Исследование процессов раскисления и модифицирования стали для железнодорожных колес с целью повышения их служебных свойств

Актуальность темы

диссертационной работы.

Значительная доля грузовых и пассажирских перевозок в РФ приходится на железнодорожный транспорт. Безопасность и эффективность перевозок в значительной мере зависят от надежности подвижного состава. Одним из важнейших показателей в ходе эксплуатации подвижного состава является качество железнодорожных колес, включающее в себя механические свойства колес и их эксплуатационная стойкость.

В последние годы в связи с растущими потребностями в перевозке грузов и сокращения парка вагонов происходит интенсификация использования подвижного состава, за счет увеличения скорости движения и снижения времени на ремонт и обслуживание. Кроме тогов настоящее время наблюдается тенденция к увеличению грузоподъемности {/'" подвижного состава (нагрузка на ось ж.-д. вагонов выросла с 230−250 кН в 1970;1990 гг. до 300 кН в 2000;х гг.). Также необходимо отметить повышение динамических нагрузок на колеса, связанные с увеличением жесткости пути, в первую очередь за счет применения железобетонных шпал,* вместо деревянных и увеличение доли щебня в V С подушке полотна и укладки в путь новых объемнозакаленных рельсов, — с твердостью !/' головки до 380 НВ (в настоящее время до 80% магистральных путей). При этом твердость колес на поверхности катания обычно не превышает 300 НВ. Дополнительным фактором, влияющим на эксплуатационную стойкость ж.-д. колес является увеличение теплового воздействия на колеса, связанного с применением новых композиционных колодок (до 95% тепла выделяющегося при торможении состава передается колесу) и увеличение-'скорости составов на перегонах. Указанные изменения привели к тому .что ресурс цельнокатаных колес по пробегу в настоящее время снизился >у" более чем в два раза^по отношению к 70−80 гг. прошлого века. J.

По данным ОАО «ВМЗ» крупнейшего в России производителя железнодорожных колес (объем производства ж.-д. колес ~ 800 тыс. шт. / год, что составляет около 60% рынка данной продукции в РФ) объемы досрочного вывода из эксплуатации и внеплановых ремонтов составляет около 200 тыс. шт./год, в том числе до 1/3 данного объема из-за дефектов металлургического производства.

Как показано в работах ИМЕТ РАН и ОАО «ВНИИЖТ» одной из основных V' причин досрочного вывода из эксплуатации как железнодорожных колес, так и рельсов являются контактно-усталостные дефекты, при возникновении которых концентраторами напряжений, как правило, служат крупные оксидные недеформируемые неметаллические включения*- с высоким содержанием А120з. В V работах, выполненных в ИМЕТ РАН^ показано, что эксплуатационная стойкость V транспортного металла в значительной степени зависит от чистоты стали по оксидным недеформируемым неметаллическим включениям.

Поэтому актуальной задачей является повышение чистоты транспортного металла по недеформируемым оксидным неметаллическим включениям с высоким содержанием AI2O3, снижение общей загрязненности стали неметаллическими включениями и повышение эксплуатационной стойкости колес, получаемых из этой стали, за счет микролегирования и модифицирования.

Настоящая работа, направлена на развитие физико-химических основ процессов микролегирования и раскисления колесной стали, исследование влияния различных модификаторов на загрязненность стали неметаллическими включениями, анализ и оптимизацию технологии внепечной обработки колесной стали с целью повышения, уровня механических свойств, чистоты по неметаллическим включениям и качества железнодорожных колес.

Цель работы.

Целью данной работы являлась разработка технологии внепечной обработки колесной стали, включая ее микролегирование карбонитридообразующими элементами и модифицирование барийсодержащими лигатурами с целью создания материала, способного обеспечить высокие эксплуатационные показатели, предъявляемые к железнодорожным колесам нового поколения, предназначенным для эксплуатации в условиях повышенных осевых нагрузок на современном высокоскоростном подвижном составе.

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

В ходе проведения работ применяли современные методы исследований качества металла: методы количественной металлографии на автоматическом анализаторе изображения Leco IA-32, оснащенном программным обеспечением Inclusion Expert с оценкой макро и микроструктуры металла, включая исследование размеров бывшего зерна аустенита на оптическом металлографическом микроскопе «OLYMPUS» РМЕ-3, оснащенным цифровой видеокамеройсканирующую электронную микроскопию с рентгеновским спектральным микроанализом неметаллических включений на микроскопах Hitachi S800, Carl Zeiss LEO 430i и Carl Zeiss CrossBeam 1540EsB с рентгеновским энергодисперсионными микроанализаторами типа INCA X-act и INCA Gemini. Химический анализ металла проводили на атомно-эмиссионных спектрометров тлеющего разряда Leco SA-2000 и Leco GDS-850A, определение серы и углерода на газоанализаторах Leco CS-400 и Leco CS-600 методом окислительного плавления, определение кислорода (включая метод фракционного газового анализа), и азота проводили на газоанализаторах Leco ТС-436 и Leco ТС-600 методом восстановительного плавления в потоке газа-носителя (гелий). Физико-химические расчеты проводили с применением современного оригинального программного обеспечения Nitrogen, OxSeP, Oxid, а также программного обеспечения Origin 8. Применение современных методов исследования, использование современного программного обеспечения и расчетных методов, а также хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных обеспечивало достоверность и обоснованность выводов и положений работы.

Научная новизна.

В работе были получены следующие новые научные результаты:

Термодинамическим анализом, лабораторными и промышленными экспериментами обоснована эффективность применения барийсодержащих лигатур для раскисления и модифицирования колесной стали, с целью снижения уровня загрязненности металла неметаллическими включениями и повышения механических свойств ж.-д. колес за счет измельчения структуры металла.

Предложен механизм влияния барийсодержащих модификаторов на качество колесной стали, за счет их модифицирующих свойств, улучшающих удаление крупных неметаллических включений в шлак и образование дисперсных (размер <100 нм) неметаллических включений на границах зерен металла, препятствующих росту зерна в ходе термо-механической обработки ж.-д. колес.

Термодинамическим анализом и промышленными экспериментами обоснована и показана эффективность применения микролегирования колесной стали карбо-нитридообразующими элементами, с целью повышения комплекса механических свойств цельнокатаных железнодорожных колес.

Впервые определены оптимальные концентрации микролегирующих элементов, таких как алюминий и ванадий, добавки которых способны значительно повысить качество колесной стали.

Практическая значимость работы.

Предложены оптимальные варианты микролегирования колесной стали карбидои нитридообразующими элементами, позволяющие значительно повысить уровень механических свойств цельнокатаных железнодорожных колес, предназначенных для эксплуатации на современном высокоскоростном подвижном составе в условиях повышенных осевых нагрузок. Предложены варианты раскисления и модифицирования стали, позволяющие значительно снизить загрязненность металла неметаллическими включениями, что привело к значительному снижению уровня отбраковки при производстве ж.-д., в том числе по дефектам, выявляемым при ультразвуковом контроле.

В результате проведения опытно-промышленного опробования на ОАО «ВМЗ» предложенных мероприятий по совершенствованию технологии, получен металл по уровню механических свойств, загрязненности неметаллическими включениями и уровню отбраковки значительно превосходящий сравнительный текущего производства.

В промышленных условиях ОАО «Выксунский металлургический завод» разработана и опробована технология внепечной обработки и раскисления колесной стали позволившая обеспечить значительное снижении уровня отбраковки при производстве железнодорожных колес нового поколения с повышенной прочностью и твердостью. Предложенные в работе положения по совершенствованию технологии учтены и использовались при составлении технологических инструкций по внепечной обработке колесной стали на ОАО «ВМЗ».

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 61-ой студенческой научной конференции «Металлургия-2006» (Москва, 2006 г.), IV, V, VI, IV Российской ежегодной конференций молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, 2007, 2008,2009, 2011 гг.), IX, X международном Конгрессе сталеплавильщиков (Старый Оскол, 2006 г., Магнитогорск, 2008 г.), 2-ой ежегодной научно-практической конференции «От лома до качественной стали» (Москва, 2008 г.), круглом столе «Разработка, производство и испытания ниобийсодержащий рельсовых, колесных и других транспортных сталей» (Москва, 2011 г.), 127-ом заседании Рельсовой комиссии (Анапа, 2011).