EP1432835B1 - Verfahren zur thermischen behandlung von schienen - Google Patents

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EP1432835B1
EP1432835B1 EP02777151A EP02777151A EP1432835B1 EP 1432835 B1 EP1432835 B1 EP 1432835B1 EP 02777151 A EP02777151 A EP 02777151A EP 02777151 A EP02777151 A EP 02777151A EP 1432835 B1 EP1432835 B1 EP 1432835B1
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EP
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cooling
rail
temperature
rail head
rails
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EP02777151A
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Klaus Küppers
Meinert Meyer
Thomas Nerzak
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SMS Group GmbH
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SMS Meer GmbH
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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
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/009—Pearlite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • 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 for the thermal treatment of rails, in particular of hot-rolled rail or railway rails with profile parts different mass, the rails from the rolling heat through a targeted thermal treatment and cooling in the profile parts in the profile area, in particular obtained in the rail head, a desired texture with increased strength.
  • the rail head first in the passage in sufficient depth up to 50 mm by means of burner or induction heating to an austenitizing temperature of 950 to 1050 ° C, then with compressed air, the rail head in a first cooling stage within from 10 to 20 seconds to 650 to 600 ° C before the area of pearlite conversion to cool and in a second cooling stage with respect to the first stage throttled Air volume within 2 to 4 minutes to about 400 ° C until the end the Perlitumwandlung to form a fine-lamellar pearlitic structure cool. Subsequently, the rail head is again set to 600 to 650 ° C for heated for a period of 4 to 6 minutes and then quickly to below 100 ° C. deterred.
  • a method Specify through which a targeted thermal treatment specifically during the cooling of the rail head allows and with simple means Microstructure is produced, which has a fine-lamellar perlite, which is characterized by a certain hardness level and associated with a high resistance to abrasion characterized and wherein during the cooling process in particular in the Edge zones of the rail head no bainite arises.
  • the cooling section would have to be operated with a significantly lower heat flux density, or the heat transfer coefficient to be set would be about 30 to 40% lower in order to avoid bainite formation in the edge zones of the rail head.
  • the heat transfer coefficient to be set would be about 30 to 40% lower in order to avoid bainite formation in the edge zones of the rail head.
  • the targeted pre-cooling to a core temperature of the rail head from 750 to 850 ° C can according to the invention by cooling in air with natural convection or forced with the help of fans. But it is also possible with To cool the help of nozzles with a water-air mixture (aerosol cooling), this cooling preferably on a cross tractor with appropriate Number of moorings is made.
  • the surface temperature becomes the rail head center measured without contact using a pyrometer.
  • the boundary zone temperature determined here then depends on the type of cooling and intensity about 30 to 60 ° C below the still existing Kemtemperatur.
  • the temperature of Rail head during the entire thermal treatment starting from entering the Vorkssel issued until leaving the Fertigkühl issued measured.
  • the measured values are transferred to a measuring and control device fed and serve to control the individual process steps to be performed, including heating upstream of the final cooling.
  • FIG. 1 shows the cross section of a rail 1.
  • the rail 1 is made from profile parts of different mass, 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 Fig. 2 is shown in phantom in Fig. 1; it is the area that is primarily through targeted thermal treatment converted into a fine-lamellar pearlite structure is to be, without that in the thermal treatment in this edge zone or 5 bainite is created in this area.
  • FIG 2 is a schematic system 10 for carrying out the thermal Treatment according to the invention shown.
  • the plant 10 is - in the rolling line x-x behind the last rolling mill 11 arranged one behind the other - from a Pre-cooling device 12, a preferably inductive heating device 13 and a Fertigkühl Surprise 14, of the rail 1 after its exit from the Roll stand 11 are passed through one after the other.
  • the control of the thermal Treatment - includes the intensity of cooling or heating as well the flow rate through the individual system parts 12, 13, 14, happens depending on the respective measured temperature by a measuring and control device 15, which via corresponding lines 16, 17, 18 for the Temperature measured values and the control signals with the respective installation parts 12, 13, 14 are connected.
  • thermo treatment plant can Of course, depending on the type and size of the rails and the type of the selected Pre - and final cooling as well as the scope of the measuring and control device be varied as far as compliance with the arranged one behind the other process steps of the invention is fully preserved content.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 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 Abkühlverhalten. 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 Abkühlprozess 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.
Durch das US-A-4.933 024 ist es bekanntgeworden, eine Schiene aus der Walzhitze heraus auf Ar3-Temperatur oder darunter liegend abzukühlen, danach auf einen Temperaturbereich von AC3-Umwandlungstemperatur bis 950°C aufzuheizen und anschließend wieder zu kühlen.
Um ein gleichmäßiges Abkühlen von Fuß und Kopf der Schiene zu gewährleisten, wird 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 Gefüges 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 anzugeben, durch das 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 Verschieissfestigkeit auszeichnet und wobei während des Abkühlvorgangs insbesondere in den Randzonen des Schienenkopfes kein Bainit entsteht.
Diese Aufgabe wird 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 Kemtemperatur des Schienenkopfes von 750 °C bis 850 °C derart, dass eine zwischenzeitliche Unterkühlung der Randzone des Schienenkopfes und eine dortige vorzeitige Umwandlung verhindert wird,
  • b) Aufheizen der Randzone des Schienenkopfes auf mindestens Kerntemperatur,
  • c) Fertigkühlen der Schiene mit so hoher Wärmestromdichte, dass für die Kemzone 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 Kemtemperatur aufgeheizt werden, wird es möglich, in der direkt anschließenden Kühlstrecke eine hohe Wärmestromdichte für die Schienen einzustellen, ohne die Randzonen unter die Bainit-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 Kembereich eine erheblich längere t8/5-Zeit, ein größerer Lamellenabstand und damit verbunden geringere Härtewerte im Perlitgefüge ergeben.
    Das gezielte Vorkühlen auf eine Kemtemperatur des Schienenkopfes von 750 bis 850°C kann gemäß der Erfindung durch Abkühlen an Luft mit natürlicher Konvektion 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 Kemtemperatur.
    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 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 Perlitgefüge 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.
    Bezugszeichenliste
    1
    Schiene
    2
    Schienenkopf
    3
    Mittelteil
    4
    Schienenfuß
    5
    Randzone
    6
    Kemzone
    10
    thermische Behandlungsanlage
    11
    Walzgerüst
    12
    Vorkühleinrichtung
    13
    Aufheizvorrichtung
    14.
    Fertigkühleinrichtung
    15
    Regeleinrichtung
    16
    Leitung
    17
    Leitung
    18
    Leitung

    Claims (6)

    1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Schienen (1), insbesondere von warmgewalzten Fahr- bzw. Eisenbahnschienen mit Profilteiten 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 °C bis 850 °C derart, dass eine zwischenzeitliche Unterkühlung der Randzone (5) des Schienenkopfes (2) und eine dortige vorzeitige Umwandlung verhindert wird,
      b) Aufheizen der Randzone (5) des Schienenkopfes (2) auf mindestens Kerntemperatur,
      c) Fertigkühlen der Schiene (1) mit so hoher Wärmestromdichte, dass für die Kemzone (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 Perlitgefüge 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.
    EP02777151A 2001-09-29 2002-09-19 Verfahren zur thermischen behandlung von schienen Expired - Lifetime EP1432835B1 (de)

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    DE10148305 2001-09-29
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    EP1432835A2 EP1432835A2 (de) 2004-06-30
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    US (1) US7416622B2 (de)
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