用于热处理成型轧坯的方法及装置

本发明涉及一种热处理成型轧坯(profiled rolling stock)特别是 轨道或铁轨的方法，在铁基体材料γ范围内的冷却期间，型面表面部 分的热排出增加，在这里向具有增大的强度，特别是及增加的耐磨性 增加的硬度的精细珠光体颗粒的转变发生在所希望的剖面区域，特 别是在铁轨的头部区，如果需要，在冷却至室温时，特别是跟随着在 更剧烈冷却的剖面中的结构转变，通过由热引起的轧坯特别是铁轨 的与长轴垂直的扭曲而造成的变形或弯曲被减少，较好地是基本被 防止，取得在反向抗弯强度下增加的刚性及疲劳强度。

本发明进一步涉及用于成型轧坯特别是轨道或铁轨的热处理的 装置，它的基本组成为至少一个用于轧坯在辊道的辅助设备，一轧坯 定位装置及一冷处理区，还有用于轧坯表面局部高强度热排出的装 置及用于将轧坯冷却至室温的最后冷却区，以及存放、横向运输、停 止及操作装置。

最后本发明涉及成型轧坯特别是轨道或铁轨，其组成为至少具 有局部珠光体颗粒结构的轨道头部，轨道基座及轨道头部与轨基座 间的轨腰(web)。

成型轨坯特别是轨道或铁轨主要以铁基合金而制造，其含量重 量比为0.4到1.0％间的C，0.1到1.2％间的Si，0.5到3.5％间 Mn，如果需要再有至多1.5％的Cr，以及在低于1％浓度的其它合 金元素，其余是铁及在制造过程中发生的杂质。根据通常的尺寸，例 如30到100kg/m(千克/米)的重量以及由此得出的铁轨剖面与周 长之比，在轧坯在静止空气中从转化热量，冷却的过程中例如在冷床 或类似装置上时，发生颗粒从奥氏体向粗珠光体结构的转化，由于 慢速冷却可能会有铁氧体部分产生。以前提到的具有上述结构的材 料具有范围在250HB到350HB的硬度。

运输量的增加及轴向较大负荷，还有对于铁轨在实际应用中耐 用性的改进的需求已导致大量的关于增加材料强度及耐磨性的建 议。在这个过程中通过使用关于热处理及/或合金技术的措施取得 更具有优势或具有400HB硬度的及以上所述改进的材料特性是可 能的。

然而由于许多原因形成无冲击或多种长度只是其中之一原因， 在这一领域铁轨应易于焊接，结果仅由于焊接问题关于用于增加材 料硬度或强度还有耐用性的合金技术的措施可主要施加在一小范围 并且目的在于当钢的成分相配合的热处理(德国专利申请DE— C3446794，欧洲专利申请EP—B—0187904，EP—B—0186373)。出 于经济原因，这样的方法也不能在大范围上证明其自己。

为增加铁轨有用的特性以及以上述材料中形成的转换部分，用 回火处理来提供精细珠光体结构对于本领域中受过训练的人来说是 可能的并是已知的。在这个过程中建立用于从奥氏体化温度冷却下 来的适当的冷却条件或冷却速度是重要的。例如欧洲专利申请EP —B—0293002为此目的建议，在一初始高冷却强度后在约530℃上 进行几乎是等温的结构转换。从德国已刊出的待审查专利申请DE —0S2820784进一步可知，在沸腾水中进行确定成分的铁轨的硬化 并通过添加剂及调整步骤取得所希望的冷却强度来建立精细珠光体 结构状态。

与奥地利专利AT—PS—323224相一致，也已建议用确定的冷 却参数如10到20℃/S之间的冷却速度冷却到不超过550℃的温 度，从所选合金中生产具有均匀精细珠光体结构的铁轨。然而，上述 步骤具有共同缺点即，依据轧坯型面的物质浓度，该表面的均匀冷却 强度能引起在靠近表面区域上不同的冷却速度及结构形式，并且经 常需要采取精巧的预防措施来防止不希望的局部结构形式或材料特 性，特别是最初由弯曲而受压的铁轨部分的过硬及脆性。

在许多场合已提出了在铁轨的剖面上与各个应力相一致以定向 方式(directed manner)提供多相微结构。例如从德国专利申请DE —C—3006695，已知的方法，与其相一致通过冷却铁轨，从轧制热中 引起整个剖面的转换，在这之后用感应加热及接下来的硬化使铁轨 的头部再次奥氏体化。与WO94/02652相一致，进一步提出在一特 别设定的冷却强度的冷却媒体中将铁轨头部冷却至450到550℃的 表面温度并以此方式在那里产生精细珠光体颗粒。一个用于铁轨的 悬挂硬化的装置与德国专利申请DE—C—4003363相一致是适于这 样处理的。

然而，在成型轧坯的剖面上的非均匀冷却可导致在室温下的弯 曲或与直线性偏离。为避免这种缺陷，已提出(德国专利申请DE— A—4237991)在冷床上传递或冷却悬挂的铁轨，最好是头冲下，然而 在剖面上的多相颗粒结构的定向形成在这里几乎是不可能的。

至今所知的所有方法及装置具有共同的缺点即虽然它们披露了 在有限的领域中的解决方法或考虑在成型轧坯的制造中导致所希望 目标的各个方法步骤，以一种满意的方式克服所有问题，但没有显示 出与具有高质量且具有特殊完成特性的长效轧道(longterm rail)的 经济生产的连系。

本发明试图在这个领域提供解决方法，其目的是在去除已知生 产类型的缺点同时，列举新颖方法，通过这个方法可生产具有特别优 势的有用特性的成型轧坯。本发明的进一步目的是使得可以获得特 别用于执行该方法的装置并为最高压力设计轧坯特别是铁轨。

在与这些种类相一致的一种方法中该目标是在这样的条件下获 得的，即轧坯特别是铁轨在至多1100℃最好是至多900℃但至少为 750℃的平均温度以及在其塑性成形过程中在其长轴方向被校成直 线，以其校直状态运动进横向方向并固定在那里，在轧坯或铁轨冷 却的第一步中，允许最好基本是通过在静止空气中辐射来均匀冷却 至低于860℃的温度最好是820℃，特别是以同样局部冷却强度冷 却至合金的Ar3温度之上5到120℃。在冷却的第二步，热量在前轴 方向以一强度从轧坯中排出，这个强度从长轴看局部基本相同，但从 剖面看在周边上不同且在成型轧坯的周边上的，至少一个区域中冷 却强度是增加的，这里较大的冷却强度被分配到那些带有大的剖面 对周长比率或以相对于表面较大部分体积或一高物质浓度的区域 和/或具有局部高的轧坯温度的区域，冷却速度以这种方式增加的 区域被带到转换温度，在这个冷却条件下形成不含马氏体的珠光体 颗粒。然后在一接下来的步骤，以同样局部冷却强度进行至室温的冷 却，例如在静止空气中。在塑性成形过程中发生轧坯的直线校正是 很重要的，它的进行是在750℃到1100℃温度范围内。已经发现低于 750℃的温度可导致部分的弹性弯曲带有与直线校正的偏离，结果 导致了铁轨长轴方向上不均匀的冷却强度。在大多数场合，高于 1100℃的轧坯温度引起奥氏体的生长或粗颗粒的形成，由此，材料特 性最终受到负面的影响。在直线校正的轧坯基础上已发现对于在长 轴方向均匀生成的剖面精细珠光体区的形成，将轧坯固定并允许其 在第一冷却步骤中以同样的局部冷却强度均匀冷却至低于860℃的 温度是重要的。在这个过程中，一方面可以在长轴方向补偿温度分 布的局部不均匀性，这种不均性可能是由于其部分支撑在横向运输 装置上引起的，另一方面可以在成型轧坯的剖面上提供轴对称或中 心对称温度分布并且以这种方式其直线性是稳定化的。进行冷却至 合金的Ar3温度之上5到120℃温度的补偿是特别有优势的，以便 为在剖面部分中颗粒向粗细珠光体结构形态的部分转变提供优化条 件。在这种场合，Ar3温度是这样的温度在这个温度上合金的γ坐标 网(grid)转换成c坐标网是以3℃/min的冷却速度开始的。

以一种长轴方向基本相同但从剖面看在圆周上不同的热排出强 度的轧坯冷却本身已知。然而，当轧坯的物质浓度相对应分配表面 被增加冷却强度的区域是重要的。与直线校正，对称温度分布的补 偿冷却及设定及冷却区域的分配相联系，可以保持冷却速度，其在轧 坯的剖面区不同，但在长轴方向基本相同。在这种联系中，设定冷却 速度的值是重要的，以这个值通过本身已知的措施轧坯的所选区域 被带到转换温度。如在图3所看到的，它是已知成分的合金的时间一 温度转换曲线而且对本领域受到的人来说是已知的，在从Ar3温度 高速率冷却的过程中，例如曲线c和d，在颗粒中形成马氏体。由此 材料的硬度增大但大量失去了弹性并增加了断裂倾向而且所打算的 应用不再可能。低冷却速度如曲线h的速率，产生了粗珠光体软颗 粒结构。因而设定足够高的局部冷却速率是重要的，以便在每种场 合在转换中马氏体的生成被防止而在增加冷却强度的区域生成精细 珠光体颗粒。跟随着完全的颗粒转变，以同样的局部冷却强度将轧 坯带到室温以便减少或基本防止轧坯弯曲。如果热处理的进行是 在至少750℃最高1050℃的最后段压(tapping)期间跟随着具有1. 8到8％最好是2到5％的变形度的轧坯热压成形以热压成形热来 完成的话，这是具有特殊的优势。如果转变发生在温度范围770℃ 到1050℃范围，那么具有1.8到8％变形度或剖面减少率的最后形 变引起具有优势的奥氏体颗粒精细化。已示出少于1.8转换率引起 特别粗壮颗粒或在适当位置的颗粒生成，但大于8％的转换率引起 中央或内部区域的大的温度增加，显然这是由于所释放的转换能 量，由此，可引起局部颗粒的不均匀性及发生质量上的减少。

关于在冷却至室温后接受基本直线校正或轴向校正的轧坯及特 别是关于在相反弯曲压力下具有增强的刚性及疲劳强度的铁轨，如 果在冷却的第二步中冷却强度在成型轧坯的周边的二个或更多区域 中增加是具有很大优点的。由此措施，由于更精细的珠光体颗粒结 构，可取得在靠近表面的剖面的几个区域材料的硬度和强度增加。在 轧坯的弯曲压力的场合，在这里远离中心颗粒(neutral grain)或零 线的剖面区域示出了最大压力，现在有可能实现这些圆周区域中的 至少二个具有增强的强度。已发现对铁轨来说已可以在基础区域增 加材料的破碎韧性(fracture toughness)。

比较好的方式，具有最大质量浓度的轧坯部分如铁轨头部在一 浸渍过程或通过被浸在—冷却液中被冷却，同时，比较小的冷却强度 如压缩空气或空气一水喷溅从具有较小质量浓度的轧坯部分如铁轨 基座去除热量，这些试图用增加冷却来提供。以这种方式进行下去 可以抵消轧坯内部高度紧张状态及热弯曲的形成。

为了防止在前面提到的铁基上的合金中有缺点的马氏体形成并 取得合金中精细珠光体颗粒结构，如果冷却强度的程度及特别是用 于浸渍冷却的冷却液成分的这样一种方式设定是有优势的，即温度 范围在800℃到450℃，特别是靠近浸渍部分表面的区域冷却是以 1.6到2.4℃/S来取得最好是约20℃/S。因为经济原因这个冷却速 度较好，因为当已取得所需质量的轧制产品时，第二步骤中的较短 冷却时间是需要的并以这种方式取得大量的产量。

为了将弯曲减到最低，已显示出如果具有象现在那样的T形剖 面和成型轧坯如铁轨的基座，在轨腰相对的区域或表面以较高强度 最好是压缩空气或空气—水混合物的方式来冷却是比较具有优势 的。在这个过程已发现，如果位于与增加冷却强度的轨腰相对的表 面区域关于轨腰轴基本对称且横向被限制则关于长效特性的改进特 别具有优势。

如果进一步试图防止成型轧坯的剖面区域增强冷却强度，这些 区域相对于质量浓度或轨腰连接是末端的，和/或试图防止这些区域 增加的热排出或至少简短的加热它们可以在轧坯边缘内提供相同或 减少材料强度的颗粒，令人惊奇的是这降低了断裂危险，特别是在轧 制材料尖锐和/或连续改变压力的场合。

如果在成型轧制表面特别铁轨表面的冷却强度以这种方式来设 定γ颗粒转换在冷却过程中发生的区域基本被实施到与中心平面平 行对称和/或平行，最好与重心同心或与剖面重心线相同心，则可能 取得这种形状的特别强度。

为了获取在长轴方向基本完全均匀的局部冷却强度以及维持进 入冷却媒介的热传导稳定，可与本发明一致提供在冷却期间轧坯在 长轴方向相对冷却液容器或浸渍箱的移动，轧坯的一部分相对剖面 浸进浸箱中的冷却液和/或至少在轧坯的一部分浸进冷却液的时间 内冷却液的充填伴有振荡或使其振动。已发现这些措施确实改进了 所获得质量的均匀性。

前面所述类型用于在生产具有特殊特性的成型轧坯时整体解决 问题的装置与本发明相一致呈现的特色在于在辅助过的辊道具有轧 坯定位装置，其本身已知，以及用于在其塑性成形期间成型轧坯的直 线或轴向校直定位装置，还具有用于一横向运输装置，它用于轧坯在 辅助区到冷处理区在基本与其轴垂直的直线或轴向校直定位传输， 在这个冷处理区放置一已知的装置，它通过在浸渍箱中冷却液以及 固定和操作装置来硬化轧坯特别是铁轨头部，还放置一可控附加冷 却装置用于轧坯的至少一个另外区域，如铁轨的基座的更强冷却，其 特色还在于最后冷却区域对于轧坯冷却到室温有一支架。

已发现直线或轴向校直定位是重要的，特别是与相对成型轧坯 的剖面或部分区域部分进行的热处理相关的热处理。通过在其全长 或部分区域上防止弯曲，可以从轴向方向保持预定的冷却条件或保 持轧坯的冷却强度均匀，结果沿型面的壁的强度或硬度差被消除。 研究表明与冷却剂源壁的不同距离和/或与喷溅冷却轴的不同距离 可引起硬度和强度值的过度成比例偏差。

在定位过程中，通过适当装置使轧坯经受塑性成形来防止弹性 回复到可能的部分弯曲形状进一步来说是重要的。为了避免以后直 线化的必要，很重要的是以轴同排列定位的方向将成型轧坯用过直 线横向运输带入冷却区域。除此之外，在冷却区域提供操作装置，通 过这个装置，轧坯的传递、固定、浸渍进冷却液槽或部分区域硬化以 及传递到最后冷却区域是可能的。在这个过程中，提供至少一个附 加冷却装置以用于另一剖面区的加强冷却。

在本发明的另一个发展中，附加冷却装置可与轧坯相对相放且 其冷却强度可控，以便可以设定与此方法相对应的另一个局部热交 换，这是很有优势的。

一个实施例也是具有优势的，在这里附加冷却装置具有形成局 部冷却装置流动的部分这部分在轧坯的长轴或轴向方向基本不间断 并在横向方向受到限制，如果需要，具有用于防止从冷却表面的表面 增加的热排出。通过这一步骤，可以形成明显的受限冷却区并从强 化热排出过程除去邻近区域或在它们中产生较小的材料硬度，在这 里在另一实施例相一致，附加冷却装置作为可调压力或喷溅冷却装 置来设计。

如果轧坯在长轴方向在冷却液体中相对浸渍箱和/或相对附加 冷却装置可相对移动，或者如果装置放在浸渍箱上和/或在冷却液本 身内，用这种方式冷却液可湍流移动和/或设定到振动，则成型轧坯 的长轴方向在硬度和强度值的均匀性可进一步增加。已发现在冷却 媒介和工件之间的相对运动以及振荡运动或压力波动使得局部冷却 强度均等并产生优势化的热处理条件。

与本发明一致的铁轨，特别是与以前提到的方法之一一致所产 生的铁轨，它可以在以上描述的装置中产生，其特征在于在其剖面铁 轨在其头部的上部区域显示了很大的材料强度和硬度值，这个值在 轨腰的下端部及基座的圆周部分被减少，其特征还在于基座的底部 中的中心区域与圆周部分及轨腰相比具有增加的材料硬度值，这里 如果与剖面型面的主轴或铁轨剖面的垂直轴对称来设置基本相同的 材料硬度值，可取得特别均匀的质量特性。这样的铁轨显示出改进 的应用特性甚至在所增加的要求如高轴向负荷和/或高频率使用和/ 或小范围直线弯曲的情况下。

本发明将通过只示出一个实施例的图来得到详细描述。示出的 有：

图1铁轨热处理的过程；

图2在剖面中的铁轨；

图3铁轨材料的时间—温度转换曲线图。

在图1示意性示出的是成型轧坯，如铁轨通过例如(未示出)可 运动的震动台(pumper)或类似物放置在辊台21上的辅助区A上。 然后通过校直装置22及23来进行直线校直，这里也可校直竖立曲 线的定心型校直装置(centering type)是具有优势的。跟随着轧坯1 的校直，在冷却区B有一个向支架2的横向运输及用固定装置24进 入操作系统的放置，在这里在运动期间的固定必须是以这样的方式 进行即没有向长轴横向的弯曲。在一本身已知的方式中，通过固定 装置24轧坯或铁轨1部分浸入浸渍箱38的冷却液体37中。这里铁 轨1的表面与浸渍箱壁的距离在其长度的二边相等大是重要的。为 了强化轧坯表面的冷却强度特别是为了使其均匀化，以一种有优势 的方式，轧坯1可以在长轴方向以例如0.5到5米的量在浸渍箱38 或冷却媒介37中移动。也可以在冷却媒介37中或在浸渍箱上使用 振荡发生器(未示出)，它引起冷却媒介以例如100到800/分的频率 振荡，这有优势地影响了冷却强度。

可在轧坯一平坦部分可以是铁轨1的基座13上或与之相连放 置一附加冷却装置3。这样一个附加冷却装置可以有一水源和一空 气源并形成一个被引导到轧坯或铁轨基座表面部分的喷溅31。为了 向圆周部分132提供减少的冷却强度并形成只在轧坯或铁轨基座 区域的中央区131形成一增强材料硬度区，例如用一抽吸装置提供 冷却媒体的去除是有优势的。

在轧坯冷却之后，特别是铁轨1被浸入冷却媒介37而且特别是 其一部分放在与媒介相对的地方并经过喷溅31，在低于引起精细珠 光体的材料强度的转换温度之下，如与图3一致大约500℃在与曲 线f一致的冷却率之下，铁轨可被放在最后冷却区的支架25上以 便冷至室温。

如图2所代表的，与本发明一致的铁轨1具有三个不同颗粒结 构或硬度的区域，这里过渡区域具体在是连续的。精细珠光体区111 硬度值在340至390HB，可能达到425HB，被提供在铁轨头11内 并造成向减少的硬度如300到340HB区域的向下过渡。在腰部连 接12，在实际应用中它必须有大的韧度，由此已提供在280到 320HB的硬度值。较粗结构或薄片形成以及硬度值与轨腰12相同 在280到300HB的珠光体颗粒在铁轨基座13的圆周区132提供。 用这种颗粒实施例及减少硬度值的材料特性在大范围防止断裂或断 开的开始。然而，材料强度及硬度值增加在300到300HB及更多的 区域131形成在基座13底部的中心。如已确定的，在铁轨剖面的材 料机械特性与本发明一致的分布特别是在困难的条件下引起稳定性 及优势的长期特性。