VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Для обеспечения требуемых механических характеристик накладок Р50 и Р65 традиционно применяется объёмная закалка в масле. Хорошо известны трудности, связанные с данной технологией: неуправляемость процессом, пожароопасность, загрязнённость рабочих мест, необходимость наличия оборудования газоочистки, негативное влияние на экологию и пр.

ОАО «ВНИИМТ» совместно с сотрудниками «Уральского федерального университета им.первого Президента России Б.Н.Ельцина» предложен альтернативный метод термоупрочнения накладок – струйное регулируемое водяное охлаждение.

Первым шагом практической реализации данного способа явилось математическое моделирование процесса, которое позволило определить основные конструктивные параметры будущего устройства.

Для математического моделирования процесса термоупрочнения накладки струями воды использовалось ранее разработанное в ОАО «ВНИИМТ» математическое обеспечение для расчета температурного поля тел произвольной формы, в основе которого лежит решение двумерного уравнения теплопроводности с учетом зависимости теплоёмкости материала от температуры, при соответствующих начальных и граничных условиях II и III рода.

При задании граничных условий II рода использовали экспериментальные зависимости удельного теплового потока от плотности орошения поверхности водой, полученные на устройствах струйного водяного охлаждения, установленных на станах 3600 МК «Азовсталь», 5000 ЧерМК-ОАО «СеверСталь» [1]. Предварительные расчеты позволили определить основные конструктивные параметры устройства, такие как количество секций охлаждения, расход воды на форсунки, скорость транспортировки накладки через устройство и т.д. На основе полученных результатов на экспериментальном стенде ОАО «ВНИИМТ» было смонтировано устройство регулируемого водяного охлаждения, на котором проведен ряд экспериментов по термоупрочнению накладок при разных режимах работы устройства. На поверхность шейки накладки способом контактной сварки крепили термопару, показания которой записывали с частотой 0,1 с., что позволило определить время пребывания накладки, а также температуру её поверхности при нагреве в печи, на воздухе до устройства, охлаждении в устройстве и при последующем выравнивании температуры по сечению накладки. На основе экспериментальных данных установлены зависимости плотности теплового потока от плотности орошения поверхности и проведена адаптация математического обеспечения для конкретного устройства регулируемого охлаждения рельсовых накладок. Плотность теплового потока в первой по ходу накладки секции высокоинтенсивного охлаждения составила 2,5-3,8 МВт/м², в последующей секции низкоинтенсивного охлаждения – в пределах 0,7-1,5 МВт/м².

Адаптированное математическое обеспечение также было применено для определения конструктивных и режимных параметров промышленного устройства термообработки накладок. Полученные при расчете зависимости изменения температуры по сечению накладки позволяют прогнозировать сформированную после охлаждения структуру металла и её механические свойства.

Вторым шагом стали проведённые в ОАО «ВНИИМТ» эксперименты на опытно-промышленном стенде, где было смонтировано устройство регулируемого охлаждения. Рельсовая накладка имеет сложный профиль, элементы которого обладают разной термической массивностью, поэтому необходимо, чтобы шейка и головки накладки находились в разных условиях охлаждения. Независимое регулирование расходов воды на каждый из 4-х коллекторов устройства даёт возможность не только обеспечивать разные условия охлаждения элементов накладки, но и управлять короблением изделия. Именно этой особенностью достигается управляемость процессом в отличие от объёмной закалки, когда повлиять на ход охлаждения практически невозможно.

В таблице 1 представлен диапазон механических свойств, полученных в серии стендовых экспериментов ВНИИМТ и требования ГОСТ. Из таблицы видно, что струйное регулируемое водяное охлаждение полностью обеспечивает требования нормативной документации.

Таблица 1 – Механические свойства рельсовых накладок Р65, термоупрочнённых в устройстве регулируемого охлаждения на стенде ОАО «ВНИИМТ», и согласно требованиям ГОСТ 4133-73

В настоящее время внедрение данной технологии производится на филиале ОАО «ЕВРАЗ-НТМК» - «Нижнесалдинский металлургический завод».

Библиографический список:

1. К.Ю.Эйсмондт «Разработка и внедрение в производство устройств термоупрочнения проката регулируемым охлаждением на основе анализа процессов теплообмена», автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.16.01; 05.16.02/Эйсмондт К.Ю.; [Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники, Ур. гос. техн. ун-т-УПИ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина] - Екатеринбург, 2011г.