Из какого металла делают рельсы. Из чего сделаны железнодорожные рельсы. Производство рельсовой стали с применением модификаторов

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение
1. Общая характеристика рельсовых сталей
2. Химический состав и требования к качеству рельсовой стали
3. Технология производства рельсовых сталей
4. Производство рельсовой стали с применением модификаторов
Заключение
Список использованных источников

Введение

Рельсовая сталь - это углеродистая легированная сталь, которая легируется кремнием и марганцем. Углерод дает стали такие характеристики, как твердость и износостойкость. Марганец увеличивает эти качества и повышает вязкость. Кремний также делает рельсовую сталь более твердой и износостойкой. Рельсовую сталь может стать еще качественнее с помощью микролегирующих добавок: ванадия, титана и циркония.

Широкий спектр требований, предъявляемых в связи с этим к качеству железнодорожных рельсов, требует совершенствования технологических процессов, разработки, опробования и внедрения новых технологий и использования прогрессивных процессов в области производства рельсов.

Основной причиной малой распространенности производства рельсов из электростали является целевая направленность строительства современных электросталеплавильных цехов с печами большой емкости на утилизацию региональных ресурсов скрапа и обеспечение регионов металлопродукцией промышленного и строительного назначения. При этом достигаются достаточно высокая экономическая эффективность и конкурентоспособность.

1. Общая характеристика рельсовых сталей

Производство рельсов в нашей стране составляет около 3,5 % от общего производства готового проката, а грузонапряженность железных дорог в 5 раз выше, чем в США, и в 8...12 раз выше, чем на дорогах других развитых капиталистических стран. Это налагает особо высокие требования к качеству рельсов и стали для их изготовления.

Рельсы подразделяют:

- по типам Р50, Р65, Р65К (для наружных нитей кривых участков пути), Р75;

- категориям качества: В - рельсы термоупрочненные высшего качества, T1, T2 - рельсы термоупрочненные, Н - рельсы нетермоупрочненные;

- наличию болтовых отверстий: с отверстиями на обоих концах, без отверстий;

- способу выплавки стали: М - из мартеновской стали, К - из конвертерной стали, Э - из электростали;

- виду исходных заготовок: из слитков, из непрерывно-литых заготовок (НЛЗ);

- способу противофлокенной обработки: из вакуумированной стали, прошедшие контролируемое охлаждение, прошедшие изотермическую выдержку.

Химический состав рельсовых сталей представлен в таблице 1 в марках стали буквы М, К и Э обозначают способ выплавки стали, цифры - среднюю массовую долю углерода, буквы Ф, С, X, Т - легирование стали ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

Таблица 1 - Химический состав рельсовых сталей (ГОСТ 51685 - 2000)

Рельсы железнодорожные широкой колеи типов Р75 и Р65 изготовляют по ГОСТ 24182-80 из мартеновской стали М76 (0,71... 0,82 % С; 0,75...1,05 % Mn; 0,18...0,40 % Si; < 0,035 % Р и < 0,045 % S), и более легкие типа Р50 - из стали М74 (0,69...0,80 % С). После горячей прокатки все рельсы подвергают изотермической обработке для удаления водорода с целью устранения возможности образования флокенов. Рельсы поставляют для эксплуатации на железных дорогах незакаленными (сырыми) по всей длине и термоупрочненными по всей длине. Концы сырых рельсов подвергают поверхностной закалке с прокатного нагрева или с нагрева ТВЧ. Длина закаленного слоя от торца рельса 50...80 мм, а твердость закаленной части IIB 311...401. Сырые рельсы из стали М76 должны иметь ов > Ј 900 МПа и 5 > 4%. Технология изготовления рельсов должна гарантировать отсутствие в них вытянутых вдоль направления прокатки строчек неметаллических включений (глинозема) длиной более 2 мм (группа I) и более 8 мм (группа II), так как подобные строчки служат источником зарождения трещин контактной усталости в процессе эксплуатации.

Высокая грузонапряженность железных дорог привела к тому, что работоспособность сырых нетермоупрочненных рельсов перестала удовлетворять требованиям тяжелой работы сети железных дорог.

Дальнейшее повышение эксплуатационной стойкости термически упрочненных рельсов может быть достигнуто легированием рельсовой стали. Перспективным является легирование углеродистой рельсовой стали небольшими добавками ванадия (-0,05 %), применение легированных сталей типа 75ГСТ, 75ХГМФ и др., а так же применение термомеханической обработки.

2. Химический состав и требования к качеству рельсовой стали

рельсовый сталь химический углеродистый

Стали, не имеющие марки или шифра, обозначены номером (шифром) соответствующего стандарта и порядковым номером в этом стандарте. Например, стали в стандарте США ASTM А1 обозначены как ASTM/1, ASTM/2 и т.д., стали в стандарте Канады - как CN/1, CN/2 и т.д., стали в стандартах Австралии в соответствии с шифром стандарта обозначены как AS/1 (стандарт AS 1085 р.1) и AS/11 (стандарт AS 1085 р.11).

Содержание углерода в рельсовой стали устанавливается в зависимости от размеров поперечного сечения рельса. В общем виде размеры рельса принято характеризовать величиной массы его погонного метра (кг/пог.м). Чем больше масса погонного метра, тем выше должно быть содержание углерода в рельсовой стали.

Марганец действует, как углерод, повышая уровень прочности и износостойкости горячекатаных рельсов. В связи с этим в стандарте Австралии AS 1085 р.1, наряду с содержанием отдельно углерода и марганца, нормируется также суммарный показатель их содержания (С+Mn/5). В стандарте ASTM А1 при высоком содержании марганца ограничено содержание никеля, хрома и молибдена, что нужно для получения однотипной структуры рельсовой стали путем обеспечения заданного уровня прокаливаемости. В марках сталей В, 3В и 90В (стандарты BS 11, ISO 5003 и UIC 860) уменьшение содержания углерода скомпенсировано увеличением содержания марганца.

В стандартах России (ГОСТ 24182, 18267) кроме пределов содержания основных химических элементов - углерода, кремния, марганца, фосфора и серы, нормируемых в большинстве зарубежных стандартов, установлены пределы содержания микролегирующих добавок: ванадий (марки стали М76В и М74В), цирконий (марки стали М76Ц, К74Ц и М74Ц), титан (марки стали М76Т, К74Т и М74Т) и ванадий вместе с титаном (марка стали М76ВТ), ограничено содержание мышьяка < 0,15% для сталей из керченских руд.

Рельсовые стали отечественного производства близки по содержанию марганца, кремния, фосфора и серы. Марки рельсовых сталей для определенного размерного типа рельса различаются микролегирующими добавками. Такие стали являются практически аналогами, поэтому в Сводном перечне они помещены друг за другом с указанием в каждой строке соответствующих им зарубежных аналогов. Повторение одной марки стали в двух и более строках Сводного перечня связано с тем, что имеется более одного аналога в стандартах одной страны. Например, в первой строке Сводного перечня указана отечественная марка стали М76 и её аналоги: по стандарту США ASTM А1 - ASTM/1, по стандарту Японии JIS 1124-1124, по стандарту Австралии AS 1085 р.11 - AS/11, по стандарту Канады CNR1 - CN/1 и по международному стандарту ISO 5003 - 2А. Во второй строке Сводного перечня для той же марки стали М76 указаны другие зарубежные аналоги: по стандарту США AREA сталь обозначена AREA/1, по стандарту Австралии AS 1085 р.1 - AS/1 и по стандарту Канады CNR12 - CN/2. Стали CN/1 и CN/2 различаются содержанием кремния, которое зависит от способа выплавки стали.

Значительное улучшение чистоты рельсовой стали и повышение её металлургического качества в России достигнуто в результате перехода от ковшового раскисления стали алюминием к раскислению её комплексным ванадий-кремний-кальциевыми, кремний-магний-титановыми и кальций-циркониевыми лигатурами. Комплексное раскисление рельсовой стали перечисленными лигатурами без применения алюминия позволило исключить образование в головке рельсов строчек включений глинозема, являвшихся очагами зарождения контактно-усталостных повреждений рельсов. Отсутствие строчечных неметаллических включений в головке рельсов привело к повышению их эксплуатационной стойкости.

В большинстве действующих стандартов право выбора способа производства стали предоставляется изготовителю, а информация о способе производства стали сообщается потребителю с помощью специальной маркировки рельсов. Известны случаи, когда в зависимости от способа разливки стали устанавливают различные пределы содержания химических элементов. Так, в канадском стандарте содержание кремния в стали при разливке в слитки составляет 0,10-0,25 %, при непрерывной разливке стали - 0,16-0.35 %.

Важным элементом технологической цепочки производства железнодорожных рельсов является противофлокенная обработка, заключающаяся в специальном режиме охлаждения горячекатаных рельсов тяжелых типов (40 кг/пог.м), обеспечивающем удаление водорода. либо в вакуумной дегазации жидкого рельсового металла перед разливкой. В стандарте канадских государственных железных дорог установлена норма максимально допустимого содержания водорода в вакуумированной стали.

Контроль технологии производства рельсовой стали в горячекатаном состоянии осуществляется путем определения механических свойств при испытании на растяжение образцов, вырезанных из головки рельсов, и измерением твердости по Бринеллю. При испытаниях на растяжение в большинстве случаев определяют временное сопротивление разрыву (предел прочности) и относительное удлинение, иногда - относительное поперечное сужение.

Производится также контроль макроструктуры горячекатаных рельсов с оценкой качества по специально разработанным шкалам макроструктур.

Качество рельсов оценивается также по отсутствию или наличию признаков разрушения отрезков рельсов в результате удара падающим грузом. Вес падающего груза (как правило, 1000 кг), высота падения груза и расстояние между опорами, на которые в горизонтальном положении устанавливается испытываемый отрезок (проба) рельса, задаются в зависимости от типоразмера рельса по уравнению или специальной таблице, приведенным в соответствующем стандарте. Удар производится по середине между опорами рельсовой пробы.

Свойства термически упрочненных рельсов оцениваются в стандартах механическими характеристиками: при испытаниях вырезанных из головки рельса образцов на растяжение, ударной вязкостью при комнатной и пониженных (-40°С, -60°С) температурах испытания и твердостью, измеряемой по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и Шору. Нормируются также микроструктура и глубина закаленного слоя, которые зависят как от химического состава рельсовой стали, определяющего уровень её прокаливаемости, так и от технологии термической обработки.

3. Технология производства рельсовых сталей

В кислородных конвертерах верхнего и комбинированного дутья дефос-форация начинается с первых минут продувки. Однако, при содержании углерода около 0,6 - 0,9% содержание фосфора в металле стабилизируется или даже несколько увеличивается. Дальнейшее понижение концентрации фосфора наблюдается при значительно более низком содержании углерода. Поэтому при высоком содержании фосфора в чугуне и прекращении продувки на марочном содержании углерода концентрация фосфора в металле обычно выше требуемого содержания его в стали.

Для получения требуемого содержания фосфора в высокоуглеродистой стали, которую выплавляют с прекращением продувки на марочном содержании углерода, используют обновление шлака. При этом понижается производительность сталеплавильных агрегатов, увеличиваются расходы шлакообразующих и чугуна.

На разных заводах повалку конвертера для слива шлака проводят при содержании углерода 1,2 - 2,5%. При содержании фосфора в чугуне 0,20 - 0,30% шлак обновляют дважды при содержании углерода 2,5 - 3,0% и 1,3 - 1,5%. После скачивания шлака в конвертер присаживают свежеобожженую известь. Содержание FeO в шлаке поддерживают в пределах 12 - 18%, изменяя уровень фурмы над ванной. Для разжижения шлака по ходу продувки присаживают плавиковый шпат в количестве 5 - 10% от массы извести. Эти мероприятия позволяют к моменту окончания продувки до марочного содержания углерода в стали получить концентрацию фосфора не более 0,010 - 0,020%.

Во время выпуска металл раскисляют в ковше ферросилицием и алюминием. При этом обязательной операцией является отсечка конвертерного шлака. Попадание его в ковш приводит к рефосфорации металла при раскислении и, особенно, при внепечной обработке под восстановительным шлаком для десульфурации.

Продувка металла в конвертере до низкого содержания углерода позволяет провести глубокую его дефосфорацию. В связи с этим некоторое распространение получила технология выплавки в кислородных конвертерах рельсовой и кордовой стали, которая предусматривает окисление углерода до 0,03 - 0,07% и последующее науглероживанием металла в ковше нефтяным коксом, антрацитом и др. Использование такой технологии требует наличия чистых по вредным примесям и газам карбюризаторов. Это вызывает необходимость в специальной их подготовке, организация которой может создавать значительные трудности.

На некоторых предприятиях используется технология производства рельсовой и кордовой стали в кислородных конвертерах путем выплавки низкоуглеродистого металла и последующего науглероживания его жидким чугуном, который заливают в сталеразливочный ковш перед выпуском плавки из конвертера. Ее использование предполагает наличие чугуна достаточно чистого по содержанию фосфора. Для получения содержания углерода в стали в требуемых пределах окончательное науглероживание раскисленного металла проводят твердыми карбюризаторами в процессе вакуумной обработки.

Вследствие низкого содержания кислорода в высокоуглеродистой рельсовой стали высокая степень чистоты ее по оксидным включениям может быть получена и без применения таких относительно сложных видов внепечной обработки, как вакуумирование или обработка на УКП. Обычно для этого достаточно продувки металла в ковше инертным газом. При этом, чтобы избежать вторичного окисления металла, ковшевой шлак должен содержать минимальное количество оксидов железа и марганца.

С этой целью при выплавке рельсовой стали в дуговых сталеплавильных печах, конструкция которых не предусматривает эркерного выпуска металла, рекомендуется проводить сокращенный восстановительный период плавки. Для этого после получения требуемого содержания фосфора в металле шлак окислительного периода плавки из печи сливают. Проводят предварительное раскисление стали кремнием и марганцем, которые вводят в печь в виде ферросилиция и ферромарганца или силикомарганца. Затем наводят в печи новый шлак, который перед выпуском плавки раскисляют молотым коксом или электродным боем и гранулированным алюминием. Возможно также использование с этой целью порошкового ферросилиция. Окончательное раскисление стали кремнием и алюминием производят в ковше во время выпуска. После выпуска в ковш металл продувают инертным газом для гомогенизации и, главным образом, для удаления скоплений А12О3. При эксплуатации рельсов скопления А12О3 вызывают возникновение расслоений в рабочей части головки рельса. Следствием расслоения может быть полное отделение отслоенных пластинок на головке рельса и преждевременный выход его из строя.

Более эффективным способом предупреждения образования расслоений в рельсовой стали, выплавленной как в конвертерах, так и в дуговых сталеплавильных печах, является модифицирование неметаллических включений обработкой стали кальцием. Обычно с этой целью используют силикокальций, который вводят в металл в составе порошковой проволоки или вдувают в потоке аргона через погружаемые в расплав фурмы.

4. Производство рельсовой стали с применением модификаторов

Рельсы выходят из строя по дефектам контактно-усталостного происхождения. В порядке одиночной смены из эксплуатации по этим дефектам до 50 % рельсов. Причиной образования дефектов является высокотвердые неметаллические включения типа глинозема (А12 O 3) и алюмосиликатов, вытягивающихся в строчки вдоль направления прокатки. В литом металле они образуют скопления, которые при прокатке дробятся и вытягиваются, образуя строчки, длина которых может достигать десятков миллиметров. Сама по себе величина отдельных включений глинозема (корунда) также влияет на величину напряжений и деформации в микрообъемах металла. Показано, что наибольшую опасность в рельсовой стали представляют включения корунда 30 мк [I]. По другим данным, строчечные включения корунда становятся опасными, снижающими усталостные свойства уже при величине 7-100 микромикрон .

Потому все работы при производстве рельсовой стали направлены на снижение как размера остроугольных включений, так и поиска решений по снижению длины их строчек в прокатанном металле.

В некоторой степени снизить загрязненность металла позволяет продувка металла в ковше инертным газом, вакуумирование, применение (одновременно с продувкой) наводки нового шлака твердыми шлаковыми смесями с отсечкой в ходе выпуска металла из сталеплавильного агрегата печного шлака [З]. Однако более координально проблема решается при условии применения для обработки рельсовой стали модификаторов.

На НТМК на первых стадиях экспериментов были применены модификаторы, содержащие кальций и цирконий. При этом на опытных плавках при наполнение ковша металлом (мартеновская плавка 440 т) на 1/5 его высоты порциями вводили FeSiCa (3,2 кг/тон) , а после него порциями - SiZr - 0,45 кг/тон. Дачу ферросплавов заканчивали при наполнении 2/3 ковша. Обнаруживали, что на опытном металле длина строчек 4 мм отсутствует, на обычном - более 20 % образцов со строчками 4-16 мм.

В дальнейшем , при использовании комплексных сплавов на базе силикокальция с цирконием и алюминием, расход 1,9 кг/тн. Оптимальный состав применяемого модификатора 6-7% Zr и 5-7% А1. При этом удалось обеспечить уровень ударной вязкости рельсов не менее 0,25 Mg 7/ M 2, а строчек длиной более 2 мм не обнаруживалось.

Украинские исследователи провели работу по опробованию лигатур с Mg и Ti при выплавке рельсовой стали в конвертерах и мартеновских печах [б]. Применение сплавов с Mg, Ti и А1 (55-58% Si, 4-5% Mg, 4-7% Ti) для модифицирования рельсовой стали в ковше позволило локализовать усадочные дефекты в прибыльной части слитка, уменьшить ликвацию элементов, на 27-32%о повысить износостойкость металла, но длина строчек глинозема была значительной, в среднем 5,3 мм. После использования лигатур без алюминия удалось снизить количество глиноземных включений и длину строчек. Присадка комплексной лигатуры СмтТи в ковш без присадки А1 обеспечила снижение пораженности рельсов поверхностными дефектами, в основном по пленам, на 5-8%о, добиться повышения выхода рельсов 1 сорта на 1,8-4,5%о. Длина строчек не достигала 2 мм, эксплуатационная стойкость и надежность опытных рельсов, соответственно, на 20-25%о выше, чем из стали, раскисленной алюминием.

Следующей попыткой снижения загрязненности рельсов строчечными оксидными включениями явилось применение для модифицирования стали сплава, содержащего барий алюмобария . При этом достигнуто более глубокое раскисление металла, общее содержание кислорода с 0,0036-0,006%о до 0,0026%о и уменьшение анизотропии пластических свойств. Модификатор присаживали в ковш.

Четвертая группа попыток по улучшению качества рельсовой стали связана с появлением в составе модификаторов, идущих для обработки жидкого металла в ковше, ванадия. Причем ванадием металл микролегируется (его содержание 0,005-0,01%) из имеющего в составе лигатур (содержание компонентов в таких лигатурах не установлено) и из природного легированного ванадием чугуна . В этой же работе приводятся данные по микролегированию цирконием ванадийсодержащего металла. При этом достигается повышение предельной контактной выносливости термоупрочненных рельсов на 7,2% и снижение их износа на 23%. Отмечается , что наиболее высокую надежность и долговечность имеют рельсы из стали, раскисленной кальцийсодержащей лигатурой с ванадием.

Опыт использования комплексных ферросплавов с ванадием и присадкой их в ковш при получении рельсовой стали описан в работах проведенных на Кузнецком металлургическом комбинате .

Микролегирование в ковше, из-за имеющихся и нерегулируемых процессов при вводе модификаторов в ковш (окисление металла, температура, момент присадки) носит не стабильный характер, усвоение легкоокисляющихся компонентов лигатур (магния, кальция, циркония, ванадия) низкое, а расход их составляет 3-4 кг на тонну, поэтому группа исследователей на комбинате ОАО "Азовсталь" при производстве рельсовой стали изменили модифицирование с помощью ввода проволоки со сплавом КМКТ (содержание элементов не сообщается) .

Таким образом, проблема повышения усвоения легкоокисляющихся элементов, вводимых в жидкий металл в составе комплексных сплавов, существует. Поэтому разработка и применение новых методов введения модификаторов, в частности, на разливке имеет актуальное значение.

Заключение

Действующая на отечественных металлургических комбинатах технология производства железнодорожных рельсов обеспечивает необходимое качество и стойкость продукции. Однако в силу ряда причин рельсовая сталь в Российской Федерации выплавляется в мартеновских печах, что ограничивает технологические возможности металлургов для существенного и резкого повышения качества стали, используемой для производства рельсов.

Рельсовую сталь, содержащую 0,60 - 0,80% С, и аналогичную ей по составу кордовую выплавляют в кислородных конвертерах и дуговых сталеплавильных печах. Наиболее сложной задачей при производстве этих марок стали является получение низкого содержания фосфора в металле при прекращении продувки на марочном содержании углерода.

В дуговых сталеплавильных печах рельсовую и кордовую сталь выплавляют по обычной технологии, применяя меры для интенсивного удаления фосфора из металла - присадки железной руды в завалку и в начале короткого окислительного периода с непрерывным сходом шлака и его обновлением присадками извести. При этом также обязательно используются мероприятия, направленные на предотвращение попадания печного шлака в сталеразливочный ковш.

Международным союзом железных дорог (МСЖД) разработан международный стандарт UIС 860, касающийся качества и способов изготовления рельсовых сталей и условий приемки рельсов разных весовых категорий, нетермообработанных, изготовленных из обычных и износоустойчивых сталей. Свойства рельсовых сталей определяются прежде всего содержанием углерода. Оно было принято за основу при определении аналогов сталей в различных стандартах.

Рельсовая сталь должна обладать высокой прочностью, износостойкостью и не иметь местных концентратов напряжения металлургического происхождения. В средней трети ширины подошвы и на верхней плоскости головки допускаются единичные пологие зачистки плен, забоин, рисок глубиной до 0 5 мм, a IB остальных местах - до 1 мм.

Список использованных источников

1) Кудрин, В.А. Технология получения качественной стали [Текст] // В.А. Кудрин, В.М. Парма. - М: Металлургия, 1984. 320 с.

2) Поволоцкий, Д. Я.Электрометаллургия стали и ферросплавов [Текст] / Д.Я. Поволоцкий, В. Е.Рощин, М. А. Рысс и др. - М.: Металлургия, 1984. - 568с.

3) Симонян, Л.М. Металлургия спецсталей. Теория и технология спецэлектрометаллургии: Курс лекций [Текст]. / Л.М. Симонян, А.Е. Семин, А.И. Кочетов. - М.: МИСиС, 2007. - 180 с.

4) Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003.- 528 с.

5) Гольдштейн, М.И. Специальные стали: учебник для вузов [Текст] / М.И. Гольдштейн, Грачев С.В., Векслер Ю.Г. - М.: Металлургия, 1985. - 408 с.

6) Падерин, С.Н. Теория и расчеты металлургических систем и процессов [Текст]. / С.Н. Падерин, В.В. Филиппов. - М.: МИСиС, 2002. - 334 с.

7) Братковский, Е.В., Электрометаллургия стали и спецэлектро-металлургия [Текст] / Е.В. Братковский, А.В. Заводяный.- Новотроицк: НФ МИСиС, 2008.

8) Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: учебник для вузов [Текст] / Ю.В. Кряковский, А.Г. Шалимов. - М.: «Мир», ООО «Издательство АСТ», 2003. - 528 с.

9) Воскобойников, В.Г. Общая металлургия: учебник для вузов [Текст] / В.Г. Кудрин, А.М. Якушев. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 768 с.

10) Альперович, М.Е. Вакуумный дуговой переплав и его экономическая эффективность/ М.Е. Альперович. -- М.: Металлургия, 1979. -- 235 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Производство стали в кислородных конвертерах. Легированные стали и сплавы. Структура легированной стали. Классификация и маркировака стали. Влияние легирующих элементов на свойства стали. Термическая и термомеханическая обработка легированной стали.

реферат , добавлен 24.12.2007

Металлургия стали как производство. Виды стали. Неметаллические включения в стали. Раскисление и легирование стали. Шихтовые материалы сталеплавильного производства. Конвертерное, мартеновское производство стали. Выплавка стали в электрических печах.

контрольная работа , добавлен 24.05.2008

Классификация и маркировка стали. Характеристика способов производства стали. Основы технологии выплавки стали в мартеновских, дуговых и индукционных печах. Универсальный агрегат "Conarc". Отечественные агрегаты ковш-печь для внепечной обработки стали.

курсовая работа , добавлен 11.08.2012

Основные способы производства стали. Конвертерный способ. Мартеновский способ. Электросталеплавильный способ. Разливка стали. Пути повышения качества стали. Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата. Производство стали в вакуумных печах.

курсовая работа , добавлен 02.01.2005

Строение и свойства стали, исходные материалы. Производство стали в конвертерах, в мартеновских печах, в дуговых электропечах. Выплавка стали в индукционных печах. Внепечное рафинирование стали. Разливка стали. Специальные виды электрометаллургии стали.

реферат , добавлен 22.05.2008

История развития выплавки стали в дуговых электропечах. Технология плавки стали на свежей углеродистой шихте с окислением. Выплавка стали в двухванном сталеплавильном агрегате. Внеагрегатная обработка металла в цехе. Разливка стали на сортовых МНЛЗ.

отчет по практике , добавлен 10.03.2011

Сферы применения инструментальной углеродистой стали и ее потребительские свойства. Разделение инструментальной углеродистой стали по химическому составу на качественную и высококачественную. Технологии производства и технико-экономическая оценка.

курсовая работа , добавлен 12.12.2011

Анализ мирового опыта производства трансформаторной стали. Технология выплавки трансформаторной стали в кислородных конвертерах. Ковшевая обработка трансформаторной стали. Конструкция и оборудование МНЛЗ. Непрерывная разливка трансформаторной стали.

дипломная работа , добавлен 31.05.2010

Механизмы упрочнения низколегированной стали марки HC420LA. Дисперсионное твердение. Технология производства. Механические свойства высокопрочной низколегированной стали исследуемой марки. Рекомендованный химический состав. Параметры и свойства стали.

контрольная работа , добавлен 16.08.2014

Применение и классификация стальных труб. Характеристика трубной продукции из различных марок стали, стандарты качества стали при ее изготовлении. Методы защиты металлических труб от коррозии. Состав и применение углеродистой и легированной стали.

Лопата является неотъемлемой частью домашнего быта. Сфера использования данного инструмента широка. И поскольку инструмент используется часто, к нему выдвигаются определенные требования.

Она должна быть крепкой, прочной, удобной в использовании, обладать высоким сопротивлением коррозии и долговечностью. Неплохо зарекомендовали по этим пунктам на рынке лопаты из рельсовой стали.

1 Технология создания

Основным материалом для таких лопат выбрана рельсовая сталь, насыщенная углеродом. Материал отличается высокой прочностью при небольшом весе, что является оптимальным вариантом для рабочего инструмента. Часто в таких целях используются старые рельсы, или рельсы, не отвечающие необходимым кондициям. Полученный металл фасуют, после чего он проходит обработку.

1.1 Процесс производства (видео)

1.2 Преимущества лопаты из рельсовой стали

Из преимуществ лопат из рельсовой стали следует отметить такие:

Высокая прочность и сбалансированная упругость. Эти качества обеспечивает прочный материал и особый способ закалки. Причем упругость металлической основы позволяет лопате немного изгибаться под нагрузкой, а после возвращаться в первоначальное положение. Значит, деформация такому инструменту не грозит.

Небольшой вес. Не смотря на прочность и плотность материала, высокое содержание углерода делает лопату легче, чем инструмент из кованой стали. Это увеличивает комфорт при работе.

Стойкость к износу и коррозии. Стойкость к коррозийным процессам обеспечивается не только спецификой материала, но и антикороззийными покрытиями, которыми покрывается большая часть лопат из рельсовой стали.

Невысокие ценовые показатели. Лопаты из рельсовой стали на рынке по ценовым показателям немногим дороже лопат из кованой стали и нержавейки.

Самозаточка в процессе эксплуатации. Лопаты из рельсовой стали, благодаря структуре, не теряют остроту даже при работе с твердыми типами грунта, корнями, подмерзшей землей. А корректировка заточки проводится во время работы.

2 Выбор лопаты из рельсовой стали

Выбирая лопату, основными моментами, на которые следует обратить внимание, являются общая конструкция полотна и эргономичность инструмента. Что касается общей конструкции полотна, то лучше всего подбирать лопату с дополнительными ребрами жесткости. Такой инструмент намного тяжелее сломать или погнуть в процессе работы.

Что касается эргономичности лопаты, то основной нюанс это уступы для ноги. Они должны иметь правильный угол изгиба. Слишком приподнятый вверх край будет резать ногу при работе, слишком опущенный приведет к соскальзыванию ног. Удобным дополнением является также и ручка на конце черенка. Она облегчает работу с сыпучими материалами или рубку корней.

2.1 Уход за инструментом

Каким бы ни было качество инструмента, чтобы он исправно функционировал на протяжении многих лет, за ним нужно правильно следить и обслуживать:

После окончания работы, лопату нужно сразу же очистить от остатков грунта.
Хранить инструмент лучше в сухих, хорошо вентилируемых местах без доступа влаги.
Черенок лучше окрашивать, причем делать это нужно периодически. Это увеличит срок службы.
Постоянно следить за качеством соединения черенка и рабочего полотна. ни в коем случае не должен шататься. В этом случае его сразу же нужно подбить и закрепить по-новому.

Введение

Общая характеристика рельсовых сталей

Производство рельсов в нашей стране составляет около 3,5 % от общего производства готового проката, а грузонапряженность железных дорог в 5 раз выше, чем в США, и в 8...12 раз выше, чем на дорогах других развитых капиталистических стран. Это налагает особо высокие требования к качеству рельсов и стали для их изготовления.

Рельсы подразделяют:

По типам Р50, Р65, Р65К (для наружных нитей кривых участков пути), Р75;

Наличию болтовых отверстий: с отверстиями на обоих концах, без отверстий;

Способу выплавки стали: М - из мартеновской стали, К - из конвертерной стали, Э - из электростали;

Виду исходных заготовок: из слитков, из непрерывно-литых заготовок (НЛЗ);

Способу противофлокенной обработки: из вакуумированной стали, прошедшие контролируемое охлаждение, прошедшие изотермическую выдержку.

Химический состав рельсовых сталей представлен в таблице 1 в марках стали буквы М, К и Э обозначают способ выплавки стали, цифры - среднюю массовую долю углерода, буквы Ф, С, X, Т - легирование стали ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

Таблица 1 - Химический состав рельсовых сталей (ГОСТ 51685 - 2000)

Высокая грузонапряженность железных дорог привела к тому, что работоспособность сырых нетермоупрочненных рельсов перестала удовлетворять требованиям тяжелой работы сети железных дорог.

Дальнейшее повышение эксплуатационной стойкости термически упрочненных рельсов может быть достигнуто легированием рельсовой стали. Перспективным является легирование углеродистой рельсовой стали небольшими добавками ванадия (-0,05 %), применение легированных сталей типа 75ГСТ, 75ХГМФ и др., а так же применение термомеханической обработки.

Страница 2 из 10

Назначение рельсов и требования, предъявляемые к ним

Основной несущий элемент верхнего строения пути - рельсы . Они представляют собой стальные брусья специальных сечений, по которым движется подвижной состав. Стандартными и общепринятыми рельсами на всех дорогах мира являются рельсы широкоподошвенные.

(рис. 1) состоит из трех основных частей:

головки;
подошвы;
шейки, соединяющей головку с подошвой.

Рельсы являются главнейшим элементом верхнего строения пути. Они предназначены:

непосредственно воспринимать давления от колес подвижного состава и передавать эти давления нижележащим элементам верхнего строения пути;
направлять колеса подвижного состава при их движении;
на участках с автоблокировкой служить проводником сигнального тока, а при электротяге - обратного силового тока. Поэтому рельсовые нити должны обладать необходимой электропроводимостью.

Основные требования к рельсам состоят в том, что они должны быть устойчивыми и прочными; обладать наибольшим сроком службы; обеспечивать безопасность движения поездов; быть удобными и недорогими в эксплуатации и изготовлении.

Рис. 1 - Широкоподошвенный рельс

Если более подробно, то назначение и экономические соображения определяют следующие требования к рельсу:

Для обеспечения безопасности движения поездов, имеющих большие осевые нагрузки, с максимальными скоростями рельсы должны быть более тяжелыми. В то же время для экономии металла и удобства погрузки, выгрузки, смены эти же рельсы должны иметь рациональный и по возможности наименьший вес.
Для лучшего сопротивления изгибу под подвижной нагрузкой рельсы должны быть достаточно жесткими (иметь наибольший момент сопротивления). В то же время во избежание жестких ударов колес о рельсы, могущих вызвать излом отдельных деталей ходовых частей подвижного состава, а также расплющивание и даже излом рельсов, необходимо, чтобы рельсы были достаточно гибкими.
Для того чтобы рельсы от ударно-динамических воздействий колес подвижного состава не ломались, материал рельсов должен быть достаточно вязким. Ввиду же концентрированной передачи давлений от колес по очень небольшим площадкам в местах контакта колес рельсов требуется, чтобы металл рельсов не сминался, не истирался, дольше служил и был достаточно твердым.
Для обеспечения достаточной силы сцепления между рельсами и движущими колесами локомотивов необходимо, чтобы поверхность катания рельсов была шероховатой. Для уменьшения же сопротивления движению остальных колес - вагонов, тендеров и поддерживающих колес локомотивов - необходимо, чтобы поверхность катания рельсов была гладкой;
Для стандартизации элементов верхнего строения пути, приводящей к простоте и удешевлению их содержания, необходимо, чтобы число типов рельсов было наименьшее. Из интересов же экономии металла немыслимо, чтобы на всех линиях железных дорог независимо от грузонапряженности, осевых нагрузок и скоростей движения поездов укладывались рельсы одного типа. Число типов рельсов должно быть минимальным, но разумным.

Таким образом, требования и условия, которым должны удовлетворять рельсы, являются исключительно важными, необходимыми и вместе с тем противоречивыми. Все это чрезвычайно усложняет решение рельсовой проблемы вообще. Ее решение представляет собой одну из важнейших задач транспортной науки и техники.

Материал рельсов

Современные рельсы прокатывают только из стальных слитков. Сталь изготовляют в конвертерах по способу Бессемера или в мартеновских печах. Бессемеровскую сталь получают в результате продувки расплавленного чугуна кислородом (15-18 мин). При этом выгорает углерод и часть примесей. Мартеновскую сталь варят из чугуна и стального лома в больших печах емкостью от 200 до 1500 тонн в течение нескольких часов. Эта сталь чище и менее хладноломка, чем бессемеровская. Рельсы тяжелых типов (Р65 и Р75) прокатывают только из мартеновской стали.

Качество рельсовой стали определяется ее химическим составом, микро- и макроструктурой. Химический состав стали отечественных рельсов характеризуется добавками к железу в процентах (смотрите таблицу ниже).

Тип рельса	Марка стали	Углерод	Марганец	Кремний	Фосфор	Сера	Мышьяк	Временное сопротивление, МПа (кгс/мм 2), не менее	Относительное удлинение, %
Р75(Р65)	М-76	0,71-0,82	0,75-1,05	0,20-0,40	≤0,035	≤0,045	≤0,15	885(90)	4
Р50	М-75	0,69-0,80	0,75-1,05	0,20-0,40	≤0,035	≤0,045	≤0,15	765(88)	5

Углерод повышает твердость и износостойкость рельсовой стали. Однако чем выше содержание углерода, тем больше при прочих равных условиях хрупкость стали и затруднительней холодная правка рельсов. Поэтому требуется более равномерное распределение металла по сечению рельса, более жестко должен выдерживаться химический состав, особенно это касается фосфора и серы.

Марганец повышает твердость и износоустойчивость стали, обеспечивая ей достаточную вязкость.

Кремний улучшает качество стали, увеличивая твердость металла и его сопротивляемость износу.

Фосфор и сера - вредные примеси, они придают стали хрупкость: при большом содержании фосфора рельсы получаются хладноломкими, при большом содержании серы - красноломкими.

Мышьяк несколько увеличивает твердость и износостойкость рельсовой стали, но его излишек уменьшает ударную вязкость.

Микроструктура устанавливается под микроскопом с увеличением в 100-200 раз. Компоненты обычной рельсовой стали - феррит, состоящий из свободного от углерода железа Fe, и перлит, который представляет собой смесь феррита и цементита.

Изучение микроструктуры рельсовой стали показывает, что она приобретает способность к значительному сопротивлению износу и вязкость при сорбитовой структуре, которая получается в результате специальной термической обработки.

В настоящее время наибольшее распространение получила объемная закалка рельсов. Она повышает пластичность и вязкость, увеличивает усталостную прочность и стойкость рельсов против образования поперечных усталостных изломов. Эксплуатационная стойкость таких рельсов в 1,3-1,5 раза выше эксплуатационной стойкости незакаленных рельсов. По технико-экономическим расчетам, использование объемнозакаленных рельсов с среднем за год на 1 км пути дает значительную денежную экономию.

Важнейшее значение для качества рельсовой стали имеет ее макроструктура (строение в изломе при рассмотрении невооруженным глазом или при помощи лупы). Сталь должна иметь однородное мелкозернистое строение без шлаковин, волосовин, плен, следов неоднородного распределения химических добавок по сечению. Улучшение качества достигается строгим соблюдением технических условий и непрерывным совершенствованием технологии изготовления стали и проката рельсов. Плотность рельсовой стали принята равной 7,83 т/м 3 .

Форма и размеры рельсов

Профиль рельсов

Служебные свойства рельсов в основном характеризуются их массой, отнесенной к 1 м длины, профилем поперечного сечения (рис. 2) и механическими характеристиками металла, из которого они изготовлены. Чтобы увеличить сопротивление вертикальным силам, рельсу придают форму двутавровой балки, верхняя полка которой (головка рельса ) приспособлена для контактирования с колесами подвижного состава, а нижняя (подошва рельса ) - для закрепления на опорах. Вертикальная стенка, соединяющая головку и подошву, называется шейкой .

Рис. 2 - Основные части рельсов

Профиль рельсов обусловлен взаимодействием его с колесами подвижного состава и конструктивным оформлением элементов верхнего строения пути. Типичный профиль современных широкоподошвенных рельсов представлен на (рис. 3).

Поверхность катания головки всегда делают выпуклой, чтобы обеспечить наиболее благоприятную передачу давления от колес. Для рельсов типов Р75, Р65 и Р50 больший радиус R 1 этой поверхности принят равным 300 мм. К граням кривизна изменяется до радиуса R 2 , равного 80 мм. В рельсах типа Р43 поверхность катания головки рельса очерчена одним радиусом R 1 .

Рис. 3 - Современный широкоподошвенный рельс

Поверхность катания сопрягается с боковыми гранями головки по кривой радиусом r 1 (рис. 3), по величине близким к радиусу выкружки бандажа. В рельсах типов Р75, Р65 и Р50 r 1 равен 15 мм.

Боковые грани головки или вертикальны, или наклонны. У рельсов типов Р75, Р65 и Р50 этот наклон (1:k ) принят равным 1:20. Боковые грани головки стремятся сопрягать с нижними наименьшими радиусами r 2 , равными 1,5-4 мм. Это делается для того, чтобы опорная поверхность для накладок была наибольшей. По этим же соображениям принимают такими же и радиусы r 6 и r 7 .

Опорными поверхностями для накладок служат нижние грани головки и верхние грани подошвы рельса. В настоящее время наиболее распространены такие углы α, при которых tg α = 1:n для рельсов типов Р75, Р65 и Р50 составляет 1:4.

Сопряжение нижних граней головки с шейкой должно обеспечивать достаточную опорную поверхность для накладки и наиболее плавный переход от толстой головки к сравнительно тонкой шейке в целях снижения местных напряжений и равномерности остывания рельсов при прокатке. В рельсах типов Р75, Р65 и Р50 приняты r 3 = 5÷7 мм и r 4 = 10÷17 мм.

Шейка современного рельса имеет криволинейное очертание радиусом R ш (от 350 до 450 мм для отечественных рельсов), которое в наибольшей мере обеспечивает плавность перехода от шейки к подошве и головке.

Сопряжение шейки с подошвой выполнено радиусом r 6 , величина которого диктуется теми же соображениями, что и величины радиусов r 3 и r 4 . Переход к наклонной верхней поверхности подошвы у рельсов типов Р75, Р65 и Р50 сделан по радиусу r 5 , равному 15-25 мм.

На железных дорогах РФ применяют рельсы типов Р75, Р65 и Р50 (рис. 4), имеющие массу 74,4; 64,6 и 51,6 кг/пог. м. Преобладающими при укладке сейчас являются рельсы типа Р65; на особо грузонапряженных линиях - термически упрочненные рельсы типа Р75. Изготавливают их длиной 25 метров.

Рис. 4 - Стандартные профили рельсов: а - типа Р75; б - Р65; в - Р50

Длина рельсов

На дорогах мира стремятся шире применять длинные рельсы и сварные рельсовые плети. За счет этого уменьшается число стыков, что улучшает условия взаимодействия пути и подвижного состава, дает большой экономический эффект. Например, если вместо рельсов типа Р65 длиной 12,5 м уложить рельсы того же типа, но длиной 25 м, то за счет уменьшения потребности в стыковых скреплениях на каждых 1000 км будет сэкономлено 3902 тонн металла. Кроме того, уменьшение числа стыков примерно на 10% снизит сопротивление движению поездов, уменьшит износ колес подвижного состава и расходы на текущее содержание пути.

Стандартная длина современных рельсов в различных странах колеблется от 10 до 60 м: в РФ 25 м; в Чехословакии 24 и 48 м, в ГДР и ФРГ 30, 45 и 60 м; во Франции 18, 24 и 36 м; в Англии 18, 29 м; в Японии 25 м; в США 11, 89 и 23, 96 м. В РФ для стрелочных переводов в ограниченном количестве прокатывают рельсы длиной 12,5 м.

Кроме рельсов стандартной длины, применяют и укороченные для укладки на внутренних нитях кривых участков пути. В РФ такие рельсы имеют укорочение на 80 и 160 мм, а при длине 12,5 м - на 40, 80 и 120 мм.

Масса (вес) рельсов

Основной характеристикой, дающей общее представление о типе и мощности рельса, - является его вес , выраженный в килограммах на один погонный метр.

Определение оптимального веса рельса - задача чрезвычайно трудная, так как он зависит от большого количества факторов: осевых нагрузок, скоростей движения поездов, грузонапряженности, качества рельсовой стали, профиля рельса и других.

Масса рельсов определяется из следующих соображений:

чем больше нагрузки на ось железнодорожного экипажа, скорости движения поездов и грузонапряженность линии, тем большей при прочих равных условиях должна быть масса рельса с ;
чем больше масса рельса q , тем меньше при прочих равных условиях эксплуатационные расходы на грузонапряженных линиях (на содержание пути, на сопротивление движению поездов).

В настоящее время имеются различные предложения по определению массы рельса эмпирически, в зависимости от ограниченного количества факторов. Профессор Г. М. Шахунянц предложил определять массу рельса в зависимости от вида подвижного состава, грузонапряженности линии, скорости движения поездов и статической нагрузки на ось локомотива по выражению

где а - коэффициент, равный 1,20 для вагонов и 1,13 - для локомотивов;

T max - грузонапряженность, млн. т·км/км в год;

υ - скорость движения поездов, на которую рассчитывается конструкция пути, км/ч;

Численные значения, входящие в формулу, можно брать из таблицы 1.2

Несомненно, формула, приведенная выше, не отражает всей сложности взаимосвязи факторов, влияющих на выбор веса рельса. Однако она дает возможность принимать решение в порядке первого приближения достаточно обоснованно.

Окончательно массу рельса выбирают на основании расчетов на прочность и экономической целесообразности. Масса стандартных рельсов в РФ принята 44-75 кг/м. Их основные характеристики приведены в (табл. 1.3) и обозначены на (рис. 5). Рельсы Р43 прокатывают в ограниченном количестве для стрелочных переводов.

Рис. 5 - Основные размеры современного рельса (к таблице 1.3)

На железных дорогах других стран рельсы имеют массу, кг/м:

США - 30-77;
Англия:
- двухголовые - 29,66-49,53;
- широкоподошвенные - 22,37-56,5;
Франция и Бельгия - 30-62;
ГДР и ФРГ - 30-64.

Экономическая эффективность применения тяжелых рельсов

Эффект от использования тяжелых рельсов заключается в их долговечности, снижении расхода материалов, уменьшении сопротивления движению поезда и сокращении затрат на текущее содержание пути.

По данным ВНИИЖТа, если за базу взять рельс типа Р50, то увеличение его массы на 1 кг снижает затраты труда на текущее содержание пути на 1,5-1,8% и уменьшает расход материалов до 1,4%.

Более тяжелый рельс распределяет давление колес подвижного состава на большее количество шпал, вследствие чего уменьшается давление на каждую шпалу, замедляется механический износ и увеличивается срок их службы. Одновременно снижается динамическое давление на балласт, уменьшается истирание, измельчение частиц балласта и его загрязнение.

С увеличением массы рельсов реже возникает надобность в среднем и подъемочном ремонтах пути. По тяжелым рельсам можно перевезти и больше грузов. Так, рельсы Р50 на 15%, а Р65 на 45% тяжелее рельсов Р43, но рельсы Р50 за время службы могут пропустить тоннаж в 1,5 раза, а Р65 в 2 раза больше, чем Р43. С возрастанием массы рельсов уменьшается расход металла на единицу пропускаемого тоннажа и сокращаются затраты на замену рельсов (капитальный ремонт), снижаются сопротивление движению поездов и расходы на тягу.

При экономических расчетах по выбору типа рельса предпочтение отдается рельсу, для которого годовая сумма приведенных строительных и эксплуатационных расходов ∑Э пр при нормированном сроке окупаемости t n является наименьшей. Она определяется по формуле

где А - строительные расходы (стоимость укладки рельсов);

B i - эксплуатационные расходы i -ro года.

Сроки окупаемости дополнительных капиталовложений на укладку тяжелых рельсов невелики - обычно 1,5-4,5 года. Поскольку применять тяжелые рельсы очень выгодно, в РФ их средняя масса (q ср) постоянно увеличивается.

Срок службы рельсов

Ожидаемый срок службы рельсов определяют как для целесообразного ведения путевого хозяйства (например, чтобы знать периодичность смены рельсов), так и для их технико-экономической оценки.

Срок службы рельсов является функцией работы их под подвижным составом, типа и мощности рельсов, характеристик верхнего строения и подвижного состава, условий эксплуатации пути и технологии изготовления рельсов.

Рельсы выходят из строя по износу и дефектам. Их следует изымать из пути при износе на определенную допустимую величину; по этому фактору и определяется срок службы рельсов. Допустимый износ z 0 (рис. 6) головки рельса устанавливают таким образом, чтобы поперечное сечение рельса после износа на величину площади ω 0 обеспечило допускаемые напряжения, и чтобы при изношенных бандажах колес гребни не задевали гайки и головки болтов в стыках рельсов или за части двухголовых накладок, выступающих за головку рельса.

Рис. 6 - Поперечное сечение головки рельса (заштрихована допустимая площадь износа)

Согласно рисунку

ω 0 = bz 0 - ∆,

где b - ширина головки рельса;

z 0 - нормированный предельный износ головки рельса, принимаемый в РФ по ПТЭ;

∆ - учитывает разницу очертания головки и воображаемого прямоугольника, которую принимают равной 70 мм 2 .

Т = ω 0 / β,

где β - удельный износ поперечного сечения головки рельса от прохода 1 млн. т груза брутто, мм 2 .

Величина β определяется для конкретных условий службы рельсов с выполнением тяговых расчетов и учетом качества рельсовой стали. Для приближенных расчетов можно использовать среднесетевые значения β ср (мм 2 /млн. т брутто) из таблицы

Поскольку износ объемнозакаленных рельсов происходит в 1,3-1,5 раза медленнее, чем незакаленных, величину β ср для первых следует скорректировать коэффициентом α, равным примерно 0,65-0,5.

Таким образом, зная ω 0 и β ср, можно найти тоннаж Т , который могут пропустить рассматриваемые рельсы за весь срок службы. При этом если грузонапряженность (годовой тоннаж) Т г данной линии известна и постоянна, то срок службы рельсов в годах на этой линии можно найти так:

Но так как грузонапряженность на наших железных дорогах ежегодно увеличивается, то срок службы рельсов на данной линии по наработке прошедшего тоннажа

где Т 1 , Т 2 , Т 3 , …, Т t - соответственно тоннаж в первый, второй, третий, t -й год после укладки рельсов.

Несмотря на повышение износоустойчивости рельсов, их приходится заменять раньше достижения нормативного износа из-за одиночного выхода из строя по дефектам. Выход рельсов по дефектам происходит как из-за нарушения или несовершенства технологии изготовления, так и по условиям их эксплуатации.

При установлении сроков службы рельсов принимают за допускаемый суммарный одиночный их выход из строя по дефектам: Р50 - 6 штук, а Р65 и Р75 - 5 штук на 1 км пути или наибольший годовой выход для этих рельсов - 2 шт. на 1 км.

Срок службы рельсов между капитальными ремонтами пути в млн. т брутто исходя из одиночного выхода рельсов по дефектам Т од Г. М. Шахунянц предложил определять по формуле

где λ р - коэффициент, учитывающий качество рельсовой стали, дли незакаленных рельсов λ р = 1, а для объемнозакаленных λ р = 1,5;

Член, учитывающий влияние кривизны пути и лубрикации (смазки); при R ≥ 1200 м А = 0 и при R < 1200 м А = 800; при отсутствии смазки боковых граней головки рельсов и гребней колес α луб = 1, при смазке графитомолибденовыми карандашами или для графитовой смазки на солидоловой основе α луб = 0,2;

Член, учитывающий влияние длины рельсов (плети);

Р дн - средняя по тоннажу нормативная нагрузка на рельс от оси колесной пары, установленная в 1964 г. при принятии нормативного срока службы незакаленных рельсов (для Р50 - 350 млн. т груза брутто, для Р65 - 500 млн. т груза брутто), равная для рельсов Р50: Р дн = (1 + 0,012υ i) q ок = (1 + 0,012·50)·14·9,8 = 228,6 кН и для рельсов Р65: P дн = (1 + 0,012·60)·18·9,8 = 303,8 кН;

Р с - средневзвешенная по тоннажу исполненная нагрузка на рельс от оси колесной пары, кН;

q р - масса рельса, кг/м;

γ норм - нормативное значение допускаемого одиночного изъятия рельсов по дефектам (Р50 - 6 шт., Р65 и Р75 - 5 шт. на 1 км пути);

q ок - средняя нагрузка на рельс от оси колесной пары, зависящая от типа рельса.

Из двух значений, найденных по формулам, приведенных выше, для расчета следует принимать наименьшее.

Ограничение срока службы рельсов по одиночному их выходу признать нормальным нельзя, поэтому главнейшая задача - проведение мероприятий, позволяющих увеличить срок службы рельсов согласно их мощности до полного расчетного износа. Этого можно добиться благодаря улучшению качества рельсового металла, в том числе за счет термической обработки; применению бесстыкового пути со сварными рельсовыми плетями увеличенной длины; наплавке изношенных рельсовых концов; улучшению конструкции верхнего строения пути в целом; применению лубрикаторов, смазывающих боковые грани головки рельсов в кривых; улучшению текущего содержания рельсов и пути в целом.

После истечения установленных сроков службы в местах первоначальной укладки рельсы снимают с пути, сортируют, подвергают в рельсоремонтных предприятиях ремонту и сварке и снова укладывают в путь, но уже с более легкими условиями эксплуатации, где они пропускают еще примерно 2/3 начального нормативного тоннажа.

Важными мерами по продлению сроков службы рельсов в пути является шлифовка их головки рельсошлифовальными поездами для удаления с поверхности катания неровностей и поверхностного поврежденного слоя металла, наплавка рельсовых концов, смазка рельсов в кривых для уменьшения бокового износа головки.

Сроки службы обычных высокоуглеродистых рельсов по сравнению с зарубежными в 2-3 раза, а термически упрочненных в 3-4 раза выше; тем не менее этого недостаточно, так как интенсивность использования железнодорожных путей в нашей стране в 6-10 раз больше, чем за рубежом. Поэтому ведутся научные исследования по созданию еще более прочных и долговечных рельсов.

Основу железнодорожной сети России составляют рельсы Р 65 - линейные конструкции двутаврового поперечного сечения, которые служат для восприятия нагрузок от подвижного состава, их упругой «переработки» и последующей передачи на опору - шпалы. Характеристики этих «стальных балок» регламентированы ГОСТом Р 8161-75. Он устанавливает конструкцию и размеры закаленных и незакаленных рельс и рельсовых плетей типа Р65.

Рельсы Р 65

Любые рельсы предназначены для решения нескольких задач. Во-первых, они воспринимают и передают поездную нагрузку. Это необходимо для сохранения долговечности как земляного полотна, так и колес. Во-вторых, они задают направление движения подвижного состава. И, наконец, они создают площадку с наименьшим сопротивлением для качения колес. Поверхность соприкосновения рабочих элементов составляет несколько сантиметров (3-5 в зависимости от класса пути).

Область применения представленных линейных конструкций довольна обширна. Так, рельсы Р 65, равно как и Р50, Р75, используются для укладки звеньевого и бесстыкового пути широкой колеи. Они также используются при создании стрелочных переводов. В последнем случае используются линейные изделия с видоизмененным профилем (РК65).

Элементы рельса

Рельсы Р65, как и любые другие типы, нельзя назвать обычной двутавровой балкой.

Специалисты выделяют в его конструкции несколько условных частей:

Головка - ее форма обеспечивает надежное сцепление колеса подвижного состава с самим рельсом.
Шейка - сопротивляется изгибающим нагрузкам, а также передает их на опору
Подошва - обеспечивает устойчивость всей линейной конструкции, распределяет напряжения по всей поверхности шпалы. Она состоит из правого и левого пера.

Кроме того, в пределах рельса выделяют две области, расположенные по левую и правую сторону от шейки и занимающие пространство от нижнего края головки до средней части подошвы. Это так называемые левая и правая пазухи. В них располагаются клиновидные накладки, которые скрепляют рельсы Р 65 между собой на некоторых участках пути.

Размеры рельса Р65

Мало кто задумывался, почему рельс Р 65 имеет именно такую форму. Между тем каждый радиус закругления, ровная площадка и уклоны специально подбирались опытным путем или расчетами, чтобы создать оптимальные условия для взаимодействия с подвижным составом.

Большинству из нас известно, что имеет рельс Р 65 вес, равный 65 кг, что на самом деле является неверным. Точная масса погонного метра составляет 64,72 кг. Другие же параметры имеют следующее значение:

радиус головки (R500) обеспечивает центрирование нагрузки, то есть заставляет совпасть продольную ось колеса с осью рельса;
R80 создает плавный переход к R15, который создает плотный контакт с гребнем колеса;
уклон головки 1:20 соответствует уклону гребня колеса, что необходимо для сопряжения с гребнем колеса;
радиусом R3 скругляют острый край головки, что делается для ликвидации концентраторов напряжений;
переходные радиусы R15 и R370 введены для того, чтобы обеспечить плавное сопряжение головки с шейкой и ликвидировать области с опасными напряжениями;
переходный радиус R400 у основания шейки необходим для плавной передачи нагрузки на подошву;
уклоны верхней грани подошвы и нижней части головки одинаковы (1:4), что необходимо для установки клинообразных накладок, которые одновременно выступают и как распор.

Ежедневно колоссальным нагрузкам подвергается рельс Р 65. Вес его в промышленности России нельзя недооценить. Но если бы не особая конструкция, он бы не смог справиться со своей задачей, быстро бы деформировался и нуждался в замене.

Рельсовая сталь

Все рельсы железнодорожные (Р 65, РК65, Р75, Р50) изготавливают исключительно из рельсовой стали. Она отличается высокой прочностью на изгиб, твердостью и износостойкостью, что достигается высоким содержанием углерода (0,82 %) и добавлением легирующих добавок - марганца, ванадия, циркония, кремния, титана.

М76ВТ - основная марка стали, применяемая при производстве рельсовых плетей. В зависимости от способа получения она может быть первой (выплавляемые исключительно в мартеновских печах) или второй группы. Отлитая или прокатанная «болванка» проходит сложный многоступенчатый этап термической обработки. Во многом именно поэтому на рельс Р 65 цена находится на столь высоком уровне - от 50 тыс. рублей за тонну.