CC BY
19С.С. Пузырев, В.Ю. Рубцов
АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»
И.С. Новожилов ПМХ Тагильская сталь
ПРОИЗВОДСТВО ТЕРМОУПРОЧНЕННЫХ РЕЛЬСОВ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ
Аннотация. Представлен обзор достижений в развитии производства термоупроч-ненных рельсов. Сфокусировано внимание на способах достижения требуемых свойств для дифференцированно-закаленных рельсов. Показана сравнительная характеристика различных способов, действующих на различных рельсобалочных станах в мировой практике.
Ключевые слова: термоупрочненный рельс, объемная закалка, дифференцированная закалка, рельсобалочные станы, охлаждающая среда.
В настоящее время существует множество различных способов производства термо-упрочненных рельсов, предлагается произвести небольшой экскурс по технологиям их производства, чтобы понять преимущества и недостатки того или иного вида.
Первые рельсы изготавливались в основном из чугуна. Было установлено, что стальные рельсы изнашиваются меньше и равномернее, чем чугунные. В настоящее время во всех странах применяют только стальные рельсы, металл которых (кроме углерода) содержит кремний, марганец и другие добавки, повышающие его качество. Широкое распространение получили термически упрочненные рельсы, твердость материала которых повышена с 290-300 до 360-380 единиц по Бринеллю, что в 2-3 раза повышает их износоустойчивость. В дальнейшем, профиль рельса изменился мало, зато его масса увеличилась с 20-24 до 75-77 кг/м. Для дорог широкой колеи наиболее часто стали применять рельсы массой: 54-60 кг/м в Западной Европе, 65-75 кг/м в СНГ, 66-70 кг/м в США, Канаде, Австралии [1].
По экспертным оценкам, ежегодно в мире производится и потребляется около 11 млн. тонн рельсов. До 30% спроса приходится на Китай, по длине железных дорог все еще догоняющий США. Потребности РФ со странами СНГ, Северной Америки (США и Канада) и Индии в рельсах сопоставимы и находятся на уровне 1-1,5 млн. тонн в год. Крупные страны Евросоюза и Юго-Восточной Азии в среднем потребляют 100-200 тыс. тонн в год каждая. Столько же приходится на Австралию, а в Бразилии, где также развита горнодобывающая промышленность и высоки потребности в железнодорожных перевозках, спрос еще выше [2].
Для производства рельсов в настоящее время в мире насчитывается более 20 действующих рельсобалочных станов. На территории стран с большой протяженностью железных дорог имеется по несколько рельсобалочных станов. Таким образом, только на постсоветском пространстве находятся:
- три рельсобалочных стана на территории РФ: АО «ЕВРАЗ-НКМК» г. Новокузнецк, ОАО «МЕЧЕЛ» г. Челябинск, АО «ЕВРАЗ-НТМК» г. Нижний Тагил, а также планируется строительство четвертого рельсобалочного стана «Новосталь-М» г. Балаково;
- три рельсобалочных стана на территории Украины: стан 800 МК «Азовсталь» в г. Мариуполь, стан 925 Днепровского МК им. Дзержинского в г. Днепр, стан 800 Днепропетровского МЗ им. Петровского в г. Днепропетровск;
- ТОО «Актюбинский рельсобалочный завод» в Республике Казахстан г. Актобе.
При этом на рынке рельсов отсутствует единый стандарт на продукцию, и каждое государство, производящее рельсы, имеет практически индивидуальные стандарты на рельсовый профиль, на химический состав и на методы испытания рельсов, а также у каждого предприятия существует своя линия термообработки рельсов, которые могут существенно отличаться друг от друга. Для понимания преимуществ и недостатков тероупрочненных рельсов тем или иным способом рассмотрим данные способы по типам термоупрочнения.
Ещё в 1935 году был предложен способ поверхностной закалки рельсов, с использованием нагрева головки рельса токами высокой частоты [3] (рис. 1а).
а б в г
Рис. 1. Способы получения рельсов с высокой твердостью головки:
а) индукционный нагрев головки;
б) закалка рельсов с исключением попадания воды на подошву;
в) закалки рельсов с подогревом подошвы;
г) концепт рельса со сменной головкой
Согласно другому изобретению [4], термическую обработку необходимо производить после изотермической выдержки, с последующим общим нагревом рельса, до температуры его нормализации, а закалку производить по поверхности катания водоструйным охлаждением, после чего проводить окончательную нормализацию рельса.
Еще один способ термической обработки рельсов [5] заключается в проведении объемной закалки рельсов в масле, с предварительным подстуживанием поверхности катания во-довоздушной смесью до температуры 350-500° С.
Несмотря на ряд достоинств объемной закалки рельсов, она создаёт концентрацию напряжений в зонах быстрого охлаждения, что может привести к разрушению рельса. Для снижения в рельсах остаточных напряжений, приводящих к хрупкому разрушению и для повышения производительности закалочного устройства в изобретении [6] было предложено после закалки в масле, производить средний отпуск рельсов в печи с температурой 250-400° С.
В качестве еще одного способа термической обработки для получения высоких механических свойств [7] французским изобретателем Жаком Помейем было предложено после изотермической выдержки, при температуре 150-300° С производить нагрев до температуры 380-450° С (бейнитного превращения), а затем нагрев до температуры 550° С, с проведением отпуска на воздухе.
Ряд изобретений по термической обработке рельсов направлены на корректировку режимов закалки и отпуска рельсов, включая дополнительный отпуск [8, 9] или термомеханическую обработку, с предварительным созданием упруго-напряженного состояния [10-12], а также применение специальных охлаждающих устройств [13-14], и многостадийную закалку [15-16], что указывает на новый шаг в проведении термической обработки, который способствует снижению остаточных напряжений после закалки и правки рельсов.
Ещё одним из направлений для улучшения свойств термоупрочненных рельсов является использование специальной охлаждающей среды, имеющий свойства высокой теплопроводности как у воды, и при этом высокую теплоемкость как у масла, что ускоряет процесс термообработки, однако позволяет снизить концентрацию напряжений в металле. В качестве примера использования охлаждающей среды в изобретениях [17-19], предлагается применять водные растворы полимеров и в частности поликриламида. Применение такого способа охлаждения позволяет улучшить однородность структуры и твердости по сечению головки
термоупроченнных рельсов и, как следствие, повысить их сопротивляемость образованию дефектов при эксплуатации.
Для улучшения свойств были предложены варианты проведения дополнительного ступенчатого диффузионного отжига заготовки перед прокаткой [20].
Также было определено, что при дифференцированной закалке рельсов попадание воды на подошву рельса приводит к короблению и внутренним дефектам, поэтому была предложена конструкция [21 ] для защиты подошвы рельса от попадания на неё воды в процессе закалки (рис. 1б).
Согласно другому изобретению нагрев головки осуществляют с использованием струйно-факельного потока газов с одновременным подогревом шейки и подошвы рельса продуктами сгорания, а охлаждение головки и подошвы ведут одновременно с обеспечением перепада температур, а процессе охлаждения между ними не более 100° С [22]. Данная технология обеспечивается конструкцией, изображенной на рис. 1в.
В последующем стали применять комбинации вышеперечисленных способов: например, нагрев ТВЧ и двухстадийную закалку [23-24].
Исходя из вышесказанного можно утверждать, что на сегодняшний день дифференцированно-закаленные рельсы обладают более высокими свойствами, чем объемно закаленные, так как у них имеется более вязкая структура в подошве и шейке [25], обладающая хорошей ударной вязкостью, позволяющая выдерживать большие усилия, и более твердая и соответственно износостойкая головка, которая решает вопрос повышения ресурса рельса. Не зря в 1931 году в США был предложен способ изготовления составного рельса, со сменной частью головки [26], изображенный на рис. 1г.
Для подведения итогов обзора различных технологий термической обработки, в табл. 1 представлены существующие технологии термической обработки, используемые на различных рельсобалочных станах [27].
Таблица 1
Технологии термической обработки рельсов, применяемые на различных предприятиях
Компания Страна Закалочная среда Тип нагрева Тип установки
VOEST ALPINE Австрия Полимерная среда Прокатный
MECHEL Стационарная
EVRAZ NTMK РФ Масло Повторный
EVRAZ ZSMK Прокатный
з-д в г. Айянж Франция Повторный Проходная
NIPPON STEEL Япония Стационарная
EVRAZ NA США
PANGANG Китай Сжатый воздух
ANGANO Проходная
ONESTEEL Австралия
WISCO Китай
SDI США Прокатный Стационарная
HANDAN Китай
SAIL Индия
JSPL
JFE Япония Проходная
ARCELOR MITTAL Испания Водо-воздушная смесь
ARCELOR MITTAL США
BAOTOU Китай
ARBZ Казахстан Прокатный + повторный
KARDEMIR Турция Прокатный Стационарная
Из табл. 1 видно, что наиболее предпочтитаемы технологии закалки с прокатного нагрева, а наибольшее распространение в качестве закалочной среды имеют сжатый воздух или водо-воздушная смесь [28].
Полимерная среда используется только на станах VOEST ALPINE и MECHEL [29-30]. Масло в качестве среды для объемной закалки только на ЕВРАЗ НТМК, однако также в настоящее время планируется реконструкция стана с заменой данной технологии на диффе-рецированную закалку [31]. А среди инновационных технологий на стане KARDEMIR внедрена технология закалки, где в качестве закалочной среды используется воздух регулируемой влажности [32].
Дальнейшие направления развития технологий дифференцированного термоупрочнения представлены в работах [33-34]. А основные преимущества и недостатки той или иной технологии обобщены и показаны в табл. 2.
Таблица 2
Достоинства и недостатки различных технологий термической обработки рельсов
Способ термоупрочнения рельсов Достоинства Недостатки
Объемная закалка в масле с отдельного нагрева Стабильный уровень механических свойств, твердости и микроструктуры. 1. Технология только для углеродистых сталей. 2. Твердость по головке рельсов в результате закалки ограничена и достижимый предел недостаточен для сегодняшних требований. 3. Отсутствие возможности изменять скорость охлаждения в процессе закалки. 4. Пожароопасная и неэкологичная технология.
Дифференцированная закалка сжатым воздухом с прокатного нагрева 1. Обеспечение высокой прямолинейности рельсов. 2. Низкий уровень остаточных напряжений. 3. Обеспечение стабильно высокого уровня механических свойств, твердости и микроструктуры. 1. Отсутствие запаса по увеличению охлаждающей способности. 2. Необходимость проведения легирования (прежде всего хромом).
Дифференцированная закалка водо-воздушной смесью с прокатного нагрева с дополнительным подогревом 1. Обеспечение высокой прямолинейности рельсов. 2. Высокая охлаждающая способность смеси. 3. Низкий уровень остаточных напряжений. 4. Возможность изменять скорость охлаждения в процессе закалки. 5. Возможность закалки рельсов из нелегированных марок сталей. 1. Дополнительные затраты на подогрев. 2. Возможна неоднородность уровня механических свойств, твердости и микроструктуры по длине рельса. 3. Вероятность получения на поверхности головки бейнитного или мартенситного слоя. 4. Высокие требования к водоподготовке. 5. Дополнительные требования к температурным условиям работы оборудования.
Дифференцированная закалка в полимерной среде с прокатного нагрева 1. Обеспечение высокой прямолинейности рельсов. 2. Возможность закалки рельсов из нелегированных марок сталей. 1. Возможна неоднородность уровня механических свойств, твердости и микроструктуры по длине рельса. 2. Высокие требования к температуре и концентрации водного раствора полимера. 3. Отсутствие возможности изменять скорость охлаждения в процессе закалки.
Дифференцированная закалка сжатым воздухом с регулируемой влажностью с прокатного нагрева 1. Обеспечение высокой прямолинейности рельсов. 2. Низкий уровень остаточных напряжений. 3. Возможность изменять скорость охлаждения в процессе закалки в широком диапазоне (2-14 град./сек). 4. Возможность закалки рельсов из нелегированных марок сталей. 5. Обеспечение стабильно высокого уровня механических свойств, твердости и микроструктуры. 1. Высокие требования к водоподготовке. 2. Дополнительные требования к температурным условиям работы оборудования из-за наличия воды.
Таким образом, представленный обзор достижений в развитии производства термо-упрочненных рельсов, позволяет сравнить характеристики различных способов, действующих на рельсобалочных станах в мировой практике.
Библиографический список
1. История развития железнодорожного пути: [сайт]. URL: http://www.rzd-expo.ru/history/ history_of_railway_track (дата обращения: 25.07.2022).
2. Рельсы собрались в долгий путь [сайт]. URL: https://www.kommersant.ru/doc/3969768 (дата обращения: 25.07.2022).
3. АС. SU 48413. МПК51 С2Ш 9/04. Способ поверхностной закалки рельсов / В.П. Во-логдин, Б.Н. Романов // Опубл. 31.08.1936. Бюл. № 8. 2 с.
4. АС. SU 114390 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / Ю.В. Грдина // Опубл. 01.01.1958. Бюл. № 7. 2 с.
5. АС. SU 176942 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / Ю.В. Грдина, А.А. Говоров, В.С. Львов [и др.] // Опубл. 01.12.1966. Бюл. № 24. 1 с.
6. А С. SU 242942 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ закалки рельсов / П.Т. Беседин // Опубл. 15.03.1986. Бюл. № 10. 2 с.
7. АС. SU 264262 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / Жак Помей // Опубл. 10.11.1970. Бюл. № 8. 2 с.
8. АС. SU 378459 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / П.Б. Беседин // Опубл. 18.04.1973. Бюл. № 19. 1 с.
9. АС. SU 502962 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / Д.С. Казарновский, А.П. Бабич, В.Е. Сапожков [и др.] // Опубл. 15.02.1976. Бюл. № 6. 1 с.
10. АС. SU 434113 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / Д.С. Казарновский, В.С. Точиленко, А.П. Бабич [и др.] // Опубл. 30.06.1974. Бюл. № 24. 1 с.
11. АС. SU 444822 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов /
B.С. Точиленко, Д.С. Казарновский, С.Т. Плискановский [и др.] // Опубл. 30.09.1974. Бюл. № 36. 2 с.
12. АС. SU 1077933 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / В Н. Ермолаев, А.П. Бабич, Б.С. Кисиль [и др.] // Опубл. 07.03.1984. Бюл. № 9. 3 с.
13. АС. SU 518970 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки головок рельсов / П.Т. Беседин // Опубл. 15.09.1983. Бюл. № 34. 2 с.
14. АС. SU 1082843 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов /
C.А. Линев // Опубл. 30.03.1984. Бюл. № 12. 2 с.
15. АС. SU 837070 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / Д.С. Казарновский, А.П. Бабич, В.Е. Сапожков [и др.] // Опубл. 23.11.1982. Бюл. № 43. 2 с.
16. А С. SU 1399359 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термообработки рельсов / Е.А. Миль-ман, С.Г. Гончаренко, В.А. Изюмский [и др.] // Опубл. 30.05.1988. Бюл. № 20. 4 с.
17. АС. SU 1174487 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / А.П. Бабич, В Н. Ермолаев, В.И. Шпак [и др.] // Опубл. 23.08.1985. Бюл. № 31. 3 с.
18. АС. SU 1502634 A1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / В Н. Поляков, В.С. Лиханский, О С. Хусид [и др.] // Опубл. 23.08.1989. Бюл. № 31. 3 с.
19. Исследование возможности использования полимерной среды для закалки рельсов / Э.Л. Колосова [и др.] // Известия вузов. Чёрная металлургия, 1988. № 12. С. 76-80.
20. А С. SU 1300946 A1. МПК51 С2Ш 1/02. Способ производства рельсов / Д.К. Нестеров, Н.Ф. Левченко, В.Е. Сапожков [и др.] // Опубл. 30.05.1991. Бюл. № 20. 5 с.
21. Пат. RU 2003705 A1. МПК51 C21D 9/04. Способ термической обработки рельсов и установка для его осуществления / В.М. Федин, В.П. Девяткин, Е.А. Шур [и др.] // Опубл. 30.11.1993. Бюл. № 43, 44. 10 с.
22. Пат. RU 2037534 С1. МПК51 C21D 9/04. Способ термической обработки рельсов / А.Г. Меньшиков // Опубл. 19.06.1995. 10 с.
23. Пат. RU 2058997 С1. МПК51 С2Ш 9/04. Способ термической обработки рельсов / А.И. Кармазин // Опубл. 27.04.1996. 4 с.
24. Левченко Н.Ф., Сапожков В.Е., Тихонюк Л.С. Совершенствуем технологию закалки рельсов // Путь и путевое хозяйство. 1993. № 8. С. 12.
25. Рейхарт В.А. Ударная вязкость рельсовой стали // Путь и путевое хозяйство. 2005. № 12. С. 17-18.
26. Пат. US 1856911 A. E01B5/08. Rail and method of assembling the same / R. Faries; Young Charles D // Опубл. 03.05.1932.
27. Юнин Г.Н. Сравнительная характеристика качества железнодорожных рельсов российских и зарубежных производителей // Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений: сб. науч. док. по мат. заседания некоммерческого партнерства «Рельсовая комиссия», Нижний Тагил, 25-26 июня 2008 г. Екатеринбург, 2009. С. 87-99.
28. Шур Е.А. Новый метод термической обработки рельсов // Материалы рельсовой комиссии 2005: сб. док. - Нижний Тагил, 2005. С. 221-231.
29. Исследование возможности закалки рельсов в водополимерных средах / В.И. Ворожи-щев [и др.] // Сталь. 2005. № 11. С. 126-131.
30. Снитко Ю.П. Челябинские рельсы будут лучшими // Металлы Евразии. 2009. № 1. С. 42-46.
31. Формирование тонкой структуры рельсов при объемной и дифференцированной закалке / К.В. Морозов, В.Е. Громов, О.А. Перегудов [и др.] // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2016. № 1. С. 53-61.
32. Пат. RU 2487177 С1. МПК51 С21 D 9/04. Способ и установка термической обработки рельсов / С В. Хлыст, В.М. Кузьмиченко [и др.] // Опубл. 10.07.2013. Бюл. № 19. 16 с.
33. Полевой Е.В. Разработка ресурсосберегающей технологии дифференцированной термической обработки длинномерных железнодорожных рельсов: дис. ... канд. техн. наук: спец. 05.16.01. Новокузнецк, 2018. 132 с.
34. Юрьев А.А. Эволюция структуры и свойств дифференцированно закаленных рельсов в процессе длительной эксплуатации: дис. ... канд. техн. наук: спец. 01.04.07. Новокузнецк, 2018. 156 с.
•- INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•
S.S. Puzyrev, V.Yu. Rubtsov
EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant
I.S. Novozhilov PMH Tagil steel
PRODUCTION OF HEAT-THREATMENT RAILS BY DIFFERENT METHODS
Abstract. Review achievements in development of heat-strengthened rails production is presented. Attention is focused on ways to achieve required properties for differentially heat treatment rails. Comparative characteristic of various heat treatment rails methods at various rail and beam mills in world practice is shown.
Keywords: heat treatment rail, bulk quenching, differentiated quenching, rail and beam mills, cooling medium.
