制造高强度起重机钢轨的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年11月15日提交的美国临时申请第61/726, 945号的权益。
技术领域
[0003] 本发明涉及钢轨，并且更具体地涉及起重机轨。具体而言，本发明涉及极高硬度的 起重机钢轨及其制造方法。
【背景技术】
[0004] 在安装在地面或高架走道上的钢轨上移动的起重机用于将物体和材料从一个位 置运输到另一位置。实例包括工业建筑（钢厂）和港口，其中船舶从该港口卸货并将货物 放置在运输车辆上。所述钢轨被称为起重机轨，并且需要安全地支承重载荷同时保持低维 护费用、长的生命周期。与用于铁路和轻轨运输线路的常见"丁字轨（Tee-rails)"相比，起 重机轨通常具有显著的较厚重的头部和较厚的轨腰部。
[0005] 由于多年来载荷增大，所以起重机轨必须抵抗塑性变形和损坏。目前的趋势是，起 重机轨必须具有较高的硬度和高强度以抵抗损坏。典型的工业起重机（钢厂）具有车轮载 荷高达60吨的八个直径为60cm至70cm的车轮。起重机钢轨与起重机车轮之间的实际接 触点相当小并且通常集中在起重机轨头的中心。由于轨和车轮均处于高水平的压缩，所以 引起非常大的局部应力。近来许多起重机已改用较硬的车轮以延长车轮寿命并降低维护费 用。移动的起重机和伴随的冲击载荷可以导致起重机轨、车轮和支承梁系统疲劳损坏。起 重机轨还经受头磨损并需定期检查以确定磨损量仍可容许继续使用。在起重机轨遭受墩粗 变形（mushrooming deformation)或非对称变形和磨损的情况下，必需更换起重机轨。
[0006] 基于增大的起重机载荷和较高硬度的起重机车轮，起重机轨技术要求普遍转向较 高硬度、较高强度的钢种。由于起重机轨市场的规模有限，所以存在很少的制造起重机轨的 钢厂，使用户处于困难的局面。
[0007] ArcelorMittal Steelton工厂是西半球起重机轨的主要生产商，并且该工厂利用 其轨头部硬化的设备通过直接脱离轨轧机的加速冷却来制造较高硬度的起重机轨。然而， 客户需要与从常规轨钢组合物可获得的起重机轨相比用于重载荷应用的硬度甚至更高的 起重机轨。在本领域中需要与目前通常可获得的起重机轨相比硬度更高的高硬度起重机 轨。
【发明内容】
[0008] 本发明涉及一种制造高强度头部硬化的起重机轨的方法以及通过该方法制造的 起重机轨。该方法包括提供具有如下组成的钢轨的步骤，该组成以重量百分比计包含：碳 0.79% 至1.00% ;锰0.40至1.00 ;硅0.30至1.00;铬0.20至1.00;钒0.05至0.35;钛 0. 01至0. 035;氮0. 002至0. 0150,余量主要为铁。钢轨在约700°C与约800°C之间的温度 处提供。所述方法包括以如下冷却速率冷却所述钢轨的另外的步骤，如果该冷却速率绘制 在具有Xy坐标的曲线图上，其中X轴代表以秒表示的冷却时间，y轴代表以°C表示的钢轨 的头部的表面的温度，则该冷却速率保持在由连接xy坐标（0秒，800 °C )、（40秒，700 °C ) 和（140秒，600°C)的上线限定的上冷却速率边界曲线与由连接xy坐标（0秒，700°C)、（40 秒，600°C)和（140秒，500°C)的下线限定的下冷却速率边界曲线之间的区域中。
[0009] 优选地，钢轨组合物可以优选地以重量百分比计包含：碳0.8至0.9;锰0.7至 0?8;硅0?5至0?6;铬0?2至0?3;钒0?05至0?1;钛0?02至0?03;氮0?008至0?01;以及 余量主要为铁。钢轨组合物可以更优选地以重量百分比计包含：碳〇.87;锰0.76;硅0.54; 铬0.24;钒0.089;钛0.024;磷0.011;硫0.006;氮0.009;以及余量主要为铁。
[0010] 起重机轨具有可以为完全珠光体显微组织的头部。所述起重机轨的头可以具有 如下平均布式硬度：在距离所述起重机轨头的顶部中心3/8英寸的深度处至少370HB ;在 距离所述起重机轨头的侧部3/8英寸的深度处至少370HB ;以及在距离所述起重机轨头的 顶部中心3/4英寸的深度处至少340HB。起重机轨可以具有至少120ksi的屈服强度；至少 180ksi的极限拉伸强度；至少8%的总伸长率以及至少20%的截面收缩率（reduction in area)〇
[0011] 绘制在曲线图上从0秒至20秒的冷却速率可以具有在约2. 25°C /秒至5°C /秒范 围内的平均值，并且其中绘制在曲线图上从20秒至140秒的冷却速率可以具有在约1°C / 秒至1. 5°C /秒范围内的平均值。
[0012] 提供钢轨的步骤可以包括以下步骤：在约1600°C至约1650°C的温度下形成钢的 熔体，通过依次添加锰、硅、碳、铬，接着按任意顺序或者以组合的方式添加钛和钒来形成所 述熔体；对所述熔体进行真空脱气以进一步除去氧气、氢气和其他可能的有害气体；将所 述熔体浇铸成方坯；将浇铸的方坯加热至约1220°C ;在初轧机上采用多个道次将所述方坯 轧制成"经轧制的"方坯；将所述经轧制的方坯置于再加热炉中；将所述经轧制的方坯再加 热至1220°C，以提供均匀的轨轧制温度；除去所述经轧制的方坯的氧化皮；使所述经轧制 的方坯依次通过粗轧机、中间粗轧机和精轧机以产生精轧钢轨，所述精轧机具有1040°C的 输出精轧温度；在高于900°C除去所述精轧钢轨的氧化皮以在所述精轧钢轨上获得均匀的 二次氧化物；以及将所述精轧轨空冷至约700°C至800°C。
[0013] 冷却所述钢轨的步骤可以包括利用水冷却所述轨140秒。利用水冷却所述钢轨 的步骤可以包括利用喷水射流冷却所述钢轨。包括所述喷水射流的水可以保持在l〇°C至 16 °C之间的温度。利用喷水射流冷却所述钢轨的步骤可以包括将所述喷水射流指向轨头的 顶部处、轨头的侧部处、轨腰的侧部处和轨的轨底处。利用喷水射流冷却所述钢轨的步骤可 以包括使所述钢轨穿过包括所述喷水射流的冷却室。冷却室可以包括四个区并且每个区中 的水流量可以根据各个区中的冷却需要而不同。在所述冷却室的第一区/入口区中可以施 加最大量的水，使冷却速率足够快以抑制先共析渗碳体的形成并在低于700°C促使珠光体 转变开始。在冷却室的第一区/入口区中的水流量可以为25m 3/小时；在冷却室的第二区 中的水流量可以为21m3/小时；在冷却室的第三区中的水流量可以为9m 3/小时；以及在冷 却室的第四区/最后区中的水流量可以为10m3/小时。
[0014] 冷却所述钢轨的步骤还可以包括在利用水冷却所述轨140秒的所述步骤之后的 在空气中将所述轨冷却至室温的步骤。
【附图说明】
[0015] 图1是示出起重机轨上的求平均值以确定起重机轨头硬度的位置的起重机轨的 头部的示意性截面。
[0016] 图2a和图2b分别绘出了在本文中所讨论的四个品级的起重机轨（CC、HH、HC和 INV)的轨头的顶部和中心处的平均布氏硬度。
[0017] 图3示出了起重机轨的截面和用于冷却起重机轨的喷水射流。
[0018] 图4绘出了在本发明的9个轨在其连续穿过冷却室的区时的冷却曲线（以°C表示 的轨头温度相对从进入室的第一区起的时间的关系）。
[0019] 图5绘出了对于单个轨的以°0表示轨头温度相对自进入室的第一区起的时间的 关系，虚线表示本发明的冷却包迹线的顶界线和底界线。
【具体实施方式】
[0020] 本发明涉及结合钢组合物与加速冷却以制造具有优异硬度和强度的起重机轨。
[0021] 目前规格:
[0022] 起重机轨的标准规格为ASTM A759 "碳钢起重机轨（Carbon Steel Crane Rails)"。组合物范围为（以重量％计）：碳0.67%至0.84%;锰0.70%至1. 10%;硅0? 10% 至0.50%;磷至多0.04%;硫至多0.05%。虽然在ASTM A759中未