Verfahren und Einrichtung zum Härten von Schienen

Abstract

 Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Einrichtung zum Härten von Schienen oder zumindest des Schienenkopfes derselben durch verstärkte Kühlung mit einem Umwandeln des Gefüges von der austenitischen in eine gewünschte bei Raumtemperatur stabile Mikrostruktur.
Um über die Schienenlänge eine gleichbleibende Gefügeverteilung im Schienenquerschnitt zu erreichen und hohe Schienengüte sicherzustellen, ist erfindungsgemäß verfahrenstechnisch vorgesehen, daß die Schiene im austenitischen Gefügezustand gerichtet, horizontal positioniert und achsfluchtend gegen Biegung gesichert eingespannt wird, worauf unter Aufrechterhaltung der Einspannung bzw. Verbiegungssicherung die Schiene und/oder zumindest ein Teil des Schienenquierschnittes von einer Temperatur, welche oberhalb des
AC3-Punktes der Legierung liegt, in an sich bekannter Weise zumindest zeitweise verstärkt abgekühlt und das Gefüge umwandeln gelassen werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Schienenstützmittel als Tragkonstruktion (2) mit einer der Schiene (1) entsprechenden Längserstreckung und mit hohem Widerstandsmoment gegen Biegung sowie mit Positionierelementen (3) und/oder lösbaren Spannmitteln (4) für eine Festlegung der Schiene (1) gebildet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Härten von Schienen oder zumindest des Schienenkopfes derselben durch verstärkte Kühlung mit einem Umwandeln des Gefüges von der austenitiscdhen in eine gewünschte, bei Raumtemperatur stabile Mikrostruktur.

[0002] Weiter umfaßt die Erfindung eine Einrichtung zum Härten von Schienen oder zumindest des Schienenkopfes derselben durch verstärkte Kühlung mit einem Umwandeln des Gefüges von austenitischen in eine gewünschte, bei Raumtemperatur stabile Mikrostruktur, bestehend im wesentlichen aus einem Schienenstützmittel und einer Kühlvorrichtung.

[0003] Für den schienengebundenen Verkehr mit den steigenden Achslasten und einem dergleichen Verkehrsaufkommen sollten Schienen einerseits einen hohen Verschleißwiderstand im Bereich der Fahrbahnfläche und andererseits, der Biegebeanspruchung im Gleis wegen, eine hohe Bruchsicherheit aufweisen.

[0004] Es ist bekannt, durch thermisches Vergüten des Werkstoffes bzw. mittels Umwandelns des Gefüges von der austenitischen in eine bei Raumtemperatur stabile Mikrostruktur bei zumindest zeitweiser verstärkter Kühlung, die Schiene und/oder den Schienenkopf zu härten ( EP- 358362 A1, AT 402941 B, EP 186372 B, WO 94/02652).

[0005] Eine Kühlung kann durch Beaufschlagung von zumindest Teilen der Schienenoberfläche mit Kühlmedium, einer sogenannten Spritz- oder Sprühkühlung, oder durch zumindest teilweises Eintauchen der Schiene in ein Kühlungsbad erfolgen, wobei eine vorteilhafte Nutzung der Walzhitze zum Stand der Technik zu zählen ist.

[0006] Je nach verwendetem Kühlverfahren sind Durchlaufeinrichtungen (AT 323224 B, EP 186373 B1), Kühlbett-Transportanlagen ( DE 4237991 A1) und Tauchvorrichtungen ( DE 4003363 C1, AT 402941 B) zur verstärkten Kühlung der Schiene oder von Schienenteilen bekannt.

[0007] Bei einer Verwendung von Legierungen mit einer entsprechenden chemischen Zusammensetzung lassen sich bei Anwendung von Härteverfahren in den jeweiligen Einrichtungen durchaus Schienen mit einer erhöhten Härte und Abriebfestigkeit im Bereich der Fahrbahnfläche des Schienenkopfes und ausreichender Bruchsicherheit herstellen.

[0008] Als großer Nachteil der bekannten Härteverfahren und der Kühleinrichtungen für Schienen ist eine mögliche Inhomogenität der Gefügeverteilung über den Querschnitt in Abhängigkeit von der Schienenlänge zu sehen. Mit anderen Worten ist der Flächenanteil des jeweiligen Vergütungsgefüges und/oder die Position der Gefügeanteile im Schienenquerschnitt über die Schienenlänge ungleich, so wirkt sich dies in zunehmendem Maße äußerst ungünstig auf die Schienengüte aus. Trotz genauer Einhaltung der Verfahrensparameter und präziser Regelung der Kühleinrichtungen können unerwartet Unterschiede in der Schienengüte auftreten, wobei bei einer äußerst aufwendigen Qualitätskontrolle auch einzelne Schienen, die den Qualitätsanforderungen nicht mehr entsprechen, anfallen.

[0009] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine über die Länge konstante Gefügeverteilung im Schienenquerschnitt erreicht wird und eine hohe Schienengüte sichergestellt werden kann.

[0010] Die weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Einrichtung, mittels welcher die örtliche Kühlintensität der Oberflächenbereiche des Querschnittes über die Schienenlänge gleichgehalten wird.

[0011] Das Ziel wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß die Schiene im austenitischen Gefügezustand gerichtet, horizontal positioniert und achsfluchtend gegen Biegung gesichert eingespannt wird, worauf unter Aufrechterhaltung der Einspannung bzw. Verbiegungssicherung der Schiene und/oder zumindest ein Teil des Schienenquerschnittes von einer Temperatur, welche oberhalb des Ac3- Punktes der Legierung liegt, in an sich bekannter Weise zumindest zeitweise verstärkt abgekühlt und das Gefüge umwandeln gelassen werden.

[0012] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß im austenitischen Gefügezustand ein Richten erfolgt und der Schiene sodann im achsfluchtend eingespannten Zustand oberflächlich verstärkt Wärme entzogen wird. Während einer intensivierten Kühlung von gegebenenfalls Teilen des Schienenquerschnittes bleibt die Schiene achsgerade eingespannt, was der Konstanz der spezifischen Kühlintensität in Achsrichtung förderlich ist. Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, daß, wenn auch nur geringe Krümmung der Schiene während der intensivierten Abkühlung von zumindest Teilen derselben entstehen, sich die örtliche Akühlkurve im Oberflächenbereich ändern kann, wodurch die Gefügeausbildung bei der Umwandlung aus dem austenitischen Zustand der Legierung in hohem Maße beeinflußt wird. Erfindungsgemäß sichert eine achsfluchtende horizontale Einspannung bei einem thermischen Vergüten der Schiene ein gleichbleibendes Eigenschaftsprofil des Werkstoffes über den Querschnitt und über die Schienenlänge.

[0013] Eine besonders wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens ist erreichbar, wenn ein Richten, ein Positionieren und ein achsfluchtendes Einspannen der Schiene unmittelbar nach dem letzten Verformungsstich unter Nutzung der Walzhitze erfolgen.

[0014] Anlagentechnisch, aber auch für eine gewünschte Gefügeverteilung über den Querschnitt, kann es günstig sein, wenn die Schiene stehend, wobei der Schienenkopf senkrecht nach oben gerichtet ist, eingespannt wird. Dabei ist von Vorteil, wenn der Schiene durch Spritzkühlung Wärme entzogen wird, wobei in Längsrichtung gesehen in den Oberflächenbereichen des Querschnittes symmetrisch zur Höhenachse der Schiene gleich hohe Kühlintensitäten verwendet werden.

[0015] Um die Herstellsicherheit von Schienen mit gewünschten Eigenschaftsprofil zu erhöhen und besondere Abriebfestigkeit der Fahrfläche zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Schiene hängend, wobei der Schienenkopf senkrecht nach unten gerichtet ist, eingespannt wird. Eine derartige Positionierung hat sich auch deshalb als günstig erwiesen, weil dadurch der Schiene oder nur dem Schienenkopf durch Tauchen in eine Kühlflüssigkeit Wärme entzogen wird.

[0016] Für eine geregelte Abkühlung auf eine gewünschte Temperatur mit hoher Kühlintensität des Kühlmediums und ein Unterbrechen der verstärkten Kühlung kann es umwandlungskinetisch von Vorteil sein, wenn die Kühlung der Schiene zeitlich und/oder örtlich, einen Oberflächenbereich des Querschnittes betreffend, intermittierend durchgeführt wird. Dabei kann es auch wichtig sein, wenn die Schiene nach der verstärkten Abkühlung ausgespannt, bei erhöhter Temperatur gehalten und/oder an ruhender Luft auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wird.

[0017] Eine Verwendung des Verfahrens, bei welchem ein Abkühlen oder Härten bzw. ein thermisches Vergüten der Schiene in voller Länge erfolgt, har sich im Hinblick auf besondere Gleichmäßigkeit und hohe Güte sowie einer Einstellung optimaler Gebrauchseigenschaften derselben als besonders günstig erwiesen.

[0018] Die weitere Aufgabe der Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung dadurch gelöst, daß das Schienenstützmitel als Tragkonstruktion mit einer der Schiene entsprechenden Längserstreckung und mit hohem Widerstandsmoment gegen Biegung sowie mit Positionierelementen und/oder lösbaren Spannmitteln für eine Festlegung der Schiene gebildet ist.

[0019] Der Vorteil einer verbiegungs-und verwindungssteifen Tragkonstruktion ist eine achsgerade Einspannung der Schiene, auch wenn auf Grund der unterschiedlichen Masseverteilung und/oder unterschiedlichen Kühlintensität über den Querschnitt bei einer intensivierten Abkühlung Biegekräfte gebildet werden. Ebenso erheblich sind die Vorteile einer achsgeraden Einspannung im Bezug auf die Kühlmittelbeaufschlagung oder Kühlflüssigkeitsbenetzung der Oberfläche, weil damit eine genaue Ausrichtung auf gewünschte Bereiche der Schiene mit hoher Gleichmäßigkeit über die Schienenlänge ermöglicht ist. Somit können für vorgesehene Querschnittszonen gewünschte Abkühlungsgeschwindigkeiten und damit gewünschte Gefügeausbildungen mit hoher Genauigkeit erreicht werden.

[0020] Anlagentechnisch, aber auch im Hinblick auf die Verwendung kann es günstig sein, wenn die Tragkonstruktion als Schweißkonstruktion, an welcher mindestens drei Positionierelemente, vorzugsweise über die Längserstreckung in Abständen von 0,5 m jeweils ein Positionierelement, horizontal ausrichtbar angeordnet sind.

[0021] Eine einfache und sichere Einrichtung ist gegeben, wenn lösbare Spannmittel als Niederhaltungen für die an den Positionierelementen anliegenden Schienen gebildet sind.

[0022] Es ist auch vorteilhaft möglich, daß die lösbaren Spannmittel mit Ausrichtflächen zur Positionierung der Schiene in horizontaler Längsachsrichtung gebildet sind.

[0023] Um eine über die Länge der Schiene möglichst gleichmäßige Gefügestruktur zu erreichen bzw. um keine wesentliche Beeinflussung der örtlichen Kühlintensität zu bewirken, kann es von Vorteil sein, wenn die Positionierelemente und die Spannmittel eine verringerte Anlagefläche an die Schiene, zum Beispiel eine Keilform, aufweisen. Dadurch können die sogenannten " soft spots" bzw. eine Weichfleckigkeit der Schiene vermieden werden.

[0024] Bei sorgfältiger Düsenanordnung und/oder der Verwendung von im wesentlichen schwebstofffreiem Wasser kann es günstig sein, wenn die Kühlvorrichtung für die Schiene als Sprühstrecke mit Luft und/oder Wasser mit über die Längserstreckung gleicher Kühlintensität gebildet ist.

[0025] Wenn hingegen die Kühleinrichtung als Tauchbecken mit einer Kühlflüssigkeit gebildet ist, kann auf einfache Weise durch Zusatz von synthetischen Mitteln die Kühlintensität, die auf die eingetauchten Schienenzonen wirksam sind, eingestellt werden.

[0026] Wenn weiter die Einstellung derart gebildet ist, daß die Schienentragkonstruktion und die Kühleinrichtung in Richtung der Schienenvertikalen im Querschnitt relativ zueinander bewegbar sind, können Kühlzyklen und/oder eine Kühlung von Schienenteilen besonders effizient durchgeführt werden.

[0027] Eine besonders einfache Einrichtung kann gebildet oder durch Nachrüstung erstellt sein, wenn die Tragkonstruktion mit einem horizontal ausgerichtete Positionierelemente aufweisenden Tauchbecken verbunden ist und daß die Schiene durch Spannmittel, zum Beispiel Niederhaltungen, an die Positionierlemene anstellbar ist. Dabei können in besonders einfacher Weise die Spannmittel als Niederhaltegewichte ausgebildet und zumindest in den distalen Bereichen der Schiene angeordnet sein.

[0028] Für eine quasi isotherme Wärmebehandlung ist von Vorteil, wenn die Einrichtung zur diskontinuierlichen Härtung von Schienen oder Querschnittsteilen derselben einsetzbar ist.

[0029] Im folgenden wird die Erfindung anhand von jeweils einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.

[0030] Es zeigen

Fig. 1 eine Einrichtung zum Tauchvergüten von hängenden Schienen mit senkrechter Anstellung des Spannmittels

Fig. 2 eine Einrichtung zum Sprühvergüten von stehenden Schienen

Fig. 3 eine Einrichtung mit drehender Anstellung des Spannmittels

Fig. 4 eine Éinrichtung mit Niederhaltegewicht als Spannmittel

[0031] In Fig. 1 ist schematisch eine Einrichtung zum achsfluchtenden Einspannen einer Schiene 1 in einer hängenden Position gezeigt. Eine Tragkonstruktion 2, welche aus zwei Kastenprofilen 22,21 verwindungssteif gebildet ist, trägt bewegbare zangenartige Positionierelemente 3, 3', welche im wesentlichen horizontale Anlageflächen 31, 31' für eine Schiene 1 besitzen. Nach einem Einbringen der Schiene 1 und Schließen der Positionierelemente 3,3' kann jeweils ein Spannelement 41, beispielsweise durch einen hydraulisch betätigbaren Kolben eine achsfluchtende Einspannung der Schiene sicherstellen, welche Schiene weiters durch beispielsweise ein Absenken der Tragkonstruktion 2 in eine Kühleinrichtung 5, zum Beispiel in ein Tauchbecken 51 m it einer Kühlflüssigkeit 52 verbracht wird. Nach zumindest teilweiser Abkühlung zumindest eines Teiles der Schiene 1 kann diese durch Anheben in Richtung H der Tragkonstruktion 2 aus einem Kühlmedium ausgebracht und bei Lösen des Spannmittels 4' und der Positionierelemente 3 abgelegt werden.

[0032] Fig. 2 zeigt eine Schiene 1, welche stehend in einer Tragkonstruktion 2 gegen Biegung gesichert eingespannt ist. Die gegebene Tragkonstruktion 2 besteht beispielsweise aus einem unteren und einem oberen Rahmenkasten 21,22, welche Kasten miteinander verwindungssteif verbunden sind. Zu einer achsfluchtenden Einspannung erfolgt ein Aufbringen der Schiene 1 auf Positionierteile 23 und ein Schließen von Positionierelementen 3,3', welche schräge Anlageflächen 31, 31' besitzen, durch Einschwenken beispielsweise durch hydraulische Mittel 6.

[0033] In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung offenbart, welche seitlich angeordnete Rahmenelemente 21, 22 der Tragkonstruktion 2 aufweist. Zur Einspannung einer Schiene 1, welche von Positionierelementen 3,3' mit Auflageflächen 31,31' getragen wird, werden Spannmittel 4,4' um Drehpunkte 42,42' geschwenkt und deren Anlageflächen 41, 41' auf den Schienenfuß angestellt und derart die Schiene 1 festgelegt. Durch eine Relativbewegung H kann ein Eintauchen der Schiene in ein Kühlmedium 52 erfolgen.

[0034] In Fig. 4 ist wiederum schematisch eine horizontale Ausrichtung einer Schiene 1 dargestellt. Eine Schiene 1 wird mit dem Schienenkopf 11 nach unten gerichtet in ein Tauchbecken 51 einer Kühlvorrichtung 5 mit einer Kühlflüssigkeit 52 eingebracht und durch darin angeordnete Positionierlemente 3 abgestützt. Zur Einspannung in einer achsgeraden horizontalen Position erfolgt ein Auflegen von Niederhaltegewichten 40, welche durch Haltemittel 42 bewegbar sind, auf die Schiene 1, wobei die Positionierelemente 3,3' zur Bildung eines geringen Spaltes an den Anlageflächen 31,31' von beispielsweise 0,5 mm abgesenkt werden können. Zum Austrag der Schiene 1 aus der Kühlvorrichtung 5 erfolgt beispielsweise ein Abheben der Niederhaltegewichte 40 und ein Hochfahren der Positionierelemente 3,3'. Es kann jedoch auch ein Absenken der Kühlvorrichtung 5 erfolgen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Härten von Schienen oder zumindest des Schienenkopfes derselben durch verstärkte Kühlung mit einem Umwandeln des Gefüges von der austenitischen in eine gewünschte bei Raumtemperatur stabile Mikrostruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene im austenitischen Gefügezustand gerichtet, horizontal positioniert und achsfluchtend gegen Biegung gesichert eingespannt wird, worauf unter Aufrechterhaltung der Einspannung bzw. Verbiegungssicherung die Schiene und/oder zumindest ein Teil des Schienenquerschnittes von einer Temperatur, welche oberhalb des Ac₃- Punktes der Legierung liegt, in an sich bekannter Weise zumindest zeitweise verstärkt abgekühlt und das Gefüge umwandeln gelassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Richten, ein Positionieren und ein achsfluchtendes Einspannen der Schiene unmittelbar nach dem letzten Verformungsstich unter Nutzung der Walzhitze erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene stehend, wobei der Schienenkopf senkrecht nach oben gerichtet ist, eingespannt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene hängend, wobei der Schienenkopf senkrecht nach unten gerichtet ist, eingespannt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schiene durch Spritzkühlung Wärme entzogen wird, wobei in Längsrichtung gesehen, in den Oberflächenbereichen des Querschnittes symmetrisch zur Höhenachse der Schiene gleich hohe Kühlintensitäten verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Anssprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schiene durch Tauchen in eine Kühlflüssigkeit Wärme entzogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Schiene zeitlich und/oder örtlich, einen Oberflächenbereich des Querschnittes betreffend, intermittierend durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene nach der verstärkten Abkühlung ausgespannt wird und gegebenenfalls nach einem Halten bei erhöhter Temperatur an ruhender Luft auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wird.

9. Verwendung des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 8 für ein ein verstärktes Abkühlen oder Härten von Schienen mit einer Länge von größer 50 m, vorzugsweise größer 90 m.

10. Einrichtung zum Härten von Schienen oder zumindest des Schienenkopfes derselben durch verstärkte Kühlung mit einem Umwandeln des Gefüges von der austenitischen in eine gewünschte bei Raumtemperatur stabile Mikrostruktur, bestehend im wesentlichen aus einem Schienenstützmittel und einer Kühlvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Schienenstützmittel als Tragkonstruktion (2) mit einer der Schiene (1) entsprechenden Längserstreckung und mit hohem Widerstandsmoment gegen Biegung sowie mit Positionierelementen (3) und lösbaren Spannmitteln (4) für eine Festlegung der Schiene (1) gebildet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion (2) als Schweißkonstruktion, an welcher mindestens drei Positionierelemente (3) vorzugsweise über die Längserstreckung in Abständen von 0,5 m jeweils ein Positionierelement (3) horizontal ausrichtbar angeordnet sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß lösbare Spannmittel (4) als Niederhaltungen (41) für die an den Positionierelementen (3) anliegenden Schiene (1) gebildet sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbaren Spannmittel (4) mit Ausrichtflächen (41,41') zur Positionierung der Schiene (1) in horizontaler Längsachsrichtung gebildet sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungselemente (3) und die Spannmittel (4) eine verringerte Anlagefläche an die Schiene (1), zum Beispiel eine Keilform, aufweisen.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (5) für die Schiene (1) als Sprühstrecke (50) mit Luft und/oder Wasser ( 52,52',52") mit über die Längserstreckung gleicher Kühlintensität gebildet ist.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (5) als Tauchbecken (51) mit einer Kühlflüssigkeit (52) gebildet ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienentragkonstruktion (2) und die Kühleinrichtung (5) in Richtung der Schienenvertikalen ((H) im Querschnitt relativ zueinander bewegbar sind.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion (2) mit einem horizontal ausgerichtete Positionierelemente (3) aufweisenden Tauchbecken (51) verbunden ist und daß die Schiene (1) durch Spannmittel (4), zum Beispiel Niederhaltungen (40), an die Positionierelemente (3) anstellbar ist.

19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmittel (4) als Niederhaltegewichte (40) ausgebildet und zumindest in den distalen Bereichen der Schiene (1) angeordnet sind.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß diese für ein Härten von Schienen mit einer Länge von mehr als 50 m, vorzugsweise von mehr als 90 m, die entsprechende Länge aufweist.

Zeichnung