RU2200764C2

RU2200764C2 - Induction apparatus for thermal treatment of welded joints, for example, rails

Info

Publication number: RU2200764C2
Application number: RU2001109560/02A
Authority: RU
Inventors: С.К. Земан
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Магнит"
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2003-03-20

Abstract

FIELD: thermal treatment of metal products. SUBSTANCE: induction apparatus has windings, which is arranged at welded joint site in opposed relation at both sides of rail. Straight and reversing conductors of windings are separated by magnetic cores movable relative to windings in direction perpendicular to rail side surfaces. Prior to heating, apparatus is fixed in the vicinity of welded joint by means of nuts. EFFECT: increased resistance of welded joint to wear, contact defects and fatigue cracking in transverse direction during operation. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к термической обработке металлических изделий, и может быть использовано для объемного индукционного нагрева сварных стыков железнодорожных рельсов в местах их эксплуатации перед закалкой, а также для других длинномерных изделий. The invention relates to the heat treatment of metal products, and can be used for volume induction heating of welded joints of railway rails in their places of operation before hardening, as well as for other lengthy products.

Известно, что сварка всегда приводит к образованию в сварном соединении дефектных структур, могущих привести к разрушению в условиях эксплуатации рельса. Структура шва, структура границ шва с основным металлом и структура околошовной зоны ослабляют сварное соединение. Эффективный путь исправления этих дефектов в области сварного соединения - термообработка после сварки. Нагрев после сварки с одновременным принудительным охлаждением деформируемой зоны для предотвращения процессов собирательной и вторичной рекристаллизации и получения мелкозернистой перлитной структуры в сварном соединении позволяет получить в сварном соединении ферритоперлитную смесь со свойствами, идентичными свойствам основного металла. При такой закалке необходимо, чтобы зона фазовой перекристаллизации перекрывала зону термического влияния сварки по всему сечению сварного соединения. Поскольку рельс в сечении имеет сложную форму, возникают определенные требования к конструкции индукционного нагревательного устройства, которое должно обеспечить определенное распределение температуры по сечению сварного соединения для обеспечения вышеуказанных задач и разработанное с возможностью установки его на путевой машине для сварки стыков. It is known that welding always leads to the formation of defective structures in the welded joint, which can lead to destruction during operation of the rail. The structure of the weld, the structure of the boundaries of the weld with the base metal, and the structure of the heat-affected zone weaken the welded joint. An effective way to correct these defects in the weld area is post-weld heat treatment. Heating after welding with simultaneous forced cooling of the deformable zone to prevent the processes of collective and secondary recrystallization and obtain a fine-grained pearlite structure in the welded joint allows to obtain a ferritic perlite mixture in the welded joint with properties identical to those of the base metal. With such hardening, it is necessary that the phase recrystallization zone overlaps the zone of thermal influence of welding over the entire cross section of the welded joint. Since the rail in the cross section has a complex shape, certain requirements arise for the design of the induction heating device, which must provide a certain temperature distribution over the cross section of the welded joint to ensure the above tasks and is designed to be installed on a track machine for welding joints.

Известен способ поверхностной закалки рельсов, включающий нагрев головки рельса до закалочных температур высокочастотным электромагнитным полем индуктирующего проводника и последующее ее охлаждение (авторское свидетельство СССР 48413, кл. C 21 D 9/04, 1935 г.), однако этот способ закалки рельсов является недостаточно эффективным из-за невозможности обеспечения объемного нагрева в зоне стыка. Известен способ закалки железнодорожных рельсов (патент РФ 2008363, публ. 28.02.1994 г.), в котором производят нагрев головки рельса до закалочных температур высокочастотным электромагнитным полем индуктирующего проводника и при этом уменьшают зону нагрева головки рельса за счет улучшения локальности указанного высокочастотного электромагнитного поля, для чего его возбуждают за счет индуктирования токов высокой частоты в линейном проводнике, соединенном с помощью пластин с индуктирующим проводником, причем линейный проводник имеет больший диаметр, чем индуктирующий проводник. Однако недостатком данного способа является локальный поверхностный нагрев головки рельса, не обеспечивающий необходимое распределение температур между головкой и подошвой рельса для обеспечения достаточной прочности стыка. A known method of surface hardening of rails, including heating the rail head to hardening temperatures with a high-frequency electromagnetic field of the induction conductor and its subsequent cooling (USSR author's certificate 48413, class C 21 D 9/04, 1935), however, this method of hardening rails is not effective enough due to the impossibility of providing volumetric heating in the joint zone. A known method of hardening railway rails (RF patent 2008363, publ. 02.28.1994), in which the rail head is heated to quenching temperatures by the high-frequency electromagnetic field of the induction conductor and the area of heating of the rail head is reduced by improving the locality of the specified high-frequency electromagnetic field, why it is excited by induction of high frequency currents in a linear conductor connected by plates with an induction conductor, and the linear conductor has a larger d and diameter than induction conductor. However, the disadvantage of this method is the local surface heating of the rail head, which does not provide the necessary temperature distribution between the head and the rail sole to ensure sufficient joint strength.

Известен способ термической обработки остряковых и рамных рельсов и устройство для его осуществления, в котором производят одновременный нагрев рабочих поверхностей катания головки в высокочастотном электромагнитном поле индуктора, имеющего форму поверхности катания головки, и подошвы рельса (патент РФ 2135607, публ. 27.08.1999 г.), однако этот способ направлен на достижение оптимальных соотношений температур в головке и подошве рельса и не учитывает распределение температуры по сечению, поэтому может оказаться, что в средней части головки и шейке не достигается необходимое распределение температуры и, вследствие этого, не достигается необходимая стойкость ударным нагрузкам и остается возможность возникновения поперечных трещин усталости в месте сварного соединения. A known method of heat treatment of witty and frame rails and a device for its implementation, which produce simultaneous heating of the working surfaces of the head in the high-frequency electromagnetic field of the inductor having the shape of the head and the bottom of the rail (RF patent 2135607, publ. 08.27.1999, ), however, this method is aimed at achieving optimal temperature ratios in the head and sole of the rail and does not take into account the temperature distribution over the cross section, so it may turn out that in the middle part of the head and yke not reached the necessary temperature distribution, and, therefore, is not achieved the necessary resistance to impact loads and remains the possibility of occurrence of fatigue cracks in the transverse location of the welded joint.

Задачей изобретения является создание индукционного нагревательного устройства, которое позволяет обеспечить необходимое распределение температуры по сечению сварного соединения при его объемной закалке, обеспечивающее повышение стойкости рельса в месте стыка износу, контактным повреждениям и поперечным трещинам усталости в процессе эксплуатации, а также обеспечить снижение времени и трудоемкости подготовки устройства к работе при переходе с одного сортамента рельсов на другой. The objective of the invention is the creation of an induction heating device that allows you to provide the necessary temperature distribution over the cross section of the welded joint during its volume hardening, providing increased resistance of the rail at the junction to wear, contact damage and transverse fatigue cracks during operation, as well as to reduce the time and complexity of preparation devices to work when switching from one assortment of rails to another.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве индукционного нагрева стыков железнодорожных рельсов, включающем индуктор, подключенный к источнику переменного тока высокой частоты, индуктор выполнен в виде двух плоских прямоугольных спиралевидных обмоток, расположенных друг против друга с двух сторон рельса, прямые и обратные проводники которых разделены подвижными магнитопроводами, свободно перемещающимися относительно обмоток перпендикулярно боковым поверхностям рельса, при этом обмотки подключены к источнику питания так, чтобы обеспечить протекание токов в одном направлении в частях обмоток, прилегающих к головке рельса. The problem is solved in that in the device for induction heating of the joints of railway rails, including an inductor connected to a high-frequency alternating current source, the inductor is made in the form of two flat rectangular spiral windings located opposite each other on two sides of the rail, the direct and return conductors of which are separated movable magnetic circuits freely moving relative to the windings perpendicular to the side surfaces of the rail, while the windings are connected to a power source so that Oba provide current flow in one direction in the portions of the windings, adjacent to the head of the rail.

Указанное выполнение обмоток с обеспечением определенного направления протекания токов в сочетании с возможностью перемещения магнитопроводов относительно обмоток дает возможность исключить взаимовлияние прямых и обратных витков индуктора, а также позволяет, изменяя магнитную связь в системе индуктор-нагреваемая деталь, обеспечить наиболее эффективное распределение индуцируемых токов в нагреваемой зоне и получить в ней требуемую картину температурного поля. The specified implementation of the windings with a certain direction of the current flow in combination with the ability to move the magnetic circuits relative to the windings makes it possible to eliminate the influence of direct and reverse turns of the inductor, and also, by changing the magnetic coupling in the inductor-heated part system, to ensure the most efficient distribution of the induced currents in the heated zone and get the required picture of the temperature field in it.

Кроме того, для облегчения установки индуктора на нагреваемую часть рельса обмотки вместе с соответствующими магнитопроводами размещены на частях каркаса из тепло- и электроизолирующего материала, объединенных между собой устройством, обеспечивающим их взаимное перемещение относительно друг друга, в направлении, перпендикулярном продольной оси рельса. In addition, to facilitate the installation of the inductor on the heated part of the rail, the windings together with the corresponding magnetic cores are placed on the frame parts of the heat and electrical insulating material, interconnected by a device that ensures their relative movement relative to each other, in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the rail.

Для дополнительного улучшения магнитной связи системы деталь-индуктор и повышения КПД обмотки изогнуты по форме головки и верхней части подошвы с соответствующих сторон рельса. To further improve the magnetic coupling of the component-inductor system and increase the efficiency of the winding, they are curved in the shape of the head and the upper part of the sole on the respective sides of the rail.

Далее сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - схема устройства, размещенного на нагреваемой детали;
фиг.2 - конфигурация обмотки для выполнения устройства.Further, the invention is illustrated by drawings, which show:
figure 1 - diagram of a device placed on a heated part;
figure 2 - configuration of the winding for the implementation of the device.

Индукционное устройство для термообработки сварных стыков состоит из двух обмоток 1 и 2, расположенных в месте сварного стыка друг против друга с двух сторон рельса 3, имеющего головку 4, шейку 5 и подошву 6. Прямые и обратные проводники обмоток разделены подвижными магнитопроводами 7 и 8, перемещающимися относительно обмоток в направлениях, перпендикулярных боковым поверхностям рельса 3. Соединение индуктора с источником высокочастотного питания должно обеспечивать протекание в одном направлении токов в витках обмоток, прилегающих к головке 4 рельса. Обмотки 1 и 2 имеют плоскую прямоугольную спиралевидную конфигурацию, показанную на фиг.2. Плоские обмотки 1 и 2 изогнуты таким образом, что каждая их них огибает часть головки 4 рельса со своей стороны, соответствующую сторону шейки 5 и верхнюю часть подошвы 6. Обмотки размещены на двух стойках 9 и 10 каркаса, выполненного из тепло- и электроизоляционного материала, верхние части которых объединены устройством перемещения, например, состоящим из отрезков трубы 11 и 12, неподвижно скрепленных со стойками каркаса 9 и 10 в их верхних частях, имеющих внутреннюю резьбу. Между отрезками трубы 11 и 12 укреплена пружина сжатия 13, на которую воздействует шпилька 14 при повороте гаек 16 и 17, изменяя при этом расстояние между стойками 9 и 10. The induction device for heat treatment of welded joints consists of two windings 1 and 2 located at the welded joint against each other on two sides of a rail 3 having a head 4, a neck 5 and a sole 6. The forward and reverse conductors of the windings are separated by moving magnetic circuits 7 and 8, moving relative to the windings in directions perpendicular to the side surfaces of the rail 3. The connection of the inductor with a high-frequency power source should ensure that the currents flow in one direction in the turns of the windings adjacent to the heads ke 4 rails. The windings 1 and 2 have a flat rectangular spiral configuration, shown in figure 2. The flat windings 1 and 2 are bent so that each of them bends around a part of the rail head 4 on its side, the corresponding side of the neck 5 and the upper part of the sole 6. The windings are placed on two posts 9 and 10 of the frame made of heat and electrical insulation material, the upper parts of which are combined by a moving device, for example, consisting of pipe sections 11 and 12, fixedly fastened to the struts of the frame 9 and 10 in their upper parts having an internal thread. Between the pipe sections 11 and 12, a compression spring 13 is strengthened, which acts on the pin 14 when turning the nuts 16 and 17, while changing the distance between the posts 9 and 10.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Индукционную закалку ведут непосредственно на месте расположения рельса. Перед началом индукционной закалки устройство устанавливают на рельсе 3 в месте сварного стыка с помощью поворота гаек 16 и 17. Путем соответствующего поворота тех же гаек обеспечивается необходимый зазор между индуктором и нагреваемой деталью. Включается подача высокочастотного питания с частотой 10000 Гц. Высокочастотный ток индуктирует токи высокой частоты в обмотках 1 и 2, которые возбуждают электромагнитное поле, воздействующее на область нагрева, вызывая в ней вихревые токи, разогревающие ее до закалочных температур. В процессе нагрева путем перемещения магнитопроводов 7 и 8 можно менять распределение вихревых токов для получения необходимого распределения температурных полей на рельсах данного сортамента и, соответственно, достигать осуществления процессов перекристаллизации для получения необходимой структуры металла по всему сечению сварного стыка. Устройство легко и быстро настраивается на работу при переходе на рельсы другого сортамента. Induction hardening is carried out directly at the location of the rail. Before induction hardening, the device is installed on the rail 3 at the welded joint by turning the nuts 16 and 17. By appropriate rotation of the same nuts, the necessary clearance between the inductor and the heated part is provided. Turns on the supply of high-frequency power with a frequency of 10000 Hz. High-frequency current induces high-frequency currents in windings 1 and 2, which excite an electromagnetic field that acts on the heating region, causing eddy currents in it, heating it to quenching temperatures. During heating by moving the magnetic circuits 7 and 8, it is possible to change the distribution of eddy currents to obtain the necessary distribution of temperature fields on the rails of this assortment and, accordingly, to achieve the implementation of recrystallization processes to obtain the necessary metal structure over the entire cross section of the welded joint. The device is easily and quickly configured to work when switching to rails of a different range.

Разработанное в настоящее время устройство предназначено для проведения нагрева сварных стыков перед их закалкой для термообработки рельсов Р50; Р65; Р75. Возможность обеспечения необходимых условий нагрева места сварного стыка повышает безопасность движения поездов за счет получения необходимой прочности и пластичности сварных стыков. Currently developed device is designed to heat welded joints before hardening for heat treatment of P50 rails; P65; P75 The ability to provide the necessary conditions for heating the place of the weld joint increases the safety of trains by obtaining the necessary strength and ductility of the welded joints.

Claims

1. A device for heating the joints of railway rails, comprising an inductor connected to a high-frequency alternating current source, characterized in that the inductor is made in the form of two flat rectangular spiral windings located opposite each other on both sides of the rail, the direct and return conductors of which are separated by movable magnetic circuits freely moving relative to the windings perpendicular to the side surfaces of the rail, while the windings are connected to a power source so as to ensure leakage currents in one direction in parts of the windings adjacent to the rail head.

2. The device according to claim 1, characterized in that the windings, together with the corresponding magnetic circuits, are placed on two parts of the frame of heat and electrical insulating material, interconnected by a device that ensures their mutual movement relative to each other, in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the rail.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the windings are curved in the shape of the head and the upper part of the sole on the respective sides of the rail.