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

Рис. 179. Печь для нагрева рельсов под закалку на Зс воде Г

8. Закалка рельсов по всей длине

Ранние исследования

Опыты по проведению полной термической обработки рель­ сов и промышленное опробование различных методов ее нача­ лись около ста лет назад. Впервые в России, в 1864 г., на Ниж- не-Салдинском заводе Грум-Гржимайло закаливал пробы рель­ сов в вертикальном положении в воде. Механические свойства этих рельсов оказались значительно выше, чем у необработан­ ных. После этого был устроен простейший резервуар, в котором замачивали с прокатного нагрева рельсы полной длины. Не­ смотря на всю примитивность этих опытов, механические свой­ ства рельсов улучшались, и в пути они показали повышенную стойкость. Позже были проведены опыты на заводе Altoona в Америке. Здесь также после испытания проб было получено некоторое количество термически обработанных рельсов пол­ ной длины. Каменский и Татаров провели испытания закален­ ных в лабораторных условиях проб рельсов. Во всех опытах было получено повышение прочностных характеристик; удлине-

.н:ие при разрыве увеличивалось или уменьшалось, в зависимо­ сти от степени термического воздействия на металл.

Более широко поставленные опыты термической обработки рельсов были проведены в Англии Стадом и Ричардсом. Ими были изучены механические свойства рельсов, прошедших как объемную закалку, так и поверхностную обработку головки рельса. В результате своих работ авторы пришли к выводу о благоприятном влиянии термической обработки на механиче­ ские свойства рельсов и указали, что сорбитная структура об­ ладает наилучшими свойствами для условий работы рельса в пути.

Авторы предпочли поверхностную закалку рельсов другим видам термической обработки ввиду простоты ее осуществления. Для того времени этот их вывод правилен. Тогда в рельсах не возникали разрушения усталостного характера или поперечные изломы. Рельсы снимали с пути в результате износа головки ис­ тиранием и смятием. Конечно, в этих условиях сорбитизация поверхности катания .существенно улучшала служебные свой­ ства рельсов.

Основная цель всех этих первых исследований — изучить свойства термически обработанных рельсов. Промышленное при­ менение термическа.я обработка рельсов получила значительно позднее. Сначала в Америке, затем в Англии и Франции и поз­ же в Германии была организована закалка рельсов по методу инж. Зандберга; в России началась термическая обработка рель­ сов на Надеждинском заводе по способу инж. Шадрина.

Способ За.ндберга представляет собой мягкую закалюу го­ ловки рельсов- с прокатного нагрева на горячих стеллажах по­ средством обрызгивания ее водой, мелко распыленной сжатым воздухом1или паром. Установка располагается поперек горячих стеллажей (рис. 180) и состоит из балки коробчатого сечения, ■которая служит резервуаром сжатого воздуха. Воздух подается в нее вентилятором .при давлении около 600 мм вод. ст. Вое

устройство при посредстве подъемного механизма может дви­ гаться вверх и вниз.

По верху балки проложены водопроводные трубы, которые снабжают водой отдельно каждую закалочную секцию. Уста­ новка может закаливать одновременно три рельса длиной до 18 м. Воздух из воздушного канала, проходя по вертикальным трубкам, увлекает с собой воду в пульверизаторы, расположен­ ные по нижней поверхности установки.

Рельсы кантуют на подошву н .подводят под установку, кото­ рая, опускаясь, автоматически останавливается на необходимой высоте над головкой рельсов, после чего также автоматически включаются сжатый воздух и вода. Затем установка выключается и поднимается, освобождая рельсы.

Водяной туман охлаждает головку рельсов сравнительно мед­ ленно— температура падает от 800 до 500—550° в течение 60—■ 90 сек. При такой скорости охлаждения структура вблизи по­ верхности катания представляет собой сорбит закалки.

Сандберга были скомбинированы с утепленными стеллажами. Непосредственно после закалки поверхности рельс передвигался в утепленную часть стеллажей, где поддерживалась температу­ ра 450—500° и выдерживался здесь до тех пор, пока практически температура не выравнивалась по сечению рельса. После это­ го рельс передвигался во вторую камеру, имеющую температу­ ру 300—350°. Выдержка в этой камере изменялась в зависимо­ сти от .профиля рельсов и состава стали, но скорость охлажде­ ния не превышала 6° в минуту, а в США использовалась вдвое меньшая скорость охлаждения.

В табл. 55 приведены средние данные механических свойств рельсов, обработанных по способу Зандберга. Примерный со­ став рельсовой стали следующий: 0,5—0,6% С, 0,72—0,75% Мп, 0,11—0,15% Si, 0,03% Р и 0,03 % S. По данным табл. 55, .повы­ шение механических свойств не очень велико и составляет для прочностных характеристик 30—40%, тогда как относительное удлинение уменьшается на 50%. Однако при работе в пути из­ нос обработанных рельсов оказался вдвое меньше, чем необра­ ботанных.

Для современных условий службы релесов в пути указанные прочностные характеристики является недостаточными, особен­ но предел упругости. Кроме того, закалка с прокатного нагрева даже с последующим медленным охлаждением на утепленных стеллажах является опасной с точки зрения возможности обра­ зования флокенов. Однако охлаждение рельсов мелко распы­ ленными водяными каплями представляет большой интерес. Сравнительно медленное равномерное охлаждение обеспечива­ ет на довольно значительной глубине сорбитную структуру. При известном усовершенствовании этот способ охлаждения может быть применен и для обработки рельсов в современных усло­ виях.

С 1925 г. на Надеждинском заводе проводились опыты по­ верхностной закалки рельсов. Мартеновские рельсы имели боль­ шое смятие при работе в пути, так что предполагали вообще прекратить производство рельсов на этом заводе. По способу

3 4 8 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЛЬСОВ

Шадрина поверхность катания охлаждалась струями воды, на­ правляемыми на головку горячего рельса специальными за­ слонками (рис. 181). При этом рельсы изгибались свободно; от­ дельные секции обрызгивающих аппаратов могли перемещаться за рельсом, сохраняя неизменным расстояние от водопроводных труб до поверхности катания.

Закалка производилась во время движения рельсов по роль­ гангу так, что каждое сечёние рельса проходило последователь-

Рис. 181. Схема поверхностной закалки рельсов на На­ деждинском заводе

но четыре закалочных аппарата (рис. 182), установленных на расстоянии 2—3 м друг от друга. Таким образом охлаждение рельсов было прерывистым. При выходе из-под одного аппара­ та и до вступления под следующий поверхностные слои рельса успевали несколько нагреться, что смягчало закалку и умень­ шало остаточные напряжения в рельсах. Температура начала закалки была выбрана 850°; обрызгивание продолжалось 10— 30 сек., после чего температура в головке рельса уменьшалась до 600—650°. Происходил самоотлуск закаленного слоя. Тол­ щина зоны сорбита достигала 6—8 мм. После закалки рельсы изгибали для уменьшения окончательной остаточной кривиз­ ны их.

Способ Шадрина был недостаточно совершенным и не обес­ печивал постоянства свойств, особенно твердости, как на раз­ личных рельсах, так и по длине одного и того же рельса. Твер­ дость на поверхности катания обработанных рельсов колеба­ лась в широких пределах от 241 до 477 НВ.

Химический состав рельсов Надеждинского завода по угле­ роду колебался от 0,47 до 0,68% и по марганцу от 0,52 до 0,64% при довольно высоком содержании фоофора 0,044— 0,064%. По данным табл. 56, изменение механических свойств сравнительно невелико. Механические испытания проводили на образцах диаметром 10 мм, вырезанных вблизи поверхности

катания. Таким образом, проникновение термической обработки вглубь незначительно. Это объясняется, с одной стороны, малой прокаливаемостью стали вследствие невысокого содер­ жания углерода и марганца, а с другой стороны, общей незна­ чительной продолжительностью закалки и сравнительно высо­ ким самоотпуоком.

Таблица 56

СРЕДНИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЛЬСОВ

Такие рельсы при работе в пути в легких условиях уменьшат истирание и смятие, а в тяжелых условиях работы они непри­ годны.

На заводе им. Петровского в 1927 г. Федоренко проводил опыты закалки рельсов путем погружения рельса головкой вниз в бассейн с проточной водой на глубину 15—25 мм. В таких ус­ ловиях результаты закалки были неудовлетворительны.

В дальнейшем на этом же заводе были проведены более об­ ширные опыты Казаковым и Селезневым. Ими была построена специальная машина для закалки головки рельсов (рнс. 183). Горячий рельс после разрезки на пилах двигался по стеллажам при помощи специальной балки. Затем рельс попадал в пазы рычагов, располагавшихся в этот момент вертикально. Рычаги поворачивались по направлению против часовой стрелки и рельс головкой погружался в воду на глубину 20—25 мм. Для преду­ преждения коробления рельсов специальные рычаги нажимали сверху на подошву рельса. Другая система рычагов выбрасы­ вала рельс после окончания операции на стеллажи.

Температура рельсов в момент закалки колебалась в пре­ делах 775—850°, температура воды была 40—50°; продолжи­ тельность замочки составляла 30—40 сек. В результате обработ­ ки твердость на поверхности катания колебалась в пределах 170—270 НВ. Незначительное повышение твердости объясня­ ется в этих опытах тем, что рельс был почти неподвижен отно­ сительно воды. Вода же имела сравнительно высокую темпера­ туру и образовывала паровые рубашки на поверхности головки рельсов.

Значительные колебания механических свойств рельсов, (табл. 57) объясняется различием в режимах обработки. Но при этом способе обработки встречаются отдельные рельсы, предел.

з^Ч1-у^ fц~

Рис. 183. Схема конструкции машины Казакова и Селезнева для закалки головок рельсов

текучести которых увеличится «а 70%; в среднем это повыше­ ние составляет 50%. Предел прочности также значительно воз­ рос. Зона измененных структур и механических свойств распро­ странялась почти на всю головку.

Таблица 57

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЛЬСОВ

Таким образом, этот способ обработки представляет собой известный шаг вперед по сравнению, е описанными выше спо­

и удерживаются краями подошвы на специальных опорах в ап­ парате. К опорам рельсы прижимаются рычагами и пневмати­ ческим устройством с вертикальным движением поршня. Шток, передающий усилие рычагам, центрируется посредством роли­ ков, движущихся по параллелям станины. Ванна с водой также является подвижной: она может совершать движения вверх

ивниз при помощи шатунно-кривошипного механизма, располо­ женного внизу, в центре станины. Конструкция, несущая ванну

идвижущаяся вместе с ней, центрируется посредством роликов.

При движении ванны вверх головка рельса погружается в воду, а при' движении вниз выходит из воды. В первой конст­ рукции аппарата вода в ванне не сменялась. Для обработки каждого рельса в ванну наливалась новая порция воды. Такое резкое изменение температуры воды было допущено сознатель­ но в расчете на то, что скорость охлаждения, большая вначале, будет постепенно замедляться. Это должно было уменьшить ос­ таточные напряжения в рельсах.

Однако впоследствии от такого способа охлаждения отказа­ лись и перешли к использованию проточной воды, причем холод­