автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и внедрение технологий выплавки и внепечной обработки рельсовой электростали

На правах рукописи

Бойков Дмитрий Владимирович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ВЫПЛАВКИ И ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАЛИ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 :;ол 2013

005538036

Новокузнецк - 2013

005538036

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» и ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗСМК»

11аучный руководитель: доктор технических над профессор

Козырев Николай Анатольевич

Официальные оппоненты: Якушевич Николай Филиппович, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», профессор кафедры металлургии цветных металлов и химической технологии

Лубяной Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет», Новокузнецкий институт (филиал), доцент кафедры математики и математического моделирования

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный

университет путей сообщения»

Защита состоится «03» декабря 2013 г. в 13-00 часов в аудитории ЗП на заседании диссертационного совета Д 212252.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровская область, ул. Кирова, 42, СибГИУ, факс: (3843) 465792, &-таП: ds21225201@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский госуд арственный индустриальный университет».

Автореферат разослан:« Q/» Н 09-(Эр Я 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212252.01 д.тл, профессор

/ffcfy/ ПохринаО.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Выплавка рельсовой стали в дуговых электросталеплавильных печах с проведением внепечной обработки и разливки на машинах непрерывного литья заготовок позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели производства железнодорожного проката. Однако изменение технологической схемы выплавки и внепечной обработки рельсовой стали, расширение ее сортамента и увеличение требований к эксплуатационным свойствам железнодорожных рельсов требуют проведения дополнительных исследований для определения рациональных параметров процесса. Поэтому разработка новых и совершенствование известных элементов технологии выплавки и внепечной обработки рельсовой электростали являются, несомненно, актуальными задачами.

Работа выполнена в соответствии с перечнем критических технологий Российской Федерации, раздел «Металлы и сплавы со специальными свойствами», утвержденным Президентом Российской Федерации 30.03.2002 г., и приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации, раздел «Производственные технологии», утвержденными Президентом РФ 30.03.2002 г.

Цель работы.

Изучение, совершенствование и внедрите технологий выплавки в дуговых электросталеплавильных печах, внепечной обработки на агрегате «ковш-печь» и ва-кууматоре рельсовой электростали с высокими служебными свойствами.

Задачи исследования.

1. Изучить и усовершенствовать технологии выплавки в дуговых электропечах и внепечной обработки стали, предназначенной для производства железнодорожных рельсов, соответствующих по качеству и служебным характеристикам лучшим образцам.

2. Разработать новые марки стали для производства железнодорожных рельсов с высокими эксплуатационными свойствами и технологии их производства.

Научная новизна.

1. Установлено влияние изменения содержания кислорода в металле перед выпуском из дуговой электросталеплавильной печи на загрязненность рельсовой стали неметаллическими включениями и эксплуатационные свойства железнодорожных рельсов.

2. Определены оптимальные значения содержания углерода в металле в конце окислительного периода при выплавке стали в дуговой электросталеплавильной печи с последующей внепечной обработкой на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре для обеспечения высокого качества рельсовой стали.

3. Рассчитаны условия для снижения содержания кислорода, водорода и изменения характера неметаллических включений при внепечной обработке рельсовой стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре.

Практическая значимость.

1. Разработаны новые технологии выплавки в дуговых электросталеплавильных печах и внепечной обработки на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре

камерного типа VD стали, предназначенной для производства железнодорожных рельсов

2. Экспериментально подтверждено влияние содержания основных химических элементов на свойства стали для производства рельсов и разработаны новые марки и технологии выплавки и внепечной обработки стали, что позволило производить железнодорожные рельсы, имеющие высокую эксплуатационную стойкость в пути.

Реализация результатов.

1. На основе интерпретации выполненных исследований разработаны и внедрены в производство в электросталеплавильном цехе ОАО "ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат":

- усовершенствованные технологии выплавки рельсовой стали в 100-тонных дуговых электросталеплавильных печах ДСП-100И7 и ДСП-100Н10 в том числе: с отсечкой печного шлака (патент РФ № 2254380), с оставлением жидкого остатка (патенты РФ № 2302471, № 2312901), с использованием карбида кальция (патент РФ № 2325447), с использованием в качестве шихтовой составляющей жидкого (патент РФ № 2333256) и твердого чугуна (патенты РФ № 2409682, № 2415180, № 2400541);

- технология внепечной обработки рельсовой стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VD (патент РФ № 2425154).

2. На основании экспериментальных исследований разработаны технологические положения для производства рельсовой стали и новые марки, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства железнодорожных рельсов, в том числе: азотсодержащая (патенты РФ № 2295587, № 2449045), заэвтектоидная (патенты РФ № 2426813, № 2457272). Разработаны технические условия ТУ 0921-125-01124328-2001 и ТУ 0921-125-01124328-2003 для производства рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости.

Общий долевой экономический эффект автора от внедрения результатов диссертационной работы составил 12,8 млн. рублей.

Методы исследования.

Промышленные исследования проведены на 100-тонных электродуговых печах ДСП-100И7 и ДСП-100Н10, агрегатах внепечной обработки типа «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VD.

Определение содержания кислорода в стали проведено по стандартной методике на газоанализаторе ТС-600 фирмы «LECO» методом восстановительного плавления в потоке инертного газа-носителя. Измерение содержания водорода в жидкой стали проводилось с использованием зондовой системы Hydris модели ОН900. Химический состав, загрязненность неметаллическими включениями, макро- и микроструктура, механические свойства и твердость проконтролированы по стандартным методикам на сертифицированном оборудовании в аккредитованных лабораториях Испытательного Центра ЕВРАЗ ЗСМК. Неметаллические включения, величина зерна и микроструктура сталей изучены с помощью оптического микроскопа NEOPHOT-21. Электронно-микроскопическое исследование проведено на электронном микроскопе JEC-200CX прямым методом на фольгах и растровом электронном микроскопе-микроанализаторе LEO EVO-40. Испытания механических

свойств проведены на разрывной машине 7-250 и копровой машине МК-15. Измерение твердости проведено по стандартной методике на твердомере Бринелля. Копровые испытания проведены на рельсоиспытателыюм копре по стандартным методикам.

Степень достоверности и обоснованности научных положений, рекомендаций и выводов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом экспериментальных данных; высокой степенью воспроизводимости результатов экспериментов; использованием статистических методов обработки экспериментальных данных, эффективностью предложенных технических решений, подтвержденной результатами промышленных испытаний и внедрением в производство.

Предмет защиты.

1. Новые ресурсосберегающие технологии выплавки в дуговых электропечах, внепечной обработки стали на вакууматоре типа УБ и на агрегате «ковш-печь», в том числе шлаковые режимы и режимы раскисления, обеспечивающие снижение кондешрации газов и неметаллических включений в рельсовых сталях.

2. Результаты анализа влияния содержания кислорода в стали для производства рельсов на состав и морфологию неметаллических включений.

3. Новые марки стали для железнодорожных рельсов и технология их производства.

Автору принадлежит:

- анализ современного состояния технологии выплавки и внепечной обработки рельсовой стали, постановка задач исследования;

- выполнение экспериментальных и теоретических исследований;

- обоснование технологических решений выплавки и внепечной обработки рельсовой электростали;

- проведение промышленных исследований;

- обработка и обобщение результатов.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов п.12 «Электрометаллургические процессы и агрегаты», п.15 «Внепечная обработка металлов», п.17 «Мате-риало- и энергосбережение при получении металлов и сплавов».

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях:

- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки', качества» (г. Новокузнецк, 2006 г.);

- конференциях «Неделя металлов в Москве» (г. Москва, 2009 г., 2010 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество» (г. Новокузнецк, 2010 г.);

- II Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2010 г.);

- Всероссийской молодежной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (г. Томск, 2011 г.).

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 30 печатных работах, в том числе в 5 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций. Новизна предложенных технических решений защищена 13 патентами Российской Федерации.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 148 страницах, включая 30 рисунков, 31 таблицу, 1 приложение и содержит список литературы из 155 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализированы основные тенденции развития производства железнодорожных рельсов и, в частности, перспективы производства рельсов из электростали. Изучены имеющиеся в литературе данные о поведении кислорода в ходе сталеплавильного процесса и технологические приёмы, применяемые для раскисления стали и удаления неметаллических включений.

Показано, что работоспособность рельсов напрямую связана с металлургическим качеством стали. Освещены вопросы влияния неметаллических включений на стойкость железнодорожных рельсов, определены наиболее «опасные» неметаллические включения. Указаны основные требования Государственного стандарта (ГОСТ Р 51685) к макро- и микроструктуре рельсов. Рассмотрены вопросы стойкости рельсов в пути. Обоснована целесообразность разработки новых марок рельсовой стали для производства рельсов с повышенными потребительскими свойствами для участков пути со сложными условиями эксплуатации.

В результате проведенного анализа сформулированы и определены основные задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты исследований производства рельсовой стали в условиях действующего электросталеплавильного цеха ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗСМК» на 100-тонных дуговых электропечах (типа ДСП100-Н10 и ДСП100-И7), агрегатах «ковш-печь» (АКП) и вакууматоре камерного типа VD.

Ранее используемая на ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» технология производства рельсовой стали без вакуумирования предусматривала для обеспечения необходимых требований ограничение по массовой доле углерода в металле, как по расплавлении (не менее 0,70 %), так и перед выпуском полупродукта из печи (не менее 0,60 %), а также в первой ковшевой пробе на АКП (не менее 0,50 %). Регламентация указанных значений позволяла за счет интенсификации процесса обезуглероживания существенным образом снизить поступление водорода в металл и получать сталь для производства рельсового металлопроката без ограничений по сортаменту и профилю рельсов. Принципиальным вопросом является значение концентрации углерода, ниже уровня которого спектр свойств рельсовой стали

ухудшается и не может быть обеспечен требуемый эксплуатационный уровень рельсов.

Проведен расчет по определению необходимого для окисления количества углерода с целью успешной дегазации и гомогенизации стали по температуре и химическому составу, а также удаления неметаллических включений. С целью исключения высокого содержания кислорода в стали с использованием вакуума-тора снижение содержание углерода в стали перед выпуском из печи может быть успешно изменено до концентрации не менее 0,10 %.

Изучение влияния концентрации углерода по ходу окислительного периода при выплавке рельсовой стали НЭ76Ф на содержание кислорода повторило зависимость, описанную проф. A.M. Левиным (рисунок 1).

Экспериментальные данные показали, что концентрация кислорода в стали по ходу окислительного периода значительно выше значений, равновесных с концентрацией углерода. При использовании средств внепечной обработки стали (при обработке стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре) возможна работа с выпуском из печи металла с пониженным углеродом.

о.оз

ё 0.025

0

1 0-02

5 0.015

I 0.01

э*

g 0.005

sj

о

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

Содержание углерода, %

Рисунок 1 - Влияние концентрации углерода по ходу окислительного периода на содержание кислорода

Рассмотрен вопрос увеличенного расхода чугуна на плавку. В связи с этим разработана технология выплавки стали с увеличением доли жидкого чугуна до (450-640) кг/т. Опытные плавки проводили по двум вариантам шихтовки;

1. Заливка жидкого чугуна на остаток металла и шлака (так называемое «болото») и затем завалка металлолома;

2. Завалка металлолома, плавление и затем заливка жидкого чугуна.

Результаты исследований показали, что наиболее целесообразно при расходе жидкого чугуна в диапазоне (450-500) кг/т стали применять технологию с заливкой жидкого чугуна после проплавления завалки, а при расходе жидкого чугуна в диапазоне (500-640) кг/т стали - применять технологию с заливкой жидкого чугуна на остаток металла и шлака и после чего производить завалку металлолома.

у = 0.0148хг07« R2 = 0.674

На рисунке 2 приведена сравнительная эффективность этих вариантов в зависимости от расхода жидкого чугуна с точки зрения длительности плавки. Технология защищена патентами РФ № 2302471, № 2312901.

75

= 70

I

= 65

^

| 60

^

I 55

£ 50

0

1 45 40

45 50 55 60 65 70 75

Количество жидкого чугуна на плавку, т

------Вариант шихтовки с заливкой жидкого чугуна на "болото"

-Вариант шихтовки с заливкой жидкого чугуна после проплавления

завалки

Рисунок 2 - Влияние расхода жидкого чугуна на длительность плавки рельсовой стали

С целью интенсификации процесса плавления и улучшения качества рельсовой стали разработана технология использования полуфабриката комбинированного (ПФК), представляющего собой чугунную чушку, во внутренней части которой залиты оксидные составляющие (агломерат, железная руда, окалина). Полуфабрикат композиционный, содержащий в качестве железоуглеродистого материала сплав с содержанием 3-4 % С, 0,10-0,50 % Бх, 0,10-0,50 % Мп, 0,07-0,11 % Р, а в качестве оксидного материала окатыши с содержанием 50-70 % Бе, 2-10 % 8Ю2, 1-8 % А1203, 0,5-10 % СаО, в виде чушек массой 10-20 кг изготовлен при разливке чугуна в доменном цехе. ПФК использовали при шихтовке взамен металлического лома.

Содержание кислорода в стали при использовании ПФК составило от 29 до 31 ррт, в среднем 30,3 ррт при уровне, требуемом ГОСТ Р 51685 не более 40,0 ррш; максимальная длина строчек хрупкоразрушенных оксидов сотавила в среднем 0,099 мм при уровне текущего производства 0,171 мм; уровень ударной вязкости при температуре +20 °С составил 46 Дж/см2 при нормативном уровне не менее 25 Дж/см2. Данные технологии защищены патентами РФ № 2400541, № 2409682.

При проведении необходимой дегазации должен быть обеспечен и требуемый уровень водорода, определяющий порог флокеночувствительности стали. Существенное влияние на прирост водорода по ходу внепечной обработки на АКП оказывает количество коксового порошка, присаживаемого для корректировки стали по содержанию углерода в первой ковшевой пробе (рисунок 3).

у = 0,0784.x2 • 8,9455x^-308,06

Т?2

* у

о 5

_ 1 • •

г^щ __ ш ' о

._ 0---° • о

• ! 0

» • -1Д728Х +74,527

я......—— - V = 0,3807

Рисунок 3 - Влияние количества коксовой пыли, присаженной на АКП, на прирост содержания водорода в стали

Введение в эксплуатацию вакууматора позволило исключить проблемы, связанные с ограничением массовой доли углерода. С этой целью проведены опыты по выплавке полупродукта без регламентации углерода по расплавлении. В начале выпуска металла из печи (до присадки ферросплавов и шлакообразующих) в ковш присаживали коксовую мелочь в количестве (180 - 410) кг/плавку в зависимости от содержания углерода в металле перед выпуском. При суммарной массе науглероживателя более 600 кг содержание водорода перед вакуумированием превышало 4,0 ррш, что делало невозможным производство рельсовой стали без обязательного вакуумирования. Содержание водорода в металле опытных плавок стали Э76Ф после обработки под вакуумом в течение 20 минут составило 1,24 ррт, для стали НЭ76Ф после обработки под вакуумом в течение 19 минут составило 0,9 ррш.

Разработанная технология позволила снизить продолжительность плавки на 7,5 минут - при выплавке стали Э76Ф и на 3 минуты для ДСП-100И7 и 5,5 минут для ДСП-100Н10 - при выплавке стали НЭ76Ф, а также снизить удельный расход электроэнергии на 55 кВт-час/т жидкой стали Э76Ф и на 7 кВт-час/т жидкой стали и 32 кВт-час/т жидкой стали соответственно для ДСП-100И7 и ДСП-100Н10 -при выплавке стали НЭ76Ф. Содержание кислорода в металле опытных плавок ниже, чем на плавках текущего производства и составляет в среднем 16,4 ррш против 20 ррш по базовой технологии. Полученные результаты показали положительное влияние увеличения окисленности полупродукта путем снижения массовой доли углерода на выпуске из ДСП на уровень содержания кислорода в готовых рельсах и возможность снижения массовой доли углерода в металле перед выпуском из печи.

Указанное обстоятельство имеет крайне важное значение, поскольку кислород, связанный в хрупкоразрушенные оксидные включения, представляет наибольшую опасность с точки зрения образования контактно-усталостных дефектов

в процессе эксплуатации рельсов и по рекомендациям ВНИИЖТ и ИМЕТ РАН им. Байкова не должен превышать 10 ррт. Исследования неметаллических включений выявили существенную зависимость длины строчек неметаллических включений от массовой доли кислорода в стали. Снижение содержания кислорода в рельсовой стали до уровня (10-15) ррт обеспечивает уменьшение длины строчек включений с 0,8 мм до содержания менее 0,1 мм. Определено, что изменение длины строчки неметаллических включений зависит от содержания кислорода (рисунок 4).

Содержание кислорода,%

Рисунок 4 - Изменение длины строчки неметаллических включений от содержания кислорода При содержании кислорода в готовых рельсах менее 25 ррт встречаются в основном строчки хрупкоразрушенных алюминатов кальция (Са0-А1203). Максимальная длина включений при таком содержании кислорода не превышает 10 мкм. Уровень загрязненности стали алюминатами кальция оценивается в среднем не более 1 балла по шкале ГОСТ 1778-70. Несмотря на исключение из технологии раскисления материалов, содержащих алюминий, частицы А1203 в строчках неметаллических включений присутствуют в связи с применением ферросплавов, содержащих более 1 % алюминия.

С повышением содержания кислорода до 40 ррт заметно изменяется характер и количество неметаллических включений. Количество хрупкоразрушенных оксидных включений уменьшается и возрастает доля деформируемых силикатов (РеО-8Ю2). В составе силикатных включений встречаются алюминий и кальций. Силикатные включения наблюдаются на шлифах в виде тонких равномерно распределенных строчек темно-серого цвета длиной от 0,12 до 0,30 мм. При более высоком содержании кислорода неметаллические включения представлены в основном силикатами длиной от 0,25 до 0,53 мм. Степень загрязненности стали этими включениями в среднем соответствует 2 баллу.

Считается, что мелкие пластичные силикаты по сравнению с хрупкоразру-шенными оксидными включениями в меньшей степени влияют на стойкость рельсов при эксплуатации, в связи с чем оксиды алюминия, заключенные в пластичную силикатную оболочку, будут являться, по-видимому, наиболее безопасным видом включения. Независимо от содержания кислорода наряду с эндоген-

ными включениями в рельсовой стали могут встречаться единичные включения экзогенного характера. Длина таких включений достигает 1,5 мм. Такие включения имеют многофазный состав и являются в основном продуктами взаимодействия шлака, огнеупоров и шлакообразующей смеси, подаваемой в кристаллизатор.

В зависимости от состава многофазные шлаковые включения проявляют неодинаковую деформируемость при прокатке. Одни включения, в состав которых входят оксиды [Мп]>[85]>[А1]>[Са], пластически деформируются при прокатке, образуя грубые строчки с острыми или расщепленными концами. Включения, состоящие из оксидов [Са]>[51]>[Мп]>[А1]>[Т1]>[М§]>[К], не деформируются и образуют волнистую строчку. Исследования показали, что достижение цели снижения содержания кислорода в стали приводит к заметному уменьшению количества деформируемых силикатных включений и возрастанию доли хрупкораз-рушенных сложных оксидов.

Опыт полигонных испытаний опытных партий рельсов на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ показал, что эксплуатационная стойкость рельсов от партий, отличающихся повышенной долей силикатов, оказалась выше по сравнению с рельсами от партий из вакуумированной стали, отличающихся существенно меньшим количеством силикатов и большим - алюминатов кальция. Это свидетельствуют о том, что эксплуатационная стойкость рельсов не определяется только содержанием кислорода в стали, а предопределена типом неметаллических включений. Для обеспечения наиболее высоких служебных свойств рельсов, безусловно, предпочтительна минимальная загрязненность по неметаллическим включениям, но все более отчетливой и очевидной становится проблема обеспечения определенного вида и состава неметаллических включений при снижении содержания общего кислорода в стали. Разработаная технология производства вакуумируемой стали с выпуском металла из печи с пониженного содержания углерода (не менее 0,10 %) защищена патентами РФ № 2325447, № 2415180.

В третьей главе приведены результаты исследования закономерностей поведения кислорода и разработки технологии внепечной обработки рельсовой электростали.

Ранее в ЭСПЦ ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗСМК» внепечная обработка стали проводилась на установках продувки стали аргоном (УПСА) через верхнюю погружаемую футерованную фурму, либо через донную пористую фурму, установленную в днище сталеразливочного ковша, где производилась присадка необходимых ферросплавов.

После ввода в эксплуатацию агрегатов «печь-ковш» разработана технология обработки рельсовой стали с раскислением силикокальцием в ковше. Для раскисления использовалась порошковая проволока с наполнителем из силикокальция следующего химического состава: Са в пределах (28 — 32) %, не менее 48 %, С не более 2,7 %, Р не более 0,06 %, А1 не более 2,0 %.

В ходе проведенных исследований выявлена зависимость, позволившая внестия ограничения по содержанию (Ре0)<0,5% (рисунок 6).

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 12 1.4 Содержание FeO в ковшеком шлаке, % Рисунок 6 - Влияние содержания (FeO) в ковшевом шлаке на концентрацию кислорода в стали

Исследования различных вариантов технологии показали, что оптимальная технология состоит в присадке после наведения шлака первой порции проволоки с силикокальцием из расчета введения в металл 125 г кальция на тонну жидкой стали. Далее при получении необходимого состава металла производится присадка второй порции проволоки с силикокальцием за 5 мин до конца обработки из расчета введения в металл 125 г кальция на тонну жидкой стали. Присадка первой порции силикокальция частично раскисляет сталь и обеспечивает возможность лучшей флотации продуктов раскисления при обработке на АКП. Присадка второй порции силикокальция позволяет окончательно раскислить сталь и трансформировать оставшиеся в металле продукты раскисления в глобули. Одним из определяющих факторов удаления кислорода является длительность обработки стали на АКП (рисунок 7).

40 35 30 25 20 15 10 5 О

-О 40 60 80 100

Продолжительность обработки на АКП, мин

Рисунок 7 - Влияние длительности обработки на АКП на содержание кислорода в стали

Анализ результатов экспериментальных плавок показал, что для получения содержания кислорода в стали менее 25 ррт длительность обработки рельсовой стали должна быть не менее 40 мин. Разработанная на основе полученных резуль-

СЗ"

¡5

татов технология обеспечила снижение уровня загрязненности стали по неметаллическим включениям (снижена средняя длина строчки хрупкоразрушенных оксидов) с 0,22 до 0,19 мм, снижение уровня отбраковки рельсов по макроструктуре с 3,85 до 2,63 %. Технология обработки рельсовой стали с раскислением силико-кальцием в ковше защищена патентами РФ № 2425154, № 2254380.

Проведены исследования процесса выплавки стали с использованием для раскисления карбида кальция по следующей схеме: после достижения необходимой температуры и требуемого содержания углерода нераскисленный металл выпускали в ковш без шлака. Перед выпуском металла из печи на дно ковша присаживали в открытых металлических емкостях карбид кальция массой по 50 кг, а также плавиковый шпат и известь. В опытах использовали карбид кальция по ГОСТ 1460-81, фракции 25-80 мм. После выпуска ковш с металлом транспортировался на агрегат «ковш-печь», где производилось дальнейшее доведение стали до требуемого химического состава и температуры разливки.

Установлено, что при применении технологии с использованием карбида кальция снизилась конечная концентрация кислорода в стали (содержание кислорода на опытных плавках изменялось от 15 до 35 ррш, в среднем 24 ррт, в то время как на плавках с использованием базовой технологии 27 ррт), причем значительно увеличилась степень усвоения марганца (с 95,8 % по базовой технологии до 96,71 % - по опытной технологии) и кремния (с 84,90 % по базовой до 98,97 % - по опытной). Снижена максимальная длина строчки хрупкоразрушенных оксидов, как в головных, так и в хвостовых заготовках в среднем на 0,058 мм. Разработанная технология позволила значительно повысить эксплуатационные свойства железнодорожной продукции и снизить ее себестоимость. На технологию получены патенты РФ № 2325447, № 2333256.

В результате экспериментальных исследований подобраны оптимальные режимы обработки на вакууматоре. Достигнуто снижение кислорода в рельсовой стали в среднем с 29 ррт до 22,5 ррт в вакуумированном металле. При этом 34,2 % плавок имели содержание кислорода до 20 ррт включительно.

Экспериментально установлено, что содержание водорода до 2 ррт включительно достигается за время обработки под глубоким вакуумом в течение 15 минут. В процессе обработки на вакууматоре происходит снижение температуры металла в среднем на 80 °С (в интервале от 53 до 102 °С). При средней скорости падения температуры за период обработки (собственно вакуумирование плюс очистительная продувка) 1,57 °С/мин скорость снижения температуры в процессе обработки под глубоким вакуумом составила 2,87 °С/мин.

Средняя длина строчек хрупкоразрушенных оксидов в металле вакуумиро-ванных плавок меньше (0,011 мм), чем в металле текущего производства (0,145 мм). Разработанная технология защищена патентом РФ № 2415180.

В четвертой главе приведены результаты разработки технологии производства новых марок рельсовой стали, используемой при производстве железнодорожных рельсов с высокими служебными свойствами.

Результаты исследований показали, что одним из путей решения задачи повышения износостойкости рельсов, является увеличение углерода до 0,95 % в стали при микролегировании ее ванадием (0,08-0,11%) и азотом (0,013-0,017%). В

связи с этим были предложены новые составы стали для производства рельсов и технологии их изготовления:

- сталь марки Э83Ф, содержащая 0,78-0,88 % С, 0,75-1,05 % Мп, 0,25-0,45 % 81, <0,020 % Р, <0,015 % Б, <0,15 % Сг, <0,15 % <0,15 % Си, <0,020 % А1, 0,03-0,15 % V, 0,008-0,015 % N5

- сталь марки Э90АФ с химическим составом: 0,85-0,95 % С, 0,65-1,10 % Мп, 0,30-0,65 % 81, <0,020 % Р, <0,015 % 8, <0,15 % Сг, <0,15 % М, <0,15 % Си, <0,005 % А1, 0,03-0,15 % V, 0,012-0,020 % N.

За счет образования мелкодисперсного перлита термически упрочненные опытные рельсы Р65К из стали марок Э83Ф и Э90АФ показали преимущество по механическим свойствам и твердости по сравнению с рельсами серийного производства. Сравнительный анализ показал, что закаленные рельсы из стали с повышенным углеродом (0,83-0,90 %) по уровню прочности и твердости превосходят рельсы из стали Э76Ф.

Для оценки потребительских свойств опытных рельсов типа Р65К проведено испытание на износостойкость в условиях тяжеловесного движения в кривых малого радиуса, поэтому эксплуатационные испытания опытных рельсов из заэв-тектоидной стали марки Э83Ф проводили на Восточно-Сибирской железной дороге. Рельсы были уложены на участки Глубокая-Андриановская (5272 км) и Ан-дриановская-Ангасолка (5274 км) в кривые радиусом соответственно 394 и 294 м. С момента укладки рельсов на первом и втором участках было пропущено соответственно 98,042 и 39,381 млн.т. брутто груза. Величина среднего бокового износа при этом составила соответственно 7,65 мм и 2,9 мм. Уровень износостойкости рельсов оценивался по удельному боковому износу, который на перегонах Глубокая-Андриановская и Андриановская-Ангасолка составил соответственно 0,078 мм и 0,074 мм на 1 млн.т. брутто. Для стандартных рельсов этот показатель значительно выше и составляет 0,124 мм.

На основании полученных положительных результатов исследования разработаны технические условия ТУ 0921-125-01124328-2001 и ТУ 0921-125-01124328-2003 для производства рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости из стали марок Э83Ф и Э90АФ. Химический состав стали защищен патентами РФ № 2449045, № 2457272.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании накопленного опыта производства железнодорожных рельсов из электростали в части выплавки рельсовой стали в дуговых электропечах и обработки на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре показана перспективность производства железнодорожных рельсов из электростали. Изучены и усовершенствованы технологии выплавки стали в дуговых электросталеплавильных печах с оставлением шлака и части металла в печи и низким содержанием углерода после продувки кислородом, режимы раскисления и шлаковые режимы на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре, позволившие снизить содержание кислорода и водорода в стали, а также уменьшить уровень загрязненности стали неметаллическими включениями.

2. Подтверждена решающая роль содержания кислорода в металле на стойкость рельсов. При использовании вакууматора и агрегата «ковш-печь», для обеспечения требуемого уровня загрязненности стали неметаллическими включениями (средней длины строчки оксидов), содержание углерода в металле перед выпуском из печи должно быть не менее 0,10 %. Получены экспериментальные результаты влияния содержания кислорода в стали на состав и морфологию неметаллических включений.

3. Разработаны новые марки рельсовой стали для рельсов повышенного качества, предназначенных для эксплуатации в сложных условиях. Установлено, что для повышения износостойкости и контактной выносливости рельсов необходимо, чтобы химический состав стали отвечал условиям: содержание углерода не должно превышать 0,90 %, содержание ванадия 0,03 - 0,15 %, содержание азота 0,013-0,020 %. Для организации производства данных марок рельсовой стали разработаны и внедрены в производство новые технологии их выплавки и внепечной обработки. Получены результаты эксплуатационных испытаний опытных рельсов на экспериментальном кольце ВНИИЖТ. На основании экспериментальных данных разработаны технические условия ТУ 0921-125-01124328-2001 и ТУ 0921-125-01124328-2003 для производства рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО

В РАБОТАХ:

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Пофакторный анализ изменения удельного расхода графитированных электродов / Н. А. Козырев, А. Б. Тверской, Т. П. Захарова, Д. И. Гришин, Д. В. Бойков // Электрометаллургия. - 2010. - № 12. - С. 23-28.

2. Возможности улучшения качества рельсовой стали / Н. А. Козырев, Д. В. Бойков // Электрометаллургия. - 2012. - № 1. - С. 30-33.

3. Новая технология производства рельсовой стали / Н. А. Козырев, Е. В. Протопопов, Р. С. Айзатулов, Д. В. Бойков // Изв. вузов. Чер. металлургия. -2012,-№2.-С. 25-29.

4. Совершенствование технологии производства рельсовой стали / И. В. Александров, Е. П. Кузнецов, Д. В. Бойков, В. В. Могильный, Т. П. Захарова // Электрометаллургия. — 2013. - № 1. — С. 30-33.

5. Влияние окисленности расплава на качество рельсовой стали / А. Б. Юрьев, Н. А. Козырев, Д. В. Бойков, С. В. Фейлер, Т. П. Захарова // Изв. вузов. Чер. металлургия. — 2013. — № 2. — С. 11-15.

Патенты РФ:

6. Пат. 2254380 РФ, МПК7 С21 С7/00, 5/52 Способ получения рельсовой стали [Текст] / Павлов В. В., Козырев Н. А., Годик JI. А., Дементьев В. П., Обшаров М. В., Ботнев К. Е, Кузнецов, Е. П., Сычев П. Е., Тиммерман H. Н., Бойков Д. В., Александров И. В.; ОАО «Новокузнецкий металлургический ком-бинат».-№2003136328/02(038950), заявл. 15.12.03 ; опубл. 20.06.05, Бюл. № 17 (И ч.) - 7 с.

7. Пат. 2295587 РФ, МПК7 С22 С38/50 Рельсовая сталь [Текст] / Ворожищев В. И., Павлов В. В., Девяткин Ю. Д., Пятайкин Е. М., Годик JI. А., Могильный В. В., Дементьев В. П., Козырев Н. А., Шур Е. А., Тиммерман H. Н., Гаврилов В.В., Никитин C.B., Михайлов А.С., Горкавенко В.В., Бойков Д.В.; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат».-№2005120830/02(023520), заявл. 04.07.05 ; опубл. 20.03.07, Бюл. №8.-9 с.

8. Пат. 2312901 РФ, МПК7 С21 С5/52, С21 С7/06 Способ выплавки рельсовой стали [Текст] / Павлов В. В., Годик Л. А., Козырев Н. А., Кузнецов Е. П., Обшаров М. В., Бойков Д. В.; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат»,- № 2006114469/02(015727), заявл. 27.04.06 ; опубл. 20.12.07, Бюл. № 35 (II ч). - 6 с.

9. Пат. 2325447 РФ, МПК7 С21 С5/52 Способ выплавки рельсовой стали [Текст] / Павлов В. В., Годик JL А., Козырев Н. А., Ботнев К. Е., Бойков Д. В., Тиммерман H. Н.; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат».-№ 2006135919/02(039117), заявл. 10.10.06 ; опубл. 27.05.08, Бюл. № 15. (II ч). -5 с.

10. Пат. 2333256 РФ, МПК7 С21 С5/52 Способ выплавки рельсовой стали [Текст] / Павлов В. В., Девяткин Ю. Д., Годик Л. А., Козырев Н. А., Кузнецов Е. П., Дементьев В. П., Ботнев К. Е., Бойков Д. В.; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат».- № 2006144046/02(048094), заявл. 11.12.06 ; опубл. 10.09.08, Бюл. № 25 (П ч). - 6 с.

11. Пат. 2400541 РФ, МПК7 С21 С5/52, С21 С7/06 Способ выплавки рельсовой стали [Текст] / Юрьев А. Б., Козырев Н. А., Александров И. В., Кузнецов Е. П., Шабанов П. А., Бойков Д. В.; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат»,- № 2009125076/02(034682), Заявл. 30.06.09 ; опубл. 27.09.10, Бюл. № 27. - 7 с.

12. Пат. 2409682 РФ, МПК7 С21 С5/52 Способ выплавки стали [Текст] / Юрьев А. Б., Мухатдинов H. X., Козырев Н. А.. Кузнецов Е. П., Бойков Д. В., Тяпкин Е. С.; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат».-№ 2009125063/02(034668), заявл. 30.06.09 ; опубл. 30.06.11, Бюл. №2.-7 с.

13. Пат. 2415180 РФ, МПК7 С21 С5/52, С21 С7/00, Способ производства рельсовой стали [Текст] / Александров И. В., Козырев Н. А., Кузнецов Е. П., Бойков Д. В., Тиммерман H. Н., Корнева Л. В., Могильный В. В.; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат»,- № 2009143723/02(062186), Заявл. 25.11.09 ; опубл. 27.03.11, Бюл. №9.-7 с.

14. Пат. 2425154 РФ, МПК7 С21 С7/00 Способ рафинирования рельсовой стали в печь - ковше [Текст] / Мохов Г. В., Александров И. В., Козырев Н. А., Бойков Д. В., Захарова Т. П., Корнева Л. В., Могильный В. В.; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат».- № 2010102267/02(003165), Заявл. 25.01.10 ; опубл. 27.07.11, Бюл. № 21. - 7 с.

15. Пат. 2426813 РФ, МПК7 С22 С38/46 Рельсовая сталь [Текст] / Мохов Г. В., Мухатдинов H. X., Козырев Н. А., Корнева Л. В., Никулина А. Л., Бойков Д. В.; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат».-№ 2009149721/02(073378), Заявл. 30.12.09 ; опубл. 20.08.11, Бюл. № 23. -6 с.

16. Пат. 2302471 РФ, МПК8 С21 С5/52, С7/06 Способ выплавки стали в дуговой электропечи [Текст] / Девяткин Ю. Д., Кузнецов Е. П., Козырев Н. А., Годик Л. А., Ботнев К. Е., Бойков Д. В., Тиммерман Н. Н., Сычев П. Е., Данилов А. П., Захарова Т. П.; патентообладатель ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат». - № 2006114524/02, заявл. 27.04.06 ; опубл. 10.07.07, Бюл. № 19 (II ч.). - 6 с.

17. Пат. 2449045 РФ МПК7 С22 С38/46 Рельсовая сталь [Текст] / Юрьев А. Б., Волков К. В., Кузнецов Е. П., Юнин Г. Н., Могильный В. В., Корнева Л. В., Бойков Д. В.; ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат». - № 201018356/02, заявл. 26.11.10 ; опубл. 27.04.12, Бюл. № 12.-7 с.

18. Пат. 2457272 МПК7 С22 С38/46 Рельсовая сталь [Текст] / Волков К. В., Кузнецов Е. П., Могильный В. В., Корнева Л. В., Бойков Д. В., Атконова О. П.; ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат». -№2011106248/02, заявл. 17.02.11 ; опубл. 27.07.12, Бюл. №21.-6 с.

Труды в периодических изданиях и сборниках научно-практических конференций:

19. Разработка и освоение технологии внепечной обработки рельсовой стали низкотемпературной надежности, обеспечивающей высокий уровень ее служебных свойств / В. В. Павлов, Л. А. Годик, В. П. Дементьев, Н. Н. Тиммерман, Н. А. Козырев, А. П. Данилов, А. В. Токарев, Д. В. Бойков, П. Е. Сычев, М. В. Обшаров, К. Е. Ботнев //Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки, качества. Тр. Междунар. науч.-практич. конф. 25-26 мая 2006 г. - Т 1. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2006. - С. 135-141.

20. Освоение технологии выплавки рельсовой стали низкотемпературной надежности с пониженным содержанием водорода / Л. А. Годик, Н. А. Козырев, Р. А. Гизатуллин, О. И. Нохрина, Д. В. Бойков // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество. Тр. Всерос. науч.-практич. конференции 26-28 октября 2010 г. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2010. - С. 66-69.

21. Освоение технологии выплавки рельсовой стали низкотемпературной надежности с пониженным содержанием водорода / Л. А. Годик, Н. А. Козырев, Р. А. Гизатулин, О. И. Нохрина, Д. В. Бойков // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: Москва - Новокузнецк, 2011. - Вып. 27. —

C. 81-84.

22. Possibilities of improving the quality of rail steel / N. A. Kozyrev,

D. V. Boikov//Russian Metallurgy (Metally). - Vol 2012.-№ 12, P. 1062-1064.

23. Освоение выплавки рельсовой стали низкотемпературной надежности с пониженным содержанием водорода / Л. А. Годик, Н. А. Козырев, Р. А. Гизатулин, О. И. Нохрина, Д. В. Бойков // Инновационные технологии и экономика в машиностроении. Сб. тр. II Междунар. науч.-практич. конф. с элементами научной школы для молодых ученых. Юргинский технологический университет - Юрга: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2011. — С. 212-213.

24. Неметаллические включения в рельсовой электростали/ Н. А. Козырев, Р. А Гизатулин, Д. В. Бойков // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: Москва - Новокузнецк, 2011. - Вып. 28. — С. 22-27.

25. Повышение надежности сварного стыка рельсов низкотемпературной надежности из электростали /Д. В. Бойков, Р. Е. Крюков, Н. А. Козырев, О. И. Нохрина, Р. А. Гизатулин // Машиностроение - традиции и инновации: сб. тр. Всерос. молодежной конф. Юргинский технологический университет. - Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2011. - С. 20-21.

26. Снижение содержания кислорода в рельсовой электростали / Д. В. Бойков, Н. А. Козырев // Машиностроение - традиции и инновации: Сб. тр. Всерос. молодежной конф. Юргинский технологический университет. - Томск: Изд-во. Томского политехи, ун-та, 2011. — С. 439-441.

27. Влияние содержания кислорода в рельсовой электростали на характер неметаллических включений / Н. А. Козырев, Р. А. Гизатулин, Д. В. Бойков // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: Сб. тр. II Междунар. науч.-практич. конф. с элементами научной школы для молодых ученых; Юргинский технологический университет,- Юрга: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2011.-С. 241-244.

28. Factor analysis of specific consumption of graphitized electrodes / N. A. Kozyrev, A .B. Tverskoi, T. P. Zakharova, D. I. Grishin, D. B. Boikov // Russian Metallurgy( Metally ). - Vol 2011. -№ 12, - P. 1-6.

29. Результаты производства и качество рельсов ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» / В. В. Могильный, К. В. Волков, Е. П. Кузнецов, Д. В. Бойков // Промышленный транспорт. XXI век. - 2011. - № 6. - С. 41-44.

30. New production technology for rail steel / N. A. Kozyrev, E. V. Protopopov, R. S Aizatulov, D. V. Boikov // Steel in Translation. -2012. T. 42 -№ 2, - P. 110-113.

Подписано в печать 01 октября 2013 г. Формат бумаги 60*84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,05 Уч.изд.л. 1,17 Тираж 100 экз.

Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова,42

Издательский центр СибГИУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

ОАО "ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический

комбинат"

Бойков Дмитрий Владимирович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ВЫПЛАВКИ И ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАЛИ

Специальность 05.16.02-Металлургия черных, цветных и редких металлов

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Козырев Николай Анатольевич, доктор технических наук, профессор

Новокузнецк - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................... 4

Глава 1 Анализ состояния производства железнодорожных рельсов и постановка задач исследования...................................................... 9

1.1 Особенности технологии выплавки рельсовой стали в электропечах и технологии внепечной обработки.................................................... 9

1.2 Поведение газов в ходе сталеплавильного процесса и влияние их на

потребительские свойства рельсов................................................... 17

1.2.1 Поведение кислорода при плавке и влияние его концентрации на неметаллические включения и свойства железнодорожных рельсов......... 18

1.3 Влияние химического состава рельсовой стали на физико-

механические свойства железнодорожных рельсов.............................. 37

Выводы к главе 1.......................................................................... 46

Глава 2 Исследование закономерностей поведения кислорода и разработка технологии выплавки в дуговых электропечах рельсовой электростали.............................................................................. 47

2.1 Существующая технология выплавки рельсовой стали..................... 47

2.2 Методика определения содержания кислорода и водорода в стали...... 50

2.3 Методика исследования и испытания готовых рельсов..................... 53

2.4 Исследование и разработка новых технологий выплавки в дуговых электропечах стали, предназначенной для производства железнодорожных рельсов............................................................................... 56

2.4.1 Технология выплавки рельсовой стали с повышенной долей

чугуна..................................................................................... 59

2.4.2. Технология выплавки рельсовой стали с пониженным содержанием

углерода.................................................................................... 69

Выводы к главе 2........................................................................ 90

Глава 3 Исследование закономерностей поведения кислорода и разработка технологии внепечной обработки рельсовой электростали............ 91

3.1 Существующая технология внепечной обработки и разливки рельсовой электростали................................................................................................................................................91

3.2 Разработка новых технологий внепечной обработки рельсовой стали................................................................................................................................................................................93

3.2.1 Технологии внепечной обработки стали на агрегате «ковш-печь»..........93

3.2.1.1 Технология модифицирования рельсовой стали силикокальцием... 93

3.2.1.2 Технология раскисления рельсовой стали карбидом кальция..................98

3.2.2 Технологии внепечной обработки стали на вакууматоре................................103

Выводы к главе 3................................................................................................................................................108

Глава 4 Разработка технологии производства новых марок рельсовой стали для производства железнодорожных рельсов с высокими

служебными свойствам..................................................................................................................................109

Выводы к главе 4................................................................................................................................................127

Заключение..............................................................................................................................................................128

Список литературы..........................................................................................................................................130

Приложение............................................................................................................................................................148

Введение

Актуальность работы

Выплавка рельсовой стали в дуговых электросталеплавильных печах с проведением внепечной обработки и разливки на машинах непрерывного литья заготовок позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели производства железнодорожного проката. Однако изменение технологической схемы выплавки и внепечной обработки рельсовой стали, расширение ее сортамента и увеличение требований к эксплуатационным свойствам железнодорожных рельсов требуют проведения дополнительных исследований для определения рациональных параметров процесса. Поэтому разработка новых и совершенствование известных элементов технологии выплавки и внепечной обработки рельсовой электростали являются, несомненно, актуальными задачами.

Работа выполнена в соответствии с перечнем критических технологий Российской Федерации, раздел «Металлы и сплавы со специальными свойствами», утвержденным Президентом Российской Федерации 30.03.2002 г., и приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации, раздел «Производственные технологии», утвержденными Президентом РФ 30.03.2002 г.

Цель работы

Изучение, совершенствование и внедрение технологий выплавки в дуговых электросталеплавильных печах, внепечной обработки на агрегате «ковш-печь» и ва-кууматоре рельсовой электростали с высокими служебными свойствами.

Задачи исследования

1. Изучить и усовершенствовать технологии выплавки в дуговых электропечах и внепечной обработки стали, предназначенной для производства железнодорожных рельсов, соответствующих по качеству и служебным характеристикам лучшим образцам.

2. Разработать новые марки стали для производства железнодорожных рельсов с высокими эксплуатационными свойствами и технологии их производства.

Научная новизна

1. Установлено влияние изменения содержания кислорода в металле перед выпуском из дуговой электросталеплавильной печи на загрязненность рельсовой стали неметаллическими включениями и эксплуатационные свойства железнодорожных рельсов.

2. Определены оптимальные значения содержания углерода в металле в конце окислительного периода при выплавке стали в дуговой электросталеплавильной печи с последующей внепечной обработкой на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре для обеспечения высокого качества рельсовой стали.

3. Рассчитаны условия для снижения содержания кислорода, водорода и изменения характера неметаллических включений при внепечной обработке рельсовой стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре.

Практическая значимость

1. Разработаны новые технологии выплавки в дуговых электросталеплавильных печах и внепечной обработки на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VI) стали, предназначенной для производства железнодорожных рельсов

2. Экспериментально подтверждено влияние содержания основных химических элементов на свойства стали для производства рельсов и разработаны новые марки и технологии выплавки и внепечной обработки стали, что позволило производить железнодорожные рельсы, имеющие высокую эксплуатационную стойкость в пути.

Реализация результатов

1. На основе интерпретации выполненных исследований разработаны и внедрены в производство в электросталеплавильном цехе ОАО "ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат":

- усовершенствованные технологии выплавки рельсовой стали в 100-тонных дуговых электросталеплавильных печах ДСП-100И7 и ДСП-1 ООН 10 в том числе: с отсечкой печного шлака (патент РФ № 2254380), с оставлением жидкого остатка (патенты РФ № 2302471, № 2312901), с использованием карбида кальция (патент

РФ № 2325447), с использованием в качестве шихтовой составляющей жидкого (патент РФ № 2333256) и твердого чугуна (патенты РФ № 2409682, № 2415180, №2400541);

- технология внепечной обработки рельсовой стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа УБ (патент РФ № 2425154).

2. На основании экспериментальных исследований разработаны технологические положения для производства рельсовой стали и новые марки, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства железнодорожных рельсов, в том числе: азотсодержащая (патенты РФ № 2295587, № 2449045), заэвтектоидная (патенты РФ № 2426813, № 2457272).

Разработаны технические условия ТУ 0921-125-01124328-2001 и ТУ 0921-125-01124328-2003 для производства рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости.

Общий долевой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 12,8 млн. рублей.

Методы исследования

Промышленные исследования проведены на 100-тонных электродуговых печах ДСП-100И7 и ДСП-100Н10, агрегатах внепечной обработки типа «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VI).

Определение содержания кислорода в стали проведено по стандартной методике на газоанализаторе ТС-600 фирмы «ЬЕСО» методом восстановительного плавления в потоке инертного газа-носителя. Измерение содержания водорода в жидкой стали проводилось с использованием зондовой системы Нуёпэ модели ОН900. Химический состав, загрязненность неметаллическими включениями, макро- и микроструктура, механические свойства и твердость проконтролированы по стандартным методикам на сертифицированном оборудовании в аккредитованных лабораториях Испытательного Центра ЕВРАЗ ЗСМК. Неметаллические включения, величина зерна и микроструктура сталей изучены с помощью оптического микроскопа №ЮРНОТ-21. Электронно-микроскопическое исследование проведено на электронном микроскопе 1ЕС-200СХ прямым методом на фольгах и растровом электронном

микроскопе-микроанализаторе LEO EVO-40. Испытания механических свойств проведены на разрывной машине Z-250 и копровой машине МК-15. Измерение твердости проведено по стандартной методике на твердомере Бринелля. Копровые испытания проведены на рельсоиспытательном копре по стандартным методикам.

Степень достоверности и обоснованности научных положений, рекомендаций и выводов

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом экспериментальных данных; высокой степенью воспроизводимости результатов экспериментов; использованием статистических методов обработки экспериментальных данных, эффективностью предложенных технических решений, подтвержденной результатами промышленных испытаний и внедрением в производство.

Предмет защиты

1. Новые ресурсосберегающие технологии выплавки в дуговых электропечах, внепечной обработки стали на вакууматоре типа VD и на агрегате «ковш-печь», в том числе шлаковые режимы и режимы раскисления, обеспечивающие снижение концентрации газов и неметаллических включений в рельсовых сталях.

2. Результаты анализа влияния содержания кислорода в стали для производства рельсов на состав и морфологию неметаллических включений.

3. Новые марки стали для железнодорожных рельсов и технология их производства.

Автору принадлежит:

- анализ современного состояния технологии выплавки и внепечной обработки рельсовой стали, постановка задач исследования;

- выполнение экспериментальных и теоретических исследований;

- обоснование технологических решений выплавки и внепечной обработки рельсовой электростали;

- проведение промышленных исследований;

- обработка и обобщение результатов.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов п. 12 «Электрометаллургические процессы и агрегаты», п. 15 «Внепечная обработка металлов», п. 17 «Мате-риало- и энергосбережение при получении металлов и сплавов».

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях:

- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки, качества» (г. Новокузнецк, 2006 г.);

- конференциях «Неделя металлов в Москве» (г. Москва, 2009 г., 2010 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество» (г. Новокузнецк, 2010 г.);

- II Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2010 г.);

- Всероссийской молодежной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (г. Томск, 2011 г.).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 30 печатных работах, в том числе в 5 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций. Новизна предложенных технических решений защищена 13 патентами Российской Федерации.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 148 страницах, включая 30 рисунков, 31 таблицу, 1 приложение и содержит список литературы из 155 наименований.

Глава 1 Анализ состояния производства железнодорожных рельсов

и постановка задач исследования

1.1 Особенности технологии выплавки рельсовой стали в электропечах и технологии внепечной обработки

Рельсы для железных дорог до недавнего времени производились преимущественно из стали мартеновского способа выплавки, по этой причине наибольший теоретический и практический опыт накоплен для указанного способа производства [1, 2, 3, 4]. В Российской Федерации до начала 90х годов рельсовая сталь выплавлялась в ОАО « Нижнетагильский металлургический комбинат» (НТМК) и ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» (НКМК) - ныне ОАО "ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат" - в мартеновских 400-тонных печах скрап-рудным процессом.

Начиная с 1995 г выплавка рельсовой стали стала осуществляться на НТМК в кислородных конверторах, а с 2002 г на НКМК - в электродуговых печах.

Производство стали в дуговых электросталеплавильных печах в первые годы своего возникновения было незначительным и в 1960 г составляло 10,4 % от общего объема производства стали в мире. Себестоимость электростали была высокой и оправдывалась только на легированном сортаменте. С середины 60-х годов с увеличением удельной мощности трансформаторов, а также изменением конструкции печей и совершенствованием технологии выплавки производительность печей была значительно повышена, что улучшило и их технико-экономические показатели.

Вместе с тем, производство таких сталей, как рельсовая, значительно осложняется необходимостью обеспечения в них низкого уровня содержания примесей остаточных элементов, таких как хром, никель и медь, что может быть решено только путем значительных экономических затрат или путем значительного сужения сырьевых ресурсов.

Однако производство рельсов электросталеплавильного способа выплавки является перспективным по следующим причинам [4]:

- дуговая электропечь - это высокоэкономичный и универсальный агрегат, в котором можно использовать для выплавки стали различные шихтовые материалы. Цикл выплавки стали в электродуговой печи удачно согласуется с установками внепечной обработки стали и машинами непрерывного литья заготовок;

- прекращение выплавки стали, в том числе и рельсовой, в мартеновских печах, является, по сути, закономерным, и практически может быть восполнено только сталью, выплавленной в электропечах;

- технологические возможности электросталеплавильных печей являются более широкими, что позволяет осуществлять производство рельсов с улучшенными металлургическими свойствами, в том числе предназначенных для работы в самых сложных и жестких условиях.

Первоначально опыты по производству рельсовой стали проводились в электродуговых печах емкостью 60 тонн по технологии подшипниковой стали [5]. Шихтовка плавки производилась из расчета получения углерода по расплавлению в пределах (1,0-1,3) %, в окислительный период плавки производили присадку в печь извести и железной руды по (2-3) т каждого и 0,2 т плавикошпатового концентрата. Далее производили кислородную продувку длительностью от 20 до 30 минут со скоростью обезуглероживания порядка 0,37 % углерода в час. По окончании кислородной продувки скачивали окислительный шлак. Массовую долю углерода в металле корректировали присадкой в печь боя графита и ферромарганца, для раскисления использовали 75 % -ный ферросилиций. Кроме того сталь, как в печи, так и в ковше раскисляли присадкой алюминия в количестве (0,8-1,3) кг/т, при этом сталь загрязнялась включениями А^Оз - около 70 % всех неметаллических включений в стали составлял глинозем. Стойкость и надежность таких рельсов при испытании на экспериментальном кольце ВНИИЖТ МПС соответствовали уровню рельсов из стали, выплавленной в мартеновской печи.

Также опыты по производству рельсовой стали осуществляли в дуговых печах на Оскольском и Орско-Халиловском меткомбинатах, прокатка рельсов опытных плавок осуществлялась на Кузнецком металлургическом комбинате.

При испыта