книги из ГПНТБ / Полухин П.И. Прокатка и термическая обработка железнодорожных рельсов

2 9 6 ПРОКАТКА И КАЛИБРОВКА РЕЛЬСОВ

Калибровки рельсов заводов СССР выгодно отличаются от калибровок рельсов зарубежных заводов США, Англии и др. Однако возможности по улучшению рельсовых калибровок дале­ ко не исчерпаны. Они заключаются прежде всего в использова­ нии наилучшего опыта отдельных заводов. Таким путем можно существенно улучшить действующие калибровки и повысить качество рельсов. Каковы же пути дальнейшего улучшения рель­ совых калибровок?

Прежде всего необходимо обратить внимание’ на улучшение обработки головки рельса. В течение длительного времени (бо­ лее 10 лет) на заводах велась работа по созданию наиболее рационального режима обработки подошвы рельса и эта задача была успешно решена. Однако при этом недостаточно уделялось внимания обработке головки рельса и только в последнее время на заводе Б на это обратили серьезное внимание.

Для обеспечения лучшей обработки металла в области го­ ловки необходимо усовершенствовать конструкцию тавровых калибров, снизить в них величину бокового обжатия полосы при одновременном увеличении высотного обжатия. Надо более ре­ шительно переходить на высокие исходные прямоугольные заго­ товки (с отношением высоты к ширине ее около 2), что обеспечит лучшую проработку металла в области головки и подошвы.

Для лучшей проработки металла в области подошвы необхо­ димо применять более глубокую разрезку исходной заготовки с последующим плавным развертыванием фланцев, в виду чего такую деформацию целесообразнее производить в четырех тав­ ровых калибрах.

Решающее значение для обработки головки и подошвы имеет режим прокатки в рельсовых калибрах. Для повышения качест­ ва рельсов необходимо увеличить боковое обжатие фланцев головки и подошвы. Переход на прокатку рельсов в косораспо­ ложенных калибрах в большинстве случаев не был использован для усиления боковой обработки фланцев головки и подошвы. То же можно сказать и об уширении в рельсовых калибрах. Исключение составляет только завод Г, где в связи с переходом на косую калибровку увеличено боковое обжатие фланцев по­ дошвы и уменьшено уширение в рельсовых калибрах.

Совершенно очевидно, что для лучшей обработки поверхно­ стей головки и подошвы необходимо применять более интенсив­ ное боковое обжатие фланцев головки и подошвы и меньшее уширение в рельсовых калибрах. В некоторых случаях следует также пойти на дальнейшее увеличение наклона рельсовых ка­ либров. В этой связи заслуживает внимания опыт завода Г, ко­ торый впервые применил большой наклон рельсовых калибров от 45% в разрезном калибре до 15% в предчистовом.

катки и калибровки рельсов. Определенные преимущества имеет метод прокатки рельсов, разрабатываемый на заводе А (см.

рис. 89 и 90).

Принципиально новым в прокатке рельсов будет применение универсальных клетей, в которых возможно осуществлять регу­ лируемое раздельное обжатие шейки, головки и подошвы рель­ са. Вначале следует установить универсальную клеть для чисто­ вого прохода. Осуществление чистового прохода в универсаль­ ной клети обеспечило' бы получение профиля с более гладкой поверхностью и равномерной высотой, что особенно важно для уменьшения волнообразного износа рельсов.

Осуществление мероприятий по дальнейшему улучшению рельсовых калибровок является одним из важнейших условий повышения качества железнодорожных рельсов.

ГЛАВА VII

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЛЬСОВ

1. Флокены в рельсах

1931 г. на американских железных дорогах и несколько позднее на советских' возникло и быстро распространилось новое разрушение рельсов усталостного характера, начинающее­ ся от внутренней трещины в головке рельсов. Пятна усталости, т. е. зоны прогрессирующего разрушения, всегда располагались внутри головки, не выходя наружу. Эти пятна постепенно росли до тех пор, пока оставшаяся часть сечения рельса не разруша­ ласьхрупко п.од нагрузкой колес проходящего состава. Типич­

показали высокую флокеночувствительность углеродистой рель­ совой стали.

Причинами появления и широкого распространения флокенов в рельсах послужили постепенное увеличение поперечного

•сечения рельсов, повышение содержания углерода и возрастание нагрузки на ось. Последняя достигла такого предела, при кото­ ром каждая внутренняя трещина или другое нарушение сплош­ ности металла способны были вызвать усталостное разрушение рельсов. Не исключено, что флокены образовывались и в рель­ сах более раннего производства, но в пути они не давали уста­ лостных" разрушений вследствие незначительной нагрузки и малой частоты ее приложения.

Внутренние разрушения усталостного характера, не выходя­ щие на поверхность головки, являются чрезвычайно опасными. Приосмотре рельсов не обнаруживаются никакие признаки тото, что внутри рельса развивается поперечный излом.

Было давно установлено, что водород, растворяясь в твердой гили жидкой стали, вызывает появление флокенов в ней. Однако

где k — константа равновесия.

Шенк вычислил это давление, исходя из различных концент­ раций водорода [Н] в растворе. При этом оказалось, что с пони­ жением температуры давление водорода возрастает и может до­ стигнуть величин, превышающих предел прочности стали. Это, конечно, еще не значит, что сталь будет разрушена. Диффузия водорода и концентрация его в отдельных пустотах стали проис­ ходит в условиях всестороннего сжатия. При такой схеме напря­ жённого состояния для разрушения стали необходимы весьма большие напряжения, далеко превосходящие предел прочности, ее на растяжение.

Атомарный растворенный водород, выделяясь из раствора и переходя в молекулярный, является причиной возникновения давлений внутри стали. Адсорбированный на поверхности водо­ род, будучи сравнительно слабо связан с металлом, не играет роли в образовании флокенов. Он легко удаляется с поверхности при нагреве стали, или даже при вылеживании ее при комнатной температуре.

Давление, возникающее при рекомбинации молекул водоро­ да, обычно оказывается недостаточным для того, чтобы вызвать внутренние разрушения в стали. Так, мягкое железо, чисто фер­ ритные стали и аустенитные стали, несмотря на невысокие проч­ ностные характеристики, не образуют флокенов даже при вы-- соких концентрациях растворенного в них водорода. Следова­ тельно, действуют еще некоторые дополнительные причины, спо­ собствующие повышению напряжений и образованию трещин. К их числу прежде всего необходимо отнести структурные на­ пряжения. Если при охлаждении стали в ее объеме возникают участки неравновесных структур, особенно мартенсита, то толь­ ко вследствие этого напряжения могут достигать до 300 кг/мм2. Суммируясь с давлением водорода, этинапряжения оказывают­ ся уже достаточными для образования флокенов. Поэтому ста­ ли, склонные к образованию неравновесных структур,' как на­ пример, содержащие никель, особенно чувствительны к флокенам.

Но флокены наблюдаются и в таких условиях, когда невоз­ можно ожидать появления в них неравновесных структур. Так, блюмы сечением 320 X 300 мм. из рельсовой стали, охлаждаются настолько медленно, что структура стали является феррито­ перлитной и, тем не менее, в блюмах образуется очень большое количество флокенов. В этом случае действует еще одна причи­

на, способствующая развитию высоких напряжений в стали. Если атомарный, т. е. химически активный водород выделяется в такую полость стали, которая ограничена хотя бы с одной сто­ роны карбидом железа ЕезС, то обязательно будет происходить реакция с образованием метана

был установлен Эндрыо. Он насыщал водородом твердую сталь при 1200° в течение 48 час. После охлаждения образцы перено­ сились в сосуд с водой, закрытый сверху колпаком, под которым собирались газы, выделяющиеся из образца при 20°.

Так, один из анализов газа состоял из 39,80% Н2, 16,5% СН4, 3,8% СО, 2,5% С 02, 1,4% 0 2 и 36,0% N2. Содержание метана в этом газе может считаться высоким, так как диффузионная спо­ собность метана значительно ниже, чем водорода, и относитель­ но большее количество метана задерживается в стали, тогда как водород выделяется свободно.

Исходя из этого, можно утверждать, что реакция образова­ ния метана протекает очень энергично при соприкосновении во­

водородом путем электролиза воды при комнатной температуре в течение семи суток и плотности тока 0,1 см2, содержание ме­ тана в выделившемся газе в отдельных случаях достигало 35%.

Равновесное давление метана по реакции его образования ' может быть подсчитано по формуле

приведены в табл. 51. Чем ниже температура, тем меньше вели­ чина kctu. При температурах ниже 327° знаменатель форму­

лы (62) настолько мал, что давление теоретически могло бы дот стигнуть величины порядка тысячи миллионов атмосфер. Ко­ нечно, значительно раньше этого наступает разрушение стали.

Таким образом, обязательным условием протекания реакции является соприкосновение водорода с карбидом железа. Но, именно такие условия имеются в стали. На границе раздела фаз феррит-цементит вследствие резкого различия типов кри­ сталлических решеток образуется наибольшее количество пу­

302 т е р м и ч е с к а я о б ра б о тк а р е л ь с о в

стот. Здесь накапливается также' большое количество дислока­

прочность их связи с углеродом в тысячи раз больше, чем проч­ ность связи водорода с углеродом, и реакция образования мета­ на не может происходить. Такие стали нечувствительны к фло­ кенам. I Следовательно, образование флокенов вызывается давлением молекулярного водорода или метана в микрополостях стали, а также структурными напряжениями. В зависимости от состава стали, условий ее охлаждения и количества содержащегося в ней водорода главную роль играет одна из указанных причин. Степень их-влияния в разных случаях может быть очень различ­ на, но совокупность рассмотренных явлений объясняет все осо­

бенности процесса образования флокенов.

3. Диффузия водорода в стали

Входя в твердый раствор железа, водород ионизируется, те­ ряет свой единственный электрон и превращается в положитель­ но заряженную частицу — протон с массой, равной единице. Благодаря ничтожным размерам протон обладает большой по­ движностью внутри стали. Диффузия водорода в стали наблю­ дается даже при комнатных температурах. Поэтому, например, поверхностные слои металла на глубине 12—20 мм обычно сво-