Поверхность катания головки нового рельса для центральности передачи нагрузки от колеса имеет выпуклое криволинейное очертание. У рельсов Р75, Р65 и Р50 средняя часть головки прокатывается по радиусу 500 мм, переходящему в радиус 80 мм. Переход к боковым граням головки осуществляется по кривой радиуса 13--15 мм, близкого к радиусу выкружки гребней новых колес локомотивов и вагонов, что обеспечивает достаточно плотное прижатие гребня колеса к боковому закруглению головки рельса и предотвращает вкатывание гребней колес на рельс.

Боковые грани головок выполняют с уклоном 1:20 (см. рис. 3.11). Это необходимо для размещения большего по сравнению с рельсами более легких типов количества металла в головке при сохранении ее предельной ширины поверху, связанной с шириной бандажей колес и допустимой величиной эксцентриситета передачи давления на рельс. Рельсы прежних профилей (в основном довоенного проката) отличались большой головкой, на которую приходилось 45,5% площади сечения, на подошву -- 34,8% и на шейку -- 19,3%. Эти рельсы изготовлялись из мягкой стали, поэтому естественным было стремление дать больше металла в головку на износ. Такие рельсы при остывании после проката сильно коробились с образованием выпуклости в сторону подошвы вследствие того, что шейка и подошва остывали раньше, а массивная головка -- позже. Все рельсы после остывания приходилось править.

По мере роста сил воздействия на путь, особенно повышения осевых нагрузок, увеличивали процент содержания углерода в рельсовой стали и этим повышали твёрдость рельсов; соответственно повышались их износостойкость и стойкость против расплющивания. Большая доля металла в головке рельсов стала уже неоправданной. Кроме того, нельзя было допускать большое искривление рельсов из твёрдой углеродистой стали при остывании, так как при значительной правке в них могли появиться даже трещины

Отклонения от контролируемых размеров и формы поперечного сечения рельсов должны соответствовать значениям указанным в таблице 3.2

!!! Нормы по отклонению формы поверхности катания от номинальной не распространяются на рельсы типа Р65К

Рельс типа Р65К (рис 3.13) предназначен для наружных нитей кривых. Этот рельс отличается выкружкой рабочей грани головки рельса, для уменьшения износа рельса.

Таблица 3.3. Основные размеры и расчетные характеристики рельсов

Болтовые отверстия в рельсах

Таблица 3.4 Стыковые размеры рельса (рис 3.12).

Длина рельсов

Рельсы с болтовыми отверстиями изготавливают длиной 25,00; 24,92; 24,84; 12,52; 12,50; 12,46; 12,42; 12,38 м с допускаемым отклонением ±4 мм.

Рельсы длиной 24,92; 24,84 укладываются во внутреннюю нить кривой для обеспечения положения рельсовых стыков по наугольнику. (Данная тема будет подробнее изучена в разделе «рельсовая колея в кривых участках пути»)

- длиной до 20 метров включительно с допускаемым отклонением ±1 мм на метр длины;

- длиной свыше 20 до 25 м включительно с допускаемым отклонением ±20 мм;

- длиной свыше 25 до 100 м включительно с допускаемым отклонением ±30 мм.

Длина рельса в зависимости от его температурной работы

Отклонение поверхностей торцов от перпендикулярности по отношению к поверхности рельса не должно превышать 0,6 мм.

Отклонения от прямолинейности на заданной базовой длине для рельсов соответствующих классов не должны превышать значений, указанных в таблице

В таблице

d- нормируемая величина отклонения;

Скручивание рельсов

длиной свыше 24,84 м - не более 2,5 мм.

Скручивание концов рельсов на длине 1 м не должно превышать:

для рельсов типа Р50 - 0,4 мм,

для рельсов типов Р65, Р65К и Р75 - 0,5 мм.

Изготовление рельсов

(Историческая справка) Литая сталь

В истории металлургии железа было три революционных переворота, оказавших глубочайшее влияние на весь ход человеческой истории:

Естественным образом у многих ученых и изобретателей возникла мысль, которую потом высказал Бессемер: каким образом получить металл со свойствами железа и стали, но в жидком виде, чтобы его можно было использовать для отливки? Разрешение поставленной проблемы потребовало нескольких десятилетий упорного труда многих металлургов. На этом пути было сделано несколько важных открытий и изобретений, каждое из которых составило эпоху в истории обработки железа. До конца XVIII века передел чугуна в мягкое железо происходил только в кричных горнах. Этот способ, однако, был неудобен во многих отношениях. Получавшийся в ходе него металл был неоднородным - местами приближался по своим качествам к ковкому железу, местами - к стали. Кроме того, работа требовала больших затрат времени и физических сил. Так как топливо (уголь) находилось в непосредственном соприкосновении с железом, к нему предъявлялись очень высокие требования, ведь любые примеси влияли на качество конечного продукта. Расход угля был очень велик (в среднем, на восстановление 1кг железа уходило до 4кг угля). В самых крупных горнах можно было за 24 часа получить не более 400 кг железа. Между тем рынок требовал все больше железа и стали. Для удовлетворения этих запросов необходимо было найти более совершенный способ переделки чугуна.

Значительным шагом вперед на этом пути стал предложенный в 1784 году англичанином Кортом процесс пудлингования в специально созданной для этого печи. Принципиальное устройство пудлинговой печи состояло в следующем. В топке сжигали топливо. Продукты горения через каменный порог попадали в рабочее пространство печи, где на поду находился загруженный чугун с железистыми шлаками. Шлаки под действием пламени переходили в тестообразное состояние и частично расплавлялись. С повышением температуры чугун начинал плавиться и примеси его выгорали за счет кислорода, заключенного в шлаках. Таким образом чугун обезуглероживался, то есть превращался в крицу губчатого железа. Важное отличие пудлинговой печи от кричного горна заключалось в том, что она допускала использовать в качестве горючего любое топливо, в том числе и дешевый неочищенный каменный уголь, а объем ее был значительно больше. Благодаря пудлинговым печам железо стало дешевле. Вместе с тем в отличие от кричных горнов печь Корта не требовала принудительного вдувания. Доступ воздуха и хорошая тяга достигались благодаря высокой трубе. Это была одна из причин, почему пудлинговые печи получили широкое распространение во всем мире. Однако существенным недостатком этих печей было то, что воздух обдувал только верхнюю часть чугуна. Для того чтобы восстановление железа шло равномерно и по всему объему, приходилось периодически открывать печь и перемешивать чугун. Это был тяжелый ручной труд. Кроме того, поскольку силы и возможности рабочего были ограничены, печь не могла быть слишком большой. (Чтобы допустить помешивание, Корт предусмотрел две трубы, из которых одна находилась под топкой, а вторая - в конце печи. Ее открывали в тот момент, когда требовалось снизить температуру).

Уже к середине XIX века пудлинговые печи перестали удовлетворять новым потребностям промышленности. Чтобы поспевать за спросом, приходилось строить на каждую большую домну несколько печей ( в среднем одну домну обслуживало десять пудлинговых печей). Это удорожало и усложняло производство. Многие изобретатели думали над тем, как заменить пудлингование более совершенным способом восстановления железа. Раньше других эту задачу удалось разрешить английскому инженеру Бессемеру. К занятиям металлургии Бессемер пришел после многих лет работы над усовершенствованием артиллерийских орудий и снарядов. Он поставил перед собой цель найти способ производства высококачественной литой стали, из которой можно было бы отливать пушки. Наблюдая много раз за плавкой чугуна, он заметил, что твердое восстановленное железо образуется раньше всего у воздуходувных труб. Это навело его на мысль получать сталь путем усиленной продувки через расплавленный чугун воздуха. Первые свои опыты Бессемер провел в закрытом тигле, который он нагревал в горне с коксом. Результат превзошел самые смелые ожидания. Менее чем за час продувки он получил из чугуна первосортную сталь. Кроме того, дальнейшие опыты показали, что нет никакой необходимости вводить в металлургический процесс тепло извне. Дело в том, что чугун содержит собственный горючий материал в качестве примесей: кремний, марганец, углерод - всего около 45 кг горючих материалов на каждую тонну чугуна. Своим горением они позволяли значительно повысить температуру плавки и получать сталь в жидком состоянии.

В 1856 году Бессемер публично демонстрировал изобретенный им неподвижный конвертер. Конвертер имел вид невысокой вертикальной печки, закрытой сверху сводом с отверстием для выхода газов. Сбоку в печи было второе отверстие для заливки чугуна. Готовую сталь выпускали через отверстие в нижней части печи (во время работы конвертера его забивали глиной). Воздуходувные трубки (фурмы) находились возле самого пода печи. Так как конвертер был неподвижным, продувку начинали раньше, чем вливали чугун (в противном случае металл залил бы фурмы. По той же причине надо было вести продувку до тех пор, пока весь металл не был выпущен. Весь процесс длился не более 20 минут. Малейшая задержка в выпуске давала брак. Это неудобство, а также рая других недостатков неподвижного конвертера заставили Бессемера перейти к вращающейся печи. В 1860 году он взял патент на новую конструкцию конвертера, сохранившуюся в общих чертах до наших дней. Способ Бессемера был настоящей революцией в области металлургии. За 8-10 минут его конвертер превращал 10-15 т чугуна в ковкое железо или сталь, на что прежде потребовалось бы несколько дней работы пудлинговой печи или несколько месяцев работы прежнего кричного горна.

Однако, после того как бессемеровский метод стал применяться в промышленных условиях, результаты его оказались хуже, чем в лаборатории, и сталь выходила очень низкого качества. Два года Бессемер пытался разрешить эту проблему и наконец выяснил, что в его опытах чугун содержал мало фосфора, в то время как в Англии широко использовался чугун, выплавленный из железных руд с высоким содержанием фосфора. Между тем фосфор и сера не выгорали вместе с другими примесями; из чугуна они попадали в сталь и существенно снижали ее качество. Это, а кроме того высокая стоимость конвертера, привело к тому, что бессемеровский способ очень медленно внедрялся в производство. И 15 лет спустя в Англии большая часть чугуна переплавлялись в пудлинговых печах.

Гораздо более широкое применение конверторы получили в Германии и США. Наряду с бессемеровским способом производства стали вскоре огромную роль приобрел мартеновский способ. Суть его заключалась в том, что чугун сплавляли с железным ломом в специальной регенеративной печи. Эта печь была придумана и построена в 1861 году немецкими инженерами Фридрихом и Вильямом Сименсами для нужд стекольной промышленности, но наибольшее распространение получила в металлургии. В состав печи входили газопроизводители (или генераторы газа), сама печь с возобновителями теплоты (или регенераторами) для подогрева газа и воздуха и литейного отделения (двора). Генераторы и регенераторы были связаны между собой особой системой каналов для газа, воздуха и продуктов горения. Последние отводились в дымовую трубу высотой до 40 м, дававшей необходимую тягу.

Генераторы располагались под подом или по бокам печи. Регенераторы представляли собой особые камеры для нагрева газа и воздуха. Специальные переменные клапаны направляли газ и воздух то в одну, то в другую, а продукты горения отводили в трубу. Горение происходило следующим образом. Газ и воздух нагревались каждый в своей камере, а затем поступали в плавильное пространство, где происходило горение. Продукты горения, пройдя над подом печи, устремлялись в регенераторы и отдавали здесь большую часть своей теплоты кладке регенераторов, а затем уходили в трубу. Чтобы процесс происходил непрерывно, с помощью клапанов направляли воздух и газ то в одну пару регенераторов, то в другую. В результате такого продуманного теплообмена температура в печи достигала 1600 градусов, то есть превышала температуру плавки чистого безуглеродного железа. Создание высокотемпературных печей открыло новые горизонты перед металлургией.

К середине XIX века во всех промышленных странах имелись огромные запасы железного лома. Из-за высокой температуры тугоплавкости его не могли использовать в производстве. Французские инженеры Эмиль и Пьер Мартены (отец и сын) предложили сплавлять этот железный лом с чугуном в регенеративной печи и таким образом получать сталь. В 1864 году на заводе Сирейль они под руководством Сименса осуществили первую успешную плавку. Затем этот способ стал применяться повсюду.

Мартеновские печи были дешевле конвертеров и потому имели более широкое распространение. Однако ни бессемеровский, ни мартеновский способ не позволял получать высококачественную сталь из руды, содержащей серу и фосфор. Эта проблема оставалась неразрешенной в течение полутора десятилетий, пока в 1878 году английский металлург Сидней Томас не придумал добавлять в конвертер до 10-15% извести. При этом образовывались шлаки, способные удерживать фосфор в прочных химических соединениях. В результате фосфор выгорал вместе с другими ненужными примесями, а чугун превращался в высококачественную сталь. Значение изобретения Томаса было огромно. Оно позволило в широком масштабе производить сталь и фосфорсодержащих руд, которые в большом количестве добывались в Европе. С целом введение бессемеровского и мартеновского процессов дало возможность производить сталь в неограниченных количествах. Литая сталь быстро завоевала себе место в промышленности, и начиная с 70-х годов XIX века сварочное железо почти совершенно выходит из употребления. Уже в первые пять лет после введения мартеновского и бессемеровского производств мировой выпуск стали увеличился на 60%

Мартеновская сталь по качеству была лучше бессемеровской. Она менее хладноломка, так как имеет меньшую примесь фосфора, дает более плотный слиток, её химический состав более однороден, содержит меньше примесей. С 1983 г. производство рельсов по бессемеровскому способу прекращено.

На протяжении многих веков железо добывалось в сыродутных печах способом, открытым еще в глубокой древности. Пока на поверхности земли в изобилии встречались легкоплавкие руды, этот способ вполне удовлетворял потребности производства. Но в средние века, когда спрос на железо стал возрастать, в металлургии все чаще пришлось использовать тугоплавкие руды.

Напомним, что железом, сталью и чугуном в металлургии называют собственно сплав химического железа с углеродом. Разница между ними заключается в количестве углерода: так, в мягком кричном (сварном) железе его не более 0,04%, в стали -до 1,7%, в чугуне - более 1,7%. Несмотря на то, что количество углерода варьируется в таких незначительных пределах, по своим свойствам железо, сталь и чугун очень отличаются друг от друга: железо представляет собой мягкий металл, хорошо поддающийся ковке, сталь, напротив, очень твердый материал, прекрасно сохраняющий режущие качества; чугун - твердый и хрупкий металл, совершенно не поддающийся ковке. Количество углерода заметно влияет и на другие свойства металла. В частности, чем больше его в железе, тем легче оно плавится. Чистое железо - достаточно тугоплавкий металл, а чугун плавится при гораздо более низких температурах.

Появление гидравлических двигателей и мехов надо относить к концу XIV века, так как уже в XV веке многие плавильни в связи с этим передвинулись с гор и холмов вниз - в долины и на берега рек. Это усовершенствование явилось исходным моментом для крупнейшего сдвига в технике металлургии, так как привело к открытию чугуна, его литейных и переделочных свойств. Действительно, усиление дутья сказалось на всем ходе процесса. Теперь в печи развилась такая высокая температура, что восстановление металла из руды происходило раньше, чем образовывался шлак. Железо начинало сплавляться с углеродом и превращаться в чугун, который, как отмечалось выше, имеет более низкую температуру плавления, так что в печи вместо обычной вязкой крицы стала появляться совершенно расплавленная масса (чугун).

Сначала эта метаморфоза очень неприятно поразила средневековых металлургов. Застывший чугун был лишен всех природных свойств железа: он не ковался, не сваривался, из него нельзя было сделать прочных инструментов, гибкого и острого оружия. Поэтому чугун долгое время считали отбросом производства и плавильщики весьма враждебно относились к нему. Однако что же было с ним делать? При восстановлении железа из тугоплавких руд изрядная его часть уходила в чугун. Не выбрасывать же все это железо вместе со шлаком! Постепенно негодный чугун стали выбирать из остывшего шлака и пускать во вторую переплавку, сначала добавляя его к руде, а потом сам по себе. При этом неожиданно обнаружилось, что чугун быстро плавится в горне и после усиленного дутья легко превращается в кричное железо, которое по своему качеству не только не уступает, но даже по многим показателям лучше того железа, которое получали из руды. А так как чугун плавится при более низких температуре, передел этот требовал меньше топлива и занимал меньше времени.

Так в течении XV века, сначала бессознательно и ощупью, а затем вполне осознано, было сделано величайшее в металлургии открытие - переделочный процесс. Широкое применение он нашел уже в XVI веке в связи с распространением доменных печей. Вскоре в чугуне открыли и другие положительные свойства. Твердую крицу было нелегко достать из печи. На это обычно уходило несколько часов. Между тем печь остывала, на разогрев ее шло дополнительное топливо, тратилось лишнее время. Выпустить из печи расплавленный чугун было намного проще. Печь не успевала остыть и ее можно было сразу загружать новой порцией руды и угля. Процесс мог происходить беспрерывно. Кроме того, чугун обладал прекрасными литейными качествами. (Напомним, что на протяжении многих веков единственным способом обработки железа была ковка.)

Мысль о том, что процесс выделки железа можно разделить на две стадии (то есть в одной печи непрерывно выплавлять чугун, а в другой - переделывать этот чугун в железо), пришла не сразу. В блауофенах получали одновременно и железо, и чугун. Когда плавка заканчивалась, шлак выпускали через отверстие, расположенное ниже фурмы. После охлаждения его измельчали и отделяли корольки чугуна. Крицу вытаскивали большими клещами и ломом, а затем обрабатывали молотом. Наиболее крупные крицы весили до 40 пудов. Кроме того, из печи вытаскивали до 20 пудов чугуна. Одна плавка длилась 15 часов. На извлечение крицы требовалось 3 часа, на подготовку печи к плавке - 4-5 часов. Наконец пришли к идее двухступенчатого процесса плавки.

Усовершенствованные блауофены превратились в печь нового типа - доменную, которая предназначалась исключительно для получения чугуна. Вместе с ними был окончательно признан переделочный процесс. Сыродутный процесс стал повсеместно вытесняться двухступенчатым способом обработки железа. Сначала из руды получали чугун, потом, при вторичной переплавке чугуна- железо. Первая стадия получила название доменного процесса, вторая - кричного передела.

Древнейшие домны появились в Зигерланде (Вестфалия) во второй половине XV века. Конструкции их отличались от блауофенов тремя чертами: большей высотой шахты, более сильным воздуходувным аппаратом и увеличенным объемом верхней части шахты. В этих печах достигалось значительное повышение температуры и еще более длительная ровная плавка руды. Сначала строили домны с закрытой грудью, но вскоре открыли переднюю стенку и расширили горн, получив домну с открытой грудью. Такая доменная печь при высоте 4,5 м давала в день до 1600 кг чугуна. Перерабатывали чугун в железо в кричном горне, сходном по устройству с сыродутной печью. Операция начиналась с загрузки древесного угля и подачи дутья. После того как древесный уголь разгорался вблизи сопла, клали чугунные чушки.

Под действием высокой температуры чугун плавился, капля за каплей стекал вниз, проходил через область против фурм и терял здесь часть углерода. В результате металл загустевал и из расплавленного состояния переходил в тестообразную массу малоуглеродистого железа. Эту массу ломами подымали к соплу. Под воздействием дутья происходило дальнейшее выгорание углерода, и вновь осевший на дно горна металл быстро делался мягким, легко сваривающимся. Постепенно на дне образовывался ком - крица весом 50-100 кг и больше, которая извлекалась из горна для проковки под молотом с целью уплотнения его и выдавливания жидкого шлака. Весь процесс занимал от 1 до 2 часов.

В сутки в кричном горне можно было получить около 1т металла, причем выход готового кричного железа составлял 90-92% веса чугуна. Качество кричного железа было выше сыродутного, так как в нем содержалось меньше шлака. Переход от одноступенчатого (сыродутного) процесса к двухступенчатому (доменному и кричному) позволил в несколько раз поднять производительность труда. Возросший спрос на металл был удовлетворен. Но вскоре металлургия встретилась с затруднениями другого рода. Выплавка железа требовала огромного количества топлива. За несколько веков в Европе было срублено множество деревьев и уничтожены тысячи гектаров леса. В некоторых государствах были приняты законы, запрещавшие бесконтрольную рубку леса. Особенно остро этот вопрос стоял в Англии. Из-за нехватки древесного угля англичане принуждены были большую часть необходимого им железа ввозить из-за границы. В 1619 году Додлей впервые применил в плавке каменный уголь. Однако широкому применению каменного угля препятствовало присутствие в нем серы, мешающей хорошей выделке железа. Очищать каменный уголь от серы научились только в 1735 году, когда Дерби нашел способ поглощать серу с помощью негашеной извести при термической обработке угля в закрытых тиглях. Так был получен новый восстановитель - кокс.

Прокатка - одно из важнейших изобретений, сделанных человеком за время его многовекового знакомства с металлами. Уже давно было замечено, что изделия, имеющие одинаковое сечение по всей своей длине (например, рельсы, уголки, балки, листы, пруты) гораздо проще получать пропуская их между двумя валками, чем путем традиционной ковки. Можно даже сказать, что такой способ не только самый удобный, но и вообще наилучший. Без него не могло быть и речи о строительстве дешевых железных дорог, железных мостов, железных судов и еще многого и многого другого. Ведь именно благодаря прокатке появилась возможность придавать железным и стальным заготовкам полное единообразие. Нетрудно представить, скольких усилий потребовала бы от кузнеца, например, отковка каждого рельса или колеса железнодорожного вагона. Между тем, с помощью проката получить такие изделия несложно, притом в большом количестве и высокого качества. Поэтому уже в конце XVIII века прокатка стала одним из основных звеньев производственного цикла металлургических заводов, постепенно вытесняя ковку. А зародилась она еще в средние века при изготовлении тонких листов мягкого металла (например, свинца), которые можно было прокатывать вручную без предварительного нагрева. Древнейшее изображение такого простого прокатного станка можно видеть на гравюрах 1615 года.

Сталь для их изготовления применяют двух видов: