制造高強(qiáng)度起重機(jī)鋼軌的方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年11月15日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/726, 945號(hào)的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及鋼軌，并且更具體地涉及起重機(jī)軌。具體而言，本發(fā)明涉及極高硬度的 起重機(jī)鋼軌及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 在安裝在地面或高架走道上的鋼軌上移動(dòng)的起重機(jī)用于將物體和材料從一個(gè)位 置運(yùn)輸?shù)搅硪晃恢谩?shí)例包括工業(yè)建筑（鋼廠）和港口，其中船舶從該港口卸貨并將貨物 放置在運(yùn)輸車輛上。所述鋼軌被稱為起重機(jī)軌，并且需要安全地支承重載荷同時(shí)保持低維 護(hù)費(fèi)用、長(zhǎng)的生命周期。與用于鐵路和輕軌運(yùn)輸線路的常見"丁字軌（Tee-rails)"相比，起 重機(jī)軌通常具有顯著的較厚重的頭部和較厚的軌腰部。
[0005] 由于多年來(lái)載荷增大，所以起重機(jī)軌必須抵抗塑性變形和損壞。目前的趨勢(shì)是，起 重機(jī)軌必須具有較高的硬度和高強(qiáng)度以抵抗損壞。典型的工業(yè)起重機(jī)（鋼廠）具有車輪載 荷高達(dá)60噸的八個(gè)直徑為60cm至70cm的車輪。起重機(jī)鋼軌與起重機(jī)車輪之間的實(shí)際接 觸點(diǎn)相當(dāng)小并且通常集中在起重機(jī)軌頭的中心。由于軌和車輪均處于高水平的壓縮，所以 引起非常大的局部應(yīng)力。近來(lái)許多起重機(jī)已改用較硬的車輪以延長(zhǎng)車輪壽命并降低維護(hù)費(fèi) 用。移動(dòng)的起重機(jī)和伴隨的沖擊載荷可以導(dǎo)致起重機(jī)軌、車輪和支承梁系統(tǒng)疲勞損壞。起 重機(jī)軌還經(jīng)受頭磨損并需定期檢查以確定磨損量仍可容許繼續(xù)使用。在起重機(jī)軌遭受墩粗 變形（mushrooming deformation)或非對(duì)稱變形和磨損的情況下，必需更換起重機(jī)軌。
[0006] 基于增大的起重機(jī)載荷和較高硬度的起重機(jī)車輪，起重機(jī)軌技術(shù)要求普遍轉(zhuǎn)向較 高硬度、較高強(qiáng)度的鋼種。由于起重機(jī)軌市場(chǎng)的規(guī)模有限，所以存在很少的制造起重機(jī)軌的 鋼廠，使用戶處于困難的局面。
[0007] ArcelorMittal Steelton工廠是西半球起重機(jī)軌的主要生產(chǎn)商，并且該工廠利用 其軌頭部硬化的設(shè)備通過(guò)直接脫離軌軋機(jī)的加速冷卻來(lái)制造較高硬度的起重機(jī)軌。然而， 客戶需要與從常規(guī)軌鋼組合物可獲得的起重機(jī)軌相比用于重載荷應(yīng)用的硬度甚至更高的 起重機(jī)軌。在本領(lǐng)域中需要與目前通常可獲得的起重機(jī)軌相比硬度更高的高硬度起重機(jī) 軌。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明涉及一種制造高強(qiáng)度頭部硬化的起重機(jī)軌的方法以及通過(guò)該方法制造的 起重機(jī)軌。該方法包括提供具有如下組成的鋼軌的步驟，該組成以重量百分比計(jì)包含：碳 0.79% 至1.00% ;錳0.40至1.00 ;硅0.30至1.00;鉻0.20至1.00;釩0.05至0.35;鈦 0. 01至0. 035;氮0. 002至0. 0150,余量主要為鐵。鋼軌在約700°C與約800°C之間的溫度 處提供。所述方法包括以如下冷卻速率冷卻所述鋼軌的另外的步驟，如果該冷卻速率繪制 在具有Xy坐標(biāo)的曲線圖上，其中X軸代表以秒表示的冷卻時(shí)間，y軸代表以°C表示的鋼軌 的頭部的表面的溫度，則該冷卻速率保持在由連接xy坐標(biāo)（0秒，800 °C )、（40秒，700 °C ) 和（140秒，600°C)的上線限定的上冷卻速率邊界曲線與由連接xy坐標(biāo)（0秒，700°C)、（40 秒，600°C)和（140秒，500°C)的下線限定的下冷卻速率邊界曲線之間的區(qū)域中。
[0009] 優(yōu)選地，鋼軌組合物可以優(yōu)選地以重量百分比計(jì)包含：碳0.8至0.9;錳0.7至 0?8;硅0?5至0?6;鉻0?2至0?3;釩0?05至0?1;鈦0?02至0?03;氮0?008至0?01;以及 余量主要為鐵。鋼軌組合物可以更優(yōu)選地以重量百分比計(jì)包含：碳〇.87;錳0.76;硅0.54; 鉻0.24;釩0.089;鈦0.024;磷0.011;硫0.006;氮0.009;以及余量主要為鐵。
[0010] 起重機(jī)軌具有可以為完全珠光體顯微組織的頭部。所述起重機(jī)軌的頭可以具有 如下平均布式硬度：在距離所述起重機(jī)軌頭的頂部中心3/8英寸的深度處至少370HB ;在 距離所述起重機(jī)軌頭的側(cè)部3/8英寸的深度處至少370HB ;以及在距離所述起重機(jī)軌頭的 頂部中心3/4英寸的深度處至少340HB。起重機(jī)軌可以具有至少120ksi的屈服強(qiáng)度；至少 180ksi的極限拉伸強(qiáng)度；至少8%的總伸長(zhǎng)率以及至少20%的截面收縮率（reduction in area)〇
[0011] 繪制在曲線圖上從0秒至20秒的冷卻速率可以具有在約2. 25°C /秒至5°C /秒范 圍內(nèi)的平均值，并且其中繪制在曲線圖上從20秒至140秒的冷卻速率可以具有在約1°C / 秒至1. 5°C /秒范圍內(nèi)的平均值。
[0012] 提供鋼軌的步驟可以包括以下步驟：在約1600°C至約1650°C的溫度下形成鋼的 熔體，通過(guò)依次添加錳、硅、碳、鉻，接著按任意順序或者以組合的方式添加鈦和釩來(lái)形成所 述熔體；對(duì)所述熔體進(jìn)行真空脫氣以進(jìn)一步除去氧氣、氫氣和其他可能的有害氣體；將所 述熔體澆鑄成方坯；將澆鑄的方坯加熱至約1220°C ;在初軋機(jī)上采用多個(gè)道次將所述方坯 軋制成"經(jīng)軋制的"方坯；將所述經(jīng)軋制的方坯置于再加熱爐中；將所述經(jīng)軋制的方坯再加 熱至1220°C，以提供均勻的軌軋制溫度；除去所述經(jīng)軋制的方坯的氧化皮；使所述經(jīng)軋制 的方坯依次通過(guò)粗軋機(jī)、中間粗軋機(jī)和精軋機(jī)以產(chǎn)生精軋鋼軌，所述精軋機(jī)具有1040°C的 輸出精軋溫度；在高于900°C除去所述精軋鋼軌的氧化皮以在所述精軋鋼軌上獲得均勻的 二次氧化物；以及將所述精軋軌空冷至約700°C至800°C。
[0013] 冷卻所述鋼軌的步驟可以包括利用水冷卻所述軌140秒。利用水冷卻所述鋼軌 的步驟可以包括利用噴水射流冷卻所述鋼軌。包括所述噴水射流的水可以保持在l〇°C至 16 °C之間的溫度。利用噴水射流冷卻所述鋼軌的步驟可以包括將所述噴水射流指向軌頭的 頂部處、軌頭的側(cè)部處、軌腰的側(cè)部處和軌的軌底處。利用噴水射流冷卻所述鋼軌的步驟可 以包括使所述鋼軌穿過(guò)包括所述噴水射流的冷卻室。冷卻室可以包括四個(gè)區(qū)并且每個(gè)區(qū)中 的水流量可以根據(jù)各個(gè)區(qū)中的冷卻需要而不同。在所述冷卻室的第一區(qū)/入口區(qū)中可以施 加最大量的水，使冷卻速率足夠快以抑制先共析滲碳體的形成并在低于700°C促使珠光體 轉(zhuǎn)變開始。在冷卻室的第一區(qū)/入口區(qū)中的水流量可以為25m 3/小時(shí)；在冷卻室的第二區(qū) 中的水流量可以為21m3/小時(shí)；在冷卻室的第三區(qū)中的水流量可以為9m 3/小時(shí)；以及在冷 卻室的第四區(qū)/最后區(qū)中的水流量可以為10m3/小時(shí)。
[0014] 冷卻所述鋼軌的步驟還可以包括在利用水冷卻所述軌140秒的所述步驟之后的 在空氣中將所述軌冷卻至室溫的步驟。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是示出起重機(jī)軌上的求平均值以確定起重機(jī)軌頭硬度的位置的起重機(jī)軌的 頭部的示意性截面。
[0016] 圖2a和圖2b分別繪出了在本文中所討論的四個(gè)品級(jí)的起重機(jī)軌（CC、HH、HC和 INV)的軌頭的頂部和中心處的平均布氏硬度。
[0017] 圖3示出了起重機(jī)軌的截面和用于冷卻起重機(jī)軌的噴水射流。
[0018] 圖4繪出了在本發(fā)明的9個(gè)軌在其連續(xù)穿過(guò)冷卻室的區(qū)時(shí)的冷卻曲線（以°C表示 的軌頭溫度相對(duì)從進(jìn)入室的第一區(qū)起的時(shí)間的關(guān)系）。
[0019] 圖5繪出了對(duì)于單個(gè)軌的以°0表示軌頭溫度相對(duì)自進(jìn)入室的第一區(qū)起的時(shí)間的 關(guān)系，虛線表示本發(fā)明的冷卻包跡線的頂界線和底界線。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本發(fā)明涉及結(jié)合鋼組合物與加速冷卻以制造具有優(yōu)異硬度和強(qiáng)度的起重機(jī)軌。
[0021] 目前規(guī)格:
[0022] 起重機(jī)軌的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為ASTM A759 "碳鋼起重機(jī)軌（Carbon Steel Crane Rails)"。組合物范圍為（以重量％計(jì)）：碳0.67%至0.84%;錳0.70%至1. 10%;硅0? 10% 至0.50%;磷至多0.04%;硫至多0.05%。雖然在ASTM A759中未