Preview

Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск

Моделирование дифференцированной термической обработки железнодорожных рельсов сжатым воздухом

https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-11-12-907-914

Полный текст:

Аннотация

Проведено математическое моделирование дифференцированной термической обработки железнодорожных рельсов воздухом. На первом этапе аналитически и численно решалась одномерная задача теплопроводности с граничными условиями третьего рода. По- лученные распределения температуры на поверхности головки рельса и на глубине 20 мм от поверхности катания сравнивали с экспериментальными данными. В результате определяли значение коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности рельсовой стали. На втором этапе была создана математическая модель распределения температуры в рельсовом темплете, в условиях принудительного охлаждения и последующего остывания в условиях естественной конвекции. В основу предложенной математической модели положены уравнения Навье-Стокса и конвективной теплопроводности для закалочной среды и уравнение теплопроводности рельсовой стали. На границе рельс – воздух задавалось условие непрерывности тепловых потоков. В условиях самопроизвольного остывания изменение температурного поля моделировали уравнением теплопроводности с условиями третьего рода. Аналитическое решение одномерного уравнения теплопроводности показало, что расчетные значения температуры отличаются от экспериментальных данных на 10 %. При продолжительности охлаждения более 30 c происходит смена хода кривых зависимости температуры от времени, что связано со сменой механизмов охлаждения. Результаты численного анализа подтверждают это предположение. Анализ двухмерной модели охлаждения рельса методом конечных элементов показал, что на начальном этапе охлаждения температура поверхности головки рельсов как по центральной оси, так и по выкружке резко уменьшается. При продолжительности охлаждения свыше 100 c происходит стабилизация температуры до 307 К. В центральных областях головки рельса процесс охлаждения идет медленнее, чем в поверхностных. После прекращения принудительного охлаждения наблюдается нагрев поверхностных слоев, обусловленный сменой направления теплового потока от центральных областей к поверхности головки рельса, а затем происходит охлаждение со скоростями существенно меньшими, чем на первом этапе. Полученные результаты могут быть использованы для корректировки режимов дифференцированной закалки.

Об авторах

В. Д. Сарычев
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

654007, Россия, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



С. Г. Молотков
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

к.ф.-м.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

654007, Россия, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



В. Е. Кормышев
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

к.т.н., старший научный сотрудник Управления научных исследований

654007, Россия, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



C. А. Невский
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

654007, Россия, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



Е. В. Полевой
АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»
Россия

к.т.н., заместитель начальника технического отдела

654043, Россия, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, Космическое шоссе, 16



Список литературы

1. Kuziak R., Pidvysots’kyy V., Pernach M., Rauch L., Zygmunt T., Pietrzyk M. Selection of the best phase transformation model for optimization of manufacturing processes of pearlitic steel rails // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2019. Vol. 19. No. 2. P. 535 – 546.

2. Yahyaoui H., Sidhom H., Braham C., Baczmanski A. Effect of interlamellar spacing on the elastoplastic behavior of C70 pearlitic steel: Experimental results and self-consistent modeling // Materials and Design. 2014. Vol. 55. P. 888 – 897.

3. Kapp M.W., Hohenwarter A., Wurster S., Yang B., Pippan R. Anisotropic deformation characteristics of an ultrafine- and nanolamellar pearlitic steel // Acta Materialia. 2016. Vol. 106. P. 239 – 248.

4. Борц А.И., Шур Е.А., Рейхарт В.А., Базанов Ю.А. Результаты испытаний рельсов, подвергнутых дифференцированной закалке с прокатного нагрева. Влияние особенностей технологии производства на их свойства // Промышленный транспорт XXI век. 2009. № 4. C. 32 – 36.

5. Павлов В.В., Корнева Л.В., Козырев Н.А. Выбор технологии для термического упрочнения железнодорожных рельсов // Сталь. 2007. № 3. С. 82 – 84.

6. Корнева Л.В., Юнин Г.Н., Козырев Н.А., Атконова О.П., Полевой Е.В. Сравнительный анализ показателей качества рельсов ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и зарубежных производителей // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 12. С. 38 – 42.

7. Gromov V.E., Volkov K.V., Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Alsarayeva K.V., Konovalov S.V. Formation of structure, phase composition and faulty substructure in the bulk- and differentially-hard-tempered rails // Progress in Physics of Metals. 2014. Vol. 15. No. 1. P. 1 – 33.

8. Gromov V.E., Morozov K.V., Ivanov Yu.F., Glezer A.M. Analysis of structure-phase states in-a-bulk hardened and a head-hardened rails // AIP Conference Proceedings. 2014. Vol. 1623. P. 191 – 194.

9. Волков К.В., Полевой Е.В., Темлянцев М.В., Атконова О.П., Юнусов А.М., Сюсюкин А.Ю. Моделирование воздухоструйной закалки с печного нагрева железнодорожных рельсов // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2014. № 3 (9). С. 17 – 23.

10. Sahay S.S., Mohapatra G., Totten G.E. Overview of pearlitic rail steel: Accelerated cooling, quenching, microstructure, and mechanical properties // Journal of ASTM Int. 2009. Vol. 6. No. 7. P. 1 – 26.

11. Pointner P. High strength rail steels – the importance of material properties in contact mechanics problems // Wear. 2008. Vol. 265. No. 9. P. 1373 – 1379.

12. Behrens B.-A., Denkena B., Charlin F., Dannenberg M. Model based optimization of forging process chains by the use of a Genetic Algorithm. – In book: 10th Int. Conference on Technology of Plasticity ICTP. ‒ Aachen, 2011. P. 25 – 30.

13. Li G., Liu Z., Chen L., Hou X. Numerical calculation of the comprehensive heat transfer coefficient on the surface of rail in the spray cooling process // Journal of Metallurgical Engineering. 2015. Vol. 4. P. 13 – 17.

14. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. – М.: Наука, 1964. – 488 с.

15. Марочник сталей и сплавов / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. / Под общ. ред. А.С. Зубченко. – М.: Машиностроение, 2003. ‒ 784 с.

16. Тихонов А.Н., Кальнер В.Д., Гласко В.Б. Математическое моделирование технологических процессов и метод решения обратных задач в машиностроении. ‒ М.: Машиностроение, 1990. ‒ 264 с.

17. Duda P. A general method for solving transient multidimensional inverse heat transfer problems // Int. Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 93. P. 665 – 673.

18. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 784 с.

19. Математические модели и механизмы формирования градиентных структур в материалах при внешних энергетических воздействиях: монография / В.Д. Сарычев, С.А. Невский, А.Ю. Грановский, В.Е. Громов. – Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2017. – 320 с.

20. Сарычев В.Д., Хаимзон Б.Б., Невский С.А., Ильященко А.В., Гришунин В.А. Математические модели механизмов ускоренного охлаждения проката // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 4. С. 326 – 332.


Для цитирования:


Сарычев В.Д., Молотков С.Г., Кормышев В.Е., Невский C.А., Полевой Е.В. Моделирование дифференцированной термической обработки железнодорожных рельсов сжатым воздухом. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2020;63(11-12):907-914. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-11-12-907-914

For citation:


Sarychev V.D., Molotkov S.G., Kormyshev V.E., Nevskii S.A., Polevoi E.V. Simulation of differentiated thermal processing of railway rails by compressed air. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020;63(11-12):907-914. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-11-12-907-914

Просмотров: 101


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)