โลหะวิทยากับรางวิ่งใน...

โลหะวทยากบรางวงในรถไฟฟาขนสงมวลชน

บทนำ

แผนพฒนาดานการขนสงและโลจสตกส ของภาครฐสงผลใหมการขยายตวของ อตสาหกรรมการขนสงทางรางใน

ประเทศอยางรวดเรว และนำไปสการลงทน พฒนาเชอมตอโครงขายการขนสงทางรางใน ประเทศไทยกบประเทศเพอนบานในภมภาค ซงกอ ใหเกดการเชอมตอระเบยงเศรษฐกจ (economic corridor) รวมทงการสรางโอกาสใหมทางการคา และการทองเทยวใหเกดขนในภมภาคเอเชย ตะวนออกเฉยงใตสอดคลองกบแนวนโยบาย การพฒนาประชาคมเศรษฐกจอาเซยน (Asian Economic Community: AEC)

การพฒนาโครงขายรถไฟฟาขนสงมวลชนในเขต กรงเทพฯและปรมณฑลจำนวน10สายทางทคาดวา จะกอสรางแลวเสรจภายในป พ.ศ. 2562 ระยะทาง รวมกวา 400 กม. และการพฒนาโครงขายรถไฟฟา

ขนสงความเรวสงครอบคลมเสนทางทวประเทศระยะทาง รวม2,256กม.ทจะกอสรางแลวเสรจในปพ.ศ.2575 แสดงใหเหนถงความตองการใชเหลกรางรถไฟ(railsteel) ทมความยาวรวมไมตำกวา5,000กม.ทงนวสดสำหรบ ทำรางมราคาอยในชวง 2,000-3,000 บาทตอเมตร (ขอมลในปพ.ศ.2556)แสดงใหเหนวาการลงทนสราง โครงขายรถไฟฟาขนสงมวลชนจำเปนตองใชงบประมาณ เฉพาะคาวสดสำหรบรางวง(railroadtrack)คดเปนมลคา นบหมนลานบาทดงนนวศวกรทปฏบตงานเกยวของกบ การออกแบบ การกอสราง และการซอมบำรงระบบ โครงขายรถไฟฟาขนสงจงควรมความรในการเลอกใช วสดทเหมาะสมสำหรบทำรางรถไฟใชงานภายใตสภาวะเงอนไขสงแวดลอมตางๆ

วตถประสงคหลกของบทความนคอการขยาย มมมองทางดานโลหะวทยาของเหลกกลารางรถไฟ เพอ สรางความรและความเขาใจทถกตองเกยวกบวสดทใช ทำรางรถไฟตลอดจนสามารถนำความรนไปประยกตใชในการปฏบตงานจรงได

บทความบดร.เอกรตน ไวยนตย สยาม แกวคำไสย และ ศรวรรณ อวมปาน

หองปฏบตการวเคราะหความเสยหายของวสดและเทคโนโลยพนผวหนวยวจยดานประสทธผลการใชงานวสด•ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต

e-mail: ekkarutv@mtec.or.th

เมษายน - มถนายน 255750

การผลตเหลกกลารางรถไฟ กระบวนการผลตเหลกกลามบทบาทสำคญใน การควบคมคณภาพและสมบตของเหลกกลารางรถไฟให สอดคลองกบลกษณะการใชงาน(ภาพท1)การผลต เหลกกลาเรมจากการนำเหลกพกหลอมเหลว (molten pigiron)ทไดจากเตาหลอมแบบพนลม(blastfurnace) มาผานขนตอนกำจดซลเฟอรดวยการเตมสารกำจด ซลเฟอร (desulfurizing reagents) เชน แคลเซยม คารไบด แมกนเซยม หรอ ปนขาว หรออาจใชวธอน ขนอยกบเทคโนโลยของผผลตเหลกกลาแตละรายโดยม เปาหมายคอ ทำใหนำเหลกมปรมาณซลเฟอรตำกวา 0.002%ตอมานำเหลกหลอมเหลวจะถกทำใหบรสทธ เพมขนในเตาออกซเจน(BasicOxygenFurnace,BOF) ดวยการลดปรมาณคารบอนและธาตอนๆทไมตองการ เชนฟอสฟอรสซลคอนแมงกานสจากนนจะปรบปรง คณภาพในขนตอไปโดยการกำจดกาซไฮโดรเจนพรอมกบ การปรบสวนผสมทางเคมดวยการเตมธาตเจอเขาไปใน ขนตอนการกำจดกาซดวยอารกในระบบสญญากาศ

(VacuumArcDegassing,VAD)กอนเทเขาสขนตอน การหลอตอเนอง (continuous casting) และตดเปน สแลบ(slab)เพอนำไปใชในขนตอนตอไป

ในขนตอนการรดขนรปรางรถไฟสแลบถกนำไป ใหความรอนทอณหภม 920-1,200๐C อกครง กอนจะ รดขนรปในหลายขนตอนเพอทำใหมรปรางหนาตดราง รถไฟตามตองการและตดเปนทอนยาวจากนนปรบปรง สมบตดวยกระบวนการอบทางความรอน(heattreatment process) และทำใหรางรถไฟมความตรงดวยการรดบงคบ ตรง(rollingstraightener)กอนทจะตรวจสอบแบบไม ทำลายดวยเทคนคตางๆ เชนการทดสอบดวยกระแสวน (eddy current testing) และการทดสอบโดยใชคลน อลทราโซนก (ultrasonic testing) เพอใหมนใจและ รบประกนคณภาพไดวารางรถไฟทผลตนนไมมรอยบกพรอง หรอรอยแตกราวปรากฏอยในเนอวสดกอนสงมอบให ลกคานำไปใชงาน

สมบตของรางรถไฟดานการใชงาน

รางรถไฟเปนชนสวนสำคญในระบบรถไฟฟา ขนสงมวลชนมหนาทหลกดงน1)รองรบนำหนกตวรถ และนำหนกบรรทก2)ถายทอดภาระจากลอรถไฟฟา ไปยงหมอน (ties) 3)ทำใหรถไฟฟาเคลอนทราบเรยบและ4)บงคบและนำการเคลอนทของลอรถไฟ

ในขณะทรถไฟเคลอนทจะเกดแรงกระทำถายทอด จากลอรถไฟสรางวงเชนภาระในแนวแกน(axleload) ภาระแบบไดนามก(dynamicload)เปนตนเกดจาก การบงคบนำวง(trackguidance)การเรง(acceleration) การชะลอความเรว (deceleration) ซงทำใหเนอวสด ของรางรถไฟโดยเฉพาะอยางยงบรเวณผวสมผสระหวาง ลอและรางรถไฟฟามความเคน (stress) เพมขน เกด การเปลยนรป (deformation) มความแขงเนองจาก ความเครยด(strainhardening)เพมขนและเกดการ สกหรอ (wear) เพมขน ดงนน การเลอกใชเหลกกลา รางรถไฟทเหมาะสมจงตองพจารณาจากสมบตทางกล ทสำคญไดแกความเคนคราก(yieldstress)ความตาน แรงดง (tensile strength) ความแขงแรงความลา (fatigue strength) พฤตกรรมการเพมความแขงเนองจาก ความเครยด (strain hardening behavior) และ ความสามารถในการเปลยนรป(deformability)นอกจากน ความตานทานการสกหรอ (wear resistance) กเปน

สมบตทสำคญของรางรถไฟ เนองจากมผลโดยตรงตอ อายการใชงานของรางรถไฟทสมผสเสยดสกบลอรถไฟ ตลอดเวลา

ดงนนเพอปองกนความเสยหายและการเสอม สภาพของชนสวนรางรถไฟในระบบรถไฟฟาขนสงมวลชน กอนกำหนดเหลกกลารางรถไฟควรมสมบตดงน

• มคาตานทานการสกหรอสง(highresistancetowear)

• มคาตานทานแรงกดสง(highresistancetocompression)

• มคาตานทานความลาสง(highresistanceto fatigue)

• มคาความตานทานแรงดงและความแขงสง(hightensilestrengthandhardness)

• มคาความตานทานการแตกหกแบบเปราะสง(highresistancetobrittlefracture)

• มสภาพเชอมไดด(goodweldability)• มคณภาพพนผวด(goodsurfacequality)• รกษารปหนาตดไดด (evenness and

observanceofprofile)• มคาความเคนตกคางตำ(lowresidualstress

aftermanufacturing)

ภาพท

1 กร

ะบวน

การผ

ลตเหลก

กลารางรถ

ไฟ

เมษายน - มถนายน 255752

ภาพท 2 พนทหนาตดของรางตามมาตรฐาน International Union of Railway (UIC 54: weight = 54.43 kg/m, UIC 60: weight = 71.19 kg/m)

ภาพท 3 โครงสรางจลภาคแบบเพรลไลตของเหลกกลารางรถไฟ UIC 60 เกรด R350HT

กำลงขยายตำ (OM Image) กำลงขยายสง (SEM Image)

ในระบบรถไฟฟาขนสงมวลชนรางวงชนดflat bottom rail ทมรปรางหนาตดดงแสดงในภาพท 2 ไดรบความนยมนำมาใชงานอยางกวางขวางซงรางชนดน ผลตจากเหลกกลารางรถไฟ(railsteels)ทจดอยในกลม เหลกกลาคารบอน (carbon steel) หรอเหลกกลา แมงกานสตำ (low-manganese steel) ในทางโลหะ วทยาโครงสรางจลภาคพนฐานของเหลกกลารางรถไฟ แบงออกเปน2ชนดคอโครงสรางเพรลลตก(pearlitic structure)(ภาพท3)และโครงสรางเบนตก(bainitic structure)ซงโครงสรางจลภาคชนดหลงนจะพบไดใน เหลกกลารางรถไฟทตองการเพมคาความตานแรงดง และความแขงใหสงขนอยางไรกตามตวแปรสำคญทม ผลตอการเปลยนแปลงโครงสรางจลภาคคอการปรบ- เปลยนสวนผสมทางเคมและการอบทางความรอน

การเกดโครงสรางเพรลลตกในเหลกกลาราง รถไฟมความสำคญตอการเปลยนแปลงสมบตทางกล ทมผลตออายการใชงาน เชน คาความแขง และคา

ความตานทานการสกหรอ สมบตเหลานขนอยกบปรมาณ และสณฐานวทยาของเฟสเพรลไลตเปนหลกซงเชอมโยง กบรปรางและระยะหางระหวางแถบซเมนไทต(cementite- Fe

3C) เชน ในเหลกกลารางรถไฟทมปรมาณคารบอน

0.5%โครงสรางจลภาคประกอบดวยเฟสเพรลไลต70% และเฟสเฟอรไรต 30% ดงนน การพฒนาเหลกกลา รางรถไฟชนดเพรลไลตทตองการเพมความแขงควบค ไปกบการรกษาระดบคาความทนทานตอการแตกหก (toughness)จงมงเนนทการควบคมปรมาณและสณฐาน วทยาของโครงสรางเพรลไลตใหเหมาะสมกบเงอนไข การใชงานในแตละแบบ การลดระยะหางระหวางแถบ ซเมนไทตในโครงสรางเพรลไลตทำใหความตานแรงดง เพมขน(ภาพท4)ดงสมการตอไปน

Sคอระยะหางระหวางแถบซเมนไทต(มลลเมตร)

เมษายน - มถนายน 2557 53

ภาพท 4 ความสมพนธระหวางคาความเคนพสจน ณ จดคราก (0.2% proof stress) กบระยะหางระหวางแถบซเมนไทต (Lamellar Cementite Spacing: S)

ตวแปรทมผลตอการเปลยนแปลงสมบตทางวสดของเหลกกลารางรถไฟ ในระบบรถไฟฟาขนสงมวลชน ตวรางรถไฟ สวนใหญผลตจากเหลกกลาคารบอน (carbon steel) หรอเหลกกลาแมงกานสตำ พรอมกบมการควบคมปรมาณ ธาตผสม เชน โครเมยมแมงกานส เปนตน เพอให

มสมบตเหมาะกบการใชงานโดยสามารถพจารณาไดจาก การแบงเกรดชนคณภาพ (classification) เหลกกลา รางรถไฟดงแสดงในตารางท1

ตารางท 1 สวนผสมทางเคมและสมบตตานแรงดงของเหลกกลารางรถไฟตามมาตรฐาน UIC 1986

ClassificationChemical composition [wt.%] Tensile properties

C Si Mn P S Cr UTS[N/mm2]

Elongation[%]

Grade700 0.40-0.60 0.05-0.35 0.80-1.25 0.05* 0.05* - 680-830 14

Grade900A 0.60-0.80 0.10-0.50 0.80-1.30 0.04* 0.04* - 880-1030 10

Grade900B 0.55-0.75 0.10-0.50 1.30-1.70 0.04* 0.04* - 880-1030 10

Grade1100* 0.60-0.82 0.30-0.90 0.80-1.30 0.03* 0.03* 0.80-1.30 1080** 7

หมายเหต * คาสวนผสมทางเคมสงสด

** คาตานแรงดงสงสด

การปรบปรงสมบตของเหลกกลารางรถไฟให สอดคลองกบเงอนไขและความตองการใชงานสามารถ ดำเนนการไดดงน

• การเตมธาตผสมเชนแมงกานส(Mn)ซลคอน(Si)นกเกล(Ni)โครเมยม(Cr)โมลบดนม(Mo)และวาเนเดยม(V)เพอปรบปรงสมบตทางกล

เพมความสามารถในการชบแขง(hardenability) และเพมความตานทานการสกหรอและการ กดกรอนโดยธาตผสมแตละตวมอทธพลตอการ เปลยนแปลงสมบตทางวสดดงสรปในตารางท2

เมษายน - มถนายน 255754

• การควบคมอตราการเยนตวในขนตอนการผลต เปนอกปจจยสำคญตอการเปลยนแปลงสมบต ทางกลของเหลกกลารางรถไฟสำหรบเหลกกลา เพรลลตก(pearliticsteel)การควบคมระยะ หางระหวางแถบซเมนไทตสงผลกระทบโดยตรง ตอการเปลยนแปลงคาความตานแรงดงอยางมนยสำคญ ซงจะขนอยกบการควบคมอตรา การเยนตวในขนตอนการรดเหลกกลารางรถไฟ

• การอบทางความรอนเปนขนตอนพเศษทออกแบบ ไวสำหรบการเพมคาความแขงของเหลกกลา รางรถไฟในขนตอนการผลตเหลกกลารางรถไฟ แบงออกเปน2แบบดงน

1) การอบทางความรอนแบบแยกจาก กระบวนการผลต (Off-line Heat Treatment) ทำโดยการอบใหความรอนกบรางรถไฟท อณหภม850-950๐Cในระยะเวลาประมาณ

2-6นาทจากนนใหเฉพาะสวนหวรางเยน ตวอยางรวดเรวดวยการฉดนำหรออากาศอด เพอลดอณหภมมาท650-500๐Cทำใหได โครงสรางเพรลไลตละเอยดสง(veryfine peariliticmicrostructure)ทชวยเพมคา ความแขงและความตานแรงดงของเหลก กลารางรถไฟ

2) การอบทางความรอนแบบเชอมตอกบ กระบวนการผลต (In-line Heat Treatment) เหลกกลารางรถไฟหลงจากผานขนตอน การรดข นรปย งคงมอณหภมส งกว า 800๐Cจากนนทำใหเฉพาะสวนหวของราง เยนตวอยางรวดเรวโดยการจมชบลงในอาง นำเปนเวลา2-3นาทจนกระทงอณหภม ของรางอยท 60๐C กอนนำไปสขนตอน การผลตตอไป

การแบงประเภทรางรถไฟ ปจจบนรางรถไฟทมการใชงานในระบบรถไฟฟา ขนสงมวลชนแบงออกเปน4กลมดงน

• กลมท 1 รางรถไฟแขงธรรมชาต (Naturally Hard Rails) ผลตจากเหลกกลารางรถไฟทม โครงสรางจลภาคพนฐานเพรลไลต ซงจะถก นำไปใชงานเปนรางวงในระบบรถไฟฟาขนสง มวลชนทวไปมอตราการสกหรอในชวง0.7-1.0

มลลเมตรตอภาระ100ลานตนในรางวงตรง

• กลมท 2 รางรถไฟทผานการอบชบ (Thermally Treated Rails)ผลตโดยการนำเหลกกลาราง รถไฟความแขงปกตมาผานขนตอนการอบทาง ความรอนเพอเพมคาความแขงเฉพาะสวน หวราง โดยทวไปรางรถไฟประเภทนมอายการ ใชงานสงกวารางรถไฟแขงธรรมชาตประมาณ

ตารางท 2 อทธพลของธาตผสมตอการเปลยนแปลงสมบตทางวสดของเหลกกลารางรถไฟ

ธาตผสม ผลลพธแมงกานส ลดโอกาสการเกดเหลกซลไฟด(FeS)ซงมผลตอการแตกราวขณะรอน(hotcracking)

เพมความสามารถในการชบแขงเพมความตานแรงดงเพมความตานทานการสกหรอ

ซลคอน เพมความตานแรงดงเพมความตานทานการสกหรอและการกดกรอน

นกเกล เพมความทนทานการแตกหก

โครเมยม เพมความสามารถในการชบแขงเพมความตานแรงดงเพมความตานทานการสกหรอ(เกดโครเมยมคารไบด)เพมความตานทานการกดกรอน

โมลบดนม เพมความสามารถในการชบแขงเพมความตานแรงดงลดขนาดเกรนเพมความตานทานการสกหรอและการกดกรอน

วาเนเดยม เพมความตานทานการสกหรอลดขนาดเกรนเพมความสามารถในการเชอม

เมษายน - มถนายน 2557 55

5-7เทาดงนนจงไดรบความนยมนำมาใชเปน รางวงในระบบรถไฟฟาขนสงมวลชนทมภาระแนวแกนสงในระหวางการใชงาน

ภาพท 5 แสดงการเปรยบเทยบคาความแขง ของรางรถไฟทออกแบบมาสำหรบรบภาระแนวแกนใน ระดบทแตกตางกน การเพมคาความแขงของเนอวสด จะชวยลดการสกหรอของรางรถไฟไดเปนอยางด สมประสทธความตานการสกหรอของรางรถไฟเพมขน อยางมนยสำคญเมอมคาความแขงสงกวา350HB

• กลมท 3 รางรถไฟผสมสง (High Alloy Rails) ไดรบการพฒนาโดยการเตมธาตผสมตางๆ เขา ไปเพอชวยปรบปรงสมบตทางวสดแตรางรถไฟ ชนดนไมเหมาะสำหรบการนำมาเชอมเนองจาก มความทนทานตอการแตกราวตำ ในขนตอน

การเชอมประกอบรางรถไฟกลมนจำเปนตองม การควบคมอตราการเยนตวหลงการเชอม (ระยะเวลาการเยนตวในชวงอณหภม800-500๐C ตองไมตำกวา 200 วนาท) เพอเลยงการ แตกราวของเนอวสด

• กลมท 4 รางรถไฟเบนตก (Bainitic Rails) ไดรบการพฒนาขนมาเพอชดเชยขอจำกดดาน การใชงานของรางรถไฟทมโครงสรางจลภาค แบบเพรลไลตซงมการสกหรอของผวรางสง ดงนนรางรถไฟกลมนจงเหมาะสำหรบนำไปใช งานกบระบบรถไฟฟาขนสงมวลชนความเรวสง เนองจากเนอวสดมคาความแขงสงจงทำให เกดการสกหรอตำ และสามารถรบภาระทางกล ไดเพมขน

ภาพท 5 คาความแขง (HV10) ของเหลกกลารางรถไฟแตละชนดวดจากผวรางเขาสแกนกลางของเนอวสด

เอกสารอางอง 1. แผนแมบทระบบขนสงมวลชนทางรางในเขตกรงเทพฯ และปรมณฑล พ.ศ. 2553-2572 2. Steel: A Handbook for Materials Research and Engineering, Vol. 2 (Applications), Edited by

VereinDeutscherEisenhuettenleute, Springer-Verlag, Berlin, 19933. Improvements in Rail Steel Metallurgy for 32.5 T Axle Load4. B. Sladojevic et al., New Requirements for the Quality of Steel Rails, Association of Metallurgical

Engineers of Serbia, UDC: 625.143.2