EP1432835A2 - Verfahren und anlage zur thermischen behandlung von schienen - Google Patents

Verfahren und anlage zur thermischen behandlung von schienen

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EP1432835A2
EP1432835A2 EP02777151A EP02777151A EP1432835A2 EP 1432835 A2 EP1432835 A2 EP 1432835A2 EP 02777151 A EP02777151 A EP 02777151A EP 02777151 A EP02777151 A EP 02777151A EP 1432835 A2 EP1432835 A2 EP 1432835A2
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EP
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cooling
rail
rail head
thermal treatment
temperature
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Meinert Meyer
Thomas Nerzak
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SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Meer GmbH
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Publication date
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for the thermal treatment of rails, in particular of hot-rolled track or railroad tracks with profile parts of different masses, the rails being removed from the rolling heat by targeted thermal treatment and cooling in the profile parts in the profile area, in particular in the rail head, obtain a desired structure with increased strength.
  • the rolling stock has an average temperature of at most 1100 ° C., but at least 750 ° C. is just aligned, then brought in the transverse direction and cooled in a first cooling section with the same local cooling intensity to a temperature between 860 ° C to 5 to 120 ° C above the Ar temperature, then in a second cooling step with the same, seen in cross section with circumferentially Different cooling intensity, depending on the volume fraction based on the surface, extracts heat from the rolling stock in the longitudinal direction, thereby creating a structural transformation into a martensite-free, fine pearlitic structure, after which the cooling to room temperature is continued in a subsequent step with the same local cooling intensity.
  • the cooling section would have to be operated with a significantly lower heat flow density, or the heat transfer coefficient to be set would have to be set approximately 30 to 40% lower in order to avoid the formation of bainite in the edge zones of the rail head. This would then result in a considerably longer time, a larger lamella spacing and, associated with this, lower hardness values in the pearlite structure for the core area.
  • the targeted pre-cooling to a core temperature of the rail head of 750 to 850 ° C can be carried out according to the invention by cooling in air with natural convection or forced with the help of fans.
  • nozzles it is also possible to use nozzles to cool with a water-air mixture (aerosol cooling), this cooling preferably being carried out on a cross tractor with a corresponding number of berths.
  • the surface temperature is measured, for example, at the center of the rail head without contact using a pyrometer.
  • the peripheral zone temperature determined here is then, depending on the type of cooling and intensity, approx. 30 to 60 ° C below the core temperature still present.
  • the temperature of the rail head is during the entire thermal treatment, starting from the entry into the pre-cooling device until it leaves the finished cooling device measured.
  • the measured values are fed into a measuring and control device and are used to control the individual process steps to be carried out, including the heating upstream of the final cooling.
  • a pre-cooling device which allows a targeted cooling of the rail from the rolling heat to a core temperature of the rail head of 750 to 850 ° C
  • a heating device directly upstream of the finished cooling device for example one or more induction coils which are traversed by the rail,
  • a pre-cooling device for example a water cooling section, in which the rail is cooled with such a high heat flow density that the shortest possible t 8/5 time (cooling time of 800 to 500 ° C in the ZTU diagram) is achieved for the core zone.
  • the cooling devices for pre- and finished cooling as well as the heating or heating device for intermediate heating are connected to a measuring and regulating device, into which the temperature measurements, in particular of the rail head, flow and which controls the entire thermal treatment accordingly, in order to set and maintain the desired temperatures or cooling and heating conditions.
  • a schematic system for thermal treatment after the rolling process of an exemplary rail is shown below in schematic drawing figures.
  • Fig. 2 shows a thermal treatment plant as a flow diagram.
  • FIG. 1 the cross section of a rail 1 is shown.
  • the rail 1 consists of profile parts of different masses, the rail head 2 with edge zone 5 and core zone 6, the middle part 3 and the rail foot 4.
  • the edge zone 5 of the rail head 2 is shown in broken lines in FIG. 1; it is the area which is to be converted primarily by targeted thermal treatment into a fine-lamellar periite structure, without 5 bainite being formed during the thermal treatment in this peripheral zone or in this area.
  • FIG. 2 shows a schematic system 10 for carrying out the thermal treatment according to the invention.
  • the system 10 consists of a pre-cooling device 12, preferably an inductive heating device 13 and a pre-cooling device 14, which are arranged one after the other in the rolling line xx behind the last rolling stand 11, and which are passed through by the rail 1 after they exit the rolling stand 11.
  • the control of the thermal treatment - comprising the intensity of the cooling or heating as well as the throughput speed through the individual system parts 12, 13, 14, is carried out as a function of the temperature measured in each case by a measuring and regulating device 15, which is connected via corresponding lines 16, 17, 18 for the Temperature measured values and the control signals are connected to the respective system parts 12, 13, 14.
  • thermal treatment system can of course be varied as much as possible depending on the type and size of the rails and the type of pre-cooling and finishing cooling selected and the scope of the measuring and control device, provided that the process steps according to the invention arranged in succession are fully maintained.

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Description

Verfahren und Anlage zur thermischen Behandlung von Schienen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur thermischen Behandlung von Schienen, insbesondere von warmgewalzten Fahr- bzw. Eisenbahnschienen mit Profilteilen unterschiedlicher Masse, wobei die Schienen aus der Walzhitze durch eine gezielte thermische Behandlung und Kühlung im der Profilteile im Profilbereich, insbesondere im Schienenkopf, ein gewünschtes Gefüge mit erhöhter Festigkeit erhalten.
Es ist bekannt, Schienen aus der Walzhitze bis auf Temperaturen unterhalb 80° auf Kühlbetten abzukühlen. Wegen der asymmetrischen Anordnung der Massen aufgrund der unterschiedlichen Profilteile der Schienen ergibt sich zwischen Kopf und Fuß der Schienen ein unterschiedliches Abkühiverhalten. Der Fuß kühlt sich schneller ab als der Kopf, woraus resultiert, dass sich die Schiene beim Erkalten krümmt. Durch Vorbiegen der noch heißen Schiene oder durch einen unterschiedlichen Abkühiprozess für Kopf und Fuß kann dieser Krümmung vorgebeugt werden. Durch das Vorbiegen oder durch den differenzierten Kühlprozess werden jedoch Eigenspannungen in der Schiene erzeugt, die deren mechanische Eigenschaften und damit die Lebensdauer nachteilig beeinflussen.
Um ein gleichmäßiges Abkühlen von Fuß und Kopf der Schiene zu gewährleisten, wird deshalb in der DE 42 37 991 A1 vorgeschlagen, die Schiene mit dem Kopf nach unten hängend über das Kühlbett zu transportieren, und weitergehend in der US-PS 468 788, die nach unten hängenden Schienenköpfe in ein mit Wasser gefülltes Becken ganz oder teilweise einzutauchen, wobei sie gleichzeitig mittels Druckschrauben gegen ein festes Widerlager gedrückt werden.
Die bei der Abkühlung stattfindenden Gefügeumwandlungen werden in der EP 0 693 562 B1 beschrieben, wobei vorgeschlagen wird, dass das Walzgut mit einer durchschnittlichen Temperatur von höchstens 1100°C, mindestens jedoch 750°C gerade ausgerichtet wird, dann in Querrichtung gebracht und in einem ersten Kühlabschnitt mit gleicher örtlicher Kühlintensität auf eine Temperatur zwischen 860°C bis 5 bis 120°C über der Ar-Temperatur gekühlt, danach in einem zweiten Abkühlschritt mit gleicher, im Querschnitt gesehen mit umfänglich unterschiedlicher Kühlintensität, je nach Volumenanteil bezogen auf die Oberfläche, dem Walzgut in Längsrichtung Wärme entzogen und dadurch eine Gefügeumwandlung in eine martensitfreie feinperlitische Struktur erzeugt wird, wonach in einem Folgeschritt wieder mit gleicher örtlicher Kühlintensität die Abkühlung bis Raumtemperatur fortgesetzt wird.
Aus der DE-C-30 06 695 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem die Abkühlung durch einen Zwischenschritt mit Wiederaufheizen unterbrochen und in dem zunächst durch Abkühlung der Schienen aus der Walzhitze im gesamten Querschnitt eine Umwandlung bewirkt, wonach der Schienenkopf, insbesondere durch induktive Erwärmung, reaustenitisiert und daran anschließend weiter gekühlt wird. Als Ergebnis erhält man ein feinlamellares perlitisches Gefüge, es besteht jedoch die Gefahr der Bildung unerwünschter Anteile an Bainit und Martensit im Gefüge.
Um dieses. zu vermeiden, wird in der EP 0 187 904 B1 neben dem Zusatz verschiedener Legierungsstoffe verfahrensmäßig vorgeschlagen, den Schienenkopf zunächst im Durchlauf in hinreichender Tiefe bis zu 50 mm mittels Brenner oder induktiv auf eine Austenitisierungstemperatur von 950 bis 1050°C aufzuheizen, anschließend mit Pressluft den Schienenkopf in einer ersten Abkühlstufe innerhalb von 10 bis 20 Sekunden auf 650 bis 600°C vor den Bereich der Perlitumwandlung zu kühlen und in einer zweiten Abkühlstufe mit gegenüber. der ersten Stufe gedrosselter Luftmenge innerhalb von 2 bis 4 Minuten auf ca. 400°C bis zur Beendigung der Perlitumwandlung unter Bildung eines feinlamellaren perlitischen Gefü- ges abzukühlen. Anschließend wird der Schienenkopf erneut auf 600 bis 650°C für einen Zeitraum von 4 bis 6 Minuten erwärmt und sodann schnell auf unter 100°C abgeschreckt. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anlage anzugeben, durch die eine gezielte thermische Behandlung speziell während der Abkühlung des Schienenkopfes ermöglicht und mit einfachen Mitteln ein Gefüge erzeugt wird, das einen feinlamellaren Perlit aufweist, der sich durch ein bestimmtes Härteniveau und damit verbunden durch eine hohe Verschleissfestigkeit auszeichnet und wobei während des Abkühlvorgangs insbesondere in den Randzonen des Schienenkopfes kein Bainit entsteht.
Die gestellte Aufgabe wird verfahrensmäßig bei Schienen der vorstehend genannten Art durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst, die gekennzeichnet sind durch die hintereinander angeordneten Verfahrensschritte:
a) Gezieltes Vorkühlen der Schiene aus der Walzhitze auf eine Kerntemperatur des Schienenkopfes von 750 bis 850°C,
b) Aufheizen der Randzone des Schienenkopfes auf mindestens Kerntemperatur,
c) Fertigkühlen der Schiene mit so hoher Wärmestromdichte, dass für die Kernzone des Schienenkopfes eine möglichst kurze t8/5-Zeit (Abkühlzeit von 800 bis 500°C im ZTU-Schaubild) erreicht wird.
Durch diese erfindungsgemäß durchgeführten Verfahrensschritte mit zunächst gezielter Kühlung und daran anschließendem Wiederaufheizen, durch das die abgekühlten Randzonen mindestens wieder auf die Kerntemperatur aufgeheizt werden, wird es möglich, in der direkt anschließenden Kühlstrecke eine hohe Wärmestromdichte für die Schienen einzustellen, ohne die Randzonen unter die Bai- nit-Starttemperatur zu kühlen. Dabei kann gleichzeitig sichergestellt werden, dass für die Kernzone eine möglichst kurze t8/5~Zeit erreicht wird.. Dies bedeutet insbesondere, dass der gesamte Schienenkopf gerade so schnell in die Umwandlungszone gekühlt wird, dass das gewünschte feinlamellare Perlitgefüge erzeugt wird. Eine zwischenzeitliche Unterkühlung der Randzone und eine dortige vorzeitige Umwandlung wird somit verhindert und die Entstehung von Bainit vermieden. Gleichzeitig wird das Temperaturprofil des Schienenkopfes vor Eintritt in die abschließende Kühlstrecke homogenisiert, so dass auch die Kernzone des Schienenkopfes in ein ähnlich feinlamellares perlitisches Gefüge wie in der Randzone umgewandelt wird.
Ohne die erfindungsgemäße Verfahrensweise müsste die Kühlstrecke mit einer deutlich geringeren Wärmestromdichte betrieben werden, bzw. die einzustellende Wärmeübergangszahl wäre ca. 30 bis 40 % niedriger anzusetzen, um die Bainit- Bildung in den Randzonen des Schienenkopfes zu vermeiden. Hierdurch würden sich dann für den Kernbereich eine erheblich längere -Zeit, ein größerer Lamellenabstand und damit verbunden geringere Härtewerte im Perlitgefüge ergeben.
Das gezielte Vorkühlen auf eine Kerntemperatur des Schienenkopfes von 750 bis 850°C kann gemäß der Erfindung durch Abkühlen an Luft mit natürlicher Konvek- tion oder forciert mit Hilfe von Ventilatoren erfolgen. Es ist aber auch möglich, mit Hilfe von Düsen mit einem Wasser-Luft-Gemisch (Aerosol-Kühlung) zu kühlen, wobei diese Kühlung vorzugsweise auf einem Querschlepper mit entsprechender Anzahl von Liegeplätzen vorgenommen wird.
Während des Abkühlvorgangs wird die Oberflächentemperatur beispielsweise an der Schienenkopfmitte berührungslos mit Hilfe eines Pyrometers gemessen. Die hier ermittelte Randzonentemperatur liegt dann je nach der Abkühlart und Intensität ca. 30 bis 60°C unterhalb der noch vorhandenen Kerntemperatur.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur des Schienenkopfes während der gesamten thermischen Behandlung, ausgehend vom Eintritt in die Vorkühleinrichtung bis zum Verlassen der Fertigkühleinrichtung gemessen. Die gemessenen Werte werden in eine Mess- und Regeleinrichtung eingespeist und dienen zur Steuerung der einzelnen durchzuführenden Verfahrensschritte, einschließlich der der Fertigkühlung vorgeschalteten Aufheizung.
Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch die nachfolgenden Anlagenteile:
a) eine Vorkühleinrichtung, die eine gezielte Abkühlung der Schiene aus der Walzhitze auf eine Kerntemperatur des Schienenkopfes von 750 bis 850°C erlaubt,
b) eine unmittelbar der Fertigkühleinrichtung vorgeordnete Erwärmungsvorrichtung, beispielsweise eine oder mehrere Induktionsspulen, die von der Schiene durchlaufen werden,
c) eine Fertigkühleinrichtung, beispielsweise eine Wasserkühlstrecke, in der die Schiene mit so hoher Wärmestromdichte gekühlt wird, dass für die Kemzone eine möglichst kurze t8/5-Zeit (Abkühlzeit von 800 bis 500°C im ZTU-Schaubild) erreicht wird.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stehen die Kühleinrichtungen zur Vor- und Fertigkühlung sowie die Erwärmungs- bzw. Aufheizvorrichtung zur Zwischenaufheizung mit einer Mess- und Regeleinrichtung in Verbindung, in die die Temperaturmesswerte, insbesondere des Schienenkopfes einfließen und die die gesamte thermische Behandlung entsprechend steuert, um die gewünschten Temperaturen bzw. Abkühl- und Aufheizbedingungen einzustellen und einzuhalten. Eine schematisierte Anlage zur thermischen Behandlung nach dem Walzprozess einer beispielhaften Schiene ist nachfolgend in schematischen Zeichnungsfiguren dargestellt.
Es zeigen:
Fig.1 eine Schiene in Querschnitt,
Fig. 2 eine thermische Behandlungsanlage als Ablaufschema.
In Figur 1 ist der Querschnitt einer Schiene 1 dargestellt. Die Schiene 1 besteht aus Profilteilen unterschiedlicher Masse, dem Schienenkopf 2 mit Randzone 5 und Kernzone 6, dem Mittelteil 3 und dem Schienenfuß 4. Die Randzone 5 des Schienenkopfes 2 ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt; es ist der Bereich, der primär durch gezielte thermische Behandlung in ein feinlamellares Periitgefuge umgewandelt werden soll, ohne dass bei der thermischen Behandlung in dieser Randzone bzw. in diesen Bereich 5 Bainit entsteht.
In Figur 2 ist eine schematisierte Anlage 10 zur Durchführung der thermischen Behandlung nach der Erfindung dargestellt. Die Anlage 10 besteht - in der Walzlinie x-x hinter dem letzten Walzgerüst 11 hintereinander angeordnet - aus einer Vorkühleinrichtung 12, einer vorzugsweise induktiven Aufheizvorrichtung 13 und einer Fertigkühleinrichtung 14, die von der Schiene 1 nach ihrem Austritt aus dem Walzgerüst 11 nacheinander durchlaufen werden. Die Steuerung der thermischen Behandlung - umfassend die Intensität der Kühlung bzw. der Aufheizung sowie die Durchlaufgeschwindigkeit durch die einzelnen Anlagenteile 12, 13, 14, geschieht in Abhängigkeit von der jeweils gemessenen Temperatur durch eine Mess- und Regeleinrichtung 15, die über entsprechende Leitungen 16, 17, 18 für die Temperaturmesswerte und die Steuersignale mit den jeweiligen Anlagenteilen 12, 13, 14 verbunden sind.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel einer thermischen Behandlungsanlage kann selbstverständlich je nach Art und Größe der Schienen sowie der Art der gewählten Vor - und Fertigkühlung sowie dem Umfang der Mess- und Regeleinrichtung weitestgehend variiert werden, wenn die Einhaltung der hintereinander angeordneten erfindungsgemäßen Verfahrensschritte voll inhaltlich gewahrt bleibt.
Bezugszeichen liste
Schiene
Schienenkopf
Mittelteil
Schienenfuß
Randzone
Kernzone
thermische Behandlungsanlage
Walzgerüst
Vorkühleinrichtung
Aufheizvorrichtung
Fertigkühleinrichtung
Regeleinrichtung
Leitung
Leitung
Leitung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Schienen (1), insbesondere von warmgewalzten Fahr- bzw. Eisenbahnschienen mit Profilteilen unterschiedlicher Masse, wobei die Schienen (1) aus der Walzhitze durch eine gezielte thermische Behandlung und Kühlung der Profilteile im Profilbereich, insbesondere im Schienenkopf (2), ein gewünschtes Gefüge mit erhöhter Festigkeit erhalten, gekennzeichnet durch die hintereinander angeordneten Verfahrensschritte:
a) Gezieltes Vorkühlen der Schiene (1) aus der Walzhitze auf eine Kerntemperatur des Schienenkopfes (2) von 750 - 850°C,
b) Aufheizen der Randzone (5) des Schienenkopfes (2) auf mindestens Kerntemperatur,
c) Fertigkühlen der Schiene (1 ) mit so hoher Wärmestromdichte, dass für die Kernzone (6) des Schienenkopfes (2) eine möglichst kurze t8/5-Zeit (Abkühlzeit von 800 bis 500°C im ZTU-Schaubild) erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beim Fertigkühlen der gesamte Schienenkopf (2) gerade so schnell durch die Umwandlungszone gekühlt wird, dass ein gewünschtes feinlamellares Periitgefuge erzeugt wird, ohne dabei die Randzone (5) unter die Bainit-Starttemperatur zu kühlen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkühlung der Schiene (1) je nach der Schienenquerschnittsgröße mit Luft durch natürliche Konvektionskühlung oder forciert mit Hilfe von Ventilatoren oder aber über Düsen mit einem Wasser-Luftgemisch (Aerosol-Kühlung) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abkühlvorgangs der Vorkühlung die Oberflächentemperatur - vorzugsweise an der Schienenkopfmitte - berührungslos, beispielsweise mit einem Pyrometer gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Temperaturmessung während der Vorkühlung die Oberflächentemperatur - vorzugsweise an der Schienenkopfmitte - auch während des Aufheizens und des Fertigkühlens gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Temperaturwerte mit Hilfe einer Mess- und Regeleinrichtung (15) zur Steuerung des zeitlichen Verlaufs und der Intensität der gesamten thermischen Behandlung der Schiene (1) für die einzelnen Verfahrensschritte verwendet werden.
7. Anlage (10) zur thermischen Behandlung von Schienen (1), insbesondere von warmgewalzten Fahr- bzw. Eisenbahnschienen mit Profilteilen unterschiedlicher Masse, wobei die Schienen (1 ) aus der Walzhitze durch eine gezielte thermische Behandlung und Kühlung der Profilteile im Profilbereich, insbesondere im Schienenkopf (2), ein gewünschtes Gefüge mit erhöhter Festigkeit erhalten, zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
a) eine Vorkühleinrichtung (12), die eine gezielte Abkühlung der Schiene (1) aus der Walzhitze auf eine Kerntemperatur des Schienenkopfes (2) von 750 - 850°C erlaubt, b) eine unmittelbar der Fertigkühleinrichtung (14) vorgeordnete Erwärmungsvorrichtung (13), beispielsweise eine oder mehrere Induktionsspulen, die von der Schiene (1) durchlaufen werden,
c) eine Fertigkühleinrichtung (14), beispielsweise eine Wasserkühlstrecke, in der die Schiene (1) mit so hoher Wärmestromdichte gekühlt wird, dass für die Kernzone (6) eine möglichst kurze t8/5-Zeit (Abkühlzeit von 800 bis 500°C im ZTU-Schaubild) erreicht wird.
8. Anlage (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtungen (12, 14) zur Vor- und Fertigkühlung und die Erwärmungsvorrichtung (13) jeweils mit einer Mess- und Regeleinrichtung (15), in die die Temperaturwerte des Schienenkopfes (2) während der verschiedenen Verfahrensschritte der gesamten thermischen Behandlung einfließen, in Verbindung stehen und von dieser gesteuert und geregelt werden.
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