Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Техника и технология сварки рельсов и термической обработки сварных стыков 8
1.1 Современное оборудование контактной сварки рельсов и их термической обработки в России и за рубежом 8
1.2 Факторы, влияющие на процесс контактной сварки в пластическом состоянии металла 15
1.3 Технология контактной сварки рельсов 21
1.4 Недостатки существующих способов контактной сварки рельсов и локальной термической обработки сварных стыков 27
1.5 Выводы, цели и задачи работы 32
Глава 2. Разработка нового комбинированного метода оплавления при контактной сварке рельсов 34
2.1 Методы оплавления при сварке рельсов контактным способом 34
2.1.1 Анализ законов регулирования при разных методах оплавления 40
2.1.2 Распределение температурных полей при разных методах оплавления 51
2.2 Методика измерения температурных полей в зоне термического влияния 53
2.3 Исследования зависимостей между параметрами сварки непрерывным оплавлением, пульсирующим оплавлением и распределением температурных полей в зоне термического влияния сварного стыка 56
2.4 Разработка и внедрение комбинированного метода контактной сварки 66
2.4.1 Исследования зависимостей между параметрами сварки комбинированного оплавления и распределением температурных полей в зоне термического влияния сварного стыка 66
2.4.2 Механические свойства сварных стыков при разных методах оплавления 71
2.4.3 Статическая прочность и пластичность сварных стыков при разных методах оплавления 72
2.5 Выводы 74
Глава 3. Совершенствование метода локальной термической обработки сварных стыков с введением двустороннего дифференцированного охлаждения 76
3.1 Исследование сварных стыков рельсов после термической обработки с разными системами закалочного охлаждения 76
3.1.1 Анализ работы современного индукционного оборудования с воздушным охлаждением 76
3.1.2 Разработка индукционного оборудования для дифференцированной термической обработки сварных стыков рельсов с введением двустороннего охлаждения сжатым воздухом 80
3.2 Сравнительные исследования односторонней и двусторонней системы закалки 82
3.2.1 Исследование изменения температуры и давления при одностороннем и двустороннем охлаждении 83
3.2.2 Распределение твердости при одностороннем и двустороннем охлаждении 87
3.2.3 Исследование микроструктуры упрочненного слоя 90
3.2.4 Исследования напряженного состояния сварного стыка с односторонним и двусторонним охлаждением 95
3.3 Исследование конструкционной прочности сварных стыков рельсов после различных методов термической обработки 100
3.3.1 Исследование статической прочности 100
3.3.2 Исследование усталостной прочности 103
3.4 Выводы 107
Глава 4. Разработка нового метода термической обработки сварных нетермоупрочненных рельсов по всей длине 109
4.1 Оборудование для дифференцированной термической обработки сварных рельсов с отдельного индукционного нагрева 109
4.2 Сравнительные исследования структуры и свойств сварных стыков после локальной термической и термической обработки по всей длине 116
4.2.1 Исследование макро- и микроструктуры упрочненного слоя 116
4.2.2 Распределение твердости 119
4.2.3 Исследование механических свойств 120
4.2.4 Исследование напряженного состояния сварного стыка после термической обработки по всей длине рельсовой плети и локальной термической обработки с односторонним охлаждением 125
4.3 Выводы 126
Заключение 127
Список сокращений и условных обозначений 132
Словарь терминов 133
Список литературы 134
- Технология контактной сварки рельсов
- Исследования зависимостей между параметрами сварки непрерывным оплавлением, пульсирующим оплавлением и распределением температурных полей в зоне термического влияния сварного стыка
- Исследование микроструктуры упрочненного слоя
- Оборудование для дифференцированной термической обработки сварных рельсов с отдельного индукционного нагрева
Введение к работе
Актуальность работы. Современный этап развития путевого хозяйства характеризуется все большим распространением прогрессивных ресурсосберегающих технологий ремонта и технического обслуживания железнодорожного пути, высокопроизводительных путевых машин, внедрением эффективных конструкций пути, к числу которых относится бесстыковой путь. Прогрессивным направлением усиления верхнего строения пути является замена болтовых стыков сварными. Прочность и надежность рельсов, сваренных контактным способом, определяется правильным выбором технологии сварки и термической обработки стыков. В настоящее время в верхнем строении пути широко применяются рельсы отечественного и импортного производства типа Р65, легированные хромом и кремнием, при сварке контактным способом данной категории рельсов не исключается образования мартенситных структур в ЗТВ. Диссертационная работа посвящена решению проблемы повышения работоспособности сварных рельсовых плетей путем совершенствования методов оплавления при контактной сварке и последующей термической обработке. Актуальность выбранной темы обусловлена необходимостью обеспечения безопасности перевозок, безаварийной работы железнодорожного транспорта, которая в значительной степени определяется прочностью сварных стыков в бесстыковом пути.
Цель диссертационной работы. Разработать и обосновать технологию комбинированного метода контактной сварки рельсов с локальной термической обработкой сварных швов с двусторонним дифференцированным охлаждением и последующей термической обработкой плетей сваренных из нетермоупрочненных рельсов по всей длине.
Задачи исследования. Определить зависимости между основными параметрами контактной сварки рельсов и градиентом распределения температуры в зоне термического влияния (ЗТВ).
Исследовать влияние теплового воздействия пульсирующего и непрерывного методов оплавления контактной сварки рельсов на изменение структуры металла в ЗТВ.
Исследовать и определить изменение структуры металла сварных стыков рельсов при локальной термической обработке сварных стыков с односторонним и двусторонним дифференцированным охлаждением.
Определить эффективность применения новой технологии термической обработки сварных плетей из нетермоупрочненных рельсов по всей длине.
Научная новизна. Разработан комбинированный метод оплавления контактной сварки рельсов, позволяющий управлять термическим циклом охлаждения за счет изменения цикла нагрева. При этом повышается конструкционная прочность сварных стыков за счет исключения образования участков мартенсита в местах с повышенным содержанием хрома, никеля и углерода.
Разработаны принципиальные основы технологии получения сварных рельсовых плетей длиной до 800 метров с максимальной однородностью твердости и механических свойств по длине плети. Термическое упрочнение рельсовых плетей, сваренных из горячекатаных рельсов при сквозном непрерывно-последовательном индукционном нагреве рельса по всему сечению и последующем двухстороннем закалочном охлаждении, позволяет сделать линейную величину зон с пониженной твердостью меньше размеров контактных площадок колеса и рельса, что в комплексе с мелкодисперсной структурой позволило получить повышение трещиностойкости и предела выносливости рельсов в зоне сварных стыков.
Практическая ценность работы. Разработана методика исследования динамики изменения температурных полей при контактной сварке рельсов, что позволило оптимизировать термический цикл сварки.
Разработан комбинированный метод оплавления контактной сварки рельсов, который прошел промышленные испытания в Рельсосварочном предприятии (РСП) № 29 Западно-Сибирской железной дороги, на рельсосварочной машине К-1000. Этот метод особенно полезен при контактной сварке рельсов из новых категорий рельсов, в частности изготовленных из хромистых сталей повышенной прочности и сварке при минусовых температурах.
Показано преимущество системы двустороннего закалочного охлаждения при локальной термической обработке сварных стыков по сравнению с односторонней со стороны головки. При этом улучшается геометрия сварного стыка, увеличивается твердость в зоне подошвы на 10-15 % и создаются сжимающие напряжения в подошве рельса.
Совместно с фирмой ООО «Магнит-М» г. Томск, разработана и прошла промышленные испытания в 2012 году на РСП № 1 Октябрьской железной дороги модернизированная индукционная установка типа УИН-001-100/РТ-С с
двухсторонней схемой закалочного охлаждения, обеспечивающая увеличение циклической долговечности сварного стыка. Поданы две заявки на оформление полезной модели: «Установка термической обработки сварных стыков рельсов в путевых условиях» регистрационный номер № 2013114802 от 01.04.2013г. и «Установка термической обработки сварных стыков рельсов в стационарных технологических условиях» регистрационный номер № 2013114800 от 01.04.2013г., сформирован пакет нормативной документации, проходящей в настоящее время процедуру рассмотрения и утверждения.
Лабораторные и стендовые испытания сварных рельсов длиной 12,5 м по технологии «ТЭК-ДТ» на установке ТЭК-ДТО (непрерывно-последовательный объёмный индукционный нагрев с двусторонним охлаждением сжатым воздухом регулируемой влажности) показали возможность получения сварных рельсов, дифференцированно упрочненных по всей длине с существенно большей однородностью по твердости. В головке рельса твердость составляет от 350 до 398 НВ, шейке 290-300 НВ, в подошве 315-323 НВ. Эта технология рекомендуется к применению на РСП для термообработки сварных плетей горячекатаных рельсов длиной до 800 м.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались ежегодно (2010-2013 г.г.) на научно-технических совещаниях отделения «Сварка» и «Транспортное материаловедение» ОАО «ВНИИЖТ»; на Международной научно-технической конференции «Наука, инновации и образование» УрГУПС (Екатеринбург 2006); на 12-й и 13-й научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» МИИТ (Москва 2011, 2012); на научно-практической конференции «НАУКА МИИТа -ТРАНСПОРТУ» МИИТ (Москва 2012).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных статей, в том числе 4 в рецензируемых журналах из перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки России. Поданы 2 заявки на полезные модели.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначении, словаря терминов и списка использованных литературных источников, представленного 63 наименованиями. Работа изложена на 140 страницах основного текста и содержит 77 рисунков и 14 таблиц.
Технология контактной сварки рельсов
При контактной сварке рельсов части свариваемых двух рельсов находятся в двух состояниях, в месте сварного шва металл нагревается до температуры, превышающую температуру плавления 1520 С, где происходит плавление металла и выброс металла из сварного шва и пластическом состоянии в ЗТВ. Детали нагреваются до температур, лежащих ниже солидуса (для стали до 1100-1200 С), и под действием сжимающего усилия пластически деформируются на определенную величину (осаживается) и сваривается. Величина осадки, усилие сжатия, а также температура нагрева рельсов оказывают решающее влияние на образование сварного соединения и являются основными факторами в процессе контактной сварки.
Одним из основных этапов технологического процесса контактной сварки является процесс нафева торцов свариваемых рельсов. Контактная сварка рельсов включает контактную сварку сопротивлением и контактную сварку оплавлением. Схема контактной сварки приведена на рисунке 1. Свариваемые рельсы 3, закрепленные в зажимах (электродах) 2 стыковой машины, сжимаются осевой силой Р (Рисунок 1.5). Электроды подключены к сварочному трансформатору 5, при включении которого через заготовки протекает сварочный ток. Он нафевает оба рельса, причем наибольшее количество теплоты выделяется в месте контакта 6 (отсюда название способа) контактная сварка.
На поверхности свариваемого металла имеются пленки оксидов и загрязнения с малой электропроводимостью, которые также увеличивают электросопротивление контакта. В результате в точках контакта металл нагревается до термопластического состояния или до оплавления. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок образуются новые точки соприкосновения, пока не произойдет полное сближение до межатомных расстояний, т. е. сварка поверхностей.
Основные параметры контактной сварки: сила тока /св, длительность его протекания tCB и усилие сжатия (осадки Foc) деталей. Имеется достаточно тесная связь основных параметров режима /св, tCB, FQC с физико-механическим свойствами металлов, определяющими их свариваемость: удельным электросопротивлением р, теплопроводностью X, прочностью, твердостью и упругостью [31].
Электрическая энергия W, выделяемая в виде тепла в искровом промежутке и теле рельсов при контактной сварке оплавлением, расходуется на их нагрев Q\, уносится вместе с жидким металлом и парами Q2, передается в электроды машины Q2 и окружающее пространство Q\. В зависимости от создания модели контактов и процесса их нагрева в различные периоды их существования, определяется метод контактной сварки. Для изучения образования, нагрева и разрушения единичных контактов выбраны три наиболее типовых условия зарождения. В частности на контактах типа рисунок 1.6, а и рисунок 1.6, в, изучалось влияние высоты неровности и переходного сопротивления, на контакте рисунок 1.6, б особенности нагрева в твердой фазе и количественные характеристики, характеризующие тепловой баланс при нагреве контакта.
Прерывание нагрева контактов на различных стадиях их существования вплоть до взрыва позволяет установить, как развивается нагрев и какое количество полезной энергии вносится на различных стадиях [14]. От этого во многом зависит выбор метода контактной сварки в технологическом процессе нагрева.
Контактная сварка осуществляется без расплавления и с расплавлением металла. Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния называют сваркой сопротивлением, стыковую сварку с разогревом стыка до оплавления - сваркой оплавлением. Различие этих способов может быть объяснено с использованием циклограмм процессов, которые представляют собой графическое изображение изменения во времени параметров процесса сварки [32].
На рисунке 1.8, а показаны основные параметры для контактной сварки сопротивлением, в зависимости от усилия сжатия Р и заданного значения тока / формируется зона пластического состояния.
На рисунке 1.8, б приведены основные параметры для контактной сварки оплавлением, процесс нагрева проходит с заданным усилием сжатия и токовым значением, позволяющие проводить оплавление за счет перемещения подвижной детали S, до момента начала деформации металла (осадка). Токовые значения устанавливаются в зависимости от скорости оплавления в технологическом процессе нагрева.
Способ контактной сварки оплавлением включает несколько разновидностей, в которых роль собственно процесса оплавления может быть различной.
Принцип сварки оплавлением заключается в том, что свариваемые заготовки сближают при включенном сварочном трансформаторе. Касание поверхностей происходит по отдельным выступам. Ввиду того, что площадь образовавшихся контактов очень небольшая, плотность тока, протекающего через эти контакты, настолько велика, что происходит мгновенное оплавление металла с образованием жидких перемычек, которые под действием паров металла разрушаются. Часть металла в виде искр выбрасывается из стыка. Вместе с жидким металлом выбрасываются загрязнения, которые присутствуют на поверхности заготовок. Продолжающееся сближение заготовок приводит к образованию новых перемычек и их оплавлению. Непрерывное образование и разрушение контактов-перемычек между торцами приводит к образованию на торцах слоя жидкого металла. После оплавления торцов по всей поверхности осуществляют осадку. При осадке жидкий металл из стыка выдавливается наружу, образуя грат который удаляется в горячем состоянии.
От степени нагрева металла и характера распределения теплоты и деформаций в изделии зависят структурно-фазовые превращения, механические, технологические и потребительские свойства сварных соединений.
Сварка сопровождается комплексом одновременно протекающих процессов, основным из которых является: тепловое воздействие на металл в ЗТВ.
В процессе сварки рельсов имеет место непрерывное охлаждение. Происходит распространение тепла вглубь рельсовых окончаний. В зависимости от химического состава рельсовой стали, частично определяемого способом выплавки стали (мартеновской, конвертерной, электростали) и ещё более определяемого легированием (хромом, кремнием, марганцем, молибденом) выбирается технологический процесс сварки.
Таким образом, практически все процессы, протекающие в металлах при контактной сварке, зависят от термических циклов сварки и в значительной степени могут определяться их параметрами. Поэтому в теории сварочных процессов, разрабатываемой отечественными и зарубежными исследователями, важное место отводится вопросам расчетного и экспериментального определения термических циклов для контактной сварки [33].
Различают три основных метода при контактной сварке рельсов: прерывистый подогрев, непрерывное и пульсирующее оплавление. Каждый из методов отличается технологическим процессом нагрева, в котором формирование единичного контакта и его разрушение определяет энергетические параметры и как следствие градиент температуры в ЗТВ.
Исследования зависимостей между параметрами сварки непрерывным оплавлением, пульсирующим оплавлением и распределением температурных полей в зоне термического влияния сварного стыка
До настоящего времени достаточно точные и простые методики расчета и регистрации температурного поля зоны термического влияния в процессе контактной сварки рельсов методом оплавления отсутствуют. Данное обстоятельство обусловлено многочисленными факторами контактной сварки и сложностью их учета. Разработка такой методики позволила бы упростить процедуры расчета режимов сварки и создания систем адаптивного управления рельсосварочным оборудованием.
Учитывая вышеизложенное, была разработана методика измерения температурных полей, позволяющая проводить исследования изменения температуры в зоне термического влияния сварного стыка на разном расстоянии от сварного стыка. Для её реализации разработан и изготовлен регистратор температуры Термодат-22М 1, позволяющий проводить исследования динамики изменения температурных полей в зоне термического влияния сварного стыка, при регулировании параметров технологического процесса контактной сварки. Программа регистратора температуры Термодат-22М1 согласована с программой рельсосварочной машины типа К-1000 и определены зоны размещения датчиков в рельсовых пробах.
На рисунке 2.16 показаны кривые мгновенного распределения температурных полей в зоне термического влияния при разных методах контактной сварки рельсов типа Р65, после осадки.
В таблице 3 представлены размеры характерных областей зоны термического влияния при разных методах оплавления [5].
Такое различие в размере зон объясняется характером распределения температур по сечению стыка при оплавлении. Ширина зоны термического влияния изменяется в зависимости от метода оплавления и режимов сварки, химического состава основного металла. Исходя из этих данных, для проведения экспериментов, определены зоны размещения датчиков для определения температуры в зоне термического влияния (Таблица 3).
Зона сорбитизации после перегрева (зона № 3), включает участки металла, нагретого до температуры, близкой к температуре плавления. В связи с этим здесь образуется крупное зерно и часто появляются структуры перегрева, которые приводят к понижению вязкости металла. Зона № 4 (зона сорбитизации без перегрева) включает в себя металл, нагреваемый в процессе сварки несколько выше критической точки Ас3. Если после перекристаллизации металл долго выдерживается при температуре выше точки Ас3 или нагревается до более высоких температур, то снова становится заметен рост зерен, уничтожающий благоприятное влияние перекристаллизации. Зона высокого отпуска (зона № 5) включает металл, нагретый при сварке почти до температуры равной Ас3. Металл этого участка в процессе нагрева не подвергается перекристаллизации. В структуре прошедшей такой высокий отпуск происходит коагуляция и укрупнение карбидов, что приводит к существенному снижению твердости. Зона основного металла, нагретая до температуры ниже 450 С, по структуре совершенно не отличается от основного металла, прошедшего такой же отпуск при изготовлении рельсов [47].
В рамках работы проведён ряд экспериментов по определению четких зависимостей между параметрами сварки и распределением температурных полей в ЗТВ сварного стыка. Проанализирована динамика изменения температуры в зоне сварки при разных методах оплавления контактной сварки. Анализ материалов, изложенных в работах [33, 34] указывает на то, что осадка не влияет на установившийся в процессе оплавления характер распределения температуры вдоль свариваемого рельса.
Технологический процесс сварки рельсов контактным способом был построен, из четырёх этапов. Первый и второй этапы оплавления соответствуют нагреву торцов рельсов с понижением U2x.x. на втором этапе. Третий этап (форсировка) запрограммирован на увеличение скорости Vu, от 0,9 до 2,5 мм/с. Четвертый этап осадка, величина деформации металла устанавливалась в соответствии метода оплавления контактной сварки для рельсов типа Р65.
На рисунке 2.17 приведена схема размещения датчиков при пульсирующем оплавлении в продольной плоскости (зоны 3, 4, 5 и 6) от сварного шва после окончания сварки, с учетом оплавления 15 мм в технологическом процессе нагрева (Таблица 4) и деформации металла (осадки) 12 мм после этапа форсировки при контактной сварке рельсов.
Этапы технологического процесса построены из участков оплавления, в которых устанавливаются основные режимы регулирования. Так каждый участок определяет величину оплавления S, в котором устанавливаются напряжение U2 х х, скорости VB, VH (вперед, назад) и границы токов управления /ь I2, h- Первый этап оплавления в цикле сварки представлен двумя участками с напряжением холостого хода /2ХХ равным 7,5 В. На втором участке первого этапа изменяется баланс скоростей VB, VH и токовые значения I\, I2, h, для увеличения интенсивности нагрева перед переходом ко второму этапу оплавления в цикле сварки. Для сохранения электрической энергии W в ЗТВ, напряжение холостого хода t/pxxHa втором этапе оплавления понижается до 5,9 В.
На рисунке 2.18, а приведены термические циклы при пульсирующем оплавлении. В соответствии с режимами сварки, процесс нагрева длился 72 секунд, температура в зонах № 3, 4 (датчики 1, 2) достигла ИЗО и 1060 С. Наблюдается резкое изменение температуры после окончания нагрева в этих зонах. Температура в зоне № 5 и № 6 (датчики 3, 4) составила 698 и 590 С, соответственно, после прекращения процесса нагрева происходит увеличение температуры до 710 и 612 С. Анализируя температурные изменения в исследуемых зонах, можно предположить, что резкое падение температуры в зонах № 3 и № 4, может привести к появлению структур с участками мартенсита. Увеличение температуры в зоне № 5 с 698 до 710 С, связано с распространением тепла по рельсу после прекращения действия источника нагрева. После окончания процесса нагрева и нахождение в интервале 10-15 с, определяет протекания процессов высокого отпуска и получение низких прочностных свойств в этой зоне сварного стыка. Результаты по замеру твердости в зоне термического влияния сварного стыка приведены на рисунке 2.18, б.
Среднее значение скорости охлаждения в ЗТВ при сварке пульсирующим оплавлением составляет & 8 5 = - 3,9 С/с, сов5 = - 2,6 С/с.
Для определения зависимости основных параметров сварки и динамики изменения температурного поля в зоне термического влияния при непрерывном оплавлении, провели подготовку рельсовых проб в соответствии технологического процесса нагрева (Таблица 5).
Этапы технологического процесса сварки построены по времени т, в которых устанавливается напряжение холостого хода U2x\, скорость вперед Va и токи регулирования 1и 12. Первый этап оплавления длительностью 70 с с напряжением холостого хода U2xx = 8,3 В и скоростью вперед VB (максимальное значение 0,17 мм/с) проходит в интервале токовых границ /ь 12 (120-350 А). Второй этап оплавления с пониженным U2x х = 6,3 В и максимальной скоростью вперед VB = 0,20 мм/с в интервале токов /ь 12 (100 - 250 А) длится 150 с. Длительность третьего этап (форсировка) составляет 5 с, напряжение холостого хода U2xx повышается до 8,3 В, скорость вперед V» увеличивается до 1,2 мм/с, при этом регулятор скорости отключается.
Схема размещения датчиков в продольной плоскости приведена на рисунке 2.19. Линейные величины размещения датчиков соответствуют зонам 3, 4, 5 и 6) от шва после окончания сварки, с учетом времени сварки 225 с (оплавления 40 мм, при средней V„= 0,18 мм/с) в технологическом процессе нагрева (Таблица 5) и 16 мм осадки (деформации металла).
Анализ температурного поля при сварке непрерывным оплавлением, представленных на рисунке 2.20, а, указывает на медленное изменение температуры в процессе нагрева и охлаждения, по сравнению с методом пульсирующего оплавления. Так, в соответствии с установленным параметром время сварки 225 с, температура нагрева в зонах № 3, 4 (датчики 1, 2) достигла 1080 и 995 С. Кривые на графике температуры охлаждения после окончания нагрева в зонах № 3, 4, имеют пологую форму. Температура в зоне № 5 и № 6 на момент прекращения процесса нагрева, достигла 700 и 555 С, заметен незначительный рост температуры после прекращения процесса нагрева. Так в зоне № 5 (датчик 3), наблюдается увеличение температуры до 710 С. В основном металле (зона № 6) увеличение температуры после 225 с нагрева, продлился до 240 с и достигло температуры 560 С. Анализ температурных полей в исследуемых зонах при непрерывном оплавлении с продолжительным циклом нагрева и постоянной скоростью оплавления, позволяет равномерно распределять температурные поля в зоне термического влияния по всей площади поперечного сечения рельса, с высокой степенью исключает возможность образования закалочных структур в зоне термического влияния, из-за медленного процесса охлаждения после окончания нагрева. Но необходимо учитывать, что при данном методе сварки увеличивается ширина зоны термического влияния и продолжительность нахождения во время сварки при температурах высокого отпуска приводит к коагуляции карбидов, что ухудшает прочность сварного стыка. Результаты по замеру твердости в ЗТВ сварного стыка приведены на рисунке 2.20, б.
Исследование микроструктуры упрочненного слоя
Для подтверждения результатов замера твердости на рельсах трех партий (I, II, III) и результатов статических испытаний партий II и III, проведена вырезка темплетов в соответствии со схемой (Рисунок 3.11), на которых проведено металлографическое исследование.
На рисунке 3.12 (образцы № 1-4) представлены микроструктуры по сечению рельса производства NS Япония (I) после дифференцированной схемы закалочного охлаждения сжатым воздухом (сжатый воздух подается на головку и подошву в определенном соотношении, что позволяет достичь упрочнения головки рельса на требуемую глубину и обеспечить хорошую геометрию рельса по длине, что минимизирует усилия при холодной правке на роликоправильной машине).
Анализ приведенных микроструктур в головке рельса показывает, что микроструктура в головки (образец № 1) представляет собой сорбит закалки.
Микроструктура в шейке рельса (образец № 2) представляет собой перлит частично с глобулярной формой цементита.
Микроструктура в подошве рельса (образец № 3) представлена сорбитообразным перлитом, что связано с подачей сжатого воздуха на центральную часть подошвы и охлаждением перьев подошвы на воздухе. При этом на перьях подошвы образуется перлитная микроструктура (образец № 4).
Полученные данные по микроструктуре согласуются с результатами замера твердости по сечению рельса производства Nippon Steel (Рисунок 3.10, а).
Исследование микроструктуры на образцах II и III приводилось на расстоянии 5-10 мм от сварного стыка после индукционной термической обработки. Сварка рельсов производства NS Япония перед термической обработкой проводилась контактным способом, методом пульсирующего оплавления на машине типа К-1100, с последующей механической обработкой сварных стыков. Для получения достоверных данных при исследовании микроструктуры сварного стыка после индукционной термической обработки, подбирались режимы сварки и испытывались рельсовые пробы на статический изгиб без термической обработки, для исключения возможности образования дефектов сварки.
На рисунке 3.13 (образцы №5-8) приведены микроструктуры по сечению рельса (II) после контактно-стыковой сварки рельсов и односторонней схемы закалочного охлаждения после индукционного нагрева сварного стыка.
Микроструктура в головке рельса в центральной зоне (образец № 5) представлена сорбитной структурой с сеткой феррита. Микроструктура в шейке рельса (образец № 6) представлена сорбитом смешанной морфологии (пластинчатый и зернистый). Микроструктура в зоне подошвы в середине и перьях (образец № 7-8) представлена структурой сорбитообразного перлита смешанной морфологии (пластинчатый и зернистый).
Полученные результаты исследования микроструктуры согласуются с данными по замеру твердости, представленными на рисунке 3.10, б.
На рисунке 3.14 (образцы № 9 - 12) приведены микроструктуры по сечению рельса III после контактно-стыковой сварки рельсов и двухсторонней схемы закалочного охлаждения (закалочное охлаждение головки и подстуживание подошвы) после индукционного нагрева сварного стыка.
Микроструктура по оси головки рельса (образец № 9) представлена сорбитной структурой. Микроструктура в шейке представлена смешанной морфологией сорбит (смешанная и зернистая) (образец № 10). Микроструктура подошвы рельса в середине подошвы (образец № 11) представлена трооститом и троостосорбитом. Микроструктура пера подошвы (образец № 12) состоит из троостосорбита. Представленные результаты исследования микроструктуры согласуются с результатами замера твердости, представленными на рисунке 3.10, в.
Оборудование для дифференцированной термической обработки сварных рельсов с отдельного индукционного нагрева
Для обеспечения требуемого высокого уровня и оптимального сочетания противоречащих друг другу свойств необходимо создать в рельсе дифференцированную прочность по сечению: высокую контактную прочность головки, большую вязкость и живучесть шейки и подошвы [61, 62].
Применяемые способы упрочнения рельсов не обеспечивают в требуемой степени удовлетворения перечисленных условий вследствие либо недостаточной стойкости получаемых изделий при повышенных осевых нагрузках, либо необходимости больших затрат на проведение дополнительных операций термической обработки, либо удорожания стали из-за повышения степени ее легирования и усложнения термической обработки [63].
Одним из способов решения задачи упрочнения рельсовых плетей является дифференцированная термическая обработка. Технологический процесс дифференцированной термической обработки состоит из циклов нагрева и охлаждения.
На рисунке 4.1 представлена установка дифференцированной термообработки рельсов ТЭК-ДТО-13,6. Этапы цикла нагрева рельсов задаются программой управления температурой индукторов (дифференцированно) и выбираются из расчета получения необходимых температурных полей при непрерывно-поступательном движении рельсов. Дифференцированное упрочнение (цикл охлаждения), представляет собой двустороннее охлаждение сжатым воздухом регулируемой влажностью и потоком на головку и подошву рельса.
В работе разработаны принципиальные основы технологии производства сварных рельсовых плетей, сваренных из горячекатаных рельсов, с последующей термической обработкой, путем непрерывно-последовательного индукционного нагрева всего сечения рельса и последующего дифференцированного охлаждения. Данная технология направлена на получение как в цельнокатаном рельсе по всему сечению, так и в зоне сварного стыка и термического влияния однородной сорбитообразной структуры по всей длине рельсовой плети. Зона сварного стыка с измененной микроструктурой при данной термической обработке может быть уменьшена с 130 до 6 мм (Рисунок 4.2).
Такой подход обеспечит максимально возможную равнопрочность сварных стыков и катаных рельсов, устранив снижение твердости и изменение микроструктуры на значительном расстоянии от сварного шва. При этом существенно должна улучшиться эпюра остаточных напряжений в зоне сварного стыка.
Это должно обеспечить получение длинных рельсовых плетей для бесстыкового пути с равным сопротивлением износу и смятию в эксплуатации, что позволяет ликвидировать местные неровности в сварных плетях бесстыкового пути в течение всего срока службы рельсов. Таким образом, существенно улучшается прямолинейность сварных плетей не только в исходном состоянии, но и на протяжении длительного срока службы в пути, что особенно важно для организации скоростного и высокоскоростного движения.
При существующей технологии сварки и термической обработки сварных стыков рельсов как обычной категории качества ТІ по ГОСТ Р 51685-2000 производства отечественных комбинатов, так и высшей категории качества В импортного производства, наблюдается наибольший выход рельсов из строя именно по дефектам сварного шва. Причинами столь пагубного влияния сварки на качество рельсовых плетей является:
- изменение однородности микроструктуры в зонах сварного стыка и термического влияния;
- создание неблагоприятной эпюры остаточных напряжений;
- создание при сварке условий для образования внутренних дефектов, являющихся концентраторами напряжений и ослабляющих участок рельса со сварным швом;
- создание при сварке поджогов в местах контакта с электродами (губками) сварочной машины, от которых в подошве при последующей эксплуатации развиваются поперечные усталостные трещины;
- коробление рельса в зоне сварного шва с последующим образованием «седловин» при эксплуатации.
При этом локальная термическая обработка сварных стыков термически упрочненных рельсов не решает полностью проблемы повышения качества и долговечности сварных стыков, так как не устраняет по всей длине сварных стыков зон термического влияния с неблагоприятными структурными изменениями в металле рельса.
Разработка ООО «Магнит-М» и НЛП «ТЭК» (г. Томск), индукционной установки для дифференцированной термической обработки рельсов длиной до 12,5 м с отдельного индукционного нагрева ТЭК-ДТО-13,6, позволила реализовать технологию упрочнения сварных рельсов по всей длине. При этом охлаждение при термической обработке проводилось сжатым воздухом с регулируемой влажностью.
В качестве основного объекта исследования в работе использовали рельсы из стали Э76Ф (Э76Ф НЭ) производства ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» длиной 3000 мм с одним сварным стыком и 12500 мм с двумя сварными стыками. Сварку образцов проводили в Рельсосварочном предприятии № 29 Западно-Сибирской ж.д. На рисунке 4.3 представлены схемы сварки рельсов, с одним сварным стыком длинной 3000 мм и двумя сварными стыками длинной 12500 мм, химический состав рельсовых проб 1 - 5 используемые при изготовлении рельсов приведены в таблице 12.
Сварка рельсов проводилась на рельсосварочной машине типа К-1000 контактным способом методом пульсирующего оплавления. Марки стали подобраны по химическому составу из разных плавок металлургического комбината.
Для термообработки данного рельса был разработан режим для получения рельсов с высокими механическими свойствами. На рисунке 4.4 представлен технологический процесс термической обработки с режимами работы индукторов при нагреве рельса (Рисунок 4.4, а) и охлаждения головки рельса в закалочном устройстве (Рисунок 4.4, б). Для точной настройки режимов термообработки разработан диагностический модуль регистрации параметров нагрева и охлаждения. Он представляет собой измерительный рельс с информационным модулем регистрации температур в процессе нагрева и охлаждения в различных зонах головки и подошвы рельса.
Соблюдение режима нагрева и охлаждения в ходе термообработки контролируется по следующим параметрам:
температура рельса на входе и после каждой зоны нагрева и после основной зоны охлаждения, а также температура и влажность окружающего воздуха;
положение, скорость и усилие движения рельса по рольгангу;
давление и расход воздуха в воздуховодах, коробах охлаждения головки и подошвы;
давление и расход воды (г/с) по каждому инжекционному клапану;
технологические параметры работы оборудования нагрева и механических систем.
Контроль параметров данной технологии позволяет производить термообработку рельсов из углеродистых, микролегированных и легированных сталей.
