Исследование влияния способов и режимов регулируемого охлаждения на формирование структуры и свойств рельсовой стали

Работа посвящена исследованию влияния способов и режимов регулируемого охлаждения на формирование структуры и свойств рельсовой стали.

Стратегические  ориентиры в области пассажирских перевозок требуют значительного  увеличения маршрутной скорости движения пассажирских поездов во многих регионах России и сооружения высокоскоростных линий. Это требует от металлургической промышленности освоения производства рельсов, по которым можно ездить со скоростями до 350 км/ч. При этом для  уменьшения количества сварных швов необходимо перейти от использования  рельсов длиной 25 м к рельсам  длиной 50-100 м. Производство длинномерных рельсов является мировой тенденцией и освоено на многих зарубежных заводах.

Современными  тенденциями в технологиях термической  обработки рельсов являются дифференцированная закалка и закалка с использованием тепла прокатного нагрева.

Целью данной работы, является определение  оптимальных условий и режимов  термообработки.

Для достижения поставленной задачи были проведены:

• анализ требований ОАО «РЖД» к продукции и современных стандартов качества;
• анализ и исследование технологий термообработки рельсов на ОАО «НТМК» и на зарубежных предприятиях.

 

Рельсобалочный цех ОАО «НТМК» был введен в строй в 1949 году. Проектная мощность стана составляет 1200 тыс. т.

На  комбинате производятся рельсы для  различных условий эксплуатации:

• рельсы низкотемпературной надежности из стали с повышенным содержанием ванадия и азота.
• рельсы повышенной износостойкости, предназначенные для службы в кривых участках пути малого радиуса.
• рельсы для скоростных участков пути, отвечающие высоким требованиям по прямолинейности;
• рельсы типов UIC60 и 136RE, отвечающие требованиям международных стандартов, для поставок на зарубежный рынок;
• нетермоупроченные рельсы типов Р50 и Р65 для метрополитенов.

 

Постоянное  совершенствование и оптимизация  технологии производства стали, включая  выплавку в кислородных конвертерах, внепечную обработку на установке  «печь-ковш», вакуумирование и разливку на МНЛЗ привели к тому, что качество рельсовой стали и готовых рельсов практически по всем аттестационным характеристикам, в частности по макроструктуре, физико-механическим свойствам, ударной вязкости, твёрдости, газонасыщенности, загрязнённости неметаллическими включениями, флокеночувствительности, по сортности и браку, отсортировке в «передел» по различным причинам и выходу 25-метровых рельсов. При этом снизился сквозной расходный коэффициент на производство 1 т.

Однако, несмотря на достигнутые успехи, сравнение  качества российских рельсов производства НТМК  с зарубежными образцами, проведенное ОАО «РЖД»  показывает лидерство зарубежных образцов. При этом ежегодная потребность в рельсах категории В составляет около 70% от общей ежегодной потребности в рельсах для сети железных дорог РФ. А потребность ОАО «РЖД»в железнодорожных рельсах длиной 50 м и более составляет 90% от общего объема поставок.

 

В проекте  нового национального стандарта  представлены основные технические  требования, предъявляемые к рельсам. При этом вносится ряд новых принципиальных положений и изменений:

1. Изменяется классификация рельсов, в соответствии с которой рельсы подразделяют :

• по назначению на категории: общего назначения (ОН); специального назначения: низкотемпературной надежности (НН); повышенной износостойкости и контактной выносливости (ИК); для скоростного совмещенного движения (СС); для высокоскоростного движения (ВС);

• по упрочнению: термоупрочненные - подвергнутые дифференцированному упрочнению по сечению рельса (ДТ) или объемной закалке и отпуску (ОТ); нетермоупрочнённые (НТ);
• по типам: Р50; Р65; Р65К (для наружных нитей кривых участков пути);
• Р75;
• по классу прочности (твердости): ОТ400, ДТ400 (термоупрочненные);
• ОТ370, ДТ370 (термоупрочненные); ОТ350, ДТ350 (термоупрочненные); НТ320 (нетермоупрочнённые); НТ260 (нетермоупрочнённые);
• по классу точности изготовления профиля (классу профиля): X; Y;
• по классу прямолинейности: А; В; С;
• по наличию болтовых отверстий на концах: с отверстиями, без отверстий.

 

2. Вводятся новые требования  к  технологии производства рельсов, которые предполагают автоматизацию производства, более тщательный контроль и более современную систему термоупрочнения.
3. Устанавливаются новые дифференцированные требования к качеству рельсов.
4. Предусматривается производство рельсов в длинномерном исполнении.

 

  Согласно новому стандарту микроструктура  металла головки термоупрочнённых  рельсов должна представлять  пластинчатый перлит дисперсностью  не более балла 4, а нетермоупрочнённых  рельсов - балла 8 по ГОСТ 8233.

 

В целом по механическим свойствам  и ударной вязкости рельсы, произведенные  на ОАО «НТМК» удовлетворяют требованиям  стандарта. Но производство всё же имеет  ряд недостатков, которые будут  рассмотрены ниже.

 

Методика выбора интервала температур и скорости охлаждения.

Температура закалки для сталей большинства  марок определяется положением критических  точек А₁ и А₃. Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо-углерод (рис.4). она должна быть на 30 - 50°С выше точки А1.

Слайд 11.

Скорость охлаждения определим  из диаграммы изометрического распада  аустенита с наложенными на неё  кривыми охлаждения.

при охлаждении по линия V₁ продуктом превращения будет перлит с низкой твердостью (крупнопластинчатый). Графически мы можем определить, что скорость V₁≈0,08 °С/сек.

При более быстром охлаждении кривые V₂ и V₃ образутся более дисперсные продукты. Графически определяем, что скорость V₂≈2 °С/сек, а скорость V₃≈22°С/сек

Из этого построения видно, что  чем больше скорость охлаждения, тем  при более низкой температуре  произойдет превращение, и поэтому  тем более дисперсными будут  продукты превращения .

 

Слайд 12.

Рассмотрим  технологию термоупрочнения, применяемую  на НТМК.

Рельсы нагревают  в семизонной печи, которая обеспечивает температуру при их выдаче не ниже 820°С и подают на установку для подстуживания рельсов для термической правки, которую производят водовоздушной смесью с помощью брызгал при транспортировке рельсов по рольгангу. Подстуживание предотвращает подгиб концов рельсов вниз после закалки. Затем рельсы подают в закалочную машину револьверного типа, где они погружаются в индустриальное масло и охлаждаются в нем в течение 5 мин. Закаленные рельсы выдают на загрузочный стеллаж перед отпускной печью, где их набирают в пакеты и передают в десятизонную отпускную печь. После отпуска рельсы охлаждаются на холодильнике.

Термоупрочнение рельсов в масле имеет ряд  существенных недостатков:

1. Повторный объемный нагрев и объемная закалка приводят к искривлению рельсов и изменению их размеров.
2. технология закалки рельсов в масле позволяет закаливать рельсы длиной 25 м, так как закалочная установки револьверного типа не позволяет производить термическую обработку рельсов большей длины. Исходя из такого ограничения производство 100-метровых рельсов на ОАО НТМК не возможно.
3. Отсутствует возможность существенного регулирования скорости охлаждения рельса
4. Использование масла в качестве закалочной среды вызывает загрязнение атмосферы продуктами его испарения и создает высокую пожароопасность.
5. Не осуществляется дифференцированная закалка, хотя В настоящее время считается, что наибольшей эксплуатационной стойкостью обладают рельсы с дифференцированной по сечению прочностью.

 

Слайд 13 Слайд 14.

Слайд 15.

Проведенный анализ зарубежной практики термоупрочнения рельсов свидетельствует  о следующих основных тенденциях:

1. В настоящее время ведущие производители термоупрочнённых рельсов (Япония, Австрия, США) успешно применяют экономичные способы термоупрочнения в потоке прокатного стана с использованием тепла прокатного нагрева.

Ряд фирм производит термоупрочнение с повторного нагрева. Для этого используют, преимущественно, индукционный нагрев (в промышленном масштабе во Франции и ранее в  Канаде).

Небольшое количество предприятий производят термоупрочнение  с использованием тепла печного  нагрева.

Сравнивая эти  технологии термоупрочнения, следует  отметить, что с точки зрения получения  рельсов с высокими эксплуатационными  свойствами, термообработка с использованием тепла прокатного нагрева является наиболее оптимальным вариантом.

2. В настоящее время за рубежом предпочтение отдается дифференцированному способу охлаждения, т. е. охлаждению элементов профиля рельса с различными скоростями. С большей скоростью охлаждается головка и с меньшей скоростью - подошва рельсов. Это позволяет получать рельсы с требуемым уровнем дифференцированной прочности по их сечению, а также с требуемой прямолинейностью.

3. Охлаждение рельсов при использовании тепла прокатного нагрева осуществляют струями воды, сжатым воздухом и в ванне с водными растворами различного состава. При этом Дифференцированное охлаждение чаще проводится в ванне и сжатым воздухом.

Опыты по дифференцированной закалке  проб рельсов, проведенные ОАО "ВНИИМТ" и ОАО "УИМ", показали, что при  стадийном охлаждении головки с  более медленным охлаждением  на второй стадии в верхней половине головки формируется более однородная структура что позволяет заключить, что в закалочном устройстве должна быть предусмотрена возможность обеспечения трёхстадийного процесса закалки с различными скоростями охлаждения на каждой стадии.

Слайд 16.

Выбор способа охлаждения зависит от таких  факторов как:

• Вид закалки (объёмная или дифференцированная)
• Равномерность свойств закаленного слоя головки рельса
• Обеспечение заданной микроструктуры
• Пределы физических характеристик закалочного раствора
• Технологическая схема установки, для обеспечения стабильности и воспроизводимости технологических параметров  (скорости охлаждения, температуры и т.д.)
• Текущие и эксплуатационные расходы
• Вопросы экологии
• Исходя из требований к свойствам различных элементов рельсов, предъявляемых в проекте ГОСТ Р 15865 и EN 13674-1, при реконструкции РБЦ целесообразно выбрать технологию термоупрочнения рельсов с использованием тепла прокатного нагрева и дифференцированным охлаждением элементов профиля. Такая технология позволит производить рельсы общего назначения, повышенной износостойкости и контактной выносливости, для скоростного совмещенного движения и для высокоскоростного движения различных классов прочности и всего спектра химического состава.

 

Слайд 17. Выбор закалочной среды. Закалочная среда охлаждает тем интенсивнее, чем шире интервал стадии пузырчатого кипения.Кроме того, интенсивность охлаждения зависит от температуры среды, от её физических свойств, вязкости, скрытой теплоты парообразования.

Рассмотрим  достоинства и недостатки различных  закалочных сред.

Воздух является однородной средой, обеспечивающей стабильное охлаждение, также применение воздуха как охладителя наиболее экономично, но воздух обладает недостаточной охладительной способностью, поэтому требуется легирование.

 Водовоздушная смесь неоднородна и требует использования сложного оборудования для обеспечения необходимого соотношения воды и воздуха. Использование водовоздушной смеси и воды предполагает очистку воды.Также охлаждающая способность воды не достаточна и поэтому требуется микролегирование.

Недостатком полимерной среды является необходимость специальных мероприятий  по сохранению постоянной скорости охлаждения за счёт поддержания химического  состава и температуры среды. но полимерная среда обладает высокой охлаждающей способностью, такой, что мы можем свести микролегирование к минимуму.

На  основе проведенного анализа рекомендуется  выбрать технологию термообработки способом погружения головки рельса в ванну с водным раствором  полимера.

 

Слайд 18.

Как образец применения данной технологии может быть предложена технология фирмы  Danieli, проводящая закалку рельсов по системе погружения RH².

Используя такую систему, фирма  Danieli получила термоупрочненные рельсы, с основными характеристиками такими как :

• высокие твердость головки; износостойкость; сопротивление контактной усталости; предел прочности;
• высокие значения ударной вязкости;
• применение при низких температурах (до -60°С);
• полностью перлитная микроструктура;

Закалка подразделяется на три этапа. Первый этап: температура  поверхности головки, без фазовых  превращений, снижается до начала перлитного превращения.

Слайд 19.Второй этап: рельс выдерживается на воздухе, в целях уменьшения температурного перепада между поверхностью и внутренними слоями и достижения однородности конечного размера зерна.

Слайд 20.Третий этап: при охлаждении на контролируемой скорости происходит фазовое превращение (γ-железа в перлит).

Слайд 21.

• преимущества системы Danieli закалки способом погружения RH2:
• однородность размера зерна достаточно глубокого внутреннего слоя головки (20-25мм), как следствие трехэтапного процесса
• температурный контроль начала превращения аустенита в перлит (начало третьей стадии), и последующая гарантируемая воспроизводимость свойств рельсов. Ввиду продолжительности первого этапа термообработки.
• «высокий» перлит и мелкое зерно, благодаря жесткому контролю параметров охлаждения