автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и освоение новых технологий для текущего и перспективного производства рельсов

Веер о с с и й с к и й н а у ч н о - и с с л е до в а т ел ь с к и й институт железнодорожного транспорта

На правах рукописи

ПАН АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ТЕКУЩЕГО И ПЕРСПЕКТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА РЕЛЬСОВ

Специальность 05.16.01 — Металловедение и термическая обработка металлов

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

у л- <л А

у ад«.- ^ 4 ^у —

X/ '

7 / " V-' ^ /

Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта

О 1Э С " - Л ' 'г • '1 ^На правах рукоЩси

(решеш,-5:;. ^ 'У ^

присуди-.

Начс

V "«Г

' I!

П А Н АЛЕКСАНДР В А ЛЕНТ И Н О -В И Ч

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ТЕКУЩЕГО И ПЕРСПЕКТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА РЕЛЬСОВ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

ДИССЕРТАЦИЯ.....

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВЫИИЖТ) и на Нижнетагильском металлургическом комбинат?^'Рм,1ф'к ''

ГОСУДАГ».

Официальные оппоненты:

1Ч&

доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

У У

Великанов А.В. Добаткин С.В. Филипиов Г.А.

Ведущая организация: Кузнецкий металлургический комбинат

Защита состоится « » июня 1999 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д.114.01.04 во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу:

129851, Москва, И-164, 3-я Мытищинская ул., д. 10

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта.

Диссертация в виде научного доклада разослана

«ЗС'ъ апреля 1999 г.

Отзыв на диссертацию в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета института.

/ Ученый секретарь / диссертационного совета Д.114.01.04, кандидат технических наук

Г.И.Пенькова

СОДЕРЖАНИЕ

1. общая характеристика работы..............................................5

1.1. Актуальность проблемы.......................................................................5

1.2. Цель работы..........................................................................................6

1.3. Методы исследований..........................................................................7

1.4. Научная новизна...................................................................................8

1.5. Практическая ценность и реализация результатов работы.................9

1.6. Апробация работы...............................................................................10

2. анализ основных тенденций современного производства рельсов и технические требования к рельсам текущего и перспективного

производства..................................:.....................................................12

2.1. Технические требования к рельсам текущего производства и на ближайшую перспективу.............................................................................12

2.1.1. Структура рельсов...................................................................12

2.1.2. Неметаллические включения и дефекты

металлургического происхождения..................................................12

2.1.3. Химический состав и содержание газов..................................13

2.1.4. Механические свойства и твердость.......................................14

2.1.5. Остаточные напряжения..........................................................15

2.1.6. Геометрическое качество........................................................16

2.1.7. Качество механической обработки болтовых отверстий

и торцов............................................................................................17

2.2. Современное состояние и основные тенденции развития металлургических технологий производства рельсов в РФ и за рубежом.......................................................................................................17

3. разработка и освоение на нтмк технологии производства рельсов с использованием ванадиевого чугуна.........................................................................22

3.1. Исследование механизма и эффективности микролегирования рельсовой стали карбонитридообразующими элементами........................22

3.2. Разработка научных основ и промышленной технологии микролегирования рельсовой стали ванадием с использованием жидкого природнолегированного ванадием чугуна в мартеновской печи и внедрение ее на НТМК для массового производства рельсов

1 группы по ГО............................................................................................28

3.2.1. Состояние проблемы...............................................................28

3.2.2. Определение оптимального содержания углерода в металле в период доводки плавки перед доливом ванадиевого чугуна................................................................................................31

3.2.3. Исследование влияния доливки ванадиевого чугуна на температуру стали и выбор оптимальных режимов перегрева расплава............................................................................................31

3.2.4. Исследование процессов предварительного раскисления расплава перед доливкой ванадиевого чугуна.................................33

3.2.5. Раскисление ванадиевого чугуна в ковше перед

заливкой в печь.................................................................................35

3.2.6. Исследование процессов в расплаве после заливки ванадиевого чугуна...........................................................................36

3.2.7. Выдержка для перемешивания ванадиевого чугуна и углеродистого полупродукта в ванне печи......................................39

3.2.8. Окончательное раскисление металла в ковше и разливка стали..................................................................................................45

3.2.9. Продувка стали в ковше аргоном...........................................54

3.2.10. Разливка стали.......................................................................56

3.2.11. Оптимизация технологии выплавки......................................58

3.2.12. Качество рельсов из стали, микролегированной ванадиевым чугуном.........................................................................58

3.2.13. Технико-экономическая эффективность и внедрение на НТМК технологии микролегирования рельсовой стали ванадиевым чугуном.........................................................................63

3.3. Опробование технологии выплавки рельсовой стали с использованием ванадиевого чугуна в кислородном конвертере..............64

4. микролегирование рельсовой стали с использованием ванадиевого шлака. сравнение качества рельсов из сталей, выплавленных по различным технологиям микролегирования ванадием................................................................................................68

4.1. Технология выплавки стали с использованием ванадиевого

шлака...........................................................................................................68

4.2. Химический состав...............................................................................70

4.3. Макроструктура...................................................................................74

4.4. Загрязненность рельсов неметаллическими включениями..................74

4.5. Механические свойства рельсов...........................................................77

4.6. Ударная вязкость..................................................................................78

4.7. Технико-экономическая эффективность..............................................81

5. разработка и реализация перспективных технологий для производства рельсов высшего качества..................................................................................................83

5.1. Рельсы из стали электрошлакового переплава....................................83

5.2. Разработка и промышленное освоение производства рельсов повышенной износостойкости....................................................................89

5.3. Перспективные методы термической обработки для производства рельсов высшего качества....................................................92

5.3.1. Новая технология упрочнения рельсов с прокатного или отдельного печного нагрева с дифференцированным охлаждением движущейся водой......................................................93

Твердость...............................................................................95

Микроструктура.....................................................................97

Механические свойства..........................................................99

Износостойкость рельсов......................................................100

Прямолинейность рельсов и остаточные напряжения..........101

Циклическая долговечность..................................................104

5.3.2. Исследование условий эффективного упрочнения рельсов с объемного нагрева при охлаждении потоками

сжатого воздуха................................................................................106

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ................................................113

список литературы...........................................................................116

1. Цитируемая литература...........................................................................116

2. Литература, опубликованная по теме диссертации................................117

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность проблемы

Технический прогресс на железнодорожном транспорте тесно связан с повышением эксплуатационной стойкости основного элемента верхнего строения пути - железнодорожных рельсов. Недостаточная работоспособность их требует частой замены, вызывает задержки в движении поездов и создает значительные организационные трудности. Для обеспечения безопасности движения необходимо полностью исключить внезапные отказы в виде аварийно опасных изломов рельсов. Создание рельсов, полностью удовлетворяющих современным требованиям железнодорожного транспорта, составляет основу этой проблемы.

Основные требования, предъявляемые к рельсам, вытекают из объективно существующих текущих и перспективных условий их эксплуатации на железных дорогах РФ.

В 1998 г. на железных дорогах России было изъято 103 тыс. дефектных рельсов, в том числе по дефектам контактной усталости около 50 тыс., по боковому износу - около 18 тыс. и по трещинам в шейке в стыке - около 4 тыс. На приобретение и замену вышедших из строя рельсов железные дороги РФ в 1998 г. затратили более 2 млрд. руб. В связи с этим крайне актуальной остается задача повышения ресурса рельсов и снижение расходов железных дорог, связанных с преждевременной их заменой.

В настоящее время продолжает оставаться острой проблема, связанная с обеспечением безопасности движения поездов. В 1998 г. более 300 рельсов сломались под колесами подвижного состава, причем часть этих изломов привела к сходам и крушениям поездов.

Перспективные требования к качеству рельсов тесно связаны с планируемым развитием скоростного и высокоскоростного движения. Разработанная МПС РФ концепция организации такого движения предусматривает наращивание скоростей движения поездов за счет модернизации и реконструкции существующих железнодорожных линий с совмещенным пассажирским и грузовым движением до скоростей 140-200 км/ч. Утверждена «Программа развития скоростного пассажирского движения на железных дорогах Российской Федерации и этапность ее реализации на период до 2010 года». В перспективе гоини-

руется сооружение специализированных высокоскоростных магистралей со скоростями до 350 км/ч.

Отдельную задачу представляет необходимость создания рельсов повышенной надежности, предназначенных для районов с суровыми климатическими условиями и для эксплуатации в особо неблагоприятных условиях, в частности, в кривых малого радиуса при интенсивном движении.

1.2. Цель работы

Повышение стойкости рельсов представляет собой комплексную проблему, охватывающую большое число параметров качества, обеспечиваемых на протяжении всего цикла производства рельсов. Так, многолетними исследованиями показано, что эксплуатационная стойкость рельсов определяется их структурой, неметаллическими включениями, наличием разнообразных внутренних и наружных дефектов металлургического происхождения, химическим составом, механическими свойствами, остаточными напряжениями, геометрическим качеством (прямолинейностью) и качеством механической обработки болтовых отверстий и торцов.

Следовательно, задача производства высококачественных рельсов должна решаться на протяжении всего технологического цикла их изготовления, начиная с химического состава и технологии металлургического производства рельсовой стали. Важнейшими направлениями повышения качества стали для рельсов текущего производства являются микролегирование ванадием и снижения уровня загрязненности неметаллическими включениями. Ввиду дефицитности ванадия и больших его потерь при производстве ванадиевых ферросплавов из вана-дийсодержащих руд большое значение приобрела проблема создания научных основ и промышленной технологии металлургического производства ванадийсодержащих рельсов с использованием более дешевых полупродуктов производства ванадия, таких как ванадиевого чугуна и ванадиевого шлака, решение которой явилось одной из задач настоящей работы. Задача решалась применительно к условиям выплавки стали в мартеновских печах, поскольку преобладающее количество рельсовой стали в России до настоящего времени производится в основных мартеновских печах скрап-рудным процессом и это производство сохранится еще достаточно длительное время по объективным технико-экономическим причинам. Принципиальные основы легирова-

ния рельсовой стали ванадием с использованием ванадиевого чугуна и ванадиевого шлака сохраняются и при переносе их в конвертерное производство.

С другой стороны технический прогресс на железнодорожном транспорте выдвинул необходимость организации в РФ производства рельсов для перспективных условий эксплуатации при скоростном движении, и рельсов для работы в особо тяжелых условиях, в частности в кривых малых радиусов. В связи с этим в работе были поставлены и решены задачи по созданию промышленной технологии производства рельсов для скоростного движения, в частности, опробованы рельсы из стали электрошлакового переплава, а также износостойких рельсов из стали заэвтектоидного состава.

Третья группа задач связана с научной и практической разработкой новых технологий термической обработки для производства рельсов высшего качества на уровне лучших мировых достижений в этой области.

1.3. Методы исследований

В работе использован комплекс современных методов исследований, а также лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний, всесторонне характеризующих качество рельсов.

В исследованиях по изучению расплавов ванадиевого чугуна и стали использованы экспериментальные методы определения кинематической вязкости, метод «меченых» атомов и аналитические методы математического моделирования.

Для изучения состава, макро- и микроструктуры рельсов, природы, количества и распределения неметаллических включений применяли методы химического и газового анализа, металлографический анализ, просвечивающую и растровую электронную микроскопию, рентгеноструктурные и петрографические исследования.

Механические свойства рельсов оценивали по всему комплексу аттестационных параметров с использованием методик в соответствии с действующими стандартами. Дополнительно на специальном копре ВНИИЖТ изучали ударную прочность рельсов при различных температурах в интервале от +20 до -80°С, определяли остаточные напряжения посредством тензодатчиков, наклеиваемых по всему периметру поперечного сечения рельса. Оценки циклической долговечности рельсов производили на рельсовых пробах дайной 600 и 1200 мм при

циклических изгибающих нагрузках на различных универсальных испытательных машинах и специальных стендах.

Эксплуатационные испытания рельсов выполняли на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ и на участках железных дорог.

Большинство исследований выполнено на НТМК, во ВНИИЖТ, УралНИИЧМ и УкрНИИмет. Достоверность основных результатов и выводов работы обеспечивалась использованием современных методических средств и методов исследований, статистически достаточным количеством испытаний с оценками значимости результатов, большими объемами выборок по результатам промышленного производства десятков и сотен плавок рельсовой стали на НТМК.

1.4. Научная новизна

1. Сформулированы технические требования к рельсам высшего качества, отвечающим современным и перспективным требованиям железнодорожного транспорта в РФ.

2. Выполнены исследования эффективности микролегирования рельсовой стали карбонитридообразукчдими элементами и определена количественная взаимосвязь параметров микроструктуры и механических свойств рельсовой стали. Предложен механизм, объясняющий эффективное влияние ванадия на сопротивление усталостному разрушению рельсовой стали и заключающийся в локальном повышении температуры в зоне у вершины трещины до значений, достаточных для выделения карбонитридов ванадия, препятствующих росту усталостной трещины.

3. Разработаны научные основы производства микролегированной ванадием рельсовой стали в мартеновских печах и кислородных конвертерах с использованием ванадиевого чугуна:

-сформулирована и решена задача смешения двух жидкостей применительно к стальному углеродистому расплаву и жидкому чугуну;

- изучено изменение микроструктуры расплава при подливе ванадиевого чугуна. Определены условия получения микрооднородного состояния;

- с использованием метода «меченых атомов» исследовано изменение неметаллической фазы при подливе ванадиевого чугуна;

- установлено количество алюминия, переходящего в виде включений в готовую сталь из жидкого чугуна;

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЖНЛЯ

БЙ5ЯИ0ТЯ*А

-определены статистические закономерности угара ванадия и углерода при микролегировании ж�