Спосіб термічної обробки рейок

1. Спосіб термічної обробки рейок, що включає об'ємне нагрівання рейок у лінійно-пружному 3 Відомий також спосіб термічної обробки рейок [3], прототип, поверхневе загартування голівки рейок по всій довжині водоповітряной сумішшю з нагріванням струмом високої частоти (СВЧ) і самовідпустки при 380-500°С, застосовується в промисловості на металургійному комбінаті «Азовсталь» [ТИ 232-18-94, ТУ 0921-047-01124328-96]. За існуючою технологією на ВАТ МК «Азовсталь» рейки типів Р65 і Р75 після прокатки піддають уповільненому охолодженню в колодязях - протифлокенна обробка (ПФО) і холодному виправленню, після чого рейки надходять на рейкогартувальні машини, для термічної обробки по всій довжині з нагріванням СВЧ, відповідно до вимог технологічної інструкції ТИ 232-18-94. Загартування рейок здійснюється за наступною технологією: нагрів головки рейки виробляється в пружному-вигнутому стані опуклістю на голівку з радіусом кривизни 90м; нагрів головки рейки СВЧ за допомогою трьох груп індукторів до температури 920-970°С на глибину до 20-24мм; у третій послідовно розташованій зоні первинного охолодження, довжиною 3м голівка рейок прохолоджується водоповітряною сумішшю за допомогою охолоджуючих пристроїв до температури 450°С; у четвертій зоні довжиною 4,5м після первинного охолодження рейки піддаються самовідпустці при температурі 380-500°С. У зоні нагрівання, первинного охолодження і самовідпустки рейки згинаються увігнутістю на голівку. У зоні наступної за зоною самовідпустки, рейки прохолоджуються водою до 50°С и одночасно згинаються опуклістю на голівку. Після виходу з машини рейки довжиною 25м мають загальний прогіб до 400мм. Рейки, що мають прогіб більш 400мм, підлягають забракаванню, правити такі рейки забороняється. Потім рейки з кривизною до 400мм надходять на правильну машину для виправлення в двох площинах, а потім піддаються виправленню на штемпельних пресах. Після виправлення рейки направляються для приймання і здачі споживачеві. Існуюча технологія термічної обробки рейок на ВАТ МК «Азовсталь» має ряд істотних недоліків. Наприклад, після термічного зміцнення в перетині рейок виникають залишкові напруги до 16кг/мм2, роблячи безпосередній вплив на контактну витривалість і утомленну міцність унаслідок підсумовування з напругами від зовнішніх навантажень. Для цієї технології характерне виникнення високих напруг, що розтягують, в області робочої поверхні головки рейки, що є причиною передчасного виходу рейок з ладу при експлуатації на залізницях. Термічно зміцнена рейка на глибині до 13мм повинна мати троостосорбітну мікроструктуру. Наявність інших морфологічних типів мікроструктур - бейніта або мартенситу, що обумовлюють структурну неоднорідність, не допускається. Щорічне відбраковування рейок за цією ознакою складають 5%. Значна частина рейок, що мають відступи від вимог ТУ. 0921-047-01124328-96 направляється на середню відпустку в термічній печі при температурі 450+/-10°С, а при порушеннях режимів загартування з нагріванням СВЧ із відступами, направля 87084 4 ються на високу відпустку в печі при температурі 590+/-10°С з витримкою в плині 3 годин. Найбільш істотним недоліком даного способу нагрівання СВЧ, є досить високий діапазон температур нагрівання під загартування 920-970°С, що обумовлено фізичною природою нагрівання за рахунок вихрових струмів, що наводяться за допомогою індукторів. Як відомо, гранична температура нагрівання під загартування рейкової сталі з охолодженням водою не перевищує 820°С. Тому таке нагрівання СВЧ приводить до формування грубозернистого аустеніту на глибину до 5мм, що при загартуванні сприяє формуванню грубозернистої феритної фази і продуктів розпаду аустеніту. У результаті робоча контактна поверхня головки рейки виходить з низькими якісними показниками службових властивостей. Крім того, не забезпечується необхідна продуктивність процесу при потоковому виробництві. Необхідними технічними результатами винаходу є: здрібнювання зерна аустеніту до 14 номера; підвищення холодостійкості рейки; зниження схильності до механічного старіння; підвищення ударної в'язкості рейок у 2-3 рази без зниження міцності рейок; підвищення комплексу фізикомеханічних властивостей і твердості стали; збільшення експлуатаційної стійкості рейок; зниження витрати енергоресурсів у 2 рази в порівнянні з СВЧ і полум'яними печами; зниження трудомісткості виготовлення рейок за рахунок виключення операцій холодного виправлення після термозміцнювання; забезпечення захисту навколишнього середовища. З цією метою запропонований спосіб швидкісної електротермічної обробки рейок (ШЕТО), що включає нагрівання рейок у лінійно-пружному напруженому стані, шляхом прямого пропущення струму частотою 50Гц на машині електроконтактного нагрівання (ЕКН) нагріванням зі швидкістю 150°С/сек до температури аустенізації 780-890°С, витримують 10-30сек, і прискорено прохолоджують (гартують) головку рейки одночасно по всій довжині киплячою водоповітряною сумішшю зі швидкістю охолодження 30-40°С/сек до температури 400-500°С, при досягненні головкою рейки температури 400-500°С, виробляється остаточне об'ємне загартування рейки, що включає одночасне охолодження голівки, шейки і підошви рейки до температури не вище 100°С, після чого роблять повторне нагрівання на відпустку зі швидкістю 150°С/сек до температури 400-650°С з витримкою при відпустці не більш 200сек. Після термозміцнення рейки направляються для приймання і здачі споживачеві. Об'ємно-напружений стан у рейках у процесі ШЕТО забезпечується гідравлічним приводом машини ЕКН, що створює зусилля розтягання в рейці від 20Мпа до 60Мпа. Параметри меж, що заявляються, термозміцнення рейок обрані експериментальним шляхом з урахуванням вимог ДСТУ 4344:2004 до мікроструктури, механічним властивостям, твердості сталі і кривизні рейок. Спосіб, що заявляється, був здійснений у промислових і напівпромислових умовах на рейках 5 87084 Р65 виробництва ВАТ МК «Азовсталь». Рейки довжиною 12,5м, а також рейкові проби довжиною 1,7м термообробляли по новому способу, що заявляється, на агрегаті ЕКН Краматорського металургійного заводу й установці ЕКН УкрДержНІІ КМ «Прометей» відповідно. Після термообробки, проводили виміри кривизни рейок, контроль мікроструктури і визначення механічних властивостей і твердості. Результати фізико-механічних іспитів рейок приведені в таблиці №1 Пропонований спосіб об'ємної швидкісної електротермічної обробки рейок у порівнянні з відомими способами забезпечує прямолінійність рейок і підвищення механічних властивостей вище вимог ДСТУ 4344:2004, що уможливлює використання рейок на особливо навантажених ділянках залізниць, включаючи ділянки північних регіонів. У результаті формування однорідної мікроструктури 6 дрібнодисперсного троостосорбіта практично на всю глибину головки рейки, підвищений опір контактноутомленим руйнуванням і збільшується термін служби рейок при однаковому хімічному складі стали. Спосіб ШЕТО дозволяє: - заощаджувати енергоресурси на термообробку в 2 рази в порівнянні з СВЧ і полум'яними печами; - знизити трудомісткість виготовлення рейок за рахунок виключення операцій холодного виправлення після термозміцнення; - забезпечити захист навколишнього середовища при термообробці. Джерела інформації: 1. А.С. СРСР №176943, кл. C21D9/04. 2. А.С. СРСР №121464 і 121463, кл. C21D9/04. 3. А.С. СРСР №259119, кл. C21D9/04. Таблиця №1 Результати фізико-механічних іспитів і досліджень мікроструктури Твердість Механічні властивості по перетині Ударна в’язкість Вид Марка Спосіб термо- Мікроструктура горейки НВ S5, dВ, dТ, j, KCU дж/см2 прокату стали обробки ловки рейки 2 2 % н/мм н/мм % ПКГ 13мм +20°С -60°С Рейка дрібнодисперсний 405М76* Пропонований 390 1450 1080 17 55 145 115 Р65 троостосорбіт 420 Відомий Рейка ТИ-232-18-94 Сорбіт загартуван- 320М76 310 1117 883 13,3 33 55 15 Р65 ВАТ МК «Азовня 375 сталь» Рейка ДСТУ** 374М76 п. 5.1.11 ДСТУ 321 1290 850 10 30 15 Р65 4344:2004 401 * По ковшевій пробі зміст: С - 0,77%, Мn - 1,25%, Si - 0,35%. ** Норми для рейок вищої категорії. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601