Разработка и исследование железнодорожных рельсов для Сибири

Современные технологии. Механика и машиностроение

связями в зависимости от структурных схем наложения корректирующих связей приведены в табл. 1.

Данные табл. 1 могут быть применены при синтезе автономных двусвязных систем автоматического регулирования для определения передаточных функций компенсирующих связей. Найденные выражения для передаточных функций корректирующих перекрестных связей позволяют оценить возможность совместного обеспечения условий инвариантности и автономности, поскольку условия автономного управления не всегда совпадают с условиями инвариантности, составленными для всех возмущений, действующих на систему.

Выполнение предлагаемых условий инвариантности (табл. 1) находится в полном соответствии с признаком двухканальности.

Рассмотренные варианты наложения компенсирующих связей соответствуют условию структурной осуществимости, поскольку переда-

точные функции соответствующих корректирующих связей входят в условия инвариантности.

Практическая реализация полученных условий инвариантности может быть осуществлена для различных структурных вариантов наложения корректирующих перекрестных связей, при предварительной проверке условия физической реализуемости.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ешенко А.А. Синтез двумерной системы автоматического управления процессов выработки листового стекла // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование - 2009. -№ 2 (22). - С. 158-162.

2. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулирования. - М. : Энергия, 1970. - 288 с.

УДК 621.771

Дементьев Валерий Петрович,

к.т.н., зав. лабораторией ЦКЛК, г. Новокузнецк, тел. (3843) 79-39-33

Корнева Лариса Викторовна, к.т.н., ОАО «НКМК» г. Новокузнецк, Хоменко Андрей Павлович, д.т.н., профессор, ректор ИрГУПС, тел.: (3952) 63- 83- 11

Черняк Саул Самуилович, д.т.н., профессор ИрГУПС, тел. (3952) 63-83-65 Тужилина Лариса Викторовна к.т.н., доцент ИрГУПС, тел. (3952) 63-83-65 Алексеев Николай Терентьевич, заместитель начальника ВСЖД, филиала ОАО «РЖД», тел. (3952) 64-46-91

Серпиянов Александр Иванович, дорожный ревизор по безопасности ВСЖД, (3952) 63-83-65

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ ДЛЯ СИБИРИ

V.P. Dementiev, L. V. Korneva, A.P. Homenko, S.S. Chernyak, L. V. Tuzhilina, N. T. Alekseev, A.I. Serpiyanov

PRODUCTION AND RESEARCH OF RAILS FOR SIBERIA

Аннотация. В статье рассмотрены вопросы повышения эксплуатационной стойкости рельсов в результате корректировки технологического процесса производства стали.

Ключевые слова: износостойкость, углерод, сталь, вакуумирование, рельсы, механические свойства.

Abstract. In the article issues of increasing of the operational stability of the rails as a result of ad-

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

justing the technological process of steel production are considered.

Keywords: wear resistance, carbon, steel, va-cuumization, rails, mechanical quality.

Предварительно проведенное исследование рельсов с разным содержанием углерода показало, что повышение содержания углерода ближе к эв-тектоидному приводит при объемной закалке к образованию «суперперлита» в микроструктуре рельсов, т.е. образованию перлита с малым выделением избыточного феррита. Указанная микроструктура достигается при содержании углерода более 0,76 %.

Сталь выплавляли в 100-т дуговой электропечи ДСП-100И7 с использованием жидкого чугуна по технологии «на болоте». Предварительное раскисление в печи проводили присадками ферроалюминия или ферросиликоалюминия. Выпуск металла осуществляли с полной отсечкой печного шлака. Для повышения степени десульфурации и необходимого рафинирования от неметаллических включений в ковш дополнительно давали твердую шлакообразную смесь, состоящую из извести и плавикового шпата. При этом в него присаживали необходимые кремний-, марганецсодержащие сплавы, обычный и азотированный феррованадий, силикокальций. Сталь была подвергнута обработке на вакууматоре. Разливку проводили на четы-рехручьевых радиальных МНЛЗ с сечением кристаллизаторов 300^330 мм. Нагрев и прокатку не-прерывнолитых заготовок на рельсы Р65 осуществляли по действующей на комбинате технологии.

Рельсы подвергали объемной закалке в масле и отпуску. Закалку проводили с более низкой температуры (800-8200 0С), чем это предусмотрено для рельсов серийного производства. Снижение температуры закалки позволило снизить коробление рельсов в процессе закалки. Отпуск проводили по обычному режиму. Исследование качества опытных рельсов показало наличие плотной макроструктуры металла с незначительным развитием в ней осевой химической неоднородности (12 балла), при этом точечная неоднородность и ли-квационные полоски полностью отсутствовали. Применение технологии вакуумирования привело не только к снижению водорода, но и к повышению чистоты стали по неметаллическим включениям. В металле опытных плавок длина строчечных хрупкоразрушенных неметаллических включений не превышала 0,21 мм. Применение технологии микролегирования ванадием, вводимым совместно с азотом, привело к заметному измельчению величины действительного зерна микроструктуры после термической обработки. Величина зерна оценена номерами 10-11 по шкале ГОСТ 5639.

Применение суперперлитной стали позволило получить на опытных рельсах однородную перлитную структуру без выделения избыточного феррита по границам зерен. За счет образования мелкодисперсного перлита без выделений феррита термически упрочненные опытные рельсы показали преимущество по механическим свойствам и твердости по сравнению с рельсами серийного производства (табл. 1, 2).

Таблица 1

Химический состав опытных рельсов

№ п/п Номер плавки Шифр Массовая доля химических элементов, %

C Mn Si P S Cr Ni Cu Al V H

1 Л25920 Б4561 0,78 0,87 0,33 0,016 0,009 0,08 0,07 0,14 0,004 0,07 1,3

2 Л26097 Б4667 0,78 0,9 0,31 0,013 0,006 0,11 0,07 0,15 0,003 0,07 1,7

3 Л26088 Б4670 0,77 0,87 0,32 0,017 0,011 0,08 0,06 0,11 0,003 0,07 1,5

Таблица 2

Механические свойства и твердость опытных рельсов из суперперлитной стали_

№ п/п Номер плавки шифр Твердость рельса, НВ от от 55 KCU при оС

головка шейка подошва кгс/мм2 % +20 -60

ПКГ 10 мм 22 мм 1 2 кгс-м/см2

1 Л15756 Н4342 380 375 363 345 363 375 94 129 12,5 39 - 4,1 4,1

2 Л25693 Б4310 380 375 363 363 385 388 94 131 14,0 40 - 4,1 4,1

С целью повышения качества рельсов рельсовая сталь продувается аргоном для снижения загрязненности ее неметаллическими включениями. Далее вся рельсовая сталь обрабатывается в вакууматоре. За счет этого снижается количество водорода в рельсовой стали в 2,5 раза и в 2 раза -кислорода. За счет снижения кислорода сталь стала значительно чище по оксидным неметаллическим включениям, а снижение водорода до 1,5 ррт исключило образование флокенов в рельсах. Вакуумирование и внепечная обработка позволяют производить новые марки рельсовых сталей.

На экспериментальное кольцо было отгружено 40 объемнозакаленных рельсов типа Р65К длиной 25 м, отобранных от плавок Б475 и А548. Шифр партии К-23. Результаты проведенных полигонных испытаний рельсов при наработке 1000 млн т брутто подтвердили их высокие свойства. Не были зафиксированы контактно-усталостные дефекты.

Микрострура горячекатаных рельсов пл. Б475, исследованная на образцах, вырезанных из головки, шейки и подошвы, состоит из перлита и участков феррита по границам зерен. Величина действительного зерна в пере подошвы соответствует 7-6 баллу, в головке и шейке 5-4 баллу по ГОСТ-5639-82. Максимальная глубина обезугле-роженного слоя составляет у поверхности головки 0,6 мм, подошвы - 0,8 мм, шейки - 0,5 мм.

На Восточно-Сибирской железной дороге протяженность кривых участков пути составляет 45,2 % от развернутой длины пути. Кривые малого радиуса ( 500 м и менее) составляют 25,4 % .

Опытные рельсы были уложены в кривой Я = 450 м по 2 пути 187 км ПК 3+53 - 187 км ПК 9+88 (длина кривой 635 м, возвышение 72 мм) на Чунской дистанции пути Восточно-Сибирской железной дороги.

Полигонные испытания рельсов типа Р-65К показали их повышенную износостойкость: удельный боковой износ на 1 млн т км брутто составляет 0,052 мм, тогда как стандартные рельсы типа Р-65 имеют боковой износ 0,102 мм.

Выводы

1. Определены основные положения повышения эксплуатационной стойкости рельсов, за-

ключающиеся в повышении содержания углерода до эвтектоидного, достижении высокой чистоты стали по неметаллическим включениям за счет вакуумирования, комплексного раскисления и модифицирования стали, оптимизации режима термической обработки для достижения требуемого уровня прямолинейности, твердости, механических свойств.

2. При исследовании установлено, что увеличение содержания углерода в рельсовой стали до эвтектоидного и микролегирование ее карбо-нитридообразующими элементами ванадия и азота обеспечивают повышение твердости на поверхности катания головки рельсов до 388 НВ, сохраняя при этом достаточно высокий уровень ударной вязкости за счет образования мелкозернистой дисперсной структуры без выделения структурно свободного феррита.

3. Полигонные испытания опытных рельсов подтвердили целесообразность укладки рельсов типа Р-65К в кривые малого радиуса, так как они имеют повышенную эксплуатационную стойкость.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ворожищев В.И., Черняк С.С., Козырев Н.А., Дементьев В.П., Тужилина Л.В. Рельсовая сталь. Патент № 2224044 от 25 января 2002 г.

2. Черняк С.С., Дементьев В.П., Алексеев Н.Т., Хо-менко А.П., Тужилина Л.В. Рельсовая сталь. Патент №2256000 от 20 января 2004 г.

3. Ворожищев В.И., Черняк С.С., Шур Е.А., Дементьев В.П., Могильный В.В. Рельсовая сталь. Патент № 222041 от 25 января 2002 г.

4. Козырев Н.А., Ворожищев В.И., Черняк С.С., Дементьев В.П. Рельсовая сталь. Патент № 223202 от 2 ноября 2002 г.

5. Черняк С.С., Дементьев В.П., Козырев Н.А. Рельсовая сталь. Патент № 2224042 от 25 января 2002 г.

6. Дементьев В.П., Черняк С.С., Козырев Н.А., Хомен-ко А.П., Алексеев Н.Т., Серпиянов А.И. Рельсовая сталь. Патент № 010562 от 13 марта 2008 г.

7. Дементьев В.П., Черняк С.С., Павлов В.В., Корнева Л.В., Хоменко А.П. Алексеев Н.Т., Серпиянов А.И., Тужилина Л.В. Рельсовая сталь. Патент № 2361007 от 10 июля 2009 г.