钢轨热处理装置及热处理方法

摘要

本发明公开了一种钢轨热处理装置，其包括热处理机构、供水机构、供气机构、主框架和用于放置钢轨的钢轨放置机构；热处理机构包括稳压风箱，所述稳压风箱通过小通风管分别与上风箱、下风箱、左风箱、右风箱连接，该上风箱、下风箱、左风箱、右风箱上均设有第一喷嘴；上风箱的第一喷嘴置于钢轨的正上方，下风箱的第一喷嘴置于钢轨的正下方，且上风箱的第一喷嘴、下风箱的第一喷嘴的中轴线与钢轨的中轴线重合；左风箱的第一喷嘴、右风箱的第一喷嘴对称设置在钢轨的两侧；供水机构、供气机构分别与稳压风险连接；钢轨放置机构置于主框架内。本发明还提供一种钢轨热处理方法。本发明简单、操作方便，能确保钢轨的热处理效果。

权利要求

1.一种钢轨热处理装置，其特征在于：包括热处理机构、供水机构、供气机构、主框架和用于放置钢轨的钢轨放置机构；

所述热处理机构包括稳压风箱，所述稳压风箱通过小通风管分别与上风箱、下风箱、左风箱、右风箱连接，该上风箱、下风箱、左风箱、右风箱上均设有第一喷嘴；上风箱的第一喷嘴置于钢轨的正上方，下风箱的第一喷嘴置于钢轨的正下方，且上风箱的第一喷嘴、下风箱的第一喷嘴的中轴线与钢轨的中轴线重合；左风箱的第一喷嘴、右风箱的第一喷嘴对称设置在钢轨的两侧；

所述供水机构、供气机构分别与稳压风箱连接；所述钢轨放置机构置于主框架内；

所述供水机构包括依次连接的水箱、水泵、主水管、高温雾化喷嘴，所述高温雾化喷嘴置于稳压风箱内；在主水管上设有水压表、水压控制阀；

所述供气机构包括依次连接的空气压缩机、主通风管，所述主通风管与稳压风箱连通；

在主通风管上设有主控制阀；

所述上风箱通过橡胶软管与上风管连接，下风箱通过橡胶软管与下风管连接、左风箱通过橡胶软管与左风管连接、右风箱通过橡胶软管与右风管连接，所述上风管、下风管、左风管、右风管与小通风管连通；在上风管、下风管、左风管、右风管上均设有分压力表、分控制阀；

所述高温雾化喷嘴的直径为1-3mm；所述第一喷嘴上包括多个喷嘴，相邻喷嘴中心线的间距为10-30mm，喷嘴的直径为5-8mm。

2.根据权利要求1所述的钢轨热处理装置，其特征在于：所述主框架内设有上支撑杆和下支撑杆；左风箱通过螺杆、螺母固定在上支撑杆上；右风箱通过螺杆、螺母固定在下支撑杆上。

3.根据权利要求2所述的钢轨热处理装置，其特征在于：所述钢轨放置机构包括载物台架，所述载物台架置于下支撑杆上。

4.根据权利要求3所述的钢轨热处理装置，其特征在于：所述上支撑杆上设有用于测试钢轨踏面中部的红外测温仪。

5.根据权利要求3所述的钢轨热处理装置，其特征在于：所述上支撑杆和下支撑杆上设有横向滑槽，通过调节螺母，使左风箱、右风箱移动20-40mm。

6.根据权利要求1所述的钢轨热处理装置，其特征在于：左风箱的第一喷嘴、右风箱的第一喷嘴正对钢轨轨头的圆弧，且左风箱的第一喷嘴、右风箱的第一喷嘴的中心线与轨头平面的垂直距离为10-16mm。

7.一种采用权利要求1-6中任一所述的钢轨热处理装置进行钢轨热处理的方法，其特征在于包括如下步骤：通过调节螺母的固定位置，调节左右风箱的第一喷嘴与钢轨表面的距离；

通过调节主控制阀，使稳压风箱内风压为20-40KPa；通过调节分控制阀，使左风箱、右风箱内风压为15-30KPa，上风箱内风压为15-30KPa，下风箱内风压为15-30KPa；

将处于奥氏体状态的钢轨放置在载物台架上，利用红外测温仪测量钢轨踏面的温度值，当钢轨空冷至850-650℃后，打开空气压缩机和/或水泵，通过调节水压控制阀、主控制阀、分控制阀，实现喷雾、喷风或者喷雾喷风分段控制，压缩空气或者汽雾通过第一喷嘴在钢轨表面形成均匀稳定的冷却流场，待钢轨踏面温度达到150-350℃时，关闭空气压缩机、水泵，钢轨空冷至室温，将处于奥氏体状态的钢轨迅速转变为细片状珠光体组织。

说明书

钢轨热处理装置及热处理方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属热处理装备技术领域，具体涉及一种钢轨热处理装置及热处理方法。

背景技术

[0002] 随着我国铁路“客运高速化、货运重载化”模式的推广，铁路行车速度、牵引重量、运输密度和年通过总重不断增加，普通热轧钢轨强度已经不足以满足铁路发展新要求，钢轨伤损频次增加，尤其是曲线段钢轨的鱼鳞伤、剥离掉块等接触疲劳伤损越发严重。为此，铁道部门要求使用高强度、高耐磨性能和抗接触疲劳的钢轨，以减少钢轨伤损的产生，提高其使用寿命。

[0003] 国内外研究和实际使用经验表明，钢轨热处理工艺是提高强度、耐磨性和提高钢轨使用性能最行之有效的方法，经热处理的钢轨的使用寿命可达到普通热轧钢轨的2-3倍。

[0004] 钢轨热处理技术是通过控制轧后冷却速度，得到细片珠光体组织。目前能够满足该要求的技术主要有喷风、喷雾、水冷和聚合物冷却等四种冷却方式。喷水冷却(水冷)能力较大，冷却速度难以准确控制，可能会导致马氏体等有害组织的产生，而且喷嘴容易堵塞，影响热处理效果；聚合物冷却方式避免了水作为冷却介质，冷却速度太大的问题，同时也保证了在珠光体转变区，组织转变应力的均匀性，但是在实际生产中，水和聚合物的浓度难以准确控制，影响了热处理效果。喷风和喷雾冷却的冷却速度介于水冷和聚合物冷却之间，采用压缩空气或者水雾作为冷却介质，具有流场均匀性好，性能稳定，组织均匀的优点，而且对钢轨的表面状态敏感性较小，是钢轨热处理技术的发展趋势。目前的钢轨喷风或喷雾冷却装置结构复杂，操作繁琐。因此，我们迫切需要一种不仅结构简单、使用方便，而且能确保热处理效果的钢轨热处理装置。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种钢轨热处理装置及热处理方法，该装置及方法简单、操作方便，能确保钢轨的热处理效果。

[0006] 本发明所采用的技术方案是：

[0007] 一种钢轨热处理装置，包括热处理机构、供水机构、供气机构、主框架和用于放置钢轨的钢轨放置机构；

[0008] 所述热处理机构包括稳压风箱，所述稳压风箱通过小通风管分别与上风箱、下风箱、左风箱、右风箱连接，该上风箱、下风箱、左风箱、右风箱上均设有第一喷嘴；上风箱的第一喷嘴置于钢轨的正上方，下风箱的第一喷嘴置于钢轨的正下方，且上风箱的第一喷嘴、下风箱的第一喷嘴的中轴线与钢轨的中轴线重合；左风箱的第一喷嘴、右风箱的第一喷嘴对称设置在钢轨的两侧；

[0009] 所述供水机构、供气机构分别与稳压风险连接；所述钢轨放置机构置于主框架内。

[0010] 将加热至完全奥氏体化的钢轨通过机械手放置在载物台架上，钢轨开始冷却温度为850-650℃，，稳压风箱内风压为20-40KPa，左风箱、右风箱内风压为15-30KPa，上风箱内风压为15-30KPa，下风箱内风压为15-30KPa，钢轨终止冷却温度为150-350℃，随后自然冷却至室温。

[0011] 按上述方案，所述供水机构包括依次连接的水箱、水泵、主水管、高温雾化喷嘴，所述高温雾化喷嘴置于稳压风箱内；在主水管上设有水压表、水压控制阀，通过调节水压控制阀，实现主水管内水压的控制；该结构简单、方便为整个装个装置提供水雾。

[0012] 按上述方案，所述供气机构包括依次连接的空气压缩机、主通风管，所述主通风管与稳压风箱连通；在主通风管上设有主控制阀，可以控制主通风管和稳压风箱内的风压；该结构简单，以方便为整个装置提供气体。

[0013] 按上述方案，所述主框架内设有上支撑杆和下支撑杆，左风箱、右风箱通过螺杆、螺母固定在上支撑杆、下支撑杆上；所述上支撑杆和下支撑杆上设有横向滑槽，通过调节螺母的固定位置，实现左风箱、右风箱的位置调整，使左右风箱的第一喷嘴与钢轨表面距离调节范围为20-40mm。该结构方便移动左风箱、右风箱，使钢轨的热处理效果更好。

[0014] 按上述方案，所述钢轨放置机构包括载物台架，所述载物台架置于下支撑杆上；该结构方便固定钢轨，提高钢轨的热处理效果。

[0015] 按上述方案，所述上支撑杆上设有用于测试钢轨踏面中部的红外测温仪；红外测温仪的测温探头与水平方向呈45°角度。以方便准确控制钢轨的热处理工艺。

[0016] 按上述方案，所述上风箱通过橡胶软管与上风管连接，下风箱通过橡胶软管与下风管连接、左风箱通过橡胶软管与左风管连接、右风箱通过橡胶软管与右风管连接，所述上风管、下风管、左风管、右风管与小通风管连通；在上风管、下风管、左风管、右风管上均设有分压力表、分控制阀，可以通过调节阀门，实现左风箱、右风箱、上风箱和下风箱内的风压控制。该结构能提高热处理效果，并使整个结构更稳定。

[0017] 按上述方案，所述高压雾化喷嘴的直径为1-3mm；所述第一喷嘴上设有多个喷嘴，相邻喷嘴中心线的间距为10-30mm，喷嘴的直径为5-8mm。上述结构能提高热处理效果。

[0018] 按上述方案，左风箱的第一喷嘴、右风箱的第一喷嘴正对钢轨轨头的圆弧，且左风箱的第一喷嘴、右风箱的第一喷嘴的中心线与轨头平面的垂直距离为10-16mm。上述结构能提高热处理效果。

[0019] 按上述方案，左风箱、右风箱、上风箱和下风箱的第一喷嘴分布方向与钢轨纵向一致，第一喷嘴内部结构为圆柱形。

[0020] 按上述方案，主框架为长方体的空心框架；载物台架为长条状载物台架，其长度为100-1000mm，用于放置和定位钢轨，钢轨的垂直对称轴与主框架的垂直对称轴重合；稳压风箱设置有压力表，可以显示稳压风箱内的风压值。

[0021] 本发明还提供一种采用上述钢轨热处理装置进行钢轨热处理的方法，包括如下步骤：

[0022] 通过调节螺母的固定位置，调节左右风箱的第一喷嘴与钢轨表面的距离；

[0023] 通过调节主控制阀，使稳压风箱内风压为20-40KPa；通过调节分控制阀，使左风箱、右风箱内风压为15-30KPa，上风箱内风压为15-30KPa，下风箱内风压为15-30KPa；通过调节水压控制阀，使主水管内水压为0-0.5MPa；

[0024] 将处于奥氏体状态的钢轨放置在载物台架上，利用红外测温仪测量钢轨踏面的温度值，当钢轨空冷至850-650℃后，打开空气压缩机和/或水泵，通过调节水压控制阀、主控制阀、分控制阀，实现喷雾、喷风或者喷雾喷风分段控制，压缩空气或者汽雾通过第一喷嘴在钢轨表面形成均匀稳定的冷却流场，待钢轨踏面温度达到150-350℃时，关闭空气压缩机、水泵，钢轨空冷至室温，将处于奥氏体状态的钢轨迅速转变为细片状珠光体组织。

[0025] 本发明的有益效果在于：

[0026] 通过设置供水机构、供气机构可实现喷雾、喷风或者喷雾喷风分段控制的多工艺组合，使整个装置适用于各种规格断面的钢轨；

[0027] 稳压风箱能稳定和平衡气压和水雾，有助于水雾和空气均匀混合和稳定控制；

[0028] 本发明形成的喷风或者喷雾冷却流场分布均匀稳定，冷却速度适宜，能将处于奥氏体状态的钢轨迅速转变为细片状珠光体组织，提高钢轨强度、硬度和耐磨性；

[0029] 结构合理、使用方便，可以为钢轨热处理生产工艺优化和新产品工艺开发提供准确、科学的试验工艺模拟参数。

附图说明

[0030] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

[0031] 图1是本发明钢轨热处理装置的主视结构示意图；

[0032] 图2是本发明钢轨热处理装置的俯视结构示意图；

[0033] 图3是本发明钢轨热处理装置的左视结构示意图；

[0034] 图4是钢轨与第一喷嘴的设置示意图；

[0035] 其中：1、主框架，2、空气压缩机，3、主通风管，4、主控制阀，5、稳压风箱，6、主压力表，7、左风管，8、上风管，9、下风管，10、分控制阀，11、分压力表，12、上风箱，13、左风箱、14、下风箱，15、橡胶软管，16、第一喷嘴，17、螺母，18、载物台架，19、钢轨，20、红外测温仪，21、高温雾化喷嘴，22、主水管，23、水箱，24、水泵，25、水压控制阀，26、水压表，27、右风管，28、右风箱,29、小通风管，30、上支撑杆，31、下支撑杆。

具体实施方式

[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0037] 参见图1-图4，实施例1，一种钢轨热处理装置，包括热处理机构、供水机构、供气机构、主框架1和用于放置钢轨19的钢轨放置机构。热处理机构包括带主压力表6的稳压风箱5，稳压风箱5通过小通风管29分别与上风箱12、下风箱14、左风箱13、右风箱28连接，该上风箱12、下风箱14、左风箱13、右风箱28上均设有第一喷嘴16；上风箱12的第一喷嘴16置于钢轨19的正上方，下风箱14的第一喷嘴16置于钢轨19的正下方，且上风箱12的第一喷嘴16、下风箱14的第一喷嘴16的中轴线与钢轨19的中轴线重合；左风箱13的第一喷嘴16、右风箱28的第一喷嘴16对称设置在钢轨19的两侧；上风箱12通过橡胶软管15与上风管8连接，下风箱
14通过橡胶软管15与下风管9连接、左风箱13通过橡胶软管15与左风管7连接、右风箱28通过橡胶软管15与右风管27连接，上风管7、下风管9、左风管7、右风管27与小通风管29连通；
在上风管8、下风管9、左风管7、右风管27上均设有分压力表11、分控制阀10。供水机构包括依次连接的水箱23、水泵24、主水管22、高温雾化喷嘴21，高温雾化喷嘴21置于稳压风箱5内；在主水管22上设有水压表26、水压控制阀25，通过调节水压控制阀25，控制主水管22内水压大小，从而实现水雾流量大小的控制，水雾被压缩空气吹入左右风管、上风管8和下风管9中，形成冷却汽雾。供气机构包括依次连接的空气压缩机2、主通风管3，主通风管3与稳压风箱5连通，主通风管3上设有主控制阀4。钢轨放置机构包括载物台架18，载物台架18置于主框架1内，钢轨19的垂直对称轴与主框架1的垂直对称轴重合。主框架1为长方体的空心框架结构，由角钢焊接组成，其内设有上支撑杆30和下支撑杆31，载物台架18置于下支撑杆
31上,左风箱13、右风箱28通过螺杆、螺母17固定在上支撑杆30、下支撑杆31上；上支撑杆30和下支撑杆31上设有横向滑槽，通过调节螺母17的固定位置，实现左风箱13、右风箱28的位置调整，使左右风箱的第一喷嘴16与钢轨19表面距离调节范围为20-40mm。上支撑杆30上设有用于测试钢轨19踏面中部的红外测温仪20；红外测温仪20的测温探头与水平方向呈45°角度。

[0038] 高温雾化喷嘴21直径为1mm，通过内外压力差产生水雾；第一喷嘴16中喷嘴的孔径为6mm，相邻喷嘴间距为10mm；上下风箱的第一喷嘴16的喷嘴与钢轨19表面距离为30mm，左右风箱的第一喷嘴16的喷嘴的中心线与轨头平面的垂直距离H为16mm。

[0039] 钢轨喷风热处理试验之前，进行工艺参数设置，通过调节螺母17的固定位置，调节左右风箱的第一喷嘴16与钢轨19表面的距离。打开空气压缩机2，通过调节主控制阀4和分控制阀10，控制稳压风箱5风压为30KPa，左右风箱内风压为20KPa，上风箱12内风压为22KPa，下风箱14内风压为20KPa，关闭空气压缩机2。利用机械夹具将处于奥氏体状态的钢轨19放置在载物台架18上，利用红外测温仪20测量钢轨19踏面的温度值，空冷至800℃后，打开空气压缩机2和水泵24，调节水压控制阀25至0.5MPa，压缩空气或者汽雾通过第一喷嘴
16在钢轨19表面形成均匀稳定的冷却流场，待钢轨19踏面温度达到300℃时，关闭空气压缩机2和水泵24，钢轨19空冷至室温，将处于奥氏体状态的钢轨迅速转变为细片状珠光体组织。

[0040] 实施例2，与实施例1所不同的是：高温雾化喷嘴21的直径为3mm，第一喷嘴16中喷嘴的孔径为8mm，相邻喷嘴间距为20mm，上下风箱的第一喷嘴16的喷嘴与钢轨19表面距离为30mm，左右风箱的第一喷嘴16的喷嘴的中心线与轨头平面的垂直距离为10mm。

[0041] 打开空气压缩机2，通过调节主控制阀4和分控制阀10，控制稳压风箱5风压为25KPa，左右风箱内风压为15KPa，上风箱12内风压为16KPa，下风箱14内风压为15KPa，关闭空气压缩机2。利用机械夹具将处于奥氏体状态的钢轨19放置在载物台架18上，空冷至750℃后，打开空气压缩机2和水泵24，调节水压控制阀25至0.3MPa，开始加速冷却，待钢轨19踏面温度达到250℃时，关闭空气压缩机2和水泵24，钢轨19空冷至室温。

[0042] 实施例3，与实施例1所不同的是：高温雾化喷嘴21的直径为1.5mm，第一喷嘴16中喷嘴的孔径为5mm，相邻喷嘴间距为15mm，上下风箱的第一喷嘴16的喷嘴与钢轨19表面距离为40mm，左右风箱的第一喷嘴16的喷嘴的中心线与轨头平面的垂直距离为12mm。

[0043] 打开空气压缩机2，通过调节主控制阀4和分控制阀10，控制稳压风箱5风压为40KPa，左右风箱内风压为25KPa，上风箱12内风压为30KPa，下风箱14内风压为20KPa，关闭空气压缩机2。利用机械夹具将处于奥氏体状态的钢轨19放置在载物台架18上，空冷至670℃后，打开空气压缩机2，开始加速冷却，待钢轨19踏面温度达到200℃时，关闭空气压缩机
2，钢轨19空冷至室温。

[0044] 实施例4，与实施例1所不同的是：高温雾化喷嘴21的直径为2mm，第一喷嘴16中喷嘴的孔径为7mm，相邻喷嘴间距为30mm，上下风箱的第一喷嘴16的喷嘴与钢轨19表面距离为20mm，左右风箱的第一喷嘴16的喷嘴的中心线与轨头平面的垂直距离为13mm。

[0045] 打开空气压缩机2，通过调节主控制阀4和分控制阀10，控制稳压风箱5风压为40KPa，左右风箱内风压为30KPa，上风箱12内风压为25KPa，下风箱14内风压为25KPa，关闭空气压缩机2。利用机械夹具将处于奥氏体状态的钢轨19放置在载物台架18上，空冷至720℃后，打开空气压缩机2，开始加速冷却，待钢轨19踏面温度达到150℃时，关闭空气压缩机
2，钢轨19空冷至室温。

[0046] 实施例5，与实施例1所不同的是：高温雾化喷嘴21的直径为1mm，第一喷嘴16中喷嘴的孔径为6mm，相邻喷嘴间距为20mm，上下风箱的第一喷嘴16的喷嘴与钢轨19表面距离为25mm，左右风箱的第一喷嘴16的喷嘴的中心线与轨头平面的垂直距离为16mm。

[0047] 打开空气压缩机2，通过调节主控制阀4和分控制阀10，控制稳压风箱5风压为30KPa，左右风箱内风压为20KPa，上风箱12内风压为20KPa，下风箱14内风压为20KPa，关闭空气压缩机2。利用机械夹具将处于奥氏体状态的钢轨19放置在载物台架18上，空冷至850℃后，打开空气压缩机2，开始喷风冷却，待钢轨19踏面温度达到650℃时，打开水泵24，调节水压控制阀25至0.3MPa，开始汽雾冷却，待钢轨19踏面温度达到250℃时，关闭空气压缩机2和水泵24，钢轨19空冷至室温。

[0048] 实施例6，与实施例1所不同的是：高温雾化喷嘴21的直径为2mm，第一喷嘴16中喷嘴的孔径为7mm，相邻喷嘴间距为15mm，上下风箱的第一喷嘴16的喷嘴与钢轨19表面距离为30mm，左右风箱的第一喷嘴16的喷嘴的中心线与轨头平面的垂直距离为12mm。

[0049] 打开空气压缩机2，通过调节主控制阀4和分控制阀10，控制稳压风箱5风压为35KPa，左右风箱内风压为25KPa，上风箱12内风压为25KPa，下风箱14内风压为25KPa，关闭空气压缩机2。利用机械夹具将处于奥氏体状态的钢轨19放置在载物台架18上，空冷至800℃后，打开空气压缩机2，开始喷风冷却，待钢轨19踏面温度达到680℃时，调节分控制阀10，控制左右风箱内风压为20KPa，上风箱12内风压为20KPa，下风箱14内风压为20KPa，同时打开水泵24，调节水压控制阀25至0.4MPa，开始汽雾冷却，待钢轨19踏面温度达到200℃时，关闭空气压缩机2和水泵24，钢轨19空冷至室温。

[0050] 各实施例中采用的钢轨为U75V热轧钢轨，对比例中采用的钢轨为普通热轧U75V钢轨，对比例除了钢轨不同，其他各项参数均与实施例6相同。

[0051] 表1各实施例和对比例经过热处理的钢轨性能数据统计

[0052]  抗拉强度(MPa) 延伸率(MPa) 踏面硬度(HB)
实施例1 1256 12 381
实施例2 1250 12 381
实施例3 1260 13 379
实施例4 1244 12 374
实施例5 1257 11 376
实施例6 1248 12 374
对比例 1086 13 302
热处理钢轨标准要求 ≥1180 ≥10 340-400

[0053] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。