Обзор литературы.
Рельсы выходят из строя по дефектам контактно-усталостного происхождения. В порядке одиночной смены из эксплуатации по этим дефектам до 50 % рельсов. Причиной образования дефектов является высокотвердые неметаллические включения типа глинозема (А12 O 3) и алюмосиликатов, вытягивающихся в строчки вдоль направления прокатки. В литом металле они образуют скопления, которые при прокатке дробятся и вытягиваются, образуя строчки, длина которых может достигать десятков миллиметров. Сама по себе величина отдельных включений глинозема (корунда) также влияет на величину напряжений и деформации в микрообъемах металла. Показано, что наибольшую опасность в рельсовой стали представляют включения корунда 30 мк [I]. По другим данным, строчечные включения корунда становятся опасными, снижающими усталостные свойства уже при величине 7-100 микромикрон [2].
Потому все работы при производстве рельсовой стали направлены на снижение как размера остроугольных включений, так и поиска решений по снижению длины их строчек в прокатанном металле.
В некоторой степени снизить загрязненность металла позволяет продувка металла в ковше инертным газом, вакуумирование, применение (одновременно с продувкой) наводки нового шлака твердыми шлаковыми смесями с отсечкой в ходе выпуска металла из сталеплавильного агрегата печного шлака [З]. Однако более координально проблема решается при условии применения для обработки рельсовой стали модификаторов.
На НТМК на первых стадиях экспериментов были применены модификаторы, содержащие кальций и цирконий. При этом на опытных плавках при наполнение ковша металлом (мартеновская плавка 440 т) на 1/5 его высоты порциями вводили FeSiCa (3,2 кг/тон) [4], а после него порциями - SiZr - 0,45 кг/тон. Дачу ферросплавов заканчивали при наполнении 2/3 ковша. Обнаруживали, что на опытном металле длина строчек 4 мм отсутствует, на обычном - более 20 % образцов со строчками 4-16 мм.
В дальнейшем [5], при использовании комплексных сплавов на базе силикокальция с цирконием и алюминием, расход 1,9 кг/тн. Оптимальный состав применяемого модификатора 6-7% Zr и 5-7% А1. При этом удалось обеспечить уровень ударной вязкости рельсов не менее 0,25 Mg 7/ M 2, а строчек длиной более 2 мм не обнаруживалось.
Украинские исследователи провели работу по опробованию лигатур с Mg и Ti при выплавке рельсовой стали в конвертерах и мартеновских печах [б]. Применение сплавов с Mg, Ti и А1 (55-58% Si , 4-5% Mg , 4-7% Ti ) для модифицирования рельсовой стали в ковше позволило локализовать усадочные дефекты в прибыльной части слитка, уменьшить ликвацию элементов, на 27-32%о повысить износостойкость металла, но длина строчек глинозема была значительной, в среднем 5,3 мм. После использования лигатур без алюминия удалось снизить количество глиноземных включений и длину строчек. Присадка комплексной лигатуры СмтТи в ковш без присадки А1 обеспечила снижение пораженности рельсов поверхностными дефектами, в основном по пленам, на 5-8%о, добиться повышения выхода рельсов 1 сорта на 1,8-4,5%о. Длина строчек не достигала 2 мм, эксплуатационная стойкость и надежность опытных рельсов, соответственно, на 20-25%о выше, чем из стали, раскисленной алюминием.
Следующей попыткой снижения загрязненности рельсов строчечными оксидными включениями явилось применение для модифицирования стали сплава, содержащего барий алюмобария [7]. При этом достигнуто более глубокое раскисление металла, общее содержание кислорода с 0,0036-0,006%о до 0,0026%о и уменьшение анизотропии пластических свойств. Модификатор присаживали в ковш.
Четвертая группа попыток по улучшению качества рельсовой стали связана с появлением в составе модификаторов, идущих для обработки жидкого металла в ковше, ванадия. Причем ванадием металл микролегируется ( его содержание 0,005-0,01%) из имеющего в составе лигатур (содержание компонентов в таких лигатурах не установлено) и из природного легированного ванадием чугуна [9]. В этой же работе приводятся данные по микролегированию цирконием ванадийсодержащего металла. При этом достигается повышение предельной контактной выносливости термоупрочненных рельсов на 7,2% и снижение их износа на 23%. Отмечается [10], что наиболее высокую надежность и долговечность имеют рельсы из стали, раскисленной кальцийсодержащей лигатурой с ванадием.
Опыт использования комплексных ферросплавов с ванадием и присадкой их в ковш при получении рельсовой стали описан в работах проведенных на Кузнецком металлургическом комбинате [11,12].
Микролегирование в ковше, из-за имеющихся и нерегулируемых процессов при вводе модификаторов в ковш (окисление металла, температура, момент присадки) носит не стабильный характер, усвоение легкоокисляющихся компонентов лигатур (магния, кальция, циркония, ванадия) низкое, а расход их составляет 3-4 кг на тонну, поэтому группа исследователей на комбинате ОАО "Азовсталь" при производстве рельсовой стали изменили модифицирование с помощью ввода проволоки со сплавом КМКТ (содержание элементов не сообщается) [13].
Таким образом, проблема повышения усвоения легкоокисляющихся элементов, вводимых в жидкий металл в составе комплексных сплавов, существует. Поэтому разработка и применение новых методов введения модификаторов, в частности, на разливке имеет актуальное значение.
Литература.
1. Влияние неметаллических включений на образование контактно-усталостных повреждений в сталях / Елесина О.П., Епанчинцев О.Г., Мордухович A . M . и др.// В сб. "Термодинамика, физическая кинетика, структурообразование и свойства чугуна и стали. Вып. 4., М., 1971, с.337-341.
2. О влиянии неметаллических включений на усталостные свойства рельсовой стали. / Зарвин Е.Я., Веревкин Т.И., Коротких Н.К. // Сб. Производство стали и ферросплавов. Вып. 6, Новокузнецк, 1969, с. 74-83.
3. Влияние методов внепечной обработки на качество рельсов из кислородно-конвертерной стали. / Величков А.В., Рейхарт В.А., Капоцев В. П. II Тем. Отрасл. Сб. (МЧМ СССР), "Неметаллические включения в сталях", М.,1983, с.35-42.
4. Исследование природы неметаллических включений в рельсовой стали, раскисленной FeSiCa и SiZr . /Колосова Э.Л., Сырейщикова В,И., Минеева В.А. // Изв. Вузов ЧМ, 1979, вфЖ 12, с. 56-58.
5. Раскисление рельсовой стали сплавами, содержащими Си, Zr , Al . / Дерябин А.А., Семенков В.Е., Топычканов Б.И. и др. // Бюл. НТИ ЧМ, 1986, вфЖ 17, с. 47-48.
6. Разработка комплексных сплавов и технологии их применения раскисления и модифицирования стали. / Мелеков В.А., Прокопенко С.А., Паляничка В.А., Висторовский Н.Т. // Тем. Сб. науч. Тр. "Производство стали в конвертерных и мартеновских печах", М., 1988, с. 86-88.
7. Снижение загрязненности рельсов строчечными включениями при раскалении стали алюмобарием. / Дерябин А.А., Колосова Э.Л., Сырейщикова В.И. и др. // Бюл. ЦНИИ ЧМ "Черная металлургия", 1981. вфЖ 15, с. 57-58.
8. Раскисление рельсовой стали комплексными сплавами. / Ткаченко А.И., Критинин И. А., Жидков В. Д. и др.// Бюл. НТИ ЦНИИ ЧМ, 1981, вфЖ 17, с. 60-61.
9. Раскисление рельсовой стали ванадий содержащими сплавами./ Сталь, 1990, вфЖ 11.
10. Качество и служебные свойства рельсов из стали, раскисленной сплавами с А1 и Са. / Великанов А.В., Рейнхарт В.А., Добужская А.Б. и др. // Сб. Повышение эффективности и надежности рельсов, М., 1990, с.40-53.
11. Разработка, освоение и промышленное внедрение технологии производства рельсовой стали высокой частоты. / Тришевский И.С., Гордиенко М.С., Казарновский Д.С. и др. // Сталь, 1984, вфЖ 9, с. 69-72.
12. Микролегирование и модифицирование рельсовой стали в ковше комплексными ферросплавами. / Критинин И.А., Юдин Н.С., Гордиенко М.С. и др. // Повышение качества ж.-д. рельсов и колес, Харьков, 1982, с. 20.
13. Технология раскисления и микролегирования рельсовой стали в ковше порошковой проволоки с комплексным сплавом КМКТ. / Дюдкин Д.А. // Тр. 5-го Конгр. Сталеплавильщиков, М., 1999.