4.5_Металлосберегающей технологии нагрева непрерывнолитых
заготовок рельсовой стали в методических печах
Одной из важнейших качество формирующих стадий технологического процесса производства рельсового проката является нагрев непрерывнолитых заготовок (НЛЗ) в методических печах.
Температура нагрева рельсовой стали под прокатку составляет 1200 – 1250 °С. Время нагрева достигает 3,5 ч. При нагреве под прокатку НЛЗ поперечным сечением 0,30×0,33 м и длиной 4,0 ; 4,6 м, вследствие угара
стали, теряется 50 – 55 кг металла с одной заготовки.
Анализ специальной технической литературы показал, что основной причиной угара стали является окисление металла раскаленными продуктами сгорания, имеющими выраженный окислительный потенциал.
Наиболее опасным явлением, приводящим к резкому росту угара металла,
является катастрофическое окисление, которое может возникать в случаях
оплавления окалины и обнажения поверхности металла. Взаимодействие
продуктов сгорания с углеродом, содержащимся в стали, приводит к
обезуглероживанию поверхностных слоев НЛЗ. Повысить металлосбережение при нагреве НЛЗ можно за счет применения защитных покрытий.
Применительно к производству рельсов из НЛЗ использование
защитных покрытий может быть направлено на решение двух основных задач: снижение общего угара металла и уменьшение глубины видимого
обезуглероженного слоя. Требованиям удовлетворяют покрытия керамического типа, не содержащие в своем составе стекол и других
легкоплавких компонентов. В качестве связки использовали водную
керамческую вяжущую суспензию (ВКВС) кремнеземистого состава,
изготовленную на основе пылиуноса печей ферросплавного производства.
При выборе заполнителя в качестве основного ориентира принят бой и лом отходов огнеупоров, в том числе и бывших в употреблении. В настоящее время наибольшее распространение на металлургических предприятиях
получили огнеупоры алюмосиликатного состава (в том числе шамотные), высокоглиноземистые, периклазовые и периклазоуглеродистые. Основу
этих огнеупоров составляют оксиды SiO2, Al2O3 и MgO.
Фактически покрытия снижают интенсивность диффузии окисляющих и обезуглероживающих газов и коэффициент массоотдачи.
Для исследования кинетики высокотемпературного окисления и
обезуглероживания, выявления особенностей структуры и свойств окалины
использовали малоизученные перспективные легированные рельсовые стали бейнитного и перлитного классов марок Э30ХГ2САФМ и Э78ХСФ. Более интенсивный угар стали марки Э30ХГ2САФМ связан с наличием в ней
повышенного содержания элементов молибдена и ванадия, которые, как было отмечен выше, образуют легкоплавкие соединения, снижающие защитные свойства окалины.
Из (рис. 4.6) видно, что при температурах до 1100 °С покрытия на
основе шамотного и глиняного заполнителей имеют аналогичные защитные
свойства и снижают угар рельсовой стали почти в 4,5 раза.
Периклазоуглеродистое покрытие обладает несколько меньшими защитными свойствами и снижает угар примерно в 2 раза. После нагрева до 1000 ; 1100 °С покрытия имеют гладкую поверхность, на которой видны частицы
заполнителя. При температуре 1200 °С наблюдается размягчение, вспучивание и появление жидкофазных участков в покрытиях
алюмосиликатного состава, которые более выражены у глиняного
покрытия. Вспучивание и нарушение сплошности приводит к потере
защитных свойств покрытия и интенсифицирует диффузионные процессы
окисления. При температуре 1250 °С наблюдается оплавление покрытий алюмосиликатного состава, что сопровождается резким увеличением интенсивности окисления. При этом угар образцов, незащищенных покрытием,
почти в 3 раза меньше, чем образцов с алюмосиликатными покрытиями. Периклазоуглеродистое покрытие не оплавляется при нагреве до температур 1250 ; 1280 °С и в этом интервале обладает достаточно высокими
защитными свойствами. Оно снижает угар рельсовой стали почти в 2 раза.
Продукты взаимодействия окалины и покрытия на основе периклаза
представляют собой ряд твердых растворов магнезиовюститов и имеют
высокую температуру плавления и защитные свойства. Продукты
взаимодействия окалины и покрытий алюмосиликатного состава содержат
легкоплавкие соединения, например фаялит Fe2SiO4. Защитные свойства
такого покрытия при температурах более 1200 °С резко снижаются, и
применение его при температурах нагрева металла на уровне 1200;
1250 °С становится нецелесообразным.
○ - без покрытия , □ - с покрытиями на основе шамотного, ∆ - глиняного, ◊ - периклазоуглеродистого и ♦ - периклазового наполнителей
Рисунок 4.6 Зависимости угара рельсовой стали Э76Ф от температуры выдержки
Для защиты НЛЗ рельсовой стали от угара в условиях массового
производства ОАО «НКМК» разработанное покрытие наносят с
помощью сжатого воздуха на верхнюю и боковые грани заготовок.
После суши покрытия до полного затвердевания, заготовки загружают в
печь и нагревают по режиму, установленному технологической инструкцией. После нагрева заготовки по рольгангу поступают к прокатной клети.
При отсутствии защитного покрытия угар составляет 1,2 ;1,5 %.
Периклазосиликатное покрытие снижает угар до 0,4 – 0,5 % т.е. почти в 3 раза. Периклазоуглеродистое покрытие обладает меньшими защитными
свойствами и снижает угар до 0,8 – 1,0 %.
Продукты взаимодействия покрытия и окалины содержат достаточно тугоплавкий железистый форстерит и не содержат легкоплавких
соединений типа фаялита. Этим фактом и объясняются высокие защитные свойства покрытия и возможность выдерживать температуры нагрева 1250; 1280 °С и выше без оплавления. При снижении интенсивности окисления на 10 % и необходимости сохранения неизменной глубины видимого обезуглероженного слоя коэффициент массоотдачи, вследствие применения покрытия, должен быть снижен на 35 ;45 %. При снижении окисления в 2 раза коэффициент массоотдачи нужно снизить примерно в 5 раз, однако при снижении окисления в 10 раз, коэффициент массоотдачи нужно снизить тоже примерно в 10 раз.
Происходит повышение в низкотемпературной области защитных свойств окалины по мере роста содержания кремния в стали и
снижениезащитных свойств окалины в высокотемпературной области помере роста содержания в стали кремния. Исследования влияние покрытий различного химикоминералогического состава на кинетику высокотемпературного окисления и обезуглероживания рельсовой стали марки Э76Ф,
продемонстрировали, что наибольшими защитными свойствами при
нагреве до температур 1250 ; 1280 °С обладают покрытия на основе
периклазового наполнителя с минимальным содержанием углерода.
Технология нагрева НЛЗ рельсовой стали в методических печах с шагающими балками, реализуемая на основе применения защитных
покрытий, в которых в качестве наполнителя используется: молотый лом
периклазовых огнеупоров, фракции менее 0,15 мм, в качестве связующего
водная керамическая вяжущая суспензия (ВКВС) кремнеземистого состава. При толщине защитного покрытия порядка 1 мм в промышленных условиях, обеспечивается снижение угара стали до 0,22; 0,27 г/см2 (0,4 ; 0,5 %), что почти в 3 раза меньше, чем при нагреве НЛЗ без покрытия.
Выводы
К рельсам предъявляются требования противоположные друг к другу: твердость, вязкость, жесткость, упругость и минимальную стоимость через значительные объемы метала. Чтобы этого достигнуть добавляются легирующие компоненты которые одновременно повышают все эти свойства, такие как марганец, ванадий, кремний, титан.
Химический состав рельсовых сталей производства за границей отличается от химического состава сталей отечественного производства: содержание кремния в сталях производства Франции, Японии и Польши в 1,5÷2 раза больше, чем в отечественных, все стали импортного производства легированы хромом, рельсовая сталь производства Франции микролегирована титаном. Сталь польского производства раскислена алюминием, содержание алюминия в ней – 0,020 % масс. Суммарное содержание серы и фосфора в сталях отечественного и зарубежного производства не различается.
За разницей термического упрочнения рельсы можно разделить на: рельсы без термического упрочнения (Польша, Италия), рельсы с дифференцированным термическим упрочнением с прокатного нагрева (Япония, Австрия, США), рельсы с дифференцированным термическим упрочнением с отдельного индукционного нагрева (Франция, Канада), рельсы с объемной закалкой в масле с отдельного печного нагрева (Россия).
Россия и Америка разрабатывают новые стали с бейнитной структурой и утверждают что они превосходят перлитные по всем показателям. Кроме того такие рельсы можно производить без закалки в масле что оптимизирует процесс изготовления. Но британские ученые утверждают что бейнитные стали быстрее изнашиваются и стали оказываются более чувствительными к растрескиванию в результате коррозии при напряжении и требуют более строгого контроля остаточных напряжений. В то время как перлитная сталь в узком интервале соотношения компонентов дает намного выше показатели сопротивления износу и усталосному разрушению.
Анализ литературных источников показал, что конечная температура металла на выдаче из печи должна находиться в пределах 1220–1240 С. Нагрев до температуры 1260 – 1280 С может привести к перегреву непрерывнолитых заготовок рельсовой стали. Установлено, что микролегирование рельсовой стали ванадием и азотом, приводящие к образованию карбонитридов ванадия, значительно снижает интенсивность процессов обезуглероживания стали в интервале температур до 950–1050 С.
Повысить металлосбережение при нагреве неприрывно литых заготовок можно за счет применения защитных покрытий. Покрытия снижают интенсивность диффузии окисляющих и обезуглероживающих газов и коэффициент массоотдачи.
Список литературы
Корнева Л. В. Разработка химического состава и технологии термической обработки железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук/ Л. В. Корнева Новокузнецк, 2007 - 23 с.
Сюсюкин А. Ю. Повышение качества рельсов на основе применения малоокислительных и малообезуглероживающих технологий нагрева непрерывнолитых заготовок: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук/ А. Ю. Сюсюкин Новокузнецк, 2007 - 20 с.
Патент РФ 2459009, МПК. С 21 Д 9/04. Рельсовая сталь с превосходным сочетанием характеристик износостойкости и усталостной прочности при контакте качения / Кэрролл Р., Смит Г.М., Джаисвал Ш. ООО "Юридическая фирма Городисский и Партнеры" // № 2005103778/02; Заявл. 23.02.2009. Опубл. 20.08.2012. - Бюл. № 25. - С. 556
Верхнее строение пути железных дорог северной америки [электронный ресурс] / - Режим доступа: Http://railfoto.ru/html/raznoe/kniga_2_03.htm, свободный.
Ворожищев В.И. Изучение свойств рельсовой стали / В.И. Ворожищев, Н.А. Козырев, П.Е. Сычев, Л.В. Корнева // Материалы юбилейной рельсовой комиссии: Тр. II Междун. науч.− техн. конф. / ОАО «КМК». - Новокузнецк, 2002. - С. 294 - 300.
Борц А.И. Перспективы развития рельсового производства в России
[Электронный ресурс] / А.И. Борц. – Электрон. текстовые дан. –Режим доступа: http://be5.biz/ekonomika1/r2012/2831.htm, свободный.
Патент РФ 2412274, МПК. С 21 Д 9/04. Рельсовая сталь /
Дементьев В.П., КорневаЛ.В. Черняк С. С., Иркутский государственный университет путей сообщения// № 2005103778/02; Заявл. 12.05.2009. Опубл. 20.02.2011. - Бюл. № 27. - С. 432