Рельсы

Основным типом современного стана для производства рельсов широкой колеи является стан, имеющий четыре клети, расположенные в две или три линии. В первой (обжимной) линии обычно применяют реверсивную двухвалковую клеть, во второй (промежуточной) - две трехвалковые клети и в чистовой линии двухвалковую клеть с отдельным приводом. Иногда чистовую клеть располагают на расстоянии до 80 м от промежуточной линии.

На рельсобалочных станах прокатывают рельсы широкой колеи с массой метра длины 43, 50, 65 и 75 кг, а также специальные рельсы для метрополитена, стрелочные остряки, трамвайные желобчатые рельсы, для крановых путей и т.д. Более легкие рельсы с массой метра длины 38, 33, 24, 18, 11 и 8 кг производят на крупносортных станах.

Рельсы широкой колеи изготовляют преимущественно из основной мартеновской стали марок М76 (для рельсов Р65 и Р75) и М79 (для рельсов Р50) по ГОСТ 24182-80, или бессемеровской стали марки НБ67 (для рельсов Р50) по ГОСТ 16852-71. Сталь выплавляют в печах емкостью 400 - 450 т и разливают в слитки массой 7,05 - 9,95 т, размерами сечения от 760х670 / 635х535 до 865х770/735х640 мм.

Слитки рельсовой стали перед прокаткой на блюмингах нагревают на КМК и НТМК в регенеративных, а на меткомбинате "Азовсталь" - в рекуперативных колодцах при горячем всаде с температурой 750 -800 ^оС. Средняя продолжительность нагрева слитков ~ 3 ч, температура выдачи из колодцев 1220 - 1250 ^оС. Прокатку рельсовых слитков осуществляют на блюмингах с диаметром валков 1100 - 1170 мм за 13 -15 пропусков с 3 - 5 кантовками, температура металла в конце прокатки не ниже 1100 ^оС.

При производстве рельсов обычно применяется прокатка с двух нагревов: перед блюмингом и перед рельсобалочным станом. При несколько больших затратах двойной нагрев обеспечивает лучшее удаление поверхностных дефектов и прокатку при более высокой и постоянной температуре металла, таким образом лучше покупать рельсы произведенные именно таким образом. Большое влияние на качество поверхности рельсов и соответственно на цену покупки рельсов, оказывает температура блюмов перед посадкой в нагревательные печи. При горячем посаде уменьшается угар металла и его обезуглероживание, обеспечивается равномерный прогрев блюмов. Холодный посад позволяет производить зачистку дефектов на поверхности блюмов перед нагревом. Оптимальным вариантом является горячий всад блюмов с зачисткой поверхности на МОЗ после блюминга. Для нагрева горячих блюмов используют камерные печи (КМК, НТМК), а для холодных сначала методические, затем камерные (НТМК). На меткомбинате "Азовсталь" все блюмы нагревают в методических печах.

На всех отечественных заводах применяют калибровки с косым расположением фасонных калибров, что позволяет улучшить проработку металла во фланцах по толщине, повысить точность размеров рельсов после переточек валков и увеличить стойкость калибров. Черновые тавровые калибры применяют с разрезывающими гребнями со стороны нижних валков, что дает возможность осуществить усиленную проработку металла по месту средней трети подошвы рельса. Общая деформация металла вдоль большой оси готового рельса составляет 620 - 870 мм. Температура рельсов при выходе из чистового калибра не выше 1050 °С. После прокатки рельсы разрезают на пилах горячей резки на длины 25 м.

Большое значение для современного скоростного железнодорожного транспорта имеет прямолинейность железнодорожных рельсов и отсутствие в них внутренних дефектов. Одним из основных дефектов высокоуглеродистой рельсовой стали являются флокены. Для предупреждения образования флокенов применяют замедленное охлаждение рельсов после прокатки в колодцах. Продолжительность охлаждения рельсов с закрытыми крышками 7 ч. Температура рельсов при загрузке в колодцы не ниже 500 °С, при выгрузке - 150 - 190 ^оС. На НТМК для предотвращения образования флокенов применяют изотермическую выдержку рельсов. С этой целью после прокатки рельсы охлаждают до 350 - 500 ^оС, а затем загружают в печь, где нагревают до 600 ^оС и выдерживают при этой температуре в течение 2 ч. После замедленного охлаждения в колодцах или изотермической выдержки в печах и последующего охлаждения на холодильнике рельсы поступают на участок правки. Основную правку рельсов производят на роликоправильных машинах, а доправку - на штемпельных прессах. Далее рельсы направляют на линии фрезерования торцов, сверления отверстий и термообработки.

В наиболее тяжелых условиях работают концы рельсов и поверхности катания головки. Одним из эффективных способов повышения стойкости концов рельсов против износа и смятия является закалка, осуществляемая как по всей длине рельсов (40 % общего объема производства), так и только концов. Концы рельсов закаливают с индукционного или прокатного нагрева. Закалку концов рельсов с прокатного нагрева производят после раскроя их на пилах при температуре рельсов 800 - 900 ^оС. Охлаждение концов рельсов Р43 - Р65 производят водой в течение 45 - 55 с при помощи специальных струйных аппаратов. Твердость металла на поверхности катания при расходе воды 1,1 - 2,0 л/с составляет НВ 300 - 400. Толщина закаленного слоя около 5 мм, структура закаленного металла - сорбит закалки, в глубине - сорбит игольчатого строения. Износостойкость концов рельсов, закаленных с прокатного нагрева, в 2,0 - 2,5 раза выше, чем у незакаленных, таким образом если купить некачественно закаленные рельсы, то это приведет к быстрому их износу.

Закалку концов рельсов с нагрева токами высокой частоты (f = 500) производят при температуре металла около 950 ^оС. Время нагрева 40 с, после чего следует пауза 5 - 6 с и охлаждение водой в течение 30 с. В результате получают твердость металла на поверхности катания закаленной головки рельса НВ 350. Закалка концов рельсов с нагрева ТВЧ обеспечивает более высокое качество металла, чем закалка с печного нагрева.

В состав линий для закалки головки рельсов по всей длине входят нагревательная печь, закалочная и гибочная машины, рольганг и стеллажи. После прокатки рельсы из бессемеровской стали с печного перекристаллизационного нагрева охлаждают до 300 - 500 ^оС, затем нагревают в печи с роликовым подом в течение 30 - 45 мин до температуры 820 - 850 ^оС. Закалку осуществляют водой в специальной машине с применением многократного прерывистого охлаждения в течение 25 -35 с. После закалки рельсы в горячем состоянии для уменьшения кривизны подвергают изгибу в роликогибочной машине, затем охлаждают на стеллажах и правят на роликоправильной машине и штемпельных прессах. Твердость поверхности катания рельсов из бессемеровской стали после закалки указанным способом около 340 НВ. При закалке рельсов из мартеновской стали (нагрев до 820 - 840 °С, охлаждение водой) твердость поверхности катания головки составляет НВ ~ 360. Для повышения твердости рельсов на глубине 2 - 7 мм от поверхности катания применяют закалку водо-воздушной смесью, обеспечивающую получение твердости НВ ~ 330.

В нашей стране разработана новая технология объемной закалки рельсов по всей длине в масле. Закалку концов у таких рельсов не производят. Термической обработке подвергают полностью механически обработанные рельсы длиной 25 м. Перед закалкой пакеты рельсов из 10 - 12 штук нагревают в печи с роликовым подом длиной 186,6 м и шириной 3,94 м (по кладке) до температуры 830 - 850 ^оС. Производительность печи 115 т/ч. Из печи рельсы с помощью специального устройства поштучно укладывают на рольганг в положение "на подошву". Далее нагретые рельсы поступают на закалку. Закалочная машина барабанного типа, обеспечивает строго вертикальное положение рельса при погружении его в масло. Температура рельсов в момент задачи их в закалочную машину не менее 840 ^оС. Цикл вращения барабана обеспечивает нахождение рельса в масле с температурой не более 100 °С в течение 5 мин. Закаленные рельсы поступают в закрытый стеллаж, где их устанавливают в положение "на боку", затем собирают в пакеты по 10 - 18 шт и подают в отпускную печь, по конструкции аналогичную закалочной. Продолжительность отпуска при температуре 400 - 450 °С около 2 ч. После отпуска рельсы охлаждаются на двух холодильниках и поступают на участок правки, где установлены две роликоправильные машины, обеспечивающие правку рельсов в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Твердость рельсов по поверхности катания после объемной закалки находится в пределах НВ 321 - 388, на глубине 16 мм - не ниже НВ 300. Объемнозакаленные рельсы имеют в 1,5 - 2,0 раза большую износостойкость, чем незакаленные. Все рассмотренные способы повышения качества рельсов и их термической обработки обеспечивают повышение временного сопротивления до 1200 -1300 МПа и предела текучести до 800 - 900 МПа при пределе усталости 450 - 500 МПа, поэтому при купле рельсов важно убедиться в качественной их термообработке.

Важнейшим усовершенствованием в технологии производства рельсов является переход на прокатку с использованием универсальных клетей. На рисунке ниже приведена схема прокатки рельсов на непрерывном стане, состоящем из 4 универсальных и 3 вспомогательных двухвалковых клетей. Особенностью калибровки является интенсивное обжатие металла со стороны головки профиля в универсальных клетях. Рельсы, прокатанные в универсальных клетях, имеют более точные размеры и меньшую волнистость по поверхности катания, чем рельсы, прокатанные в обычных клетях.