ITLI20090004A1

ITLI20090004A1 - Rotaie altoresistenziali a morfologia perlitica coloniale con elevato rapporto tenacita'-resistenza a rottura ed omogeneita' di proprieta' meccaniche e tecnologiche e relativo processo di fabbricazione.

Info

Publication number: ITLI20090004A1
Application number: IT000004A
Authority: IT
Inventors: Riccardo Bucci; Cherico Claudio Del; Mirko Raspolli
Original assignee: Lucchini S P A
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-11-22

Description

temperatura seguiti da un raffreddamento accelerato in linea. Tali sistemi di controllo, agendo in maniera differenziata sia sulla sezione traversale che lungo la rotaia, sono in grado di omogeneizzare le principali caratteristiche meccaniche (durezza, resistenza a trazione e snervamento), metallurgiche (dimensione grano austenitico a fine laminazione d, spaziatura interlamellare λ, angolo di mi sorientazione) e tecnologiche (tensioni residue, rettilineità, tasso e rateo di usura, fatica per contatto volvente) della rotaia. La gestione dell’intero processo di produzione della rotaia è realizzato tramite un sistema di controllo processo “esperto” che garantisce le caratteristiche meccaniche sulTintera lunghezza della rotaia e attraverso ogni sezione trasversale ed evita la formazione di zone a bassa durezza o a bassa tenacità, mantenendo gli intervalli di variabilità entro predefmite forcelle (limite superiore e limite inferiore).

I maggiori inconvenienti e limitazioni attualmente riscontrabili e riconosciuti ai prodotti rotaia ad elevata resistenza presenti in letteratura e/o reperibili sul mercato nazionale ed intemazionale sono: non uniformità di caratteristiche meccaniche; possibilità di formazione presenza di fasi dure e fragili non ammesse o microcostituenti vietati dalla vigente Normativa sulle rotaie, scarsa tenacità a frattura e ad impatto.

DESCRIZIONE II successo futuro del trasporto ferroviario (anche in ottica di competizione con altri sistemi di trasporto merci e persone, quali aereo, nave e su gomma) sarà sempre più determinato dal realizzarsi di TRE (3) condizioni principali e imprescindibili:

1. l’aumento della velocità di percorrenza delle linee da parte dei moderni treni passeggeri;

2. Γ incremento del carico per asse in treni merci;

3. rintermodalità ferroviaria, l’apertura a soggetti privati eroganti servizi di trasporto su rotaia e a materiale rotabile proveniente da tutti gli Stati Membri EU e oltre (es. Russia, Cina).

Dal punto di vista dell’ infrastruttura ferrotranviaria, il realizzarsi di queste condizioni di esercizio sempre più severe avrà riflessi importanti in termini di:

• più veloce e maggior deterioramento della qualità del materiale infrastrutturale, in conseguenza all’incremento di percorrenza e varietà qualitativa del materiale rotabile utilizzato,

• incremento dei requisiti di sicurezza e affidabilità del materiale infrastrutturale, requisito fondamentale a garantire gli elevati standard di sicurezza richiesti dal trasporto passeggeri ad alta velocità,

• aumento dei costi di manutenzione ordinaria e straordinaria, da cui la necessità di intervenire sia a livello di programmazione della manutenzione che modellazione dei fenomeni di usura / degrado che utilizzo di materiali infrastrutturali più performanti (e, in ultima analisi, più durevoli nel tempo). Dal un punto di vista metallurgico e del componente in specifico, i succitati requisiti portano a formulare una serie di richieste chiare e stringenti sulla qualità e affidabilità nel tempo e nello spazio per il materiale infrastrutturale. In termini di rotaie ferroviarie, tali requisiti si declinano in ima serie di richieste di seguito elencate:

· aumento della durezza e carico a rottura;

aumento del rapporto carico di snervamento / carico a rottura;

• aumento della resistenza all’usura e alla fatica per contatto volvente;

aumento della tenacità a frattura e del rapporto tenacità / rottura;

• abbassamento della temperatura di transizione fragile-duttile;

buona saldabilità.

Con questa invenzione, oltre all’incremento della durezza, del carico a rottura, del rapporto carico di snervamento / carico a rottura, della resistenza all’usura e alla fatica di contatto volvente tipica delle rotaie dure raffreddate in modo accelerato con processi tradizionali, si migliora decisamente la tenacità del prodotto e l’omogeneità delle principali caratteristiche meccaniche, tecnologiche e proprietà metallurgiche da queste influenzate, attraverso l’intera sezione e lungo l’asse della rotaia, rendendo il comportamento in esercizio del componente più affidabile, prevedibile e migliorato rispetto ai principali meccanismi di degrado per nucleazione ed avanzamento di cricca. II valore della tenacità a frattura, e il contenimento della sua variabilità entro limiti sempre più stringenti, risulta di particolare interesse nelle zone di tracciato ferroviario dove i carichi sono elevati e in parti colar modo in curve a medio-corto raggio (tipicamente R<600 m) e comunque in tutte le condizioni di tracciato ed esercizio che ne richiedano l’utilizzo, ovvero laddove si possono osservare cricche superficiali sulla testa della rotaia (head checks) che, raggiunte le dimensioni critiche di propagazione, possono evolvere con effetti deleteri per l’integrità e affidabilità strutturale della rotaia. Con questa invenzione, attraverso una serie di esperimenti, si dimostra come la tenacità su rotaie dure ottenute per raffreddamento accelerato e controllato possa essere migliorata in tutta la sezione trasversale della rotaia e in tutta la sua lunghezza, tramite processi integrati di laminazione in controllo di temperatura e deformazione. In particolare, l’elevata tenacità deve essere garantita almeno fino ad una profondità di 20 mm, misurata a 45° a partire dallo spigolo della testa della rotaia, ossia nella zona interessata dalle maggiori sollecitazioni di fatica per contatto volvente che si generano durante l’accoppiamento ruota-rotaia. Va inoltre ricordato che in tale zona è misurata l’usura della rotaia (cosiddetta usura a 45°): una profondità di usura maggiore o uguale a 15 mm rappresenta la condizione per cui la rotaia è giunta al termine della sua vita. La resistenza all’usura e alla fatica per contatto volvente è strettamente connessa alle caratteristiche meccaniche del materiale e a parametri microstrutturali della perlite, quali spaziatura interlamellare media λ e spessore medio della lamella di cementite t. La micro struttura perlitica della rotaia oggetto della presente invenzione, a partire dalla superficie esterna della testa fino ad una profondità minima di 20 mm (misurata a 45° a partire dallo spigolo della testa della rotaia), è caratterizzata da una spaziatura interlamellare λ non superiore a 0.14 pm con spessori di lamelle di cementite airintemo della perlite comprese nell’ intervallo 10÷20 nm (variabile in funzione del contenuto di carbonio nell’acciaio per rotaie impiegato).

L’incremento di tenacità è strettamente legato alla dimensione del grano austenitico ottenuto al termine del processo di laminazione, il quale influenza direttamente la morfologia della microstruttura perlitica finale ottenuta con il processo oggetto della presente invenzione. In particolare, per dimensioni del grano austenitico a fine laminazione inferiori a 20 pm, si ha il passaggio da una micro struttura perlitica nodulare ad una microstruttura perlitica coloniale. Tale microstruttura è costituita da colonie di perlite fini ad alto grado di mi sorientazione (angolo formato dalle orientazioni cristallografiche tra colonie adiacenti superiore a 15°), il quale garantisce alla microstruttura la fondamentale proprietà di opporsi all’avanzamento della cricca. La percentuale minima di colonie perlitiche ad alto angolo di misorientazione che garantisce elevata tenacità deve essere non inferiore al 25% fino ad una profondità di almeno 20 mm e per tutta la lunghezza della rotaia.

In Figura 1 e Figura 2 sono riportati gli schemi che individuano le varie parti della rotaia.

Il processo di produzione della rotaia oggetto di questa invenzione prevede la realizzazione di processi integrati di laminazione in controllo di deformazione e temperatura seguiti da un raffreddamento accelerato in linea. Tali sistemi di controllo, agendo in maniera differenziata sia sulla sezione traversale che lungo la rotaia, sono in grado di omogeneizzare le principali caratteristiche meccaniche (durezza, resistenza a trazione e snervamento), metallurgiche (dimensione grano austenitico a fine laminazione d, spaziatura interlamellare λ, angolo di misorientazione) e tecnologiche (tensioni residue, rettilineità, tasso e rateo di usura, fatica per contatto volvente) della rotaia. La gestione dell’intero processo di produzione della rotaia è realizzato tramite un sistema di controllo processo “esperto” che garantisce le caratteristiche meccaniche suH’ìntera lunghezza della rotaia e attraverso ogni sezione trasversale ed evita la formazione di zone a bassa durezza o a bassa tenacità, mantenendo gli intervalli di variabilità entro predefinite forcelle (limite superiore e limite inferiore).

La microstruttura coloniale fine è ottenuta applicando il processo integrato di laminazione in controllo di temperatura e deformazione sopra citato, per l’intero ciclo di trasformazione a caldo del laminato. Per ottenere una significativa riduzione delle dimensioni del grano austenitico, particolare attenzione deve essere prestata a partire dalla fase di sbozzatura fino alla fine del processo di laminazione, secondo le seguenti indicazioni:

1. Fase di sbozzatura controllata: per temperature inferiori a 1100°C deve essere realizzata una riduzione complessiva non inferiore al 40%;

2. Fase di finitura controllata: per temperature comprese nell’intervallo 700÷950°C con una riduzione complessiva minima del 6%. In caso di laminazione di finitura su più passate, la riduzione parziale media deve essere non inferiore al 2%, con tempi di intergabbia non superiori a 15 s.

La dimensione e lo stato di deformazione del grano austenitico sono monitorati attraverso un modello numerico che, sulla base dei principali parametri di processo (deformazione, velocità di deformazione e temperature di ingresso / uscita per ogni passata, tempi di interpass tra una passata e l’altra, dimensione iniziale del grano austenitico, ecc.) è in grado di calcolare l’evoluzione della dimensione del grano austenitico e le deformazioni associate ai vari passaggi di laminazione. Il modello sfrutta ima serie di equazioni semiempiriche per descrivere sia i fenomeni di ricristallizzazione, statica, dinamica e post-dinamica, che di crescita del grano austenitico. I parametri associati alle equazioni sono specializzati alle chimiche degli acciai oggetto di investigazione. Le deformazioni e le velocità di deformazione locali sono a loro volta calcolate ( off-line ) sulla base di modelli termo-meccanici tridimensionali agli elementi finiti, che permettono di valutare tali grandezze lungo l’intera sezione della rotaia ad ogni passaggio di laminazione. Tali modelli utilizzano un algoritmo per la modellazione del contatto cilindro-rotaia che permette di valutare sia l’effetto termico associato alla deformazione plastica della rotaia che l’insorgenza di pressioni di contatto al di fuori dei limiti previsti per l’ottenimento della qualità superficiale desiderata. Sulla base delle informazioni fomite dal modello termomeccanico e dai parametri di processo misurati in linea, è possibile quindi tracciare l’evoluzione termica e microstrutturale di una generica sezione della rotaia ad ogni passaggio di laminazione. Avendo noti i target di prodotto, infine, il sistema è in grado di valutare la correttezza del processo termo-meccanico applicato, elaborare e controllare l’applicazione delle strategie di contro-reazione, fino a segnalare le rotaie potenzialmente al di fuori delle specifiche desiderate. La logica di funzionamento è schematicamente rappresentata nella Figura 3.

Il sistema di controllo e omogeneizzazione delle temperature, che agisce durante i diversi passaggi di sbozzatura (e immediatamente prima della finitura) e in funzione dei diversi tempi di intergabbia deve essere del tipo in linea “a passaggio”, agendo sulla rotaia durante la normali fasi di movimentazione. In Figura 4 e Figura 5 sono riportati due esempi di schemi di principio dei sistemi di controllo e omogeneizzazione “a passaggio”, rispettivamente per la fase di sbozzatura e finitura.

Il sistema di controllo e omogeneizzazione della temperatura può essere concettualmente suddiviso in DUE (2) parti principali, poste in serie l’una all’altra (rispetto al verso di laminazione):

• una prima parte che, mediante sensori di temperatura e posizione, realizza la mappatura termica superficiale del laminato e ne identifica la velocità di laminazione puntuale (sistema di misura della temperatura superficiale della rotaia);

• una seconda parte che, mediante l’azione di sistemi di raffreddamento e riscaldamento localizzati, realizza il profilo di temperature idoneo al raggiungimento degli obiettivi di prodotto (sistema di omogeneizzazione della temperatura della rotaia).

II sistema di controllo e omogeneizzazione della temperatura gestisce in modo combinato ed intelligente l’azione dei sistemi di raffreddamento e riscaldamento, basandosi sulle mappe termiche misurate sul laminato in ingresso e stabilendo di volta in volta le più idonee strategie di raffreddamento / riscaldamento localizzati per il conseguimento degli obiettivi di prodotto.

In particolare, il sistema di controllo deve essere idoneo alla misura e memorizzazione in continuo dei seguenti parametri di processo:

• Misura della velocità di traslazione del laminato (velocità di laminazione); • Misura delle temperature superficiali sull’intero profilo trasversale della rotaia (testa, anima e piede), per un numero minimo di OTTO (8) punti distribuiti, con una frequenza di acquisizione tipica di 10 sec<'1>(Hz) e per l’intera lunghezza del laminato.

In Figura 6 sono riportate le posizioni dei punti fìssi di rilievo della temperatura in continuo sulla sezione trasversa di rotaia 60E1 (sezione laminato selezionata a scopo puramente esemplificativo).

Il sistema di omogeneizzazione della temperatura è in grado di attivare e modulare ciascuna unità elementare di raffreddamento / riscaldamento in modo indipendente, così da garantire un’elevata uniformità superficiale di temperatura (AT<40°C) sull’intera lunghezza del laminato e differenze di temperatura non superiori a 80°C nella sezione trasversale della rotaia, differenza misurata tra centro testa rotaia e running band (= punto materiale posto sulla superficie della testa della rotaia, in corrispondenza della tangente alla testa e della perpendicolare al piano in cui giace il piede della rotaia).

Sulla base dei rilievi di temperatura superficiale effettuati dal sistema di misura e di modelli termo-meccanici e microstrutturali accoppiati agli elementi finiti, opportunamente sviluppati e tarati sia per il processo di laminazione in controllo di temperatura e deformazione che per il raffreddamento e riscaldamento descritti in precedenza, il sistema è in grado di determinare la mappa termica dell’intera sezione della rotaia e stabilire, per ciascuna sezione di raffreddamento, la durata e la configurazione del trattamento più idonea a garantire la miglior omogeneità delle caratteristiche termiche e metallurgiche all’interno dei limiti di variazione prestabiliti, condizioni necessarie al raggiungimento degli obiettivi finali di prodotto.

A tale fine, il sistema di omogeneizzazione della temperatura è costituito da un numero minimo di sezioni indipendenti trasversali non inferiori a SEI (6) (Figura 7) e longitudinali non inferiori a TRE (3) (Figura 8). Il numero totale di unità elementari di controllo della temperatura deve essere non inferiore a DICIOTTO (18). Ciascuna unità è contro-reazionata con il sistema di controllo ed è attivabile e modulabile in modo indipendente.

Il sistema di omogeneizzazione della temperatura risulta dotato di unità di raffreddamento ad ugelli in controllo di pressione e portata (fluidi refrigeranti impiegati: acqua, aqua-aria, aria, acqua più additivi) che agiscono sulla testa, anima e piede e da un sistema di riscaldamento ad induzione che agisce preferenzialmente sulle estremità del piede della rotaia (ali) (Figura 7).

Il sistema di riscaldamento (tipicamente ad induzione) ha lo scopo di prevenire l’eccessivo raffreddamento delle ali del piede rotaia e contribuisce all’omogeneità delle caratteristiche meccaniche e metallurgiche del prodotto laminato:

• evitando l’inizio della trasformazione di fase prima che il processo di laminazione abbia termine;

• riducendo ed omogeneizzando le forze di laminazione al finitore;

• riducendo i fenomeni di usura per strisciamento e degrado per fatica termomeccanica sulle attrezzature di laminazione;

• contribuendo a garantire un maggior controllo della qualità superficiale del laminato, a tutto vantaggio delle prestazioni in servizio del componente.

In analogia alla controparte raffreddante, il sistema di riscaldamento potrà essere costituito da una o più sezioni, attivabili e modulabili in modo indipendente e controllate dal medesimo sistema di controllo processo. La logica di funzionamento del sistema di controllo e omogeneizzazione della temperatura è riportata in Figura 9. Per massimizzare gli obiettivi generali della presente invenzione, si utilizza una chimica dell’acciaio con aggiunta combinata di Ti e Nb, opportunamente bilanciati con adeguate forcelle analitiche di Azoto (N) in funzione del tenore di C in analisi (ulteriori correttivi possono essere introdotti per tener conto dell’effetto congiunto di altri elementi quali Ni, Cr, Mo, V, Zr, etc.). Tali elementi agiscono come controllori della crescita del grano austenitico durante Γ intero il processo di laminazione in controllo di temperatura e deformazione, sia in soluzione solida per temperature superiori a 1100°C che come microprecipitati per temperature progressivamente inferiori a 1100°C, fino alTinizio della trasformazione di fase γ~>α.

La combinazione degli effetti benefici insiti alla realizzazione e corretta gestione di un processo integrato di laminazione in controllo di temperatura e deformazione, applicato ad analisi chimiche realizzate con aggiunta combinata di Ti e Nb, opportunamente bilanciati con adeguate forcelle analitiche di Azoto (N) in funzione del tenore di C in analisi (ulteriori correttivi possono essere introdotti per tener conto dell’ effetto congiunto di altri elementi quali Ni, Cr, Mo, V, Zr, etc.), la cui evoluzione termomeccanica risulti controllata attraverso l’intero ciclo di trasformazione a caldo del laminato (a partire dalla fase di sbozzatura fino alla fine del processo di laminazione), garantisce il raggiungimento di dimensioni del grano austenitico a fine laminazione inferiori a 20 pm, con punte di 10 pm a partire dalla superficie esterna della testa fino ad una profondità minima di 20 rara (misurata a 45° a partire dallo spigolo della testa della rotaia).

La microstruttura perlitica a spaziatura interlamellare fine (λ non superiore a 0.14 pm, con spessori di lamelle di cementite aH’intemo della perlite comprese nell’intervallo 10÷20 nm) è ottenuta attraverso un processo di raffreddamento intermittente accelerato posto a valle deH’ultimo passo di laminazione a caldo, gestito da un sistema di controllo esperto auto-adatti vo in linea (on-line), basato su modelli termici, metallurgici e meccanici accoppiati, appositamente sviluppati, tarati e ingegnerizzati sulle specifiche caratteristiche impiantistiche, di gamma analitica e dimensionale e prestazionali del prodotto rotaia.

Per ottenere la microstruttura perlitica a spaziatura interlamellare fine deve essere garantito un controllo di processo stretto e continuativo durante Γ intero ciclo di raffreddamento controllato, fine al suo completamento. A tale scopo, si identificano le seguenti principali fasi:

1. Fase di raffreddamento ad elevata drasticità: per temperature medie non superiori a 950°C e non inferiori a 500°C e tale da evitare formazione di strutture fragili indesiderate (bainiti, martensiti, cementite pro-eutettoidica) o non consentite dalla vigente Normativa Europea ed Intemazionale (es. ferrite pro-eutettoidica), la velocità media di raffreddamento deve essere compresa nell’intervallo 7÷20°C/s con differenze di temperature tra il centro termico della testa e la running band non superiore a 100°C;

2. Fase di raffreddamento a media drasticità: per temperature non superiori a 650°C e non inferiori a 500°C e tale da evitare formazione di strutture fragili indesiderate (es. bainiti, martensiti, cementite pro-eutettoidica) o dalla vigente Normativa Europea ed Intemazionale (es. ferrite pro-eutettoidica), la velocità media di raffreddamento deve essere compresa nell’intervallo l÷7°C/s con differenze di temperature tra il centro termico della testa e la runrting band non superiore a 50°C.

La fase di raffreddamento ad elevata drasticità ha anche lo scopo di compensare le deformazioni della rotaia dovute alle differenti masse termiche tra testa, anima e piede (oltre che alle differenze di temperatura tra punta, centro e coda della rotaia).

La fase di raffreddamento a media drasticità ha il duplice scopo di compensare le deformazioni della rotaia dovute alle differenti masse termiche tra testa, anima e piede e alle variazioni di volume associate alla trasformazione di fase γ->α (oltre che alle differenze di temperatura tra punta, centro e coda della rotaia).

Sulla base dei rilievi di temperatura superficiale effettuati dal sistema di misura e di modelli termo-meccanici e microstrutturali accoppiati agli elementi finiti, opportunamente sviluppati e tarati per il processo di laminazione in controllo di temperatura, deformazione e raffreddamento/ riscaldamento descritti in precedenza, il sistema è in grado di determinare la mappa termica dell’ intera sezione della rotaia, inclusi i fenomeni di recalescenza associati alla trasformazione perlitica e stabilire, per ciascuna sezione di raffreddamento, la durata e la configurazione del trattamento più idonea a garantire la miglior omogeneità delle caratteristiche meccaniche e metallurgiche target finali di prodotto, sino ad una profondità di almeno 20 min dalla superficie esterna della testa della rotaia e per l’intera lunghezza della laminato. Più in dettaglio, il sistema è dotato di un modello di decomposizione deH’austenite in grado di prevedere l’evoluzione microstrutturale della rotaia (in particolare, la trasformazione di fase γ->α ma anche l’insorgenza di strutture indesiderate quali ferrite proeutettoidica, bainiti e martensiti) accoppiato ad un modello termo-meccanico che, sulla base delle temperature della rotaia all’ingresso del sistema di raffreddamento ed omogeneizzazione, delle caratteristiche del sistema raffreddante e termofisiche del materiale (inclusa la dimensione del grano austenitico calcolata dal modello precedentemente descritto), è in grado di calcolare sia l’evoluzione termica della generica sezione di rotaia che il campo di deformazioni e tensionale associato ai ritiri termici differenziali ed alle trasformazioni di fase. Nella pratica, il sistema è sviluppato in maniera tale da suggerire, per ogni sezione raffreddante, la strategia di raffreddamento più opportuna a garantire un raffreddamento omogeneo della rotaia secondo le velocità di raffreddamento prestabilite (che permettono Γ ottenimento della spaziatura interlamellare desiderata) e, al tempo stesso, minimizzare le deformazioni/tensioni associate al processo di raffreddamento controllato. Il sistema, inoltre, agisce durante tutto il raffreddamento controllato della rotaia, verificando Γ efficacia delle strategie suggerite ed apportando le dovute correzioni qualora l’evoluzione termica o le deformazioni della rotaia si discostino dai limiti di tolleranza stabiliti per il prodotto-li sistema di raffreddamento controllato ed omogeneizzazione della temperatura dopo laminazione a caldo opera sulla rotaia almeno fino al raggiungimento dell’80% della trasformazione perlitica, realizzando così una spaziatura interlamellare fine. L’effetto del processo di raffreddamento accelerato controllato, abbinato al processo integrato di laminazione in controllo di temperatura e deformazione e ad analisi chimiche di prodotto realizzate con aggiunta combinata di Ti e Nb, opportunamente bilanciati con adeguate forcelle analitiche di Azoto (N) in funzione del tenore di C in analisi (ulteriori correttivi possono essere introdotti per tener conto dell’ effetto congiunto di altri elementi quali Ni, Cr, Mo, V, Zr, etc.), garantisce il raggiungimento delle migliori caratteristiche metallurgiche, meccaniche e tecnologiche oggetto di questa invenzione. Il sistema di raffreddamento controllato ed omogeneizzazione della temperatura dopo laminazione a caldo può essere del tipo” a passaggio”, con schema di principio simile a quello riportato in Figura 10, oppure del tipo “a sosta”, la cui logica di funzionamento è riportata in Figura 11.

Il sistema “a sosta” può essere suddiviso concettualmente in DUE (2) parti principali, poste in parallelo l’una all’altra:

· una prima parte che, mediante sensori di temperatura e posizione, realizza la mappatura termica superficiale del laminato e ne identifica la velocità di laminazione puntuale (sistema di misura della temperatura superficiale della rotaia);

• una seconda parte che, mediante l’azione di sistemi di raffreddamento e riscaldamento localizzati, realizza il profilo di temperature idoneo al raggiungimento degli obiettivi di prodotto (sistema di raffreddamento controllato della rotaia).

Il sistema di raffreddamento controllato ed omogeneizzazione della temperatura gestisce in modo combinato ed intelligente l’azione dei sistemi di raffreddamento, basandosi sulle mappe termiche misurate sul laminato in ingresso e stabilendo di volta in volta le più idonee strategie di raffreddamento localizzato per il conseguimento degli obiettivi di prodotto.

In particolare, la componente di misura della temperatura associato al sistema di raffreddamento controllato ed omogeneizzazione della temperatura deve essere idoneo alla misura e memorizzazione in continuo dei seguenti parametri di processo:

• Misura delle temperature superficiali sull’ intero profilo trasversale della rotaia (testa, anima e piede), per un numero minimo di OTTO (8) punti distribuiti come in Figura 12, per ciascuna sezione raffreddante indipendente trasversale di cui risulterà composta l’unità di raffreddamento controllato ed omogeneizzazione) ;

• Misura delle temperature lungo l’intero asse della rotaia (punta, centro e coda) in almeno CINQUE (5) punti per ciascuna generatrice contenente i punti di misura trasversale di cui al punto precedente (e comunque almeno UNO per ciascuna sezione raffreddante indipendente longitudinale di cui risulterà composta l’unità di raffreddamento controllato ed omogeneizzazione) (Figura 13);

• Misura degli spostamenti trasversali tridimensionali (nelle tre direzioni cartesiani ortogonali) dovuti alle diverse masse termiche della testa, anima e piede.

con una frequenza di acquisizione tipica di 10 sec<'1>(Hz) e per l’intera lunghezza del laminato.

Il sistema di raffreddamento controllato e omogeneizzazione della temperatura è in grado di attivare e modulare ciascuna unità elementare di raffreddamento in modo indipendente, così da garantire un’elevata uniformità superficiale di temperatura (AT<40°C) sull’intera lunghezza del laminato e differenze di temperatura non superiori a 80°C nella sezione trasversale della rotaia, differenza misurata tra centro testa rotaia e running band. L’unità di raffreddamento controllato e omogeneizzazione della temperatura deve essere costituita da un numero di sezioni indipendenti trasversali non inferiori a SEI (6) (Figura 12) e longitudinali non inferiori a CINQUE (5) (Figura 13). II numero totale di unità elementari di controllo della temperatura deve essere non inferiore a TRENTA (30) e ciascuna unità contro-reazionata con il sistema di misura della temperatura superficiale. Il sistema di raffreddamento controllato ed omogeneizzazione della temperatura risulta dotato di unità di raffreddamento ad ugelli in controllo di pressione e portata (fluidi refrigeranti: acqua, acqua-aria, aria, acqua più additivi) che agiscono sulla testa, anima e piede in modo differenziale e separatamente.

La strategia di intervento del sistema di raffreddamento controllato e omogeneizzazione della temperatura dopo laminazione a caldo è di tipo “intermittente”, che alterna fasi di misura della temperatura e spostamento con fasi di raffreddamento localizzato, fino al raggiungimento della temperatura obiettivo. Contestualmente a ciascuna fase di misura della temperatura superficiale del laminato un’unità ausiliaria dotata di ugelli ad aria compressa ad alta pressione ha il compito di rompere il film di vapore generato durante la fase di raffreddamento immediatamente precedente, garantendo in tal modo una misura della temperatura locale accurata, affidabile e rappresentativa dello stato termico reale del laminato.

II sistema di raffreddamento controllato ed omogeneizzazione della temperatura ha il doppio compito di:

• contenere le differenze di temperatura sull’intera lunghezza e nella sezione della rotaia,

• bilanciare le deformazioni generatesi durante la fase di raffreddamento e trasformazione di fase dell’acciaio, indotte dalla differenza di massa termica tra testa anima e piede e limitare la recalescenza dovuta alla formazione della perlite.

Al fine di massimizzare le azioni volte all’omogeneizzazione della temperatura del laminato e garantire, nel contempo, il più elevato grado di affidabilità del processo oggetto dell’invenzione, anche in caso di parziali e momentanei malfunzionamenti e/o fuori servizio di parti di impianto (es. otturazione ugelli di raffreddamento), durante le fasi di raffreddamento controllato la rotaia è animata di moto traslatorio rettilineo alternato lungo il proprio asse longitudinale, con escursioni comprese nell’intervallo 0.5÷5m.

Questo procedimento e relativo sistema elettromeccanico di controllo e gestione è pensato per ottimizzare il processo di raffreddamento controllato ed omogeneizzazione della temperatura, condizioni imprescindibili per uniformare le caratteristiche meccaniche e metallurgiche e raggiungere il pieno conseguimento degli obiettivi di prodotto.

A fine trasformazione perlitica e raffreddamento controllato, la rotaia ha una tolleranza di rettileneità non superiore a 3/10.000 e un valore di tensioni residue longitudinali non superiori a 50 N/mm<2>(MPa).

Il processo oggetto della presente invenzione permette rottenimento di una rotaia a testa indurita ad elevata resistenza (Rm=l 100÷1400 MPa), durezza HBW=340÷500, a spaziatura interlamellare fine (λ=0.10÷0.14μπι), con elevata tenacità a frattura statica (Kic fino a 65 Mpa m<+1/2>) e a sollecitazione ciclica (non superiore a 8 m/Gc per ΔΚ=10 Mpa-m<+,/2>e 25 m/Gc per ΔΚ=13.5 Mpa-m<+1/2>), per impieghi in tratte ad elevati carichi assiali, ad elevata percorrenza e frequenza di utilizzo, in curve di raggio medio-corto e comunque in tutte le condizioni di impiego che ne richiedano l’utilizzo.

Composizione chimica investigata (percentuali in peso):

C: 0.50÷1.20%

Si: 0.25÷2.50%

Mn: 0.50÷2.50%

Ni: 0.10÷3.00%

Cr: 0.10÷5.00%

V: 0.010÷0.30%

Mo: 0.005÷0.50%

Ti: 0.002÷0.10%

Nb: 0.002÷0.10%

W < 3.0%

Zr < 0.50%

Co < 5%

S < 0.001%

Sn < 0.001%

Sb < 0.001%

P < 0.0005%

Cu < 0.005%

Pb < 0.0005%

Te < 0.0005%

Se < 0.0005%

02< 50 ppm

N2: 50 - 500 ppm

H2< 1.5 ppm

Lantanidi e Terre Rare: assenti o inferiori a 10 ppm.

Il bilancio consiste in Fe e impurezze, queste ultime in quantità inferiore allo 0.1%.

La saldabilità dell’ acciaio per rotaie ad elevata resistenza a micro struttura completamente perlitica a morfologia coloniale non è alterata rispetto agli acciai C-Mn basso legati per rotaie annessi alla Norma EN13674-1.

In sintesi, il metodo per produrre rotaie alto resistenziali a microstruttura completamente perlitica fine con morfologia coloniale può essere suddiviso nelle seguenti macro fasi:

1. Riscaldo in forno di blumi di acciaio per rotaia almeno fino ad una temperatura di metallo compresa nell’intervallo 1200÷1270°C tale da consentire la completa solubilizzazione dei composti a base Ti e Nb. Tale temperatura sarà mantenuta per un tempo minimo di 1 min/mm lato blumo 30 minuti (tempo variabile da un minimo di 200 minuti fino ad un massimo di 500 minuti), 2. Laminazione in controllo di temperatura e deformazione, caratterizzato da un sistema integrato di controllo e gestione del processo in grado di omogeneizzare la temperatura del laminato sia attraverso la sezione della rotaia che tra estremità di punta, centro rotaia ed estremità di coda, nonché garantire il raggiungimento di dimensioni del grano austenitico a fine laminazione inferiori a 20 pm, con punte di 10 pm a partire dalla superficie esterna della testa fino ad una profondità minima di 20 mm (misurata a 45° a partire dallo spigolo della testa della rotaia),

3. Raffreddamento intermittente accelerato e controllato gestito da un sistema di controllo esperto auto-adattivo in linea {on-line), basato su un corpus di modelli termici, metallurgici e meccanici fortemente accoppiati, appositamente sviluppati, tarati e ingegnerizzati sulle specifiche caratteristiche impiantistiche, di gamma analitica e dimensionale e prestazionali del prodotto rotaia. L’unità di raffreddamento e relativo sistema esperto di controllo e gestione è in grado di realizzare velocità di raffreddamento (misurate sulla superficie del laminato) comprese nell’ intervallo 1 ÷20°C/s per temperature comprese nell’ intervallo 950÷500°C.

4. Raddrizzatura a freddo della rotaia a temperature non superiori a 80°C.

Di seguito è riportato un esempio realizzato nel corso della sperimentazione relativa alla presente invenzione.

La composizione chimica investigata di acciaio per rotaia è riportata in Tabella 1.

Tabella 1. Composizione chimica acciaio per rotaie.

Il riscaldo fino alla temperatura di 1270°C è realizzato in forno a longheroni mobili per blumi di colata continua fino alla temperatura di solubilizzazione dei composti a base Ti e Nb, per un tempo complessivo di 250 minuti.

Dopo lo sfornamento il blumo è sottoposto alla sequenza di laminazione che può essere suddivisa in tre fasi come riportato in Tabella 2.

1. Prima fase di sbozzatura senza controllo di temperatura che realizza un tasso di riduzione medio sulla sezione trasversale della rotaia pari all’ 85% con temperature massime misurate in corrispondenza della testa della rotaia e al centro del laminato superiori a 1100°C;

2. Seconda fase di sbozzatura, a tre passate, in controllo di temperatura, realizzata mediante un’unità di misura e controllo processo “a passaggio” che agisce prima di ogni passata con tasso complessivo di riduzione pari al 42%, con tempi di intergabbia compresi nelTintervallo 2÷10 s e temperature comprese nell’ intervallo 1035÷1065°C.

3. Terza fase di finitura in controllo di temperatura mediante un’unità di misura e controllo processo “a passaggio” con temperatura di fine laminazione pari a 950°C realizzata in un’unica passata con tasso di riduzione medio del 9%

Tabella 2. Schema di laminazione.

In Tabella 3 sono riportati i valori misurati delle temperature in ingresso alle unità di controllo della temperatura “a passaggio” e in corrispondenza dell’uscita, prima della laminazione.

Tabella 3. Temperature in ingesso e in uscita dalle unità di controllo temperatura a passaggio

Al termine della fase di laminazione (sbozzatura e finitura), trascorso il tempo minimo necessario alla movimentazione, la rotaia viene posizionata all’interno di un sistema di raffreddamento accelerato controllato e omogeneizzazione del tipo “a sosta”, e raffreddata secondo la sequenza in tre punti riportata in Tabella 4. Durante il raffreddamento forzato (fasi 1 e 2) la rotaia è animata di moto traslatorio alternato con escursione di ± lm. Al termine della fase 2 la trasformazione perlitica è avvenuta almeno fino all’ 80%.

Tabella 4. Sequenza di raffreddamento: velocità di raffreddamento, temperature di inizio e fine raffreddamento.

Vedi Figure 12-17 per modalità di prelievo campioni e valori sperimentalmente misurati dei durezza e tenacità a frattura statica e dinamica.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Laminazione in controllo di te1peratura e defonnazione, caratterizzato da un sistema integrato di controllo e gestione del processo in grado di omogeneizzare la temperatura del laminato sia attraverso la sezione della rotaia che tra estremità di punta, centro rotaia ed estremitàdi coda, nonché garantire il raggiungimento di dimensioni del grano austenitico a fine laminazione inferiori a 20 J.lm,con punte di lO J.lma partire dalla super l cie esterna della testa fino ad una profondità minima di 20 mm (misurata a 450 a partire dallo spigolo della testa della rotaia). Vedi Figura 3per diagramma di ~usso e logica di funzionamentosistema esperto.
2. Il succitato processo di laminazione in controllo di temperatura e defonnazione, caratterizzato da un sistema di fontrollo e omogeneizzazione delle temperature lungo il ciclo di laminazione (sbozzatura, intennedio) e comunque in ingresso al gruppo finitore, in grado di<I>attivare e modulare in modo combinato ed intelligente l'azione dei sistemi di raffreddamento e riscaldamento, basandosi sulle mappe tenniche misurata jul laminato in ingresso e stabilendo di volta in volta le più idonee strategie di ~affreddamento/ riscaldamento localizzati per il conseguimento degli obiettivi di prodotto. Vedi Figura 9 per diagramma di flusso e logica di funzionamentosiste~a esperto.
3. Il succitato sistema di controllo e omogeneizzazione della temperatura, caratterizzato dalla capacità dir garantire un'elevata unifonnità superficiale di temperatura (~T:S40°C) sull'intera lunghezza del laminato e differenze di temperatura non superiori a 8°l nella sezione trasversaledella rotaia, differenza misurata tra centro testa rotaia e running bando 4. Sistema di raffreddamento intennittente accelerato e controllato gestito da un sistema di controllo esperto auJo-adattivoin linea (on-line), basato su un corpus di modelli tennici, metallurgicilemeccanici fortementeaccoppiati, appositamente sviluppati, tarati e ingegnerizza~isulle specifichecaratteristicheimpiantistiche, di gamma analitica e dimensional~e prestazionalidel prodotto rotaia. 5. La succitata unità di raffredd ento intennittente accelerato e controllato e relativo sistema esperto di controllo e gestione, caratterizzato dalla capacità di realizzare velocità di raffreddamento (misurate sulla superficie del laminato) comprese nell'intervallo 1+20rC/s per temperature comprese nell'intervallo 950+500°C. 6. Il succitato sistema di raffredklamentointennittente accelerato e controllato gestito da un sistema di controllo esperto auto-adattivo in linea (on-line), caratterizzato da moto traslatorio rettilineo alternato lungo il proprio asse longitudinale, con escursioni cotnprese nell'intervallo 0.5+5m e relativo sistema elettromeccanico di controllo,I finalizzato a massimizzare le azioni volte all' omogeneizzazionedella temderaturadel laminato e garantire,nel contempo, il più elevato grado di affidabilit~del processo oggetto dell'invenzione, anche in caso di parziali e momentanei alfunzionamenti e/o fuori servizio di parti di impianto (es. otturazioneugelli ~i raffreddamento). 7. Sistema esperto di controllo prodesso esteso all'intero ciclo di riscaldo in fornolaminazione in controllo di t~mperatura e defonnazione - raffreddamento intennittente accelerato e controllato in linea, basato su un corpus di modelli tennici, metallurgici e meccaniqi accoppiati, appositamente sviluppati, tarati e ingegnerizzati sulle specifiche caratteristicheimpiantistiche,di gamma analitica e dimensionale e prestazionali dellprodotto rotaia. Vedi Figura Il per diagramma di flusso e logica di funzionamentosistemaesperto. 8. Rotaie ferrotranviarie a microstruttura completamente perlitica fine, caratterizzate da elevate resistenza a rottura, elevato rapporto carico di snervamento / carico a rottura, elevata resistenza all'usura e alla fatica di contatto volvente tipica delle rotaie dujreraffreddate in modo accelerato con processi tradizionali, elevata tenacità el rapporto tenacità/rottura, del prodotto, elevata omogeneità delle principali car~tteristichemeccaniche, tecnologiche e proprietà metallurgiche da queste influe~ate, attraverso l'intera sezione e lungo l'asse della rotaia, comportamento lin esercizio del componente più affidabile, prevedibile ed aumentato risp~tto ai principali meccanismi di degrado per nucleazione ed avanzamento dilcricca, per impieghi in tratte ad elevati carichi assiali, ad elevata percorrenza elfrequenza di utilizzo, in curve di raggio mediocorto e comunque in tutte le con~izionidi impiegoche ne richiedano l'utilizzo. 9. Suddette rotaie ferrotranviarie,lcaratterizzate da una profondità minima dello strato corticale indurito della tes£adella rotaia non inferiore a 20 mm. lO. Suddette rotaie ferrotranviarie, atterizzate da dimensioni del grano austenitico a fine laminazione (PAGS = Pripr Austenite Grain Size) non superiori a 20 !lm, con punte di lO !lm a partire ~alla superficie esterna della testa fino ad una profondità minima di 20 mm (njlisurataa 45° a partire dallo spigolo della testa della rotaia). <Il. Suddette rotaie ferrotranviarie,>I<caratterizzate da valori tipici dei principali>parametri meccanici, metallurgiqie tecnologici come di seguito elencato: carico massimo a rottura Rm=1100+1400MPa, durezza HBW=340+500,microstruttura completamente perlitica fine c~m spaziatura interlamellare À=0.1O-T0.14!lm, tenacità a frattura statica KIC Ifino a 65 Mpa.m+1/2, tenacità a frattura e sollecitazione ciclica non superiqrea 8 m/Gc per llK=lOMpa.m+1/2 e 25 m/Gc per llK=13.5 Mpa.m+1/2. 12. Suddette rotaie ferrotranviarie, caratterizzate da una tolleranza di rettileneità non superiore a 3/10.000 e un valore<I>di tensioni residue longitudinali non superiori a 50 N/mm2 (MPa) all'uscita IdeI sistema di raffreddamento intermittente accelerato e controllato gestito d~un sistema di controllo esperto auto-adattivo in linea (on-line). 13. Suddette rotaie ferrotranviariel caratterizzate dalla seguente compOSIZIOne chimica (percentuali in peso): c: 0.5071.20% Si: 0.2572.50% Mn: 0.5072.50% Ni: 0.1073.00% Cr: 0.1075.00% V: 0.01070.30% Mo: 0.00570.50% Ti: 0.00270.10% Nb: 0.00270.10% W:S 3.0% Zr:S 0.50% Co :S5% S<O.OOI% Sn < 0.001 % Sb < 0.001 % p < 0.0005% Cu < 0.005% Pb < 0.0005% Te < 0.0005% Se < 0.0005% 02 < 50 ppm N2: 50 - 500 ppm H2 < 1.5 ppm Lantanidi e Terre Rare: assenti o inferiori a lO ppm Il bilancio consiste in Fe e impurezze, queste ultime in quantità inferiore allo 0.1%. 14. Suddette rotaie ferrotranviarie, caratterizzate da caratteristiche di saldabilità non alterata rispetto agli acciai al C-Mn basso legati per rotaie annessi alla Norma EN13674-1.