книги из ГПНТБ / Полухин П.И. Прокатка и термическая обработка железнодорожных рельсов

тывая это, металлургические заводы непрерывно совершенство­ вали процесс плавки стали, исходя из требований ГОСТа и на основе общих заключений, полученных в результате изучения причин возникновения дефектов.

Главное внимание уделялось повышению чистоты и однород­ ности рельсового металла и, в связи с этим, режиму кипения, включая шлаковый и температурный режимы, удалению фосфо­ ра, серы, газов, неметаллических включений» содержанию кисло­ рода в металле и раскислению стали, выбору оптимальных усло­ вий разливки и размеров слитка. Все это отражено в технологи­ ческих инструкциях каждого металлургического завода и будет рассмотрено ниже.

Следует отметить, что в СССР подавляющая часть рельсово­ го металла выплавляется в мартеновских печах.

1. Режим горения углерода

Рельсовый металл относится к группе высокоуглеродистых сталей и поэтому процесс плавки его имеет те же особенности, которые присущи этой группе. Однако единого стандарта на технологический процесс плавки рельсовой стали нет.

На каждом нашем заводе совершенствуется процесс плавки применительно к местным условиям, особенностям исходных ма­ териалов, типу агрегатов и т. д. Так, в мартеновских цехах заво­ да А рельсовую сталь получают обычным скрап-рудным процес­ сом; на заводе В для интенсификации процесса плавки исполь­ зуется кислород; на заводе Б, перерабатывающем высокофосфо­ ристый чугун, процесс плавки проводится в качающихся марте­ новских печах с продувкой ванны кислородом и т. д. Однако на всех этих заводах выдерживаются наиболее важные общие за­ кономерности, позволяющие получать металл требуемого каче­ ства.

Для иллюстрации некоторых из этих закономерностей на рис. 58 приведено изменение состава металла и шлака по перио­ дам 370-г плавки от конца заливки жидкого чугуна до разливки стали включительно. Эта плавка типична для характеристики некоторых основных параметров процесса.

Рассмотрим период кипения плавки, который длится от кон­ ца расплавления до раскисления ванны. В этот период содержа­ ние углерода доводится до требуемых пределов, завершается удаление серы и фосфора, снижается содержание в металле водорода и неметаллических включений, достигается необходи­ мая температура металла и ванна подготавливается к раскис­ лению.

На всех наших заводах для удаления фосфора в процессе рудного кипения производится скачивание шлака с последующей

для большинства плавок в последние 20—30 мин. до раскисления вновь замедляется. Считается, что при плавном замедлении го­ рения углерода в конце чистого кипения содержание окислов железа в шлаке и кислорода в металле должно быть неболь­ шим; следовательно, в процессе раскисления металл должен быть минимально загрязнен неметаллическими включениями.

Однако при скачивании шлака для большого числа плавок в конце чистого кипения рее же наблюдается ускорение горения углерода. Исследование, выполненное на заводе А, показало, что

Рис. 59. Кривая выгорания углерода при продувке ме­ талла воздухом (Я, Б, И— загрузка руды, боксита, 'извести в мульдах)

такой характер кривой горения углерода не должен рассматри­ ваться как признак неудовлетворительного протекания техноло­ гического процесса. По полученным данным среднее содержа­ ние кислорода в металле до раскисления и качество готовой-ста­ ли было таким же, как и в плавках с плавно снижающейся кри­ вой углерода. Однако следует признать хотя и допустимый, но менее правильный процесс плавки с ускорением горения углеро­ да в последние 20—30 мин.; оно обычно вызывается отклонения­ ми в температурном и шлаковом режимах в связи с энергичным скачиванием шлака и последующей присадкой больших порций холодных материалов.

Для регламентации режима горения углерода на некоторых заводах обусловливают нижний предел скорости его горения в периоды рудного‘и чистого кипения. Если в технологической инструкции обусловлена форма кривой обезуглероживания, то

вряд ли в этом есть необходимость. Очевидно, вполне достаточно указать нижний предел скорости горения углерода в период чи­ стого кипения, обеспечивающего необходимую степень нагрева металла и удаления газов и неметаллических включений при достаточной продолжительности этого периода плавки.

Так как на наших заводах рельсовая сталь обычно выплав­ ляется в 350—400-т печах, то необходимое качество металла по

в металле в период кипения зависит от температурного режима плавки (рис. 60). Следует особо отметить, что в значительном числе рельсовых плавок может встречаться другой характер из­ менения содержания кислорода по сравнению с приведенным на

2. Режим марганца

Сравнительно недавно отечественные металлургические заво­ ды отказались от прежде применявшегося режима марганца. Согласно требованиям ранее действовавшей технологической инструкции содержание марганца в начале чистого кипения ван­ ны не должно быть ниже 0,20%. Это требование обычно обосно-

вывалось ссылками на то, что будто бы при таком содержании марганца металл будет предохранен от «переокисления», улуч­ шится удаление серы и неметаллических включений, возрастет энергичность кипения ванны и повысится качество выплавляе­ мой стали.

В связи с ужесточением требований, предъявляемых к содер­ жанию фосфора и серы в стали, заводы стали спускать шлак в период плавления и скачивать шлак в период рудного кипения. В этих условиях вследствие потерь марганца со шлаком его со­ держание в металле уже к концу расплавления было ниже 0,20%- К началу чистого кипения содержание марганца стано­ вилось еще ниже вследствие окисления его в процессе рудного кипения.

Чтобы выполнить требованиядействовавшей технологиче­ ской инструкции, в ванну присаживали при наводке шлака боль­ шие порции ферромарганца. Так как в этот момент плавки угар марганца велик (в среднем около 60%), то величина присадки ферромарганца в 370-г плавке достигала 1,5 г.

Такой метод ведения плавки ухудшал технологический про­ цесс производства рельсового металла и противоречил самой сущности требований о сохранении содержания марганца в ме­ талле не ниже 0,20%.

Присадки больших порций ферромарганца понижали и без того уменьшившуюся скорость горения углерода. Во время на­ водки шлака присадки ферромарганца снижали скорость горе­ ния углерода примерно в 1,5 раза.

Вредно отражаются присадки ферромарганца на содержании водорода в стали. На рис. 61 показана рельсовая плавка, в ко­ торой отчетливо видно увеличение содержания водорода в ме­ талле после подачи в ванну ферромарганца.

Специальное исследование показало, что при технологиче­ ском процессе без присадок ферромарганца рельсовые плавки имеют меньшую продолжительность наводки шлака и периода рудного кипения, а также требуют меньшего расхода железной

ний и по показателям механических испытаний рельсы были не­ сколько лучше. Зависимость удаления серы от абсолютного со­ держания марганца в металле в период кипения в этом исследо­ вании не была обнаружена.

Рассмотрим влияние 0,20% Мп на содержание кислорода в- металле. Температура металла после расплавления рельсовых плавок обычно колеблется в пределах 1490—1530° и перед рас­ кислением 1560—1580°. Как видно из рис. 62, содержание кисло­ рода равновесного с 0,20% Мп несравнимо выше фактического содержания его в металле. Следовательно, в период рудного и„ тем более, чистого кипения 0,20 % Мп не могут взаимодейство­ вать с кислородом, содержащимся в металле, и регулировать его. Подтверждением этого вывода служит рис. 63, на котором видна определенная зависимость содержания кислорода в ме­ талле от содержания углерода и отсутствие всякой зависимости от содержания марганца в металле.

Таким образом, подтверждается правильность отказа наших заводов от прежнего режима марганца, требовавшего присадок ферромарганца во время наводки шлака. Это не значит, что за­ воды вообще не соблюдают режим марганца. Как известно, из­ менение температурного и шлакового режимов резко сказывает­ ся на поведении марганца.

В процессе нормальной рельсовой плавки марганец окис­ ляется во время рудного кипения и восстанавливается в период чистого кипения. На наших заводах выдерживают этот режим марганца, не обращая внимания на абсолютную величину со­ держания марганца, определяющуюся составом чугуна и режи­ мом спуска и скачивания шлака.

(0],%

Рис. 63. Фактическое содержание кислорода в металле в зависимости от содержания углерода (о) и марганца (б) перед -раскислением. Цифры ,у точек показывают содермание марганца в сотых долях процента

3. Удаление фосфора и серы

Стремясь улучшить пластические свойства рельсового метал­ ла, металлургические заводы непрерывно понижали содержание фосфора в готовой стали. В качестве примера можно привести данные об изменении содержания фосфора в рельсовом металле на заводе А (рис. 64).

Чтобы понять основное направление, по которому заводы со­ вершенствовали процесс удаления фосфора, необходимо напом­ нить характер изменения содержания этого элемента в отдельные периоды плавки.

Как видно на рис. 58, в условиях завода А в первой половине

энергичного кипения после присадки руды, скачивания и наводки шлака удаление фосфора замедляется или совсем прекращается при чистом кипении. В процессе раскисления фосфор восстанав­ ливается из шлака.

Скачивание шлака в процессе рудного кипения необходимо, чтобы завершить удаление фосфора и уменьшить его восстанов­ ление в последующие периоды плавки.' Обновление шлака ухуд­

шает режим обезуглероживания, увеличивает расход материа­ лов, удлиняет плавку. Поэтому на всех заводах стремятся воз­ можно полнее удалить фосфор в период плавления.

Совершенствуя порядок завалки и шлаковый режим в про­ цессе плавления, заводам удается к концу расплавления удалить со шлаком до 80—90% и более фосфора, содержавшегося в исходных шихтовых материалах. Так, на заводе В при средне­ годовом содержании фос­ фора в чугуне 0,20% сред­

0.033L нее содержание этого эле­ мента в металле после

расплавления составляло

0,018—0,019%, до раскис­ ления 0,013% и в готовой рельсовой стали- 0,022%) с пределами колебания

0,010—0,039%.

Не рассматривая детально порядок.завалки в- печь сыпучих материалов, следует отметить, что в соответствии со специальны­ ми исследованиями на заводах принята следующая схема за­ валки: руда — известняк — руда. При этом количество руды в верхнем слое должно быть таким, чтобы обеспечить достаточное содержание закиси железа в шлаке, необходимой для энергич­ ного окисления фосфора непосредственно после заливки жидко­ го чугуна. Однако степень удаления фосфора в период плавле­ ния в наибольшей мере зависит от режима спуска шлака. Этот вывод достаточно хорошо иллюстрируется данными, приведен­ ными в табл. 21.

По этим данным каждый завод достигает в среднем одинаково­ го содержания фосфора в металле перед раскислением и в го­ товой стали. Однако чем больше спускается шлака после залив­ ки в печь чугуна, тем ниже содержание фосфора после расплав­ ления и тем меньшее количество шлака приходится скачивать в период кипения.

Спуск шлака обычно начинается непосредственно после окон­ чания заливки чугуна или спустя 10—30 мин. в период энергич­ ного пенообразования. Стремление несколько задержать начало спуска шлака вытекает из особенности изменения содержания в шлаке пятиокиси фосфора.

На рис. 65 заштрихована область наиболее частого располо­ жения кривых изменения содержания пятиокиси фосфора в шла­ ке по данным большого числа плавок завода А. Максимальное содержание пятиокиси фосфора в шлаке достигается примерно через час после конца заливки чугуна. Следовательно, энергич­ ное вспенивание шлака и самопроизвольный спуск его опережа­ ют кривую роста пятиокиси фосфора. В связи с этим на некото­ рых заводах, имеющих стационарные мартеновские печи, пред­ принимались попытки произвести принудительное скачивание

В специальных опытных плавках с дополнительным скачива­ нием шлака в середине плавления, проведенных на 190-г печах завода А, содержание фосфора в металле после расплавления в среднем составляло 0,02 %, т. е. значительно ниже величин, при­

точно убедительно показывают степень влияния состава шлака. В конце периода плавления рельсовых плавок основность шлака

СаО обычно колеблется в пределах 1,8—2,3. Следовательно,

SiO„

судя по кривым рис. 66, в случае пониженного содержания за­ киси железа в шлаке конца плавления горение фосфора может совсем прекратиться. С таким поведением фосфора чаще всего приходится встречаться на заводе А, где содержание закиси же­ леза в шлаке конца плавления в большинстве плавок колеблется в пределах 5—8%- Это является дополнительной причиной бо­ лее высокого содержания фосфора после расплавления на заво­ де А (см. табл. 21) по сравнению с заводом В, на котором в кон­ це плавления производится продувка ванны кислородом и со­ держание закиси железа в шлаке этого периода обычно выше..