Рельсовая сталь
Современный железнодорожный транспорт не похож на тот, что был 100 лет назад. Скорость поездов с того времени увеличилась почти в 5 раз, а грузоподъемность в 8-10. Такие количественные изменения не могли не затронуть и рельсы, по которым перемещается локомотив. Их износостойкость, прочность и твердость также достигли нового уровня своих значений. В нынешнее время рельсовая сталь обладает целом рядом функциональных особенностей.
Химический состав
Рельсовые марки стали подразделяются на 2 группы в зависимости от вида применяемых раскислителей:
Химический состав рельсы полностью регулируется государственным стандартом ГОСТ Р 554 97- 2013. Согласно ему, помимо основного компонента железа, сплав должен включать в себя следующий набор элементов:
В зависимости от содержания серы и фосфора рельсовые стали подразделяются 2 сорта. Первый сорт имеет в своем составе меньший процент данных вредных примесей. Он более предпочтителен и применяется на более ответственных участках железнодорожного пути.
Механические свойства
Рельсовые марки стали отличаются повышенной стойкостью к циклическим нагрузкам. Их предел прочности в зависимости от марки колеблется в пределах от 800 до 1000 МПа. Деформироваться рельсовая сталь начинает в промежутке от 600 до 810 МПа. Опять же, это зависит от того соотношения легирующих элементов в составе стального сплава.
Сталь хорошо справляется с ударной нагрузкой. Значение ударной вязкости составляет 2,5 кг/см2. Твердость сплава находится в прямой зависимости от качества проведения термической обработки. Объемная закалка способно увеличить данный параметр до 60 единиц по шкале Роквелла.
Рельсовая марка обладает умеренной пластичностью. Относительное сужение для нее равняется 25%, что позволяет прокатывать рельсы горячим способом. Предварительно нагрев их до температуры 900-1000 ºC.
Применение и марки рельсовой стали
Как уже было сказано ранее, основное назначение данного металла — это изготовление рельс железнодорожного пути. Ниже приведен список тех марок, которые наиболее активно применяются для этой цели:
Рельсовая марка стали сегодня является одним из ключевых материалов, применяемых при изготовлении железнодорожного полотна. Это стало благодаря оптимальным значениям механических характеристик и, что не менее важно, низкой стоимостью такого рода рельс. Но до сих пор, процесс по поиску оптимального химического состава стали данной группы продолжается. Кто знает какие решения будут приняты через год, и как они повлияют на долговечность железнодорожных путей.
[Статья] Рельсовая сталь и маркировка рельсов
Материалом для рельсов служит рельсовая сталь. Рельсы изготавливаются двух групп: I группа — из спокойной мартеновской стали, раскисленной в ковше комплексными раскислителя-ми без применения алюминия или других раскислителей, образующих в стали вредные строчечные неметаллические включения; II группа — из спокойной мартеновской стали, раскисленной алюминием или марганец-алю-миниевым сплавом.
Качество стали определяется ее химическим составом (табл. 1.2).
С повышением в стали углерода С повышается общая прочность рельсов при изгибе, твердость и износостойкость. Марганец Mn увеличивает твердость, износостойкость и вязкость рельсовой стали, а кремний Si — твердость и износостойкость. Фосфор Р и сера S — вредные примеси. При низких температурах рельсы с большим содержанием фосфора становятся хрупкими, а серы — красноломкими (при прокате рельсов образуются трещины). Ванадий, титан и цирконий — микролегирующие и модифицирующие добавки, улучшающие структуру и качество стали.
Макроструктура современной углеродистой рельсовой стали представляет пластинчатый перлит с небольшими прожилками феррита на границах перлитных зерен. Значительная твердость, сопротивление износу и вязкость углеродистых сталей достигаются приданием им однородной сорбитной структуры (с помощью специальной термической обработки).
Механические свойства стали для рельсов I и II групп при испытаниях на растяжение должны соответствовать данным, приведенным в табл. 1.3.
Эти данные соответствуют рельсам, изготовленным из мартеновской стали, не закаленным по всей длине.
Сталь для рельсов должна иметь чистое, однородное, плотное мелкозернистое строение (макроструктуру).
Технология изготовления рельсов должна гарантировать отсутствие в них флокенов, а также местных неметаллических включений (глинозема, карбидов и нитридов титана или глинозема, сцементированного силикатами), вытянутыми вдоль направления проката в виде дорожек — строчек.
Поверхность головки рельса на его концах подвергается закалке с прокатного или индукционного нагрева токами высокой частоты.
Для обеспечения большей износостойкости и долговечности рельсы изготавливают из мартеновской высокоуглеродистой стали (типы Р75, Р65, Р50), подвергая их герметической обработке по всей длине путем объемной закалки в масле с последующим печным отпуском (ГОСТ 18267—82). Макроструктура закаленного металла головки рельса представляет собой сорбит закалки. Твердость по Бринеллю на поверхности катания головки закаленных рельсов должна быть в пределах 341—388 НВ, шейки и подошвы — не более 388 НВ.
Механические свойства объемноза-каленных рельсов должны характеризоваться величинами не менее указанных ниже:
| Временное сопротивление на разрыв, кПа. 12 МО5 |
Предел текучести, кПа. 8,1 • 10e5
Ударная вязкость при 20 С, кгм/см2 2,5
Рельсы, полностью удовлетворяющие техническим требованиям и стандартам, относятся к 1-му сорту. Рельсы, имеющие отклонения в химическом составе и механических свойствах, относятся ко 2-му сорту.
Объемнозакаленные рельсы имеют срок службы в 1,3—1,5 раза выше, чем обычные.
Условия эксплуатации рельсов на дорогах Сибири и Дальнего Востока почти вдвое тяжелее, чем в Европейской части России. Поэтому в настоящее время созданы рельсы низкотемпературной надежности Р65, объемнозакаленные I группы, изготовляемые из ванадий-ниобий-боросодержащей стали с использованием для легирования азотированных ферросплавов. Для этих рельсов используется электросталь, варка которой производится в дуговых печах.
При температуре минус 60 °С рельсы из электростали выдерживают ударные нагрузки вдвое большие, чем рельсы из мартеновской стали.
В настоящее время российские рельсы — одни из лучших в мире. Однако японские, французские, шведские и канадские рельсы имеют значительно более низкий уровень собственных напряжений и большую чистоту рельсовой стали, а также прямолинейность. Именно поэтому сейчас началась их закупка для участков скоростного движения российских железных дорог.
Маркировка, сроки службы рельсов и мероприятия по их продлению
Маркировка рельсов производится для правильной укладки их в путь и для определения места и времени изготовления каждого отдельного рельса. Она подразделяется на основную (постоянную), выполняемую во время прокатки клеймением в горячем и холодном состоянии (рис. 1.2) и дополнительную или временную, выполненную краской. Основная заводская маркировка указывает соответствие рельсов
требованиям стандартов, а дополнительная отмечает особенности каждого рельса (укорочение, сорт и т. д.).
Завод, изготовляющий рельсы, гарантирует исправную службу рельсов в пути в течение срока наработки, исчисляемого в миллионах тонн брутто пропущенного тоннажа Т. Рельсы изымаются с пути или по износу головки или по дефектности. Как правило, вертикальный износ головки не достигает предельных значений при норме наработки Т, при которой производят сплошную смену рельсов из-за их предельного выхода по одиночным дефектам.
В настоящее время принята классификация дефектов рельсов, приведенная в табл. 1.4.
Интенсивность одиночного выхода рельсов зависит от их наработки (пропущенного по ним тоннажа), конструкции пути, нагрузок на рельсы от колесных пар обращающегося подвижного состава, плана и профиля пути, типа рельсов, качества стали и других факторов. На рис. 1.3 приведены осредненные для сети бывшего СССР кривые нарастания одиночного изъятия нетермообработанных рельсов на прямых и пологих кривых в зависимости от пропущенного тоннажа при звеньевом пути на деревянных шпалах.
Объемнозакаленные рельсы имеют значительно меньший выход, что видно, например, на графике рис. 1.4 для линии С.-Петербург — Москва.
Наибольшее одиночное изъятие дефектных рельсов производится из-за недостаточной контактно-усталостной прочности металла, из-за чрезмерного бокового износа головки в кривых и из-за коррозии подошвы рельса и кор-розионно-усталостных трещин (дефекты 44, 17, 21, 14, 11, 69 — см. табл. 1.4).
Продление сроков службы рельсов в настоящее время производится путем применения ресурсосберегающих технологий, в частности, хорошим средством восстановления служебных свойств рельсов является их периодическая шлифовка в пути или острожка старогодных рельсов на рельсосварочных предприятиях. Для шлифовки рельсов применяются рельсошлифовальные механизмы и рельсошлифовальные поезда с абразивными кругами.
Повышение качества рельсов ведется по трем основным направлениям: повышение чистоты рельсовой стали; повышение твердости рельсового металла и улучшение его структуры; повышение прямолинейности рельсов при изготовлении. Разрабатывается также рельс Р65ш, который будет иметь запас в высоте головки (6. 7 мм) на последующую шлифовку.
Химический состав и структура рельсовой стали, применяемой при изготовлении трамвайных и железнодорожных рельсов
Химический состав рельсовой стали
Трамвайные и железнодорожные рельсы изготовлялись из мартеновской или бессемеровской стали. За рубежом применяется также томассовская сталь, из которой ранее изготовляли рельсы и в нашей стране. Рельсы из легированной стали, а также двухслойные рельсы применялись у нас лишь в виде опыта, давшего положительные результаты в части увеличения износоустойчивости рельсов.
Химический состав рельсовой стали и технические условия на изготовление и приемку трамвайных рельсов регламентированы Государственными стандартами.
Химический состав рельсовой стали приведен в табл. 1.
| Род стали | Марка стали | Содержание элементов в % | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Углерод | Марганец | Кремний | Фосфор, не более | Сера, не более | ||
| Трамвайные рельсы | ||||||
| Углеродистая, мартеновская | М-75 | 0,67–0,80 | 0,70–1,00 | 0,13–0,28 | 0,04 | 0,04 |
| Среднемарганцевистая, мартеновская | – | 0,40–0,55 | 1,2–1,6 | 0,15–0,35 | 0,04 | 0,04 |
| Высокомарганцевистая (литая) | – | 0,8–1,50 | 10,0–15,5 | 0,30–0,75 | 0,05 | 0,05 |
| Железнодорожные рельсы | ||||||
| Для рельсов весом до 45 кг/м: | ||||||
| – мартеновская | М-71 | 0,64–0,77 | 0,60–0,90 | 0,13–0,28 | 0,04 | 0,04 |
| – бессемеровская | НБ-62 | 0,50–0,73 | 0,60–1,10 | 0,15–0,30 | 0,08 | 0,075 |
| Для рельсов весом 50 кг/м, мартеновская | М-75 | 0,67–0,80 | 0,70–1,00 | 0,13–0,28 | 0,04 | 0,05 |
Углеродистыми трамвайные и железнодорожные рельсы называются потому, что качественная характеристика их определяется в основном содержанием углерода в стали.
Чем больше сталь содержит углерода, тем она тверже и тем менее подвержена истиранию, но зато она более хрупкая.
К полезным примесям в рельсовой стали относятся также кремний, который раскисляет и уплотняет металл, а также марганец, придающий стали большую вязкость и увеличивающий ее износоустойчивость. Однако эти полезные примеси полезны только в определенных пределах.
С увеличением содержания марганца в прокатных трамвайных и железнодорожных рельсах должно быть уменьшено содержание углерода в рельсовой стали.
Кроме того, основную рельсовую сталь можно улучшить путем облагораживания ферросплавами – примесью хрома, никеля, ванадия и т. п.
Примеси фосфора и серы являются вредными в рельсовой стали, так как придают ей хрупкость, причем сера вызывает красноломкость металла, т. е. хрупкость в нагретом состоянии, а фосфор придает холодноломкость стали, т. е. хрупкость в холодном и горячем состояниях. Поэтому весьма желательно ограничивать эти примеси до возможного предела.
Структура рельсовой стали
Исследованиями установлено, что рельсы трамвайного типа более неоднородны, чем рельсы железнодорожного типа, причиной этому служит более сложная конфигурация профиля трамвайных рельсов, вызывающая неравномерное обжатие и обработку отдельных частей профиля при различных температурах, доходящих до 980 °C. В то же время лучшая однородная мелкозернистая сталь при ее обработке давлением получается при температуре в 700–860 °C. Однородность структуры рельсовой стали проверяется при помощи макроструктурных и микроструктурных испытаний.
Макроструктура выявляется глубоким травлением образца рельса по всему поперечному сечению. Травление производится обычно серной кислотой (H2SO4), а иногда и каким-либо другим способом. После этого протравленный образец фотографируется в натуральную величину. Равномерная мелкозернистая структура соответствует доброкачественному рельсу. Недоброкачественность заключается главным образом в явных признаках отделения легкоплавких веществ от трудноплавких (ликвации). Тогда на образце будут заметны продольные жилы, которые иногда переходят во внутренние трещины.
Для получения микроструктуры из рельса берется небольшой образец, полируется и после протравливания его однопроцентным раствором азотной кислоты в алкоголе фотографируется под микроскопом с увеличением в 100–150 раз. На рис. 1 показана микрофотография структуры рельсовой стали с увеличением в 100 раз. На микрофотографии белым цветом изображается феррит (свободное железо), черным–перлит (железо с углеродом). Структура должна быть перемешанная, зернистая, что указывает на однородность металла рельса.
Рис. 1. Микрофотография рельсовой стали.
Железнодорожные рельсы – производство и особенности
Рельса – это металлическая балка, имеющая оригинальное сечение. Она применяется для создания опоры, по которой передвигается железнодорожный транспорт. Впервые рельсы начали изготавливать в Древнем Риме, но тогда для их изготовления использовалось дерево, а расстояние между ними было строго 143 см. Установка рельс производится в параллельной плоскости относительно друг другу. В результате образуется «двухниточный путь».
Основная задача рельс – направлять колеса транспорта и принимать на себя нагрузку с последующим ее распределением на нижние элементы верхнего пути. В случае использования составов в зонах, передвижение в которых невозможно без электрической тяги, рельсы играют роль проводника тока, а для зон, применяющих автоблокировку, рельсы являются проводником.
Материал изготовления
В большинстве случаев для изготовления рельсов используется углеродистая сталь. На качество этого материала оказывают влияние некоторые факторы, например, микроструктура и макроструктура стали, ее химическое строение и т. д. Наличие углерода придает рельсе большей долговечности и надежности.
Однако избыток углерода в составе стали может оказать негативное воздействие. При его чрезмерном количестве значительно повышается хрупкость. Именно поэтому при добавлении углерода стоит позаботиться и о том, чтобы структура стали балы максимально прочной.
Для повышения качества исходного материала применяются и другие вещества. В последнее время все чаще прибегают к обработке рельсов марганцем. Это повышает устойчивость металла к повреждениям механического характера, делает его более долговечным и вязким. Добавление кремния в состав стали повышает ее износоустойчивость и твердость. Также можно использовать титан, ванадий и цирконий. Эти микроэлементы способны значительно улучшить качественные характеристики стали.
Ни в коем случае нельзя добавлять серные и фосфорные добавка, так как они делают сталь более уязвимой к ломке и повышают хрупкость. Очень часто в деталях, изготовленных с добавлением этих веществ, можно наблюдать наличие трещин и разломов.
Выше уже шла речь о том, что сталь имеет свою микроструктуру и макроструктуру. В качестве основного материала для первой структуры используется перлит. Его форма напоминает пластины, содержащие феррит. Добиться однородного состава стали можно с помощью ее закаливания, то есть обработать ее при очень высокой температуре. Закаливание повышает износостойкость, долговечность, надежность, жесткость и вязкость металла. Для макроструктуры наличие лишних веществ или пустот является недопустимым.
Физические характеристики рельсов
Настоящий профиль рельсов не всегда был таким. Он терпел изменения с течением времени. История помнит угловые, двухголовые, грибовидные, широкоподошвенные и другие рельсы.
Конструкция современного широкоподошвенного рельса включает в себя подошву, головку и шейку, которая выступает в качестве соединительного элемента между этими двумя частями. Центральная часть делается немного выпуклой для того, чтобы нагрузка с колес переносилась на центральную область рельса. Места соединения шейки с подошвой и головкой имеют плавные формы. Для снятия напряжения с шейки ее делают в виде кривой. Чем шире основание подошвы рельса, тем выше ее боковая устойчивость.
Существует несколько стандартных размеров рельсов. Для Российской Федерации свойственно выпускать рельсы длинной 12,5, 25, 50, 100 м.
Также существует возможность выпускать рельсы и меньшей длины. Они используются на неровных участках железнодорожного пути. Длина бесстыкового пути составляет не менее 400 м и может достигать перегонной длины. Чем выше длина рельса, тем меньше сопротивление передвижения транспорта и, соответственно, ее износ. Сохранение стали при переходе на бесстыковой путь достигает 4 т на 1 км пути. Это возможно благодаря отсутствию элементов крепления в области стыков рельсов.
При расчете мощности материала необходимо учитывать такой параметр, как удельный вес на 1 м рельса. Его измерение принято проводить в килограммах.
Еще один элемент железнодорожного пути – шпалы. Они играют роль крепежного элемента. Благодаря развитию современных технологий появилась возможность производить шпалы не только из железобетона и дерева, но и из стали или пластика.
При расчете стоимости одного рельса учитывается его удельный вес, габаритные параметры (длина и ширина), твердость и степень износоустойчивость.
Типы рельсов
Для того чтобы правильно подобрать необходимы тип рельсов необходимо рассчитать загруженность линии и среднюю скорость, с которой по ней будет передвигаться транспорт. Для примера возьмем массивный рельс с большим весом. Он положительно влияет на износоустойчивость шпал и снижает экономические затраты на обслуживание линии за счет увеличения ее долговечности.
На сегодняшний день существуют такие виды рельсов:
Где купить данные виды рельс? Рекомендуем покупать у надежный поставщиков. В Екатеринбурге рельсы можно приобрести в торговой компании «Рельс-Комплект». Компания реализует ж/д продукцию высокого качества от ведущих отечественных заводов, отвечающую нормам ГОСТов.
Классификация рельсов осуществляется по нескольким параметрам:
Эти характеристики напрямую влияют на стоимость рельса.
Условные обозначения
На каждой рельсе присутствует маркировка, состоящая из нескольких групп цифр и букв. Каждая буква означает определенный параметр:
Например, маркировка рельса Р65-Т1-М76Т-25-3/2 ГОСТ Р 51685-2000 говорит о том, что это рельс железнодорожного типа категории Т1. Для его изготовления использовалась сталь марки М76Т. Длина рельса составляет 25 м. Имеет 3 отверстия для болтов на каждом конце. Соответствует указанному стандарту ГОСТ.
Как выбрать рельс
Среди тех, кто покупает рельсы или иное оснащение для железной дороги либо кранов, не бывает случайных людей. Кроме того, эта категория потребителей обычно хорошо ведет подсчеты и имеет понимание того, что каждый уплаченный за качество рубль сейчас вернется многократной экономией впоследствии.
Назначение рельс
Рельсы являются одной из главных составляющих верхнего строения пути— это балки особого сечения, их изготавливают из углеродистых сталей. Располагаются рельсы на шпалах и опорах, они являются направляющей для передвижения железнодорожных составов, необходимы для принятия и равномерного распределения силы давления колёсных пар на шпалы и иные детали полотна. Они применяются при укладывании пути железной дороги, для сооружения линий промышленного назначения и путей подъезда к шахтам, карьерам, также при помощи рельсов обеспечивают передвижение кранов строительного и грузового вида.
Разбираемся в маркировке
Тип рельсов определяет их удельный вес, маркируются они комбинацией буквы «Р» и цифр, которые соответствуют весу одного погонного метра рельса в килограммах. Рельсы реализуются «на вес», поэтому это стоит учитывать первым делом в процессе расчётов. У нас в стране обычно используют рельсы Р65, Р50 и Р43. Стандартная длина железнодорожных рельсов, которые производятся рельсопрокатными предприятиями, равна 12,5; 25; 50 и 100 метрам.
Чтобы верно определить требуемый тип рельс, стоит учесть несколько моментов:
Для справки
Основные требования, предъявляемые качеству:
Чтобы обеспечивать необходимую силу сцепления между рельсами и движущими колесами составов плоскость катания должна быть шероховатой. Чтобы снизить сопротивление движению остальных колес – вагонов, тендеров и поддерживающих колес локомотивов – надо, чтобы поверхность катания рельсов была гладкой.
Материал рельсов
Сегодня рельсы прокатывают исключительно из стальных слитков. Сталь изготавливается в конвертерах методом Бессемера либо в мартеновской печи. Бессемеровскую сталь получают путем продувки кислородом расплавленной чугунной массы, в течение 15 – 18 минут. При этом происходит выгорание углерода и части примесей. Мартеновскую сталь варят несколько часов из чугуна и стального лома в огромной печи, емкость которой составляет от 200 до 1500 тонн. Такая сталь более чистая и имеет меньшую хладноломкость, если сравнивать с изготовленной методом Бессемера. Рельсы тяжелого типа, например Р65 и Р75, прокатывают исключительно из мартеновской стали.
Химический состав сплава
Качественные показатели рельсовых сталей определяются их химическим составом и структурой. Химический состав стали российских рельсов характеризуется добавками к железу в процентах. Углерод применяют для увеличения твердости и износостойкости рельсовой стали. Тем не менее чем больше содержится углерода, тем выше при иных равных условиях хрупкость стали и более затруднительна холодная правка рельсов. Вследствие этого потребуется наиболее равномерно распределить металл по сечению рельса, наиболее четко необходимо выдерживать химический состав, особенно это касается фосфора и серы.
Закалка
Сейчас большое распространение обрела объемная закалка рельсов. Данный метод увеличивает пластичность и вязкость, повышает усталостную прочность и стойкость рельсов против образования поперечных усталостных изломов. Эксплуатационная стойкость этих рельсов в 1,3–1,5 раза выше стойкости незакаленных рельсов. По техническим и экономическим подсчетам, применение рельсов с объемной закалкой в среднем за год на 1 км пути обеспечит существенную финансовую экономию. Сталь должна быть однородного мелкозернистого строения без шлаковин, волосовин, плен, следов неоднородного распределения химических добавок по сечению.