invention, le traitement thermique est réalisé de manière équilibrée par rapport aux axes neutres 12, 14 afin que le rail 10 garde sa rectitude et que des opérations ultérieures de compensation de la distorsion mécanique, par exemple une flexion ou un étirement du rail, 30 soient réduites. Le chauffage du champignon et du patin 20, 24 à une température supérieure à la température de transformation métallurgique est réalisé à l'aide d'inducteurs classiques 46, 48, refroidis par circulation d'eau et qui chauffent le champignon et le patin par chauffage par 35 induction. Le chauffage par induction présente les avantages de constituer une opération réglable de chauffage permettant un réglage précis de la température et de la profondeur de transformation métallurgique. Une déformation thermique équilibrée par rapport à l'axe horizontal est assurée par chauffage pratiquement simultané du champignon et du patin d'une manière qui assure un équilibre entre les forces de déformation thermique. L'opération est réalisée par réglage du volume de métal chauffé dans le champignon à une température particulière et du volume de métal chauffé dans le patin à une autre température, de manière que les forces de flexion soient sensiblement égales et opposées. 10 Une déformation thermique équilibrée par rapport à l'axe vertical 12 est obtenue grâce à la symétrie du rail et des éléments de chauffage. Après élévation de la température du rail à une valeur prédéterminée supérieure à la température de trans15 formation métallurgique, le rail est trempé par des dispositifs 54, 56 de trempe localisée à l'air afin que la température du champignon 20 soit réduite à une valeur prédéterminée et assure le durcissement du champignon de la manière voulue. De la même manière que les inducteurs sont 20 alignés l'un en face de l'autre de manière générale, les chambres 54, 56 de trempe par air sont alignées de même en étant opposées l'une à l'autre, et le dispositif 56 trempe le patin de manière qu'il donne encore une déformation thermique équilibrée par rapport aux axes neutres. Il faut 25 noter que la trempe du champignon 20 est réalisée d'une manière précise afin qu'elle donne la structure métallurgique voulue et en conséquence la dureté voulue dans le champignon du rail. La trempe du patin 24 ne pose pas autant de problèmes concernant une structure métallurgique 30 voulue dans le patin car elle est destinée à compenser la déformation thermique du champignon 20 par la déformation thermique du patin de manière que ces déformations soient égales et évitent ainsi une distorsion du rail 10. Une dernière étape du procédé selon l'invention est le 35 refroidissement du rail pratiquement à température ambiante, par un dispositif 66 de pulvérisation d'eau sur l'ensemble du rail, l'opération étant encore réalisée d'une manière qui assure la conservation d'une déformation thermique équilibrée par rapport aux axes neutres. On se réfère maintenant plus précisément aux figures 3A et 3B qui représentent graphiquement les températures 5 obtenues dans le rail 10 lors du traitement dans l'installation 16. Les températures données sur le graphique pour le champignon 20 sont indiquées par les croix, celles de l'âme 22 sont indiquées par les triangles et celles du patin 24 sont indiquées par les points. La droite 80 en 10 trait mixte indique de façon générale la température de transformation métallurgique. Lorsque le rail se déplace dans la bobine 40 de préchauffage comme indiqué sur la figure 3A, la température des trois parties du rail 10 s'élève jusqu'à une valeur inférieure à la température de 15 transformation métallurgique, d'environ 540 C dans l'exemple considéré. La température de transformation métallurgique est la température supérieure à A pour un acier s allié quelconque. Le préchauffage du rail 10 par la bobine 40 permet une dilatation thermique préliminaire de l'en20 semble du rail et évlte les problèmes posés par la formation de contraintes résiduelles excessives dans le produit final. Le traitement d'un rail qui est encore chaud à la suite d'une opération de laminage entre aussi dans le cadre de l'invention. La chaleur résiduelle permet une réduction 25 ou une élimination totale de l'étape de préchauffage. Après préchauffage, le chauffage du champignon 20 et du patin 24 à une température supérieure à la température de transformation métallurgique, sous l'action des inducteurs 46, 48, élève la température du champignon à 10400C environ et 30 celle du patin à 8201C environ. Ces températures sont données uniquement à titre illustratif. Les températures particulières de chauffage varient avec l'acier allié utilisé et le traitement thermique que nécessite le rail. Les chambres 54, 56 de trempe projettent le fluide de trempe 35 vers le champignon et le patin afin qu'ils soient refroidis à 540"C environ, et le dispositif 66 de pulvérisation refroidit l'ensemble du rail à la température ambiante approximativement. Le fluide de trempe peut être l'air ou un brouillard, ou tout type de dispositif connu de trempe. Il faut noter que, pendant toute la mise en oeuvre du procédé, une déformation thermique et métallurgique 5 équilibrée apparaît par rapport aux axes neutres 12, 14 du rail si bien que le rail, lorsqu'il quitte le dispositif 66 de refroidissement par pulvérisation, a une rectitude qui équivaut de façon générale à celle du rail qui pénètre dans l'installation 16 de traitement thermique. La déformation 10 thermique équilibrée de l'ensemble du rail 10 permet, par traitement thermique d'un rail d'un acier à haute teneur en carbone, la formation d'un rail ayant une excellente résistance à l'usure, et réduit les étapes ultérieures des techniques classiques de traitement thermique, comprenant 15 une opération de flexion ou d'étirage de manière que la distorsion créée pendant les opérations classiques de traitement thermique soit compensée mécaniquement. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemples préférentiels et qu'on 20 pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement thermique d'un rail, le rail (10) ayant un champignon (20), une âme (22) et un patin (24), et des axes neutres vertical et horizontal (12, 14), destiné à la fabrication d'un rail ayant une structure métallurgique présentant une résistance élevée à l'usure, caractérisé en ce qu'il comprend: une première étape de préchauffage du rail (10) à une première température prédéterminée, Inférieure à la 10 température de transformation métallurgique, une seconde étape de chauffage du champignon (20) et du patin (24) du rail à des températures prédéterminées, supérieures à la température de transformation métallurgique, afin que le rail subisse une déformation thermique 15 équilibrée autour des axes, une troisième étape de trempe du champignon (20) et du patin (24) du rail afin que le rail prenne une structure métallurgique voulue avec déformation thermique équilibrée du rail (10) autour des axes pendant l'opération de trempe, 20 et une quatrième étape de refroidissement postérieur de l'ensemble du rail (10) de la température inférieure à la température de transformation à une température ambiante, ss bien que l'équilibre des déformations thermiques autour 25 des axes est conservé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape comprend un chauffage global du rail à une température d'environ 540"C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en 30 ce que la seconde étape comprend le chauffage du champignon (20) à 10400C. environ et le chauffage du patin (24) à 8200C environ. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde étape comprend le chauffage par induction 35 du champignon (20) et du patin (24). 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième étape comprend la trempe du champignon (20) et du patin (24) à 540"C environ. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la troisième étape comprend la trempe localisée par de l'air du champignon (20) et du patin (24). 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quatrième étape est une trempe globale par pulvérisation. 8. Installation de traitement thermique de rails, destinée au durcissement d'un rail (10) afin qu'il possède 10 une résistance élevée à l'usure, tout en maintenant pratiquement la rectitude du rail au cours du traitement thermique, caractérisée en ce qu'elle comprend: une bobine (40) de préchauffage par induction, associée au rail (10) et destinée à chauffer l'ensemble d'un 15 tronçon de rail de façon générale à une première température prédéterminée qui est inférieure à la température de transformation métallurgique du rail, une bobine (46) de chauffage par induction du champignon (20) du rail à une seconde température prédéterminée 20 supérieure à la température de transformation métallurgique, une bobine (48) de chauffage par induction d'un patin (24) du rail, à une troisième température prédéterminée qui est supérieure à la température de transformation 25 métallurgique, la première, la seconde et la troisième température étant choisies de manière qu'elles donnent une déformation thermique du rail équilibrée de façon générale pendant le chauffage, et un dispositif (54, 56, 66) de trempe et de refroi30 dissement du rail, la déformation thermique étant équilibrée de façon générale pendant la trempe et le refroidissement. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que les bobines (46, 48) de chauffage du cham35 pignon et du patin sont opposées l'une à l'autre de façon générale afin qu'elles assurent un chauffage pratiquement simultané du champignon (20) et du patin (24) du rail. 10. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de trempe et de refroidissement comporte un dispositif (54) de trempe du chamnpignon, un dispositif (56) de trempe du patin, ayant des positions 5 opposées, et un dispositif (66) de refroidissement global par pulvérisation d'eau, les dispositifs de trempe étant disposés afin qu'ils assurent une déformation thermique du rail (10) équilibrée de façon générale pendant la trempe.