Изобретение относится к области обработки металлов и предназначено для термообработки, связанной с нормализацией структуры металла после сварки, в частности алюминотермитной сварки рельсов с промежуточным литьем.The invention relates to the field of metal processing and is intended for heat treatment associated with the normalization of the metal structure after welding, in particular aluminothermic welding of rails with intermediate casting.
При алюминотермитной сварке в металле соединяемых частей образуются зоны с различной структурой. Сварное соединение между концами двух рельсов представляет собой структуру металла, состоящую из полученной при сгорании термитной смеси стали и растворенной в ней рельсовой стали, к структуре сварного соединения с двух сторон примыкают зоны термического влияния рельсов, подвергшихся воздействию сварки, с характерным структурообразованием, отличающимся от структуры металла рельсов, не подвергшихся воздействию сварки, что оказывает неблагоприятное влияние на износостойкость рельсовых стыков и делает необходимой применять термообработку по завершении процесса сварки для нормализации структуры металла.During aluminothermic welding, zones with different structures are formed in the metal of the parts being joined. A welded joint between the ends of two rails is a metal structure consisting of a thermite mixture of steel and rail steel dissolved in it, the heat-affected zones of the rails subjected to welding adjoin the welded joint structure on both sides with a characteristic structure formation that differs from the structure metal rails not exposed to welding, which has an adverse effect on the wear resistance of rail joints and makes it necessary to apply thermal boot at the end of the welding process to normalize the structure of the metal.
Из уровня техники известны способы и устройства термообработки рельсовых стыков, например, по патентам США 5306361 и 5377959 или патенту Германии DE 4319417, где проводят термообработку поверхности катания рельсов в месте сварки и примыкающих зон влияния сверху с помощью системы горелок в течение 50-150 сек.The prior art methods and devices for heat treatment of rail joints, for example, according to US patents 5306361 and 5377959 or German patent DE 4319417, which conduct heat treatment of the rolling surface of the rails at the welding site and adjacent zones of influence from above using a system of burners for 50-150 sec.
Наиболее близким, по мнению заявителя, является способ термообработки рельсового стыка, изготовленного с помощью сварки заливкой промежуточного металла и применения в этом способе системы горелок с определенной компоновкой по евразийскому патенту ЕА 000181 (публ. 24.12.1998, C21D 9/04, 9/50) правообладателя ЭЛЕКТРО-ТЕРМИТ ГМБХ (DE), когда непосредственно после завершения алюминотермитного процесса сварки после удаления литников и при необходимости после шлифовальных работ термообработку начинают при температуре ниже температуры аустенизации, но когда в зоне сварного соединения еще имеется значительное количество остаточного тепла, это позволяет ограничить подвод тепла для повторной аустенизации с целью получения мелкозернистой структуры металла, что снижает расход топлива и повышает теплотехническую эффективность всего процесса сварки. Нормализация осуществляется, по меньшей мере, в зоне подошвы рельса с возможностью расширения размеров нормализуемой зоны, в том числе на головку рельса. После стадии термообработки стыка способ включает операции охлаждения стыка до температуры окружающей среды, включая скоростное охлаждение сжатым воздухом, и его окончательную обработку. Кроме того, термообработка известным способом частично устраняет остаточные напряжения, возникающие в процессе сварки. Известный способ может быть реализован системой симметричных в вертикальной плоскости горелок, соединенных с распределительной трубой подачи горючей смеси, компоновка которых обеспечивает совпадение средней поперечной плоскости системы с соответствующей средней плоскостью зоны промежуточной заливки, что обеспечивает симметрию подвода тепла в зону рельсового стыка при возможном регулировании расстояния между соплами горелок и нагреваемыми поверхностями профиля рельса.The closest, according to the applicant, is a method of heat treatment of a rail joint made by welding by pouring intermediate metal and the use in this method of a burner system with a specific layout according to Eurasian patent EA 000181 (publ. 24.12.1998, C21D 9/04, 9/50 ) of the copyright holder ELECTRO-TERMIT GMBH (DE), when immediately after the completion of the aluminothermic welding process after removing the sprues and, if necessary after grinding work, the heat treatment begins at a temperature below the austenization temperature, but Yes, in the weld zone there is still a significant amount of residual heat, this allows you to limit the heat supply for re-austenization in order to obtain a fine-grained metal structure, which reduces fuel consumption and increases the heat engineering efficiency of the entire welding process. Normalization is carried out, at least in the area of the rail base with the possibility of expanding the size of the normalized zone, including the rail head. After the heat treatment step of the joint, the method includes the steps of cooling the joint to ambient temperature, including high-speed cooling with compressed air, and its final processing. In addition, heat treatment in a known manner partially eliminates the residual stresses that occur during the welding process. The known method can be implemented by a system of burners symmetrical in the vertical plane, connected to the distribution pipe for supplying the combustible mixture, the arrangement of which ensures that the average transverse plane of the system coincides with the corresponding average plane of the intermediate filling zone, which ensures symmetry of heat supply to the rail joint zone with possible adjustment of the distance between burner nozzles and heated rail profile surfaces.
Недостатком известного решения является проведение процесса нормализации в зоне головки рельса. В связи с тем что твердость российских рельсов достигается объемной закалкой, а твердость металла сварного шва достигается металлургическим путем - легирующими добавками, поверхность катания головки ж/д рельса может при равномерной структуре оказывать неравномерную твердость и привести к «выработке» в зоне сварного шва, что отрицательно сказывается на его прочностных свойствах. Кроме того, нормализацию известным способом проводят до достаточного охлаждения зоны сварного стыка, по этой причине ускоренное охлаждение после повторного подогрева является необходимостью, усложняя процесс нормализации. Теплопередача к подошве рельсов осуществляется в зоне термического влияния промежуточной заливки, в результате чего зона повышенной пластичности является ограниченной (см. расстояние между соплами каждой из горелок предлагаемой методики). Устройство по известному решению не обладает возможностью изменения направления истечения газовой горючей смеси из каждой из горелок, что делает невозможным применение одного устройства на разных типах рельсов.A disadvantage of the known solution is the normalization process in the area of the rail head. Due to the fact that the hardness of Russian rails is achieved by volume hardening, and the hardness of the weld metal is achieved metallurgically - by alloying additives, the rolling surface of the rail head can produce uneven hardness with a uniform structure and lead to “development” in the weld zone, which negatively affects its strength properties. In addition, normalization in a known manner is carried out until the weld joint zone is sufficiently cooled, for this reason, accelerated cooling after reheating is a necessity, complicating the normalization process. Heat transfer to the sole of the rails is carried out in the heat-affected zone of the intermediate fill, as a result of which the zone of increased ductility is limited (see the distance between the nozzles of each burner of the proposed method). According to a known solution, the device does not have the ability to change the direction of the outflow of the gas combustible mixture from each of the burners, which makes it impossible to use one device on different types of rails.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является повышение прочностных свойств сварного шва за счет достижения пластичности металла зоны сварного соединения, что обеспечивается, в частности, выбором параметров периода выдержки, нагрева и охлаждения при возможности унификации работы на различных типах рельсов и упрощении способа.The technical result, the achievement of which the present invention is directed, is to increase the strength properties of the weld due to the ductility of the metal of the weld zone, which is ensured, in particular, by choosing the parameters of the holding period, heating and cooling with the possibility of unifying work on various types of rails and simplifying the method .
Указанный технический результат достигается тем, что в способе нормализации структуры металла в зоне рельсового стыка, полученного с помощью сварки с заливкой промежуточного металла с последующим охлаждением в окружающей воздушной среде, термообработку подошвы рельсов проводят в поперечном направлении относительно зоны сварного соединения вне зоны термического влияния рельсов, подвергшихся воздействию сварки при достижении температуры зоны сварного соединения, не превышающей 450°С, с продолжительностью прогрева подошвы 17-25 мин, при исключении термообработки головки рельсов.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of normalizing the structure of the metal in the area of the rail joint obtained by welding with pouring intermediate metal and then cooling in ambient air, the heat treatment of the bottom of the rails is carried out in the transverse direction relative to the weld zone outside the zone of thermal influence of the rails, exposed to welding when the temperature of the weld zone does not exceed 450 ° C, with a sole heating time of 17-25 minutes, when exception heat treatment of the rail head.
При этом в реализующем заявленный способ устройстве, содержащем расположенные с противоположных сторон от свариваемого рельса горелки, сопловые отверстия которых направлены на подошву обрабатываемого рельсового профиля, соединены через отводные трубки с газовыми смесителями подключения и регулировки подачи газа, устройство содержит раму, образованную элементом крепления на головке рельса, балкой с элементами регулировки положения горелок и закрепленным между ними кожухом, предохраняющим головку рельса от теплопередачи. При этом горелка может быть выполнена с, по меньшей мере, двумя соплами, истечение горючей смеси которых направлено вне зон термического влияния при отсутствии требования симметричности относительно вертикальной продольной плоскости, проходящей через середину свариваемого рельса.At the same time, in the device that implements the claimed method, the burner is located on opposite sides of the welded rail, the nozzle openings of which are directed to the bottom of the rail to be processed, are connected through exhaust pipes to gas mixers for connecting and adjusting the gas supply, the device contains a frame formed by a fastening element on the head rail, a beam with elements for adjusting the position of the burners and a casing fixed between them, protecting the rail head from heat transfer. In this case, the burner can be made with at least two nozzles, the outflow of the combustible mixture of which is directed outside the heat affected zones in the absence of symmetry requirements with respect to the vertical longitudinal plane passing through the middle of the welded rail.
Сущность изобретения раскрывается следующими чертежами. На чертеже показан перспективный вид устройства, где устройство термообработки 1 установлено на подвергающийся термообработке рельс 2 с горелками 3, оснащенными соплами 4, направленными на подошву рельса 5. Отводные трубки 6 горелок закреплены на раме, образованной элементом крепления 7, балкой 8 с регулировочным узлом 9 и кожухом 10.The invention is disclosed by the following drawings. The drawing shows a perspective view of the device, where the heat treatment device 1 is installed on the heat-treated rail 2 with burners 3, equipped with nozzles 4 directed to the bottom of the rail 5. The exhaust pipes 6 of the burners are mounted on the frame formed by the fastening element 7, the beam 8 with the adjustment unit 9 and casing 10.
Устройство работает следующим образом. Непосредственно после завершения процесса алюминотермитной сварки и удаления литников поверхность сварного шва очищается от песка и на головке рельса устанавливается система термообработки. При температуре шва, не превышающей 450°С, что происходит примерно через 17 минут после окончания литья, зажигают пламя горелок, обеспечивая давление газов - кислорода 1,1 бар, пропана 0,3 бар. Проводят термообработку подошвы рельса с продолжительностью прогрева 17-25 мин (в зависимости от температуры окружающей среды и сорта и качества газовой смеси). Термообработка считается завершенной, когда зона перехода между подошвой и шейкой рельса приобретает темно красный цвет. После этого клапаны пропанного и кислородного баллонов закрываются, а оборудование удаляется с рельса. В процессе термообработки нагреву подвергается только подошва рельса, при этом головка рельса изолируется кожухом. Регулировка положения горелок, в том числе их продольное перемещение и наклон относительно горизонтали, позволяет использовать устройство на различных типах рельсов.The device operates as follows. Immediately after completion of the aluminothermic welding process and the removal of gates, the surface of the weld is cleaned of sand and a heat treatment system is installed on the rail head. At a weld temperature not exceeding 450 ° C, which occurs approximately 17 minutes after the end of casting, the flame of the burners is ignited, providing a gas pressure of 1.1 bar oxygen, 0.3 bar propane. Heat treatment of the rail sole is carried out with a heating time of 17-25 minutes (depending on the ambient temperature and grade and quality of the gas mixture). Heat treatment is considered complete when the transition zone between the sole and the neck of the rail becomes dark red. After that, the valves of the propane and oxygen cylinders are closed, and the equipment is removed from the rail. In the heat treatment process, only the rail sole is subjected to heating, while the rail head is insulated with a casing. Adjusting the position of the burners, including their longitudinal movement and inclination relative to the horizontal, allows the device to be used on various types of rails.