Совершенствование базовых элементов технологии прокатки и освоение производства железнодорожных рельсов повышенной эксплуатационной стойкости (стр. 4 )

Существенное значение имеет создание рельсов низкотемпературной надежности. Новая технология производства таких рельсов позволила обеспечить безопасность движения при температурах минус 40°С и ниже. По данным служб пути на дорогах, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями, одиночные изъятия по дефектам в 2,0 - 2,5 раза больше зимой, чем летом. Низкие температуры особенно неблагоприятно сказываются на развитии усталостных трещин в головке рельсов, уложенных на бесстыковом пути, а также на пластичности и вязкости, в результате чего возможно хрупкое разрушение рельса.

Таблица 2 – Химический состав новых марок рельсовой стали

Марка стали	Содержание элементов, % масс.
C	Mn	Si	V	N	Cr	Ni,Cu	Nb	S	P
Э90АФ	0,75-0,90	0,75-1,25	0,25-0,65	0,03-0,15	0,007-0,020	0,20-0,60	0,30	0,001-0,12	0,020	0,025
НЭ	0,71-0,82	0,75-1,15	0,25-0,60	0,05-0,15	0,005-0,015	0,2	0,03-0,15	0,005-0,025	0,020	0,025
Э75ХГФ	0,65-0,75	0,85-1,20	0,30-0,55	0,07-0,15	0,007-0,020	0,40-0,95	0,03-0,30	0,05-0,15	0,020	0,025
Э76Ф	0,71-0,82	0,75-1,05	0,25-0,45	0,03-0,15	-	-	0,30	-	0,025	0,030

 

Рисунок 7 – Износостойкость рельсов из заэвтектоидной стали по результатам пробеговых испытаний на перевальном участке Восточно-Сибирской железной дороги

Чтобы повысить низкотемпературную надежность рельсового металла, необходимо обеспечить формирование мелкокристаллической структуры за счет образования карбонитридов ванадия, что возможно при достаточном количестве ванадия и азота в стали. Установлено, что гарантированное получение необходимой ударной вязкости рельсов низкотемпературной надежности обеспечивается при содержании азота 0,010 - 0,020 % и ванадия 0,07 - 0,08 %.

Благодаря оптимизации химического состава углеродистой рельсовой электростали и применению технологии карбонитридного упрочнения достигнуто значительное повышение эксплуатационной стойкости рельсов до уровня мировых стандартов, обеспечившее наработку более 1 млрд. т брутто (рисунок 8).

Рисунок 8 – Эксплуатационная стойкость рельсов повышенной низкотемпературной надежности

Производство рельсов из низколегированной стали позволяет при достаточно высоком уровне прочности улучшить геометрические параметры за счет исключения завершающей термообработки.

В связи с этим важным является разработка и промышленное опробование производства рельсов из низколегированной стали без термообработки, комплексная оценка качества, уровня механических свойств и сопротивления разрушению, в том числе при стендовых испытаниях полнопрофильных рельсовых проб.

Установлено, что макро- и микроструктура рельсов непосредственно после прокатки, а также механические свойства рельсов удовлетворяют требованиям ГОСТ Р 51685. Крупных включений длиной более 4 мм, не допустимых по ГОСТ Р 51685 для рельсов группы Т1, в исследуемых рельсах не обнаружено. Работа зарождения и распространения трещины горячекатаных рельсов из стали типа Э75ХГФ составляет 2,2 и 13,9 Дж/см2, что близко к значениям этих характеристик для термообработанных рельсов из углеродистой стали Э76Ф – 2,6 и 15,0 Дж/см2 соответственно (таблица 3).

Вязкость разрушения К1с для рельсов из стали Э75ХГФ такая же, как для термообработанных рельсов из стали Э76Ф и составляет 73 МПа√м.

Таким образом, механические свойства горячекатаных рельсов из низколегированной стали находятся на уровне объемнозакаленных рельсов из простой углеродистой стали.

Таблица 3 – Механические свойства и параметры сопротивления разрушению рельсов из стали Э75ХГФ в горячекатаном состоянии

Завод изготовитель	sв,	s0,2	d	y	НВ	KCU	f, мм (копровые испытания)
Н/мм2	%	Дж/см2
	1200	840	8,0	25,0	341	30,8	30 (Н=7,3м) (Т=20°С)
ГОСТ Р 51685 (рельсы категории Т1)	≥1200	≥840	≥8,0	≥25	≥341	≥25

 

Марка стали	Состояние	sр	sот	fпл	Аз	Ар	Аå	KIC, МПаÖм
Н/мм2	мм	Дж/см2
Э75ХГФ	горячекатаное	1893	1705	0,07	2,2	13,9	16,1	73
Э76Ф	горячекатаное	1485	1373	0,055	1,7	11	12,7	50
Э76Ф	термообработанные	2130	1850	0,08	2,6	15	17,6	73
М76Ф	термообработанные	2300	2005	0,07	2,7	18,2	20,9	53

Испытания рельсовых проб длиной 1,2 м проводили на базе 2х106 циклов при асимметричном цикле нагружения с коэффициентом асимметрии 0,1 и частоте нагружения 300 цикл/мин. Испытания показали, что рельсы из низколегированной стали обладают более высокой усталостной прочностью, чем объёмнозакалённые рельсы из углеродистой стали (рисунок 8).

Рисунок 9 – Изменение усталостной прочности при натурных испытаниях рельсов из стали Э75ХГФ в горячекатаном (2) и отожженном (1) состояниях и стали М76В после объемной закалки и отпуска

Таким образом, разработаны и запатентованы химический состав и технология производства рельсов из низколегированной стали Э76ХГФ. Эти рельсы в горячекатаном состоянии имеют удовлетворительное качество по неметаллическим включениям, макро- и микроструктуре, копровой прочности, механическим характеристикам и усталостной прочности.

Внедрение новых марок рельсовых сталей специального назначения – повышенной износостойкости, хладостойкости и низколегированных без финишной термообработки позволило повысить уровень твердости головки рельса до 400-415 НВ, увеличить износостойкость на 35-40%, хладостойкость до KCU = 25-60 Дж/см2 при -600С, усталостную прочность на 10% и довести срок эксплуатации рельсов до уровня мировых стандартов, т.е. обеспечить наработку более 1 млрд. т брутто.

Суммарный экономический эффект от внедрения комплекса операционных улучшений технологии массового производства рельсов и освоения производства новых марок рельсовой стали в условиях составил более 150 млн. рублей.

Общие выводы:

1. На основании комплексных исследований усовершенствована технология прокатки рельсов в черновой и чистовой клетях рельсобалочного стана, обеспечивающая повышение качества и уровня потребительских свойств рельсов, а также увеличивающая производительность стана. Разработаны и прошли промышленное опробование новые марки рельсовых сталей специального назначения.

2. На базе анализа и обобщения опыта производства качественной металлопродукции разработана комплексная методика операционных улучшений металлургического процесса производства рельсов для повышения эффективности технологических режимов и параметров оборудования. Показано, что на современном этапе развития сталеплавильного производства, когда его технология устойчива и стабильна, ключевым моментом в повышении качества железнодорожных рельсов должно стать совершенствование технологии прокатного производства, которое обеспечит получение требуемой формы, прямолинейности и профиля.

3. На основе математической модели для определения энергосиловых параметров и температуры в реверсивной клети «дуо» рельсобалочного стана проведен анализ процесса прокатки рельсов при различных температурах и снижена температура деформации в клети «900» до 11700С взамен 12000С, при сокращении цикла перемещения балки ПШБ с 54 до 51 с и увеличению производительности на 100 тыс.т./год.

4. Разработан способ упрочнения электродуговой закалкой, и рассчитана новая форма чистового калибра рельсобалочного стана, позволяющие обеспечить снижение расхода валков на 0,2 кг/т, а также стабильность размера профиля рельса, его симметричность и снижение веса погонного метра рельса на 0,3 кг.

5. Разработаны технологические режимы выплавки рельсовой стали в электропечах, обеспечивающие повышение комплекса физико-механических свойств стали, уменьшение загрязненности неметаллическими включениями и газами, снижение массовой доли остаточных элементов, снижение отбраковки металла по поверхностным дефектам на 0,7%, повышение серийности разливки в среднем на 0,5 плавки. Разработана и внедрена автоматизированная система регулирования уровня металла в кристаллизаторе, обеспечивающая повышение стабильности процесса разливки и исключение аномалий качества слитка.