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

Среднемарганцовистые рельсы не были подвергнуты объем­ ной закалке. Возможно, что вследствие повышенной прокаливае­ мое™ стали при объемной закалке получились бы интересные результаты. Поверхностная закалка среднемарганцовистых рельсов вряд ли может быть рекомендована.

11.О перспективах термической обработки рельсов

Кнастоящему времени имеется уже значительное число ис­ следований по термической обработке рельсов. Все методы тер­ мической обработки рельсов можно разбить на две большие группы: 1) поверхностной закалки и 2) объемной закалки.

Поверхностную закалку рельсов в различных ее вариантах исследовали как в Советском Союзе, так и за границей, причем раньше, чем объемную закалку. Начало исследования объемной закалки относится к пятидесятым годам. По многим причинам поверхностная закалка и до настоящего времени привлекает осо­ бенное внимание исследователей. Главной из них является не­ обоснованная боязнь хрупкости объемно закаленных рельсов.

Несмотря на то, что во всех опытах эти рельсы имели более вы­ сокие механические свойства по сравнению с необработанными, понятие «закаленный» рельс вызывало представление о хрупкой стали со структурой мартенсита. Это отразилось в технических условиях на поставку рельсов с закаленными концами и рельсов, обработанных по всей длине. Толщина закаленного слоя по макроструктуре не должна была превышать 4—6 мм, а зона за­ каленного металла должна заканчиваться у верхних закругле­ ний головки рельсов. Этим подчеркивалось желание сохранить большую часть сечения необработанной, т. е. якобы более пла­ стичной по сравнению с сорбитной термически обработанной зо­ ной. Несостоятельность подобных представлений ясна. Такие требования со стороны Министерства путей сообщения надолго задержали систематическое изучение закалки рельсов.

Кроме этого, методы поверхностной закалки проще, чем ме­ тоды объемной закалки. Долгое время считали рельсы дешевой некондиционной «торговой» продукцией, которую экономически нецелесообразно подвергать полной термической обработке, на­ пример, закалке с отпуском.

И, наконец, не было изучено напряженное состояние рельса под нагрузкой колес. Недостаточно были изучены концентрация напряжений на входящих углах (выкружки под головкой) и в шейке, а также поперечные изгибающие моменты в подошве, приводившие к раскрытию волосовин и т. д.

Многие авторитетные исследователи до настоящего времени считают, что рельс достаточно прочен и нужно только упроч­ нить поверхность катания его против смятия, истирания и обра­

396 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЛЬСОВ

зования выщербин. Нам кажется, что такой взгляд основан на недоразумении. Если в настоящее время положение с большин­ ством дефектов, кроме1явлений контактной усталости, является более или менее благополучным, то происходит это только пото­ му, что сильно возросли вес 1 пог. м рельса, толщина шейки и подошвы и значительно повысилось в стали содержание угле­ рода.

Однако опыты по термической обработке легированных рель­ сов показывают, что, для того чтобы получить удовлетворитель­ ные свойства обработанного слоя, необходимо снижать содер­ жание углерода в рельсовой стали. В результате этого, при по­ верхностной обработке головки резко снизится прочность шейки и подошвы и неизбежно возникнут дефекты седьмой и четвертой групп.

Следует отметить, что необработанная сталь работает зимой при температурах ниже порога хладноломкости. Кроме того, в легированных рельсах сравнительно жесткая закалка поверх­ ности путем обрызгивания водой вызовет чрезмерно высокие на­ пряжения и в закаленной зоне. В углеродистых рельсах необра­ ботанный металл шейки и подошвы окажется неработоспособ­ ным в пути при возрастании нагрузки на ось скоростей движе­ ния и грузонапряженности дорог.

Наблюдения за службой в пути термически обработанных рельсов показали, что поверхностно закаленные рельсы не сво­ бодны от дефектов второй, шестой и седьмой групп. Они пора­ жаются дефектами этих групп даже в большей степени, чем не­ обработанные рельсы. Это понятно, так как металл рельса в ме­ стах возникновения этих дефектов совершенно не упрочнен, а остаточные напряжения выше, чем в необработанном рельсе.

Объемная закалка всего сечения рельса будет необходимой хотя бы потому, что, возможно, будут применять рельсы мень­ шего веса. Так как механические свойства стали в обработан­ ном состоянии практически одинаковы при всех методах закал­ ки, то не видно никакого смысла в том, чтобы оставить боль­ шую часть сечения рельса необработанной и не использовать то повышение прочностных свойств и пластичности стали, которые обеспечивает термическая обработка.

Таким образом, следует ожидать, что в условиях эксплуата­ ции рельсы, обработанные по всему сечению, будут работать лучше, чем рельсы с поверхностной закалкой.

Рассмотрим затруднения, встречающиеся при выполнении термической обработки и особенно вопрос о напряжениях, воз­ никающих в рельсах. При поверхностной закалке водой, хотя бы даже при прерывистой закалке, появляются значительные на­ пряжения первого рода, вызывающие большое искривление рельсов. Как в опытах на заводе А, так и в практике работы за­

вода Г стрела изгиба (подошва вогнута) обработанных рельсов достигает до 0,5 м. .

Значительные местные напряжения возникают также около всевозможных концентратов напряжений. Так, что на заводе Г нельзя было закаливать рельсы с просверленными болтовыми отверстиями, так как около них образуются трещины. В опытах на заводе А также приходилось закрывать отверстия специаль­ ными болтами с. гайками. На заводе Г на переднем торце рельса в закалочной машине образовывались трещины, которые в даль­ нейшем удаляли посредством фрезерования специально остав­ ленного припуска.

Все это свидетельствует о высоких напряжениях в рельсах. Это понятно, так как глубина проникновения термического воз­ действия велика. Она достигает 25—30 мм от поверхности ката­ ния. Большой объем металла, уменьшающий .свою длину при первоначальном охлаждении и увеличивающий ее при переходе к бездиффузионным превращениям, способен вызвать большие напряжения вовсем объеме рельсов.

Как показали опыты на заводе Г, полная объемная закалка рельсов в воде невозможна, так как приводит к разрушению их по шейке. Закалка в масле вызывает значительно меньшие на­ пряжения. При изготовлении опытных партий рельсов, закален­ ных в масле, хотя и наблюдалось непостоянное и. иногда боль­ шое коробление, но ни в одном случае не было'обнаружено тре­ щин в рельсах.

Однако практическое проведение закалки в масле вызывает сомнения вследствие больших масштабов масляного хозяйства, потребного при обработке рельсовой продукции современного крупного завода. Первые примерные расчеты показали, что ко­ личество масла в системе должно быть около 500—600 т. Для этого нужны маслоохладительные установки, запасные емкости и пр. Все это требует больших площадей, усложняет схему об­ работки рельсов. В условиях действующих заводов не удается разместить все необходимое оборудование и правильно органи­ зовать поток рельсов.

Поэтому следует считать, что наиболее целесообразной бу­ дет закалка рельсов обрызгиванием пароводяной или водовоз­ душной смесью. В опытах Сибирского института металлов при правильном подборе количества воды для охлаждения отдель­ ных частей профиля-рельс при закалке оставался прямым. Ис­ кривление рельсовначинается только при отпуске, причем ве­ личина этого искривления незначительна.

Таким образом, наиболее перспективной, на наш взгляд, язляется закалка в роликовых машинах типа завода Г, но с об­ рызгиванием частей рельса мелкой водовоздушной смесью. Количество воды должно быть рассчитано, исходя из площади

поперечного сечения рельсов и скорости охлаждения отдельных элементов профиля. Такой способ охлаждения рельсов необхо­ димо тщательно'изучить для выбора правильных условий про­ цесса. При проектировании и постройке рельсотермических це­ хов на заводах необходимо предусмотреть возможность осу­ ществления такой объемной закалки. Это требование является обязательным.

12.Термическая обработка рельсов на отечественных заводах

До 1960 г. только на заводе Г построена промышленная ус­ тановка для поверхностной закалки рельсов по всей длине. Схема расположения оборудования показана на рис. 196. От

Рис. 196. Схема расположения оборудования для закалки рельсов на заводе Г:

1 — роликовая печь; 2 — шлеппера для выдачи рельсов; 3 — кантова­ тель; 4 — закалочная машина; 5 — машина для горячей гибки рельсов;

5 — холодильник

пил рельсы поступают по рольгангу к печи охлажденными до 200—300°. Рельсы набирают партиями по 6—8 шт. и направляют

впечь (ем. рис. 179). В печи рельсы нагреваются до 800—850°,

азатем выдаются по одной штуке из печи через щелевое окно

вбоковой стенке.

Нагретый рельс движется по рольгангу, попадает в канто­ ватель, где кантуется головкой вниз, и в таком положении за­ дается в закалочную машину. Закалочная машина (рис. 197) имеет общую длину 21,98 м и состоит из 22 клетей, из них 11с приводными роликами и 11 с холостыми. Продвигаясь в маши­ не, рельсы проходят над закалочными аппаратами, расположен­ ными между клетями.

Конструкция закалочного аппарата показана на рис. 197. Вода из отверстий закалочного аппарата омывает поверхность катания рельса и небольшую часть боковых вертикальных гра-

и являются короткими проходными печами с верхним и нижним расположением горелок. Горелки представляют собой удлинен­ ные коробки . со многими отверстиями, направляющими пламя

Рис. 201. Установка для скоростного нагрева рельсов на заводе В

так, чтобы оно не попадало непосредственно в нагреваемый рельс. В каждой секции имеется шесть верхних и шесть нижних горелок, причем верхние горелки более мощные. В дымоходе каждой секции установлен рекуператор. Как показали опыты, рельс нагревается до закалочной температуры, проходя десять секций за десять минут.