Obróbka szyn kolejowych Stress-Free w TATA Steel

W oparciu o ponad 30 lat badań nad produkcją szyn ulepszanych cieplnie, nowe, pozbawione naprężeń szyny Stress-Free firmy Tata Steel zdefiniowały przyszłość tego sektora produkcji. Szyny wyprodukowane przy wykorzystaniu unikatowej technologii ulepszania cieplnego zapewniają operatorom kolejowym do pięciu razy dłuższą żywotność od tej osiąganej przez standardowe, nieulepszane cieplnie szyny. Warto podkreślić, że otwarcie nowego zakładu produkującego 108 metrowe szyny oznacza dla klientów większą wydajność i niezawodność. Szyny Stress-Free były prezentowane na tegorocznych targach Innotrans w Berlinie.

Standardowe szyny są produkowane przez wygrzewanie w piecu i walcowanie na gorąco. Zanim szyny zostaną ostatecznie schłodzone i wyprostowane w celu zapewnienia precyzji wymaganej przez współczesne torowiska koniecznych jest kilka etapów walcowania. Rezultatem procesów chłodzenia i prostowania jest szyna posiadająca wysokie naprężenia szczątkowe. Powierzchnią szyny wystawioną na największe naprężenia jest podstawa stopki. Każdy czynnik wywołujący spiętrzanie się naprężeń w materiale, taki jak uszkodzenie czy korozja, jest potęgowany przez dynamiczne obciążenie generowane przez przejeżdżające pociągi i naprężenie całego toru konieczne do zapobiegania wyboczeniom. W konsekwencji mogą tworzyć się i propagować pęknięcia, które prowadzą ostatecznie do uszkodzenia szyny. Ze względu na wysokie naprężenia resztkowe w konwencjonalnej szynie, potrzeba tylko relatywnie małej wady by rozwinęło się pęknięcie.

W ostatnich latach przeprowadzono wiele badań nad mechanizmami powstawania uszkodzeń szyn i technikami ich wykrywania, ale dotyczyło to głównie obszaru główek szyn. Pęknięcia zmęczeniowe stopek szyn nie są możliwe do wykrycia przy użyciu obecnych metodologii, a ponieważ uszkodzenia spowodowane naprężeniami resztkowymi zwykle rozchodzą się od obszaru stopki szyny, często ich propagacja pozostawała niezauważona. Sytuacja ta skłoniła Tata Steel do znalezienia rozwiązania problemu poprzez opracowanie szyn o niższych naprężeniach w obszarze stopki.

Opatentowany proces obróbki cieplnej przeprowadza szynę poprzez zestaw pieców indukcyjnych, w których zmienne pole elektromagnetyczne bardzo szybko ogrzewa stal do około 950°C. Przy użyciu sprężonego powietrza szyna jest następnie szybko chłodzona, co skutkuje wysoką twardością i wyjątkowo drobnoziarnistą mikrostrukturą zapewniająca bardzo wysoką wartość wydłużenia. Unikatową cechą tego procesu jest to, że wytwarza on korzystny rozkład naprężeń resztkowych z bardzo niskim poziomem naprężeń rozciągających i ściskających w obszarze stopki szyny. Technologia ta, w odróżnieniu od innych procesów obróbki cieplnej na linii walcowniczej, zapewnia ochronę przed ryzykiem uszkodzenia szyny spowodowanym defektami stopki, co zmniejsza tempo degradacji szyn.

Szyny Stress-Free firmy Tata Steel posiadają naprężenia resztkowe stopki mniejsze niż 50 MPa- w rzeczywistości często mają one charakter ściskający, co jest korzystne, ponieważ pomagają one zamykać ( lub zaciskać) każde potencjalne pęknięcie, zapobiegając przed ich propagacją.

Ta wiodąca w klasie innowacja procesowa Tata Steel została wdrożona do całej rodziny ulepszonych cieplnie szyn w celu dopasowania ich do różnych specyfikacji użytkowania w globalnej sieci kolejowej.

Na przykład na rynku europejskim odnotowuje się wzrastające zapotrzebowanie na produkty takie jak SF350 (stress-free, twardość 350 HB), które oferują do 5 razy większą żywotność niż szyny nieulepszone cieplnie

Ze względu na możliwość dostosowania się do wyższych obciążeń osiowych, ulepszone cieplnie szyny Stress-Free są postrzegane jako naturalne rozwiązanie dla mocno obciążonych szlaków towarowych. Niemniej jednak, znajdują one także szerokie zastosowanie na trasach pasażerskich o dużym natężeniu ruchu i w innych zastosowaniach, gdzie występuje duże zużycie szyn, takich jak ciasne łuki. W takich wypadkach operatorzy korzystają z ograniczonego ryzyka korozji lub powstania uszkodzeń z powodu pęknięć zmęczeniowych w połączeniu z niższymi kosztami utrzymania związanymi ze zwiększoną odpornością szyn na zużycie.

Nie ma wątpliwości, że ta obiecująca rodzina produktów będzie kształtować przyszłość technologii produkcji szyn. Jest ona rezultatem wielu lat szeroko zakrojonych badań w Tata Steel, wspieranych przez niezachwianą wiarę w sens inwestycji w najnowsze technologie. W rezultacie spółka zainwestowała ostatnio 12 mln euro w nowa fabrykę w Hayange we Francji, produkująca ulepszane cieplnie szyny bez naprężeń. Fabryka jest zaopatrywana w stal przez zakład Tata Steel w Scunthorpe w Wielkiej Brytanii. W wyniku ulepszania cieplnego stal jest bardziej odporna na zużycie i opiera się zmęczeniu tocznemu znacznie bardziej niż standardowe gatunki stali, w tym gatunek MHH oferowany przez spółkę zapewniający najwyższe dostępne poziomy odporności na zużycie i ścieranie.

Inwestycja w zakład w Hayange pozwoliła na potrojenie maksymalnej długości szyny do 108 m oraz zwiększyła ponad dwukrotnie wydajność. Jest to istotne, ponieważ coraz więcej klientów będzie wymagać ulepszonych cieplnie szyn w celu stopniowej redukcji kosztów życia produktu.

---

Więcej o obróbce szyn kolejowych znajdziesz w materiale wideo: