Прокатка и калибровка рельсов
Рельсы различают по назначению:
железнодорожные рельсы, или рельсы широкой колеи марок РЗЗ—Р75;
узкоколейные рельсы марок Р8—Р24 (в обоих случаях цифра означает примерно массу в килограммах одного погонного метра профиля);
трамвайные;
крановые;
для метрополитена и др. (рис. 14.36).
Помимо прямого назначения рельсы широко используются в строительстве.
Наиболее ответственным и распространенным является железнодорожный рельс Р50 (масса 1 пог. м равна 51,5 кг), применяемый для прокладки железнодорожных путей. По ГОСТ 7174—75 (который на территории РФ с 01.07 2001 г. временно отменен) он имеет следующие основные размеры и допуски по ним: высота — 152 (+0,8...—0,5) мм; ширина подошвы — 132 (±1) мм; толщина стенки в среднем сечении — 16 (+0,75...—0,5) мм; средняя толщина подошвы — 10,5 (+1,0...—0,5) мм; ширина головки по основанию — 72 (±0,5) мм; уклон внутренней грани подошвы — 1:4.
Значительную часть рельсов производят на станах линейного типа, среди которых отдельно следует выделить рельсобалочные станы, производящие основную массу железнодорожных и других крупных рельсов. Мелкие рельсы производят также на других сортовых станах. Исходным материалом для прокатки железнодорожных рельсов являются слитки массой около 10 т, из которых на блюминге, входящем в состав комплекса рельсобалочного стана, катают блюмы массой 2—4 т, предназначенные непосредственно для рельсов. Для производства рельсов используют спокойную высокоуглеродистую сталь с содержанием углерода 0,5—0,78 %. Большая масса рельсовой стали в России выплавляется в мартеновских печах, идет постоянное сокращение доли мартеновской стали и замена ее на стали конвертерной плавки.
Б.П. Бахгинов выделяет семь типовых схем прокатки рельсов. Если взять старые калибровки, то их будет еще больше. Мы отметим только две схемы,
Рис. 14.36. Типы прокатываемых рельсов: а, б — железнодорожные; в — для стрелочных остряков; г — трамвайные; д— контррельсы; е, ж — подкрановые; з — узкоколейные которые, на наш взгляд, отражают принципиальные моменты при калибровке на существующих станах (рис. 14.37). В обеих схемах вначале следуют три подготовительных (тавровых), а затем рельсовые калибры. Назначение подготовительных калибров — обеспечить требуемое распределение металла по сечению подката. По схеме, представленной на рис. 14.37, а, прокатка ведется в закрытых калибрах, и при небольшой ширине подошвы рельса это обеспечивает требуемую точность профиля. При прокатке рельсов с широкой подошвой — железнодорожных и особенно трамвайных — применяют прокатку по схеме, представленной на рис. 14.37, б. При этом широко используется явление вынужденного уширения при неравномерном обжатии по сечению. В первом калибре гребнем нижнего валка производится разрезание блюма примерно до его середины. Это важно потому, что средняя часть мартеновского слитка и блюма, как правило, рыхла, и этот дефект не полностью устраняется при прокатке на блюминге, также имеются различные включения и загрязнения. После разрезки блюма при дальнейшей прокатке этот объем металла пойдет на формирование наименее ответственного участка рельса — средней части основания его подошвы.
Следующие два подготовительных калибра необходимы для быстрого наращивания ширины подошвы. Здесь участки будущей подошвы рельса подвергаются значительно большей деформации, чем участки головки и стенки. За счет их взаимодействия возникает значительное вынужденное уширение (см. также рис. 6.11).
Рис. 14.37. Схемы прокатки рельсов
Первый из рельсовых калибров — разрезной, и с него начинается формирование элементов профиля. В обеих схемах калибровки применяются закрытые рельсовые калибры с чередованием разъемов, как в балочных калибрах. Только чистовой калибр по головке рельса должен быть открытым, чтобы обеспечить требуемые по ГОСТу форму головки и радиусы закруглений. По схеме, представленной на рис. 14.37, а, разъемы калибров следуют с одной стороны и калибры располагаются в валках по горизонтальной оси. Эго обеспечивает небольшой врез ручьев в валки и отсутствие осевых усилий на валках при прокатке. Зато схема с наклонными калибрами (см. рис. 14.37, б) дает возможность выдерживать параллельными плоскости подошвы и головки, что особенно важно при прокатке железнодорожных рельсов. Чтобы предотвратить осевое смещение валков при прокатке по этой схеме, часть бочки валков приходится расходовать на замки (рис. 14.38).
Необходимо отметить, что все приведенные схемы прокатки рельса уже значительно устарели и сохраняются только потому, что существуют рельсобалочные станы, удовлетворяющие потребности страны в рельсах. В мировой практике ведутся интенсивные работы по совершенствованию технологии производства рельсов. Например, компания SMS Meer GmbH (г. Менхенгладбах, Германия) поставила в Корею и Китай и имеет еще несколько заказов на новый непрерывный универсальный стан для прокатки рельсов (рис. 14.39). Стан имеет реверсивную клеть (малый блюминг), реверсивную клеть 1 с рельсовыми калибрами и непрерывную группу из грех клетей 2—4, из которых первая реверсивная и третья нереверсивная — универсальные, а средняя — клеть дуо нереверсивная. По расположению оборудования стан очень напоминает нижнетагильский УБС.
Калибры на валках расположены таким образом, чтобы реализовать схему прокатки, представленную на рис. 14.40. Видно, что после семи реверсивных пропусков в клети 1 прокат проходит в одном направлении клетей 2 и 3, затем в обратном — только клеть 2 (в клети 3 калибр отсутствует) и после реверса — клети 2—4 в режиме непрерывной прокатки. Универсальные клети 2 и 4 позволяют осуществлять обжатия с четырех сторон, что обеспечивает высокую точность готового проката.
При производстве рельсов высокие требования предъявляются к качеству готовой продукции. Показатели качества условно можно сгруппировать в две категории. В первую категорию входят требования по геометрии проката и состоянию его поверхности, а во вторую — механические характеристики металла профиля.
Рис. 14.39. Схема непрерывного универсального рельсового стана:
1 — клеть реверсивная дуо; 2— клеть реверсивная универсальная; 3— вспомогательная нереверсивная клеть дуо; 4— чистовая клеть нереверсивная универсальная
Рис. 14.38. Расположение наклонных рельсовых калибров на валках
На поверхности боковых граней головки и на кромках подошвы рельса не допускаются никакие забоины, риски и прочие дефекты. По всей поверхности должны отсутствовать плены, рванины, трещины и закаты. Допускаются отдельные волосовины и морщины глубиной не более 1,0 мм на длине не более 1 м. Дефекты должны быть удалены пологой зачисткой на глубину до 1 мм.
Железнодорожные рельсы после прокатки разрезаются пилами на длину 12,5 м или чаще —
25 м. На этой длине не допускаются волнистость и кривизна, превышающая 1/2200 длины рельса, практически полностью исключаются концевые искривления. Большое внимание уделяется качеству торца рельса: поверхность его должна быть отфрезерована строго под прямым
Рис. 14.40. Схема прокатки рельсов на непрерывном универсальном
рельсовом стане
углом к оси. Конечно, важнейшими в формировании свойств являются операции термообработки проката.
Кратко рассмотрим основные технологические операции, которым подвергаются железнодорожные рельсы после прокатки и резки на мерные длины. На холодильнике они охлаждаются до температуры не ниже 500 °С, а затем загружаются рядами подошвой вниз в ямы замедленного охлаждения, где в штабелях медленно остывают до 100—150 °С. При этом выправляется кривизна рельсов и удаляются флокены из металла (напомним, что флокены представляют собой внутренние микропоры).
На некоторых заводах антифлокенная обработка осуществляется в печах изотермической обработки. По этой технологии на холодильнике прокат охлаждается до 350—500 °С, затем при той же скорости движения шлегшера (0,15 м/с) поступает в проходную печь, где в течение 2 ч выдерживается при температуре 600 °С. После печи рельсы вновь оказываются на холодильнике и остывают на нем до 100—150 °С и ниже.
После антифлокенной обработки рельсы поступают на отделку. Первая отделочная операция — правка — осуществляется в холодном состоянии на роликоправильных машинах, способных подвергать рельс знакопеременному изгибу в двух плоскостях. Окончательную правку при необходимости выполняют на штемпельных или специальных правильных прессах. Далее рельс поступает на отделочный стеллаж, по которому он перемещается в направлении, перпендикулярном своей длине. Стеллаж оборудован с двух сторон фрезерными станками для фрезерования концов рельсов, специализированными станками для сверления на каждом конце трех овальных крепежных отверстий, проходными установками для нагрева ТВЧ и струевыми аппаратами для поверхностной закалки концов рельсов (на длине примерно 0,5 м от торца). Износостойкость закаленных по концам рельсов в 2,5—3,0 раза выше, чем незакаленных. В продолжении отделочного стеллажа установлены инспекционные стеллажи для осмотра и приемки рельсов.
Как разновидность этой технологии можно отметить закалку концов рельса с прокатного нагрева. В этом случае после раскроя на пилах горячей резки рельсы подают на горячие стеллажи по 2—3 шг. и накладывают на их концы сгруевые устройства с регулируемым потоком воды.
Железнодорожные рельсы требуют повышенной твердости не только по концам, но и по периметру головки на глубину не менее 12 мм (по поверхности катания). Твердость рельса на концах обычно достигает НВ 380—400 и по поверхности головки — НВ 350—390. Стенка и подошва рельса, наоборот, должны оставаться мягкими, чтобы противостоять знакопеременным нагрузкам при движении поезда.
Для поверхностной закалки головки рельса используют закалочный агрегат, включающий установку нагрева головки рельса токами высокой частоты, в которой поверхностный слой головки примерно за 10 с разогревается до температур выше АсУ Далее следует спреерная установка для быстрого охлаждения и закалки головки рельса. После такой термообработки рельс вновь подвергается правке, осмотру, а также испытаниям. Готовые рельсы выборочно подвергаются копровым испытаниям при температурах до —60 °С. Испытываемые рельсы должны выдерживать ударную нагрузку на копре грузом массой 1 т с высоты не менее 3 м.
Для рельсов ответственного назначения применяют также объемную закалку с отпуском. После фрезерования и сверления отверстий рельсы подаются на специальную линию, имеющую:
нагревательную печь роликового типа для нагрева до температуры 840 °С;
емкость с минеральным маслом для закалки рельса.
Не позже чем через 8 ч после закалки осуществляется отпуск рельсов в печах при температуре 450—480 °С в течение 2 ч. После отпуска и охлаждения до 60 °С рельсы подаются на роликоправильную машину, после этого на правильные пресса и далее на инспекционные стеллажи. Здесь производится осмотр качества поверхности и измерение твердости головки рельса. Твердость сталей, содержащих 0,65—0,75 % С, после такой обработки равна НВ 320—380, по всему сечению достигается структура сорбита, обеспечивающая высокие прочностные и пластические свойства металла.
Для контроля флокенов в готовых рельсах используется ультразвуковой дефектоскоп УДМ-1М, который может работать как по зашлифованной, так и по черновой поверхностям металла. В последнее время участки отделки рельсов оснащаются также оборудованием для контроля макроструктуры стали непосредственно в ходе технологического процесса.
Одна из существенных тенденций в производстве рельсов — улучшение качества исходного металла, поступающего в прокатку, путем его рафинирования (очистки). Применяются внепечное вакуумирование и обработка синтетическими шлаками жидкого металла, в результате чего в металле уменьшается количество оксидных включений примерно на 30 %, а количество сульфидных включений — в 1,5—2,0 раза. Рельсы, полученные из рафинированной стали, имеют более высокие механические свойства.
Одним из резервов повышения механических свойств рельсов считается использование легированных марок стали, хотя стоимость таких рельсов существенно возрастает, и опыт их производства и использования пока незначителен.
