Параметры твёрдости стыков рельсов, сваренных алюминотермитным способом

Общетехнические и социальные проблемы

Современные технологии - транспорту

УДК 625.143.48 А. Л. Алехин

ПАРАМЕТРЫ ТВЁРДОСТИ СТЫКОВ РЕЛЬСОВ, СВАРЕННЫХ АЛЮМИНОТЕРМИТНЫМ СПОСОБОМ

Увеличение сроков службы рельсов в пути - одно из направлений ресурсосбережения. Важным фактором, влияющим на этот показатель, является твердость металла поверхности катания. Приведены результаты экспериментов по определению твердости металла на поверхности катания головки рельса в зоне стыков, сваренных алюминотермитной сваркой. Приведена формула определения нарастания твердости металла стыка в зоне рекристаллизации. Выдвинуты предложения по организации контроля, а также текущего содержания пути в зоне стыков, сваренных алюминотермитным способом.

алюминотермитная сварка, стык, твердость.

Введение

В последнее время много внимания уделяется ресурсосберегающим технологиям. Одним из направлений ресурсосбережения является увеличение сроков службы рельсов в пути. Одной из причин их «выхода» являются дефекты в зоне стыка, а также усиленный износ рельсов в зоне стыка за счет повышенных динамических нагрузок.

Устранение подобных проблем возможно путем сварки рельсов. На данный момент на сети железных дорог России применяются два вида сварки рельсов: электроконтактная и алюминотермитная. Каждый из этих видов имеет свои сферы применения. Электроконтактная сварка обеспечивает высокие физико-механические свойства сварного стыка и применяется практически повсеместно на железных дорогах России, за исключением тех мест, где применение данной сварки невозможно (в пределах стрелочных переводов) или экономически нецелесообразно. Алюминотермитная сварка при более низких физико-механических показателях сварного стыка позволяет выполнять сварку стыков на стрелочных переводах, а также является экономически более выгодной при выполнении небольших объемов сварочных работ, например при восстановлении целостности рельсовых плетей.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

61

1 Сущность алюминотермитной сварки

Алюмотермитная сварка осуществляется с использованием термитной смеси, которая является источником тепла и соединительного материала. Термит представляет собой механическую смесь мелкоизмельченных окислов и восстановителей. Алюмотермитный порошок состоит из окислов железа и алюминия с размером частиц 0,1-2,5 мм. Первичный алюминий содержит 98-99% чистого алюминия. В качестве окислов железа используют перемолотую железную окалину, которая должна быть хорошо обожжена с целью удаления влаги и масла. Содержание кислорода в окалине не должно быть ниже 25%. Химическая реакция смеси происходит, если смесь нагреть до температуры 1200-1300°С. Эта реакция идет с большим выделением тепла. Данная реакция выражается следующим уравнением:

3Fe3O4 + 8Al = 9Fe + 4AI2O3.

Подставив в формулу молекулярный вес входящих элементов, получим:

696 + 216 = 504 + 408.

Таким образом, 696 г железной окалины и 216 г алюминия дают после реакции 504 г железа и 408 г окиси алюминия. Термитная смесь содержит по весу 23,7% алюминия и 76,3% окалины. При сгорании 1 кг термитной смеси выделяется 762 ккал тепла, что позволяет получить температуру около 3000 °C.

Для лучшего использования тепла, выделяемого при реакции, в смесь добавляется измельченная сталь, а для получения определенного химического состава сплава - легирующие элементы в виде ферросплавов [1].

В технологии выполнения работ по алюминотермитной сварке рельсов необходимо обратить особое внимание на следующие операции, влияющие на качество сварного шва: очистка свариваемой поверхности, установка стыкового зазора и стыка по геометрии, предварительный прогрев стыка.

2 Исследование твёрдости стыков, сваренных алюминотермитной сваркой

Процесс эксплуатации стыков, сваренных аллюминотермитным способом, является недостаточно изученным в условиях эксплуатации на российских железных дорогах. Одним из направлений изучения стыков сваренных алюминотермитной сваркой служит исследование твердости поверхности катания в зоне стыка и влияние ее на прямолинейность поверхности катания рельса.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

Для исследования этих процессов были выполнены замеры твердости на станциях направления Санкт-Петербург - Москва Октябрьской железной дороги. Замеры проводились согласно схеме контроля твердости сварных стыков (рис. 1) согласно ТУ 0921-127-01124323-2005, а также замеры по оси рельса на расстоянии 250, 500 и 750 мм в обе стороны от оси сварного стыка. Измерения проводились с учетом направления движения поездов. Испытанию подвергались стыки, сваренные по технологии фирмы «СНАГА».

Рис. 1. Схема контроля твердости металла литейного шва

На основании полученных данных была составлена характерная картина изменения твердости по оси рельса и оси сварного шва (рис. 2).

Рис. 2. Характеристики твердости металла сварного шва в зависимости

от наработки тоннажа

На графике видно, что с увеличением пропущенного тоннажа твердость на всем протяжении поверхности катания рельсов в том числе в зоне сварного стыка, повышается. Однако процесс изменения твердости

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

63

является неоднородным. Скорости нарастания твердости в зоне влияния сварного стыка и остального рельса различны. Также различными являются скорости нарастания твердости в различных точках зоны влияния сварки. Наиболее интенсивно идет нарастание твердости в точках удаленных на расстояние 25 и 75 мм от оси сварного стыка, что соответствует зонам нормализации и отпуска металла.

При этом, если твердость металла в зоне нормализации одинакова независимо от направления движения, то для зоны отпуска металла характерным является то, что твердость на отдающем конце рельса ниже твердости на принимающем на 3%, что может являться следствием повышенных динамических нагрузок на принимающий конец рельса из-за недостаточной частоты шлифовки сварного стыка после сварки. По оси сварного стыка, а также в зонах рекристаллизации, расположенных на расстоянии 50 мм от нее, нарастание твердости идет менее интенсивно. И если по оси шва и на принимающем конце в зоне рекристализации скорости нарастания сопоставимы, то на отдающем конце в данной зоне она ниже (рис. 3), что может быть следствием резкого изменения твердости поверхности катания с более твердого непосредственно на самом рельсе к менее твердому в зоне влияния сварного стыка.

=Г 2

Рис. 3. График нарастания твердости металла по оси стыка и в зонах рекристаллизации

в зависимости от пропущенного тоннажа

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

Скорость нарастания твердости на отдающем конце в зоне рекристаллизации можно выразить формулой:

ДНВ = 2 0,4 М| - 4,44М| + 113,16МТ,

где АНВ - нарастание твердости по стыку в единицах по Бринеллю;

Мт - пропущенный тоннаж по стыку, сваренному алюминотермитной сваркой, млн т брутто.

Как видно из графика (см. рис. 2), перепады твердости довольно значительны при наработке соответствующего тоннажа, что может являться причиной возникновения коротких изолированных неровностей в зоне сварного стыка.

Для дальнейшего подтверждения данного факта были проведены измерения прямолинейности поверхности катания в зоне сварного стыка с помощью траекториографа. В зоне стыков, сваренных алюминотермитной сваркой, были обнаружены при наработке 78,78 млн т брутто пропущенного тоннажа короткие изолированные неровности трех видов: горбы, впадины, синусоидальные неровности. Максимальные величины данных неровностей составляли: горбов - до 2,0 мм; впадин - до 1,0 мм; синусоидальных неровностей - до 1 мм.

Заключение

На основании приведенных данных предлагается ввести контроль прямолинейности стыков в ходе их эксплуатации с назначением работ по шлифовке рельсов в случае необходимости. Учитывая тезисы, изложенные в статье «Волнообразный износ рельсов и скорость движения» [2], предлагается назначить шлифовку рельсов в зоне стыков, сваренных алюминотермитной сваркой, в зависимости от скоростей движения: 140 км/ч - после пропуска 40 млн т брутто, при скорости 100 км/ч - после 70 млн т брутто, при скорости движения 60 км/ч - 160 млн т брутто.

Важным является контроль за состоянием пути в зоне стыков, сваренных алюминотермитной сваркой. Предполагается осуществлять контроль геометрии поверхности катания головки рельса в зоне стыков с помощью профилографа и траекториографа при плановых проверках пути вагоном-путеизмерителем.

Библиографический список

1. Технология алюминотермитной сварки : учебное пособие / ред. Н. Н. Воронин. -М. : МИИТ, 2008. - С. 72-73.

2. Волнообразный износ рельсов и скорость движения / В. И. Абросимов,

А. Н. Трофимов, Л. Н. Фролов // Путь и путевое хозяйство. - 2001. - № 8. - С. 5-7.

Статья поступила в редакцию 16.04.2010;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2