Технологический процесс прокатки рельсов (термообработка, отделка и испытание)
Процесс прокатки и последующей обработки рельсов сводится к следующему. Нагретые до 1180-1200 °С блюмы сечением 250Х250-300Х300 мм выдаются из печи и поступают к реверсивной клети, где дается 5-7 проходов в ящичных и тавровых калибрах. После этого раскат поступает на первую и вторую черновые трехвалковые клети, на валках которой имеются рельсовые калибры. Последний проход производят в чистовом калибре двухвалковой клети. Температура в конце прокатки составляет – 900 °С.
По выходе из чистовой клети полосы длиной до 75 м по рольгангу подают к салазковым пилам горячей резки, разрезают на длины 12,5 или 25 м с учетом усадки их при охлаждении и припуском на механическую обработку торцев на фрезерных станках. После резки рельсы проходят клеймовочную машину, где на их шейку наносят номер плавки и порядковый номер рельса из слитка, считая первым рельс, полученный из верхней (головной) части слитка.
Перед поступлением рельсов на холодильник роликовой машиной производят предварительную загибку на подошву, т. е. так, чтобы головка находилась на внешней образующей. То обстоятельство, что по своей форме головка рельса отличается от подошвы большим объемом с меньшей поверхностью, приводит в процессе прокатки к появлению разницы температуры головки и подошвы. Температура головки рельса по окончании прокатки всегда на 50-70 °С выше температуры подошвы. Это вызывает различную усадку по головке и подошве, а также искривление рельса по мере его охлаждения. Если же предварительно выполнить загиб на подошву, то при охлаждении рельсы становятся более прямыми, а это упрощает выполнение последующего процесса правки и уменьшает при правке в холодном состоянии появление дополнительных напряжений, снижающих качество рельсов.
Для охлаждения металла после прокатки на рельсобалочном стане предусмотрены холодильники, состоящие из нескольких групп и занимающие площадь более 2000 м2. Полосы по мере охлаждения перемещаются шлепперами перпендикулярно пролету стана.
Так как рельсовая сталь склонна к флокенообразованию, то при изготовлении рельсов на это обращают особое внимание. Появление флокенов связывают с наличием в стали водорода, который находится в твердом растворе. В процессе охлаждения стали атомный водород выделяется из раствора, переходя в молекулярный (Н2), при этом давление внутри некоторого объема металла возрастает и может достичь значительных величин. Одновременно с этим атомарный водород в стали может весьма активно взаимодействовать с цементитом, образуя метан. В результате этого наблюдается резкое увеличение внутреннего давления в данном объеме металла. Напряжения, возникающие вследствие этого, суммируясь с термическими и структурными напряжениями, которые появляются в участках неравновесных структур при охлаждении стали, вызывают образование флокенов.
Для предупреждения образования флокенов применяют изотермическую выдержку при температурах, отвечающих максимальной подвижности водорода. Для рельсовой стали температура изотермической выдержки в течение 2 ч составляет 600-650 °С. Перед изотермической выдержкой металл полезно переохладить до 250-300 °С на некоторое время, а затем снова нагреть до температуры изотермической выдержки. Это сокращает продолжительность самой выдержки.
Помимо изотермической выдержки, для предупреждения образования флокенов применяют замедленное охлаждение уже с 400-450 °С в течение 4-5 ч. В производственных условиях замедленное охлаждение осуществляют в коробах или колодцах. В короб, представляющий металлический каркас, футерованный изнутри шамотом, загружается 40-80 т рельсов, после чего короб закрывают крышкой. Охлаждение длится 7 ч; дополнительно рельсы выдерживают в коробах 30 мин со снятой крышкой. Замедленное охлаждение не только предупреждает образование в рельсах флокенов, но и уменьшает возможность появления термических остаточных напряжений.
Надежным способом предохранения рельсов от образования флокенов являются процесс вакуумирования жидкой стали, что обеспечивает снижение содержания водорода в стали до неопасного, или замедленного охлаждения блюмов после прокатки на блюминге. В последнем случае имеют место потери тепла в блюмах. Однако отсутствие флокенов в блюмах и возможность организации тщательной зачистки поверхностных дефектов на них после охлаждения резко увеличивает выход рельсов первого сорта, что окупит расходы на дополнительный нагрев блюмов в методических печах.
Улучшение свойств стали по длине рельса обеспечивает процесс нормализации и сорбитизации, ибо это способствует получению мелкозернистой структуры. Следовательно, данные процессы повышают вязкость и усталостную прочность. а бессемеровская сталь теряет склонность к старению. Для нормализации устанавливают проходные печи, в которых рельсы нагревают до 840-860 °С, а затем охлаждают на воздухе.
Получение сорбитной структуры в головке рельса и по всей его длине производится как с прокатного нагрева, так и с нормализованного. Для обеспечения необходимых структурных превращений в рельсовой стали, температура металла при закалке должна быть не ниже 750 °С. При этом сам процесс закалки выполняется или периодическим погружением головки в воду, или обрызгиванием водой с последующим самоотпуском, что обеспечивает получение сорбитной структуры.
Высокие механические свойства металла можно получить при объемной закалке рельсов в масле. При такой обработке необходимы печь скоростного нагрева, транспортные средства, закалочная траверса, масляный бак и печь для отпуска. Рельс нагревается до 890-920 °С при непрерывном возвратно-поступательном движении для более равномерного прогрева. После выдачи из печи для выравнивания температуры по длине рельса дают выдержку на воздухе 30-60 с, при этом рельс охлаждается до 820-840 °С. Закалка производится погружением рельса в бак с веретенным маслом, имеющим температуру 120 °С. Охлаждение длится 5-8 мин, после чего дается двухчасовой отпуск при 480-500 °С. Такая обработка обеспечивает получение сорбитной структуры, а это увеличивает предел прочности и текучести, ударную вязкость и износостойкость.
Объемная закалка в масле увеличивает стойкость по поверхностному износу в 2,5 и по боковому в 1,9 раза. По заключению ЦНИИ МПС закалка рельсов в масле по всему объему увеличивает контактно-усталостную прочность рельсов в 1,5-2 раза, стойкость в 2 и более раза, эксплуатационную надежность до 99.9 % вместо 96 % (при пропуске 100 млн. т брутто), сокращает случаи одиночного изъятия рельсов на 1 км пути.
Перед окончательной отделкой рельсов производится их правка в холодном состоянии на роликоправильных машинах и вертикальных штемпельных прессах. Выправленные рельсы подаются на фрезерные группы, где их торцуют и придают точные размеры по длине, а также сверлят отверстия в шейке, необходимые для скрепления рельсов друг с другом при их укладке в пути.
Наибольшим динамическим воздействиям при эксплуатации рельсов подвергаются их концы на стыках. Чтобы увеличить долговечность рельса, его концы закаливают токами высокой частоты с целью получения сорбитной структуры.
Заключительным этапом подготовки рельсов перед сдачей заказчику является их тщательный осмотр на инспекторских стеллажах. Такие внешние дефекты, как трещины и волосовины, следы усадочной раковины и рыхлости, расслоения, плены, отклонения в размерах профиля, наличие закатов и пр., считаются недопустимыми. Рельсы перед сдачей потребителю проходят ударные испытания, проверку механических свойств, а также соответствие химическому составу данной партии рельсов.