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

314 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЛЬСОВ

■ется превращение и во-вторых, создаются остаточные напряже­ ния, способствующие более быстрому движению дислокаций, увлекающих с собой водород.

В результате такого переохлаждения сокращается продол­ жительность изотермической выдержки. Этот способ был при-

Рис. 162. План отделения замедленного охлаждения рельсов завода А

менен на заводе В, что заметно повысило надежность изотерми­ ческой выдержки рельсов этого завода.

На всех металлургических заводах, прокатывающих марте­ новские рельсы, были проведены специальные исследования. Ис­ следовали как изотермическую выдержку рельсов, так и замед­ ленное охлаждение их. Для опытов вначале отбирали пробы рельсов длиной 500 мм, а затем и рельсы длиной 12,5 м. Было установлено, что изотермическая выдержка при 600—620° в течение 2 час., или замедленное охлаждение в течение 4—5 час, «от 400° надежно предохраняют от флокенов даже сталь, насы-

щениую в жидком состоянии водородом. В результате на заво­ дах А и Б были построены отделения для замедленного охлаж­ дения рельсов при 600—650°.

Различие между отделениями заводов А и Б состоит лишь в том, что на заводе А применены короба, а на заводе Б ко­ лодцы.

На заводе А отделение для замедленного охлаждения рель­ сов расположено на адьюстажё рельсобалочного стана (рис. 162). Рельсы после прокатки передаются на стеллажи, где производится закалка их концов с прокатного нагрева, затем рольгангом они транспортируются в отделение для замедленно­ го охлаждения. Здесь рельсы кантуются на подошву и комплек­ туются на стеллажах партиями по 8—10 шт.

Имеются две секции стеллажей, каждая в отдельном проле­ те. На стеллажах происходит накопление рельсов. Каждый из пролетов обслуживается краном с двумя магнитными травер­ сами.

Когда партия рельсов охладится до появления магнитных свойств стали, но не ниже 450—500°, при помощи крана ее по­ мещают в один из коробов. Всего имеется 40 коробов, причем емкость каждого составляет 40—60 т.

Короб представляет сЬбой металлический каркас (рис: 163), футерованный изнутри шамотным кирпичом и изолирующей за­ сыпкой; толщина футеровки 115 мм.

Нижний ряд рельсов укладывают на подину, а все после­ дующие— на подкладки из немагнитной стали марки Г13. Все­ го в короб укладывается 10 рядов рельсов. По инструкция продолжительность загрузки каждого короба не должна превы­ шать 20 мин. По окончании загрузки короб закрывают крыш­ кой, и рельсы начинают медленно охлаждаться.

Продолжительность выдержки в коробе составляет .7 час. После этого рельсы выдерживают в коробе при открытой крыш­ ке еще 30 мин, а затем их выгружают.

В отличие от американских заводов, разгрузка коробов, мо­ жет вестись при любой температуре. Выделение водорода про­ текает тем быстрее и полнее, чем выше средняя температура рельсов за время пребывания их в коробе. Поэтому нет никакой необходимости проводить «регулируемое» охлаждение и сни­ жать температуру до 150°. Однако такое регулируемое охлаж­ дение является обязательным по технологии, применяемой на американских заводах. Чем выше будет температура и чем боль­ ше процесс замедленного охлаждения будет приближаться к изотермической выдержке, тем более надежно можно гаранти­ ровать отсутствие флокенов в. рельсах.

На рис. 164 приведен график замедленного охлаждения рель-

сов завода А. Рельсы охлаждаются очень медленно, и график напоминает собой скорее изотермическую выдержку со средней температурой 350—400°. Нет никакого оомнения в том, чтЮ' та­ кой режим охлаждения наиболее рациональный.

крайнего рельса

С 1949 г. начали проводить массовую обработку рельсов. После пропуска партий рельсов из стали, насыщенной в жидком состоянии водородом, был произведен массовый контроль рель­ сов обычного производства. От каждой плавки отбирали боль­ шое число проб, которые разрезали таким образом, чтобы под­ вергнуть контролю среднюю вертикальную плоскость и гори­ зонтальную плоскость на расстоянии' 22 мм от поверхности

катания рельсов. Было исследовано около 1500 плавок, и ни в одной пробе рельсов не было обнаружено флокенов. После этого вообще контроль «а флокены для рельсов обычного производ­ ства был отменен. Однако следует отметить, что флокеночувствительность рельсовой стали по-прежнему остается очень высо­ кой. Почти 100% проб, отрезанных на пилах горячей резки и охлажденных под струей воздуха, были поражены флокенами.

В дальнейшем каждый случай излома рельсов с внутренни­ ми, темными или светлыми пятнами усталости исследовался в лаборатории ЦНИИ МПС или в лаборатории завода А. При этом было установлено, что во всех случаях очагом разрушения служат не флокены, а неметаллические включения. Ни одного

. флокена в рельсах завода А не было обнаружено. Это показы­ вает, что флокенов в рельсах действительно нет, потому что в путевых условиях каждое сечение рельса работает на усталость, и флокены обязательно разрастались бы в пятна усталости.

Таким образом, метод замедленного охлаждения, разрабо­ танный на *заводах А предотвращает полностью образование флокенов в рельсах. В США исследователи пришли к такому же выводу. Там, начиная с 1932—1933 г. г., исследовали все попе­ речные усталостные изломы рельсов, и было найдено, что фло­ кены возникают только в тех рельсах, которые по какой-либо причине не прошли замедленного охлаждения или при изготов­ лении которых имелись нарушения технологии.

Однако метод замедленного охлаждения имеет и существен­ ные недостатки. Замедленное охлаждение рельсов нарушает поточность их производства. Операции погрузки рельсов в ко­ роба и выгрузки из них требуют применения ручного труда. Поэтому этот участок производства не поддается автомати­ зации.

Подобный разрыв поточности производства вызывает необ­ ходимость содержания дополнительных штатов, задалживает значительные площади цеха, нарушает поплавочное перемеще­ ние рельсов, затрудняет их поплавочный осмотр и контроль.

Кроме этого, при обработке легированных рельсов также возникают затруднения. У сталей, легированных хромом, мар­ ганцем и другими элементами, точка фазового превращения снижается при охлаждении на воздухе настолько, что магнитное состояние в стали возникает при температурах примерно 500— 550°. Однако если погрузка в короба начинается при такой низ­ кой температуре, то первые рельсы успевают охладиться ниже

.350°; в этом случае выдержать заводскую инструкцию по замед­ ленному охлаждению рельсов невозможно. Это создает вполне реальную опасность появления флокенов в рельсах.

ленного охлаждения, так как диффузия водорода в этих сталях идет медленнее, а содержание водорода в растворе выше, чем в обычных углеродистых рельсах. Вполне вероятно, что в коробах без дополнительного обогрева не удастся поддержать необходи­ мую температуру в течение длительного времени.

Неудачным получилось также сочетание закалки концов рельсов с прокатного нагрева с замедленным охлаждением. При закалке концов быстрое уменьшение температуры происходит на довольно большую глубину и может захватить не только поверхностные зоны металла, из которых .выделен водород, но также и более глубокие слои, в которых содержание водорода является еще достаточно высоким. В этом случае могут обра­ зоваться флокены на концах рельсов на глубине 10—20 мм от поверхности катания. Возможно даже, что эти флокены не об­ наружатся в момент контроля явнымобразом, как сформиро­ вавшиеся уже макротрещины.

Как видно из уравнения (76), при низкой температуре чи­ сленная величина f(T) очень мала и инкубационный'период воз­ растает, если значения концентрации также малы. Известно, что в стали, прошедшей недостаточную изотермическую вы­ держку, образуются одиночные флокены после вылеживания в течение 1—2 месяцев.

Таким образом, в момент закалки, отгрузки и укладки в путь рельсов сталь на их концах может находиться в инкубационном состоянии. В ней образуются зоны, расположенные на межфа­ зовых границах с повышенной концентрацией водорода и высо­ кими напряжениями. В этих зонах усталостная трещина при циклической нагрузке может начаться сразу без предваритель­ ного образования типичного флокена.

В дальнейшем при работе рельсов в пути здесь возникнут горизонтальные расслоения усталостного характера — по типу дефекта № 21. Поперечных изломов на концах рельсов не будет наблюдаться, так как изгибающие моменты на концах невелики и, кроме того, рельс усилен в вертикальной плоскости наклад­ ками. Это действительно и наблюдается на практике.

Очевидно также, что по этой причине должны быть остав­ лены "всякие попытки закалки рельсов с прокатного нагрева по всей длине, несмотря на простоту и дешевизну этого способа.

Наконец, следует отметить трудность контроля температуры в период погрузки рельсов в короба. В производстве возможны задержки и захолодание некоторой части рельсов. Было бы це­ лесообразно контролировать каждую партию 8—10 шт. с тем, чтобы в случае снижения температуры ниже установленных пре­ делов, отбраковывать только эти рельсы. Но так как такой кон­

троль невозможен, то при захолодании нижнего ряда рельсов бракуют все рельсы в коробе.'

На заводе Б образование флокенов возможно из-за некоторых особенностей технологического процесса. Часть рельсовых

•блюмов прокатывают с промежуточным нагревом в методиче­ ских печах. Количество таких блюмов достигает 70%. Эти блю­ мы укладывают для охлаждения в штабели, но тем «е менее почти все они поражаются флокенами. В процессе дальнейшей прокатки блюмов образовавшиеся флокены завариваются.

Необходимо отметить, что дважды исследовали надежность такого способа производства рельсов. Сталь насыщали в жидком состоянии водородом. Во всех без исключения блюмах были об­ наружены флокены. В то же время в готовых рельсах флокенов

ность контроля, нельзя полностью исключить возможность по­ явления небольшого количества мелких флокенов в некоторых отдельных редисах'. Эти флокены могут быть настолько мелки­ ми, что при макроконтроле их не обнаружат, но как концентра­ торы напряжений они будет опасны. Могут также, как указы­ валось выше, образоваться зоны высоких напряжений, способ­ ные служить очагами усталостных разрушений.

На заводе В для предупреждения образования флокенов была применена изотермическая выдержка. Для этого в рель­ собалочном цехе были построены пять печей (рис. 165). . По технологии, вначале принятой заводом, после резки на пилахрельсы по рольгангу направляли на холодильник, где темпера­ тура их снижалась до 600°. Затем партиями по 6 шт. рельсы транспортировали по рольгангу к печам. При помощи шлепперов их задавали на цепной конвейер печи. Температура в печах поддерживалась 600°; продолжительность пребывания рельсов в печи была установлена 2 часа. После выдержки рельсы на­ правляли на отделку и осмотр.

сов длиной по 12,5 м. Полная садка печи около 180 т рельсов. Рельсы в печах располагаются да семи цепях, которые сколь­ зят по металлическим направляющим. Обратные ветви цепей перемещаются в специальных туннелях, расположенных под печами.

Свод печи подвесной. Одноканальные, инжекционные горел­ ки (30 шт.) расположены в нижней части в торцах печи. Про­ дукты горения поступают в рабочее пространство печи по ка­ налам. Отапливаются печи смесью коксовального и доменного газов калорийностью 1300 ккал/м3. Продукты горения через

о

В рельсоотделочное от деление

Рис. 165. План отделения изотермической выдержки рельсов на заводе В

.др и Полухин .И .П 21

Рис. 166. Печь для изотермической выдержки рельсов на заводе В

322 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЛЬСОВ

окна загрузки и выдачи рельсов попадают под зонт, а затем в дымопроводы, подвешенные над сводом печи.

Эти печи отвечают требованиям поточности производства и исключают какие бы то ни было ручные или крановые опера­

больших размеров пода я сравнительно небольшого числа го­ релок регулировка температуры по подине представляет собой очень трудную задачу. Снизить разность температур в отдель­ ных тючках печй ниже 30° оказалось невозможным. Съем с 1 м2 пода печи получается небольшой. При повышении темпе­ ратуры свыше 600—650° возникают термические искривления рельсов в поперечном направлении. В местах соприкосновения рельса с цепью образуются более холодные зоны, изгибающие рельс таким образом, что он провисает в пространстве между цепями. Попытка использовать эти печи для нагрева рельсов под закалку окончилась неудачей вследствие значительного волнообразного искривления рельсов. Цепи, находящиеся под нагрузкой рельсов, при скольжении по направляющим изнаши­ ваются, чему способствуют также попеременный нагрев и ох­ лаждение цепей. Возможны вытяжка звеньев и изменение шага их, что ведет к несовпадению с зубьями звездочек.

Более целесообразной была бы конструкция печи с шагаю­ щими балками и многослойным ' расположением рельсов. По­ следнее допустимо здесь потому, что. рельсы при поступлении в печь имеют температуру, близкую к температуре печи, и нуж­ даются не в нагреве, а только в поддержании температуры. Кроме того, система отопления печи через большое число мел­ ких сводовых горелок позволила бы значительно лучше регу­ лировать температуру в печи.

При переходе к производству рельсов Р-50 на заводе В воз­ никла необходимость пересмотреть режим изотермической вы­ держки. После проведения исследования был принят режим с переохлаждением рельсов до 350°. Без предварительного пере­ охлаждения в структуре стали сохранилось бы значительное количество остаточного аустенита, распад которого протекал бы очень медленно. Значительная часть времени выдержки была бы потеряна нёпроизводительно. Это обстоятельство и служит одной из причин увеличения продолжительности изотермиче­ ской выдержки при повышенных температурах.

Кроме этого, переохлаждение вызывает в рельсах дополни­ тельные напряжения, которые ускоряют движение дислокаций. Это способствует более быстрому выделению водорода из ста­ ли. Переохлаждение также увеличивает пересыщенность твер-