Технология и оборудование алюминотермитной сварки рельсов

 

Общая организация работ по сварке рельсов включает подготовительные и основные работы. Подготовительные предназначены для проверки качества термитной смеси путем испытания четырех контрольных сваренных образцов на статический поперечный изгиб, а также твердости [15, 17].

В подготовительные работы непосредственно на месте сварки входят следующие операции [15, 17, 18]:

1) разъяснение особенностей эксплуатации пути в месте сварки для сварщиков термитной сварки и монтеров пути;

2) доставка оборудования и материалов к месту сварки;

3) ограждение места производства сварки;

4) установка свариваемых рельсовых концов во взаимное положение.

Способы проведения термитной сварки различны. Выбор того или иного способа зависит от формы, размеров и расположения свариваемых деталей. Технологические особенности алюминотермитной сварки рельсов регламентируются техническими условиями и технологической инструкцией и предполагают ряд подготовительных и основных операций [17, 18].

Вначале рельсошпальную решетку расшивают на три шпалы в каждую сторону от свариваемого стыка. Концы рельсов обжигают сварочной горелкой и зачищают (проволочной ручной или механической щеткой) на длине не менее 150 мм для удаления влаги и других загрязнений. После этого рельсы выравнивают по рабочему канту и поверхности катания, оставляя между торцами зазор 25 ± 1 мм. С помощью клиньев поднимают концы рельсов в стыке, чтобы компенсировать прогиб стыка, вызываемый усадкой при кристаллизации и последующем охлаждении металла сварного шва и зоны термического влияния. Для компенсации просадки сварного шва после остывания возвышение в стыке над остальной частью рельсов необходимо выбрать таким, чтобы при наложении на головку рельсов линейки (середина должна совпадать с зазором) длиной 1000 мм. Оба ее конца имели зазор с рельсами 2 ± 0‚5 мм (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема измерения высоты установки концов рельсов перед сваркой

 

Тигель перед началом сварки дополнительно просушивают кислород - пропановым пламенем с избытком кислорода кольцевыми движениями по спирали до верхних краев тигля в течение 55 - 60 с. Затем на рельсы устанавливают и закрепляют комбинированную стойку, с помощью которой позиционируют горелку и тигель (рисунок 2). Полуформы фиксируют относительно стыкового зазора так, чтобы его центр совпал с вертикальной осью литейной формы, а сами полуформы прилегали друг к другу без ступенек по периметру стыковки. Место контакта литейной формы с рельсом уплотняют формовочной смесью [15, 17].

Рисунок 2 – Установка комбинированной стойки [15]

1 – комбинированная стойка;2 – держатель литейной полуформы

 

Перед подогревом проводят регулировку пламени до нормального горения: на газовых редукторах – давление пропана 0,1 МПа и кислорода – 0,50 МПа. После этого газовую горелку устанавливают на комбинированную стойку и начинают подогрев торцов рельсов в стыке (рисунок 3).

Рисунок 3 – Подготовка газовой горелки для подогрева концов рельсов [15]

1 – вспомогательная стойка;2 – газовая горелка

 

До заливки формы расплавленным металлом торцы рельсов в стыке предварительно разогревают до температуры 1200–1250°C. Время прогрева зависит от температуры окружающей среды и мощности газового пламени (таблица 1). Процесс плавления термитной смеси и выпуск расплавленного металла в литейную форму происходят автоматически через 20–28 секунд после начала термитной реакции. К этому моменту подогретые концы рельсов успевают остыть до 850–900 °C, что соответствует величине указанной в нормативных документах [15, 17, 18].

 

Таблица 1 – Время подогрева рельсов в зависимости от их температуры [15]

Температура рельса, ºС	Время нагрева, мин.
от 0 до +10
от 10 до +22
выше +22

 

Для сварки рельсов в настоящее время используется способ промежуточного литья (рисунок 4), при котором из продуктов термитной реакции используется только расплавленный металл 5 без шлака 4 [15, 17].

Рисунок 4 - Схема алюминотермитной сварки рельсов способом промежуточного литья [15]

а – плавление термитной смеси;б – заливка расплавленной термитной смеси в форму; в – кристаллизация сварного шва; 1 – рельс; 2 – литейная форма; 3 – тигель; 4 – расплавленный шлак; 5 – расплавленный металл; 6 – литниковый канал

 

Жидкий металл является одновременно источником тепла и присадочным материалом, соединяющим концы рельсов 1. Свариваемые концы рельсов при этом способе устанавливаются с зазором 25 ± 1 мм, на который устанавливают керамическую литейную форму 2. Для осуществления химической реакции и получения расплавленного металла используют конический тигель 3 с выпускным отверстием в дне. Расплавленный металл поступает из тигля в форму и заполняет оставленный между торцами рельсов зазор. Иногда металл заливают через специальный литник. Постепенно заполняя зазор и свободное пространство между рельсами и стенками формы, металл расплавляет соприкасающиеся с ним стенки рельсов, а застывая, образует с рельсами одно целое - сварное соединение. Вытекаюший из тигля за металлом шлак стекает по желобу, оставляя над металлом лишь слой небольшой толщины - этот слой шлака предохраняет термитный металл от быстрого остывания, чем способствует более свободному выделению газов из жидкого металла и получению более плотного металла литого башмака [1, 15, 17].

Для проведения плавильного процесса термитной смеси необходимо снять газовую горелку с комбинированной стойки. Установить нагретый литниковый мостик в литейную форму. Повернуть тигель с термитпой смесью и установить его таким образом, чтобы ось литника совпадала с осью зазора между рельсами и формой (рисунок 5). Для начала термитной реакции используют запальную спичку, которую поджигают от газового пламени и вставляют в термитную смесь, находящуюся в тигле. Тигель накрывают конической крышкой с отверстием для выпуска газов [15].

Рисунок 5 – Плавка термитной смеси и выпуск термитного металла в форму [15]

1 – тигель;2 – литейная форма; 3 – комбинированная стойка; 4 – крышка тигля

 

Для предотвращения обратного удара на горелке вначале закрывают вентиль подачи пропана, потом вентиль подачи кислорода, затем устанавливают ее на вспомогательную стойку и перекрывают вентили на баллонах. Процесс плавления термитной смеси и выпуск расплавленного металла в питейную форму происходит автоматически через 25 - 28 с. К этому времени подогретые концы рельсов успевают остыть до 850 - 900 °С, что соответствует температуре предварительного подогрева, указанной в нормативных документах. После выпуска термитного металла в литейную форму тигель переносят на вспомогательную стойку. Демонтаж комбинированной стойки и литейной формы проводят после кристаллизации металла сварного шва, которая в зависимости от массы порции термитной смеси, длится 3,0–3,5 мин. Затем головку рельса очищают от песка металлической щеткой и с помощью гидравлического обрезного станка в горячем пластическом состоянии удаляют прибыльную часть сварного шва на головке рельса, после чего рабочую часть головки подвергают шлифованию [1, 15, 17, 18].

Ориентировочное время остывания составляет 90 - 20 мин в зависимости от температуры окружающего воздуха. Поверхность головки рельса после шлифовки не должна иметь следов «поджога». Перед чистовой шлифовкой выполняют крепление рельса к шпалам в зоне сварного шва [15, 17, 18].

В процессе подготовки и проведения алюминотсрмитной сварки рельсов проводится пооперационный контроль качества выполняемых операций, после завершения процесса сварки - визуальный осмотр сварного шва с проверкой геометрии рельса. Далее проводят ультразвуковой контроль шва [15, 17, 18].