А.И. Борц, Е.А. Шур, В.А. Рейхарт,C.В. Хлыст, А.В. Гонтарь

Перспективы развития рельсового производства в России

Полную реконструкцию рельсового производства, включающую замену рельсопрокатного оборудования, роликоправильных машин, технологического оборудования по термической обработке рельсов, введение линии неразрушающего визуального, ультразвукового и вихретокового контроля, проводит Новокузнецкий металлургический комбинат. После реконструкции Новокузнецкий металлургический комбинат будет выпускать рельсы длиной 100 м, термически упрочненный дифференцированной закалкой сжатым воздухом.

Нижнетагильский  металлургический комбинат совместно с российским предприятием НПП «Томская электронная компания» (НПП «ТЭК») проводит работы по разработке и промышленному внедрению новой технологии дифференцированного термического упрочнения рельсов сжатым воздухом с контролируемой влажностью.

Челябинский металлургический комбинат осуществляет комплекс работ по строительству нового производство рельсов длиной 100 м на территории России. Рельсы будут упрочняться путем закалки головки в раствор полимера.

В связи с этим актуальными являются вопросы выбора технологии и технологического оборудования для производства рельсов и, в первую очередь, для их термической обработки.

Основные тенденции развития железнодорожной отрасли в России в настоящее время включают: повышение средней грузонапряженности по сети железных дорог (до 30 - 40 млн. т. брутто.км/км в год) и значительное увеличение грузонапряженности (до 100 млн. т. брутто. км/км.год и более) на отдельных направлениях; повышения осевых нагрузок подвижного состава (до 25 т/ось) и увеличения веса поездов (до 10000 т); увеличение протяженности бесстыкового пути; организацию скоростного совмещенного с грузовым движения поездов со скоростями свыше 200 км/ч и перспективную проработку вопроса реализации высокоскоростного движения по отдельным железнодорожным путям со скоростью свыше       250 км/ч.

При проведении реконструкции решаются вопросы по выбору технологии термического упрочнения рельсов; определения наиболее эффективной для достижения требуемого уровня свойств новых рельсов  закалочной среды (сжатый воздух, водовоздушная смесь, сжатый воздух с контролируемой влажностью,  вода, полимерные среды, масло),  способа нагрева под закалку (отдельный индукционный, отдельный печной, прокатный нагрев).

Таким образом, в сложившейся ситуации активной модернизации существующих и построения новых производств рельсов в России актуальным является рассмотрение результатов исследований качества и физико-механических свойств рельсов зарубежных и отечественных производителей. Данные исследования были проведены ОАО «ВНИИЖТ» в течение последних 20 лет, а так же продолжают проводиться в настоящее время.

Анализ результатов исследований целесообразно проводить в контексте влияния основных технологических факторов на комплекс физико-механических свойств, включая усталостную прочность и трещиностойкость рельсовой стали, что в конечном итоге определяет возможность обеспечения рельсами требуемого эксплуатационного ресурса 1,0 млрд. тн. брутто и более.

Ведущие мировые производители рельсовой продукции и применяемые ими технологии производства и термического упрочнения рельсов в настоящее время известны (таблица 1). Условно этот перечень можно разделить на: рельсы без термического упрочнения (Польша, Италия), рельсы с дифференцированным термическим упрочнением с прокатного нагрева (Япония, Австрия, США), рельсы с дифференцированным термическим упрочнением с отдельного индукционного нагрева (Франция, Канада (в настоящее время завод закрыт), рельсы с объемной закалкой в масле с отдельного печного нагрева (Россия). При дифференцированной термообработке рельсов основной закалочной средой является сжатый воздух. Применяется также поток воды. Ни одним из предприятий не используется водовоздушная смесь ввиду низкой стабильность технологического процесса и связанного с этим риска получения неоднородной структуры и твердости. В разрабатываемой в настоящее время новой технологии термообработки рельсов российским предприятием НПП «ТЭК» применяется в качестве закалочной среды сжатый воздух контролируемой влажности, что показало весьма высокие результаты при предварительных испытания таких рельсов в ОАО «ВНИИЖТ».

В соответствии с применяемыми технологиями термического упрочнения изготовителями выбраны и соответствующие химические составы рельсовых сталей. Ведущими мировыми производителями, использующими дифференцированную закалку, применяются стали с содержанием хрома 0,45 – 0,50%. При производстве рельсов без термической обработки с целью их перспективной эксплуатации в условиях скоростного совмещенного движения компанией LUCCHINI используется сталь с более высоким содержанием хрома (0,68%). Повышенное содержание хрома приводит к некоторому снижению характеристик ударной вязкости и трещиностойкости рельсовой стали. Серийные отечественные марки рельсовой стали типа Э76Ф, К76Ф, упрочняемые по технологии объемной закалки в масле, на данный момент не могут содержать хрома более 0,1%,что обусловлено используемой закалочной средой (маслом), приводящей при закалке рельсов из хромистой стали к образованию мартенситных структур и короблению.

Однако, при выборе технологии термического упрочнения рельсов при реконструкции комбинатов, опираясь на мировой опыт производства рельсов, необходимо учесть, что применение в качестве закалочной среды сжатого воздуха неизбежно потребует для достижения глубины упрочненного слоя не менее 20 – 25 мм в головке рельса и твердости 380 -400 НВ на поверхности катания увеличения содержания легирующих элементов (хрома), что приведет к повышению стоимости рельсовой стали. В связи с этим крайне перспективным является рассмотрение вопроса использования в качестве закалочной среды потока воды, что реализовано немецкой компанией – производителем металлургического оборудования SMS-MEER на заводе SDI в США и планируется к внедрению на строящихся предприятиях по выпуску рельсов в Китае и Индии.  Также эффективным решением в вопросе достижения высоких значений характеристик прочности, пластичности и вязкости рельсовой стали без дополнительного легирования хромом является применяемый компанией НПП «ТЭК» в качестве закалочной среды сжатый воздух с контролируемой влажностью.

Анализ физико-механических свойств рельсов различных производителей позволяет оценить влияние на уровень ударной вязкости, копровой прочности и трещиностойкости вида нагрева, определяющего размер зерна, и химического состава стали (табл. 2 - 4).

Рельсы, термически упрочняемые с прокатного нагрева за счет большего размера зерна (и дополнительного легирования хромом), имеют ударную вязкость в 1,4 – 2,0 раза меньшую по сравнению с рельсами, упрочненными объемной закалкой в масле с отдельного печного нагрева, при котором происходит рекристаллизация и измельчение зерна.

Необходимо отметить, что рельсовые пробы, упрочненные сжатым воздухом контролируемой влажности с отдельного нагрева по новой технологии НПП «ТЭК» показали высокий уровень характеристик пластичности и ударной вязкости, как в рельсах, фактически не легированных хромом, так и в рельсах из низколегированной хромом стали. Это объясняется эффективностью выбранной закалочной среды, правильным выбором технологических режимов охлаждения рельсов и получением тонкодисперсной структуры сорбита закалки, обеспечивающей высокие значения ударной вязкости даже при легировании хромом – элементом, снижающим пластичность рельсовой стали при обычных условиях.

Термически упрочненные с прокатного нагрева рельсы показывают также и более низкий уровень копровой прочности при температуре – 60 ^ОС.

Особое внимание следует обратить на значения циклической трещиностойкости, получаемые при циклических испытаниях полнопрофильных рельсовых проб. Данные параметры характеризуют надежность рельсовой стали. Наибольший уровень циклической трещиностойкости К_fC (56 – 59 МПа) показали рельсы отечественного производства, характеризующиеся меньшим размером зерен, получаемым в результате перекристаллизации при повторном печном нагреве под закалку. Рельсы с дифференцированной термообработкой с прокатного нагрева (Япония, Австрия) показали меньшие значения трещиностойкости (36 – 38 МПа), что обусловлено как большим размером зерна, так и влиянием хрома на вязкость разрушения. Наименьший уровень трещиностойкости (до 29 – 35 МПа) демонстрируют рельсы без термического упрочнения (Италия, Польша), что определяется отсутствием перекристаллизации после прокатки, грубодисперсной структурой пластинчатого перлита рельсовой стали без термической обработки, отрицательным влиянием хрома на вязкость разрушения.

Высокие значения циклической трещиностойкости K_fC получены по результатам испытаний рельсовых проб, упрочненных по опытной технологии НПП «ТЭК» (82 – 96 МПа). Однако, эти результаты получены не при испытании рельсовых проб, изготовленных из рельсов промышленного производства, прошедших правку на роликоправильных машинах, а при испытаниях проб длиной 1250 мм, упрочненных на опытной установке НПП «ТЭК» и не подвергавшихся правке, которая оказывает значительное влияние на перераспределение внутренних остаточных напряжений.

С целью оценки трещиностойкости рельсовой стали различных производителей, определяемой только свойствами самого металла, дисперсностью и морфологией его микроструктуры, без учета внутренних остаточных напряжений в рельсе как в конструкции, проводили испытания по определению статической трещиностойкости рельсовой стали К_IC на стандартных образцах с шевронным надрезом по методике EN 13674-1:2003+A1:2007 при температуре образца -20 ^ОС.

Статическая трещиностойкость К_IC для рельсов отечественного производства, упрочненных закалкой в масле с отдельного нагрева, составила 46,1 – 49,2 МПа, рельсов производства Японии, упрочненных сжатым воздухом с прокатного нагрева 38,8 – 39,0 МПа и рельсовых проб, упрочненных по технологии НПП «ТЭК» сжатым воздухом контролируемой влажности 53 – 62 МПа.

Однако, анализ значений предела выносливости, определенных при усталостных испытаниях полнопрофильных рельсовых проб (см. табл. 4), показывает, что наибольшие значения предела выносливости характерны для рельсов с дифференцированной термической обработкой (Франция, Япония, Австрия), что объясняется обеспечением при технологии дифференцированной термической обработки более оптимальной эпюры внутренних остаточных напряжений (таблица 5).

Сравнительный анализ внутренних остаточных напряжений в рельсах ведущих зарубежных и отечественных производителей показывает, что наилучшим сочетанием внутренних остаточных напряжений сжатия в головке и подошве характеризуются рельсы, термически упрочненные дифференцированной закалкой с отдельного индукционного нагрева (Франция, Канада). Рельсы отечественного производства характеризуются нестабильными значениями внутренних остаточных напряжений. Остаточные напряжения в рельсах японского производства, несмотря на применение технологии дифференцированной термической обработки, далеки от желаемых значений и носят растягивающий характер. Более детальное исследование внутренних остаточных напряжений в японских рельсах показало, что после дифференцированной закалки сжатым воздухом рельс имеет сжимающие напряжения (в головке  - 240 МПа, в подошве  - 110 МПа). После правки на роликоправильной машине в головке реализуются растягивающие напряжения +180 МПа, в подошве напряжения становятся равны 0 МПа. Такое негативное влияние правки на внутренние остаточные фактически сводит на нет эффективность дифференцированной термической обработки и приводит к снижению как предела выносливости, так и трещиностойкости на полнопрофильных пробах.

Снижение вредного влияния правки на внутренние остаточные напряжения возможно при оптимизации режимов правки и выборе современного оборудования (роликоправильных машин с индивидуальным приводом на каждый ролик).

Рельсовые пробы НПП «ТЭК» имеют наибольший уровень внутренних остаточных сжимающих напряжений и, соответственно, наибольшее значение условного предела выносливости. Однако, необходимо учитывать, что данные пробы не подвергались правке на роликоправильной машине, которая существенно влияет на распределение внутренних остаточных напряжений, снижая уровень сжимающих напряжений и увеличивая уровень растягивающих, что приводит к снижению предела выносливости.

Таким образом, проведенное сопоставление физико-механических свойств рельсов различных производителей позволяет определить основные технологические факторы производства рельсов, влияющие на изучаемый комплекс свойств и как, следствие, на эксплуатационный ресурс рельсов:

1. Вид нагрева при термообработке: отдельный нагрев (печной или индукционный) в отличие от использования только прокатного нагрева позволяет провести рекристаллизацию рельсовой стали и обеспечить большую мелкозернистость, что создает предпосылки для повышения характеристик ударной вязкости, трещиностойкости, копровой прочности.

2. Технология закалочного охлаждения: различная охлаждающая способность применяемых сред в сочетании с различным химическим составом рельсовых сталей обеспечивает получение микроструктур различной морфологии и дисперсности. Наименьшим средним размером перлитных колоний (30 – 36 мкм) характеризуются рельсы отечественного производства после закалки в масле. Средний размер перлитных колоний рельсов производства Японии (закалка сжатым воздухом) и Австрии (закалка в полимерной среде) составляет 44 – 48 мкм, что также способствует снижению характеристик ударной вязкости и трещиностойкости.

3. Получение в головке и подошве рельсов сжимающих остаточных напряжений приводит к повышению предела выносливости и циклической трещиностойкости К_IC, что показано на примере опытных образцов рельсов, термически упрочненных по технологии НПП «ТЭК».

4. Дальнейшей задачей является освоение производства рельсов с дифференцированной термической обработкой длиной 25 и 100 м с минимизацией или полным устранением правки на роликоправильных машинах с целью обеспечения внутренних остаточных сжимающих напряжений и высокого уровня характеристик надежности и долговечности.

Таблица 1 –Основные особенности технологий производства рельсов

Страна-изготовитель рельсов, завод		Выплавка стали	Термическая обработка
РОССИЯ, НКМК		Электропечь	Объемная закалка с отдельного печного нагрева
РОССИЯ,НТМК		Кислородный   конвертер	Объемная закалка с отдельного печного нагрева
ФРАНЦИЯ		Кислородный конвертер	Двухсторонняя закалка сжатым воздухом с отдельного объемного нагрева ТВЧ
ЯПОНИЯ		Кислородный конвертер	Двухсторонняя закалка сжатым воздухом с прокатного нагрева
США	Кислородный конвертер		Двухсторонняя закалка водой с прокатного нагрева
КАНАДА, (завод закрыт)	Электропечь		Двухсторонняя закалка сжатым воздухом с объемного нагрева ТВЧ
АВСТРИЯ	Кислородный конвертер		Односторонняя закалка в растворе полимера с прокатного нагрева
ИТАЛИЯ	Кислородный конвертер		Без термического упрочнения
ПОЛЬША	Кислородный конвертер		Без термического упрочнения

Таблица 2 – Механические свойства при растяжении и ударная вязкость рельсов

Страна-изготовитель рельсов	Временное      сопротивление, МПа	Предел текучести,      МПа	Относительное		Ударная вязкость (20оС) МДж/м2
			Удлинение,   δ5,     %	Сужение %
Россия, НКМК (Т1)	1320	919	11,7	33,3	0,28 – 0,51
Россия, НТМК(Т1)	1341	904	12,98	38,40	0,32 – 0,39
Франция	1306	1135	12,3	35,0	0,25 – 0,33
Япония, NS	1319	915	12,4	41,0	0,24 – 0,26
Канада	1359	929	13,4	37,0	0,26 – 0,36
Австрия	1364	952	10,0	33,0	0,14 – 0,21
Италия	1281	972,5	8,8	32,1	0,13 – 0,19
Польша	1215	748	9,7	24,9	0,11 – 0,16
Россия НПП «ТЭК» Cr~0,035%	1268	870	13,0	43,8	0,28 – 0,32
Россия НПП «ТЭК» Cr~0,28%	1336	921	13,9	51,0	0,35 – 0,37

Таблица 3 - Результаты копровых испытаний рельсов отечественного и зарубежного производства при температуре – 60 ^ос

Страна-изготовитель рельсов, завод	Работа разрушения, тм                                                 при   t =  -60оС
Россия, НКМК (Т1)	>10
Россия, НТМК (Т1)	>10
Франция	>10
Япония	5.5
Канада	>10
Австрия	5.5
Россия НПП «ТЭК» Cr~0,035%	5
Россия НПП «ТЭК» Cr~0,28%	5

Таблица 4 – Результаты испытаний по определению предела выносливости и циклической трещиностойкости рельсов отечественного и зарубежного производства

Страна изготовитель	Предел выносливости, МПа	Трещиностойкость, Kfc, МПа.м1/2
Россия, НКМК (Т1)	400	41 - 59
Россия, НТМК(Т1)	407	46 - 56
Франция	477	-
Япония, NS	430	26 - 38
Канада	453	-
Австрия	423	25 - 36
Италия	366	25 - 29
Польша	367	29 - 31
Россия НПП «ТЭК» Cr~0,035%	476	87-96
Россия НПП «ТЭК» Cr~0,28%	535	82-83

Таблица 5 – Результаты измерения внутренних остаточных напряжений в головке и подошве рельсов отечественного и зарубежного производства

Место контроля	Напряжения, МПа
	Россия	Япония	Австрия	Франция	Канада	Италия	НПП «ТЭК»
головка	-55	287	194	-140	-100	219	-315
подошва	329	226	179	-120	-100	217	-250