Все статьи

23.12.2021

Исторические данные возникновения и развития технологии поверхностной закалки головки рельсов с нагрева ТВЧ (часть 2)

Окончание, начало статьи смотрите здесь.

Понижение (провал) значений твердости и прочностных свойств в участках со структурой верхнего бейнита согласно данным [11] объясняется изменением кинетики превращения аустенита в промежуточной области (бейнитной) температуры 520‑420°С. При распаде аустенита (g — фаза) во время охлаждения в интервале температур 725‑500°С образуется ферритоцементитная (Ф+Ц) смесь в виде перлита различной дисперсности от сорбита до троостита, где ведущей фазой в процессе кристаллизации, является цементит. С дальнейшим понижением температуры при охлаждении повышается степень дисперсности ферритоцементитной смеси. В области температур 500‑400°С процессы диффузии снижаются и проходит переход
g — фазы в j — фазу от чисто диффузионного перлитного превращения к без диффузионному, т. е. мартенситному с образованием смешанных структур. Данный переход происходит в два этапа, где на первом- имеет место подавление возможности образования цементита, а на втором — феррита. Продуктом первого этапа превращения является верхний бейнит, состоящий из смеси игольчатого феррита и аустенита, обогащенного углеродом, который затем распадается на структуру, соответствующую температуре, при которой происходит превращение или же соответствует скорости охлаждения в данном интервале, где ведущей фазой кристаллизации сохраняется игольчатый феррит. Наличие в структуре закаленного слоя головки игольчатого феррита приводит к снижению твердости и механических свойств. На втором этапе превращения аустенита в интервале температур 350‑250°С является игольчатый бейнит (нижний бейнит), состоящий из смеси малоуглеродистого мартенсита и аустенита, который в дальнейшем распадается на высокоуглеродистую феррито-цементитную смесь. Эта структура аналогична отпущенному мартенситу, но имеет более тонкое строение с повышенной твердостью и механическими свойствами.
Следует отметить, что на этой стадии опытов не было учтено положительное влияние применения упругого изгиба рельса в процессе закалки, а также использование мягкого охладителя водовоздушной смеси.

В соответствии с отмеченными недостатками в 1965‑1966 гг. установка была подвергнута коренной реконструкции, в результате чего был применён упругий изгиб рельса на головку по радиусу кривизной 35 м. С целью получения более однородной структуры и равномерного распределения твердости по сечению закалённого слоя головки рельса была применена более мягкая, чем вода, закалочная среда — водовоздушная смесь, подаваемая на головку рельса форсунками конструкции УкрНИИМет. Для более равномерного нагрева головки были разработаны и изготовлены индукторы конструкции ВНИИ ТВЧ, а также уменьшена скорость движения рельсов в установке.

Данные мероприятия позволили устранить неоднородность макро и микроструктуры и получить равномерное распределение твёрдости по сечению закаленного слоя головки, а также по ее поверхности длины рельса. Это позволило довести до минимума искривление рельсов после закалки до 50‑60 мм на длине 12,5 м, а также укорочение до 3‑4 мм, при этом значительно уменьшить величину остаточных сжимающих напряжений до 180‑200 Н / мм2, т. е. почти в два раза с получением благоприятной эпюры их распределения по профилю рельса.

Основные технологические параметры закалки головки рельсов с нагрева ТВЧ в упруго-изогнутом состоянии после реконструкции опытной закалочной установки:

  • общая мощность, подводящая к индукторам, Wоб. 280‑320 кВт
  • температура нагрева головки (на ее поверхности), Тн 980‑1000°С
  • скорость движения рельсов в установке, Vдв. 12‑16 мм / с
  • способ первичного охлаждения водовоздушная смесь
  • температура самоотпуска, tc 440‑480 °С
  • способ вторичного (окончательного) охлаждения вода струйная (t=18‑22°С)

Несколько слов об образовании остаточных напряжений, которые оказывают влияние на эксплуатационную стойкость рельсов. При поверхностной закалке головки рельсов с нагрева ТВЧ в упруго-изогнутом состоянии их образование происходит по сложному механизму, который предположительно можно описать следующим образом.

В процессе закалки происходит изменение деформации рельса во время нагрева и охлаждения, при котором поверхностно нагретый ТВЧ участок головки рельса искривляется выпуклостью на головку от ее нагрева и поверхностные слои металла головки испытывают сжимающие напряжения, в результате чего пластически деформируются. Выгиб рельса по данному радиусу в зоне нагрева ТВЧ существенно не оказывает влияние на напряжения, возникающие в процессе нагрева. При охлаждении нагретой головки распыленной водой (tв =45°С) или водовоздушной смесью в течение 60‑80 с, поверхностные слои металла головки охлаждаются до температуры
~ 420‑400°С, а на глубине ~ 11‑12 мм от поверхности катания головки, температура снижается ~ до 820°С, при этом имеет место наличие градиента температур в пределах 160‑180°С. В данном интервале температур происходит превращение аустенита в перлит (g→j — фазу). Во время охлаждения поверхностные слои металла головки, в результате действия изгибающего момента подвергаются упругопластической деформации растяжения, которая компенсирует их сжатие, возникающее при нагреве ТВЧ и рельс после закалки имеет значительно меньшую кривизну в пределах 50‑60 мм на его длине 12,5 м. В таком случае правка рельсов в плоскости наибольшей жесткости (вертикальной плоскости) проходит по облегченному режиму, а значит и остаточные сжимающие напряжения образуются небольшие, при этом упрочнение рельса тоже небольшое (~ 3 мм).
По данному технологическому режиму в 1966 г. на опытной установке была закалена опытная партия рельсов типа Р65 длиной 12,5 м из углеродистой мартеновской стали текущего производства (0,74 % С), которая имела следующий комплекс физико-механических свойств: sВ = 1260‑1280 Н / мм2; s0,2 = 885‑895 Н / мм2; d5 = 11,2‑11,6 %; y = 40,5‑41,0 %; KCU+20 = 37‑38 Дж / см2, твердость на поверхности катания головки 360‑370 НВ. Глубина закаленного слоя по оси головки 12‑14 мм, а на ее выкрутках 16‑17 мм со структурой тростит-сорбит закалки. Для данной опытной партии рельсов характерным было наличие в закаленном слое головки площадки одинаковой твердости в пределах 38,5‑38 HRC на глубину до 8 мм. Макроструктура (конфигурация закаленного слоя в поперечном сечении головки) и микроструктура были однородны. Остаточные напряжения на поверхности катания головки были невысокими и составляли 120‑140 Н / мм2 и характеризовались сжимающими с благоприятной эпюрой их распределения по профилю рельса. Предел контактной прочности sк составил 3880 Н / мм2; предел усталости s–1 = 595 Н / мм2.

Опытная партия рельсов с шифром 53А была уложена на экспериментальном кольце (полигон) Московской железной дороги в конце 1966 г. ведомством ЦНИИ МПС, а ныне ВНИИ ЖТ МПС. Рельсы были уложены в кривой малого радиуса (R = 590 м) в перемешку с незакаленными (контрольными) этого же завода (шифр рельсов — 53 Б). За период эксплуатации рельсы опытной партии (53 А) пропустили 910 млн. т брутто груза при норме 500 млн. т брутто. Рельсы были сняты с эксплуатации в связи с острой необходимостью испытания других видов железнодорожной продукции.

Опытная партия рельсов (шифр 53 А) была уложена в путь на экспериментальном кольце ВНИИ ЖТ МПС на станции Щербинка Московской железной дороги в наружной нити кривой малого радиуса (590 м) с нагрузкой на ось подвижного состава 20,5 т. Рельсы пропустили рекордное количество груза — 910 млн. т брутто, показав в 2,8 раза большую стойкость против образования контактно-усталостных дефектов, чем незакаленные рельсы этого же завода. Первый рельс опытной партии по дефекту № 111‑2 (выщерблины, выколи металла на рабочей грани головки) был снят после пропуска 615 млн. т брутто (при норме 500 млн. т брутто), а контрольный (незакаленный) после 251 млн. т брутто. Тоннаж наработки опытной партии рельсов, закаленных с нагрева ТВЧ в упруго-изогнутом состоянии, был выше почти в два раза, чем для нетермообработанных рельсов стандартного производства этого же производства.

Несколько слов об экспериментальном кольце ВНИИ ЖТ МПС (Р. Ф). Это крупнейшая экспериментальная база с наличием одного замкнутого пути, протяженностью 6 км с наличием прямых участков длиной от 180 до 675 м и кривых участков радиусом от 400 до 1000 м. Количество прямых участков составляет 25 %, а кривых 75 %. На полигоне грузовой поезд в течении года накатывает 1 млрд. т брутто груза. Ежесуточная наработка тоннажа составляет 1,2 млн. т брутто. Осевая нагрузка составляет 21 т, а грузонапряженность 250‑300 млн. т брутто груза, что примерно в 3 раза превышает наиболее напряженные участки железных дорог [11].

Основной задачей полигонных испытаний является получение данных о стойкости рельсов в жестких условиях работы в пути, чтобы иметь предварительную оценку их службы для дальнейших испытаний в магистральном пути уже следующих партий рельсов, изготовленных по этой же технологии.

Для строительства термоотделения на МК «Азовсталь» были разработаны два варианта проектного задания: первый вариант — поверхностная закалка головки рельсов с индукционного нагрева ТВЧ в упруго-изогнутом состоянии, второй — объёмная закалка в минеральном масле с печного нагрева и отпуск по варианту действующего термоотделения Нижнетагильского меткомбината (НТМК). Однако, учитывая положительный результат эксплуатационных испытаний опытных партий рельсов и производственные преимущества, а также наличие оптимальных показателей физико-механических свойств, небольшую концевую привязку и достаточную общую прямолинейность, Министерством черной металлургии Советского Союза было принято решение о строительстве на МК «Азовсталь» отделения для термообработки рельсов с индукционного нагрева ТВЧ.
Совет Министров Советского Союза принял Постановление от 15.03.1963 г. за № 300 о строительстве на МК «Азовсталь» опытно-промышленного четырехручьевого рельсозакалочного агрегата с годовой производительностью 150 тыс. т (рис. 2.)

Разработку конструкции и изготовление технологического оборудования опытно-промышленного агрегата осуществил Уральский завод тяжелого машиностроения (НПО Уралмаш) по техническому заданию МК «Азовсталь» и Украинского государственного института проектирования металлургических заводов (УкрГИПРОМЕЗ г. Мариуполь) по технологическому заданию УкрНИИМета, а электрическую часть разработал и изготовил ВНИИ ТВЧ им В. П. Вологдина.

Опытно-промышленный агрегат был предназначен для дальнейшей отработки технологического процесса непрерывной поверхностной закалки с нагрева ТВЧ головки железнодорожных рельсов типов Р50, Р65 и Р75 по всей длине; определения всех технологических параметров термообработки и получения исчерпывающих исходных данных для проектирования промышленного комплекса термоотделения рельсобалочного цеха (РБЦ) производительностью 750 тыс. т / год.

Опытно-промышленный агрегат состоял из четырех параллельно расположенных ручьев (по которым должны двигаться рельсы), объединённых общей механической частью, и предназначался для одновременной закалки головки четырех рельсов, движущихся непрерывной нитью.

Проектом технического задания НПО «Уралмаш» по исходным данным УкрНИИМет и меткомбината «Азовсталь» предусматривалось задавать рельсы в агрегат с интервалом, равным длине группы индукторов, т. е. 4000 мм.

Опытная закалка рельсов по данной технологии приводила к искривлению концов рельсов к верху с обеих сторон на величину 400‑700 мм на длине 1000 мм, в результате чего закаленный рельс приобретал «корытообразную» форму и практически не поддавался правке на РПМ. При этом после правки в данных участках рельса были высокие остаточные напряжения. В связи с этим УкрНИИМет совместно с МК «Азовсталь» провел комплекс исследований по разработке новой технологии подачи рельсов в закалочный агрегат — непрерывной нитью, соединенных при помощи накладок. Кроме того, при первичном охлаждении вместо горячей воды — применили водовоздушную смесь при помощи специальных форсунок. Внедрение данного комплекса мероприятий позволило значительно улучшить качество закаленных рельсов, уменьшить уровень остаточных напряжений и увеличить их прямолинейность.

Реализованная технология обеспечила стабильные показатели физико-механических свойств металла закаленного слоя головки рельсов: твердость на поверхности катания головки рельсов находилась в пределах 331‑388 НВ; sВ = 1168‑1340 Н / мм2; s0,2 = 880‑985 Н / мм2; d5 = 8,5‑11,0 %; y = 25‑32 %; KCU+20 = 26‑38 Дж / см2. Глубина закаленного слоя по оси — 11‑14 мм и 13‑15 мм на выкружках головки со структурой сорбит-троостит закалки. На поверхности головки — остаточные сжимающие напряжения величиной 80‑120 Н / мм2 с наличием благоприятной эпюры их распределения по профилю рельса.

В 1974 г. была разработана, внедрена и освоена технология поверхностной закалки с нагрева ТВЧ самого тяжелого типа рельсов Р75, по которой было закалено и сдано железным дорогам ~ 22 тыс. т рельсов первого сорта длиной 25 м. Рельсы были уложены в магистральный путь грузонапряженных участков Донецкой и Приднепровской железных дорог.
Для подготовки термоотделения рельсобалочного цеха на производство поверхностно закаленных рельсов с индукционного нагрева ТВЧ в промышленном масштабе УкрНИИМетом и МК «Азовсталь» было проведено множество исследований и производственных опытов по подготовке разработки технического и технологического задания для проектирования промышленных РЗМ большое производительности.

Как уже отмечалось проектная производительность опытно-промышленного агрегата составляла 150 тыс. т / год. Если данную производительность перенести на промышленное РЗМ, то для массового производства закаленных рельсов меткомбинату потребовалось бы такое количество закалочных агрегатов, которое невозможно было бы установить на имеющейся площади термоотделения РБЦ. Поэтому на опытно-промышленном агрегате осуществили временную реконструкцию, а именно увеличили длину зоны нагрева ТВЧ с 3,0 м до 4,5 м, и зоны первичного охлаждения с 2,1 м до 4,0 м, что позволило осуществить закалку рельсов со скоростями их движения в агрегате от 37 до 50 мм / с. Исследованием установлено, что оптимального комплекса механических свойств можно достичь при скорости движения рельсов — 45 мм / с, что позволило увеличить производительность одного закалочного агрегата на 60‑70 % и достичь производительности 250 тыс. т / год. Эти показатели и были заложены в основу разработки исходных данных для ПО «Уралмаш» на проектирование трех промышленных машин общей производительностью 750 тыс. т / год.

За период работы опытно-промышленного агрегата (1969‑1980 гг.) была разработана, внедрена и освоена технология поверхностной закалки с нагрева ТВЧ рельсов типов Р50, Р 65 и Р75. По данной технологии было закалено и сдано железным дорогам МПС СССР более 300 тыс. т рельсов первого сорта, которые были уложены в магистральных путь грузонапряженных участков железных дорог Советского Союза.

Для изучения эксплуатационных показателей рельсов (величина износа и интенсивность его на 100 млн. т брутто; сопротивляемость образованию и развитию различных повреждений рельсов; надежность работы рельсов, Pt после пропуска определенного тоннажа). Одним из главных критериев оценки стойкости рельсов в пути является критический тоннаж (Ткр), характеризующий величину пропущенного груза до начала интенсивного выхода рельсов по дефектам контактно-усталостного происхождения. Было организовано 36 опытных участков пути на 11 главных направлениях. За период испытания рельсы пропустили от 750 до 850 млн. т брутто груза. Удельный одиночный выход закаленных рельсов в 2,3 раза ниже, чем незакаленных «сырых» после пропуска соответствующего тоннажа. Эксплуатационная стойкость закаленных рельсов при 5-%-ном g-ресурсе в 1,5 раза выше, чем незакаленных (750 против 500 млн. т брутто) Под 5-%-ным g-ресурсом принято считать тоннаж, пропущенный по рельсам с момента их укладки в путь до тех пор, пока одиночный выход рельсов в закалочных условиях эксплуатации не составит величину, равную 5 % от числа рельсов, первоначально уложенных путь. В среднем, в зависимости от плана пути, величина удельного вертикального износа головки рельсов, закаленных с нагрева ТВЧ, в 1,8 раза ниже, чем незакаленных (0,45 против 0,80 мм / 100 млн. т брутто). Эксплуатационным испытанием установлено, что наибольшею сопротивляемость контактно-усталостных повреждений оказывают закаленные рельсы, имеющие на поверхности катания головки твердость более 350 НВ. При этом, важными показателями являются: плавное снижение твердости (HRC) по глубине закаленного слоя головки рельса; наличие на поверхности катания головки остаточных сжимающих напряжений небольшой величины и благоприятной эпюрой их распределения по профилю рельса, позволяющие обеспечить малую чувствительность поверхностно закалённых рельсов с концентратором напряжений.

Важным показателем является также однородность макро и микроструктуры, ее дисперсность и мелкозернистость.

Наличие общей положительной оценки эксплуатационных испытаний рельсов, поверхностно закаленных с нагрева ТВЧ, и накопленный опыт производства явились основанием для правительственного решения о строительстве на МК «Азовсталь» промышленного комплекса для закалки рельсов с нагрева ТВЧ с проектной производительностью до 750 тыс. т / год. Постановлением Совета Министров СССР за № 603 от 14.07.1977 г. в 1984 г была введена в промышленную эксплуатацию первая очередь термоотделения РБЦ в составе одной РЗМ проектной мощностью 250 тыс. т / год, 1987 г — вторая очередь в составе еще двух РЗМ проектной мощностью 500 тыс. т / год. [4,11]; (рис. 3, 4.)

Следует отметить, что новый комплекс трех промышленных РЗМ строился в термоотделении РБЦ параллельно с работающим опытно-промышленным агрегатом, который вследствие был демонтирован.

Промышленный комплекс РЗМ большой производительности (37 т / ч — Р65) спроектировал и изготовил технологическое оборудование НПО «Уралмаш» (г. Свердловск) на основании исходных данных процесса термообробки рельсов типов Р50, Р65 и Р75 выданных УкрНИИМетом и МК «Азовсталь» (г. Харьков и Мариуполь соответсвенно) Электрическую часть РЗМ (индукторы и др. электрические части) разработал и изготовил ВНИИ ТВЧ им. В. П. Вологдина (г. Ленинград), а проект привязки оборудования и его размещение в РБЦ — УкрГИПРОМЕЗ (г. Мариуполь).

Промышленные 4‑х ручьевые РЗМ выполнены в виде двух полумашин с индивидуальным приводом движения рельсовых нитей и системы управления параметрами закалки. В отличие от опытно-промышленного агрегата, промышленные РЗМ укомплектованы устройством автоматической стыковки рельсов в непрерывную нить на входе их в РЗМ и расстыковки на выходе из нее. Кроме того, в системе первичного охлаждения установлены электрические ротаметры, позволяющие осуществлять автоматическую регулировку подачи воды для формирования водовоздушной смесью. Тем самым интенсивность охлаждения, а также на каждом ручье аппаратуры неразрушающего контроля твердости головки после закалки, что позволяет осуществлять оперативную корректировку параметров закалки рельсов в случае возможных отклонений от требований технических условий в значениях твердости на поверхности головки.

Общее количество технологического оборудования трех промышленных РЗМ составило 7917 т.

Промышленные РЗМ — это уникальный комплекс оборудования и автоматики, не имеющий аналога в мировой практике, по часовой и грузовой производительности, закалке различного типа рельсов (Р50, Р65 и Р75) и химического состава, качеству выпускаемой продукции, имеющий высокий комплекс физико-механических свойств с наличием на поверхности головки остаточных сжимающих напряжений небольшой величины, что позволяет увеличить и удерживать на уровне 1,5 раза большую эксплуатационную стойкость по сравнению с незакаленными рельсами.

Литература

1. Вологдин В.П. Поверхностная индукционная закалка токами высокой частоты. / В.П. Вологдин – М.: Оборонгиз, 1947. – с. 290
2. Hoffman G. Oberflachenvergutung Von Normaischienen durch indetive mittelfreg nzerwarmtung / G. Hoffman // Deutsche Eisenbahntecnik. – 1959. – №1. – S. 37-43
3. Геллер В. Производство рельсов в Англии, США, Канаде и Японии, и тенденции улучшения их качества / В. Геллер // Черные металлы. – 1970. – №17. – С. 36-40
4. Сталинский Д.К. Совершенствование технологии закалки рельсов с нагрева токами высокой частоты / Д.К. Сталинский, В.Е. Сапожков, Д.К. Нестеров //Металлургическая и горнорудная промышленность. – УкрГНТЦ «Энергосталь», 2008. – №5. – С. 107-113.
5. Научно-технические решения производства рельсов высокой эксплуатационной стойкости в СССР и за рубежом / Д.К. Нестеров, В.Е. Сапожков, Н.Ф. Левченко и др. // Транспорт: наука, техника управления ВИНИТИ АН СССР. – 1991. – № 6. – С. 15-24.
6. Термическое упрочнение железнодорожных рельсов/ В.В. Поляков, И.Г. Бухвостов, Г.И. Николаева и др.// ЦНИИ ЧМ: обзорная инф. – М.: Черметинформация, 1990. – С. 52
7. Рельсы «ХАИ-ЛАИФ» Проспект фирмы «British steel Track Products» Великобритания, 1984.
8. Улучшение эксплуатационных свойств железнодорожных рельсов с закалённый головкой/ Х. Де. Боер, Г. Бинцийслер, Б. Мюсген и др. // Чёрные металлы. – 1993. – №10. – С.41-49
9. Гордюк Ю.В. Способ закалки рельсов, стрелочных остряков и закалочный стенд для осуществления способа. А.с. №121464, Б.И. 1959, №15, с. 28-29.
10. Гордюк Ю.В. Поверхностная закалка стрелочных остряков и рамных рельсов / Ю.В. Гордюк, А.З. Дьяченко, М.Н. Швецова – М.: «Транспорт»; 1966. – 46с.
11. Скобло Т.С. Производство поверхностно-закаленных рельсов с нагрева токами высокой частоты. Технологии производства и упрочнения. Оборудование. Теоретические основы процессов нагрева ТВЧ и охлаждения. Конструкционная прочность. Эксплуатационные испытания. Повреждаемость рельсов в пути. Неразрушающий контроль качества. / Т.С. Скобло, В.Е. Сапожков, А.И. Сидашенко. Под ред. проф. Т.С. Скобло – Харьков: ООО «ПромАрт», 2018. – 562 с.