<p style="text-align: center;">
Л.Г. Шуб, В.А. Голубцов, Р.Г. Усманов, И.В. Рябчиков (ООО НПП Технология)<br>
Ю. С. Демин, А.В. Гайворонский (ОАО “Выксунский метзавод”)<br>
К.Ю. Дёмин, К.В. Григорович (ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова)<br>
(Опуликована в журнале “Сталь”, 2009. №12)
</p>
<p>
Стойкость железнодорожных колёс во многом определяется чистотой стали по неметаллическим включениях, её механическими свойствами.
</p>
<p>
При производстве высокоуглеродистых сталей (рельсовых, колёсных и др.) широкое распространение получила внепечная обработка металла силикокальцием [1,2]. Силикокальций позволяет снизить загрязнённость металла неметаллическими включениями (НВ) и за счёт глобуляризации их повысить механические и эксплуатационные характеристики продукции. Однако, постоянно растущие требования к транспортному металлу, а также трудности, связанные с использованием силикокальция (низкое усвоение, затягивание сталеразливочного стакана, нестабильность получаемых результатов, связанных с количеством брака и т.п.) определяют необходимость поиска новых путей внепечной обработки стали с использованием модификаторов, содержащих, помимо кальция, другой щелочноземельный металл - барий.
</p>
<p>
Положительные результаты использования порошковой проволоки с наполнителем из смеси силикокальция с силикобарием, связанные с улучшением механических свойств рельсов и значительным росту их стойкости были получены на ОАО НТМК [3]. Многочисленные примеры успешного использования барийсодержащих лигатур для обработки металла различного назначения приведены в работах [4,5]. Учитывая высокие поверхностно-активные свойства бария, он способен защитить поверхность разливаемой стали от воздействия воздуха вследствие многократного увеличения его поверхностной концентрации [6].
</p>
<p>
Ниже приведено физико-химическое обоснование целесообразности использования для внепечной обработки стали комплексных барийсодержащих сплавов.
</p>
<p>
При совместном раскислении стали любым щелочноземельным металлом (ЩЗМ) и алюминием или кремнием возможно образование алюминатов, силикатов и алюмосиликатов. Термодинамические условия образования алюминатов этих соединений и температура их плавления приведена в табл.2.
</p>
<p>
Изменение энергии Гиббса образования соединений ЩЗМ (ΔGºт) и температура их плавления [7]<br>
Таблица 2
</p>
<table class="table table-bordered" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0" width="100%">
<tbody>
<tr>
<td width="31%">
<b>Соединение </b>
</td>
<td width="19%">
<b>
ΔGºт= φ(Т), Дж/г-атом О </b>
</td>
<td width="15%">
<b>
Т, 0К </b>
</td>
<td width="17%">
<b>
ΔGo1873, кДж </b>
</td>
<td width="17%">
<b>
Тпл, 0С</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4CaAl2O4
</td>
<td width="19%">
-44933+4,70Т
</td>
<td width="15%">
773-1878
</td>
<td width="17%">
4,3
</td>
<td width="17%">
1605
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/7CaAl4O7
</td>
<td width="19%">
-2388+3,64Т
</td>
<td width="15%">
773-2023
</td>
<td width="17%">
4,4
</td>
<td width="17%">
1775
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/3CaSiO3
</td>
<td width="19%">
-30792-0,84Т
</td>
<td width="15%">
298-1813
</td>
<td width="17%">
-32,4
</td>
<td width="17%">
1540
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4CaSiO4
</td>
<td width="19%">
-29678+2,82Т
</td>
<td width="15%">
298-2403
</td>
<td width="17%">
-24,4
</td>
<td width="17%">
2130
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/7Ca2Al2SiO7
</td>
<td width="19%">
-24423-1,25Т
</td>
<td width="15%">
298-1773
</td>
<td width="17%">
-26,7
</td>
<td width="17%">
-
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4SrAl2O4
</td>
<td width="19%">
-17765+1,04Т
</td>
<td width="15%">
298-1573
</td>
<td width="17%">
-15,8
</td>
<td width="17%">
1790
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/3SrSiO3
</td>
<td width="19%">
-44587+1,04Т
</td>
<td width="15%">
298-1173
</td>
<td width="17%">
-46,5
</td>
<td width="17%">
1580
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4Sr2SiO4
</td>
<td width="19%">
-53295-1,46Т
</td>
<td width="15%">
298-1173
</td>
<td width="17%">
-56,0
</td>
<td width="17%">
-
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4BaAl2O4
</td>
<td width="19%">
-31036+1,67Т
</td>
<td width="15%">
298-2103
</td>
<td width="17%">
-27,9
</td>
<td width="17%">
1830
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/6Ba3 Al2O6
</td>
<td width="19%">
-35321+3,13Т
</td>
<td width="15%">
298-2023
</td>
<td width="17%">
-29,4
</td>
<td width="17%">
1750
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/3ВaSiO3
</td>
<td width="19%">
-49603+2,09Т
</td>
<td width="15%">
298-1878
</td>
<td width="17%">
-45,7
</td>
<td width="17%">
1605
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4Вa2 SiO4
</td>
<td width="19%">
-64894+1,46Т
</td>
<td width="15%">
298-2033
</td>
<td width="17%">
-62,1
</td>
<td width="17%">
1760
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Видно, что только алюминаты кальция CaAl2O4 CaAl4O7 при температуре жидкой стали неустойчивы, поскольку величина ΔGº1873 образования этих соединений имеет положительные значение. Устойчивым является алюмосиликат кальция. Весьма устойчивыми являются алюминаты и силикаты стронция и бария. Однако они имеют относительно высокую температуру плавления и при температуре разливки стали существуют в твёрдом состоянии.
</p>
<p>
Решение проблемы снижения загрязненности стали неметаллическими включениями и уменьшения затягивания разливочного стакана авторы видят в замене традиционного силикокальция комплексными сплавами, содержащими ЩЗМ, а в ряде случаев и другие химически активные металлы (магний, редкоземельные металлы (РЗМ) и т.п.). При использовании многокомпонентных сплавов возможно образование сложных по составу легкоплавких оксидных и оксисульфидных соединений и эвтектик. При этом важнейшим компонентом этих сплавов является барий. Позволяющий получать весьма легкоплавкие продукты раскисления (табл.3).
</p>
<p>
Из элементов II группы таблицы Д.И. Менделеева барий имеет максимальную реакционную способность [9]. Наряду с этим образующийся в жидкой стали оксид бария BaO0,907 с дефицитом кислорода в решетке [10] также обладает повышенной реакционной способностью.
</p>
<p>
При добавке в сталь комплексных кремнистых сплавов с барием, стронцием, титаном или цирконием возможно образование легкоплавких оксидных соединений Вa2SrSi3O8 , ВaSiTi2O7, ВaSiTiO5 , ВaZrSi3O9 с температурой плавления, соответст-венно, 1325,1250,1400,14500С. В системе ВаО-СаО-SiО2 имеется эвтектика ВаSiO3- CаSiO3 , плавящаяся при температуре 12680С [8].
</p>
<p>
Таким образом, при раскислении стали комплексными барийсодержащими сплавами в металле возможно образование легкоплавких соединений и эвтектик, увеличивающих седиментационные свойства неметаллических включений. Раскисление стали барием имеет не только термодинамические, но и кинетические преимущества, которые заключаются в быстром удалении продуктов раскисления из металлического расплава. Этому способствуют высокая реакционная способность бария и его оксида, легкоплавкость ряда барийсодержащих фаз и летучесть оксида бария [11].
</p>
<p>
Инвариантные точки системы BaO-CaO-SiO2 [8]<br>
Таблица 3
</p>
<table class="table table-bordered" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="40%">
<b>Фазы </b>
</td>
<td rowspan="2" width="10%">
<b>
Процесс </b>
</td>
<td colspan="3" width="31%">
<b>
Состав, % (по массе) </b>
</td>
<td rowspan="2" width="17%">
<b>
Температура, 0С</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="10%">
<b>CaO </b>
</td>
<td width="10%">
<b>
BaO </b>
</td>
<td width="10%">
<b>
SiO2</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
BaO·2SiO2+CaO·SiO2+SiO2+жидкость
</td>
<td width="10%">
Эвтектика
</td>
<td width="10%">
14,5
</td>
<td width="10%">
38,0
</td>
<td width="10%">
47,5
</td>
<td width="17%">
1150
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
BaO·2SiO2+CaO·SiO2+2CaO·BaO·3SiO2 +жидкость
</td>
<td width="10%">
<p>
То же
</p>
</td>
<td width="10%">
14,0
</td>
<td width="10%">
39,5
</td>
<td width="10%">
46,5
</td>
<td width="17%">
1190
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
2CaO·BaO·3SiO2+CaO·SiO2+твердый раствор+жидкость
</td>
<td width="10%">
Реакция
</td>
<td width="10%">
29,5
</td>
<td width="10%">
34,5
</td>
<td width="10%">
36,0
</td>
<td width="17%">
1300
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
CaO·SiO2+3CaO·2SiO2+твердый раствор+жидкость
</td>
<td width="10%">
То же
</td>
<td width="10%">
31,0
</td>
<td width="10%">
33,0
</td>
<td width="10%">
36,0
</td>
<td width="17%">
1310
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
BaO·SiO2+2CaO·BaO·3SiO2+твердый раствор+жидкость
</td>
<td width="10%">
Эвтектика
</td>
<td width="10%">
15,5
</td>
<td width="10%">
51,5
</td>
<td width="10%">
33,0
</td>
<td width="17%">
1255
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
2BaO·3SiO2+2CaO·BaO·3SiO2+BaO·SiO2+жидкость
</td>
<td width="10%">
<p>
То же
</p>
</td>
<td width="10%">
11,5
</td>
<td width="10%">
52,5
</td>
<td width="10%">
36,0
</td>
<td width="17%">
1235
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
BaO·2SiO2+2CaO·BaO·3SiO2+2BaO·3SiO2+жидкость
</td>
<td width="10%">
То же
</td>
<td width="10%">
11,0
</td>
<td width="10%">
48,0
</td>
<td width="10%">
41,0
</td>
<td width="17%">
1210
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Наши теоретические расчёты делают целесообразной проверку эффективности применения барийсодержащих модификаторов при получении колёсного металла в условиях ВМЗ.
</p>
<p>
Для обработки металла использовали модификаторы производства ООО “НПП Технология” (табл.1), изготовленные методом закалки из расплава, минимизирующим их химическую и структурную (фазовую) неоднородность.
</p>
<p>
Химический состав модификаторов<br>
Таблица 1
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="108">
<b>Марка</b><br>
<b>
модификатора </b>
</td>
<td colspan="6" width="548">
<b>
Содержание основных элементов, масс.% </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="95">
<b>
Si </b>
</td>
<td width="82">
<b>
Ca </b>
</td>
<td width="92">
<b>
Ba </b>
</td>
<td width="99">
<b>
Al </b>
</td>
<td width="112">
<b>
Mg </b>
</td>
<td width="68">
<b>
Fe</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="108">
SIBAR®22
</td>
<td width="95">
45,0…60,0
</td>
<td width="82">
˂3
</td>
<td width="92">
20,0…30,0
</td>
<td width="99">
≤3,0
</td>
<td width="112">
Не анализир.
</td>
<td width="68">
ост.
</td>
</tr>
<tr>
<td width="108">
INSTEEL®1.2
</td>
<td width="95">
40,0…50,0
</td>
<td width="82">
12,0…15,0
</td>
<td width="92">
12,0…15,0
</td>
<td width="99">
≤2,0
</td>
<td width="112">
1,0…1,5
</td>
<td width="68">
ост.
</td>
</tr>
<tr>
<td width="108">
<p>
INSTEEL®1.3
</p>
</td>
<td width="95">
40,0…50,0
</td>
<td width="82">
5,0...8,0
</td>
<td width="92">
15,0...20,0
</td>
<td width="99">
≤2,0
</td>
<td width="112">
≤ 1,5
</td>
<td width="68">
ост.
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Настоящая работа проводилась в рамках существующей технологической цепочки, а именно:
</p>
<p>
-выплавка полупродукта в мартеновской печи с выпуском в 2 ковша; <br>
-науглероживание металла в ковшах при сливе плавки; <br>
-наведение шлака и десульфурация металла на установке внепечной обработки стали (УВОС); <br>
-вакуумирование; <br>
-присадка порошковой проволоки, очистительная продувка аргоном; <br>
-сифонная разливка на слитки массой 3,9 тонны.
</p>
<p>
Объектом исследования в настоящей работе являлось изучение влияния основных технологических параметров внепечной обработки колесной стали на отбраковку заготовок и ж.-д. колес по различным параметрам, загрязнённость металла неметаллическими включениями, механические свойства готовых изделий. Представленные материалы составлены путем обработки паспортов плавок по участку внепечной обработки стали, проведенных при опробовании комплексных лигатур, содержащих кальций и барий.
</p>
<p>
Методика исследования металла включала металлографическое изучение включений, определение механических свойств, поиска связи между параметрами внепечной обработки и браковочных признаков колёсной стали.
</p>
<p>
Дополнительно проводили фракционный газовый анализ (ФГА) с определением содержания азота и кислорода в неметаллических включениях, обнаруживаемых в металле [12].
</p>
<p>
В ходе предварительных испытаний были опробована обработка колёсной стали (ТУ 0943-157-01124328-2003) модификаторами марок SIBAR®22 и INSTEEL®1.2 с расходом реагента 0,47… 0,91кг/т. В качестве сравнительных были взяты плавки, модифицированные силикокальцием (0,8…0,9кг/т) и отлитые в один период производства с опытными.
</p>
<p>
На половине опытных плавок после науглероживания металла, но до присадки легирующих и раскислителей, на металл давали 8...70кг гранулированного алюминия с целью предварительного раскисления металла, снижения содержания в расплаве кислорода и исключения или уменьшения количества силикатных продуктов раскисления.
</p>
<p>
Модифицирование порошковой проволокой проводилось после обработки металла на вакууматоре. Ввод проволоки проходил без вспышек и выбросов Содержание кальция в металле с INSTEEL®1.2 находилось в пределах 5...19ppm, в основном - 8...14ppm (в среднем 9,9ppm). При расходе проволоки 280 и 400м на плавку оно было в среднем 9,9 и 10,9ppm соответственно. На сравнительных плавках концентрация кальция в металле находилась в пределах 6...14ppm при среднем содержании 9,6ppm. Эффект более высокой степени усвоения кальция из опытного модификатора, в котором содержание кальция в 2 раза меньше по сравнению с силикокальцием объясняется защитой кальция барием, обладающим более высокой реакционной способностью, чем кальций [13]. Совместное применение кальция и бария, обладающих полной взаимной растворимостью в жидком состоянии, приводит к тому, что упругость их паров будет ниже упругости пара каждого отдельно взятого элемента [14]. Этот эффект приводит к более медленному испарению элементов и, как следствие, повышению усвоения кальция, более эффективному протеканию процесса модифицирования. В результате проведённых нами расчётов [15] в отличие от раскисления стали отдельными щелочноземельными элементами использование их в виде комплексных сплавов на основе кремния или алюминия может привести к более глубокому раскислению металла вследствие образования термодинамически устойчивых силикатов, алюминатов и других сложных соединений. Раскисление железа барием имеет определенные термодинамические и кинетические преимущества в сравнении с раскислением магнием, кальцием и стронцием.
</p>
<p>
Содержание кальция в металле при одних и тех же расходах модификаторов (по данным 40 опытных плавок) повышалось (с 9 до 11 ррm) с ростом концентрации в металле алюминия (c ≤0,003 до 0,005%масс.).
</p>
<p>
На INSTEEL®1.2 выявлено значительное влияние содержания кальция на уровень брака (табл. 2). Это объясняет, почему лучшие результаты получены при повышенном (до 0,91кг/т) расходе модификатора. С увеличением концентрации кальция существенно снижался не только брак металла, но и назначение колёс на переточку. Полученные результаты позволяют рекомендовать содержание кальция в стали не менее 11ppm.
</p>
<p>
Влияние содержания кальция в колёсной стали на брак металла и показатели сортировки колёс <br>
Таблица 2
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="99">
<b>Содержание кальция, ppm </b>
</td>
<td colspan="2" width="161">
<b>
Брак металла, % </b>
</td>
<td colspan="3" width="257">
<b>
Ремонт колёс,% </b>
</td>
<td rowspan="2" width="108">
<b>
Назначение</b><br>
<b>
на переточку, % </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="80">
<b>
общий </b>
</td>
<td width="80">
<b>
в т.ч. по УЗК </b>
</td>
<td width="125">
<b>
раскатанные загрязнения </b>
</td>
<td width="60">
<b>
плена </b>
</td>
<td width="72">
<b>
∑</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="99">
5...8
</td>
<td width="80">
3,86
</td>
<td width="80">
2,55
</td>
<td width="125">
6,1
</td>
<td width="60">
8,0
</td>
<td width="72">
14,1
</td>
<td width="108">
3,24
</td>
</tr>
<tr>
<td width="99">
9...10
</td>
<td width="80">
3,59
</td>
<td width="80">
2,18
</td>
<td width="125">
8,8
</td>
<td width="60">
4,8
</td>
<td width="72">
13,6
</td>
<td width="108">
1,47
</td>
</tr>
<tr>
<td width="99">
11...19
</td>
<td width="80">
2,22
</td>
<td width="80">
1,17
</td>
<td width="125">
8,9
</td>
<td width="60">
4,6
</td>
<td width="72">
13,5
</td>
<td width="108">
1,22
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Среднее содержание алюминия на плавках с различными вариантами модифицирования проволокой с SIBAR®22 находилось в пределах 0,0025... 0,0036%, с INSTEEL®1.2 – 0,0033...0,0046%, с СК30 – 0,0025...0,0041%. Таким образом, опытные модификаторы обеспечивали более низкое содержание алюминия в стали, чем силикокальций. При изучении влияния содержания в металле алюминия на отбраковку заготовок и колёс (табл. 3) было выявлено, что величина общего брака, в том числе по УЗК, определяется содержанием алюминия в готовом металле. Для получения низкого уровня брака (порядка 0,5%) необходимо обеспечить концентрацию алюминия в стали не более 0,002%. Такой же вывод позволяет сделать анализ сравнительных плавок с силикокальцием.
</p>
<p>
Полученные данные согласуются с анализом, выполненным в работе [16] по разработке технологии раскисления стали для металлокорда. Было выявлено, что применительно для высокоуглеродистого металла кремний при его содержании 0,30…0,40% является более сильным раскислителем, чем алюминий при концентрации 0,004…0,005%. Кремний в этом случае препятствует окислению алюминия и сохраняет его в количествах, достаточных для получения плотного слитка с минимальным загрязнением его глинозёмистыми включениями.
</p>
<p>
Суммарный брак плавок (брак заготовок и колёс), модифицированных SIBAR®22, оказался ниже, чем при использовании INSTEEL®1.2 и составил 1,85% и 2,18% соответственно. На сравнительных плавках эта величина была 2,02%. При этом основной показатель качества колёс - брак по УЗК - был 1,09% - для металла с SIBAR®22, 1,24% - для металла с INSTEEL®1.2 и 1,25% - для сравнительного.
</p>
<p>
Отбраковка заготовок и колёс в зависимости от маркировочного содержания алюминия.<br>
Таблица 3
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="203">
<b>Содержание алюминия, % </b>
</td>
<td colspan="3" width="321">
<b>
Брак металла,% </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="2" width="162">
<b>
общий брак </b>
</td>
<td width="160">
<b>
в том числе по УЗК</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="4" width="524">
Опытные плавки (с SIBAR®22 и INSTEEL®1.2)
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0010...0,0019
</td>
<td width="161">
0,98
</td>
<td colspan="2" width="161">
0,49
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0021...0,0023
</td>
<td width="161">
1,84
</td>
<td colspan="2" width="161">
1,15
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0026...0,0029
</td>
<td width="161">
3,36
</td>
<td colspan="2" width="161">
1,92
</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="4" width="524">
<b>Сравнительные плавки (с СК30)</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0016...0,0020
</td>
<td width="161">
1,10
</td>
<td colspan="2" width="161">
0,52
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0022...0,0025
</td>
<td width="161">
2,11
</td>
<td colspan="2" width="161">
1,41
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0026....0,0044
</td>
<td width="161">
2,64
</td>
<td colspan="2" width="161">
1,69
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Металл, обработанный INSTEEL®1.2, имел заметные преимущества перед металлом, обработанным SIBAR®22, по уровню назначений на переточку. Общий брак в значительной мере зависел от расхода модификаторов: увеличение расхода с 0,64кг/т до 0,91кг/т снижало величину общего брака с 2,48% до 1,89% - на проволоке с INSTEEL®1.2 и с 2,57% до 1,31% - на проволоке с SIBAR®22.
</p>
<p>
Брак металла существенно снижался с увеличением продолжительности очистительной продувки (табл. 4).
</p>
<p>
Брак металла в зависимости от продолжительности очистительной продувки<br>
Таблица 4
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="128">
<b>Модификатор </b>
</td>
<td rowspan="2" width="128">
<b>
Продолжитель-ность продувки, мин. </b>
</td>
<td colspan="2" width="257">
<b>
Брак колёс,% </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
<b>
общий брак </b>
</td>
<td width="128">
<b>
в т.ч. по УЗК</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="3" width="128">
INSTEEL®1.2 <br>
SIBAR®22
</td>
<td width="128">
6..9
</td>
<td width="128">
2,19
</td>
<td width="128">
1,23
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
10...13
</td>
<td width="128">
1,67
</td>
<td width="128">
1,18
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
15...19
</td>
<td width="128">
1,62
</td>
<td width="128">
1,03
</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="3" width="128">
СК30
</td>
<td width="128">
7...9
</td>
<td width="128">
2,11
</td>
<td width="128">
1,22
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
10...11
</td>
<td width="128">
2,02
</td>
<td width="128">
1,40
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
28
</td>
<td width="128">
1,43
</td>
<td width="128">
0,95
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Уменьшить брак металла за счёт снижения содержания в нём алюминия возможно при условии уменьшения расхода ферросилиция и, соответственно, содержания кремния в металле. Так, анализ плавок, модифицированных силикокальцием, показал, что при содержании кремния в маркировочных пробах 0,34...0,35% концентрация в них алюминия находилась в пределах 0,0020...0,0025% (в среднем по 3 плавкам 0,0022%), а при 0,40...0,41% кремния – 0,0019...0,0044% (в среднем по 7 плавкам 0,0029%). Следовательно, уменьшение содержания кремния на 0,01% приводит к снижению алюминия на 0,0001%. Рекомендуемое уменьшение на 0,05% кремния понизит алюминий на достаточно заметную величину – 0,0005%. Это, не требующее затрат, мероприятие экономически очень эффективно: по предварительным расчётам в масштабах производства колёсного металла на ВМЗ оно позволит получать экономию свыше 8 млн. рублей ежегодно.
</p>
<p>
Металлографическое исследование, выполненное лабораторией на ВМЗ, показало:
</p>
<p>
1. Макроструктура колёс опытного металла удовлетворяет требованиям МУ 14-2Р-403-2006. Различий в строении опытного и сравнительного металла не выявлено.<br>
2. Модифицирование колёсной стали силикокальцийбариевыми лигатурами оказало благотворное действие на сульфидные включения, форма которых приблизилась к глобулярной. Различий в степени глобуляризации между модификаторами не выявлено (рис.1).
</p>
<p>
<img width="700" alt="Рис. 1. Вид оксидных включений в колёсной стали, модифицированной кальцийбарий-содержащими лигатурами : А - SIBAR®22, Б - INSTEEL®1.2, В - INSTEEL®1.3. " src="/upload/medialibrary/e66/vicsa1.JPG" height="219" title="Рис. 1. Вид оксидных включений в колёсной стали, модифицированной кальцийбарий-содержащими лигатурами : А - SIBAR®22, Б - INSTEEL®1.2, В - INSTEEL®1.3. ">
</p>
<p>
Рис. 1. Вид оксидных включений в колёсной стали, модифицированной кальцийбарий-содержащими лигатурами : А - SIBAR®22, Б - INSTEEL®1.2, В - INSTEEL®1.3.
</p>
<p>
3. Загрязнённость металла опытных плавок силикатами недеформирующимися по среднему баллу ниже сравнительного, а силикатами пластичными, хрупкими и оксидами точечными находилась на одном уровне со сравнительным металлом и удовлетворяла требованиям ТУ 0943-157-01124328-2003. Суммарный балл кислородных включений металла колёс опытных плавок ниже, чем сравнительных (3,2 и 3,4 балла, соответственно).<br>
4. Загрязнённость металла опытных плавок, модифицированных SIBAR®22, по среднему баллу сульфидов несколько ниже, чем с применением INSTEEL®1.2, а по остальным включениям оба варианта примерно равноценны. Из результатов ФГАследует, что наиболее низкая загрязненность металла оксидными включениями получена на плавках обработанных INSTEEL®1.2. При этом основным типом оксидных включений являются пластичные силикаты, которые оказывают меньшее отрицательное влияние на свойства колесной стали, чем высокоглиноземистые недеформируемые включения. <br>
5. Металл, предварительно раскисленный алюминием в количестве 20..70кг, по среднему баллу меньше (на 0,3 балла) загрязнён силикатами пластичными и поэтому имеет более низкий суммарный балл кислородных включений по сравнению с металлом остальных опытных плавок.<br>
6. Металл с повышенной активностью кислорода (14,2...16,0ppm), по сравнению с пониженной (4,7...13,9ppm), имеет меньшую (на 0,2 балла) загрязнённость сульфидными включениями при равных содержаниях алюминия в сравниваемых группах. Вероятно, это связано с образованием в первой группе большего количества мелких глинозёмистых включений, являющихся подложками для выделения сульфидов при кристаллизации стали, что ведёт к их измельчению [17].
</p>
<p>
Механические свойства опытных и сравнительных плавок полностью удовлетворяют требованиям ТУ 0943-157-01124328-2003. При этом была выявлена тенденция к повышению ударной вязкости (на 2Дж/см2) с увеличением концентра-ции кальция с 8...9ppm до 10...13ppm. Твердость по Бринелю опытных плавок (330…337НВ) находится выше уровня сравнительных (325НВ). Повышение твёрдости опытного металла на 2...3% связано, по-видимому, с протеканием более глубоких процессов рафинирования металла (в том числе и от неметаллических включений) за счёт применения барийсодержащих лигатур, повышения плотности металла, как это и отмечалось в работе В.С. Коваленко с соавторами [18].
</p>
<p>
Металл, модифицированный INSTEEL®1.2, имел несколько лучшие механические свойства по сравнению с SIBAR®22. При одинаковом содержании кальция INSTEEL®1.2 обеспечивал более высокий уровень всех механических свойств по сравнению с силикокальцием (табл. 4).
</p>
<p>
Сравнение механических свойств металла в зависимости от вида модификатора<br>
Таблица 4
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td width="180">
<b>Марка модификатора </b>
</td>
<td width="84">
<b>
σв, кгс/мм2 </b>
</td>
<td width="96">
<b>
δ, % </b>
</td>
<td width="96">
<b>
φ, % </b>
</td>
<td width="84">
<b>
KCU, Дж/см2 </b>
</td>
<td width="96">
<b>
Твёрдость, НВ</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
SIBAR®22
</td>
<td width="84">
112,4
</td>
<td width="96">
14,2
</td>
<td width="96">
29,2
</td>
<td width="84">
27,0
</td>
<td width="96">
329
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
INSTEEL®1.2
</td>
<td width="84">
114,2
</td>
<td width="96">
14,3
</td>
<td width="96">
30,2
</td>
<td width="84">
30,4
</td>
<td width="96">
333
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
INSTEEL®1.3
</td>
<td width="84">
114,9
</td>
<td width="96">
12,9
</td>
<td width="96">
28,6
</td>
<td width="84">
25,0
</td>
<td width="96">
331
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
СК30
</td>
<td width="84">
114,1
</td>
<td width="96">
13,4
</td>
<td width="96">
29,2
</td>
<td width="84">
26,5
</td>
<td width="96">
325
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
Требование ТУ 0943-157-01124328-2003
</td>
<td width="84">
104-120
</td>
<td width="96">
>9
</td>
<td width="96">
>16
</td>
<td width="84">
>18
</td>
<td width="96">
320-360
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
По результатам двух серий промышленных испытаний барийсодержащих модификаторов были сделаны следующие предварительные выводы и рекомендации:
</p>
<p>
1. Уровень брака заготовок и колёс определяется, в первую очередь, содержанием в металле алюминия. Для получения низкого уровня брака, порядка 0,5%, концентрация алюминия не должна превышать 0,002%. Металл, предварительно (до присадки ферросилиция) раскисленный алюминием в количестве 30...70кг, имеет меньший уровень загрязнённости стали включениями по сравнению с плавками без предварительного раскисления. Технология с предварительным раскислением алюминием может быть рекомендована при производстве колёсной стали с повышенными требованиями по загрязнённости металла оксидными включениями.<br>
2. Для снижения уровня брака заготовок и колёс продолжительность окончательной продувки металла аргоном должна быть не менее 11 минут. Рекомендуемое время продувки 13...15 минут.<br>
3. На опытном металле максимальный балл силикатов пластичных и недеформирующихся не превышал 2 и 3 баллов, соответственно, а на обычном - достигал 5 и 4 баллов.<br>
4. Металл, обработанный барийсодержащими модификаторами, имел более низкий брак колёс по УЗК (примерно на 0,8%) по сравнению с обычным металлом, модифи-цированным силикокальцием.<br>
5. Модификаторы INSTEEL®1.2 и SIBAR®22 обеспечивают примерно равную величину брака по УЗК, но металл обработанный INSTEEL®1.2 имеет меньший уровень назначений на переточку и несколько повышенную ударную вязкость по сравнению с металлом, модифицированным SIBAR®22. Последний имеет преимущество перед INSTEEL®1.2 по загрязнённости оксидными включениями и обеспечивает меньшее содержание в колёсной стали остаточного алюминия, что делает его достаточно перспективным.<br>
6. Учитывая достоинства и преимущества каждого из опробованных барийсодержащих модификаторов, рекомендуется дальнейшие испытания провести с комплексным модификатором марки INSTEEL®1.3, который имеет высокое содержание бария (15...20%), как у SIBAR®22, и повышенную по сравнению с последним концентрацию кальция (5...8%).
</p>
<p>
С использованием этой проволоки c наполнителем марки INSTEEL®1.3 было проведено 17 плавок с расходом проволоки 0,42…0,67кг/т. В качестве сравнитель-ных были взяты плавки, модифицированные силикокальцием (0,8кг/т) и отлитые в один период производства с опытными. Продолжительность очистительной продувки на опытных плавках находилась в пределах 10...24 мин, на сравнительных - 8...12 мин.
</p>
<p>
Содержание алюминия в металле опытных плавок находилось в пределах 0,0020...0,0035% (в среднем 0,028%) и было, как и при проведении предыдущих кампаний, ниже, чем на сравнительных плавках – 0,0026...0,0045% (в среднем 0,0034%). Содержание кальция в металле составило – 5…6ppm. В последнем случае усвоение кальция составило 12,1, что несколько выше его усвоения из INSTEEL®1.2 при том же расходе (9,9%). На сравнительных плавках среднее содержание кальция составило 9ppm при среднем его усвоении 5,9%.
</p>
<p>
Сравнение результатов ФГА образцов, отобранных из темплетов показывает, что для стали, раскисленной INSTEEL®1.3, характерно более низкое содержание силикатов и алюминатов при повышенном содержании неметаллических включений в форме алюмосиликатов кальция и магниевых шпинелях по сравнению с металлом, раскисленным СК-30. При этом наименьшее количество алюминатов наблюдается в металле плавок, раскисленных 280 и 400 м лигатуры INSTEEL®1.3.
</p>
<p>
Брак заготовок и колёс опытных и сравнительных плавок, обработанных INSTEEL®1.3 представлен на рис.2.
</p>
<p>
Минимальный уровень суммарного брака колёс и заготовок обеспечивается при максимальном расходе модификатора INSTEEL®1.3 – 400 метров проволоки на плавку. Снижение суммарного брака колёс при модифицировании металла барий-содержащей проволокой с расходом по наполнителю 0,67кг/т составляет 69,6 %отн. (1,95 %абс.) по сравнению с отчётными данными за май 2008г. По основному и наиболее объективному критерию качества металла– браку по УЗК – варианты с расходом 400 и 280 метров на плавку практически равноценны, при этом оба имеют значительное преимущество перед сравнительными плавками. Опытный металл показал также лучшие результаты по ремонту колёс и назначению их на переточку.
</p>
<p>
<img width="493" alt="Рис. 2. Зависимость брака ж.-д. колес по дефектам, выявляемым на УЗК контроле, суммарному браку ж.-д. колес и заготовок для них от варианта раскисления, а так же средние показатели в период проведения опытных плавок" src="/upload/medialibrary/a50/vicsa2.JPG" height="226" title="Рис. 2. Зависимость брака ж.-д. колес по дефектам, выявляемым на УЗК контроле, суммарному браку ж.-д. колес и заготовок для них от варианта раскисления, а так же средние показатели в период проведения опытных плавок">
</p>
<p>
Рис. 2. Зависимость брака ж.-д. колес по дефектам, выявляемым на УЗК контроле, суммарному браку ж.-д. колес и заготовок для них от варианта раскисления, а так же средние показатели в период проведения опытных плавок
</p>
<p>
Суммарный брак плавок (брак заготовок и колёс), модифицированных, оказался ниже, чем при использовании SIBAR®22 и INSTEEL®1.2 и составил 1,43%.
</p>
<p>
Отмечается также факт снижения маркировочного содержания алюминия с ростом продолжительности очистительной продувки (табл. 5), что свидетельствует об интенсивном удалении НВ, содержащих алюминий (корунда, алюминатов и т.п.).
</p>
<p>
Зависимость брака металла от продолжительности очистительной продувки <br>
Таблица 5
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="168">
<b>Продолжительность очистительной продувки, мин. </b>
</td>
<td colspan="2" width="276">
<b>
Брак колёс,% </b>
</td>
<td rowspan="2" width="240">
<b>
Маркировочное содержание алюминия х 103,% </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="156">
<b>
общий </b>
</td>
<td width="120">
<b>
в т.ч. по УЗК</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="168">
10...11
</td>
<td width="156">
1,61
</td>
<td width="120">
0,77
</td>
<td width="240">
3,0
</td>
</tr>
<tr>
<td width="168">
12...15
</td>
<td width="156">
1,4
</td>
<td width="120">
0,08
</td>
<td width="240">
2,8
</td>
</tr>
<tr>
<td width="168">
16...24
</td>
<td width="156">
1,21
</td>
<td width="120">
0,24
</td>
<td width="240">
2,7
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Таким образом, обработка колёсной стали модификатором INSTEEL®1.3 позволила добиться снижения показателей по загрязненности металла колес по всем видам неметаллических включений и суммарного брака колёс при модифициро-вании металла барийсодержащей проволокой с расходом по наполнителю 0,67кг/т на 69,6 %отн. (1,95 %абс.) по сравнению с отчетными данными за соответствующий период проведения опытных плавок.
</p>
<p>
Положительными эффектами явилось повышение ударной вязкости и твёрдости металла, а также усвоения кальция металлом в два раза (с 5,9% при работе с СК30 до 12,1%) при модифицировании INSTEEL®1.3.
</p>
<p>
Литература
</p>
<p>
1. Дерябин А.А. Исследование эффективности процессов раскисления, модифицирования и микролегирования рельсовой стали / Дерябин А.А., Добужская А.Б. // Сталь. 2000. №11. С.38-43. <br>
2. Дёмин К.Ю. Влияние технологических параметров внепечной обработки колёсной стали на качество железнодорожных колёс / Дёмин К.Ю., Сёмин А.Е., Косырев К.Л. и др. // Электрометаллургия. 2007. №4. С.12-16.<br>
3. Дерябин А.А. Эффективность нанотехнологии модифицирования рельсовой стали барием / Дерябин А.А., Павлов В.В., Могильный В.В. и др. // Сталь. 2007. №11. С.134-141.<br>
4. Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. –Челябинск. 2006. -423с.<br>
5. Рябчиков И.В. Модификаторы и технология внепечной обработки железоуглеродистых сплавов. -М.: Экомет. 2008. -400с.<br>
6. Пашкеев И.Ю. Влияние бария на контактное взаимодействие стали Х18Н10Т с оксидными материалами / И.Ю. Пашкеев., Г.Г. Михайлов // Вестник ЮУрГУ.2005.С.42-45.<br>
7. Туркдоган Е.Т. Физическая химия высокотемпературных процессов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. -344с.<br>
8. Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева Н.Н. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Вып. 1. Двойные системы. Л.: Наука, 1969.-822с. <br>
9. Рябчиков И. В., Панов А. Г., Корниенко А. Э. О качественных характери-стиках модификаторов // Сталь. 2007. №18. С.18-21.<br>
10. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. -М.: Металлургия, 1982. -391с.<br>
11. Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Бойкова А.И. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Вып. 32. Тройные системы. Л.: Наука, 1972. -448с.<br>
12. Григорович К.В. Фракционный газовый анализ – новое направлении ев контроле качества материалов // Аналитика и контроль. 2000. Т.4. №3. С.244-251.<br>
13. Рябчиков И. В., Панов А. Г., Корниенко А. Э. О качественных характеристиках модификаторов // Сталь. 2007. №18. С.18-21.<br>
14. Габисиани А.Г. Образование оксидных включений при раскислении железа кальций- и барийсодержащими лигатурами / Габисиани А.Г., Гонджилашвили Н.Д., Домуховский В.П. и др. // Сталь. 1987. № 1. С.31-34.<br>
15. Рябчиков И.В. Сравнительная раскислительная и модифицирующая способность магния и щелочноземельных элементов при внепечной обработке стали / Рябчиков И.В., Ахмадеев А.Ю., Рогожина Т.В., Голубцов В.А. // Сталь. 2008. № 12. С.<br>
16. Шуб Л.Г. Опыт раскисления высокоуглеродистой стали без алюминия // Чёрная металлургия. Бюлл. НТИ. 2007. №5. С.37-43.<br>
17. Иванов В.С. Разработка технологического регулирования микрочистоты колёсной стали по неметаллическим включениям / Иванов В.С., Филиппов Г.А., Гетманович М.Е. и др. // Сталь. 2007. №9. С.18-21.<br>
18. Коваленко В.С. Модифици-рование стали кальцием и барием / Коваленко В.С., Кучкин В.И., Кисунько В.З., Григораш А.В. // Сталь. 1985. №7. С.19-23
</p>
Л.Г. Шуб, В.А. Голубцов, Р.Г. Усманов, И.В. Рябчиков (ООО НПП Технология)<br>
Ю. С. Демин, А.В. Гайворонский (ОАО “Выксунский метзавод”)<br>
К.Ю. Дёмин, К.В. Григорович (ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова)<br>
(Опуликована в журнале “Сталь”, 2009. №12)
</p>
<p>
Стойкость железнодорожных колёс во многом определяется чистотой стали по неметаллическим включениях, её механическими свойствами.
</p>
<p>
При производстве высокоуглеродистых сталей (рельсовых, колёсных и др.) широкое распространение получила внепечная обработка металла силикокальцием [1,2]. Силикокальций позволяет снизить загрязнённость металла неметаллическими включениями (НВ) и за счёт глобуляризации их повысить механические и эксплуатационные характеристики продукции. Однако, постоянно растущие требования к транспортному металлу, а также трудности, связанные с использованием силикокальция (низкое усвоение, затягивание сталеразливочного стакана, нестабильность получаемых результатов, связанных с количеством брака и т.п.) определяют необходимость поиска новых путей внепечной обработки стали с использованием модификаторов, содержащих, помимо кальция, другой щелочноземельный металл - барий.
</p>
<p>
Положительные результаты использования порошковой проволоки с наполнителем из смеси силикокальция с силикобарием, связанные с улучшением механических свойств рельсов и значительным росту их стойкости были получены на ОАО НТМК [3]. Многочисленные примеры успешного использования барийсодержащих лигатур для обработки металла различного назначения приведены в работах [4,5]. Учитывая высокие поверхностно-активные свойства бария, он способен защитить поверхность разливаемой стали от воздействия воздуха вследствие многократного увеличения его поверхностной концентрации [6].
</p>
<p>
Ниже приведено физико-химическое обоснование целесообразности использования для внепечной обработки стали комплексных барийсодержащих сплавов.
</p>
<p>
При совместном раскислении стали любым щелочноземельным металлом (ЩЗМ) и алюминием или кремнием возможно образование алюминатов, силикатов и алюмосиликатов. Термодинамические условия образования алюминатов этих соединений и температура их плавления приведена в табл.2.
</p>
<p>
Изменение энергии Гиббса образования соединений ЩЗМ (ΔGºт) и температура их плавления [7]<br>
Таблица 2
</p>
<table class="table table-bordered" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0" width="100%">
<tbody>
<tr>
<td width="31%">
<b>Соединение </b>
</td>
<td width="19%">
<b>
ΔGºт= φ(Т), Дж/г-атом О </b>
</td>
<td width="15%">
<b>
Т, 0К </b>
</td>
<td width="17%">
<b>
ΔGo1873, кДж </b>
</td>
<td width="17%">
<b>
Тпл, 0С</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4CaAl2O4
</td>
<td width="19%">
-44933+4,70Т
</td>
<td width="15%">
773-1878
</td>
<td width="17%">
4,3
</td>
<td width="17%">
1605
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/7CaAl4O7
</td>
<td width="19%">
-2388+3,64Т
</td>
<td width="15%">
773-2023
</td>
<td width="17%">
4,4
</td>
<td width="17%">
1775
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/3CaSiO3
</td>
<td width="19%">
-30792-0,84Т
</td>
<td width="15%">
298-1813
</td>
<td width="17%">
-32,4
</td>
<td width="17%">
1540
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4CaSiO4
</td>
<td width="19%">
-29678+2,82Т
</td>
<td width="15%">
298-2403
</td>
<td width="17%">
-24,4
</td>
<td width="17%">
2130
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/7Ca2Al2SiO7
</td>
<td width="19%">
-24423-1,25Т
</td>
<td width="15%">
298-1773
</td>
<td width="17%">
-26,7
</td>
<td width="17%">
-
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4SrAl2O4
</td>
<td width="19%">
-17765+1,04Т
</td>
<td width="15%">
298-1573
</td>
<td width="17%">
-15,8
</td>
<td width="17%">
1790
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/3SrSiO3
</td>
<td width="19%">
-44587+1,04Т
</td>
<td width="15%">
298-1173
</td>
<td width="17%">
-46,5
</td>
<td width="17%">
1580
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4Sr2SiO4
</td>
<td width="19%">
-53295-1,46Т
</td>
<td width="15%">
298-1173
</td>
<td width="17%">
-56,0
</td>
<td width="17%">
-
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4BaAl2O4
</td>
<td width="19%">
-31036+1,67Т
</td>
<td width="15%">
298-2103
</td>
<td width="17%">
-27,9
</td>
<td width="17%">
1830
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/6Ba3 Al2O6
</td>
<td width="19%">
-35321+3,13Т
</td>
<td width="15%">
298-2023
</td>
<td width="17%">
-29,4
</td>
<td width="17%">
1750
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/3ВaSiO3
</td>
<td width="19%">
-49603+2,09Т
</td>
<td width="15%">
298-1878
</td>
<td width="17%">
-45,7
</td>
<td width="17%">
1605
</td>
</tr>
<tr>
<td width="31%">
1/4Вa2 SiO4
</td>
<td width="19%">
-64894+1,46Т
</td>
<td width="15%">
298-2033
</td>
<td width="17%">
-62,1
</td>
<td width="17%">
1760
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Видно, что только алюминаты кальция CaAl2O4 CaAl4O7 при температуре жидкой стали неустойчивы, поскольку величина ΔGº1873 образования этих соединений имеет положительные значение. Устойчивым является алюмосиликат кальция. Весьма устойчивыми являются алюминаты и силикаты стронция и бария. Однако они имеют относительно высокую температуру плавления и при температуре разливки стали существуют в твёрдом состоянии.
</p>
<p>
Решение проблемы снижения загрязненности стали неметаллическими включениями и уменьшения затягивания разливочного стакана авторы видят в замене традиционного силикокальция комплексными сплавами, содержащими ЩЗМ, а в ряде случаев и другие химически активные металлы (магний, редкоземельные металлы (РЗМ) и т.п.). При использовании многокомпонентных сплавов возможно образование сложных по составу легкоплавких оксидных и оксисульфидных соединений и эвтектик. При этом важнейшим компонентом этих сплавов является барий. Позволяющий получать весьма легкоплавкие продукты раскисления (табл.3).
</p>
<p>
Из элементов II группы таблицы Д.И. Менделеева барий имеет максимальную реакционную способность [9]. Наряду с этим образующийся в жидкой стали оксид бария BaO0,907 с дефицитом кислорода в решетке [10] также обладает повышенной реакционной способностью.
</p>
<p>
При добавке в сталь комплексных кремнистых сплавов с барием, стронцием, титаном или цирконием возможно образование легкоплавких оксидных соединений Вa2SrSi3O8 , ВaSiTi2O7, ВaSiTiO5 , ВaZrSi3O9 с температурой плавления, соответст-венно, 1325,1250,1400,14500С. В системе ВаО-СаО-SiО2 имеется эвтектика ВаSiO3- CаSiO3 , плавящаяся при температуре 12680С [8].
</p>
<p>
Таким образом, при раскислении стали комплексными барийсодержащими сплавами в металле возможно образование легкоплавких соединений и эвтектик, увеличивающих седиментационные свойства неметаллических включений. Раскисление стали барием имеет не только термодинамические, но и кинетические преимущества, которые заключаются в быстром удалении продуктов раскисления из металлического расплава. Этому способствуют высокая реакционная способность бария и его оксида, легкоплавкость ряда барийсодержащих фаз и летучесть оксида бария [11].
</p>
<p>
Инвариантные точки системы BaO-CaO-SiO2 [8]<br>
Таблица 3
</p>
<table class="table table-bordered" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="40%">
<b>Фазы </b>
</td>
<td rowspan="2" width="10%">
<b>
Процесс </b>
</td>
<td colspan="3" width="31%">
<b>
Состав, % (по массе) </b>
</td>
<td rowspan="2" width="17%">
<b>
Температура, 0С</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="10%">
<b>CaO </b>
</td>
<td width="10%">
<b>
BaO </b>
</td>
<td width="10%">
<b>
SiO2</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
BaO·2SiO2+CaO·SiO2+SiO2+жидкость
</td>
<td width="10%">
Эвтектика
</td>
<td width="10%">
14,5
</td>
<td width="10%">
38,0
</td>
<td width="10%">
47,5
</td>
<td width="17%">
1150
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
BaO·2SiO2+CaO·SiO2+2CaO·BaO·3SiO2 +жидкость
</td>
<td width="10%">
<p>
То же
</p>
</td>
<td width="10%">
14,0
</td>
<td width="10%">
39,5
</td>
<td width="10%">
46,5
</td>
<td width="17%">
1190
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
2CaO·BaO·3SiO2+CaO·SiO2+твердый раствор+жидкость
</td>
<td width="10%">
Реакция
</td>
<td width="10%">
29,5
</td>
<td width="10%">
34,5
</td>
<td width="10%">
36,0
</td>
<td width="17%">
1300
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
CaO·SiO2+3CaO·2SiO2+твердый раствор+жидкость
</td>
<td width="10%">
То же
</td>
<td width="10%">
31,0
</td>
<td width="10%">
33,0
</td>
<td width="10%">
36,0
</td>
<td width="17%">
1310
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
BaO·SiO2+2CaO·BaO·3SiO2+твердый раствор+жидкость
</td>
<td width="10%">
Эвтектика
</td>
<td width="10%">
15,5
</td>
<td width="10%">
51,5
</td>
<td width="10%">
33,0
</td>
<td width="17%">
1255
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
2BaO·3SiO2+2CaO·BaO·3SiO2+BaO·SiO2+жидкость
</td>
<td width="10%">
<p>
То же
</p>
</td>
<td width="10%">
11,5
</td>
<td width="10%">
52,5
</td>
<td width="10%">
36,0
</td>
<td width="17%">
1235
</td>
</tr>
<tr>
<td width="40%">
BaO·2SiO2+2CaO·BaO·3SiO2+2BaO·3SiO2+жидкость
</td>
<td width="10%">
То же
</td>
<td width="10%">
11,0
</td>
<td width="10%">
48,0
</td>
<td width="10%">
41,0
</td>
<td width="17%">
1210
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Наши теоретические расчёты делают целесообразной проверку эффективности применения барийсодержащих модификаторов при получении колёсного металла в условиях ВМЗ.
</p>
<p>
Для обработки металла использовали модификаторы производства ООО “НПП Технология” (табл.1), изготовленные методом закалки из расплава, минимизирующим их химическую и структурную (фазовую) неоднородность.
</p>
<p>
Химический состав модификаторов<br>
Таблица 1
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="108">
<b>Марка</b><br>
<b>
модификатора </b>
</td>
<td colspan="6" width="548">
<b>
Содержание основных элементов, масс.% </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="95">
<b>
Si </b>
</td>
<td width="82">
<b>
Ca </b>
</td>
<td width="92">
<b>
Ba </b>
</td>
<td width="99">
<b>
Al </b>
</td>
<td width="112">
<b>
Mg </b>
</td>
<td width="68">
<b>
Fe</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="108">
SIBAR®22
</td>
<td width="95">
45,0…60,0
</td>
<td width="82">
˂3
</td>
<td width="92">
20,0…30,0
</td>
<td width="99">
≤3,0
</td>
<td width="112">
Не анализир.
</td>
<td width="68">
ост.
</td>
</tr>
<tr>
<td width="108">
INSTEEL®1.2
</td>
<td width="95">
40,0…50,0
</td>
<td width="82">
12,0…15,0
</td>
<td width="92">
12,0…15,0
</td>
<td width="99">
≤2,0
</td>
<td width="112">
1,0…1,5
</td>
<td width="68">
ост.
</td>
</tr>
<tr>
<td width="108">
<p>
INSTEEL®1.3
</p>
</td>
<td width="95">
40,0…50,0
</td>
<td width="82">
5,0...8,0
</td>
<td width="92">
15,0...20,0
</td>
<td width="99">
≤2,0
</td>
<td width="112">
≤ 1,5
</td>
<td width="68">
ост.
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Настоящая работа проводилась в рамках существующей технологической цепочки, а именно:
</p>
<p>
-выплавка полупродукта в мартеновской печи с выпуском в 2 ковша; <br>
-науглероживание металла в ковшах при сливе плавки; <br>
-наведение шлака и десульфурация металла на установке внепечной обработки стали (УВОС); <br>
-вакуумирование; <br>
-присадка порошковой проволоки, очистительная продувка аргоном; <br>
-сифонная разливка на слитки массой 3,9 тонны.
</p>
<p>
Объектом исследования в настоящей работе являлось изучение влияния основных технологических параметров внепечной обработки колесной стали на отбраковку заготовок и ж.-д. колес по различным параметрам, загрязнённость металла неметаллическими включениями, механические свойства готовых изделий. Представленные материалы составлены путем обработки паспортов плавок по участку внепечной обработки стали, проведенных при опробовании комплексных лигатур, содержащих кальций и барий.
</p>
<p>
Методика исследования металла включала металлографическое изучение включений, определение механических свойств, поиска связи между параметрами внепечной обработки и браковочных признаков колёсной стали.
</p>
<p>
Дополнительно проводили фракционный газовый анализ (ФГА) с определением содержания азота и кислорода в неметаллических включениях, обнаруживаемых в металле [12].
</p>
<p>
В ходе предварительных испытаний были опробована обработка колёсной стали (ТУ 0943-157-01124328-2003) модификаторами марок SIBAR®22 и INSTEEL®1.2 с расходом реагента 0,47… 0,91кг/т. В качестве сравнительных были взяты плавки, модифицированные силикокальцием (0,8…0,9кг/т) и отлитые в один период производства с опытными.
</p>
<p>
На половине опытных плавок после науглероживания металла, но до присадки легирующих и раскислителей, на металл давали 8...70кг гранулированного алюминия с целью предварительного раскисления металла, снижения содержания в расплаве кислорода и исключения или уменьшения количества силикатных продуктов раскисления.
</p>
<p>
Модифицирование порошковой проволокой проводилось после обработки металла на вакууматоре. Ввод проволоки проходил без вспышек и выбросов Содержание кальция в металле с INSTEEL®1.2 находилось в пределах 5...19ppm, в основном - 8...14ppm (в среднем 9,9ppm). При расходе проволоки 280 и 400м на плавку оно было в среднем 9,9 и 10,9ppm соответственно. На сравнительных плавках концентрация кальция в металле находилась в пределах 6...14ppm при среднем содержании 9,6ppm. Эффект более высокой степени усвоения кальция из опытного модификатора, в котором содержание кальция в 2 раза меньше по сравнению с силикокальцием объясняется защитой кальция барием, обладающим более высокой реакционной способностью, чем кальций [13]. Совместное применение кальция и бария, обладающих полной взаимной растворимостью в жидком состоянии, приводит к тому, что упругость их паров будет ниже упругости пара каждого отдельно взятого элемента [14]. Этот эффект приводит к более медленному испарению элементов и, как следствие, повышению усвоения кальция, более эффективному протеканию процесса модифицирования. В результате проведённых нами расчётов [15] в отличие от раскисления стали отдельными щелочноземельными элементами использование их в виде комплексных сплавов на основе кремния или алюминия может привести к более глубокому раскислению металла вследствие образования термодинамически устойчивых силикатов, алюминатов и других сложных соединений. Раскисление железа барием имеет определенные термодинамические и кинетические преимущества в сравнении с раскислением магнием, кальцием и стронцием.
</p>
<p>
Содержание кальция в металле при одних и тех же расходах модификаторов (по данным 40 опытных плавок) повышалось (с 9 до 11 ррm) с ростом концентрации в металле алюминия (c ≤0,003 до 0,005%масс.).
</p>
<p>
На INSTEEL®1.2 выявлено значительное влияние содержания кальция на уровень брака (табл. 2). Это объясняет, почему лучшие результаты получены при повышенном (до 0,91кг/т) расходе модификатора. С увеличением концентрации кальция существенно снижался не только брак металла, но и назначение колёс на переточку. Полученные результаты позволяют рекомендовать содержание кальция в стали не менее 11ppm.
</p>
<p>
Влияние содержания кальция в колёсной стали на брак металла и показатели сортировки колёс <br>
Таблица 2
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="99">
<b>Содержание кальция, ppm </b>
</td>
<td colspan="2" width="161">
<b>
Брак металла, % </b>
</td>
<td colspan="3" width="257">
<b>
Ремонт колёс,% </b>
</td>
<td rowspan="2" width="108">
<b>
Назначение</b><br>
<b>
на переточку, % </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="80">
<b>
общий </b>
</td>
<td width="80">
<b>
в т.ч. по УЗК </b>
</td>
<td width="125">
<b>
раскатанные загрязнения </b>
</td>
<td width="60">
<b>
плена </b>
</td>
<td width="72">
<b>
∑</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="99">
5...8
</td>
<td width="80">
3,86
</td>
<td width="80">
2,55
</td>
<td width="125">
6,1
</td>
<td width="60">
8,0
</td>
<td width="72">
14,1
</td>
<td width="108">
3,24
</td>
</tr>
<tr>
<td width="99">
9...10
</td>
<td width="80">
3,59
</td>
<td width="80">
2,18
</td>
<td width="125">
8,8
</td>
<td width="60">
4,8
</td>
<td width="72">
13,6
</td>
<td width="108">
1,47
</td>
</tr>
<tr>
<td width="99">
11...19
</td>
<td width="80">
2,22
</td>
<td width="80">
1,17
</td>
<td width="125">
8,9
</td>
<td width="60">
4,6
</td>
<td width="72">
13,5
</td>
<td width="108">
1,22
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Среднее содержание алюминия на плавках с различными вариантами модифицирования проволокой с SIBAR®22 находилось в пределах 0,0025... 0,0036%, с INSTEEL®1.2 – 0,0033...0,0046%, с СК30 – 0,0025...0,0041%. Таким образом, опытные модификаторы обеспечивали более низкое содержание алюминия в стали, чем силикокальций. При изучении влияния содержания в металле алюминия на отбраковку заготовок и колёс (табл. 3) было выявлено, что величина общего брака, в том числе по УЗК, определяется содержанием алюминия в готовом металле. Для получения низкого уровня брака (порядка 0,5%) необходимо обеспечить концентрацию алюминия в стали не более 0,002%. Такой же вывод позволяет сделать анализ сравнительных плавок с силикокальцием.
</p>
<p>
Полученные данные согласуются с анализом, выполненным в работе [16] по разработке технологии раскисления стали для металлокорда. Было выявлено, что применительно для высокоуглеродистого металла кремний при его содержании 0,30…0,40% является более сильным раскислителем, чем алюминий при концентрации 0,004…0,005%. Кремний в этом случае препятствует окислению алюминия и сохраняет его в количествах, достаточных для получения плотного слитка с минимальным загрязнением его глинозёмистыми включениями.
</p>
<p>
Суммарный брак плавок (брак заготовок и колёс), модифицированных SIBAR®22, оказался ниже, чем при использовании INSTEEL®1.2 и составил 1,85% и 2,18% соответственно. На сравнительных плавках эта величина была 2,02%. При этом основной показатель качества колёс - брак по УЗК - был 1,09% - для металла с SIBAR®22, 1,24% - для металла с INSTEEL®1.2 и 1,25% - для сравнительного.
</p>
<p>
Отбраковка заготовок и колёс в зависимости от маркировочного содержания алюминия.<br>
Таблица 3
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="203">
<b>Содержание алюминия, % </b>
</td>
<td colspan="3" width="321">
<b>
Брак металла,% </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="2" width="162">
<b>
общий брак </b>
</td>
<td width="160">
<b>
в том числе по УЗК</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="4" width="524">
Опытные плавки (с SIBAR®22 и INSTEEL®1.2)
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0010...0,0019
</td>
<td width="161">
0,98
</td>
<td colspan="2" width="161">
0,49
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0021...0,0023
</td>
<td width="161">
1,84
</td>
<td colspan="2" width="161">
1,15
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0026...0,0029
</td>
<td width="161">
3,36
</td>
<td colspan="2" width="161">
1,92
</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="4" width="524">
<b>Сравнительные плавки (с СК30)</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0016...0,0020
</td>
<td width="161">
1,10
</td>
<td colspan="2" width="161">
0,52
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0022...0,0025
</td>
<td width="161">
2,11
</td>
<td colspan="2" width="161">
1,41
</td>
</tr>
<tr>
<td width="203">
0,0026....0,0044
</td>
<td width="161">
2,64
</td>
<td colspan="2" width="161">
1,69
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Металл, обработанный INSTEEL®1.2, имел заметные преимущества перед металлом, обработанным SIBAR®22, по уровню назначений на переточку. Общий брак в значительной мере зависел от расхода модификаторов: увеличение расхода с 0,64кг/т до 0,91кг/т снижало величину общего брака с 2,48% до 1,89% - на проволоке с INSTEEL®1.2 и с 2,57% до 1,31% - на проволоке с SIBAR®22.
</p>
<p>
Брак металла существенно снижался с увеличением продолжительности очистительной продувки (табл. 4).
</p>
<p>
Брак металла в зависимости от продолжительности очистительной продувки<br>
Таблица 4
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="128">
<b>Модификатор </b>
</td>
<td rowspan="2" width="128">
<b>
Продолжитель-ность продувки, мин. </b>
</td>
<td colspan="2" width="257">
<b>
Брак колёс,% </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
<b>
общий брак </b>
</td>
<td width="128">
<b>
в т.ч. по УЗК</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="3" width="128">
INSTEEL®1.2 <br>
SIBAR®22
</td>
<td width="128">
6..9
</td>
<td width="128">
2,19
</td>
<td width="128">
1,23
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
10...13
</td>
<td width="128">
1,67
</td>
<td width="128">
1,18
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
15...19
</td>
<td width="128">
1,62
</td>
<td width="128">
1,03
</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="3" width="128">
СК30
</td>
<td width="128">
7...9
</td>
<td width="128">
2,11
</td>
<td width="128">
1,22
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
10...11
</td>
<td width="128">
2,02
</td>
<td width="128">
1,40
</td>
</tr>
<tr>
<td width="128">
28
</td>
<td width="128">
1,43
</td>
<td width="128">
0,95
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Уменьшить брак металла за счёт снижения содержания в нём алюминия возможно при условии уменьшения расхода ферросилиция и, соответственно, содержания кремния в металле. Так, анализ плавок, модифицированных силикокальцием, показал, что при содержании кремния в маркировочных пробах 0,34...0,35% концентрация в них алюминия находилась в пределах 0,0020...0,0025% (в среднем по 3 плавкам 0,0022%), а при 0,40...0,41% кремния – 0,0019...0,0044% (в среднем по 7 плавкам 0,0029%). Следовательно, уменьшение содержания кремния на 0,01% приводит к снижению алюминия на 0,0001%. Рекомендуемое уменьшение на 0,05% кремния понизит алюминий на достаточно заметную величину – 0,0005%. Это, не требующее затрат, мероприятие экономически очень эффективно: по предварительным расчётам в масштабах производства колёсного металла на ВМЗ оно позволит получать экономию свыше 8 млн. рублей ежегодно.
</p>
<p>
Металлографическое исследование, выполненное лабораторией на ВМЗ, показало:
</p>
<p>
1. Макроструктура колёс опытного металла удовлетворяет требованиям МУ 14-2Р-403-2006. Различий в строении опытного и сравнительного металла не выявлено.<br>
2. Модифицирование колёсной стали силикокальцийбариевыми лигатурами оказало благотворное действие на сульфидные включения, форма которых приблизилась к глобулярной. Различий в степени глобуляризации между модификаторами не выявлено (рис.1).
</p>
<p>
<img width="700" alt="Рис. 1. Вид оксидных включений в колёсной стали, модифицированной кальцийбарий-содержащими лигатурами : А - SIBAR®22, Б - INSTEEL®1.2, В - INSTEEL®1.3. " src="/upload/medialibrary/e66/vicsa1.JPG" height="219" title="Рис. 1. Вид оксидных включений в колёсной стали, модифицированной кальцийбарий-содержащими лигатурами : А - SIBAR®22, Б - INSTEEL®1.2, В - INSTEEL®1.3. ">
</p>
<p>
Рис. 1. Вид оксидных включений в колёсной стали, модифицированной кальцийбарий-содержащими лигатурами : А - SIBAR®22, Б - INSTEEL®1.2, В - INSTEEL®1.3.
</p>
<p>
3. Загрязнённость металла опытных плавок силикатами недеформирующимися по среднему баллу ниже сравнительного, а силикатами пластичными, хрупкими и оксидами точечными находилась на одном уровне со сравнительным металлом и удовлетворяла требованиям ТУ 0943-157-01124328-2003. Суммарный балл кислородных включений металла колёс опытных плавок ниже, чем сравнительных (3,2 и 3,4 балла, соответственно).<br>
4. Загрязнённость металла опытных плавок, модифицированных SIBAR®22, по среднему баллу сульфидов несколько ниже, чем с применением INSTEEL®1.2, а по остальным включениям оба варианта примерно равноценны. Из результатов ФГАследует, что наиболее низкая загрязненность металла оксидными включениями получена на плавках обработанных INSTEEL®1.2. При этом основным типом оксидных включений являются пластичные силикаты, которые оказывают меньшее отрицательное влияние на свойства колесной стали, чем высокоглиноземистые недеформируемые включения. <br>
5. Металл, предварительно раскисленный алюминием в количестве 20..70кг, по среднему баллу меньше (на 0,3 балла) загрязнён силикатами пластичными и поэтому имеет более низкий суммарный балл кислородных включений по сравнению с металлом остальных опытных плавок.<br>
6. Металл с повышенной активностью кислорода (14,2...16,0ppm), по сравнению с пониженной (4,7...13,9ppm), имеет меньшую (на 0,2 балла) загрязнённость сульфидными включениями при равных содержаниях алюминия в сравниваемых группах. Вероятно, это связано с образованием в первой группе большего количества мелких глинозёмистых включений, являющихся подложками для выделения сульфидов при кристаллизации стали, что ведёт к их измельчению [17].
</p>
<p>
Механические свойства опытных и сравнительных плавок полностью удовлетворяют требованиям ТУ 0943-157-01124328-2003. При этом была выявлена тенденция к повышению ударной вязкости (на 2Дж/см2) с увеличением концентра-ции кальция с 8...9ppm до 10...13ppm. Твердость по Бринелю опытных плавок (330…337НВ) находится выше уровня сравнительных (325НВ). Повышение твёрдости опытного металла на 2...3% связано, по-видимому, с протеканием более глубоких процессов рафинирования металла (в том числе и от неметаллических включений) за счёт применения барийсодержащих лигатур, повышения плотности металла, как это и отмечалось в работе В.С. Коваленко с соавторами [18].
</p>
<p>
Металл, модифицированный INSTEEL®1.2, имел несколько лучшие механические свойства по сравнению с SIBAR®22. При одинаковом содержании кальция INSTEEL®1.2 обеспечивал более высокий уровень всех механических свойств по сравнению с силикокальцием (табл. 4).
</p>
<p>
Сравнение механических свойств металла в зависимости от вида модификатора<br>
Таблица 4
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td width="180">
<b>Марка модификатора </b>
</td>
<td width="84">
<b>
σв, кгс/мм2 </b>
</td>
<td width="96">
<b>
δ, % </b>
</td>
<td width="96">
<b>
φ, % </b>
</td>
<td width="84">
<b>
KCU, Дж/см2 </b>
</td>
<td width="96">
<b>
Твёрдость, НВ</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
SIBAR®22
</td>
<td width="84">
112,4
</td>
<td width="96">
14,2
</td>
<td width="96">
29,2
</td>
<td width="84">
27,0
</td>
<td width="96">
329
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
INSTEEL®1.2
</td>
<td width="84">
114,2
</td>
<td width="96">
14,3
</td>
<td width="96">
30,2
</td>
<td width="84">
30,4
</td>
<td width="96">
333
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
INSTEEL®1.3
</td>
<td width="84">
114,9
</td>
<td width="96">
12,9
</td>
<td width="96">
28,6
</td>
<td width="84">
25,0
</td>
<td width="96">
331
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
СК30
</td>
<td width="84">
114,1
</td>
<td width="96">
13,4
</td>
<td width="96">
29,2
</td>
<td width="84">
26,5
</td>
<td width="96">
325
</td>
</tr>
<tr>
<td width="180">
Требование ТУ 0943-157-01124328-2003
</td>
<td width="84">
104-120
</td>
<td width="96">
>9
</td>
<td width="96">
>16
</td>
<td width="84">
>18
</td>
<td width="96">
320-360
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
По результатам двух серий промышленных испытаний барийсодержащих модификаторов были сделаны следующие предварительные выводы и рекомендации:
</p>
<p>
1. Уровень брака заготовок и колёс определяется, в первую очередь, содержанием в металле алюминия. Для получения низкого уровня брака, порядка 0,5%, концентрация алюминия не должна превышать 0,002%. Металл, предварительно (до присадки ферросилиция) раскисленный алюминием в количестве 30...70кг, имеет меньший уровень загрязнённости стали включениями по сравнению с плавками без предварительного раскисления. Технология с предварительным раскислением алюминием может быть рекомендована при производстве колёсной стали с повышенными требованиями по загрязнённости металла оксидными включениями.<br>
2. Для снижения уровня брака заготовок и колёс продолжительность окончательной продувки металла аргоном должна быть не менее 11 минут. Рекомендуемое время продувки 13...15 минут.<br>
3. На опытном металле максимальный балл силикатов пластичных и недеформирующихся не превышал 2 и 3 баллов, соответственно, а на обычном - достигал 5 и 4 баллов.<br>
4. Металл, обработанный барийсодержащими модификаторами, имел более низкий брак колёс по УЗК (примерно на 0,8%) по сравнению с обычным металлом, модифи-цированным силикокальцием.<br>
5. Модификаторы INSTEEL®1.2 и SIBAR®22 обеспечивают примерно равную величину брака по УЗК, но металл обработанный INSTEEL®1.2 имеет меньший уровень назначений на переточку и несколько повышенную ударную вязкость по сравнению с металлом, модифицированным SIBAR®22. Последний имеет преимущество перед INSTEEL®1.2 по загрязнённости оксидными включениями и обеспечивает меньшее содержание в колёсной стали остаточного алюминия, что делает его достаточно перспективным.<br>
6. Учитывая достоинства и преимущества каждого из опробованных барийсодержащих модификаторов, рекомендуется дальнейшие испытания провести с комплексным модификатором марки INSTEEL®1.3, который имеет высокое содержание бария (15...20%), как у SIBAR®22, и повышенную по сравнению с последним концентрацию кальция (5...8%).
</p>
<p>
С использованием этой проволоки c наполнителем марки INSTEEL®1.3 было проведено 17 плавок с расходом проволоки 0,42…0,67кг/т. В качестве сравнитель-ных были взяты плавки, модифицированные силикокальцием (0,8кг/т) и отлитые в один период производства с опытными. Продолжительность очистительной продувки на опытных плавках находилась в пределах 10...24 мин, на сравнительных - 8...12 мин.
</p>
<p>
Содержание алюминия в металле опытных плавок находилось в пределах 0,0020...0,0035% (в среднем 0,028%) и было, как и при проведении предыдущих кампаний, ниже, чем на сравнительных плавках – 0,0026...0,0045% (в среднем 0,0034%). Содержание кальция в металле составило – 5…6ppm. В последнем случае усвоение кальция составило 12,1, что несколько выше его усвоения из INSTEEL®1.2 при том же расходе (9,9%). На сравнительных плавках среднее содержание кальция составило 9ppm при среднем его усвоении 5,9%.
</p>
<p>
Сравнение результатов ФГА образцов, отобранных из темплетов показывает, что для стали, раскисленной INSTEEL®1.3, характерно более низкое содержание силикатов и алюминатов при повышенном содержании неметаллических включений в форме алюмосиликатов кальция и магниевых шпинелях по сравнению с металлом, раскисленным СК-30. При этом наименьшее количество алюминатов наблюдается в металле плавок, раскисленных 280 и 400 м лигатуры INSTEEL®1.3.
</p>
<p>
Брак заготовок и колёс опытных и сравнительных плавок, обработанных INSTEEL®1.3 представлен на рис.2.
</p>
<p>
Минимальный уровень суммарного брака колёс и заготовок обеспечивается при максимальном расходе модификатора INSTEEL®1.3 – 400 метров проволоки на плавку. Снижение суммарного брака колёс при модифицировании металла барий-содержащей проволокой с расходом по наполнителю 0,67кг/т составляет 69,6 %отн. (1,95 %абс.) по сравнению с отчётными данными за май 2008г. По основному и наиболее объективному критерию качества металла– браку по УЗК – варианты с расходом 400 и 280 метров на плавку практически равноценны, при этом оба имеют значительное преимущество перед сравнительными плавками. Опытный металл показал также лучшие результаты по ремонту колёс и назначению их на переточку.
</p>
<p>
<img width="493" alt="Рис. 2. Зависимость брака ж.-д. колес по дефектам, выявляемым на УЗК контроле, суммарному браку ж.-д. колес и заготовок для них от варианта раскисления, а так же средние показатели в период проведения опытных плавок" src="/upload/medialibrary/a50/vicsa2.JPG" height="226" title="Рис. 2. Зависимость брака ж.-д. колес по дефектам, выявляемым на УЗК контроле, суммарному браку ж.-д. колес и заготовок для них от варианта раскисления, а так же средние показатели в период проведения опытных плавок">
</p>
<p>
Рис. 2. Зависимость брака ж.-д. колес по дефектам, выявляемым на УЗК контроле, суммарному браку ж.-д. колес и заготовок для них от варианта раскисления, а так же средние показатели в период проведения опытных плавок
</p>
<p>
Суммарный брак плавок (брак заготовок и колёс), модифицированных, оказался ниже, чем при использовании SIBAR®22 и INSTEEL®1.2 и составил 1,43%.
</p>
<p>
Отмечается также факт снижения маркировочного содержания алюминия с ростом продолжительности очистительной продувки (табл. 5), что свидетельствует об интенсивном удалении НВ, содержащих алюминий (корунда, алюминатов и т.п.).
</p>
<p>
Зависимость брака металла от продолжительности очистительной продувки <br>
Таблица 5
</p>
<table class="table table-bordered" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td rowspan="2" width="168">
<b>Продолжительность очистительной продувки, мин. </b>
</td>
<td colspan="2" width="276">
<b>
Брак колёс,% </b>
</td>
<td rowspan="2" width="240">
<b>
Маркировочное содержание алюминия х 103,% </b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="156">
<b>
общий </b>
</td>
<td width="120">
<b>
в т.ч. по УЗК</b>
</td>
</tr>
<tr>
<td width="168">
10...11
</td>
<td width="156">
1,61
</td>
<td width="120">
0,77
</td>
<td width="240">
3,0
</td>
</tr>
<tr>
<td width="168">
12...15
</td>
<td width="156">
1,4
</td>
<td width="120">
0,08
</td>
<td width="240">
2,8
</td>
</tr>
<tr>
<td width="168">
16...24
</td>
<td width="156">
1,21
</td>
<td width="120">
0,24
</td>
<td width="240">
2,7
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>
Таким образом, обработка колёсной стали модификатором INSTEEL®1.3 позволила добиться снижения показателей по загрязненности металла колес по всем видам неметаллических включений и суммарного брака колёс при модифициро-вании металла барийсодержащей проволокой с расходом по наполнителю 0,67кг/т на 69,6 %отн. (1,95 %абс.) по сравнению с отчетными данными за соответствующий период проведения опытных плавок.
</p>
<p>
Положительными эффектами явилось повышение ударной вязкости и твёрдости металла, а также усвоения кальция металлом в два раза (с 5,9% при работе с СК30 до 12,1%) при модифицировании INSTEEL®1.3.
</p>
<p>
Литература
</p>
<p>
1. Дерябин А.А. Исследование эффективности процессов раскисления, модифицирования и микролегирования рельсовой стали / Дерябин А.А., Добужская А.Б. // Сталь. 2000. №11. С.38-43. <br>
2. Дёмин К.Ю. Влияние технологических параметров внепечной обработки колёсной стали на качество железнодорожных колёс / Дёмин К.Ю., Сёмин А.Е., Косырев К.Л. и др. // Электрометаллургия. 2007. №4. С.12-16.<br>
3. Дерябин А.А. Эффективность нанотехнологии модифицирования рельсовой стали барием / Дерябин А.А., Павлов В.В., Могильный В.В. и др. // Сталь. 2007. №11. С.134-141.<br>
4. Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. –Челябинск. 2006. -423с.<br>
5. Рябчиков И.В. Модификаторы и технология внепечной обработки железоуглеродистых сплавов. -М.: Экомет. 2008. -400с.<br>
6. Пашкеев И.Ю. Влияние бария на контактное взаимодействие стали Х18Н10Т с оксидными материалами / И.Ю. Пашкеев., Г.Г. Михайлов // Вестник ЮУрГУ.2005.С.42-45.<br>
7. Туркдоган Е.Т. Физическая химия высокотемпературных процессов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. -344с.<br>
8. Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева Н.Н. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Вып. 1. Двойные системы. Л.: Наука, 1969.-822с. <br>
9. Рябчиков И. В., Панов А. Г., Корниенко А. Э. О качественных характери-стиках модификаторов // Сталь. 2007. №18. С.18-21.<br>
10. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. -М.: Металлургия, 1982. -391с.<br>
11. Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Бойкова А.И. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Вып. 32. Тройные системы. Л.: Наука, 1972. -448с.<br>
12. Григорович К.В. Фракционный газовый анализ – новое направлении ев контроле качества материалов // Аналитика и контроль. 2000. Т.4. №3. С.244-251.<br>
13. Рябчиков И. В., Панов А. Г., Корниенко А. Э. О качественных характеристиках модификаторов // Сталь. 2007. №18. С.18-21.<br>
14. Габисиани А.Г. Образование оксидных включений при раскислении железа кальций- и барийсодержащими лигатурами / Габисиани А.Г., Гонджилашвили Н.Д., Домуховский В.П. и др. // Сталь. 1987. № 1. С.31-34.<br>
15. Рябчиков И.В. Сравнительная раскислительная и модифицирующая способность магния и щелочноземельных элементов при внепечной обработке стали / Рябчиков И.В., Ахмадеев А.Ю., Рогожина Т.В., Голубцов В.А. // Сталь. 2008. № 12. С.<br>
16. Шуб Л.Г. Опыт раскисления высокоуглеродистой стали без алюминия // Чёрная металлургия. Бюлл. НТИ. 2007. №5. С.37-43.<br>
17. Иванов В.С. Разработка технологического регулирования микрочистоты колёсной стали по неметаллическим включениям / Иванов В.С., Филиппов Г.А., Гетманович М.Е. и др. // Сталь. 2007. №9. С.18-21.<br>
18. Коваленко В.С. Модифици-рование стали кальцием и барием / Коваленко В.С., Кучкин В.И., Кисунько В.З., Григораш А.В. // Сталь. 1985. №7. С.19-23
</p>