СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ
METHOD FOR THERMAL TREATMENT OF RAILS

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
N<sub>2</sub>
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
σт
σв
δ5
ψ
Твердость
KCU при температуре +20°С
Н/мм<sup>2</sup>
%
НВ10
НВ22
НВш
НВпод
НВпкг
Дж/см<sup>2</sup>
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.