Шоканов С. Ш., Кайнарбеков А.К.

г Алматы, Республика Казахстан

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К РЕЛЬСАМ ТЕКУЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА

Повышение стойкости рельсов представляет собой комплексную проблему производства рельсов. Многолетними исследованиями [1,2,3] показано, что эксплуатационная стойкость рельсов определяется структурой, неметаллическими включениями, а так же внутренними и наружными дефектами металлургического происхождения. Особое влияние оказывает химический состав, механические свойства, геометрические параметры (прямолинейность).

Основным требованием к микроструктуре продолжает оставаться ее однородность (однотипность) на глубину, превышающую зону действия высоких контактных напряжений (зону возникновения продольных трещин контактной усталости) с учетом запаса металла на износ. Основным типом структуры в рельсах остается тонкопластинчатый сорбит закалки с минимальным межпластинчатым расстоянием. [4] При этом химический состав стали и режимы термической обработки должны обеспечивать получение в структуре максимально высокого отношения количества цементита и феррита в квазиэвтектоде без выделения структурно свободного цементита. На этой структурной основе будут производиться термоупрочненные рельсы с твердостью НВ 350-400. Кроме того, для особых условий эксплуатации будут продолжаться попытки создать рельсы с твердостью НВ 430-480 на основе других структур: бейнита и троостита оггауска [3].

Установлено [5], что наиболее распространенные дефекты в головках рельсов образуются от внутренних концентраторов напряжении в виде скоплений неметаллических включений (глинозема или высокоглиноземистых силикатов), сопутствующих металлургической технологии производства рельсовой стали, определяемой типом сталеплавильного агрегата, технологией выплавки, внепечной обработки, разливки и особенно характером к технологией раскисления стали [6,7]. Успешное решение проблемы повышения контактно-усталостной прочности является важнейшим условием производства высококачественных рельсов. Химический состав рельсовой стали, включая примеси и содержание «газов» (водорода, кислорода и азота), является одним из главных факторов, определяющих работоспособность рельсов.

Изменения в химическом составе связаны с необходимостью повышения эксплуатационной стойкости рельсов, в частности этому способствует повышение нижнего предела содержания углерода, легирование стали и повышение содержания в стали кремния и ванадия. [8] Улучшение металлургического качества рельсовой стали зафиксировано в снижении допустимого содержания вредных примесей элементов (фосфора и серы), а также во введении ограничений по содержанию водорода, кислорода и алюминия [9].

Поскольку ресурс рельсов лимитируется их сопротивлением контактной усталости и износу, а вероятность внезапных отказов (хрупких разрушений) и степень аварийности эксплуатационных отказов тесно связаны с пластичностью, большое значение имеет уровень механических свойств, предусмотренных в перспективных технических условиях. Перспективные условия эксплуатации диктуют необходимость существенного повышения прочности и пластичности рельсовой стали. Повышение прочности должно быть осуществлено без снижения вязкости. Это достигается за счет измельчения зерна с использованием азота и снижения температуры конца прокатки. На первых этапах создания рельсов высшего качества возможно снижение требований к ударной вязкости до 0Д5МДж/м² при условии получения заданного уровня твердости и прочности, оказывающих решающее влияние на сопротивление контактной усталости и износу [10].

Поскольку большинство дефектов, развивающихся в рельсах при эксплуатации, являются усталостными трещинами, влияние знака и величины остаточных напряжении в месте зарождения этих трещин оказывается очень большим. Уровень остаточных напряжений в термо-упрочненных рельсах в настоящее время принято контролировать по технологической пробе. Научно-исследовательские и опытные работы по совершенствованию завершающей операции холодной правки на роликоправильных машинах и самих машин позволили в последние годы существенно снизить величину остаточных напряжений. Более благоприятную эпюру остаточных напряжений удается получить в термоупрочненных рельсах в том случае, если при выполнении операций термической обработки удается получить достаточно прямолинейные рельсы, не требующие последующей холодной правки. В этом случае вместо раскрытия паза при определении остаточных напряжений наблюдается его сужение, а вместо растягивающих напряжений на поверхности головки и поверхности средней части подошвы имеют место сжимающие напряжения. Это увеличивает сопротивление рельсов образованию дефектов контактной и коррозионной усталости. Опыт металлургов Франции и Канады [11], сумевших добиться достаточной прямолинейности термоупрочненных рельсов при закалке их с объемного индукционного нагрева при двухстороннем дифференцированном охлаждении сжатым воздухом без последующей холодной правки, свидетельствует о перспективности такого направления в развитии технологии производства рельсов. В связи с этим норматив для максимальной величины остаточных напряжении в рельсах высшего качества должен быть понижен. Геометрическое качество рельсов определяется, в первую очередь прямолинейностью рельсов, допусками на размеры поперечного сечения, формирующегося при прокатке, допусками на длину, размерами, расположением болтовых отверстий, формирующихся при механической обработке. Прямолинейность рельсов характеризуется концевой искривленностью и вертикальной волнообразной неровностью по длине головки. Неблагоприятное влияние на повреждаемость рельсов дефектами оказывают вертикальные неровности по головке рельсов в настоящее время на отечественных рельсах в 2-2,5 раза превышают соответствующие перспективные показатели. Поступающие в рельсосварочные поезда под сварку рельсы с большой концевой искривленностью не позволяют добиться хорошего геометрического качества сварных стыков. Начальные неровности на поверхности катания головки рельсов, образовавшиеся в процессе их производства, способствуют возникновению различных поверхностных дефектов. В свою очередь, они являются одной из существенных причин снижения износостойкости и возникновения в рельсах контактно-усталостных дефектов. Все это в итоге заметно снижает сроки службы рельсов в пути.

Литература

1. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1987. 479с.

2. Термически упрочненные рельсы под ред. А.Ф. Золотарского. М.: Транспорт. 1976. 264с.

3. Азаренко В.А. Проблема износа рельсов и гребней: еще один взгляд // Ж.д.трансп.1994.№3. С.38-41.

4. Поляков В,В., Великанов А.В. Основы технологии производства железнодорожных рельсов. М.:Металлургия, 1990.416 с.

5. Бернштейн М.Л., Рахштадт А.Г Термическая обработка Металлопродукции ; Справочник, т.Ш. М.; Металлургия, 1983.215 с.

6. Явойский В.И., Рубенчик Ю,И., Окенко А.П. Неметаллические Включения и свойства стали М.Металлургия, 1980.173 с.

7. Голиков И.Н., Гольдштейн М.И., Мурзин И.И. Ванадий в стали. М.: Металлургия. 1968. 291 с.

8. Влияние химического состава на ударную вязкость рельсовой стали/ Добужская Я.Н., Сырейщикова В.И., Колосова Э.Л., Щербакова Л.П., Пан А.В.// В сб. Технология производства ж.д. рельсов и колес Харьков Укр. НИИмет, 1986. С. 44.

9. Ворожищев В.И., Фомин Н.А., Гордиенко М.С, Волков И.Г., Кисиль Б.С., Гуляева Т.П. Влияние раскисления и модифицирования на качество рельсовой стали // Сталь. 1987. №11. С. 75-80.

10. Нестеров Д.К., Левченко Н.Ф. Современные требования к качеству железнодорожных рельсов // Качество железнодорожных рельсов и колес. Харьков. 1985. С. 5-9.

11. Rall qrindsr conditions curves in Canadian Rockies // Railway Track And Struktures. 1979.Ж7. P.70.