mantarı sertleştirilmiş ray Üretimi ve hat tasarımı (tez).pdf
TRANSCRIPT
-
i
NSZ
Lisans eitimimiz ve tasarm bitirme projemiz sresince bizlere her konuda destek
olan, bilgi ve tecrbelerini bizimle paylaan deerli danman hocalarmz Prof. Dr.
Eyp Sabri KAYALI, Prof. Dr. Hseyin MENOLU, Do. Dr. Murat
BAYDOAN ve Do. Dr. Hseyin KIZILa gstermi olduklar emekten tr
teekkr bir bor biliriz. Labaratuvar almalarmzda bizlere yardmc olan Ara.
Gr. Faiz MUHALLEF ve Ara. Gr. Onur TAZEGLe teekkr ederiz.
Deneysel almalarmzda bize yardmc olan Karabk niversitesi Metalurji ve
Malzeme Mhendislii Blm retim yesi Do Dr. Hayrettin AHLATI ve Ara.
Gr. Sait ZELKe teekkrlerimizi sunarz.
Ayrca tasarm almamzda bize byk yardmlar dokunan Makina Mhendisi
Hseyin TRKOLUna teekkr ederiz.
Bugnlere gelmemizde byk emei olan, maddi ve manevi her trl destek ve
ilgilerini esirgemeyen ailelelerimize ve arkadalarmza ok teekkr ederiz.
Ocak 2013
-
ii
NDEKLER
Sayfa No
NSZ i
NDEKLER ii
TABLO LSTES v
EKL LSTES vi
KISALTMALAR viii
ZET ix
ABSTACT x
1. GR 1
2. DEMR YOLU RAYLARININ TANIMI VE ZELLKLER 2
3. RAY MALZEMELERNDEK GELMELER 3
3.1 Mikro atlaklar 5
3.2 eitli elik Trlerinin Hidrojen erikleri 6
3.3 Soutma Hz Ve elik Kalitesi 7
3.4 Oksit nklzyonlar 7
4. RAY EL RETM METODLARI 9
4.1 Fosfor esasl scak metalle alan OBM prosesinin karakteristikleri 9
4.2. Ray retimi 10
4.2.1. Yksek frn 11
4.3 elik Yapm 11
4.3.1. Havasz gaz alma ve argon fleme 12
4.4 Srekli Dkm 12
4.5 Haddeleme 13
4.6 Dorultma Ve lm 13
5. ALAIM ELEMENTLERNN ETKS 15
5.1. Karbon (C) 15
5.2. Mangan (Mn) 15
5.3. Silisyum (Si) 15
5.4. Fosfor (P) 15
5.5. Kkrt (S) 16
-
iii
5.6. Krom (Cr) 16
5.7. Nikel (Ni) 16
5.8. Molibden (Mo) 16
5.9. Vanadyum (V) 17
5.10. Bakr (Cu) 17
5.11. Alminyum (Al) 17
6. RAY TPLER 18
6.1. Doal Olarak Sert Raylar 18
6.2. Termal Olarak lem Gren Raylar 18
6.3. Yksek Alaml Raylar 20
6.4. Beynitik Raylar 20
7. KULLANILAN RAY STANDARTLARI 21
7.1. Yetenek Tespit Testi 21
7.1.1. Onay testi 21
7.2. UIC 860-0 ve EN 13674-12003+A12007
zerinde Yaplan Bir Karlatrma 22
8. ELKLERN ISIL LEMLER 23
8.1. Demir-Sementit Denge Diyagram 23
8.2. Raylara Uygulanan Isl lem 25
8.3. Ray Sertliinin nemi 26
8.4. Raylarda Su Verme 26
8.5. Mikroyap ve Mekanik zellikleri 27
8.6. Mantar ertletirilmi Raylarn Kimyasal Bileimi
ve En 13674-12003+A12007 Standardna Gre Sertlik Dalm 28
8.7. Ray Haddehanesinde Hzlandrlm Soutma ile
Demir Yolu Raylarnn retiminin Gelitirilmesi in
eitli Mantar Sertletirme Yntemleri 28
9. MANTARI SERTLETRLM RAY RETM NEDENLER 30
10. DENEYSEL ALIMA 36
10.1. Su Verme Isl lemi ve Mantar Sertletirme 36
10.2. Numune Hazrlama 37
10.3. Sertlik lm Deneyi 39
10.4. Mikroyap almalar 40
10.4.1.Optik mikroskop 40
-
iv
10.4.2 SEM analizi 41
11. DENEYSEL SONULAR 42
11.1. Sertlik Deneyi Sonular 42
11.2. Mikroyap Sonular 43
12. SU VERME SSTEM TASARIMI 47
12.1. Nozul Sisteminin Belirlenmesi 48
12.2. Tama Sisteminin Oluturulmas 51
12.3. Su Verme Hattnn Uzunluu Belirlenmesi 53
13. MALYET DEERLENDRMELER 56
14. DEERLENDRME 57
KAYNAKLAR 58
ZGEM 60
-
v
TABLO LSTES
Sayfa No
Tablo 3.1. UIC 860.0 Standard elik analizi 3
Tablo 3.2. 1950lere kadar tipik ray elii bileimleri 4
Tablo 3.3. Gnmz (UIC 900A) tipik ray elii bileimleri 5
Tablo 3.4. eitli imalat metodlarnda H2 seviyesi 6
Tablo 6.1. Ray elii eitlerinin mukavemetine ve kimyasal bileimine genel bir
bak 18
Tablo 8.1. Su verme orannn ray eliinin mikroyapsna etkisi 26
Tablo 8.2. R350 HT ray kalitesinin kimyasal kompozisyon ve mekanik zellikleri 28
Tablo 9.1. Kullanlmas zorunlu ve kullanlmas nerilen ray kalite eitleri 34
Tablo 9.2. R260 kalitedeki ray ile R350HT kalitedeki rayn karlatrlmas 34
Tablo 11.1 4 Bar hava kullanlarak yaplan su verme ilemin HB sonular 43
Tablo 11.2. 5 Bar hava kullanlarak yaplan su verme ileminin HB sonular 43
Tablo13.1. Aralk 2012 tarihinde piyasada satlmakta olan R260 ve R350HT
kalite raylarn fiyatlar 56
-
vi
EKL LSTES
Sayfa No
ekil 3.1. eitli elik trlerin hidrojen ierikleri 5
ekil 6.1. Mantar sertletirilmi raylarla doal olarak sert raylarn germe-gerilme
emas 19
ekil 6.2. 200 sertliinde raylarla karlatrldnda yksek kaliteli raylarn
anmasna kar artan diren 19
ekil 8.1. Demir sementit denge diyagram 24
ekil 8.2. tektoit dnm diyaram 25
ekil 8.3. % 0.75 C + % 1 Mn ierikli bir ray eliinin srekli souma dnm
diyagram 27
ekil 8.4. Dnm scakln mekanik zelliklerin zerindeki etkisi 28
ekil 8.5. Soutma sistemleri 29
ekil 9.1. R350HT ve R260 kalitedeki rayn anma davranlarnn karlatrlmas 32
ekil 9.2. Perlitik raylardaki anma oranlar 32
ekil 9.3. Yk ve viraj yarapna gre ray seimi 33
ekil 9.4. Farkl kalitedeki ray eitlerinin anma davranlar 35
ekil 10.1. Mantar sertletirme ileminde kullanlan soutma sistemi 37
ekil 10.2. Proterm marka sl ilem frn 37
ekil 10.3. Mecatome T 255/300 kesme cihaz 38
ekil 10.4. Kesme diski 38
ekil 10.5. Mecapol P 220S zmpara cihaz 39
ekil 10.6. Mecapol P 230 parlatma cihaz 39
ekil 10.7. Ray kesiti zerinde n almalarda sertlik lm yaplan
noktalarn gsterimi 40
ekil 10.8. Zwick/Roell marka sertlik lme cihaz 40
ekil 10.9. Leica DM 750M metal mikroskobu 41
ekil 10.10. Hitachi TM-1000 SEM cihaz 41
ekil 11.1. EN 13674-1:2011 standardna gre HBW lm noktalar ve
minimum deerleri 42
-
vii
ekil 11.2. 8750Cden 10 saniye 4 bar hava ve 5 bar su pskrtme sl ilemi sonras
elde edilen rayn yzeyinin 20 mm altndaki blgenin optik k mikroskop
grnmleri 44
ekil 11.3. 8750Cden 20 saniye 5 bar hava ve 5 bar su pskrtme sl ilemi sonras
elde edilen rayn yzeyinin 20 mm altndaki blgenin optik k mikroskop
grnmleri 45
ekil 11.4. Isl ilem grmemi ray eliinin SEM analizi sonucunda ekilmi
grnmleri 45
ekil 11.5. 8750Cden 20 saniye 5 bar hava ve 5 bar su pskrtme sl ilemi sonras
elde edilen rayn SEM analiz grnmleri 46
ekil 12.1. Rayn hadde k 47
ekil 12.2. i dolu konik pskrtmeli nozul 48
ekil 12.3. 3l nozul sistemi 49
ekil 12.4. 4l nozul sistemi 49
ekil 12.5. Islatma alanlar 50
ekil 12.6. Su tahliye oluklar 50
ekil 12.7. Soutma sisteminin montajl grn 51
ekil 12.8. Paletli bir konveyr sistemi 51
ekil 12.9. Palet soutma sistemi 52
ekil 12.10. Tm soutma sistemlerinin montaj grn 52
ekil 12.11. Sistemin almas ve Uzunluu 53
ekil 12.12. Tasarmn yandan grn 54
ekil 12.13. Tasarmn nden grn 54
ekil 12.14. Tasarmn genel grn 55
-
viii
KISALTMALAR
R : Rail
HT : Heat treatment
UIC : Uluslararas demiryollar birlii
ASTM : American society for testing and materials
HB : Brinell sertlik deeri
BHN : Brinell sertlik says
BOF : Bazik oksijen frn
LD : L(inz)-D(onawitz)
LDAC : Argon yntemli konvertr tipi
UHC : Ultra yksek karbon
LHT : Low heat treatment
r : Viraj yarap
SEM : Taramal elektron mikroskobu
-
ix
MANTARI SERTLETRLM RAY RETM VE HAT TASARIMI
ZET
Demir yolu ray deiken ykler altnda alan, yksek zorlamalar zerinde
oturduu malzemeye ileten bir yap elamandr. Performans artn salamak iin
raylarda ihtiya duyulan ana zellikler; anma direnci, yorulma direnci, plastik
deformasyon direnci, kalnt gerilmeleri giderilmesi ve kaynaklanabilirliktir.
Bu almann literatr ksmnda demiryolu raylarnn tanm yaplm ve
zelliklerinden bahsedilmitir. Ray malzemelerindeki gelimeler, ray elii retim
metodlar ve alam elementlerinin ray eliine olan etkileri hakknda bilgi
verilmitir. Deneysel ksmda ise malzemenin mikroyap ve sertlik deerleri
incelenmitir.
.
-
x
SUMMARY
Rail is a structure which works under high pressure and transmits the forces to the
material that it sits. The main features to provide an increase in performance of rails
are on the following: wear resistance, fatigue resistance, resistance to plastic
deformation, removal of residual stresses and weldability.
In the literature section of this study, the railroad track is defined and its specialities
are discussed .The informations about the developments of rail materials, the
production methods of rail steel and the effects of alloying elements on the rail steel
are given. In the experimantal section, the microstructure and hardness of the
material are investigated.
-
1
1. GR
Ray demiryolu hatt inaatlarnda kullanlan en nemli malzemelerdendir.
1840lardan sonra btn Avrupa, Amerika ve dnyann dier lkelerinde youn bir
demiryolu a olumaya balamtr. Birka on yl iinde demiryolu, tad yk
hacmi ve yolcu saysndaki istikrarl art nedeniyle nemli bir tama sistemi
olmutur Bu hzl gelime, elik retimi, motor konstrksiyonu, inaat mhendislii,
ulam gibi bir ok alanda kkl deiiklikleri de beraberinde getirmitir [1].
lkemizde, u andaki yaps ile elik endstrisi olduka nemli bir gelimilik
ierisindedir. elik endstrimizin geliimi sadece nicelik olarak deil, teknolojik
olarak da geliim gstermitir.
-
2
2.DEMR YOLU RAYLARININ TANIMI VE ZELLKLER
Demir yolu ray deiken ykler altnda alan, yksek zorlamalar zerinde
oturduu malzemeye ileten bir yap elamandr. Demir yolu tamaclndaki
gelimeler; gnmzde dzenli yksek hzl trafikte 350 km/se kadar hza ulaabilen
yksek hz, uzun vagon boylarnda daha byk tekerlek ykleri, kaynaksz raylarn
kullanmndaki teknolojik gelimeler, daha byk ivmeler ve daha ksa fren
mesafeleri olarak sralanabilmektedir [2]. Performans artn salamak iin raylarda
ihtiya duyulan ana zellikler; anma direnci, yorulma direnci, plastik deformasyon
direnci, kalnt gerilmeleri giderilmesi ve kaynaklanabilirliktir.
Trenlerin zellikle yolcu trenlerinin hzlarnn ve dingil bana den yk
miktarlarnn artmas retilecek raylarn kaliteleri konusunda bir faktr olarak
karmza kmaktadr. Btn bu koullar rayn anma direnci bakmndan daha iyi
zelliklerde olmasn gerektirmektedir [3]. Gereken yksek anma direnci perlitik
ray eliklerinin sertlik deerlerinin artrlabilmesi ve metalurjik yaplardaki
gelimelerle mmkndr [4]. Yorulma direncinin iyiletirilmesi ise mikroyap
homojenliinin daha iyi salanmas ve srtnme dayanmndaki artlar ile ilikilidir.
Plastik deformasyon direnci iin ise ray sertlik deerlerinin arttrlmas ve dinamik
kuvvetlerin etkisiyle oluan yzey kaymalarnn minimum seviyeye indiren
teknolojik gelimeler nemlidir. Kaynak kabiliyeti karbon miktar arttka
azalmaktadr. Alamsz elik raylar kolay kaynaklanmakta, mangan, krom, silis,
molibden gibi alam ilaveleri ise kaynak kabiliyetini olumsuz etkilemektedir. Alam
elementleri kaynak esnasnda martenzit oluumuna sebebiyet vererek sertlik ve
gevreklie yol amaktadr [5].
-
3
3.RAY MALZEMELERNDEK GELMELER
Gnmzde genelde UIC 900A normlar geerlidir (Tablo 4.1). Bu tabloda u
noktalar dikkate alnr:
1-Artk Asid Bessemer ve Bazik Bessemer ray elii retimi iin
kullanlmayacaktr. Standartlar iin olmasa bile OBM metodu Bazik Bessemer
metodunun yerini almaktadr [6].
2-Tabloda verilen analiz deiimleri u deerlerdir. reticiler kendi
standartlarn kullanlarak istenen mekanik zellikleri garanti ederler.
3-UIC Standart 860,0 elastiklik limitini belirtmez. Dier yandan baz
demiryolu iletmeleri zel minimum deerler vermektedirler.
Dier bir standartta geni akseptanslar ieren ASTM A1 Amerikan standarddr. Bu
standartta analizler bulunup, mekanik deiikliklere ait deerler bulunmamaktadr.
1930lardan beri kullanlmakta olan 70/85 standardnda sert elikler iin 1950lerde
A, B, C, normlarn gstermekteydi. Bu anmaya mukavim elik normlar ufak apl
vidalarda kullanlmaktadr. Bugn baz demiryollar irketleri A, B normlarn
kullanmaktadrlar. Henz standart hale gelmemi baz ray elikleri de ok yakn
gemite kullanlmaya balanmtr [6].
Tablo 3.1 : UIC 860.0 Standard elik analizi [6].
malat Metodu C Mn Si Max. P Max. S Max. kg/mm2 5d
Bazik Bessemer 0.37-0.55 0.70-1.20 0.35 0.08 0.05 70-85 14%
Asid Bessemer 0.40-0.50 0.80-1.20 0.35 0.06 0.06 70-86 14%
Siemens Bessemer 0.40-0.55 0.80-1.20 0.35 0.04 0.05 70-87 14%
Elektrik Frnlar 0.40-0.60 0.80-1.20 0.35 0.04 0.05 70-88 14%
O2 fleme 0.40-0.60 0.80-1.20 0.35 0.05 0.05 70-89 14%
ok Sert elikler
A 0.60-0.75 0.80-1.30 0.50 0.05 0.05 90 10%
B 0.50-0.70 1.30-1.70 0.50 0.05 0.05 90 10%
C 0.45-0.65 1.70-2.10 0.40 0.03 0.03 90 10%
-
4
Buradan u sonular karabiliriz:
a) Dz hatlarda ve byk apl virajlarda (800 metre ve daha fazla) youn
trafik yznden bu raylar yorulmaya tabii olurlar. Burada yksek yorulma limitinde
elikler kullanlr. Yorulma mukavemeti eliin elastiklik limitine baldr. ok iyi
dalm V, Nb ilavesi ile retilebilen daha yksek, elastiklik limiti/sertlik oran olan
eliklerin adaptasyonu, ok sert eliklere gre daha iyi netice verebilir [7]. Genelde
yksek elastiklik limitlerine sahip raylarn adaptasyonu sert raylardan daha iyi netice
verecektir [8].
b) 300-400 m gibi az apl virajlarda srtnme anmasndan dolay raylar
deitirilmelidir. Bu halde 110 kg/mm2 ekme mukavemetinde ray kullanlmas
uygun olabilir.
c) Pratik olarak btn demiryolu irketleri raylar elektrik ark kayna ile
birletirmeye karar vermilerdir. Bunun anlam eliklerin belirli bir kaynak kriterinde
bulumalar gerektii ve zellikle kritik su verme hzlar ok yava olmaldr. Dier
taraftan sadece snrlanm kullanmlar iin C-Mn ve alam elemanlar ilavesi
yaplmaldr. Bu nedenle, yksek oranda Mn ihtiva eden C grubu elikleri artk
kullanlmamaktadr [9]. Ray kullanmn balangcndan 1950lere kadar alamsz
elikten retilmi tipik raylarn bileimleri Tablo 1.2de mevcuttur.
Tablo 3.2 : 1950lere kadar tipik ray elii bileimleri [9].
Ray cinsi %C %Mn %Si
Kopma muk.
(kg/mm2)
Krup 1891 0.36 0.60 0.21 57.5
Ute 1881 0.34 1.11 0.81 70.0
Amerikan
24.8- 34.2 kg/m
42.2-50 kg/m
59.5-60 kg/m
0,05-0,063
0,64-0,77
0,69-0,82
0,60-0,90
0,60-0,90
0,71-1,0
0,10-0,23
0,10-0,23
0,10-0,23
76
87
94,5
Trkiye
46.3 kg/m
49.4 kg/m
(~st 70)
0,45-0,55
0,45-0,55
0,85-1,15
0,85-1,15
0,15-0,20
0,15-0,20
87,5
87,5
1950lerden sonra ray malzemesine %1,001,30 kadar Cr ilave edilerek sertlii ve
mukavemeti artrlmtr. En son durumda Cr-Moli raylarn retimine gidilmektedir.
-
5
Hidrojenin drlmesi iin vakumla gaz giderme teknii uygulanmakta ve H2
miktarnn 2 ppmin altna drlmesi istenmektedir.
Tablo 3.3 : Gnmz (UIC 900A) tipik ray elii bileimleri.[9].
elik Cinsi Nominal Bileim
C Mn Si Cr Mo V
St elii 0.75 0.90 0.20 - - -
Yksek Silis 0.75 0.80 0.70 - - -
Kromlu Ray 0.75 0.65 0.25 1.15 - -
Krom Silisli 0.70 1.05 0.75 1.00 - -
Krom
Vanadyumlu 0.70 1.00 0.60 1.0 - 0.08
Krom
Molibdenli 0.75 0.60 0.30 0.60 0.20 -
Rayn iinde bulunan metalik olmayan inklzyonlar ve i mikro atlaklar
mukavemete etki eder. Raylar yolda yk altnda almaya maruz brakldklarnda
bu iki etken oval ksmlarda yorulma atlaklar ve merkezde yatay atlaklar olarak
kendini gstermektedir [10].
3.1 Mikro atlaklar
mikro atlaklar sk sk pul eklinde grlr ve bunlarn varl daha ok hidrojen
yznden oluur. Hidrojen kat ve sv elikte yksek scaklkta ok iyi znr ve
erirlii scaklkla azalr (ekil 3.1). Yava soutma hzlarnda ray iindeki btn
halindeki oksijen, hidrojenin ieriden darya herhangi bir mikro atlak meydana
gelmeden yaylmasn salar. Eer soutma hz yksek ise metal iinde serbest kalan
hidrojen mikro atlaklar oluturur. Bu serbest hidrojen metalin en ok tok olduu
yerlerde byk miktarda inklzyon olan yerlerde veya C, Mn, Cr, P segregasyon
bantlarnn olduu olutuu mikro atlaklarn souma periyodunda olumasnn
gerekmedii vurgulanmaldr. elik tipine ve iindeki hidrojen miktarna bal olarak
belli bir kuluka devresinden sonra evre scaklnda mikro atlaklar oluabilir
[6,10,11].
-
6
ekil 3.1 : eitli elik trlerin hidrojen ierikleri [6].
3.2 eitli elik Trlerinin Hidrojen erikleri
Erimi elik iindeki hidrojen miktar byk apta imalat metoduna baldr.
Aadaki tablo eitli metodlara gre hidrojen seviyelerini gstermektedir.
Tablo 3.4 : eitli imalat metodlarnda H2 seviyesi [6].
malat Metodu H2 (cc/100gr)
Bazik Bessemer 3-5
Kaldo 2.5-4.5
LDAC 2.5-4.5
LD 2.5-4.0
Siemens Martin 3,5 6,5
ift Curuflu Elektrik Frn 4 8
Tek Curuflu Elektrik Frn 3 4
Birok retim metodu iin aada nerilen noktalar yerine getirildii takdirde
hidrojen miktarnda bir azalma grlebilir. retim aamasnda,
- Zayf hidrojenlendirici kire veya stlm kire ta kullanarak,
- Paslanmam hurda kullanmak,
-Dekaburizasyonun bitimi ile potaya doldurma arasndaki faslann
azaltlmas,
- lavelerin kuru potada yaplmas. Bu zellikle grafit karbrizasyonu iin ok
nemlidir.
-
7
3.3 Soutma Hz Ve elik Kalitesi
1930-1935 arasnda ilk defa mikro atlak problemi Amerikan Demiryolcular
tarafndan ortaya atlmtr. Bu problem eitli sebeplerden dolay Avrupada ayn
zamanda ortaya kmamtr. Avrupada kullanlan Bessemer eliinin mukavemeti
az, H2 ihtivas az ve dingil ykleri de daha azd. Amerika Birleik Devletleri bu
problemi kontroll soutma ile halletmitir [6]. zerinde birletirilen nokta 70-85
kg/mm2 snrndaki elikler (Hidrojen miktar 5/100 gr H2 ukurda soutma) gerekli
deildir. Kontroll soutmay gerektirmeyecek kritik hidrojen miktar A, B, C snf
elikler iin analizlerine baldr. te bu sebepten C snf elikler B snfndan daha
fazla mikro atlak oluumuna eilimlidir. B grubunda Aya gre mikro atlak
oluumuna daha elverilidir. Bu raylar ukurda soutmak finite dorulma sorununu
ortaya karacaktr. Bu sebepten dolay zgara zerinde soutma tercih edilir.
ukurda soutmaktan kanmak iin, hidrojen miktarn sv elik iin drmek
gerekir veya zgara zerinde soutma yaplyorsa bunun muhafazal olarak yaplmas
gerekir [12]. Dier bir yol ingotu yava soutmak, bunlardan retilmi olan raylar da
zgara zerinde yava soutarak hidrojensizlendirme etmektir.
3.4 Oksit nklzyonlar
Makro inklzyonlar ve silikon inklzyonlar atlaklarn balama noktas olduundan
dikkatleri zerinde toplamaktadr. Bu yzden oksit inklzyonlarnn miktarn
azaltmak iin alnan her mesafe byk anlam tar. Dier taraftan yksek kkrt
bulunmas slfr inklzyonlar meydana getirerek mikro atlak yapsnn olumasn
azaltr [13]. nklzyonlar eliin yorulma mukavemetine kt tesir yapar. Makro
inklzyonlar magnetik testlerle tehis edilebilirler. Bunlar zarar vericidirler. Mikro
inklzyonlar sadece mikroskop ile tayin edilebilir. Slfat, alminyumoksit silikat ve
oksit, slfitler eliin yorulma mukavemetine zararl ynde etki etmez. Aksi olarak
eliin yorulma mukavemetini ykseltirler. nk souk halde yksek sneklikleri
vardr ve daha tehlikeli inklzyonlar sararak kuatrlar. Slfitler mikro atlak
yapsn da azaltr. Eer Alminyumoksit inklzyonlar belirgin bantlar eklinde yap
oluturmusa tehlikeli olabilir. Silikat inklzyonlar en tehlikelisidir. Bunlar souk
yapda hi sneklilie sahip deildir [6,10]. elik iindeki inklzyonlar minimize
edilmek istenirse ok mkemmel bir deoksidasyona ihtiya vardr. Pota
-
8
deoksidasyon metodlar bir prosesten dierine deiir. Kaldo, LADC ve LD
proseslerinde fleme C miktar temel alnarak kesilir. Siemens-Martin ve elektrik
proseslerinde potaya dklmeden nce daha az bir O2 ierir (yaklak 0,020) ve
eliin safiyeti genellikle tatmin edicidir. Eer fleme belirli bir C miktarnda
kesilmez ise OBM-LD-LDAC, Bazik Bessemerde rafinazyon ilemi sonundaki O2
miktar daha yksektir, (%0,060-0,100 O2). Tehlikeli silikatlar elemine edebilmek
iin konverterde karbrizasyon veya potada Sidan daha kuvvetli oksitleyici ile
deoksidasyon zorunludur. Uygun deoksidantlar Al, Zi, Ti ve Cadur. Son element
genellikle alam halinde kullanlr [14,15].
-
9
4. RAY EL RETM METODLARI
II. Dnya savandan nce ray elikleri Bazik Bessemer, Asid Bessemer, elektrik
frnlar, Siemens-Martinlerde retilirdi. 1960-1970 yllar arasnda ise 1950-1960
arasnda kabul gren oksijen fleme metodlar, ray elii retimi iin kullanlmaya
baland. 1967-1968de Maximillianshtte Sulzbach-Rozenbergde gelitirililen
OBM metodu, elik retiminde scak metal banyosuna oksijen flenerek uygulanan
bir metoddur [16]. LD ve LDAC metodlarnda olduu gibi saf oksijen kullanlr
ancak bu metodlardan farkl olarak oksijen, nozullarn ierisinden, pota dibinden
verilir. Uygulamada Nozul aznda yksek scaklkta alev oluuyorsa soutma
zellikle nemlidir. Bu uca doru hidrokarbon ayrma ss olarak kullanlr.
(propan, doalgaz). Buhar CO2 yakt ayrma ss da kullanlabilir ki bu yntem
Fransada LWS prosesi olarak uygulanr [16].
Fosfor esasl scak metal iin uygulanacak metalurjik proses Bazik Bessemer metodu
gibidir. Si 2CaO SiO2, (cruf) halinde, karbon CO2, CO (gaz), Fosfor 4CaO P205
(cruf) dnm yaparlar. Beklenen Fosfor miktarna bal olarak tek veya ift
cruflu kullanlr. Tek crufla fosfor miktar Bazik Bessemer metoduna denk
durumda oluur. ift crufla yaplan almada LDAC prosesindeki deerlere ular.
OBM prosesinde dier bir olaslk ise son flemede Nitrojen verilerek banyodaki P
miktar drlr, banyo ile cruf arasndaki fiziko-kimyasal denklik salanr. Ayrca
artk hidrojen miktar da azaltlr [16].
4.1 Fosfor esasl scak metalle alan OBM prosesinin karakteristikleri
P miktar : Tek fazla alrken, P miktar Bazik Bessemer metodundaki deerler
kadar oluur. (0,050-0,060) 2 fazl alma ve N2 ile temizlemede LDAC
prosesindeki deerler oluur.
S2 Miktar : Bazik Bessemer metodundaki deerler oluur yalnz S miktar azalr.
Scak metalin deslfrizasyonu ve ift crufla alma LDACdaki deerlerin ortaya
kmasn salar.
-
10
N2 Miktar : Soutma ortam olarak propan kullanldnda (ki, N2 ihtiva etmez) LD
prosesindeki deerler oluur. Eer % 15 N2 ihtiva eden doal gaz kullanldnda
elik iindeki N2 miktar 0,0015 deerine ulaabilir.
C, Mn, Si Miktar : Arzu edilen C, Mn, Si miktarlar potaya grafit Ferro Mangan
Ferro Silis ilavesi ile elde edilir. Kardemirde % 0,80 C, % 1,80 Mna kadar elik
yaplabilmektedir.
H2 Miktar : Konverterdeki eliin H2 miktar (OBM prosesinde) dier oksijen
fleme proseslerinde olan orandan daha fazladr. Buda nozulun soutulmas iin
kullanlan hidrokarbonlar tesiri ile olmaktadr. Konverterdeki elik banyosunun H2
ihtivas normal bir flemeden sonra byk apta deiim gsterir. Bu ncelikle
fleme sonundaki scakla baldr. Ortalama olarak 6-2,2 cc H2 /100 gr arasnda
deiir. Arkasndan hidrojen miktar 5 1,2 cc/ 100 gr deerine der. Bu oran
Bessemer prosesinden daha fazladr. (Bessemer prosesinde 3,9 1,1cc H2
deerindedir) ve gerekten bu oran rayn i atlamalarna yansr [16] .
OBM eliinin ihtiva ettii Hidrojen miktar 2,3 0,7 cc deerine DH Metodu ile
indirilebilir. Gerekte bu kadar kk deerde hidrojen miktar standart elikler iin
gerekli deildir. Bundan daha fazlas DH prosesi retimde baz kstlamalar getirir.
Son yllarda, eliin ingot eklinde dkm yerine srekli dkmden elde edilen
blumdan raya geilmesiyle nemli gelimeler salanmtr. [17,15].
4.2. Ray retimi
Ray retim ilemi aadaki gibi temel admlara ayrlabilir:
-Yksek frn
-elik yapm
-Srekli dkm
-Haddeleme
-Dorultma ve lm
-
11
4.2.1. Yksek frn
elik gerekte demriin artlarak bir ka element katksyla elde edilen halidir. Demir
doada oksitleri halinde demir cevheri olarak bulunur. Demir dnyada bir ka
blgeye yaylm bir ekilde ve yeterli oklukta bulunmaktadr [18].
Cevher ocaktan alnp belli byklkte krlr. Kk paralar ayklanarak
sinterlenmek zere sinter nitesine gnderilir. Burada kk paracklar kok ve kire
ta ile kartrlarak sinter ad verilen demirce zengin paralar haline getirilir. Bu
sinter paralar dier demir cevheri ile birlikte yksek frna atlr. Ayrca bunlarla
beraber kok ve belirli lde kire tada frna atlarak hepsi birlikte yaklr. Bu
srada frnn iine scak hava flenir, yanma hzlandrlr ve byk bir s aa kar.
Bu sayede demir cevheri indirgenir. 1500 OC de frnn dibinde toplanrlar. Frna
atlan kire ta ile cevherdeki istenmeyen maddeler birleir ve cruf oluturur. Bu
oluan cruf sv metalden daha hafiftir ve metalin zerinde yzer [18].
Yksek frndaki ilemler sreklidir. Metalin zerinde cruf oluur olumaz
periyodik olarak alnmaya balar. Ayn ekilde crufun altndan balayarak da erimi
metal alnr ve bu alna metal sv elik retimine gider [18].
Cevher, sinter, kok ve kire ta srekli olarak yksek frna yklenirken scak hava
aadan flenir. Bu ilem, frnn sya dayankl refraktrnn bozulmasna kadar
yaklak 4 yl sre srekli olarak devam eder [18].
4.3 elik yapm
Bazik oksijen ocak (BOF) ilemi diye bilinen yntem elik yapmnda olduka
nemli bir yer tutar. Modern bir frn bir defada 150-350 ton malzeme alr ve 40
dakikada elik retir. Scak metal bazik oksijen ileminin en nemli malzemesidir.
Frna nce hurda atlr, daha sonra sv metal yklenir ve az yukarya getirilerek
ilem balatlr. Frna yklenen malzemenin %70i sv metal, geri kalan
hurdadr[18].
Su ile soutulan oksijen borusu frnn iine daldrlr ve olduka yksek bir hzla
-
12
kuru ve saf pksijen retilir.. flenen oksijen kabonla ve dier istenmeyen
elementlerle flemeye devam edilir. Oksijen fleme sresince akkanl arttrmak
amacyla kireta eklenir. Kire tann etkisiyle oksijen istenmeyen malzemelerle
birleerek oksitlerini oluturur. Bu oksitler cruf oluturup yzeyde kalrlar[18].
lem bitiminde metal alma kapandan tm metal potaya alndktan sonra ocak ters
evrilerek daha nceden hazrlanm olan cruf potassna yzeyde kalan cruf
boaltlr. Potaya alnan sv metale alam elementleri atlarak karbrize edilir.
kincil metalurji diye adlandrlan bu proseste kimyasal kompozisyon ve scaklk
ayarlanr, istenmeyen maddeler atlr[18].
4.3.1. Havasz gaz alma ve argon fleme
Modern elik yapmnda elik kalitesini ykseltmekte kullanlan birka ilem vardr.
Argon alkalama yntemi scakl ve kimyasal kompozisyonu homojenletirmekte
kullanlr. Havasz gaz alma nitesi elikteki hidrojen orann 2 ppmden aaya
drmek ve elikteki oksiteri yok etmekte kullanlr. Hidrojen miktarnn sv elikte
2 ppmin altnda olmas idrojen flakelerinin (birikinti) olumasn nler. Dolaysyla
souma hzn srekli lmemize gerek kalmaz. Rayda bulunan bu flakeler ray
zerine gelen tekerlek yk altnda bir atlak balatarak zamanla yorulmadan dolay
rayn krlmasna neden olacaktr[18].
4.4 Srekli dkm
u anda elikhanelerde kullanlan yntemdir. Sv elik 150-350 tonluk potalarda
biriktirilerek 2 pota alabilen turetlarn iine yerletirilir. Bu 2 potadan ilki tundishe
dklr dklmez dier pota hazrlanr. Bu yolla dkm srekli olarak devam
eder[18].
Sv elik potadan tundsihe dklrken gmme dkm teknii kullanlr. Dan 8 e
tm kalplara ayn miktarda metalakmas salayan hassas ll dkm azlklar
kullanlr. Pota ile tundish arasna ve tundish ile kalp arasna refraktr koruma
konarak tm sv eliin dkm esnasnda atmosferden etkilenip oksitlenmesi
nlenir. ift duvarl kalplar su soutmaldr. Kalplar farkl ekillerde olabilir ve
-
13
tundishlerden akan svnn belli bir ekilde olmasn salar[18].
Dkm sresince eliin bakr kalba yapmasn nlemek amacyla dkm hzna
ve sallant vuruuna gre kalp dakikada 60-200 dnlk bir sklkla sallanr.
Dkm hz yaklak 0.8 m/dkdr. Salkl katlama salamak amacyla ktkler
elektromagnetik olarak soutulacak ekilde donatlmtr[18].
Haddeden kan scak ktkler 10-13 m lik bir yarapla dnerek dorultma
tezgehlarna ikinci soutmay salayan spray emberelrinden geerek gider. stenen
uzunlukta kesilen ktkler yn halinde sourlar. Daha sonra ktkler yryen
bantlarla yeniden snmak zere stma nitesine giderler. Dkm ileminin banda
hidrojen yklemesi olabilir. Eer hidrojen miktar kritik bir deere ularsa ktkler
hidrojen miktarn kontrol altnda tutmak amacyla kontroll olarak soutulurlar.
Srekli dkm ile elde edilen elik ingot dkme gre daha temizdir ve ierdii
istenmeyen maddeler daha kk boyutta ve uniform damldr[18].
4.5 Haddeleme
Ktkler, kontrol edilen son mamln olduka iyi bir yzeye sahip olmasnn
salanmas amacyla bozukluklarndan arndrlr. Daha sonra ktkler zel
tasarlanm frnlarda 1250 OC ye kadar tavlanrlar. Tav frnndan kan ktklerin
zerine 200 barlk bir basnla su fkrtlr. Bu ilem haddelerin ve haddelenen
yzeylerin zarar grmesini engeller [18].
Ktkler ray formunu veren haddeye girmeden nce ilk ekilleri verilmek zere n
haddeden geer. Ardndan rnn son olarak yzeyi temizlenir ve dz bir yzey elde
edilir. Son haddeden geerken ray zerine markalama yaplr [18].
4.6 Dorultma ve lm
Son eklini alan raylar scak kesme ile istenilen boda kesilirler. Btn raylar scak
markalanrlar ve bu marka ray hakkndaki btn bilgileri ierir[18].
-
14
Scak raylar yryen bantlar zerinde soumaya gtrlrler. Souma yaklak 3 saat
srer. Ray scakl 800 OC den 100 OC ye der. Rayn yryan bantlarla tanmas
ray tutmakla meydana gelebilecek yzey kusurlarnn olumasn nler. Soumann
ardndan raylar dorultma nitesine giderler[18].
Simetrik olarak farkl olmas rayn mantar ksmnn ve tabann souma hznn farkl
olmasna yol aar. Bu durum da rayn dey dorultuda eilmesine sebep olur.
Sonradan uygulanan dzeltme ilemi her ne kadar dzgnlk salasa da rayda zararl
gerilmelere yol aabilir. Rayn akma gerilmesine bal olarak 100-300 N/mm2
civarnad kalc gerilmeler meydana gelir. Btn raylar dorultma haddesinden
knca test merkezine giderler. Burada rayn tm zellikleri test edilir, varsa isel
hatalar, yzey hatalar ve boyut hatalar tespit edilir. retim sonunda raylar istenilen
boyutlarda kesilir, gerekli ise cebire delikleri delinir. Raylar tekrar teste tabi tutulur
ve fabrikadan gnderilir[18].
-
15
5.ALAIM ELEMENTLERNN ETKS
5.1. Karbon (C)
Karbon (C) eliklerin temel alam elementidir ve mekanik zellikleri en ok
etkileyen faktrdr. Karbon, eliin akma ve ekme mukavemetini artrr, yzde
uzamay, ekillenebilirlik kabiliyetini azaltr [19]. elikteki en nemli katk
elemandr. eliin zelliklerini bal bana belirler. eliin oksitini alr, sertletirir
ve austenitin dnme scakln 910 Cdan 723 C scakla drp elektrik
direncini ykseltir.
5.2. Mangan (Mn)
Mangan da karbon gibi retim ilemlerinde elik yapsnda yer alan bir elementtir ve
eliin dayanmn arttran etki gsterir. Bunun yannda sertleebilme ve kaynak
kabiliyetini de artrr, stenit kararlatrc bir elementtir. Mangann en nemli
zellii kkrtle MnS bileii yapmas ve demir kkrt FeS bileii oluumunu
engellemesidir. Ayrca, FeS scak krlganla neden bir soruna neden olur [19].
Genelikle oksijen alc olarak kullanlr. Tren raylarnda Mn oran 0.65 ile 1.25
aralnda deiim gstermektedir
5.3. Silisyum (Si)
eliin akma, ekme dayanmn ve elastikiyetini artrr. Yaygn olarak yksek
elastikiyet gerektiren yay eliklerinde kullanlr. Ayrca elektriksel akm kaybn
nleyen bir elementtir. Silisyum oksijen alc bir temizleyicidir [19].Tren ray retim
metodu ve lkelere gre 0.15 ile 0.6 aralnda deimektedir.
5.4. Fosfor (P)
Fosfor eliin akma ve ekme dayanmn arttrr, yzde uzamay ve eme
zelliklerini ok fazla ktletirir, souk krlganlk yaratr, talal ekillendirme
-
16
kabiliyetini arttrr. Fosfor elik iinde retim ilemlerinden kalan bir elementtir ve
istenmeyen zellikleri nedeniyle mmkn mertebe yapdan uzaklatrlr [19]. Tren
ray ve tekerlei iin msaade edilen maksimum deer srasyla 0.025 ve 0.035dir.
5.5. Kkrt (S)
Kkrt demirle birleerek FeS fazn oluturur. Bu faz dk ergime scaklna
sahip olduu iin haddeleme scaklnda ergiyerek scak krlganla sebep olur ve
haddelenmesini gletirir. eliin ilenebilme zelliinin artrlmas sz konusu
olmad hallerde, yabanc madde olarak kabul edilen bir elementtir [20].
5.6. Krom (Cr)
eliin dayanm zelliini artran fakat buna karlk, esnekliini eksi ynde
etkileyen bir alam elementidir. Cr, eliin scaa dayanmn artrr. Kabuk-tufal
yapmay nler. Krom, dengesi abuk bozulmayan karbr meydana getirir. elikte
her % 1 oranndaki Cr yzdesi artsna karlk, ekme dayanmnda yaklak olarak
8-10 kg/mm2lik bir art grlr [21].
5.7. Nikel (Ni)
Darbe tokluunu ve tavl eliklerde dayanm artrr. eliin dayanmn silisyum ve
mangana kyasla daha az artrr. elikte nikel, zellikle kromla birlikte bulunduu
zaman, sertliin derinliklere inmesini salar [19].
5.8. Molibden (Mo)
Molibden, elikte yalnz bana bulunmayp daima krom ve nikelle birlikte kullanlan
bir alam elemandr. Dayanm ve akma snrn ykseltir. Gevrekliini ortadan
kaldrr. Darbeli ve vuruntulu yerlerde kullanlmaya elverilidir. Molibdenli elikler
ak, dizel motorlar v.b.makine paralarnn yapmnda kullanlrlar. Tane bymesi,
sertleebilme kabiliyetini artrr. eliklerin srnme dayanmn ve anma direncini
ykseltir [22].
-
17
5.9. Vanadyum (V)
Tane kltme etkisi yaparak eliklerin akma ve ekme dayanmlarn olduka
artrr. Ayrca sertleebilme kabiliyetini artrr, menevileme ve ikinci sertlemede
olumlu etkileri vardr. Vanadyum, tane kltc ve karbr yapc etkisi ile mikro
alaml eliklerde niyobyum ve titanyum ile birlikte kullanlan bir mikro alam
elementidir. eliklerin scaa kar dayanmn arttrr [21].
5.10. Bakr (Cu)
Akma ve ekme dayanmn arttrr, yzde uzamay ve ekillenebilirlii azaltr.
Souk ekilebilirlii kt ynde etkiler. Korozyon dinencini ykselten etki gsterir.
Tren raylarnda 0.15 civarnda bulunur[21].
5.11. Alminyum (Al)
Alminyum elikte silisyuma benzer etkiler yapar. Oksitleri gidererek oksijeni
zararsz hale getirir. elii iri taneli yapar[21].
-
18
6.RAY TPLER
6.1. Doal Olarak Sert Raylar
Raylar genellikte doal sertlikte teslim edilir (Tablo 2.6). Bunlar, kristalleme
durumuna gre adlandrlan perlitik (sert karbonlu pik demir) raylardr. Ray kalitesi
900 A, dz yol zerinde her 100 mde yaklak 0.7-1 mm ray yksekliinde
ve yaklak 600 m yarapla kavislerde 2-3 mm anma oran gstermektedir.
Daha kk yarapl kavislerde bu rayn anma direnci yerinde olacaktr. 200
N/mm2 ile 23 gerilme mukavemeti art, anma orannn yarsna denk
gelmektedir. Gerilme mukavemetindeki art, sl ilemle elde edilir [14].
Tablo 6.1 : Ray elii eitlerinin mukavemetine ve kimyasal bileimine genel bir
bak [2].
Kalite Freze
Son Kat Gsterim
Kimyasal Bileim (%) Rm (N/mm
2) C Si Mn Cr V
700 doal sertlik
standart
kalite 0.5 0.2 1 - - 680
900A doal sertlik
anma direnci
kalitesi
0.7 0.3 1 - - 860
1100 doal sertlik
yksek anma direnci
zel kaliteleri
0.72 0.6 1.1 0.9 0.1 1080
1200 doal sertlik
0.77 1 1.1 0.9 0.15 1180
1100HH balk sertlii
0.77 0.3 0.9 0.1 - 1175
1400 doal sertlik
(beynitlik) 0.3 1.8 2 2-3 1400
6.2. Termal Olarak lem Gren Raylar
ekil 6.1de mantar sertletirilmi ve doal olarak sert raylarn germe-gerilme
emasn gstermektedir. Maksimum gerilme kuveti Fmde nominal germe,
germe mukavemeti Rm olarak tanmlanr.
-
19
ekil 6.1 : Mantar sertletirilmi raylarla doal olarak sert raylarn germe-gerilme
emas[23].
ekil 6.2da eitli ray tiplerinin anmaya kar direncini 200 ray tipinin direnciyle
karlatrmaktadr. UHC (ultra yksek karbon) trne kadar en az 350 HB (350 HT,
350 LHT) sertlik deerlerinde sl ilem grm raylarn anmasnn nemli lde
azaldn gstermektedir.
ekil 6.2 : 200 sertliinde raylarla karlatrldnda yksek kaliteli raylarn
anmasna kar artan diren[23].
-
20
6.3. Yksek Alaml Raylar
Yksek alaml eliklerin dezavantaj, artan kaynak hassasiyeti ve azalan krlma
sertliidir. Krlganla neden olan istenmeyen yapsal paralarn oluumundan
kanmak iin kaynaktan sonra soutma hzna zel bir nem vermek gerekir. 800-
8500 oC aralndaki krom-magnez eliklerin minumum souma sresi 220-
200 saniyedir. Bu nedenle mobil parlak ulu kaynak makinesi, soutma hzn
gvenli bir aralkta tutmak iin kaynak hava kabarcklarn kestikten sonra
mevcut pulslarla tekrar stma salar[23].
6.4. Beynitik Raylar
Gnmzde uygulanan perlitik ray eliinin limitleri, belli bir youn kullanma
ulam grnmektedir. Beynitik ray eliinin kullanmndan perlitik eliklerde
ortaya kt gibi viskozitede kayp olmakszn daha yksek mekanik mukavemet
beklenmektedir[23].
-
21
7. KULLANILAN RAY STANDARTLARI
Demir yolu raylarnn retiminde en yaygn kullanlan standartlar; UIC 8600 ve
EN 13674-12003+A12007 dir.
EN 13674-12003+A12007 sertlik derecesine bal olarak 7 adet demir yolu ray
kalitesi belirlemektedir. nk sertlik dereceleri zel elik kalitelerinin
ypranma zellikleriyle dorudan balantldr. Uluslar aras demir yolu birlii
(International Union of Railways) UIC 860-1 kodeksinin aksine, ki bu kodeks
gnmze kadar yaplm en yaygn demiryolu artnamesini oluturmaktadr, bu
yeni standart UIC standardna oturan bir performans oluturmaktadr. Gerekli
artlar yerine getirebilmek iin iki eit test tr uygulanmaktadr[23].
7.1. Yetenek Tespit Testi
Yetenek tespit testi atlamaya kar dayankll ve yorulma testlerini kapsayacak
ekilde yaplmak zorundadr.
7.1.1. Onay testi
Onay testi kabul edilen her bir demiryolu raynn belirtilmi artlara uygun
olduunu tasdik eder.
UIC 860-0 standardnn aksine tahrip edici olmayan testler onay testlerinin bir
paras olarak detayl bir ekilde belirtilmektedir. Btn demir yolu raylarnn zarar
verici bir arzaya sebep olmayacandan emin olmak iin utrasonik ve % 100 bir
seviyede anafor (eddy current) akm tarafndan test edilmek zorundadr. Avrupa
Demir yollar yksek hzda bir ulam yapt iin zemin dzgnlnn test
edilmesi bu zamana kadar dier artnamelerde belirtilmemi ilave bir
zorunluluk oluturmaktadr. Bunlara ek olarak retim zelliklerinin test edilmesinin
zor ya da pratik olmad durumlarda retim ilemlerinin detaylar ayrntl bir
biimde verilmektedir. rnek olarak, sv eliin vakum iyiletirmesi
-
22
tamamlanm demir yolu raylarnda atlam ya da krlm yarklar
oluturmayacandan emin olmak iin btn elik kalitelerinde yaplmas zorunlu
bir ilemdir[23].
7.2. UIC 860-0 ve EN 13674-12003+A12007 zerinde Yaplan Bir
Karlatrma
UIC- kodeksi 860-0 retilmekte olan demir yolu raylarnn karlamak zorunda
olduu malzeme zelliklerini belirtmektedir. Avrupa standard EN 13674-
12003+A12007 n aksine retim iin gerekli olan artlar kesin bir biimde
tanmlanmaktadr. En son deiiklik 1986 ylnda yaplmtr ve sonu olarak UIC
860-0 standard o zamann gelimi olan en son teknolojisini yanstmaktadr.
Bunlarn ekme direnci yalnzca drt demiryolu ray elik kalitesini
tanmlamaktadr[23].
Avrupa standard EN 13674-12003+A12007 ise sertlik derecesine gre yedi
adet demiryolu ray kalitesini tarif etmektedir. Bu tanmlama sertlik kalitesinin
zel eliin ypranma zellikleri ile tamamen balantl olduu gerei zerine
temellenmektedir. Avrupa standard ancak hizmete gecen gerekli performansn
baarl olduunu garanti eden bir retim standarddr. Gvenlii garanti etmek iin
rn test ederken iki aama tarif edilmektedir: Yetenek tespit testi atlamaya kar
dayankll ve yorulma testlerini kapsayacak ekilde yaplr. Onay testi ise tevdi
edilen her bir demir yolu raynn belirtilmi artlara uygun olduunu tasdik eder[23].
-
23
8. ELKLERN ISIL LEMLER
8.1. Demir-Sementit Denge Diyagram
Denge diyagram incelenecek olursa demir ve sementitin birok faz meydana
getirdii, gerek tektik, gerek tektoit ve gerekse kat eriyik olan bir dizi alamlar
grlr. tektikler (ift fazl alamlar), alam meydana getiren elementlerin kafes
sistemlerinde bir deiim olmaz. Elementler kendi kafes sistemlerini ayn
ekilde korurlar. Bu tip alamlar orana bal olarak homojen bir yapda her iki
fazn da zelliini gsterirler. Bu nedenle bu tip alamlar stn zellikli deildir ve
snrl zellik deiimi salanabilir. Homojenliin saland oran tektik oran ve
scaklkta tektik scaklk olarak adlandrlr. tektik scaklk alam
elemanlarnn ergime scaklklarnn altnda bir scaklktr[24].
tektoit, kat eriyiklerin yapm olduklar bir yapdr. Kat eriyikler scaklk
deiimi ile baka yaplara dnrler. Bu dnme kat durumda
meydanageldiinden aradaki fark belirleyebilmek iin tektoit ad verilmektedir. Bu
tektoit blgesi ierisinde % 0.008 karbon bulunan (pratikte sfr karbon) snr
ile % 1.7 karbon bulunan snra kadardr. Saf demir ile austenitin vermi olduu bir
tektik olmasna ramen tektoit ad verilir (ekil 8.1). Saf demir, 910 C
scaklkta kristallerine dnr. Demire karbon katld zaman durum tektie
benzemekte ve dnme 910 C scaklktan daha alak scaklklara dmektedir.
Dnme tektoit scaklk olan 723 C scaklkta tamamlanr. tektoit oran % 0,85
karbon oranndadr. Karbon bu blgede saf demirden yeteri kadar ile sementit yapar
ve bu sementit de belirli orandaki demirle perlit adn verdiimiz yapy oluturur.
Demirdeki karbon oran tektoit snr olan % 0.85e ulancaya kadar yapda ferrit ile
perlit bulunur. Karbon miktar % 0.85 olduu zaman yapda tektoit olan perlit
bulunur. Oran % 0.85ten fazla olacak olursa, karbonun ancak % 0.85 kadar tektoit
yapacandan fazla karbon yapda sementit olarak bulunur. Scaklk 723 C zerine
knca tektoit yap hemen stenite dnr[24].
-
24
Austenit, 14 atomlu yzey merkezli kark kristallerine verilen isimdir.
Scaklk ykselmesi ile karbon eritkenlii artarak % 1.7ye kadar ykselir. Saf veya
karbon eritmi halde mknatslanmaz. Nikel ve manganez karm ile elde edilen ve
alak scaklklarda da yaps Austenit olan elikler de elde edilmektedir. Bu
elikler mknatslanmazlar. Biimlendirme zellii ok yksektir. Is ve elektrii
iyi iletmezler. Ledeburit, yksek scaklklarda Austenit ile Sementitin, oda
scaklnda ise perlit ile sementitin meydana getirdii bir yapdr[24].
Ferrit, oda scaklnda 9 atomlu, hacim merkezli, kbik kristal kafeslerinden
olumutur. Saf demirdir. Sementit (Fe3C), % 93.3 Ferrit ile % 6.67 karbonun
oluturduu kimyasal bileiktir. zgl arl dk, sert ve krlgandr. 215
C scaklkta mknatslanma zelliini kaybeder. Biimlendirilebilme zellii yoktur.
ekil 8.1: Demir sementit denge diyagram[24].
-
25
8.2. Raylara Uygulanan Isl lem
eliklerin gerekli termo mekanik sreleri tasarlamak iin srekli souma dnm
diyagramlar ok nemlidir. Bu, tektoit elii iin dnm diyagram kullanarak
izah edilebilir (ekil 8.2) [14]. Bu ekilde perlit, binit ve martensit balang
(srasyla Ps, Bs, Ms) ve biti scaklklar (srasyla Pf, Bf, Mf) iaretlemitir. Souma
yollar bu diyagramn zerine koyarak, dnmden beklenen mikroyap
gsterilebilir.
ekil 8.2 : tektoit dnm diyaram [14].
rnein, ok yava souma hzlarda (yol A) tam perlitik mikroyap beklenmektedir.
Souma hz artrlnca (yol C) souma yolu, perlitik ve beynitik dnm snrlar
geerek kark mikroyap elde edilir. ok hzl souma takip edildiinde (yol
D), perlitik ve beynitik dnm snrlarndan tamamen kurtulabilir. Bylece
martensit yap oluuyor. Ray eliin asndan bu yollarn hibiri fazla arzu edilir
deildir. A souma yolu, dk sertlik ve anma dayanmna sahip kaba perlitik
yapya sebep oluyor. C souma yolu dk anma direncine sahip arzu
edilmeyen perlitik ve beynitik yapya sebep oluyor. D souma yolu martensit
yapya sebep oluyor. B souma yolu, beynitik balama scakln biraz stnde
perlit biti snrna kadar sabit termal dnm oluyor. Burada bileim ok
hzl souyor, yksek anma direnci, mkemmel sertlik, iyi yorulma zellikleri
ile arzu edilen ince perlitik mikroyap elde edilir. B souma yolu aksatlm
-
26
souma ya da hzlandrlm souma olarak adlandrlr ve ray elik retiminde
yaygn kullanlr.
8.3. Ray Sertliinin nemi
Sertletirme, anmay azaltmay ve alma srasnda zellikle sk ve orta kavislerde
raylarn yuvarlanma-temas yorgunluuna kar direncini arttrmayamalamaktadr
[2].
Esas olarak balk sertletirmesi iin hat d sertletirme ve hat iin sertletirme
prosedr olan iki yntem bilinmektedir. Raylara uygulanan sl ilemin amac
yzey sertliini iyiletirmektir. Yzeye ok sk olmayarak uygulanan sl ilemler:
lazer sertletirme, plasma kaplama ve lazer kaplamadr. ok yaygn olarak
uygulanan yzey sertletirme ilemi yzeye su pskrtmedir[2].
8.4. Raylarda Su Verme
Su verme eliin termo mekanik ileminde nemli rol oynamaktadr, bu aadaki
rnek ile izah edilebilir. % 0.77 C, % 0.95 Mn, % 0.22 Si ve % 0.1 Cr ieren C-Mn
elii dnn. Bu eliin farkl mikroyapya sahip olabilmesi iin(srekli souma
ortam altnda) gerekli souma hzlar Tablo 3.4de verilmi. Aksine, istenilen ince
perlitik mikroap eldesinde, profil soutulmasna son verilmesi 640OC/dkda elik
1050OCden 580 OCye soutulduu yerde, yava soutarak 45 OC /dkda 480 OCye,
lml soutmada 380 OC/dk orannda oda scaklna soutulmas gerekir [17].
Tablo 8.1: Su verme orannn ray eliinin mikroyapsna etkisi[17].
Souma Hz Faz
643 OC/dk Martenzit
Kesintili soutma nce Perlit
Mantar sertletirilmi raylarn mantarlarnn iyaplarnda sk dizilmi ince
perlit oluturmak iin souma hzn ykseltmek gerekmektedir. ekil 8.3de bir %
-
27
0.75 C + % 1 Mn ierikli bir ray eliinin iyapsnn, souma hzn
deitirerek nasl deitirilebilecei grlmektedir:
ekil 8.3 : % 0.75 C + % 1 Mn ierikli bir ray eliinin srekli souma dnm
diyagram[17].
8.5. Mikroyap ve Mekanik zellikleri
stenitten perlite dnm, difzyon tarafndan kontrol edilen bir prosestir;
ekirdeklenme ve byme prosesi ile belirlenir. Bu dnm srasnda stenit iinde
karbonun difzyonu, hz kontrol eden aamadr. Mekanik zelliklerin ou, perlit
yapnn oluumuna baldr. nce ve % 100 perlit yap, dk lameller aras mesafe,
anma dayanm gibi iyiletirilmi mekanik zellikleri salar, yani daha kk
lameller aras mesafe daha byk anma dayanm salyor, bunun tersi de dorudur.
Dnm mekanizmalarn anlayarak bu mikroyaplar deitirilebilir. Lamelle aras
mesafesi, denge tektoit dnm scakl altndaki alt souma ile ters olarak
deiir, dnm scakl ne kadar dk ise lameller aras mesafesi o kadar incedir.
Dnm scakln mekanik zelliklerin zerindeki etkisi ekil 8.4da
gsterilmitir.
-
28
ekil 8.4 : Dnm scakln mekanik zelliklerin zerindeki etkisi [25].
8.6. Mantar ertletirilmi Raylarn Kimyasal Bileimi Ve En 13674-
12003+A12007 Standardna Gre Sertlik Dalm
EN 13674-12003+A12007 standardnda mantar sertletirilmi R 350 HT
kalitesindeki raylarn sv ve kat analiz sonular ve artk element deerleri Tablo
8.2.de gsterilmitir.
Tablo 8.2 : R350 HT ray kalitesinin kimyasal kompozisyon ve mekanik zellikleri.
% Ktle olarak bileim
10-4
%
ppm
m
ax
ktl
e ola
rak
Rm
min
(M
Pa)
min
. %
uza
ma
(MP
a)
Mer
kez
i
zgi
ze
rinde
yze
y
sert
lii
HB
W/R
S
C Si Mn P
max.
S
max.
Cr
max
Al.
max.
V
max.
N
max. O H
Sv 0,720,80 0,150,58 0,701,20 0,020 0,025 0,15 0,004 0,030 0,009 20 2,5 1175 9
350
/390 Kat 0,700,82 0,130,60 0,651,25 0,025 0,030 0,15 0,004 0,030 0,010 20 2,5
8.7. Ray Haddehanesinde Hzlandrlm Soutma le Demir Yolu Raylarnn
retiminin Gelitirilmesi in eitli Mantar Sertletirme Yntemleri
Anmaya direnci gelitirilen demir yolu raylar, stenitik dnm scakl altnda
kontroll bir ekilde gl bir soutma ile retilir. Hzlandrlm su verme ile
retilmi raylar, kafa (mantar) blgesinde ince perlitik bir yapya sahiptir. Soutma
sistemi, bir dizi sv soutma arac bulunana kafalardan (pskrtme) olumaktadr.
-
29
Tek bir kesit iin soutma sistemi dizaynlar ekil 8.5de verilmektedir. Hadde
knda scak olarak alnan raylar, ara stmaya gerek kalmakszn ve/veya
indksiyon kaynakl stma sisteminden geirilerek, bir tutucu rulo sistemi ile
soutma sistemine transfer edilir. Ray uzunluunun her segmenti, sv soutucu
(ekil 8.5a,b, ve c) ve basnl hava + sv soutucu (ekil 8.5 d ve e) karmna tabi
tutulur. ekil 8.5 -ada rayn mantar ksm ve alt ksm sv soutmaya maruz iken
ekil 8.5 -e ve dde rayn yalnzca mantar ksm hzlandrlm soutmaya tabi
tutulmutur. Tasarlanan dier sistemlerde rayn web blgesi (ekil 8.5 -c) ve web
blgesi alt (ekil 8.5 -b) hzlandrlm olarak soutulmutur[23].
ekil 8.5 : Soutma sistemleri: a) mantar ve alt ksmna sv, b) mantar ve
web blgesi altna sv, c) mantar, web blgesi ve alt ksmna sv, d) yalnzca mantar
ksmna sv + hava karm ve e) yalnzca mantar ksmna sv + hava karm
olarak pskrtlen hzlandrlm soutma sistemleri[23].
-
30
9. MANTARI SERTLETRLM RAY RETM NEDENLER
Son 10 yl akn bir sredir dnyada mantar sertletirilmi ray retimi nem
kazanmtr. Bunun nedeni bir yandan R260 raylarnn anma direnlerinin yeterince
yksek olmamas, dier yandan hzl tren uygulamalarnda yetersiz kalmalardr.
Bunun ilk fark edilii 1960l ve 1970li yllara rastlar. Aratrmalar ray eliklerinin
i yapsna ynelmi ve kaba taneli perlitlli iyapdan sk dizili perlitli iyapya
ynelmitir. Artk dnyada yaygnlaan ve Trkiye de de balatlan hzl tren
iletmecilii iinde R350HT standard raylar daha ok kullanlmaya balanmtr.
zelliklede Avrupa da Almanyada 1903de 210km/sa hzla balayan hzl tren
uygulamas, 1955de Fransann 331km/sa hza ulamasyla devam etmitir.
Gnmzde Avrupa da ve dnyada 200-250km/sa hzla giden hzl trenler
kullanlmaktadr. Fransa, Almanya, ngiltere, talya,spanya, Belika, Japonya, Kore,
Taiwan ve ABD, YHT iletmeciliinde olduka yolalm durumdadr. Fransa 1900
kmlik YHT-hattyla Avrupann en geni ana sahiptir ve bunu 2020 ye dek 4000
kmye karmay planlamtr. spanya ise 2020ye dek Fransay geecek planlar
yapmtr; spanyollar 2020de YHTlerinin hzn 350 km/sae karmay
planlamtr. 2009da dnyada 10.739 km hatta alan 1750 YHT vard. 2010
itibariyle 200 km/sa zerinde seyreden 2500 YHT bulunmaktadr. Halen dnyada
13.469 km YHT-hatt ina halinde, 17.579 km YHT-hatt ise planlanm durumdadr.
2020 ylnda dnyadaki YHT-hatlar 41.878 kmye ulaacaktr. Hzl tren seyahat
srelerini ksaltmakla kalmayp ayrca, seyahat skln arttrm, konforu, gvenlii
ve gvenilirlii salam ve evreye olan zarar en aza indirgemitir. Bununla
birlikte, belli bal ray sorunlarn da beraberinde getirmitir. zellikle, dar yarapl
dnemelerde (=kurp < r=2000m) lokomotif ve vagonlarn tekerlekleri ile raylar
arasndaki ar srtnmenin etkisiyle, i raylar abuk anmakta ve ksa srede
yenilenmeleri gerekmektedir. Bu zorunluluk tren trafii aksamalarna ve yksek
malzeme ve iilik bedellerine yol amaktadr. Ayn durum, Trkiyede TCDDnin
nmzdeki 10 yl iinde demeyi planlad 15.000km yeni hzl tren hatlar iin
de geerlidir[26].
Uluslararas Demiryollar Birlii (UIC) nin Mart 2005 tarihli 721 numaral talimat,
-
31
yarap 400m den az dnemeler iin mantar sertletirilmi ray kullanmn
zorunluluk dzeyinde, 400-700 m yarapllarda ise tercihli olarak kullanmn
nermektedir[26].
TCDD nin zellikle kk yarapl (
-
32
ekil 9.1 : R350HT ve R260 kalitedeki rayn anma davranlarnn
karlatrlmas [27].
Mantar sertletirme ileminde sl ilem uygulanarak kaba perlit mikroyap ince
perlit mikroyapsna dnmektedir. Bu dnm sonrasnda sertlik artmakta ve
rayn kullanm srasnda daha az anmas salanmaktadr. Aadaki ekilde de
grlecei zere sertlik arttka metredeki anan elik miktar azalmaktadr.
ekil 9.2 : Perlitik raylardaki anma oranlar [27].
Btn bu anma davranlarnn sonucu olarak; zerinden geen yk miktar ve viraj
yaraplar gz nne alnarak uygun kalitedeki rayn seimi ok nemli hale gelir.
Uygun kalitenin belirlenmesi iin aratrmalar yaplmtr. Yk ve viraj yaraplar
A
nm
a o
ran
[mm
/100m
t]
Yarap [m]
A
nm
a o
ran
[m
g/m
]
Sertlik [Brinell]
-
33
dikkate alnarak yaplan almalar sonucunda aadaki ekilde deiik kalitedeki
raylarn seim parametreleri ve snrlar belirlenmitir. ekile gre R260 kalitedeki
rayn dk yarapl virajlarda kullanlabilirlii snrlyken R350HT kalitedeki
eliin kullanm uygun gzkmektedir. Ayrca yksek yk miktarlar altnda yine
R350HT kalitedeki rayn kullanm daha uygun gzkmektedir.
ekil 9.3 : Yk ve viraj yarapna gre ray seimi [27].
Yaplan deneyler sonucunda farkl yarapl virajlarda kullanlmas zorunlu ve
kullanlmas nerilen raylarn kalitesi belirlenmi ve aadaki tabloda verilmitir.
Ton
[M
t/yl
]
Yarap [m]
-
34
Tablo 9.1 : Kullanlmas zorunlu ve kullanlmas nerilen ray kalite eitleri [27].
retilen ray eliklerinin kullanm sreleri maliyet asndan ok nemlidir. nk
bakm, onarm ve yenileme almalar arttka, bu faaliyetlere harcanan paralar da
artmaktadr. Ayrca bakm, onarm ve yenileme almalar srasnda yolcu ve yk
tamacl sekteye urayarak ulamda byk zararlara yol aacaktr. Aadaki
tabloda R260 kalitedeki ray ile R350HT kalitedeki rayn farkl parametrelere gre
karlatrlmas gsterilmitir. Ayn yarapa sahip virajdaki verilere gre R350HT
kalitedeki rayn servis mr R260 kalitedeki rayn servis mrnn iki katdr.
Tablo 9.2 : R260 kalitedeki ray ile R350HT kalitedeki rayn karlatrlmas [27].
Parametre R260 R350 HT
Servis mr
(r 700-1500 m) 20 yl / 30Mt 40 yl / 30 Mt
Anma Oran 0.7 mm/100 Mt 0.4 mm/100 Mt
kme Oran 0.75 mm/100 Mt 0.3mm / 100Mt
Ray Yenilenmesi Yke bal olarak en
azndan 40 ylda bir Yke bal
Ray kalitesine gre farkl viraj yaraplarnda grnen ke anmalar, rayn mr
sresini belirleyen en nemli parametredir. Fakat virajlarda ke anmalar
mevcutken rayn st blgesindeki anmalar da gz ard edilemez. st blgelerde de
Referans nerilen
Viraj
Yarap
[m]
< 300
R350HT
R400HT
(R370CrHT)
300-700
R260
(R400HT)
R370CrHT
(350HT)
700-1500 R260 R350HT
1500-5000
R260
R350HT
(R260)
> 5000 R260 R260
-
35
uygulanan yk sonucunda kmeler meydana gelmektedir. Aadaki ekilde farkl
kalitedeki raylarn gnde 42000 ton (toplam 105 milyon ton) yk altnda 791 metre
yarapl virajdaki ke anmalar ve st blgedeki kme miktarlar gsterilmitir.
R350 HT kalitedeki rayn ke anma miktar 1 mmye, st ksmndaki kme
miktar 0.1 mmye yaklamaktadr. R260 kalitedeki ray incelendii zaman ise ke
anma miktar 1.5 mmye yaklarken st ksmdaki kme miktar ise 0.3 mmye
yaklamaktadr.
ekil 9.4 : Farkl kalitedeki ray eitlerinin anma davranlar [28].
Ke
a
nm
as
ve
st
ks
md
ak
i
km
e [m
m]
Ray eitleri
-
36
10. DENEYSEL ALIMA
Bu tez kapsamnda R260 kalite demiryolu tren rayna mantar sertletirme sl ilemi
uygulanarak sl ilem parametrelerinin belirlenmesi ve sonuta R350 HT kalite ray
zelliklerine ulamas amalanmtr. Yurt iinde faaliyet gsteren bir demir elik
reticisi firmadan deneysel almalarda kullanlmak zere 50 mm kalnlnda 7
adet R260 kalite demiryolu ray temin edilmitir.
Deneysel olarak gerekletirilen almalar:
Su Verme Isl lemi ve Mantar Sertletirme
Numune Hazrlama
Sertlik lm Deneyi
Mikroyap almalar
SEM Analizi
olmak zere 5 balk altnda toplanmtr.
10.1. Su Verme Isl lemi Ve Mantar Sertletirme
R260 kalite tren rayndan mantar sertletirme ilemi neticesinde R350 HT tren ray
elde etmek iin uygulanacak olan su verme sl ilemi Karabk niversitesinde hali
hazrda olan hzlandrlm su verme sistemi ile yaplmtr. Sistem, soutucunun
(su+hava karmnn) ray mantarnn istenen blgesine belirli bir basn ve debide
verilmesini salamakta ve soutma sisteminde, soutucunun rayn web (sac) ve ayak
ksmna temas etmeyecek ekilde tasarlanmtr. Nozul k kanal ap 2.5 mmdir.
Su ve hava ayr ayr hortumlardan gelmekte ve birlikte verildiklerinde geri besleme
meydana gelmemesi iin birleme noktalar ncesinde hem su hem de hava
hortumlarna ek valf balanmtr.
-
37
ekil 10.1 : Mantar sertletirme ileminde kullanlan soutma sistemi.
Mantar ksmnn sertletirilmesi ncesi numunelerin ray retiminde hadde k
scakl olan 885C dereceye kartlmas iin Proterm (ekil 10.2.) marka sl ilem
frn kullanlmtr.
ekil 10.2 : Proterm marka sl ilem frn.
885C derece scakla kartlan raylar ekil x.de verilen sisteme yerletirilip su ve
hava kullanlarak rayn mantar ksmnn sertletirilmeye ilemi yaplmtr. Bu ilem
4 bar ve 5 bar hava basnc kullanlarak 10, 20 ve 30 sn srelerle gerekletirilmitir.
10.2. Numune Hazrlama
Temin edilen 50 mm uzunluundaki ray dilimleri yaplacak olan almalar iin
kullanlmak zere mantarn cihazda rahat kullanlabilmek zere nce gvde
ksmndan kesilmitir. Daha sonra sertletirilmi olan rayn mantar ksm orta
ksmndan Mecatome T 255/300 kesme cihazyla 40A25 kalite disk kullanlarak
-
38
(ekil 10.3 ve ekil 10.4 ) s artn nlemek iin su soutmal olarak yaplmtr.
ekil 10.3 : Mecatome T 255/300 kesme cihaz.
ekil 10.4 : Kesme diski.
Kesme ilemi gerekletirilen numuneler daha sonra ekil 10.5de gsterilen
Mecapol P 220S cihazyla 240 2500 numara aralndaki silisyum karbr
zmparalardan geirilmitir. Mikro yap ve SEM analizi iin ayrca keede parlatlan
(ekil 10.6.) numuneler daha sonra %2lik Nital ile yzey dalama ilemine tabi
tutulmutur.
-
39
ekil 10.5. Mecapol P 220S zmpara cihaz.
ekil 10.6. Mecapol P 230 parlatma cihaz.
10.3. Sertlik lm Deneyi
Numune hazrlama ilemiyle orta noktasndan kesilen mantar sertletirilmi ray
numunesi EN 13674-1:2011 standardna gre sertlik lm noktalar, deneysel
alma iin srasyla ekil 10.7.te gsterilmitir. Sertlik lmleri, mantarn st
orta ksmndan, mantarn sa ve sol yan tarafnda mastar kelerinden ie doru
belirlenen aralklarla yaplmtr.
-
40
ekil 10.7 : Ray kesiti zerinde n almalarda sertlik lm yaplan noktalarn gsterimi [29]
Sertlik deerleri, Zwick/Roell marka niversal sertlik lm cihaz ile 187,5 kg yk
altnda 2,5 mmlik bilye ile Brinell cinsinden llmtr.
ekil 10.8 : Zwick/Roell marka sertlik lme cihaz.
10.4. Mikroyap almalar
10.4.1.Optik mikroskop
Metalografik olarak hazr hale getirilen numunelerin mikroyap almas ekil
10.9da gsterilen Leica DM 750M marka metal mikroskobunda yaplmtr. Scak
haddeden km ve mantar sertletirilmi tren ray numune yzeyinden, EN 13674-
1:2011 standardnda belirtilen noktalara gre ke noktalarnn 10 mm altndan 500
bytmede mikroyap fotoraflar ekilmitir.
-
41
ekil 10.9 : Leica DM 750M Metal mikroskobu.
10.4.2 SEM analizi
Su verme ilemi sonucunda optimum deerler elde edilen numunelerin mikro
yaplarn daha ayrntl incelemek amac ile SEM analizi yaplmtr. Bu deney ile
sl ilem uygulanm numune ile uygulanmam numunelerin perlitik yaplar
arasndaki farklar llmtr. Bu analiz srasnda ekil 10.10da gsterilen Hitachi
TM-1000 marka cihaz kullanlm ve 10000 bytmede mikro yap fotoraflar
ekilmitir.
ekil 10.10 : Hitachi TM-1000 SEM cihaz.
-
42
11. DENEY SONULARI
Deneysel sonular;
Sertlik deneyi sonular
Mikroyap sonular
SEM analizi sonular
olmak zere 3 ana balk altnda toplanmtr.
11.1. Sertlik Deneyi Sonular
EN 13674-1:2011 standardna gre lm iin belirlenen noktalar ve olmas gereken
Brinell sertlik deerleri ekil 11.1deki gibi belirtilmitir.
ekil 11.1 : EN 13674-1:2011 standardna gre HB lm noktalar ve
minimum deerleri.
885Cdeki R260 kalite ray numunelerine 4 bar ve 5 bar basnl hava ve su kullanlarak,
10,20 ve 30sn srelerle yaplan mantar sertletirme ileminin Brinell sertlik sonular
Tablo 11.1 ve Tablo 11.2 de grld gibidir.
-
43
Tablo 11.1 : 4 Bar hava kullanlarak yaplan su verme ilemin HB sonular.
HB
Noktalar
1
2
4
3
5
6
7
9
8
4 bar basn
10s
345
HB
339
HB
360
HB
349
HB
332
HB
340
HB
322
HB
355
HB
343
HB
4 bar basn
20s
435
HB
380
HB
392
HB
370
HB
409
HB
405
HB
409
HB
362
HB
380
HB
4 bar basn
30s
470
HB
391
HB
417
HB
405
HB
418
HB
425
HB
422
HB
457
HB
407
HB
Tablo 11.2 : 5 Bar hava kullanlarak yaplan su verme ileminin HB sonular.
HB
Noktalar
1
2
4
3
5
6
7
9
8
5bar basn
10s
333
HB
332
HB
334
HB
341
HB
330
HB
349
HB
312
HB
327
HB
339
HB
5 bar basn
20s
352
HB
350
HB
357
HB
340
HB
361
HB
354
HB
355
HB
364
HB
330
HB
5 bar bas
30s
437
HB
367
HB
387
HB
370
HB
399
HB
399
HB
401
HB
379
HB
390
HB
Tablo 11.1 ve Tablo 11.2deki llen Brinell sertlik deerlerine gre su + hava
karm olan 4 bar basnl hava kullanlarak 10sn yaplan su verme ilemi ile 5 bar
basnl hava kullanlarak 20sn yaplan su verme ileminin sonular standartta
olmas gereken deerleri hemen hemen salamaktadr.
11.2 Mikroyap Sonular
Deneysel alma kapsamnda 885Cde su verme ilemi yaplm ray
numunelerinden sertlik deeri sonular EN 13674-1:2011 standard ile rten 4 bar
basn 10sn ve 5 bar basn 20sndeki numuneler zerinden yaplmtr. Bu
numuneler mikro yap almalar iin %2 Nital ieren zeltide dalamtr.
Dalanm olan numuneler sras ile optik mikroskop ve SEM cihazlarnda
-
44
incelenmitir. su + hava karm ile pskrt me sl ilemi uygulanan sertletirilen
ray numunelerin mikroyap fotoraflarn vermektedir. Mikroyap fotoraflar, rayn
yzeyinden, yzeyin 10 mm ve yzeyin 20 mm altndan ekilmitir.
ekil 11.2 : 8850Cden 10 saniye 4 bar hava ve 5 bar su pskrtme sl ilemi sonras
elde edilen rayn yzeyinin 20 mm altndaki blgenin optik k
mikroskop grnmleri.
-
45
ekil 11.3 : 8850Cden 20 saniye 5 bar hava ve 5 bar su pskrtme sl ilemi sonras
elde edilen rayn yzeyinin 20 mm altndaki blgenin optik k
mikroskop grnmleri.
Uygulanan sl ilem sonucunda sertlik deerleri istenilen snrlarda olan
numunelerin mikroyaplarnn perlit olduu grlmtr. Bu perlit yaplarn ilem
grmemi ray elii ile kyaslanmas ve nicel deerler elde edilmesi amac ile SEM
analizi yaplmtr.
ekil 11.4 : Isl ilem grmemi ray eliinin SEM analizi sonucunda ekilmi
grnmleri.
-
46
ekil 11.5 : 8850Cden 20 saniye 5 bar hava ve 5 bar su pskrtme sl ilemi sonras
elde edilen rayn SEM analiz grnmleri.
Bu analiz 10000 kat bytme altnda yaplmtr. Sonu olarak sl ilem sonrasnda
ray eliinin perlit yaps nemli derecede inceltilmitir. lem grmemi kaba perlit
yapya sahip ray eliinin perlit lamelleri aras uzakl ortalama olarak 0,8 mdir.
Isl ilem sonras oluan ince perlit yapsnn lamelleri aras ortalama uzakl ise 0,2
mdir. Bu deerlerden de anlalaca gibi 5 bar hava ve 5 bar su koullar altnda
sl ilem uygulanm ray eliinde ince perlit yapnn elde edilmesi mmkndr.
-
47
12. SU VERME SSTEM TASARIMI
Yaplan deneysel almalar sonucunda su verme ilemi ile R260 kalite raydan
R350HT kalite standardndaki ray retiminin gerekletirilebilecei ispatlanmtr.
Aadaki resim (ekil 12.1) bir hadde knn resmi olup bu hadde knn
sonuna deneylerde elde edilen bulgular nda bir su verme sisteminin konulmasna
karar verilmitir ve bu sistemin tasarm yaplmtr.
ekil 12.1 : Rayn hadde k.
Bu sistemin tasarm yaplrken baz tasarm kriterleri belirlenmi olup bu kriterler
unlardr;
1. Sistemin hadde kna konulmas,
2. Seri retimdeki ray ak srasnda tm yzlere homojen miktarda su
verilmesi,
-
48
3. Rayn hareketini salanacak olmas ve
4. Su verme hattnn uzunluu belirlenmesidir.
Bu tasarm kriterleri gz nne alnarak yaplan tasarmda ilk olarak yaplacak olan
sistemin hadde kna uygun olacak ekilde tasarlanmas gereklilii zerinde
durulmutur. Daha sonraki aamalar ise u ekilde snflandrabiliriz;
1. Nozul sisteminin belirlenmesi
2. Tama sisteminin oluturulmas
3. Su verme hattnn uzunluu belirlenmesi
12.1. Nozul Sisteminin Belirlenmesi
Deneylerde prototipi kullanlan nozul sistemi gelitirilerek 3l ve 4l olarak
modler bir ekilde sisteme yerletirilmitir. Kullanlan nozullar, tipi bakmndan
ekil ii dolu konik pskrtme karakterlidir (ekil 12.2).
ekil 12.2 : i dolu konik pskrtmeli nozul.
3l nozul sistemi soutmay salayan ana nozullar olup 50 mm apndaki dairesel
bir alanda etkilidir (ekil 12.3).
-
49
ekil 12.3 : 3l nozul sistemi.
4l nozul sistemi ise 3l nozul sistemleri arasndaki l blgeleri ortadan kaldrmak
amacyla sisteme eklenmi olup 25 mm apndaki dairesel bir alanda etkili
olmaktadr (ekil 12.4).
ekil 12.4 : 4l nozul sistemi.
Nozul sistemlerinin etkili olduu slatma alanlarnn gsterimi ekil 12.5de
verilmitir.
-
50
ekil 12.5 : Islatma alanlar.
Su verme ileminde rayn sadece mantar ksmnn slanmas istendiinden dolay
gvde ve taban ksmn nozullerden kan sudan koruyacak su tahliye oluklar ekil
12.6da grld gibi sisteme eklenmitir.
ekil 12.6 : Su tahliye oluklar.
Mantar ksmnn soutulmasna ilikin nozul sisteminin montaj hali ekil 12.7de
gsterilmektedir.
-
51
ekil 12.7 : Soutma sisteminin montajl grn.
12.2. Tama Sisteminin Oluturulmas
Yaplacak olan tasarmn seri retimi aksatmayacak nitelikte olup rayn sistemden
akn normalde olduu gibi salamas gerekmektedir. Bu tasarmda genelde
kullanlan rulolu (silindirik) konveyr sisteminin yerine paletli bir konveyr
sistemi kullanlmtr. Konveyr sisteminin grn ekil 12.8de verilmitir.
ekil 12.8 : Paletli bir konveyr sistemi.
-
52
Konveyr sistemde kullanlan paletler zel olarak tasarlanm olup, sadece
mantar ksmnn soutulmas sonucu rayda oluacak distorsiyonlar nlemek
amacyla palet sisteminin alttan nozullar ile soutulmutur. Bu sayede rayn
gvde ve taban ksmndaki fazla snn paletler sayesinde suya alnmas
salanmtr. Bu soutma ilemine ait grnm ekil 12.9da verilmitir.
ekil 12.9 : Palet soutma sistemi.
Mantar soutma ve palet soutma sistemlerinin montajn kesiti ekil 12.10da
verilmitir.
ekil 12.10 : Tm soutma sistemlerinin montaj grn.
-
53
12.3. Su Verme Hattnn Uzunluu Belirlenmesi
Tasarm neticesinde elde edilen sistemin almasn u ekilde zetleyebiliriz.
Haddeden kan ray soutma sistemine girerek nozullar tarafndan verilen su ile
soutmaya tabi tutulmaktadr. Bu ilemi gerekletirecek olan hattnn
uzunluunun belirlenmesinde ncelikli olarak seri retimi gerekletirilen rayn
son haddeden k hz ve scakl bilinmelidir. Yaplan aratrmalar sonucunda
hadde k hznn 3 m/s ve scaklnn ise 885 oC olduu renilmitir. Bu
durumda deneysel almalarmz sonucunda elde ettiimiz verilerden seilen
parametreler (5 bar hava ve 5 bar su basnc altnda 20 saniye sreli soutma) ile
su verme hattnn uzunluu yaplan hesaplamalar 60 m olarak bulunmutur. ekil
12.11de bu sistemin ilerleyiini gsteren bir izim verilmitir.
ekil 12.11 : Sistemin almas ve Uzunluu
Yaplan tasarm faaliyetleri sonucunda elde edilen soutma sistemi tasarmn
yandan, nden ve genel grn ekil 12.12, ekil 12.13 ve ekil 12.14te
verilmitir.
-
54
ekil 12.12 : Tasarmn yandan grn.
ekil 12.13 : Tasarmn nden grn.
-
55
ekil 12.14 : Tasarmn genel grn.
-
56
13. MALYET DEERLENDRMELER
Mantar sertletirilmi ray elii projemiz kapsamnda eitli kaynaklardan elde
edilen veriler ile deerlendirmelerde bulunduk. Elde edilen veriler;
Tablo13.1. Aralk 2012 tarihinde piyasada satlmakta olan R260 ve R350HT kalite
raylarn fiyatlar
Kalitesi Fiyat (Ton)
R260 800
R350HT 900
Bu verilerin yannda yaklak olarak 1m rayn 50kg olduunu retici firmadan
renilerek hesaplamalarda bulunuldu. Bu hesaplamalar u ekildedir.
1 km R260 kalite ray hattnda maliyet yaklak 118.000TLdir.
1 km R360HT kalite ray hattnda maliyet yaklak 211.500TLdir.
Sonu olarak 1 kmde 23.500TL kar edilecektir.
Bu hesaplamada da grld gibi eer R260 kalite raydan R350HT ray retimi
gerekletirilmemesi sonucunda ithalata fazladan denmesi gereken fiyat 1km
asndan deerlendirilmitir. Bu hesaplamadan da anlald gibi R260 eliine sl
ilem uygulanarak R350HT elik retildiinde lkemize nemli katma deerler
salayacaktr. Bu projenin lkemiz asndan nemini dana nicel olarak inceleyecek
olursak; TCDD 2012 verilerine gre Trkiye de mevcut toplam demir yolu uzunluu
12.000kmdir. Bu demir yollarnn yalnzca 900kmsi yksek hzl trenler aittir.
Gelecek 10 yl ierisinde lkemizde 15.000km daha hzl tren hatt yaplmas
hedeflenmektedir. Projemizin hayata geirilmesi durumunda salanacak olan katma
deer yaklak olarak 140.500.000 dur. Bu miktardaki parann i piyasada kalmas
salanabilecektir.
-
57
14. DEERLENDRME
Bu proje kapsamnda yaplan su verme, sertlik testi, mikroyap analizi ve SEM
analizi deneyleri sonucunda R260 kalite rayn R350HT kalite raya evrilebilmesi iin
gereken parametreler belirlenmitir. Bu parametreler, 4 bar hava 5 bar su karm ve
5 bar hava 5 bar su karmnn ayr ayr 10, 20 ve 30 saniye boyunca nozul
sisteminden verilerek rayn kontroll soutulmasyla elde edilmitir. R350HT kalite
rayn standartlarna 5 bar hava 5 bar su ve 20 saniye deerleriyle ulalmtr. Yaplan
sertlik deneylerinde standartta belirtilen Brinell sertliklerine ulalm, mikroyap ve
SEM analizi sonularna gre de standartlar tarafndan istenilen ince perlitik yap
elde edilmitir. Belirlenen parametrelerin seri retime uygunluunu gsterebilmek
amacyla su verme sistemi tasarm yaplmtr. Tasarm yaplan su verme sisteminin
ray retimindeki haddehane kna konulmasnn gerektii anlalmtr. Bunun
nedeni ise haddeden kan rayn scaklnn su verme scaklnda olup, bu scakl
kaybetmeden sistemine girmesi gerekliliidir. Bu nedenle rayn son haddeden k
hz hesaplanm, scakl llm ve tasarladmz su verme sisteminin olmas
gereken boyu 60 metre olarak ngrlmtr. Ayrca bu tasarmn hayata geirilmesi
halinde lkemiz ekonomisine salayaca katma deerin nemi vurgulanarak gerekli
hesaplamalar yaplmtr.
-
58
KAYNAKLAR
[1] Zerbest, U., Madler, K., Hintze, H., 2005, Fracture mechanics in railway
applications- an overview, Engineering Fracture Mechanics, 72, 163194
[2] Lichtberger Dr. B., 2005, Track Compendium Hamburg Printed in Germany,
17: 200-250 .
[3] Kalousek, J., Fegredo, D. and Laufer E., 1985 Proc. nt. conf. on wear of
materials Vancouver, B.C, 2: 212-231 .
[4] Martens, J. H. and Wirick, D.P., 1994, Premium Rail Steels For The 21st.
Century Pennslyvania Steel Technologies, Pennslyvania, 7: 50-60
[5] Inchnose, H., Takahara, J., 1978, An Investigation on Contact Fatigue
and Wear Resistance Behaviour in Rail Steel, Proc 1st. Int. Heavy Haul Conf., Perth
Australia, Session 307, Paper 1.3, pp 1-10.
[6] Torun, A., 2003, Ray Haddeleri Geliim Sreci ve Teknolojisi Aratrma
RaporuKardemir, 5-12.
[7] Boer, H. (1), Masumoto, H. (2), 2002, Niobium in Rail Steel (1) Dinslaken,
Germany, (2) Wajiro, Higas Gafan, Japan.
[8] Perlman, A. B., Gordon. J. E., 2001, Effect of Grinding Strategy on Rasidual
Stressin the Rail Head International conference on Rail Quality and Maintance for
Modern Railway Operation Ed. J.j. Kalker D.f. Cannon , Kluver Academic Publisher.
[9] Tvasa, 1989, T, TBTAK, RAYTA 89, Ulamda Rayl Tat
Sempozyumu, Sakarya.
[10] Le, H., and Clayton, P., , 1994 A Statistical Analysis of the Oxide Content of
Rail stell Oregon Graduate Institu of Science Technology Rail Steels Symposium
Proceedings, 67-75.
[11] Olofsonn, U., Tellskv, T, 2004., Wear and Plastic Deformation of Two Rail
Steels Full Scale Test and Laboratory Study Department of Machine Design, kth,
S-100 44 Stockholm, SWEDEN.
[12] Berber, Y., ztuyak, ., rs, F., Kalaycolu, O., 2005, Kardemirde Ray
retimi, 3. Demir elik Sempozyumu Bildiriler Kitab, S: 15-18.
[13] Hodson, W. H., 1989, Metallurgical Aspect of Rail Selection, Track Sector
-
59
Course, Paper 3-5.
[14] Bhadeshia, H. K. D. H, Steels for Rails, 2002, Encyclopedia of Materials
Science and Technology, pp. 1- 7, Elsevier Science.
[15] mer, C. S., 2001, Kardemir rneinde elik retim Metodlar Aras bir
Karlatrma 1. Demir elik Sempozyumu Bildiriler Kitab s: 973-985.
[16] Steels for Rails, Encyclopedia of Materials Science and Technology, pp.
[17] Bramtftt, B. L., 1994,Advanced In Line Head hardening of Rail Research
Department, Bethlehem Steel Corporation. R.L Cross and D. P.Wirick Pennslyvania
Steel Technologies, Inc.
[18] Tulumta, H., n.d., Ray retim Teknolojisindeki Gelimeler Ve Trkiyede
retim Miktarlar, TCDD Genel Mdrl
[19] Brooks, C.R., 1998, Metallography and Microstructures, ASM Handbook, 88:
30-39 .
[20] United States Patent, 1994, Cyclic heat treatment for controlling grain size of
superalloy castings Patent no: 5,302,217, Date of patent: Apr 12
[21] Boyer, H.E., 2000, Casting and Properties of Steels, Metals Handbook, 120: 25-
38.
[22] Brooks , C.R., 1991, Heat Treatment of Steels, ASM Handbooks, 140: 3-19 .
[23]Koymatck, H., 2012, R260 Kalite Raylarn Optimum Mantar Sertletirme
Parametrelerinin Belirlenmesi Ve Mekanik zelliklerinin ncelenmesi, Karabk
niversitesi Fen Bilimleri Enstits Metalurji ve Malzeme Mhendislii Anabilim
DalYksek Lisans Tezi
[24] Baydur, G.,1979, Malzeme Bilgisi Milli Eitim Bakanl Yaynlar, Ankara,
18: 55-66 .
[25] United States Patent, Method fort he production of improved railway rails by
accelerated cooling in line with the production Rolling mill Patent no:
4,486,248, United States Patent, Date of patent: Dec 4, (1984).
[26] Bakonu, M., Tekin, E., Yksek Hzl Tren Olgusu,Mantar Sertletirilmi Ve
Beynitli Ray elikleri, 2012, International Iron & Steel Symposium, Trkiye
[27]Innotrack, n.d., Definitive Guidelines On The Use Of Different Rail Grades.
[28]Mdler, K., Zoll, A., Heyder, R., Brehmer, M., 2007, Rail Materials -
Alternatives and Limits Deutsche Bahn AG, DB Systemtechnik, Brandenburg-
Kirchmser, Almanya
[29] EN 13674-1:2011, Railway applications Track Rail, British Standard,UK
nsz.pdfNDEKLER.pdfksaltmalar.pdfzet summary 2.pdfRAY BTRME kacak2.pdf