钢轨轨端帽形淬火设备和工艺的研究与应用

钢轨轨端帽形淬火设备和工艺的研究与应用高中庸唐德修陈泰舒岳允文(广西工学院)(攀枝花钢铁(集团)公司)摘要讨论了铁路用钢轨轨端帽形淬火的重要性，介绍了一种平移式轨端淬火机以及帽形感应器与冷却器的结构特点，并对气、水二相冷却剂的应用效果和帽形淬火质量进行了分析和评价。关键词帽形感应器轨端帽形淬火平移式轨端淬火机气、水二相冷却剂INVESTIGATIONANDAPPLICATIONOFTHEEQUIPMENTANDTECHNIQUEFORCAP-LIKEHARDENINGOFRAILENDGAOZhongyong(GuangxiInstituteofTechnology)TANGDexiuCHENTaishuYUEYunwen(PanzhihuaIron&Steel(Group)Co.)ABSTRACTInthispaperthefunctionsandimportanceofcap-likehardeningofrailendisdiscussed,theconstructioncharacteristicsofthehorizontalhardeningmachine,cap-likeinductorandcoolerareintroduced,thequalityofhardenedrailendandtheapplicationoftwo-phaseairmistcoolantisanalyzedandevaluated.KEYWORDScap-likeinductor,cap-likehardeningofrailend,horizontalhardeningmachineforrailend,two-phaseairmistcoolant1前言铁路是我国国民经济的大动脉，铁路运输安全问题极为重要。加强铁道线路的养护，特别是加强钢轨接头的养护，是确保行车安全的重要一环。在行车过程中，火车车轮对钢轨轨端的冲击和摩擦大大超过了钢轨的其他部位，一旦钢轨轨端强度较低，轨端就会较早地发生磨损、压溃或表层金属的剥落，从而缩短整根钢轨的使用寿命。为了通过提高钢轨轨端的强度达到延长整轨使用寿命的目的，我们设计了一种新的淬火设备，用其对钢轨轨端进行帽形淬火。多年实践表明，轨端帽形淬火有效地提高了轨端抵抗火车车轮冲击和摩擦的能力，从而使铁路线路的养护费用大为减少，确保了铁路运输的安全。特别是在铁路铺设钢轨日趋重型化的今天，钢轨轨端帽形淬火将会产生更大的经济效益和社会效益。2帽形淬火设备和工艺2.1热处理质量标准对感应器形状的要求我国国家标准GB2585—81［1］对38～50kg/m的铁路用钢轨轨端的热处理质量作了规定。该标准对轨端淬硬层深度的规定如图1所示。过去工厂常用一种立式轨端淬火机，这种淬火机仅能使用如图2(a)和(b)所示的两种淬火感应器。虽然图2(b)所示感应器可以有效地扩大钢轨的加热区面积，但是仍然达不到标准所规定的指标；与相应的国际标准对比，差距则更大。图1轨端帽形淬硬区域Fig.1Cap-likehardeningareaofrailenda≥10mm；b≥6mm图2三种淬火感应器Fig.2Threehardeninginductors图中阴影线部分表示可加热到相变点以上的大致范围A、B1(B2)、C1(C2)—施感导体为此，设计了如图2(c)所示的帽形淬火感应器，它可使钢轨轨端淬火的加热区范围超过现有国标规定的尺寸，因而适于加热更大型钢轨的轨端。但是，这种感应器不能在立式淬火机上使用。2.2平移式轨端淬火机的结构特点为了能方便地采用图2(c)所示的帽形淬火感应器，设计了平移式轨端淬火机，其结构如图3所示。轨端淬火前，移钢机将钢轨送到被处理位置，直立放在台架上，然后在距轨端10m处用气动夹紧装置夹紧。淬火时，机床滑台在液压油缸驱动下作纵向平移。为了使感应器随滑台平移时能正确导入钢轨轨顶，钢轨轨顶中心与感应器中心的偏离量不应大于1mm。为此在机床滑台和横梁上分别设置了轨底对中和轨顶对中装置。滑台平移时，对中装置利用淬硬耐磨的两侧斜导板强行拨动钢轨以使其与机床对齐。由图3可知，底对中装置首先作用以保证钢轨与机床位置大体保持一致，然后由顶对中装置较精确定位以使感应器中心与轨顶中心对齐。由于移钢机将钢轨送达的位置相对较为准确，钢轨的夹紧位置距轨端长达10m，并且轨底与支承台架接触处总有一些润滑油，因此对中装置不必费多大力就能拨动钢轨，设计时无须在加强机床的横向刚度上作更多的考虑。图3平移式淬火机结构简图Fig.3Structuralsketchofhorizontalhardeningmachine1—床身；2—滑轨；3—滑台；4—升降装置；5—横梁；6—变压器；7—感应器；8—底对中装置；9—顶对中装置；10—踏轮；11—喷雾器；12—挡水装置；13—被淬火钢轨；14—支承台架；15—气动夹头当变换重型钢轨产品的规格时，图3中的横梁高度可借助蜗轮—螺旋升降装置作相应调整。图中的挡水装置用于防止冷却剂喷射到变压器上以确保使用安全。淬火机的主要技术参数见表1。表1平移式淬火机主要技术参数Table1Maintechnicalparametersofhorizontalhardeningmachine项目指标中频电源功率/kW250液压电机功率/kW4可处理钢轨规格/kg*m-143～75滑台纵向移动行程/mm600滑台移动速度/m*s-1≤0.083生产率(75kg/m轨)/根*h-130～35(每根25m)轮廓尺寸(长×宽×高)/mm2120×940×18702.3感应器结构帽形淬火感应器采用单匝五回路串联结构，施感导体为矩形紫铜管，管内可通冷却水。施感导体与钢轨顶面的间距为3～5mm，与侧面的间距为3～4mm。实验表明，这一间距可获得较为满意的加热效果。为了充分利用工厂的现有条件，设计的感应器由已有的一台中频淬火降压变压器供给电源，变压器电源来自一台频率不可调的中频发电机组。感应器的主要技术参数见表2。表2感应器主要技术参数Table2Maintechnicalparametersofinductor项目指标单相极间电压/V35～45电流/A2000～2800电流频率/Hz2500等效电阻/Ω420×10-6等效阻抗/Ω1810×10-62.4冷却器结构反复实验对比发现，采用一定比例的压缩空气和热水组成的两相介质雾化冷却剂来冷却被感应加热的轨端，可实现淬火索氏体的完全转变。该冷却剂与单相的空气冷却相比，可获得较高的淬火硬度；与单相的水冷却剂相比，可避免形成回火索氏体与上贝氏体的混合组织，从而减少了脆性危害，改善了轨端的韧性和强度［2］。冷却器的喷雾板上钻有呈梅花形排列的斜孔，以使喷射角β＝30°～35°(见图4)，从而可在轨端淬硬区与非淬硬区之间获得一个平缓的过渡区域，以防沿轨长出现硬度的突变现象。感应加热时，钢轨顶面处的温度为960℃左右，两侧靠近下颚处的温度稍低些，约为860℃。因此，将钢轨顶面喷雾板的孔取为2.5mm，下颚附近喷雾孔为1.5mm，其余喷雾孔径为2mm。感应器退出后，冷却剂随即喷出。图4冷却剂喷射角Fig.4Sprayingangleofcoolant经过反复实验，最终确定了U71Mn钢号、75kg/m重轨轨端中频感应淬火的基本工艺参数(见表3)。3测试结果及分析3.1钢轨横截面上的硬度测定表3轨端淬火工艺参数Table3Hardeningtechniqueparametersofrailend名称指标名称指标加热时间/s45均热时间/s18加热长度/mm150～170喷雾时间/s25喷雾长度/mm50～60用水量/cm3330水温/℃70～80风压/MPa0.49～0.54随机选取8根已经轨端帽形淬火的钢轨，分别在距轨端20mm处切下一件试样。然后按图5所示从外向里分别沿aa、bb、cc三线每隔3mm打点测量硬度。表4所列数据即为8个试件对应各点的硬度平均值。表4轨端横截面上的硬度分布(HRC)Table4Hardnessdistributionincrosssectionofrailend深度/mm3691215aa线35.835.635.332.0—bb线37.436.233.1——cc线36.135.335.637.135.9图5钢轨横截面硬度测量点位置Fig.5Thepositionofpointsmeasuringhardnessincrosssectionofrail3.2钢轨纵向截面上的硬度测定与横截面硬度测定相类似，沿钢轨中心线切下纵向试样后，按距轨顶3mm、6mm和10mm三个层次，从轨端开始到基体为止，沿纵向每隔5mm打点测量硬度值。图6所示即为三个深度层次的钢轨纵向硬度平均值分布曲线。从图可以看出，钢轨的淬硬层长度和过渡区长度都能达到GB2585—81所规定的上限尺寸的要求。3.3测定结果分析材质为U71Mn的钢轨经热轧、空冷和矫直后，基体硬度一般不超过HRC31。参照GB2585—81标准，攀钢将75kg/m钢轨的淬火层硬度规定在HRC32.5～40.5范围之内，图6所示的实测结果与这一要求相符。从表4可以看出，钢轨横截面上的硬度值由外向里基本呈递减趋势，并且淬硬层的形状和深度也符合帽形分布要求。但是，正如表4所反映的，钢轨横截面cc线方向的硬度值并不遵循由外向里递减的规律，在12mm深处的硬度反而最大。这一事实说明，所设计的感应器还有待改进。图2(c)所示感应器的AB1(或B2)两施感导体间距离较大，致使cc线靠表层处温度较低；反之，两个施感体又同时对深约12mm处的金属产生加热效果，致使硬度分布稍有反常。图6轨端帽形淬火纵向硬度分布曲线Fig.6Verticalhardnesscurvesofrailendwithcap-likehardening从纵向硬度分布来看，即使以距顶面深10mm处的硬度值作为评价依据，其淬硬层长度也超过了50mm。从淬硬段到过渡区，硬度沿纵向的变化是平缓的。但在距轨端110～150mm处，纵向各层硬度值都有上升的趋势。显然，这种硬度曲线的“翘尾”现象不会影响钢轨的使用寿命。在同一铁道线上同时铺设帽形淬火轨和普通平面淬火轨，承受1亿t以上的总运输量后发现，普通平面淬火轨轨端磨损量明显大于帽形淬火轨，并且还伴随明显的压溃现象。这一事实说明，帽形淬火在确保轨顶强度的同时，也改善了轨侧及下颚处的内部金相组织，使其具有较高的强度、硬度和抗塑性变形能力。在火车车轮反复冲击作用下，帽形淬火轨的轨端下颚与鱼尾板接触处不会产生过大的间隙和塑性变形，因而较之其他淬火轨具有长得多的使用寿命。4结语(1)随着铁路用钢轨趋于重型化以及列车运行速度的提高，冲击、振动和摩擦所引起的轨端寿命问题变得越来越突出。为了提高钢轨的使用寿命和减少铁路的养护工作量，必须提高钢轨轨端的热处理质量。实践表明，轨端经帽形淬火可以有效延长钢轨使用寿命和降低维护费用，因而值得推广和坚持。(2)平移式淬火机与立式淬火机比较，其突出的优点是应用范围广、可使用各种形状的感应器。作为钢轨轨端帽形淬火的关键设备，平移式淬火机结构简单，钢轨生产厂家都能自行制造。(3)轨端帽形淬火硬度随长度变化的曲线发生“翘尾”现象对钢轨轨端热处理质量没有大的影响，并且不妨碍使用。但是，产生这种现象的原因还有待进一步研究。(4)图2(c)所示加热感应器的施感导体在排列方式上如能加以改进，则有可能改善轨端受热后的温度场状态，从而使其横截面上的硬度分布更为合理。(5)限于工厂的条件，设计的淬火机感应电流频率不可调，这在某种程度上限制了该机的生产能力和轨端的加热深度。如果电源条件获得某种程度的改善，加热深度将相应有所增加，加热时间将会缩短，淬火机的生产能力也可望有所提高。(6)压缩空气与热水组成的二相雾状冷却剂是完善轨端帽形淬火工艺的重要条件，其成本低而污染少，极有实用价值。参考文献1中国国家标准汇编.每米38～50公斤钢轨技术条件GB2585—81.北京：中国标准出版社，1986.2刘顺标，吕东升，庞凤荣，等.金属材料