DE3638816C1 - Method for the production of steel rails with low residual stress by means of roller straightening - Google Patents

Abstract

The hot rail coming from the rolling mill is cooled at an accelerated rate to temperatures below 100@C at the head and foot only, whereas the web is held at temperatures of 150 to 500@C, and is then passed immediately through a roller straightening machine. With the method according to the invention, it is possible to adjust the residual stress condition of the roller-straightened rails to very low values, relative to residual longitudinal tensile stress in the head and foot. The level of residual stress is reduced by more than 50% compared with rails roller-straightened in the conventional manner. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eigenspannungsarmer Stahlschienen mittels Rollenrichten gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs.The invention relates to a method of manufacture low-stress steel rails by means of roller straightening according to the preamble of the patent demanding

Durch Warmwalzen von Stahl in entsprechend ka­ librierten Walzen hergestellte Schienen kühlen nach dem Walzen auf Kühlbetten an Luft auf 20 bis 100°C ab. Wegen der unterschiedlichen Verhältnisse von Masse zu Oberfläche bei Schienenkopf und -fuß verbiegen sich die Schienen jedoch beim Abkühlen. Sie müssen deshalb wegen der Geradheitsanforderungen auf Rollenrichtma­ schinen gerichtet und, sofern erforderlich, noch mit Stempelpressen nachgerichtet werden ("Die Eisenbahnschiene" von Fritz Fastenrath, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1977, S. 113 u. 114). Dabei entstehen auf der Fahrfläche des Schienenkopfes und an der Unterseite des Schienenfußes hohe Zugeigenspannungen, wie auf Sei­ te 37 des oben angegebenen Fachbuches beschrieben. Die­ sen Spannungen überlagern sich im Betrieb z. B. im Schienenfuß Biegezugspannungen durch die Einwirkung der Räder und Längszugspannungen durch Abkühlung und Kontraktion der Schienen bei tiefen Temperaturen.By hot rolling steel in a corresponding ka Rails manufactured according to verified rollers cool down rolling on cooling beds in air from 20 to 100 ° C. Because of the different ratios of mass to The surface of the rail head and foot bend however, the rails cool down. You have to due to the straightness requirements on roller straightening seem directed and, if necessary, still with Stamp presses are adjusted ("Die Eisenbahnschiene "by Fritz Fastenrath, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1977, p. 113 u. 114). Thereby arise on the running surface of the rail head and at the bottom of the rail foot high tensile residual stresses, as on te 37 of the above-mentioned textbook described. The  Sen voltages are superimposed in operation z. B. in Rail foot bending tensile stresses by the action the wheels and longitudinal tensile stresses by cooling and Contraction of the rails at low temperatures.

Die in den Schienen vorhandenen Zugeigenspannungen setzen daher die Bruchsicherheit der Schienen bei Vor­ handensein von Oberflächenfehlern, wie z. B. Ermü­ dungsanrissen, bei statischer oder schlagartiger Be­ anspruchung herab (Technische Mitteilungen Krupp, Werksberichte 39 (1981), Seiten 33-41).The internal tensile stresses present in the rails therefore set the break resistance of the rails at Vor presence of surface defects such as B. Ermü cracked in the case of static or sudden loading stress (technical information Krupp, Works reports 39 (1981), pages 33-41).

Zur Absenkung der Eigenspannungen kann man die Schie­ nen spannungsarmglühen, recken (DE-OS 32 23 346) oder gesteuert abkühlen und seitlich richten (DE-PS 19 42 929).You can use the Schie to reduce the internal stresses stress relieving, stretching (DE-OS 32 23 346) or controlled cooling and side adjustment (DE-PS 19 42 929).

Diese Verfahren sind einerseits sehr aufwendig (Span­ nungsarmglühen), andererseits ergeben sich verfahrens­ technische Schwierigkeiten (Reckrichten), und z. T. sind die für einen Personenverkehr mit hohen Geschwin­ digkeiten geforderten Geradheiten nicht sicher ein­ stellbar (Reckrichten, gesteuerte Abkühlung in Verbin­ dung mit seitlichem Richten).On the one hand, these processes are very complex (Span relieving annealing), on the other hand, there are processes technical difficulties (stretching), and z. T. are for high-speed passenger traffic straightness required adjustable (stretching, controlled cooling in conjunction with side straightening).

Die DE-PS 35 01 522 sieht ein eingangs bezeichnetes Verfahren vor, wonach die nach dem Warmwalzen aus der Walzendtemperatur von 950 bis 1050°C auf unter 100°C abgekühlten Schienen vor dem Einlauf in die Rollenrichtmaschine im Schienensteg auf 100 bis 500°C erwärmt werden und nach dem Richten an Luft auf Raum­ temperatur abkühlen. DE-PS 35 01 522 provides a method described in the introduction before what after hot rolling the final roll temperature from 950 to 1050 ° C to below 100 ° C cooled rails before entering the Roller straightener in the rail web at 100 to 500 ° C be warmed and after straightening air to room cool down temperature.  

Durch diese Maßnahme ergeben sich im Steg Druckvorspan­ nungen in Höhe der Streckgrenze. Das Rollenrichten kann mit geringeren Kräften erfolgen und führt zu gleich­ mäßigeren Verformungen über den Schienenquerschnitt. Nach dem Richten gleicht sich die Temperatur des Steges der von Schienenkopf und -fuß an. Die Längszugspannungen in Kopf und Fuß werden abgebaut und können sogar in Druck­ spannungen umgewandelt werden.This measure results in pressure preload in the web the yield strength. The roll straightening can be done with lower forces and leads to the same moderate deformations across the rail cross-section. To the temperature of the web resembles that of straightening from the rail head and foot. The longitudinal tensile stresses in Head and foot are broken down and can even be under pressure voltages are converted.

Obwohl mit diesem Verfahren gute Ergebnisse in bezug auf den Abbau von Längszugeigenspannungen in Kopf und Fuß der Schienen erzielbar sind, ist dieses Verfahren je­ doch zeit- und energieaufwendig. Bei voller Auslastung eines Schienenwalzwerkes werden zur Abkühlung der gewalz­ ten Schienen an Luft auf unter 100°C große Kühlbett­ flächen benötigt. Das vorgesehene Erwärmen des Schienen­ steges vor Einlauf in die Rollenrichtmaschine durch In­ duktoren oder Brenner führt zu einem zusätzlichen Ener­ gieaufwand und einer Verzögerung im gesamten Verfahrens­ ablauf.Although with this procedure good results regarding the reduction of longitudinal tensile stresses in the head and foot of the rails are achievable, this procedure is ever but time and energy consuming. At full capacity A rail rolling mill is used to cool the rolled rails in air on a cooling bed below 100 ° C space needed. The intended heating of the rails webs before entering the roll straightening machine by In ductors or burners leads to an additional energy gi effort and a delay in the entire process procedure.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs angegebenen Gattung zu schaffen, das wenig zeitaufwendig und vor allem energiesparend ist.It is therefore an object of the present invention Process of the type specified at the outset to create that little time consuming and above all is energy saving.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Bringen des Schienenstegs auf die Temperatur von 150 bis 500°C dadurch erfolgt, daß während des Abkühlens der Schiene nach dem Warmwalzen der Schienenkopf und der Schienenfuß beschleunigt auf die Temperatur von unter 100°C abgekühlt werden. According to the invention, this object is achieved in that the bringing of the rail web to the temperature from 150 to 500 ° C in that during the cooling of the rail after the hot rolling of the The rail head and the rail foot accelerate to the Temperature below 100 ° C to be cooled.  

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die der Schiene vom Walzprozeß her mitgegebene Wärme ausgenutzt, um die für das nachfolgende Rollenrichten vorteilhaften Temperaturen von 150 bis 500°C des Schienensteges ein­ zustellen. Diese Maßnahme bedeutet gegenüber dem bis­ herigen Stand der Technik - Aufwärmen des Schienenste­ ges mittels Induktoren oder Brennern - eine erhebliche Energieeinsparung und beseitigt auch Verzögerungen im Verfahrensablauf, die zwangsläufig beim Aufwärmen mit­ tels Induktoren oder Brennern entstehen.By the inventive method, the Rail heat used by the rolling process is used, to be advantageous for the subsequent roll straightening Temperatures of 150 to 500 ° C of the rail web deliver. This measure means up to state of the art - warming up the rails by means of inductors or burners - a considerable one Energy saving and also eliminates delays in the Procedure that is inevitable when warming up with inductors or burners.

Das beschleunigte Abkühlen, vorzugsweise mittels Wasser oder Wasser-Luft-Gemischen, ist demgegenüber wesentlich schneller und billiger.Accelerated cooling, preferably using water or water-air mixtures, on the other hand, is essential faster and cheaper.

Die beschleunigte Abkühlung soll bei Schienenstählen eu­ tektoider oder leicht untereutektoider Zusammensetzung nach dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm vorzugsweise so er­ folgen, daß die Umwandlung über den gesamten Schienen­ querschnitt in der Perlitstufe erfolgt. Denn es ist für das Gebrauchsverhalten der Schiene im späteren Einsatz wesentlich, daß keine Gefügeanteile von Bainit (Zwischen­ stufengefüge) und bzw. oder Martensit vorliegen. Bei Vorlie­ gen derartiger Gefügeanteile in Schienen mit perliti­ schem Grundgefüge würden diese über den Querschnitt gesehen örtlich unerwünschte Spannungen hervorrufen. Anteile von Bainit und bzw. oder Martensit an der Schienen­ fahrfläche führen erfahrensgemäß zu Rißbildungen, die ein vorzeitiges Auswechseln der Schiene erforderlich machen. The accelerated cooling should be eu for rail steels tectoid or slightly hypoeutectoid composition according to the iron-carbon diagram, preferably so follow that conversion across the entire track cross section in the pearlite stage. Because it is for the usage behavior of the rail in later use essential that no structural components of bainite (intermediate step structure) and / or martensite. If available against such structural components in rails with perliti The basic structure would be over the cross section seen locally cause unwanted tensions. Shares of bainite and / or martensite in the rails According to experience, the driving surface leads to the formation of cracks an early replacement of the rail is required do.  

Die erforderlichen Abkühlgeschwindigkeiten können bekannten Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildern (ZTU-Diagramm) entnommen werden; danach lassen sich die erfor­ derlichen Mengen der Abkühlmedien festlegen.The required cooling rates can known time-temperature conversion graphs (ZTU diagram) are taken; afterwards the expl determine the quantities of cooling media.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß der Schiene stark abgebaut oder sogar in Druckspannungen umgewandelt. Es wird zudem das Eigenspannungsniveau in Schienenkopf bzw. Schienenfuß gegenüber üblich gerichteten Schienen um mehr als 50% vermindert.With the inventive method the Tension in the head and foot of the rail strong degraded or even converted into compressive stresses. It will also the residual stress level in the rail head or rail foot compared to commonly directed rails reduced by more than 50%.

Das Verfahren ist nicht nur anwendbar auf alle Schie­ nenstähle, die aufgrund ihrer chemischen Zusammenset­ zung - auch beim beschleunigten Abkühlen - noch eine Umwandlung in der Perlitstufe zulassen, sondern kann auch auf Schienenstähle, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung bei der Ab­ kühlung Zwischenstufengefüge (Bainit) bilden, ange­ wendet werden. Bei diesen bainitischen Stählen muß die Abkühlung so erfolgen, daß keine Martensitanteile im bainitischen Grundgefüge entstehen.The method is not only applicable to all shooting steels, which due to their chemical composition another - even with accelerated cooling Allow transformation in the pearlite stage but can also be used on rail steels due to their chemical composition at Ab form cooling intermediate stage structure (bainite) be applied. With these bainitic steels must the cooling is done so that no martensite arise in the basic bainitic structure.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.The invention is explained below with reference to the drawing.

Fig. 1 zeigt in maßstäblicher Darstellung das Profil einer Schiene, bestehend aus Kopf 1, Steg 2 und Fuß 3. Bei Durchführung des Verfahrens em­ pfiehlt es sich, nicht nur den Steg 2, sondern auch den unteren Bereich 1′ des Kopfes und den oberen Be­ reich 3′ des Schienenfußes auf einer Temperatur von 150 bis 500°C zu halten. Vorteilhafterweise sollten während des Richtvorgangs etwa 40% des Schienenquer­ schnitts eine Temperatur von 150 bis 500°C aufweisen. Da der Steg mit Kopf und Fuß ein einheitliches Werk­ stück bildet und die Wärme mithin ungehindert aus dem warmen Steg in den kalten Kopf und Fuß abfließen kann, wird an den Übergängen Kopf/Steg und Steg/Fuß ein Temperaturgradient vorliegen. In diesen Bereichen wird die Temperatur kontinuierlich von z. B. 350°C im Steg auf 50°C in den beschleunigt abgekühlten Bereichen von Kopf und Fuß abfallen. Fig. 1 is to scale the profile of a rail consisting of head 1, web 2 and feet 3. When performing the method em it is recommended not only to keep the web 2 , but also the lower region 1 'of the head and the upper region 3' of the rail foot at a temperature of 150 to 500 ° C. Advantageously, about 40% of the rail cross section should have a temperature of 150 to 500 ° C during the straightening process. Since the bridge with head and foot forms a uniform workpiece and the heat can flow freely from the warm bridge into the cold head and foot, a temperature gradient will be present at the head / bridge and bridge / foot transitions. In these areas, the temperature is continuously from z. B. 350 ° C in the web to 50 ° C in the accelerated cooled areas of the head and foot.

Nach dem Rollenrichten kühlt die Schiene an Luft auf Raumtemperatur ab. Die bei der Abkühlung eintretende Schrumpfung des Steges bewirkt eine Verminderung der durch das Richten hervorgerufenen Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß der Schiene.After straightening the rollers, the rail cools in air Room temperature. The one that occurs during cooling Shrinkage of the web causes a decrease in tensile residual stresses caused by straightening in the head and foot of the rail.

Die Verminderung der Eigenspannungen in Kopf und Fuß der Schiene führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Bruchsicherheit. Dieser Zusammenhang wurde an entsprechend behandelten Schienen bestätigt. Dazu wurden im Fuß mit einem Querkerb versehene Schienenab­ schnitte untersucht. Die Versuchsergebnisse sind inThe reduction of residual stress in the head and foot the rail leads to a significant improvement break resistance. This connection was made appropriately treated rails confirmed. To rails were provided with a transverse notch in the foot cuts examined. The test results are in

Fig. 2 für das Schienenprofil UIC 60, Schienenquali­ tät S 1100, d. h., für eine Schiene mit 1100 N/mm² Min­ destzugfestigkeit, dargestellt. Fig. 2 for the rail profile UIC 60, rail quality S 1100, ie, for a rail with 1100 N / mm ² minimum tensile strength, shown.

Bei einer Rißzähigkeit K _IC von 1000 N/mm^³/₂ und einer äußeren Beanspruchung bzw. Spannung σ von 200 N/mm² wird eine eigen­ spannungsfreie Schiene noch eine Rißtiefe t von etwa 10 mm ertragen. Eine herkömmlich rollengerichtete Schiene mit einer Eigenspannung von 200 N/mm² wird unter gleicher äußerer Beanspruchung bereits bei einer Riß­ tiefe von rund 2 mm brechen, wohingegen eine nach dem erfin­ dungsgemäßem Verfahren behandelte Schiene mit einer Eigenspannung von 90 N/mm² noch eine Rißtiefe von rund 5 mm ertragen kann. Die erfindungsgemäß behandelte eigenspannungs­ arme Schiene hat mithin eine wesentlich höhere Bruch­ sicherheit, da kleine Anrisse oder Kerben, die sich durch zerstörungsfreie Prüfverfahren kaum erfassen lassen, nicht zum Versagen der Schiene führen.With a fracture toughness K _IC of 1000 N / mm ^{³ / ₂} and an external stress or tension σ of 200 N / mm ² , an inherently stress-free splint can withstand a crack depth t of about 10 mm. A conventionally roller-oriented rail with an internal stress of 200 N / mm ² will break under the same external stress at a crack depth of around 2 mm, whereas a rail treated according to the method according to the invention with an internal stress of 90 N / mm ^{2 will} still have a crack depth of around 5 mm. The low-stress rail treated according to the invention therefore has a significantly higher level of security against breakage, since small cracks or notches which can hardly be detected by non-destructive testing methods do not lead to the rail failing.

Claims (2)

Verfahren zur Herstellung eigenspannungsarmer Schienen aus Stahl mittels Rollenrichten, wobei

• - die Schiene nach dem Warmwalzen aus der Walzendtemperatur von 950 bis 1050°C auf eine Temperatur von unter 100°C abgekühlt,
• - der Schienensteg auf eine Temperatur von 150 bis 500°C gebracht,
• - die Schiene mit diesem Temperaturprofil einer Rollenrichtmaschine zugeführt,
• - gerichtet,
• - und nach dem Richten auf Raumtemperatur abgekühlt wird,

Process for producing low-stress steel rails by means of roller straightening, whereby

• - after hot rolling, the rail is cooled from the final roll temperature of 950 to 1050 ° C to a temperature of below 100 ° C,
• - the rail web is brought to a temperature of 150 to 500 ° C,
• the rail is fed with this temperature profile to a roller straightening machine,
• - directed,
• - and after straightening is cooled to room temperature,

dadurch gekennzeichnet, daß das Bringen des Schienenstegs auf die Temperatur von 150 bis 500°C dadurch erfolgt, daß während des Abkühlens der Schiene nach dem Warmwalzen der Schienenkopf und der Schienenfuß beschleunigt auf die Temperatur von unter 100°C abgekühlt werden. characterized in that the bringing of the rail web to the temperature of 150 to 500 ° C takes place in that the rail head and the rail foot are cooled to the temperature of below 100 ° C accelerated during the cooling of the rail after hot rolling.