Изучите процесс производства рельсов из стали: от мартеновского и бессемеровского методов до укладки шпал. Узнайте о важности углерода и легирующих добавок!
Рельсы изготовляют прокатом из слитков стали. Сталь для их изготовления применяют двух видов: мартеновскую и бессемеровскую (конверторную). Исходными материалами для выплавки стали являются чугун и стальной лом при мартеновском процессе и чугун при бессемеровском.
Содержание углерода в современной рельсовой стали находится в пределах 0,71…0,82%, в чугуне содержание углерода доходит до 4%. Кроме того чугун содержит до 1,5…3,5% марганца, до 1,5…2% кремния, а также фосфор, серу и другие примеси, содержание которых в стали должно быть значительно уменьшено. Основная задача при переплавке чугуна в сталь заключается в удалении большей части углерода, марганца, кремния, серы и фосфора.
Мартеновская сталь по качеству лучше бессемеровской. Она менее хладноломка, так как имеет меньшую примесь фосфора, дает более плотный слиток, её химический состав более однороден, содержит меньше примесей. С 1983 г. производство рельсов по бессемеровскому способу прекращено. Технические условия на изготовление рельсов установлены ГОСТ 24182-80.
В состав рельсовой стали, (0,71…0,82%), марганец (0,75…1,05%), кремний (0,18…0,4%), фосфор кроме железа, входят углерод (не более 0,045%).
Углерод придает высокую твердость и износостойкость рельсовой стали: повышение содержания углерода в мартеновской стали увеличивает её износостойкость. Верхние пределы содержания углерода установлены во избежание увеличения хрупкости стали и возникновения поверхностных дефектов, раковин, плен и т.п. Рельсы из стали с содержанием углерода выше среднего относятся к твёрдым. Рельсы из стали, содержание углерода в которых равно или ниже среднего значения, относятся к нормальным.
Марганец также повышает твёрдость и износостойкость стали, увеличивая одновременно и её вязкость. Кремний в указанных ограниченных количествах увеличивает твёрдость металла.
Фосфор и сера примеси вредные: при большом содержании фосфора рельсы становятся хрупкими при низких температурах, при большом содержании серы появляются трещины при прокате рельсов (красноломкость).
Небольшая примесь меди несколько повышает коррозионную стойкость стали.Готовую сталь разливают в формы (изложницы), где она застывает в виде слитков. Слитки перед прокатом помещают в специальные нагревательные колодцы для подогрева до необходимой температуры. Разогретый слиток стали обрабатывают первоначально на блюминге, придавая слитку форму болванки прямоугольного сечения, называемую блюмсом. Блюмс передают далее в прокатный стан, где он проходит через валки из ручья в ручей; при этом он вытягивается в длину и постепенно меняет форму, принимая по выходе из последнего ручья профиль заданных размеров. Полученную таким образом полосу затем разрезают на рельсы нормальной длины, производят выправку отдельных искривлений, высверливают отверстия для болтов.
Технология изготовления рельсов постоянно совершенствуется. Улучшен процесс изменения поперечного сечения блюмса в последовательно проходимых им ручьях прокатного стана (так называемая калибровка рельсов). При прокате по новой калибровке обеспечивается более интенсивная обработка металла подошвы рельсов, что резко сокращает количество волосовин в подошве, получающихся от раскатывания подкорковых пузырей.
Осуществлен ряд мер по удалению усадочной раковины и околоусадочной рыхлости металла. Введено замедленное охлаждение рельсов после проката в закрытых коробах и охлаждающих колодцах, позволяющее предупреждать образование флокенов. Очень важно, чтобы сталь не имела флокенов — мелких внутренних трещин, возникающих в связи с выделением водорода при остывании стали.
Существенное повышение качества рельсов даёт совершенствование способа раскисления рельсовой стали. В процессе варки стали происходит некоторое окисление железа. Для его восстановления в сталь добавляют алюминий. Но, соединяясь с кислородом, алюминий образует неметаллические включения (глинозем), загрязняющие сталь и снижающие стойкость рельсов против появления трещин. Раскислителями магний и титан. Применение этих раскислителей повышает стойкость являются комплексные ферросплавы, содержащие кремний, ванадий или рельсов против появления трещин контактно-усталостного характера на 20…25%.
Согласно ГОСТ 24182-80 рельсы изготовляются двух групп: I и II. Рельсы I группы, должны быть изготовлены из спокойной мартеновской стали, раскисленной комплексными раскислителями без применения алюминия, ІІ группы — из спокойной мартеновской стали, раскисленной алюминием или марганец-алюминиевым сплавом. Качество рельсов контролируется по их прочности (табл. 1), химическому составу (табл. 2), микро- и макроструктуре металла, прямолинейности и другим показателям. Прочность рельсов оценивается временным сопротивлением образца рельса при его растяжении.
Таблица 1. Механические свойства стали
В обозначении марки стали буква М указывает способ выплавки стали (мартеновский), цифры среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Если образец рельсовой стали отшлифовать, протереть раствором азотной кислоты и рассмотреть под микроскопом, то можно увидеть микроструктуру стали. Бывают различные структуры сталей: аустенит, мартенсит, сорбит и др. Лучшие качества рельсовой стали даёт сорбитовая структура, которая достигается закалкой рельсов. Макроструктуру рельсовой стали можно видеть невооружённым взглядом. К хорошей макроструктуре относят мелкозернистую, в которой нет раковин, плен, волосовин, неметаллических включений.
Повышение эксплуатационной стойкости рельсов достигается улучшением чистоты стали, термическим упрочнением и легированием.
Таблица 2. Химический анализ рельсовой стали
В массовом порядке согласно ГОСТ 18267-82 выпускаются рельсы, подвергнутые объёмной закалке с охлаждением в масле после печного нагрева. Хорошие результаты дает поверхностная закалка головки рельсов водовоздушной смесью после нагрева её токами высокой частоты.
Используется технология закалки рельсов в расплавах солей, заключающаяся в том, что рельсы нагреваются до температуры 840…870°С в проходной печи (40…60 мин), а затем охлаждаются (8… 40 мин) в расплаве солей калиевой селитры и нитрата натрия, содержащих 0,6…0,7% воды, до температуры 290…295°С. Последующее охлаждение рельсов происходит на воздухе. Остатки солей с поверхности рельсов смывают водой.
Этот способ закалки имеет преимущества перед упрочнением в масле. Во-первых, высокая температура солей предупреждает искривление рельсов, вследствие чего существенно уменьшается холодная правка рельсов. Во-вторых, в расплаве солей в интервале температур структурных превращений рельсы остывают быстрее, чем в масле, что улучшает прочность, пластичность и вязкость стали. В-третьих, при этом способе закалки можно изготовлять рельсы из низколегированной стали с прочностью выше 1400 МПа. Отпадает также необходимость в громоздких отпускных печах, которые используются при закалке рельсов в масле.
При закалке должна обеспечиваться твердость на поверхности закаленного слоя НВ 311…401; длина закаленного слоя 50…80 мм; глубина не менее 5 мм, причем твердость на глубине 5 мм должна быть не менее НB300.
Рельсы после полного остывания подвергаются холодной правке на роликоправильных машинах и штемпельных прессах. Перед холодной правкой допускается равномерная общая по всей длине кривизна рельсов в вертикальной и горизонтальной плоскостях со стрелой прогиба не более 1/60 длины рельса.
После холодной правки допускаются: равномерная кривизна рельса в горизонтальной и вертикальной плоскостях по всей его длине со стрелой прогиба, не превышающей 1/2200 длины рельса; одиночные местные деформации (прогибы) не более 0,5 мм, определяемые между линейкой длиной 1,0 м и поверхностью рельса: концевые искривления в вертикальной и горизонтальной плоскостях рельсов без болтовых отверстий (предназначенных для сварки) не более 0,5 мм и рельсов с болтовыми отверстиями в горизонтальной плоскости не более 1,0 мм и в вертикальной плоскости не более 0,5 мм при определении их прикладыванием линейки длиной 1,0 м по касательной к прямой части рельса.
Для объёмно-закалённых рельсов с болтовыми отверстиями концевые искривления рельсов в вертикальной плоскости на длине 1 м для рельсов Р65 не должны превышать 0,5 мм (вниз) и 0,8 мм (вверх), для рельсов Р75 соответственно 0,4 и 0,8 мм.
Рельсы выпускаются двух сортов. К первому сорту относятся рельсы, полностью удовлетворяющие приведённым требованиям; ко второму рельсы, имеющие хотя бы одно из следующих отклонений: по содержанию в стали углерода — 0,03%, марганца до +0,1%, кремния до +0,03%, фосфора до +0,005%, серы до +0,01%, мышьяка до +0,05%; по наличию дорожек-строчек неметаллических включений длиной более 8,0 мм; по временному сопротивлению до 100 МПа; по относительному удлинению до 1,0%; по стреле прогиба до холодной правки — не более 1/30 длины рельса; по размерам, превышающим не более чем вдвое допускаемые стандартами предельные отклонения для рельсов первого сорта, за исключением ширины подошвы, где допускаемые отклонения могут быть не более -3,0 мм и +1,0 мм.
Термически обработанные рельсы, полностью соответствующие требованиям технических условий, относятся к первому сорту первой категории, а с несколько пониженными твердостью и механическими свойствами, но значительно более высокими, чем у старых рельсов — к первому сорту второй категории.
Отправляя сообщение, Вы разрешаете сбор и обработку персональных данных. Политика конфиденциальности.