Барабанная печь

На основе анализа выбора ТО, для того чтобы получить заданные требования, для стали Э76Ф рекомендуется закалка концов, объемная закалка в масле и высокий отпуск.

Объемная закалка в масле.

Процесс термической обработки осуществляют в следующем порядке. Рельсы пакетами по 10-12 штук в положении на боку нагревают под закалку в проходной печи с роликовым подом до температуры 830-840 0С в течение 47-55 минут. Нагретые рельсы с помощью специального устройства поштучно выгружают из бокового окна печи и кантуют на подошву на рольганге перед закалочной машиной. Для исключения коробления концов в вертикальной плоскости, возникающего при закалке из-за более быстрого охлаждения в масле менее массивной подошвы рельса, концы рельса подвергают термической правке, заключающейся в подсуживании подошвы на концах рельса. Благодаря этому при последующем охлаждении рельса в масле подсуженная на конце подошва препятствует увеличению длины головки, связанному с превращением аустенита и тем самым исключает изгиб концов. Кроме того, для получения в рельсах благоприятной эпюры напряжений проводят их подсуживание и центральной зоны шириной 50-60 мм остальной части подошвы. Подошву рельса охлаждают водовоздушной смесью в плоских щелевых спрейерах в следующей последовательности. Первоначально охлаждают подошву на концах неподвижного рельса на длине 980 мм в течение 7-9 с, а затем при его движении по рольгангу к закалочной машине охлаждают центральную зону остальной части подошвы в течение 14,5 с. Охлаждение осуществляют в семи спрейерах, установленных по длине рольганга, путем последовательного их включения на таком же расстоянии от 980-1000 мм от переднего конца.

Окончательно рельсы охлаждают в течение 5 минут в масле с температурой не выше 100 0С в закалочной машине. Подаваемый в закалочную машину рельс устанавливают в каретки, шарнирно подвешенные к концам звездочек барабана, расположенного в баке с маслом. Масло поступает непрерывно из резервуара через регулируемый щелевой затвор. Одновременно происходит и слив масла через сливную воронку. При повороте барабана рельс погружается в масло и охлаждается до 120-150 0С. Извлеченные из машины рельса пакетируют по 12-17 штук на закрытом стеллаже и подвергают отпуску при 450±15 0С в течение 2 часов в проходной печи с роликовым подом. После отпуска рельсы охлаждают на холодильнике, правят для устранения искривления в двух плоскостях на роликоправильных машинах и доправляют на вертикальном правильной машине.Твердость после термической обработки НВ 352-375. Микроструктура - тонкопластинчатый сорбит закалки по всему сечению рельса. Правка рельсов приводит к возникновению растягивающих остаточных напряжений на поверхности головки, которые снижают контактно-усталостную прочность. В связи с тем, что при объемной закалке их длина увеличивается в среднем на 18 мм, а в процессе правки они укорачиваются примерно на 20 мм, то допуск на длину рельсов увеличен.

4.2 Назначение режимов  окончательной ТО

Исходные данные для расчета технологии термической обработки рельсов из стали марки Э76Ф: максимальное сечение 75х51, содержание С %, 0,71-0,82.Определение времени нагрева при закалке. Общая продолжительность нагрева, т.е. общее время пребывания изделий в нагревающей среде τобщ, состоит из двух слагаемых - времени нагрева до заданной температуры τН и времени выдержки при этой температуреτВ

τобщ= τН + τВ

Для определения времени нагрева рельсов в различных средах с учетом их расположения в печи используем формулу

К1 = 2,5х0,75 = 1,875 мм = 1,9.

К2 - коэффициент равномерности нагрева определяем по таблице. Примем что рельсы имеют квадратную форму и, так как рельсы пакетами по 12 штук, в положении на боку нагревают под закалку в проходной печи то, К2 = 2,2, К3 - коэффициент среды в газовой среде - 2.

В итоге:

D1 = 51; К1 = 1,9; К2 = 2,2; К3 = 2

Для легированных сталей время выдержки можно принять равным 1,5 - 2 мин на 1мм сечения, но т.к рельс деталь массивная, то

τобщ= τН + τВ =42,6 +12,8=55 мин.

Определение времени нагрева и выдержки при высоком отпуске.

Отпуск проводим при температуре 450 0С в проходной печи с роликовым подом. Твердость после термической обработки 352-375 НВ или 38 HRC. При изготовлении рельсов используется сталь Э76Ф, в которой содержание углерода (С)=0,71-0,82%. Используя данные значения, определяем время нагрева при отпуске по номограммам.Монограммы для определения режима отпуска] [9]. Таким образом, время выдержки при отпуске =2часа.

5. Выбор оборудования для проведения термической операции

5.1 Выбор оборудования  для всех операций технологического  процесса

Определение типа производства.

Тип производства определяется по коэффициенту закрепления операции:

- такт производства, мин; - время на обработку одной  садки, мин.

- действительный годовой  фонд времени, час; - годовая программа  выпуска, шт.

Штучное время рассчитывается по формуле:

- основное оперативное  время на обработку одной садки, мин;

- основное технологическое  время, мин;

- вспомогательное не перекрываемое  время, мин;

- количество деталей в  садке, шт;

- количество одновременно  обслуживаемых печей, ед;

- время на организационное  обслуживание рабочего места  в % от оперативного;

- время на техническое  обслуживание рабочего места  в % от оперативного;

- время на отдых и  личные потребности в % от оперативного.

С учётом размеров детали и годовой программы выпуска выбираем следующие печи:

- для изотермической выдержки - конвейерная печь с подовыми топками;

- для закалки - проходная  печь с роликовым подом;

- для отпуска - проходная  печь с роликовым подом;

Технические характеристики печей приведены в таблице 6.

Конвейерная печь с подовыми топками для изотермической выдержки.

Сложным процессом является осуществление низкотемпературного нагрева при значительных размерах печи и повышенных требованиях к равномерности нагрева в конвейерных печах [8]. В печь загружают рельсы с температурой 450-600 0С.

Таблица 6 - Технические характеристики проходных печей с роликовым подом и печи для изотермической выдержки

Характеристики	Проходная печь	Конвейерная печь
	закалки	отпуска	изотермической выдержки
Установленная мощность, МВт	75	12,5	54
Установленная температура, °С	840	450±15	600
Производительность, т/ч	130	-	-
Ширина раб.пространства, мм	3020	3700	26700
Длина, мм	185000	260000	6000
Технологическая скорость, м\мин	12	0,3-1,2	-

 

При исходной температуре ниже 600 °С рельсы должны быть нагреты до этой температуры и выдержаны при ней, а при исходной температуре 600 °С -- только выдержаны. Неравномерность распределения температуры по длине рельсов и печи при выдержке не должна превышать 50 °С. Для обеспечения требуемой равномерности нагрева при ширине печи 26,7 м предусмотрены подовые топки с решетчатыми сводами. По длине печи расположены две топки длиной около 6 м, разделенные стеной в средней части печи. В каждой топке установлена инжекционная горелка, с помощью которой сжигают смешанный (коксовый и доменный) газ с теплотой сгорания 5,45 МДж/м3.

Проходная печь с роликовым подом для закалки рельсов.

На рис. 6, а, б показана печь с роликовым подом для нагрева рельсов под закалку в условиях Нижнетагильского металлургического комбината. Рельсы из стали Р65 длиной 25 м нагревают до 840 - 850 °С. Печь отапливают смешанным коксодоменным газом (теплота сгорания 6,7 МДж/м3) с помощью дутьевых горелок типа ДНС и ДНМ, установленных в боковых стенах выше и ниже уровня металла. Отвод продуктов сгорания производится вниз через многочисленные дымоотводы. Рельсы транспортируются с помощью гладких роликов с водоохлаждаемой цапфой. Для удобства смены роликов свод печи выполнен из отдельных съемных секций [8].На четырех рельсопрокатных заводах СНГ исторически сложились три различных вида технологии упрочняющей термической обработки рельсов по всей длине. Весь цикл производства проходит на рельсобалочном стане 800 (рис. 7). Наибольшее количество рельсов подвергается объемной закалке в масле и последующему отпуску. Такая технология термической обработки принята на НТМК и КМК.Объемной закалке в масле подвергают 25-м рельсы первого сорта, прошедшие весь цикл производства, включая отделочные операции (фрезерование торцов и сверление болтовых отверстий).Со склада сырых рельсов 1 (рис. 8), магнитными кранами их подают на загрузочный стеллаж рольганга 2, перед закалочной печью 3. Здесь рельсы комплектуют в пакеты по 11--13 штук, которые каждые 6--8 мин подают в нагревательную печь тоннельного типа с верхним и нижним обогревом (ширина рабочей камеры 3 м, длина 185 м). Рельсы в положении на боку перемещаются в печи с помощью 560 приводных роликов.Обогревают печь при помощи 520-ти инжекционных горелок, куда смесь коксового и доменного газов поступает под давлением 15 МПа.Рабочее пространство печи состоит из семи зон, в каждой из которых автоматически поддерживается заданная температура. В первых пяти зонах происходит последовательный методический нагрев, в шестой -- выравнивание температуры и необходимая выдержка, седьмая -- зона выдачи. Специальными вытаскивающими устройствами через боковое окно рельсы (по одному) извлекают из печи, кантуют на подошву и устанавливают на рольганг 4 перед закалочной машиной 5.Производительность печи 110 - 130 т/ч. Температура в первой и второй зонах 750 - 780, в третьей и четвертой 800 - 830, в пятой - седьмой 840 - 860 °С. Продолжительность пребывания рельсов в печи 47 - 55 мин.Закалочная машина состоит из пустотелого барабана длиной 28 м, вращающегося на двух роликовых опорах от привода через зубчатые венцы, посаженные на вал барабана. На барабане смонтированы шесть 12-ти лучевых звездочек. На конце каждого луча-лопасти подвешены на подшипниковой опоре каретки с вмонтированными в них роликами, на которые подается рельс для закалки в то время, когда данный ряд кареток находится над уровнем масла. Каретка с рельсом под действием собственной массы находится в строго вертикальном положении, в котором и происходит погружение в масло. Барабан со звездочками и каретками установлен внутри бака, заполненного маслом, поступающим из резервуара через регулируемый щелевой затвор. При повороте барабана на 30°, рельс погружается в масло, в котором он охлаждается в течение 5 мин.Маслоохладительная система обеспечивает поддержание постоянной температуры масла, которая не должна превышать 100 °С. После 10 циклов, соответствующих загрузке очередного рельса и поворота барабана на 30°, закаленный рельс снова оказывается под уровнем масла. Температура рельса при этом составляет 120 - 150 °С.

Извлеченные из закалочной машины рельсы на крытом стеллаже 6 комплектуются в пакеты по 12 - 17 штук и подаются в отпускную проходную печь 7 с роликовым подом.

Отпускная печь тоннельного типа состоит из 10 одинаковых зон: пяти нагревательных и пяти для выдержки при температуре отпуска. В каждой зоне помещается один пакет рельсов. Общая длина камеры печи составляет 260 м, ширина 3,7 м. Печь обогревается смесью коксового и доменного газов, которая сжигается в специальных камерах вне рабочего пространства печи. Для каждой зоны печи имеется своя камера сгорания, снабженная эксгаустером для подачи продуктов горения в печь и их циркуляции в зоне печи. Температура продуктов горения поддерживается не выше 580 °С. Температура в печи автоматически поддерживается в пределах: в первых трех зонах 350--400, в четвертой и пятой 400--450, в шестой -- десятой зонах -- 450±15°С. Продолжительность отпуска 2 ч.После отпуска рельсы охлаждаются на холодильнике 12 и правятся в двух плоскостях на роликоправильных машинах 10, 11 и вертикальных правильных прессах 9. После этого рельсы поступают на инспекторские стеллажи 8, для контроля и приемки.

5.3 Вспомогательное оборудование

Вспомогательным оборудованием для печи с роликовым подом является механизм для боковой выдачи рельсов. Механизм для боковой выдачи рельсов из печи (рис. 9) состоит из тележки 4, передвигающейся в сторону печи под действием контргруза 5. Когда головка 6 хобота упирается в ближайший рельс, лежащий на роликовом поду I, тележка останавливается (положение II). После того как все тележки упрутся в рельс, их поднимают вместе с захваченным рельсом рычажным механизмом подъема 7 и в верхнем положении III механизмом передвижения 8 отводят в крайнее исходное положение I.

 

6. Составление технологической карты термической обработки

Таблица 7 - Технологическая карта термической обработки железнодорожных рельсов

Наименование изделия

Марка стали

Масса, кг

?в, МПа

?0,2, МПа

?, %

?, %

КСU МДж/м2

железнодорожные рельсы

Э76Ф

1622

1290

940

10

35

0,42

Для печей

№

Наименование операции

Оборудование

загрузка деталей

режим процесса

охлаждение

тв. НВ

1

Противофло-кенная термическая обработка

конвейерная печь

1

По 10-12 рядов по 8-10 шт в ряду

Охла-дить до 250 Нагреть и выдер-жать при 600

42 мин

2 ч

воздух

-

-

2

Объемная закалка в масле

проходная печь с роликовым подом

1

10-12 штук

830-840

42 мин

10-13 мин

Масло (5мин)

не выше 100 0С

363-388

3

Отпуск

проходная печь с роликовым подом

1

12-17 штук

450±15

42 мин

2 ч

Воздух (холодильник)

-

375

Для ТВЧ

№

Наименование операции

оборудование

загрузка деталей

частота в Гц

h закаленного слоя мм

условие нагрева и охлаждения

тв. НВ

4

Закалка концов рельсов с индукционного нагрева

индуктор

10

5-6

2500

5

950

25-40

25-30

охлаждение конденсатом или сжатым воздухом

363-388

 

 

7. Контроль качества  и дефекты термической обработки

7.1 Контроль качества противофлокенной термической обработки

Для контроля рельсов на отсутствие флокенов вначале определяют флокеночуствительность стали каждой плавки. Для этого от головного конца рельсовой полосы на пилах горячей резки отрезают пробу длиной 200-250 мм В зависимости от технологического процесса противофлокенной обработки охлаждение проб проводят с различной скоростью. На заводах, применяющих замедленное охлаждение рельсов в колодцах, горячие пробы охлаждают на спокойном воздухе, а на заводах, применяющих изотермическую выдержку в печах, пробы охлаждают ускоренно струей воздуха от вентилятора, расположенного вырезки шлифа на расстоянии 750 мм.Наличие флокенов определяют ультразвуковым контролем и металлографически.При наличии в первой пробе не более 50 флокенов рельсы после изотермической выдержки повторному контролю не подвергают. При наличии от 51 до 100 флокенов проводят дополнительный контроль пробы, отобранной от контрольного рельса, прошедшего изотермическую выдержку.Если в первой пробе 101-150 флокенов, дополнительному контролю четыре первых головных рельса, в том числе контрольный. В случае обнаружения в пробе 150 флокенов дополнительно контролируют все головные рельсы.

Трещины в головке рельса. Тонкие поверхностные трещины обычно возникают с шагом 2 - 7 мм на рабочей грани головки наружного рельса сортировочных путей в кривых радиусом 400 - 1500 м, на остряках, а иногда и на рельсах прямых участков. Они распространяются вниз от этой грани под углом примерно 45° к направлению движения и под углом около 15° к поверхности грани внедряются в металл..

Дефекты поверхности катания, вызванные боксованием. Трещины и сколы от таких повторяющихся углублений могут распространяться в длину на несколько метров, а глубина зоны превращения перлита в мартенсит под действием тепла достигает 1 мм.Волнообразные неровности представляют собой квазипериодические неровности с длиной волны от 1 до 10 см и глубиной от 0,01 до 0,4 мм на поверхности катания в прямолинейных участках пути и кривых большого радиуса (рис. 12, г).

 

 

Заключение

Применение стали марки Э76Ф, для изготовления железнодорожных рельсов обеспечивает помимо высокой износостойкости и контактно-усталостной прочности, определенную живучесть, характеризующуюся скоростью роста поперечных усталостных трещин, а также сопротивление к хрупкому разрушению, гарантирующим надежность в эксплуатации. Это позволяет использовать данную сталь для изготовления рельсов, работающих в условиях повышенной износостойкости.

Проведение предварительной противофлокенной термической обработки позволяет предотвратить образование флокенов - внутренних дефектов, расположенных внутри сечения головки рельса. Использование же такой термической операций как объемная закалка в масле по всей длине позволяет получить повышенную твердость НВ 363-388, прочность и износостойкость. Закалка концов рельсов с индукционного нагрева также способствует повышению твердости и повышению предела усталости из-за появления в поверхностном закаленном слое сжимающих напряжений. Получаемая конечная структура сорбит отпуска.