Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние способов охлаждения на структуру

Введение

Российские железные дороги - одна из крупнейших железнодорожных систем мира, занимающая первое место в мире по протяженности электрифицированных линий и уступающая по общей эксплуатационной длине свыше 85 тыс. км только железным дорогам США. Железные дороги являются и ключевым звеном транспортной системы нашей страны, выполняя более 85% грузооборота (без учета трубопроводного транспорта) и свыше 40% пассажирооборота.

В текущем году правительством страны утверждена Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, определяющая приоритетные направления, этапы и принципы расширения и модернизации сети железных дорог. В соответствии со Стратегией до 2030 года планируется построить свыше 20,7 тыс. км новых линий. Плотность железнодорожной сети будет увеличена на 24% (прежде всего в регионах Уральского, Сибирского и Дальневосточного федеральных округов). Четыре субъекта Российской Федерации (Республики Алтай и Тыва, Магаданская область, Ненецкий автономный округ) впервые получат доступ к железнодорожному транспорту. При этом на действующей сети будет построено 5,9 тыс. км дополнительных главных путей.

Современные и перспективные требования российских железных дорог к рельсам определяются ОАО «РЖД», исходя из условий их эксплуатации и стратегии развития железнодорожного транспорта [1].

Наиболее объективным интегральным показателем качества рельсов является их эксплуатационная надёжность и стойкость. К сожалению качество основных материалов верхнего строения пути отечественного производства уступает мировому уровню. Например, из-за несоответствия отечественных рельсов требованиям высокоскоростного движения ОАО «РЖД» вынуждено закупать у зарубежных производителей рельсы для линии Санкт-Петербург - Москва.

Стратегические ориентиры в области пассажирских перевозок требуют значительного увеличения маршрутной скорости движения пассажирских поездов во многих регионах России и сооружения высокоскоростных линий. Это требует от металлургической промышленности освоения производства рельсов, по которым можно ездить со скоростями 200, 250, 300 и 350 км/ч. При этом для уменьшения количества сварных швов необходимо перейти от использования рельсов длиной 25 м к рельсам длиной 50-100 м. Производство длинномерных рельсов является мировой тенденцией и освоено на многих зарубежных заводах.

Технология термоупрочнения на ОАО «НТМК» не позволяет выпускать длинномерные рельсы по современным стандартам, на железнодорожном полотне сохраняется большое количество сварных швов, чем обусловлено отклонение по прямолинейности.

Современными тенденциями в технологиях термической обработки рельсов являются дифференцированная закалка и закалка с использованием тепла прокатного нагрева.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 ОАО «ЕВРАЗ НТМК» - Рельсобалочный цех (РБЦ)

1.1.1 Краткая характеристика завода. Взаимосвязь основных цехов завода

Нижнетагильский металлургический комбинат (ОАО «ЕВРАЗ НТМК», предприятие «Евраз Груп») находится на Среднем Урале, в городе Нижнем Тагиле - в самом сердце Уральских гор, на границе Европы и Азии. Здесь расположен один из старейших горно-металлургических центров России, возникший в начале 18-го века. Нижний Тагил сегодня - второй по численности и объемам промышленного производства город Свердловской области. Железнодорожная магистраль Екатеринбург-Пермь связывает город со всеми регионами России и странами СНГ. Через г. Пермь (и речную транспортную систему Кама - Волга) имеется выход в южные и северные морские порты. Авиационное сообщение осуществляется через г. Екатеринбург (аэропорт «Кольцово»).

НТМК является крупнейшим в мире предприятием по переработке ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд с извлечением ванадия в товарный продукт в доменном и конвертер-ном переделах по специальным технологиям. Комбинат производит ванадиевый чугун, ванадиевый шлак (основное сырьё для извлечения ванадия), первородную конвертерную сталь (малошлаковым процессом), природнолегированную ванадием.

Комбинат - предприятие, которое производит широкую гамму металлопроката для железнодорожного транспорта, включая термоупрочнённые рельсы, колёса, бандажи для работы в экстремальных условиях высоких нагрузок и низких температур (до минус 600С). Комбинат производит осевую заготовку и все основные профили для вагоностроения.

На комбинате работает единственный в России и СНГ универсально-балочный стан по выпуску широкополочных балок и колонных профилей с высотой профиля от 150 до 1000 мм. Мощность стана - 1,5 млн. т/год. Комбинат является крупнейшим поставщиком заготовки для трубопрокатных заводов и конструкционного металлопроката для машиностроения.

1.1.2 Характеристика РБЦ

Рельсобалочный цех ОАО «НТМК» был введен в строй в 1949 году. Проектная мощность стана составляет 1200 тыс. т. Общая численность персонала РБЦ - 1045 человек, численность технологического персонала 725 человек. График работы - круглосуточный. Численность персонала Управления технического контроля (УТК) осуществляющего контроль технологии производства и качества рельсов - 119 человек.

На комбинате производятся рельсы для различных условий эксплуатации:

- рельсы низкотемпературной надежности из стали с повышенным содержанием ванадия и азота. Эти рельсы предназначены для эксплуатации в условиях низких температур (до -60°С);

- рельсы повышенной износостойкости, предназначенные для службы в кривых участках пути малого радиуса. Эти рельсы изготовлены из заэвтектоидной стали (с повышенным содержанием углерода) и имеют специальный профиль с закругленной головкой;

- рельсы для скоростных участков пути, отвечающие высоким требованиям по прямолинейности;

- рельсы типов UIC60 и 136RE, отвечающие требованиям международных стандартов, для поставок на зарубежный рынок;

- нетермоупроченные рельсы типов Р50 и Р65 для метрополитенов.

Цех осуществляет поставки таким потребителям, как ОАО «РЖД», железные дороги Казахстана и Узбекистана (рельсы типа Р65), железные дорги Латвии и Литвы (рельсы типа 60 Е 1). Также в небольших объемах поставляются рельсы для железных дорог Канады (рельсы типа 136 RE) и для Ирака, Италии, Турции (рельсы типа UIC 60).

1.1.3 Состав оборудования цеха

- Участок нагрева заготовок. Включает в себя шестизонную методическую печь с шагающими балками, производительностью 200 т/час, которая осуществляет нагрев заготовок до температуры 1200-1280°С.

- Рельсобалочный стан 950/800/850 линейного типа, который состоит из черновой линии и чистовой линии. Проектная мощность стана составляет 700 тыс. т.

Черновая линия включает в себя:

- Обжимную клеть дуо 950. Реверсивная двухвалковая клеть закрытого типа, диаметр валков 950 мм. Мощность двигателя 6400 кВт, число оборотов 0 - 60 - 120.

- Две клети трио 800 - трехвалковые клети открытого типа, диаметр валков 850 мм, длина бочки 1900 мм. Мощность двигателя 8000 кВт, число оборотов 0-110-220

Чистовая линия:

- Чистовая клеть дуо 850. Двухвалковая клеть закрытого типа, диаметр валков 850 мм, длина бочки 1200 мм. Мощность двигателя 2350 кВт, число оборотов - 0-110-230.

- Участок пил горячей резки, где осуществляется порезка раскатов на рельсы заданной длины и вырезка проб для проведения аттестационных испытаний. Состоит из 7 пил горячей резки маятникового типа, диаметр дисков - 1750-2000 мм, частота вращения 1000 мин-1. Толщина дисков 8 мм. Температура порезки 700 - 1000°С.

Дисковые клеймители:

- наносящий маркировочные знаки на боковую поверхность рельса. Максимальное число знаков в клейме - 10.

- наносящий на шейку рельса в 4 - 6 местах закалочного знака «O».

Холодильники:

- качественный холодильник двухсекционный, шлепперного типа, охлаждающий рельсы с температуры 850 - 950°С до 350 - 600°С.

- центральный холодильник двухсекционный, шлепперного типа, охлаждающий рельсы с температуры 400 - 500°С до температуры 50 - 80°С. Вместимость одной секции - 220 рельсов.

- Двухсекционный холодильник, охлаждающий рельсы до температуры 50 - 60°С. Размеры секций: длина 23000 мм; ширина 23250 мм. Вместимость одной секции 110 рельсов. Для перемещения рельсов холодильник оборудован шлепперами.

- Две роликоправильные машины консольного типа, шестивалковые, осуществляют правку рельсов в вертикальной плоскости для уменьшения искривленности по поверхности катания. Диаметр бандажей - 1400 мм. Межцентровое расстояние (шаг) - 1400 мм, скорость правки 1,32 - 2,0 м/с.

- Роликоправильная машина №2 термоотделения - консольная горизонтальная. Осуществляет правку рельсов в вертикальной плоскости для уменьшения местной искривленности по головке рельса. Количество рабочих роликов - 6. Шаг рабочих роликов 1400 мм. Диаметров рабочих роликов 1000-1100 мм (по бандажу). Скорость правки 0,8 - 1,6 м/с.

- Роликоправильная машина №3 термоотделения - консольная вертикальная. Осуществляет правку рельсов в горизонтальной плоскости для уменьшения местной искривленности по боковой поверхности головки рельса. Количество рабочих роликов - 6. Шаг рабочих роликов 1200 мм. Диаметров рабочих роликов 960 - 1000 мм (по бандажу). Скорость правки 0,8 - 1,6 м/с.

- Участок рельсоотделки осуществляет фрезеровку торцов рельсов, сверление болтовых отверстий, снятие фасок болтовых отверстий включает в себя 3 поточные линии:

Поточная линия №1. Оборудована двумя сверлильно-отрезными станками WHCB 1002/S3 фирмы «Вагнер». Тип обрабатываемых рельсов - Р65, Р50, UIC 60.

Поточные линии №2 и №3. В состав поточных линий входят: сверлильно-фрезерные станки; автомат для зенкования фасок; клинкен-шлеппера для перемещения рельсов.

- Закалочная печь секционная, для скоростного нагрева с роликовым подом осуществляет равномерный нагрев рельса по длине и сечению до температуры 830-850°С. Количество зон - 7. Размеры рабочего пространства печи: длина - 184,4 м; ширина - 3,0 м; высота - 2,68 м. Температура рельсов при выдаче из печи не менее 820°С. Оптимальная продолжительность нагрева 45 - 55 мин. (в зависимости от типа рельса). Количество рельсов в пачке не более 11 штук. Количество пачек в печи - 6. Производительность печи - 115 т/ч.

- Установка для подстуживания рельсов. Подстуживание предотвращает подгиб концов рельсов вниз после закалки. Тип установки секционный. Количество секций - 6, из них для правки концов 2. Длина секций: первой - 1000 мм; второй - 1200 мм. Вид охлаждающего средства - водовоздушная смесь. Ширина подстуженной зоны 50 - 60 мм. Скорость рольганга 1,6 м/с. Продолжительность подстуживания: концов рельса 6 - 8 с; остальной части рельса 14,5 с.

- Закалочная машина револьверного типа, где проводится объемная закалка в масле рельсов длиной от 19,5 до 25 метров. Состоит из барабана длиной 28 м, на котором смонтированы шесть 12-ти лучевых звездочек. На концах каждого луча подвешены каретки, на которые подается рельс для закалки. Барабан установлен внутри бака заполненного маслом на двух роликовых опорах. Температура рельсов: перед охлаждением не ниже 780°С; после охлаждения 100 - 150°С. Закалочная среда - масло индустриальное (И-20А). Продолжительность нахождения рельсов в масляной ванне не менее 5 мин. Температура масла 80 - 110°С.

- Отпускная печь секционная с роликовым подом. Технологическая операция - отпуск рельсов при температуре 450-470°С для снятия внутренних напряжений после закалки. Количество зон - 10. Размеры рабочего пространства печи: длина 260 м; ширина 4,6 м; высота 26,1 м. Температура печи: в первой зоне 300 - 400°С; в остальных зонах 450 - 490°С. Продолжительность отпуска 2 ч. Количество рельсов в пакете не более 18 штук. Количество пакетов в печи - 10. Производительность печи 115 т/ч.

- Автоматическая ультразвуковая установка для контроля зеркально-теневым методом внутренних дефектов рельса «УМАР-1». Производит ультразвуковой контроль внутренних дефектов рельса Метод возбуждения и приема сигнала - электромагнитно-акустический. Чувствительность контроля определяется регистрируемой протяженностью дефектной зоны 50 мм при коэффициенте выявляемости 8 дБ.

- Устройство контроля прямолинейности рельсов «Элекон», на котором измеряются отклонения поверхности головки рельса от прямой линии в вертикальной и горизонтальной плоскости на заданном отрезке базовой длины 1,5 м. Принцип измерения прямолинейности - 3-х точечный. Протяженность измерительной базы 1,5 м. Число контролируемых плоскостей - 2. Скорость движения рельса в зоне контроля до 3-х м/с. Погрешности измерения: в вертикальной плоскости 0,05 мм; в горизонтальной плоскости 0,1 мм.

- Вертикально-правильный пресс (ВПП), который правит концы рельса в двух плоскостях. Тип пресса штемпельный, механический. Усилие правки 400 т. Расстояние между стационарными опорами 1000 мм. Расстояние между выдвижными опорами 700 мм.

- Инспекторский стеллаж. На нём осуществляется контроль состояния поверхности рельсов, контроль геометрических размеров и профиля рельсов. Оборудован шлепперами и кантующим устройством. Максимальная вместимость стеллажа 45 рельсов. Контроль поверхности с 4-х сторон.

- Абразивно-отрезной станок «Рельс-75». Абразивные круги: диаметр от 800 до 1500 мм; толщина 15 мм; диаметр посадочного отверстия 150 мм. Продолжительность порезки 7 - 25 с. Технологические операции - отбор аттестационных проб от термоупрочненных рельсов, вырезка дефектных участков. [2]

2. Обоснование выбранного направления

2.1 Технология производства рельсов на ОАО «ЕВРАЗ НТМК»

Начиная с 1997 г. на комбинате начали производить рельсы из вакуумированной кислородно-конвертерной стали, разлитой на МНЛЗ. Заготовки полученные на МНЛЗ, имеют высокое качество поверхности, структурно и химически однородны по длине и поперечному сечению. Основными преимуществами непрерывной разливки по сравнению с разливкой в изложницы являются:

- существенное повышение выхода годного металла (повышение выхода годного на 10-15% от массы разливаемой стали).

- упрощение производства по заводу в целом и улучшение его технико-экономических показателей в связи с тем, что отпадает необходимость в обжимных станах (блюмингов или слябингов).

- уменьшение энергетических затрат, потребности в рабочей силе и площадь завода;

- повышение качества металла, в первую очередь в следствии снижения химической неоднородности из - за более быстрого затвердевания малых по толщине слитков;

- уменьшение затрат ручного труда и улучшение условия труда при разливке;

- создание условий для автоматизации процесса разливки.

Таким образом, улучшилось качество рельсовой стали и готовых рельсов практически по всем аттестационным характеристикам, в частности по макроструктуре, физико-механическим свойствам, ударной вязкости, твёрдости, газонасыщенности, загрязнённости неметаллическими включениями, флокеночувствительности, по сортности и браку, отсортировке в «передел» по различным причинам и выходу 25-метровых рельсов. При этом сквозной расходный коэффициент на производство 1 т рельсов снизился с 1,33 до 1,08.

Постоянное совершенствование и оптимизация технологии производства стали, включая выплавку в кислородных конвертерах, внепечную обработку на установке «печь-ковш», вакуумирование и разливку на МНЛЗ привели к тому, что содержание общего кислорода в рельсах и загрязнённость их неметаллическими включениями достигли уровня показателей, характерных для лучших зарубежных рельсов. В настоящее время комбинат практически вышел на мировой технический уровень по производству стали.

Таблица 1 - Средний химический состав стали для рельсов различных категорий качества представлен в таблице

Период	Категория рельсов		Средний химический состав, %
		С	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu	Al	V
2009 г.	Т1	0,77	0,89	0,36	0,013	0,009	0,027	0,050	0,010	0,0044	0,044
	НК	0,74	0,95	0,39	0,012	0,011	0,028	0,129	0,009	0,0043	0,067
	СС	0,76	0,89	0,36	0,013	0,009	0,027	0,049	0,009	0,0045	0,057
2010 г.	Т1	0,77	0,90	0,36	0,013	0,010	0,024	0,051	0,009	0,0046	0,040
	НК	0,73	0,96	0,39	0,012	0,010	0,032	0,152	0,008	0,0046	0,070
	СС	0,77	0,91	0,36	0,014	0,009	0,022	0,048	0,009	0,0046	0,057

Категория Т1 - рельсы, подвергнутые объемному термическому упрочнению из углеродистой стали.

Категория НК - рельсы низкотемпературной надежности из кислородно-конвертерной или электростали, подвергнутые объемному или дифференцированному термическому упрочнению.

Категория СС - рельсы для скоростного совмещенного движения, подвергнутые объемному или дифференцированному термическому упрочнению из углеродистой стали.

Оптимизация существующей технологии выплавки рельсовой стали, прокатки и термообработки рельсов позволила:

- повысить комплекс механических свойств как нетермоупрочнённых, так и объёмнозакалённых рельсов;

- повысить уровень твердости термоупрочнённых рельсов;

- снизить «передел» по дефектам сталеплавильного происхождения (таблица 2).

Таблица 2 - Качественные показатели производства рельсов Р65 из непрерывно литых заготовок

Показатели	2008 г.	2009 г.	2010 г.
Брак, %	0,09	0,063	0,085
Общий передел, %	3,86	3,42	3,53
Передел по металлу, %	0,29	0,13	0,05
Передел по РБЦ, %	2,33	2,11	2,28
Выход рельсов 25 м, %	95,66	96,30	96,32

Естественным результатом повышения чистоты стали является повышение эксплуатационной стойкости, однако работоспособность рельсов зависит не только от характера загрязнённости неметаллическими включениями, но и от геометрического качества рельсов и свойств металлической матрицы.

2.2 Требования к рельсам

2.2.1 Требования российских железных дорог к рельсам

В настоящее время рельсы и колеса для подвижного состава железнодорожного транспорта изготавливаются из высокоуглеродистых перлитных сталей одного и того же класса с близким химическим составом частично на одном и том же, или на близких друг к другу металлургических предприятиях. Подавляющее большинство рельсов и колес в процессе эксплуатации выходят из строя преимущественно из-за контактной усталости, износа, смятия и обычной усталости.

В результате многолетней работы проводимой ОАО «РЖД» по отношению к металлургическим предприятиям производящим рельсы и колеса, качество последних неуклонно повышается. В последние годы практически завершена реконструкция сталеплавильного производства на Нижнетагильском металлургическом комбинате. Это позволило предприятию, начиная с 2003 года полностью перейти на выпуск рельсов нового поколения по качеству стали, которая имеет отличия от рельсовой стали конца 90-х годов по следующим показателям:

- выходу 1 сорта в длине 25 метров 96-97% против 76-78%;

- длине строчек неметаллических включений 0,5 мм против 4-6 мм;

- улучшению прямолинейности рельсов;

- резкому уменьшению содержания вредных примесей и кислорода.

Пять лет работы по ГОСТ Р 51685-2000 показали, что металлургический комбинат успешно освоил выпуск рельсов категории Т1, а так же промежуточных между Т1 и В рельсов повышенной прямолинейности для скоростного совмещенного движения (СС), низкотемпературной надежности (НК и НЭ), а так же повышенной износостойкости и контактной выносливости (ИЭ и ИК), выпускаемых по специальным техническим условиям.

Однако, несмотря на достигнутые успехи, сравнение качества российских рельсов производства НТМК с зарубежными образцами, показывает лидерство зарубежных образцов. Проведенные исследования показали, что 80%-ный ресурс наиболее представительных партий отечественного производства был равен 500 млн. т пропущенного груза брутто. В этих же условиях эксплуатации, рельсы производства Японии и Франции показали ресурс 1000 млн. т груза брутто.

Общая ежегодная потребность в рельсах для сети железных дорог РФ составляет по оценкам около 600 тысяч тонн, а ежегодная потребность в рельсах категории В составляет около 400 тысяч тонн. Потребность в железнодорожных рельсах длиной 50 м и более составляет 90% от общего объема поставок. В 2004 г. из общего объема усиленного капитального ремонта (3870 км) 3400 км (88%) относилось к бесстыковому пути, где экономически целесообразнее укладывать рельсы длиной 50 м и более.

Реализация всех намеченных металлургами и железнодорожниками планов позволит довести ресурс рельсов до 1000-1500 млн. т груза в прямых и до 300-700 млн. т в кривых участках пути. [3]

2.2.2 Современные требования к железнодорожным рельсам

В отношении рельсов прошло время всеобщей унификации, когда практически на всей сети РЖД вне зависимости от грузонапряженности, скорости движения, плана и профиля пути, климатических условий использовались только объёмно-закалённые рельсы типа Р65.

Действующим стандартом на рельсы ГОСТ Р 51685-2000 предусматривается выпуск только трех категорий рельсов:

- высококачественные категории В;

- термоупрочнённые обычного качества категории Т1;

- нетермоупрочнённые категории Н.

На отечественных заводах производят в основном рельсы категории Т1. Нетермоупрочнённые рельсы поставляются только на стрелочные заводы для изготовления стрелочных переводов, где они частично подвергаются поверхностному термическому упрочнению. Рельсы категории В отечественные заводы не выпускают из-за отсутствия современного оборудования.

В проекте нового национального стандарта, разработка которого завершена творческим коллективом специалистов УИМ, ВНИИЖТ, НТМК, НКМК, ЕвразХолдинга и ОАО «РЖД» представлены основные технические требования, предъявляемые к рельсам. Этот проект стандарта гармонизирован с наиболее современным стандартом на железнодорожные рельсы EN 13674-1:2003 «Железные дороги - Путь - Рельсы. Часть 1: Железнодорожные рельсы Виньоля 46 кг/м и более» и проектом его последней версии pr EN 13674-1:2007, учитывает требования действующих и перспективных технических условий, а также мировые тенденции по повышению качества и эксплуатационной стойкости рельсов.

В проект нового стандарта вносится ряд новых принципиальных положений и изменений.

Изменяется классификация рельсов, в соответствии с которой рельсы подразделяют:

- по назначению на категории: общего назначения (ОН); специального назначения: низкотемпературной надежности (НН); повышенной износостойкости и контактной выносливости (ИК); для скоростного совмещенного движения (СС); для высокоскоростного движения (ВС);

- по упрочнению: термоупрочненные - подвергнутые дифференцированному упрочнению по сечению рельса (ДТ) или объемной закалке и отпуску (ОТ); нетермоупрочнённые (НТ);

- по типам: Р50; Р65; Р65К (для наружных нитей кривых участков пути);

- Р75;

- по классу прочности (твердости): ОТ400, ДТ400 (термоупрочненные);

- ОТ370, ДТ370 (термоупрочненные); ОТ350, ДТ350 (термоупрочненные); НТ320 (нетермоупрочнённые); НТ260 (нетермоупрочнённые);

- по классу точности изготовления профиля (классу профиля): X; Y;

- по классу прямолинейности: А; В; С;

- по наличию болтовых отверстий на концах: с отверстиями, без отверстий.

В стандарт введены новые требования к технологии выплавки рельсовой стали, производству и контролю качества рельсов. Предусмотрено, что для производства рельсов используют непрерывно-литые заготовки из стали, выплавленной в конверторе или электропечи, подвергнутой внепечной обработке и вакуумированию, а технология производства рельсов должна включать:

- гидросбив печной и прокатной окалины;

- термическое упрочнение рельсов;

- автоматический контроль размеров профиля при прокатке;

- правку на роликоправильных машинах или гидравлических прессах;

- автоматический контроль отклонений рельсов от прямолинейности;

- автоматизированный ультразвуковой контроль внутренних дефектов по всей длине рельсов;

- автоматический контроль качества поверхности головки и нижней части подошвы вихретоковым или магнитным методами;

- упрочнение болтовых отверстий;

Устанавливаются новые дифференцированные требования к качеству рельсов в зависимости от их классификационных признаков. Проект нового стандарта предусматривает производство рельсов в длинномерном исполнении до 100 м наряду с рельсами промежуточной длины 25; 50 м и др.

Микроструктура металла головки термоупрочнённых рельсов должна представлять пластинчатый перлит дисперсностью не более балла 4, а нетермоупрочнённых рельсов - балла 8 по ГОСТ 8233. Подразделение пластинчатого перлита на баллы указано в таблице 3.

Таблица 3. Подразделение пластинчатого перлита в зависимости от степени дисперсности

Балл	Характеристика перлита	Межпластинчатое расстояние, мк
1	Сорбитообразный	Менее 0,20
2	Скрытопластинчатый	0,30
3	Тонкопластинчатый	0,40
4	Мелкопластинчатый	0,60
5	Мелкопластинчатый	0,80
6	Среднепластинчатый	1,00
7	Среднепластинчатый	1,20
8	Крупнопластинчатый	1,60
9	Крупнопластинчатый	2,00
10	Грубопластинчатый	Более 2,00

2.2.3 Сравнительный анализ характеристик рельсов произведенных в условиях ОАО «ЕВРАЗ НТМК» с требованиями стандартов

Требования, предъявляемые к рельсам в проекте нового национального стандарта, высоки и их выполнение позволит выпускать отечественные рельсы с эксплуатационной стойкостью не менее 1 млрд. т брутто и выполнять зарубежные заказы на рельсы в соответствии с требованиями EN 13674, UIC 860, AREMA, CN12-16c, и других национальных стандартов.

Таблица 4. Механические свойства и ударная вязкость рельсов различного класса прочности, согласно стандарту

Класс прочности	?в, Н/мм2	?т, Н/мм2	д, %	Ударная вязкость KCU, Дж/см2	Рекомендуемая категория рельсов
не менее
ОТ400	1280	870	8,0	15	ИК
ДТ400			9,0
ОТ370	1280	870	8,0	15	ИК
ДТ370			9,0
ОТ350	1180	800	8,0	25*	СС, ОН, НН
ДТ350			9,0	15	ВС, СС, НН, ОН
НТ320	1080	600	9,0	-	ВС
НТ260	900	500	6,0	-	ОН

Таблица 5. Твёрдость термоупрочнённьгх рельсов в единицах НВ, согласно стандарту

Место определения	Твердость рельсов класса прочности
	ОТ400	ДТ400	ОТ370	ДТ370	ОТ350	ДТ350
На поверхности катания головки	401-441	401-441	370-409	370-409	352-401	352-401
На глубине 10 мм от поверхности катания головки по вертикальной оси рельса	?388	?388	?363	?363	?341	?341
На глубине 10 мм от поверхности выкружки рельса	?388	?388	?363	?363	?341	?341
На глубине 22 мм от поверхности катания головки по вертикальной оси рельса	?363	?363	?352	?352	?321	?321
В шейке	?401	?363	?388	?352	?388	?341
В подошве	?401	?388	?388	?388	?388	?363

Однако полное выполнение этих требований при существующей на комбинате технологии производства рельсов невозможно и требует проведения коренной реконструкции рельсобалочного цеха.

Исследования ОАО «УИМ», Имет им. А.А. Байкова РАН и заводских лабораторий комбинатов показывают, что микроструктура импортных рельсов, по сравнению с отечественными, представляет более однородную дисперсную пластинчатую ферритно-карбидную смесь. Это достигается за счёт регулирования режимов термической обработки в зависимости от химического состава стали. В микроструктуре рельсов ОАО «НТМК», присутствуют единичные участки избыточного феррита и ферритной сетки, участки цементитной сетки и даже выделения бейнита, что связано с существующей технологией объёмной закалки рельсов в масле. В результате страдают качественные показатели рельсов.

Таблица 6. Механические свойства (средние значения) термоупрочнённых рельсов, выпущенных НТМК

Период	Категория рельсов	?в, Н/мм2	?т, Н/мм2	д, %	Ш, %	KCU+20°C, Дж/см2
2009 г.	Т1	1279	913	11,4	32,7	30,6
	СС	1277	905	11,2	33,0	31,6
	НК	1262	908	13,5	33,0	31,3 (-60°С)
2010 г.	Т1	1283	898	11,6	32,2	28,9
	СС	1292	876	12,1	33,4	30,8
	НК	1239	890	13,0	36,8	34,5 (-60°С)

Таблица 7 Твердость термоупрочнённых рельсов (средние значения), выпущенных на НТМК

Период	Категория рельсов	Твердость, НВ
		ПКГ	10 мм от ПКГ	22 мм от ПКГ	В перьях подошвы	В шейке
2009 г.	Т1	360	342	350	357	363
	СС	359	340	347	355	361
	НК	353	334	347	350	356
2010 г.	Т1	362	346	353	359	364
	СС	363	346	354	360	366
	НК	356	339	347	354	360

Также существующая технология закалки рельсов в масле позволяет закаливать рельсы длиной 25 м, так как закалочная установки револьверного типа не позволяет производить термическую обработку рельсов большей длины. Исходя из такого ограничения производство 100-метровых рельсов на ОАО НТМК не возможно. При укладке железнодорожного полотна необходимо сваривать 4 рельса длиной 25 метров, каждый из которых имеет такой дефект, как изгиб концевых участков, вследствие чего получается некачественное железнодорожное полотно, имеющее отклонения по прямолинейности. Поэтому технология термоупрочнения рельсов нуждается в замене на более совершенную.

рельс производство сталь завод

2.2.4 Требования к показателям качества и микроструктуре готовой продукции

В результате анализа различных марок стали, были выявлены тенденции в развитии бейнитных сталей, как наиболее износостойких. По статистике их ресурс намного выше изготовляемых в настоящее время перлитных рельс. Эти стали отличаются высокими показателями по прочности и твердости, что в свою очередь оказывает влияние на износостойкость. Не смотря на высокий ресурс и отсутствие в технологии производства закалочных машин и агрегатов, бейнитные стали являются дорогими из-за присутствия легирующих элементов. Себестоимость таких рельсов больше, так как технология производства требует тщательного контроля чистоты металла и химического состава. Кроме того, по статистическим данным, бейнитные стали на порядок уступают перлитным по вязкостным свойствам, что в климатических условиях нашей страны, с резкими перепадами и предельными минусовыми температурами, не пригодно для использования. Исходя из этого, делаем вывод, что производство рельсов из перлитной стали на отечественных комбинатах более рентабельно, нежели из бейнитной. Поэтому предлагается вести исследования в разработке оптимального химического состава эвтектоидной и заэвтектоидной стали (0,83-0,90% С), при легировании элементами природно-содержащимися в руде, такими как марганец, кремний и ванадий, контролируя при этом чистоту металла от вредных примесей.

3. Материалы и методика исследования

3.1 Методика выбора интервала температур и скорости охлаждения

Температура закалки для сталей большинства марок определяется положением критических точек А₁ и А₃. Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо-углерод. Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30 - 50°С выше Ас₃, а для заэвтектоидной стали - на 30 - 50°С выше Ас₁.

Превращение аустенита в перлит может начаться, когда свободная энергия перлита окажется меньшей, чем свободная энергия аустенита. Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение, чем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение. В случае перлитного превращения образуются фазы, резко отличающиеся по составу от исходной: феррит, почти не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67% С. Поэтому превращение аустенита в перлит сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры, следовательно, с этой точки зрения увеличение переохлаждения должно замедлять превращения.

Итак, мы приходим к важному выводу, что при увеличении переохлаждения (снижения температуры превращения) вступают в борьбу два фактора, прямо противоположно влияющие на скорость превращения.

Снижение температуры, с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и перлита (ДF=F_a-F_п), что ускоряет превращение, а с другой, - вызывает уменьшение скорости диффузии углерода D, а это замедляет превращение. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигает при каком-то значении максимума, а затем убывает.

Разная скорость перлитного превращения при разной степени переохлаждения определяется тем, что подобным образом зависит от степени переохлаждения скорость роста (с. к.) и число образующихся центров (ч. ц.) перлита.

Процесс зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов происходит по времени и может быть изображен в виде так называемой кинетической кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

Начальный период характеризуется весьма малой скоростью превращения - это так называемый инкубационный период, или период инертности.

Скорость превращения зависит от степени переохлаждения. При малых и значительных переохлаждениях превращение происходит медленно, так как малы значения с. к. и ч. ц. (см. рис. 8 серия кинетических кривых, относящихся к разным температурам). Максимум скорости превращения соответствует температуре t₄, дальнейшее снижение температуры приведет уже к уменьшению скорости превращения.

Диаграмма изотермического превращения аустенита, в зависимости от степени переохлаждения показывает время, когда превращение практически не наблюдается, т.е. когда имеем переохлажденный аустенит. Мерой его неустойчивости может служить отрезок от оси ординат до кривой начала превращения при 500-600°С (температура t₄), когда этот отрезок имеет минимальные размеры, т.е. аустенит начинает превращаться в перлит через наиболее короткий промежуток времени.

Линия V₁, характеризующая медленное охлаждение, пересекает линии диаграммы в точках a₁ и b₁. При этих температурах, соответствующих положениям точек a₁ и b₁, и произойдет превращение. Продуктом превращения будет перлит с низкой твердостью (крупнопластинчатый). Графически мы можем определить, что скорость V₁?0,08°С/сек.

При более быстром охлаждении кривые V₂ и V₃ пересекают линии диаграммы при более низких температурах (точки a₂ и b₂, a₃ и b₃), образуя более дисперсные продукты. Определяем, что скорость V₂?2°С/сек, а скорость V₃?22°С/сек.

Из этого построения видно, что чем больше скорость охлаждения, тем при более низкой температуре произойдет превращение, и поэтому тем более дисперсными будут продукты превращения [4].

Зависимость положения критических точек эвтектоиднной стали от скорости охлаждения

При ускорении охлаждения до 50 град/сек распадение аустенита не успевает закончиться, размеры пластинок цементита достигают лишь десятых долей микрона и различимы только при очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом.

3.2 Анализ технологий термоупрочнения, применяемых на отечественных и зарубежных предприятиях

3.2.1 Технология, применяемая на ОАО «ЕВРАЗ НТМК»

В настоящее время на ОАО «ЕВРАЗ НТМК» применяется способ термоупрочнения рельсов путем объёмной закалки в масле. Рельсы нагревают в семизонной печи, которая обеспечивает температуру при их выдаче не ниже 820°С. [1]

Нагретые рельсы выдают из печи разгрузочным устройством по одному на стеллаж, затем их кантуют в положение «на подошву» и подают на установку для подстуживания рельсов для термической правки, которую производят водовоздушной смесью с помощью брызгал при транспортировке рельсов по рольгангу. Подстуживание предотвращает подгиб концов рельсов вниз после закалки. Ширина подстуженной зоны 50-60 мм. Скорость рольганга 1,6 м/с. Продолжительность подстуживания: концов рельса 6 - 8 с; остальной части рельса 14,5 с. Продолжительность подстуживания обеспечивается автоматически. При необходимости имеется возможность проводить термическую правку концов рельсов.

Затем рельсы подают в закалочную машину револьверного типа (температура рельса по головке при задаче в закалочную машину должна быть не ниже 780°С), где они погружаются в индустриальное масло (И-20А) и охлаждаются в нем в течение 5 мин. Температура масла 80 - 110°С. Температура рельсов после охлаждения 100 - 150°С.

Закаленные рельсы выдают на загрузочный стеллаж перед отпускной печью, где их набирают в пакеты и передают в десятизонную отпускную печь. Температура в первой зоне печи - 330±20°С, во 2-10 зонах - 460±10°С. Продолжительность пребывания рельсов в отпускной печи составляет не менее 2 ч. Передвижение рельсов по зонам печи осуществляют равномерно. После отпуска рельсы охлаждаются на холодильнике до температуры, не превышающей 60°С, а затем их направляют на правку в роликоправильных машинах.

Термоупрочнение рельсов в масле имеет ряд существенных недостатков:

1. Повторный объемный нагрев и объемная закалка приводят к искривлению рельсов и изменению их размеров. Вследствие этого рельсы необходимо дважды подвергать правке на роликоправильных машинах - сначала после прокатки, а затем после термоупрочнения, что отрицательно сказывается на их прямолинейности и геометрическом качестве.

2. Отсутствует возможность существенного регулирования скорости охлаждения рельса, которая для выкружки головки составляет 10 град./с, для поверхности катания - 8 град./с и для слоя металла на глубине 10 мм от поверхности катания - 6 град./с. Для получения требуемой для рельсов однородной перлитной структуры без выделений избыточного феррита и верхнего бейнита скорость охлаждения необходимо корректировать в зависимости от колебаний содержания химических элементов в стали в интервалах, определенных ГОСТ Р, температуры рельса перед закалкой и его типоразмера. Производство рельсов специального назначения, например, повышенной твердости и износостойкости, также требует изменения режима охлаждения.

3. Использование масла в качестве закалочной среды вызывает загрязнение атмосферы продуктами его испарения. Масло создает высокую пожароопасность и вызывает необходимость осуществлять его очистку. Кроме того, в атмосферу выбрасываются продукты сгорания газов, используемых для работы печи нагрева рельсов под закалку и отпускной печи. Выбросы вредных канцерогенных веществ в атмосферу в термоотделении составляют около 40 г./т рельсов.

4. Не осуществляется дифференцированная закалка. Объемная закалка рельсов в масле приводит, как правило, к несколько более высокой прочности шейки и подошвы, чем головки вследствие меньшей площади их сечения, а значит и более высоких скоростей охлаждения. Пластические свойства шейки и подошвы при этом меньше или, в лучшем случае, такие же, как пластические свойства головки.

В настоящее время считается, что наибольшей эксплуатационной стойкостью обладают рельсы с дифференцированной по сечению прочностью. Это связано с тем, что контактно-усталостная прочность рельсов определяется структурой и свойствами верхней половины головки, а живучесть и надежность - структурой и свойствами шейки и подошвы. Вследствие этого необходимо обеспечить высокую прочность головки и повышенную вязкость шейки и подошвы при меньшей прочности.

Выводы

В процессе выполнения данной курсовой научно-исследовательской работы был проведен анализ существующего оборудования для производства рельсов в условиях рельсобалочного цеха ОАО «ЕВРАЗ НТМК» в целом и для применяемой технологии термоупрочнения рельсов в частности. Так же был проведен анализ качества готовых рельсов.

Затем были изучены современные, а так же предложены перспективные технические требования предъявляемые к рельсам. Также был проведен анализ соответствия готовой продукции производимой на ОАО «ЕВРАЗ НТМК» данным требованиям.

Был произведен анализ технологий термоупрочнения рельсов на ОАО «ЕВРАЗ НТМК» и передовых зарубежных заводах, выявлены слабые и сильные места различных методов термоупрочнения.

Результатом нашей работы является определение оптимальных условий и режимов термообработки а так же предложение новой технология термоупрочнения рельсов.

Список литературы

1. Шур Е.А. Перспективные требования российских железных дорог к рельсам. В сб. «Современные технологии производства транспортного металла (материалы 3-й международной конференции «Трансмет-2007»), Екатеринбург, УГТУ-УПИ. 2008. С. 33-37.

2. Прокатка профилей на рельсобалочном стане технологическая инструкция ТИ 102-П.С-138-2009. ОАО «НТМК». 2009.

3. Информации журнала «Промыщленный транспорт ХХI век №4 2005

4. Гуляев А.П., Гуляев А.А. // Металловедение // Альянс. Москва. 2011. с. 268-278; 312-326.

5. Технология металлов и конструирование материалы. В.М. Никифоров, Москва, 1968, Изд. «Высшая школа».

6. Испытания рельсов из бейнитной и перлитной стали. ЖДМ 03-2003, ЖДМ-online. Информационная служба журнала «Железные дороги мира».

7. Колосова Э.Л., Сырейщикова В.И., Муравьев Е.А. // Производство железнодорожных рельсов и колес: отрасл. Сб. научн. тр. Харьков, 1977. Вып. 5. С. 64-67.

8. Кушнарев А.В., Киричков А.А., Добужская А.Б. и др. // Сталь. 2005. №6. С. 131-133.

9. Добужская А.Б., Дерябин А.А., Семенков В.Е. и др. // Опыт производства на ОАО «НТМК» рельсов из среднеуглеродистой стали бейнитного класса. В сб. «Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов». Екатеринбург. ОАО «УИМ». 2006. С. 183-191.

10. Павлов В.В., Корнева Л.В., Могильный В.В. и др. Свойства и микро - структура бейнитных рельсов. Сб. научн. трудов «Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов». Екатеринбург. ГНЦРФ ОАО «УИМ». 2006. С. 198-204.

11. Производство термоупрочненных рельсов. Технологическая инструкция ТИ-102-П.С-9-2006. Н. Тагил, 2006.

12. Отчет по НИР №Д 1087/06 «Разработка рекомендаций по повышению стойкости рельсов за счет повышения пластичности металлической матрицы». Екатеринбург. 2006 г. 58 с.

13. Золотарский А.Ф., Раузин Я.Р., Шур Е.А. и др. Термически упрочненные рельсы М., 1976. 264 с.

14. Шур Е.А. Перспективные требования российских железных дорог к рельсам // Современные технологии производства транспортного металла. Материалы 3-й международной конференции «Трансмет - 2007й. Екатеринбург. УГТУ-УПИ. 2008. С. 33-37

15. Сталинский Д.В., Нестеров Д.К., Сапожков В.Е. Мировой опыт термоупрочнения рельсов с прокатного нагрева или с использованием части тепла // Металлургическая и горнорудная промышленность, 2006. №5. С. 59-63.

16. Давыдова H.M., Брик С.Д. Улучшение качества некоторых видов сортового проката упрочняющей термической обработкой. Обз. инф. «Металловедение и термическая обработка». М.: Черметинформация, 1984. Вып. 2. 19 с.

Размещено на Allbest.ru