Термитная сварка рельсов

Термитная сварка рельсов, технология сварки рельсов термитом. Алюмотермитная сварка — это процесс сварки металлических деталей жидким металлом заданного химического состава, получаемого в результате алюминотермической реакции.

Сущность реакции заключается в способности алюминия восстанавливать окислы металлов с большим выделением тепла, в результате чего изменяется потенциальное состояние энергии и рекристаллизация компонентов, участвующих в процессе:

где: Q – теплота в реакции;

U₁ — U₂  — изменение энергетического состояния материалов;

А  —  работа порекристаллизации компонентов.

Большое количество тепла, которое выделяется при термитной реакции, длительное время сохраняет металл в жидком состоянии и дает возможность использовать его для технологических целей.

Термитный процесс с железо-алюминиевым составом протекает в соответствии со следующей зависимостью:

где: M₁  —  металл, стоящий левее в ряду напряжений химических элементов Al;

M₂ — металл, стоящий правее в ряду напряжений Fe;

М₂О — окислы железа (FeO и Fе₂О₃);

М₂О—окись алюминия (А1₂O₃);

Q — теплота реакции.

Для зажигания термитных смесей употребляют легковоспламеняемые составы, которые при горении развивают температуру, превышающую 1500°.

Для этого используется переходной состав, загорающийся при 150—200°, который вызывает загорание второго состава с температурным барьером в 400—600°. Этот состав при своем горении перекрывает температурный барьер начала термитной реакции.

На этом принципе основывается конструкция термитных спичек, выпускаемых нашей промышленностью (рис. 1).

Концы отобранных под термитную сварку рельсов не должны иметь отклонений от оси в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Торцы и концы рельсов должны быть зачищены до металлического блеска не менее чем на 50 мм. Для этого используют круглую стальную проволочную щетку, которую устанавливают на вал электрошлифовальной машины. Если последняя отсутствует, можно применить ручную стальную проволочную щетку.

Особенно тщательно следует зачищать нижнюю поверхность подошвы и место сопряжения шейки с головкой рельса. Если на зачищаемой поверхности окажется трудноудаляемая окалина. необходимо пользоваться напильником, а в отдельных случаях зубилом с молотком.

Если концы рельсов покрыты маслом, мазутом и т. п., их следует обжечь пламенем горелки бензоподогревателя или паяльной лампы.

Уложенные на шпалах рельсы стыкуются, одновременно производится предварительная рихтовка их. Затем, выдерживая зазор 12—14 мм между торцами рельсов, проводят контрольную рихтовку. Для этого применяют клинья из твердых пород дерева или металла.

Регулируя положение клиньев, которые подбиваются под подошву рельсов, тщательно совмещают профили последних.

Используя эти же клинья и специальную стальную линейку длиной 1 м, необходимо произвести завышение места сварки на 1,5—2 мм, так как в противном случае стык после сварки окажется заниженным.

Проверка величины такого завышения осуществляется линейкой со штифтами 1,5 мм на концах.

Термитная сварка рельсов, технология сварки рельсов термитом

Принципиально схема сварки этим способом проста (рис. 1.1).

При установке рельсов под сварку между торцами стыка выдерживается зазор, равный толщине шейки рельса. Свариваемые поверхности должны быть параллельными.

Обрезка рельсов под сварку (если в этом есть необходимость) может выполняться механическим способом. Величина зазора между торцами рельсов оказывает большое влияние на качество сварки.

Применение меньших зазоров выгодно, так как это сокращает расход термита. Однако использование неоправданно узких зазоров изменяет характер кристаллизации металла в сварном шве и металл в верхней части шва может затвердевать раньше, чем успеют выйти газы из нижних слоев.

Это может при вести к появлению газовой пористости в сварном шве. При сварке способом промежуточного литья термитный металл полностью заполняет зазор между торцами рельсов по всему сечению.

Он является не только мощным теплоносителем, но и расплавляя торцы рельсов, при затвердевании образует сплошное сварное соединение.

Полноценное сварное соединение получается лишь в том случае, если пропускается избыточное количество жидкого металла который, омывая свариваемые поверхности рельсов, равномерно оплавляет их и обеспечивает хороший провар металла.

Поэтому при конструировании сварного стыка необходимо предусмотреть такое размещение прибыльной части и системы подвода металла чтобы потоки жидкой стали омывали всю площадь свариваемого сечения.

Прибыльная часть служит питателем для заполнения жидким металлом мест, образующихся в процессе усадки металла.

Головка рельсового стыка вследствие частичного расплавления ее термитным металлом теряет механические свойства, приданные ей в процессе прокатки.

Это обстоятельство должно быть учтено при конструировании форм, чтобы уменьшить величину этого прослабления головки рельсов.

Предварительный подогрев стыка перед термитная сварка рельсов является важной технологической операцией, от которой в значительной степени зависит качество сварного соединения.

Подогрев может производиться любым горючим газом, причем температура подогрева должна быть не менее 850—900°.

Предварительный подогрев перед термитная сварка рельсов необходим для того, чтобы создать наиболее благоприятные условия для заливки перегретой жидкой стали, уменьшить температурный перепад между жидкой сталью и сварной зоной, сократить расход термита, повысить качество сварки и устранить газовую пористость в сечении облива, которая может возникнуть от присутствия влаги в сварочной зоне.

Алюмо термитная сварка рельсов, технология сварки рельсов

В ходе предварительного подогрева стыка огнеупоры вследствие их меньшей, чем у металла, теплопроводности, нагреваются до более высокой температуры.

Поэтому расплавленный металл в зоне, прилегающей к огнеупорам, меньше охлаждается, более длительное время сохраняет текучесть и вследствие этого легко перемещается и питает шов по всему периметру облива.

Большое значение имеет конфигурация облива.

Применяющаяся сегментообразная форма облива не всегда обеспечивает получение качественного стыка, поэтому при отработке оптимальных параметров конфигурации облива необходимо помнить, что резкие переходы между обливом и рельсом являются источником значительных напряжений, которые в эксплуатационных условиях могут привести к разрушению стыка.

Каждая вновь конструируемая модель облива должна отрабатываться путем пробной сварки стыков рельсов с последующим их исследованием.

Сжигание термита для термитная сварка рельсов следует производить только в горячем ошлакованном тигле.

   Применение непрогретого тигля недопустимо по следующим причинам:

1) футеровка тиглей обладает высокой гигроскопичностью и активно усваивает атмосферную влагу, поэтому при сжигании термита в таком тигле термитный металл будет насыщаться водородом;

2) холодная футеровка поглощает большое количество тепла, выделяемого в ходе термитной реакции; этим нарушается расчетный тепловой баланс процесса сварки;

3) футеровка ввиду ее загрязнения различными примесями, не обладающими высокой огнеупорностью, может быть источником дополнительных вредных включений в термитном металле.

Поэтому, прежде чем пользоваться новым тиглем, его необходимо ошлаковать, т. е. сжечь в нем некоторое количество термита, достаточное для того, чтобы внутренняя поверхность футеровки покрылась шлаком не менее чем на 2/3 общей высоты тигля.

Детали и материалы, используемые для запорного устройства тигля (штепсель, асбестовый кружок и глинозем), перед применением нужно прокалить, а запорный гвоздь — прогреть.

Перед засыпкой термита в тигель его следует тщательно перемешать, так как алюминиевый порошок и железная окалина из-за значительной разницы в удельных весах в процессе транспортировки неравномерно распределяются.

Засыпая из бумажного пакета присадку в тигель, необходимо помнить, что если она находится в верхней части термита, то в ходе термитной реакции из-за большой активности процесса присадка почти полностью теряется (испаряется и переходит в шлак).

Если присадка находится в нижней части тигля, она полностью переходит в термитную сталь. В этом случае присадка полностью усваивается нижними слоями термитного металла.

Чтобы получить однородную по химическому составу термитную сталь, а также максимально уменьшить потери присадки, последнюю необходимо закладывать в тигель на 2/3 его высоты.

Поджигание термитной смеси можно произвести любым источником тепла, развивающим температуру свыше 1350°. На практике чаще всего пользуются термитными спичками, которые горят в любых атмосферных условиях.

Для воспламенения термитной шихты горящую спичку необходимо погрузить на 2/3 ее длины в термит. Горение термитной порции происходит весьма активно и продолжается 15—25 сек.

По окончании горения термита, что определяется прекращением бурления в тигле, необходимо дать выдержку 4—6 сек., чтобы закончилось отделение металла от шлака.

Затем следует быстро выбить запорное устройство тигля и выпустить жидкие продукты термитной реакции в форму.

В ходе термитной реакции нужно стремиться к возможно более точному определению момента выпуска термитного металла из тигля. Преждевременный выпуск не дает возможности закончиться процессу горения термита и последующему отделению металла от шлака.

Это ведет к загрязнению сварного стыка неметаллическими включениями и резко снижает прочность термитного металла.

Задержка выпуска термитной стали ведет к падению ее температуры, что может вызвать непровар в сварном стыке. По этой же причине может произойти застывание металла в нижней части тигля. Такой тигель следует осторожно снять со стойки до полного его остывания.

Через 2,5—3,5 мин. после заливки термитного металла снимают форму, удаляют технологические утолщения: прибыльную часть, литниковую и выпорную системы стыка.

Затем очищают сварной стык от пригара формовочной земли и шлифуют абразивным кругом рабочие поверхности рельсов.

Усталостная прочность сварных рельсовых стыков значительно повышается при шлифовке. Особенно тщательно следует шлифовать поверхность катания и рабочей грани. Рельсовый стык необходимо шлифовать вдоль рельса.

Рельсовые стыки, сваренные термитом, следует располагать только на весу. Расстояние между обливом и осями прилегающих шпал не должно превышать 250 мм.

При укладке в путь старогодных рельсов нельзя менять положение рабочей внутренней грани головки. Состояние пути является одним из важных факторов, определяющих эксплуатационную надежность сварных рельсовых стыков.

Неисправности пути — просадки, перекосы, изношенные шпалы и пр.—в зоне сварных рельсовых стыков резко увеличивают динамическое воздействие на последние со стороны проходящего подвижного состава и преждевременно выводят их из строя.

Помощь студентам железнодорожникам