Разработка и внедрение устройства и технологии ускоренного охлаждения для обеспечения механических свойств металла рельсовых накладок

• Автор: Захарченко, Мария Владимировна
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 136 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВОЙСТВ РЕЛЬСОВЫХ НАКЛАДОК

1.1 Анализ технологий и способов получения заданных механических характеристик железнодорожного проката
1.2 Охлаждающие среды и способы охлаждения в технологиях упрочнения стальных изделий

1.3 Анализ тепловых режимов охлаждения стального проката

при его термоупрочнении

1.4 Выводы и задачи исследования

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ СТРУЙНОМ ВОДЯНОМ

ОХЛАЖДЕНИИ РЕЛЬСОВОЙ НАКЛАДКИ

2:1 Математическое моделирование охлаждения рельсовой накладки в баке

с маслом
2.2 Математическое моделирование охлаждения рельсовой накладки плоскими струями воды и обоснование выбора конструкции устройства
2.3 Экспериментальная установка для реализации процесса струйного
Охлаждения рельсовой накладки
2.4Теплотехнические эксперименты по охлаждению накладки и адаптация математической модели
2.5 Технологические эксперименты и полученные результаты механических свойств накладки
2.6 Выводы по разделу
3 ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ СТРУЙНОГО ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РЕЛЬСОВОЙ НАКЛАДКИ НА ФИЛИАЛЕ ОАО «ЕВРАЗ
НТМК»-НСМЗ
3.1 Устройство закалки накладок и тепловые режимы его работы

3.2 Результаты исследования механических свойств, прямолинейности и микроструктуры рельсовой накладки
3.3 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение А - К расчёту параметров конструкции устройства
Приложение Б - Характеристики приборов измерительного комплекса
Приложение В - Микроструктуры нижней головки рельсовой накладки
Приложение Г - Микроструктуры верхней головки рельсовой накладки
Приложение Д - Данные о метрологическом обеспечении исследований
тепловых режимов УЗН
Приложение Е - Микроструктуры шейки рельсовой накладки в
горячекатаном состоянии
Приложение Ж - Микроструктуры верхней головки рельсовой накладки
(%С=0,57) после термоупрочнения в объёме масла
Приложение И - Микроструктура верхней головки рельсовой накладки
(%С=0,57) после охлаждения в УЗН (хЮОО)
Приложение К - Микроструктура верхней головки рельсовой накладки
(%С=0,57) после охлаждения в УЗН (х2000)
Приложение Л - Микроструктуры верхней головки рельсовой накладки
(%С=0,485) после термоупрочнения в объёме масла
Приложение М - Микроструктура верхней головки рельсовой накладки (%С=0,50) после охлаждения в УЗН (х2000)
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В 2008 году Правительством Российской Федерации была утверждена Стратегия развития железнодорожного транспорта в России до 2030 года, которая предусматривает расширение сети железных дорог. Рельсы и рельсовые скрепления являются основными элементами верхнего строения пути, которые в значительной степени определяют безопасность и скорость движения составов по железной'дороге. В свою очередь, одним из ответственных элементов рельсового стыка является рельсовая накладка. Российскими стандартами предъявляются высокие требования к механическим свойствам накладок, для обеспечения которых необходима термическая обработка. Согласно ГОСТ 4133-73 рельсовые накладки подвергают объёмной закалке в масле, что является неуправляемым, неэкологичным и дорогостоящим процессом. Эта технология требует не только сложного сопутствующего оборудования, но и оборудования по утилизации отработанного масла, а работа персонала происходит в тяжёлых условиях. Невозможность регулирования скорости охлаждения в различных температурных интервалах не всегда’ позволяет обеспечить после термообработки оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств изделий, минимизировать напряжения. Существуют технологии ускоренного охлаждения, где в качестве охлаждающего агента используются струи воды, что делает технологический процесс экологически чистым и экономичным. Применением технологий ускоренного охлаждения можно успешно заменить закалку изделий в масляных, щелочных, селитровых баках, таким образом, устранить пожароопасность, загрязнение окружающей среды, вредность для здоровья персонала, проблемы старения и утилизации охладителей, существенно можно понизить себестоимость готовых изделий за счёт уменьшения процентного содержания легирующих добавок. Возможность регулирования скорости охлаждения при водяном охлаждении позволяет получить требуемую структуру металла, а, следовательно, стабильные значения механических свойств и служебных характеристик, что недостижимо для изделий, за-

спрейерном охлаждении. Температура поверхности изделия отличается от температуры кипения закалочной среды на величину перегрева АТ:
Тп = Тк + АТ (1.3)
Установлено, что для воды величина АТ при атмосферном давлении для пузырькового кипения достигает 25-35 °С, при больших температурах наступает второй кризис кипения. Для АТ- 35 °С коэффициент теплоотдачи при будет равен а = 33000 Вт/м2-К [57]. Таким образом, в случае пузырькового кипения превалирующим является конвективный теплообмен, а при плёночном кипении необходимо учитывать излучение между паровой плёнкой и поверхностью нагретого изделия.
Интенсивность подвода охлаждающей среды к поверхности разных элементов изделия определяется их термической массивностью: от более массивных элементов требуется более интенсивный отвод тепла. С этой целью организуется дифференцированный подвод охладителя к поверхности изделия с помощью форсунок, .которые могут иметь разнообразную конструкцию в зависимости от требований к скорости процесса. Подведение охлаждающего агента может осуществляться сплошной водяной струёй, отдельными каплями воды или мелкодисперсной смесью воды и воздуха. Главной характеристикой работы таких устройств является плотность орошения поверхности изделия су, измеряемая в м3/м2-ч, т.е. это объём воды, который подводится к единице площади поверхности изделия в единицу времени. Естественно, что плотность орошения находится в прямой зависимости от конструкции форсунки и параметров процесса - температуры, давления подаваемой воды, расстояния от кромки сопла до поверхности изделия и ориентации его относительно поверхности изделия. На рисунке 1.7 из анализа данных работы [48] видно, что с помощью упомянутых факторов можно управлять скоростью охлаждения и охлаждающей способностью при спрейерном охлаждении.