Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ повреждаемости сварных стыков рельсов в процессе эксплуатации и разработка направлений повышения их эксплуатационной стойкости 12
1.1 Особенности эксплуатации сварных рельсов 12
1.2 Дефекты, возникающие в сварных стыках рельсов в процессе эксплуатации 17
1.3 Анализ причин возникновения дефектов в сварных стыках рельсов и необходимые меры по снижению их количества 27
1.3.1 Анализ причин возникновения дефектов в стыках рельсов 27
1.3.2 Сварка рельсов пульсирующим оплавлением как мера по снижению количества дефектов сварочного характера 53
1.3.3 Предпосылки применения в качестве закалочной среды при упрочнении сварного стыка рельсов сжатого воздуха 64
1.3.4 Обоснование создания дифференцированного уровня свойств по сечению сварного стыка рельсов 69
1.3.5 Предпосылки разработки ресурсосберегающего оборудования для термической обработки сварных стыков рельсов в стационарных и путевых условиях 75
1.4 Выводы 78
2. Материалы и методика исследования 81
2.1 Исследуемые марки стали 81
2.2 Определение химического состава сталей 82
2.3 Исследование макро- и микроструктуры 82
2.4 Исследование твердости 82
2.5 Определение механических свойств и ударной вязкости 83
2.6 Расчетная методика определения прокаливаемости сталей исследуемых марок 84
2.7 Определение температурных полей в металле рельса после контактной сварки непрерывным оплавлением, пульсирующим оплавлением, индукционного нагрева и воздушного упрочняющего охлаждения 92
2.8 Испытания на статическую прочность 92
2.9 Испытания на циклическую прочность 93
2.10 Испытания на хрупкую прочность (динамическую прочность) 94
2.11 Определение внутренних остаточных напряжений 94
2.12 Статистическая обработка экспериментальных данных 95
3. Разработка технологических основ упрочнения сварных
стыков рельсов сжатым воздухом после пульсирующего оплавления, оценка механических свойств и металлографические исследования 96
3.1 Исследование условий эффективного упрочнения сварных стыков рельсов в потоке сжатого воздуха 96
3.1.1 Оценка распределения скоростей охлаждения сжатым воздухом металла сварного стыка рельсов расчетным методом 96
3.1.2 Исследование условий эффективного упрочнения металла головок сварных стыков рельсов сжатым воздухом 104
3.1.3 Исследование макро- и микроструктуры упрочненного
слоя и определение его механических свойств 120
3.1.4 Исследование условий двустороннего упрочнения
сварных стыков рельсов сжатым воздухом 124
3.1.5 Исследование напряженного состояния сварного стыка
после двустороннего упрочнения и определение
механических свойств
металла головки шейки и подошвы 126
3.2 Исследование влияния пульсирующего оплавления
при контактной сварке рельсов на качественные показатели
металла сварных стыков рельсов 132
3.2.1 Исследование температурного воздействия
контактной сварки пульсирующим оплавлением
на макро- и микроструктуру сварного стыка рельсов 132
3.2.2 Исследование механических свойств и ударной вязкости
металла сварных стыков рельсов
после пульсирующего оплавления 142
3.3 Выводы 146
4. Разработка энергосберегающего оборудования
для термической обработки сварных стыков рельсов
и исследование влияния нагрева токами высокой частоты
и последующего упрочнения сжатым воздухом на комплекс
металлографических и механических свойств металла
сварных рельсов после пульсирующего оплавления 149
4.1 Разработка индукционного оборудования
для дифференцированной термической обработки
сварных стыков рельсов с упрочнением сжатым воздухом 149
4.2 Исследование механических свойств, макро- и микроструктуры металла сварных стыков рельсов после пульсирующего оплавления и упрочнения сжатым воздухом с индукционного нагрева токами высокой частоты 154
4.3 Исследование конструкционной прочности сварных
стыков рельсов после пульсирующего оплавления и закалки сжатым воздухом с индукционного нагрева с помощью установки УИН-001 -100/РТ 160
4.3.1 Исследование статической прочности 160
4.3.2 Исследование усталостной прочности 161
4.3.3 Исследование хрупкой прочности 167
4.4 Выводы 170
5. Работы по промышленному внедрению пульсирующего оплавления и упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с тепла сварочного нагрева и нагрева токами высокой частоты 174
5.1 Внедрение технологии упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с тепла сварочного нагрева 174
5.2 Внедрение технологии сварки рельсов пульсирующим оплавлением в технологических линиях рельсосварочных предприятий на сети железных дорог 177
5.3 Опытное использование и внедрение в промышленную эксплуатацию технологии упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с индукционного нагрева на установке УИН-001-100/РТ 179
5.4 Выводы 181
Общие выводы 183
Список литературы 187
- Особенности эксплуатации сварных рельсов
- Исследование твердости
- Оценка распределения скоростей охлаждения сжатым воздухом металла сварного стыка рельсов расчетным методом
Введение к работе
В техническом комплексе путевого хозяйства бесстыковой путь представляет собой сложнонапряженную дорогостоящую конструкцию, на содержание и эксплуатацию которой затрачиваются большие экономические, технические и человеческие ресурсы [1, 2]. Повышение эффективности эксплуатации бесстыкового пути является одним из важных факторов, лежащих в основе нормального функционирования сети железных дорог Российской Федерации.
Неотъемлемой составляющей бесстыкового пути являются рельсы и их сварные стыки. К качеству рельсовой стали предъявляются высокие требования особенно в современных условиях неукоснительного роста грузонапряженности железных дорог, скорости движения и нагрузок на ось [3, 4]. К сварным стыкам рельсов предъявляются не менее жесткие требования [5]. Выход из строя сварного стыка рельсов ведет к большим экономическим затратам.
Общий срок службы бесстыкового пути непосредственно зависит от долговечности элементов его конструкции, из которых одними из наиболее ответственных являются сварные стыки рельсов.
Анализ повреждаемости сварных стыков рельсов показал, что головка сварного рельса является областью с самой большой вероятностью зарождения и развития дефекта. В этой области дефекты появляются после прохождения 100-250 млн. т. брутто при норме около 700 млн. т. брутто (среднестатистические данные для качественных стыков). В шейке и подошве сварного рельса дефекты проявляются на более ранних стадиях - после прохождения 50 - 100 млн. т. брутто.
Количество остродефектных сварных стыков рельсов, обнаруживаемых в эксплуатации средствами дефектоскопии, с каждым годом увеличивается. Так же ежегодно увеличивается количество изломов рельсов в области сварных стыков по дефектам сварки.
7 Ярко выраженный рост количества изломов по дефектам сварки наблюдается в последние годы при использовании на сети железных дорог для изготовления бесстыкового пути рельсов из новых марок сталей Э76, Э76Ф и Э76Т, отличающихся меньшим содержанием вредных примесей серы, фосфора и алюминия и наличием примесей меди и других цветных металлов.
Исследование комплекса прочностных и эксплуатационных свойств сварных стыков рельсов из новых марок сталей показало, что применяемая в настоящее время технология сварки непрерывным оплавлением рельсов в большинстве случаев не обеспечивает необходимого уровня конструкционной прочности и приводит к образованию в металле сварного стыка дефектов сварочного характера. Это приводит к уменьшению срока службы сварного рельса, и соответствующим затратам на ремонт. Только в 2002 г. МПС России затратило около 1 млрд. руб. на замену дефектных сварных стыков рельсов в путевых условиях.
Еще одной причиной возникновения дефектов в области сварных стыков рельсов является применение упрочнения их головок воздушно-водяной смесью. Данная технология является ненадежной, по причине частого засорения форсунок закалочных устройств, что приводит к образованию в металле головки сварного стыка рельсов неблагоприятных закалочных структур со свойствами отличными от свойств основного металла рельса. Такая структурная неоднородность по поверхности катания сварного рельса бесстыкового пути приводит к выкрашиванию этих областей металла.
Кроме того, анализ напряженного состояния сварного стыка рельсов после серийной технологии термической обработки показал, что распределение остаточных напряжений в головке шейке и подошве сварного рельса не отвечает условиям эксплуатационной нагруженности сварной конструкции, что так же приводит к снижению срока службы сварных рельсов по сравнению с не сварными.
В настоящее время МПС России и ОАО «РЖД» ведется политика энерго- и ресурсосбережения на железнодорожном транспорте. Оборудова-
8 ниє для термической обработки сварных стыков рельсов с упрочнением воздушно-водяной смесью не отвечает требованиям этой политики. Силовая электрическая база данного оборудования собрана на деталях, приводящих к потерям полезной мощности и снижению КПД оборудования в целом. В итоге промышленные предприятия железнодорожного транспорта, занимающиеся производством сварных рельсов, вынуждены затрачивать большое количество электроэнергии при работе на данном оборудовании для компенсации потерь или не применять его. Этот факт также отрицательно сказывается на сроке службы сварного стыка рельсов, так как предел усталостной прочности сварного термообработанного стыка на 40 % выше предела прочности сварного стыка, не подвергавшегося термической обработке.
В связи с представленным выше целью данной работы является повышение срока службы сварных рельсов и их эксплуатационной надежности за счет снижения вероятности образования дефектов сварочного характера, увеличения конструкционной прочности сварных стыков рельсов из новых марок сталей и устранения вероятности образования дефектов при термической обработке сварных стыков рельсов.
Наиболее эффективным решением вопроса повышения конструкционной прочности сварных рельсов новых марок сталей и снижения вероятности образования дефектов сварочного характера является использование контактной стыковой сварки пульсирующим оплавлением, разработанной в ИЭС им. Е.О. Патона. Предварительные исследования теплового влияния пульсирующего оплавления на комплекс механических свойств и металлографических характеристик сварных стыков рельсов сталей М76 и зарубежный опыт сварки экономнолегированных рельсов показал правильность выбранного направления.
Для решения проблемы повышения эксплуатационной стойкости сварных стыков рельсов за счет применения термической обработки эффективным вариантом является создание дифференцированного уровня свойств по поперечному сечению металла сварного рельса при двустороннем упроч-
9 нении сжатым воздухом с индукционного нагрева для обеспечения напряженного состояния, наилучшим образом отвечающего нагруженности стыка в эксплуатации. Применение в качестве закалочной среды сжатого воздуха позволит избежать образования неблагоприятных закалочных структур в металле сварного стыка.
Мировой опыт закалочного охлаждения рельсов и остряков стрелочных переводов подтверждает правильность выбранного направления при принятии технического решения по упрочнению сварных рельсов сжатым воздухом и созданию дифференцированного уровня свойств в металле сварного стыка двухсторонней закалкой.
Мировые тенденции повышения КПД индукционного оборудования и снижения энергозатрат на термическую обработку предопределили пути решение вопроса о разработке нового типа установки для термической обработки сварных стыков рельсов с реализованной возможностью их двустороннего упрочнения с использованием сжатого воздуха. Данные направления улучшения технологии термической обработки сварных стыков рельсов получили одобрение Департамента пути и сооружений министерства путей сообщения и изложены в техническом задании «На создание оборудования для термической обработки стыков рельсов после сварки», отвечающее требованиям ресурсосбережения (см. Приложение 1).
В настоящей работе решаются следующие задачи:
Исследование причин образования дефектов в сварных стыках рельсов при выполнении сварки, термической и механической обработок с использованием серийных технологий.
Сравнительное исследование теплового воздействия пульсирующего и непрерывного оплавлений при контактной сварке рельсов новых сталей Э76Ф и Э76Т на комплекс механических свойств, ударной вязкости и металлографических характеристик сварных стыков и их конструкционной прочности.
Проведена расчетная оценка распределения твердости металла по сечению сварного стыка рельсов при упрочнении сжатым воздухом с объемного индукционного нагрева в зависимости от условий закалочного охлаждения и геометрических характеристик упрочняемой конструкции.
Обоснование создания дифференцированного уровня свойств по сечению сварного стыка рельсов двухсторонним упрочнением сжатым воздухом с индукционного нагрева с обеспечением напряженного состояния сварного рельса наилучшим образом отвечающего нагруженности сварной конструкции в эксплуатации
Исследование влияния упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом на физико-механические свойства металла образцов сварных стыков.
Разработка индукционного оборудования для термической обработки сварных стыков рельсов, отвечающего требованиям ресурсосберегающей политики МПС РФ и ОАО «РЖД».
Разработка технологии упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с индукционного нагрева на новом ресурсосберегающем оборудовании для реализации этого процесса в производственных условиях рельсосварочных предприятий.
8. Разработка нормативной документации на сварку рельсов пуль
сирующим оплавлением и термическую обработку сварных стыков рельсов
на новом оборудовании с упрочнением стыков сжатым воздухом.
Научная новизна выполненных решений характеризуется следующими положениями:
Дано обоснование температурного влияния метода пульсирующего оплавления при контактной сварке рельсов из электростали на конструкционную прочность, механические характеристики и металлографические показатели металла сварного стыка.
Разработана методика расчетной оценки прокаливаемости сварного стыка рельсов по сечению изделия при закалочном упрочнении с
11 учетом его геометрических характеристик и условий самого охлаждения.
Впервые в отечественной промышленности разработаны основы технологии упрочнения металла головок сварных стыков рельсов в потоке сжатого воздуха.
Разработаны научные основы двухстороннего термического упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом и основные требования к технологическому процессу и оборудованию.
Дано научное обоснование создания дифференцированного уровня прочностных свойств и напряженного состояния сварного стыка рельсов после двустороннего упрочнения сжатым воздухом.
В отечественной промышленности ранее не применялся метод двустороннего упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом и не изучалось тепловое воздействие пульсирующего оплавления на физико-механические свойства рельсовых сталей марок Э76Ф и Э76Т.
В диссертационной работе предлагается комплексное решение вопросов снижения дефектов в сварных стыках рельсов и повышения эксплуатационной надежности сварных рельсов.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 131 источника и изложена на 190 листах текста, содержит 67 рисунков и 25 таблиц. К диссертационной работе отдельным изданием дан сборник приложений по результатам работы, состоящий из 29 приложений и изложенный на 216 листах.
Особенности эксплуатации сварных рельсов
Опыт эксплуатации сварных стыков рельсов показывает, что сварной стык является надежным видом соединения рельсов, требующим минимальных затрат труда, времени и средств на его содержание.
Контактный способ сварки рельсов обеспечивает высокое и постоянное их качество, что подтверждается результатами многолетнего опыта их эксплуатации на дорогах России.
За счет применения сварки рельсов на железных дорогах Российской Федерации протяженность бесстыкового пути на различных дорогах (табл. 1.1) колеблется от 2,1 до 69,5 % [1]. Бесстыковой путь стал основной конструкцией железнодорожного пути во многих странах мира. В германии ее протяженность составляет около 95 %, во Франции и Англии превысила 60 % длины главных путей. В последние годы соответствующий полигон резко возрастает и на железных дорогах России. На рис. 1.1 представлена интенсивность роста протяженности бесстыкового пути на железных дорогах России по годам.
Особенностью эксплуатации сварных рельсовых плетей в России является то, то бесстыковой путь работает в сложных климатических и эксплуатационных условиях. На дорогах Сибири и Дальнего Востока годовые амплитуды температуры рельсов колеблются от 105 до 125 С. Максимальные суточные амплитуды температур равны 35-60 С. В табл. 1.2 представлены температурные параметры эксплуатации сварных рельсов на дорогах Сибири и Дальнего Востока [1].
Исследование твердости
Определение твердости поверхности катания рельсов определяли по методу Бринеля с нагрузкой 5000 Н в соответствии с ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твердости по бринелю». Твердость определяли по средней линии поверхности катания головки рельса. Для удаления окалины и обезуглероженного слоя место определения твердости зачищалось на глубину около 0,8 мм без прижогов. Твердость по сечению рельса определялось на поперечных и продольных темплетах, изготовленных механической резкой. Замер твердости на поперечных темплетах проводили на глубину до 20 мм по оси и до 15-20 мм по радиусам боковых выкружек головки рельса и по центральной вертикальной оси подошвы рельса при двухстороннем упрочнении. Замер твердости на продольных темплетах проводили вдоль продольной оси рельса по трем дорожкам на расстоянии 5 мм от поверхности головки, по центру шейки (по центральной продольной оси рельса) и на расстоянии 8мм от поверхности подошвы. Расстояние между отпечатками 1мм. Определение твердости в продольных и поперечных сечениях рельсов и сварных стыков проводилось методом Роквелла с нагрузкой 1500 Н по шкале HRC (ГОСТ 9013-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу») и методом Виккерса с нагрузкой 100 Н по шкале HVj0 (ГОСТ 2999-75 «Металлы. Метод измерения твердости по Виккерсу»). Для оценки твердости отдельных структурных составляющих проводили микродюрометрические исследования на приборе «АХЮТЕСН-30» со встроенным микротвердомером ПМТ-10 с нагрузкой 0,5 Н.
class3 Разработка технологических основ упрочнения сварных
стыков рельсов сжатым воздухом после пульсирующего оплавления, оценка механических свойств и металлографические исследования class3
Оценка распределения скоростей охлаждения сжатым воздухом металла сварного стыка рельсов расчетным методом
Анализ материалов, изложенных в работах [65, 67, 90, 98] и зарубежных технологий использования сжатого воздуха указывает на то, что для обеспечения равномерного охлаждения головки сварного стыка и, как следствие, получение необходимых структур и твердости металла следует добиться необходимой интенсивности охлаждения. Интенсивность охлаждения металла головки рельса сжатым воздухом зависит от эффективного значения коэффициента теплоотдачи охлаждающей среды - а (Вт/м К). В работах [65, 96] указан коэффициент а = 500 Вт/м К для потока воздуха со скоростью 60 м/с и а = 750 Вт/м К для потока воздуха со скоростью 80 м/с. В работе оценивались скорости охлаждения головки и сварного стыка рельсов при коэф-фициентах теплоотдачи в интервале 800-2000 Вт/м К. Таким образом моделировались варианты подачи воздуха со скоростями выше 80 м/с. Эффектив-ный коэффициент теплоотдачи а = 2000 Вт/м К соответствует слабо циркулирующему маслу.
Анализ наложения кривых охлаждения на термокинетическую диаграмму распада аустенита в рельсовой стали, проведенный авторами работы [101], показывает, что для получения необходимой твердости металла головки сварного стыка (308 НВ) [6, 7] необходимо обеспечить скорость охлаждения металла углеродистой рельсовой стали не менее 3С/с
