К 60-летию ЫНИИчермета им. И.П.Бардина
УДК 669.14 018.294.2
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
с с И! н
©Г.А.Филиппов, директор Института качественных сталей ЦНИИчермет им. И.П.Бардина
Вначале 1990-х годов в ЦНИИчермете на базе лаборатории физической природы хрупкости металлических материалов была организована лаборатория физико-технологических проблем металла для транспорта, основной задачей которой был научный поиск новых технологий и материалов для железнодорожного транспорта. В состав новой лаборатории вошли специалисты в области сталеплавильного производства (канд. техн. наук Б.С.Иванов), прокатки (В.В.Тэлль), металловедения и термообработки (канд. техн. наук Л.Е.Алексеева, канд.техн.наук С.М.Глазкова, канд. техн. наук А.А.Кононов, О.В.Ливанова, канд. техн. наук С.О.Суворова и др.). В работах лаборатории активное участие принимают сотрудники
1965
1995
1975 1985
Годы
Рис. 1. Тенденция изменения уровня прочности и твердости рельсов и колес
других подразделений ЦНИИчермета: докт. физ.-мат. наук В.И.Изотов, Л.А.Лопатина и др. Лаборатория тесно сотрудничает с многими научно-исследовательскими институтами (ГУП ВНИИЖТ, ИММ им. А.А.Байкова и др.), а также металлургическими предприятиями (ОАО "НТМК", ОАО "ВМЗ", ОАО "НТЗ" и др.).
Основное направление научной деятельности коллектива связано с решением проблем повышения качества и уровня потребительских свойств железнодорожных рельсов и колес [1-4]. Дело в том, что к концу прошлого столетия наметился повышенный износ как рельсов, так и колес. Основные причины такой ситуации, по-видимому, связаны с внедрением новых технических и технологических разработок на железнодорожном транспорте (железобетонные шпалы, суженная колея пути, новая конструкция вагонной тележки, тормозных устройств и т.д.), что привело к значительному ужесточению режима эксплуатации рельсов и колес, работающих как пара трения.
Кроме того, наметился существенный дисбаланс между свойствами рельсов и колеса, что, в свою очередь, привело к изменению трибометрических характеристик взаимодействия рельсов и колеса (рис. 1). Одной из причин сложившегося положения является существенный, более интенсивный, рост качества и уровня свойств рельсов по сравнению с колесной сталью. Достаточно только перечислить основные достижения в области совершенствования технологии производства рельсов в России [2, 3]:
- освоение производства рельсов из не-прерывнолитой заготовки вакуумированной конвертерной и электростали (ОАО "НТМК" и ОАО "КМК");
- освоение производства рельсов из низколегированной стали без завершающей термической обработки (ОАО "НТМК" и ОАО "КМК");
- освоение производства рельсов повышенной низкотемпературной надежности из микролегированной стали (ОАО "КМК").
Техническая политика ОАО "РЖД" в области железнодорожного транспорта в настоящее время направлена на решение двух ос-
Годы
Рис.2. Существующие и перспективные технические требования к железнодорожным колесам
новных задач: ввод в эксплуатацию дорог со скоростным и смешанным движением и создание вагонов нового поколения с нагрузкой на ось до 30 тс.
В связи с этим основной задачей, стоящей перед металлургией в ближайшие годы в области производства рельсовой стали, является совершенствование технологии с целью повышения качества рельсов, точности и стабильности геометрических размеров, параметров прочности и надежности.
Технологические возможности производства конкурентоспособных рельсов в ОАО "НТМК", ОАО "КМК" зависят, прежде всего, отхода работ по модернизации оборудования на этих предприятиях, инвестиционной политики и государственной поддержки рынка сбыта рельсов. Динамика изменения важнейших потребительских свойств рельсов показывает, что повышение их эксплуатационной стойкости обеспечивается увеличением уровня твердости, прочности и ударной вязкости, в том числе при низких температурах.
Повышение запаса вязкости рельсов может быть обеспечено созданием дисперсной структуры и уменьшением содержания примесей и неметаллических включений в стали. Так, рельсы из металла, выплавленного по новым технологиям с использованием микролегирующих элементов с соотношением [А1]:[Ы]>1,9, а также на основе чистых шихтовых материалов (непрерывнолитая заготовка), имеют значения ударной вязкости при -60 °С в пределах 25,0-35,0 Дж/см2, что обеспечивает их высокую эксплуатационную надежность при низких температурах [3].
Одним из наиболее эффективных способов повышения точности геометрии рельсов является применение для их изготовления низколегированной стали без завершающей термической обработки. При этом свойства их после прокатки соответствуют уровню свойств термоупрочненных рельсов [4]. Исключение объемной закалки, вызывающей коробление, обеспечивает требуемую прямолинейность готовых рельсов.
Следует также учесть, что затраты на производство нетермообработанных рельсов из низколегированной стали примерно на 15-20% ниже, чем на производство объемно-закаленных рельсов из углеродистой стали.
Наиболее перспективной энергосберегающей технологией в рельсовом производстве следует считать освоение закалки с прокатного нагрева. Эта технология позволит отказаться от экологически вредной объемной закалки в масло и обеспечить дифференцированную прочность по сечению рельса. Кроме того, освоение такой технологии открывает перспективы для создания рельсов нового поколения с повышенным сопротивлением боковому износу. Разработаны технические требования (ТУ 0929-078-01124328-99 "Рельсы Р65 из низколегированной стали поверхностно-закаленные с повышенной износостойкостью") и предложена технология производства рельсов с повышенным сопротивлением боковому износу.
Основным требованием, предъявляемым к железнодорожным колесам, является повышение уровня твердости обода колеса, которая, как уже отмечалось, существенно ниже твердости головки рельса (см. рис. 1). Для решения этой задачи недостаточно только корректировки технологии термической обработки. Необходимым условием является совершенствование технологии выплавки колесной стали для создания запаса вязкости.
Работы по совершенствованию технологии выплавки и разливки колесной стали, проводимые ЦНИИчер-метом совместно с ВНИИЖТ И ОАО "ВМЗ", создали предпосылки для изготовления колес с повышенной твердостью обода, которые удовлетворяют современным требованиям ОАО "РЖД" (рис. 2).
Уровень надежности высокопрочной стали зависит от степени ее чистоты и структурного состояния. Для повышения степени чистоты колесной стали в условиях мартеновского цеха Выксунского металлургического завода требуются разработка и опробование современных технологических приемов выплавки, раскисления и разливки, включающих продувку плавки аргоном, применение твердых шлакообразующих смесей и сталеплавильных ковшей с нейтральной или основной футеровкой, рациональное двухстадийное раскисление, отсечку печного шлака и ряд других мероприятий. Освоение этих технологических приемов позволяет снизить загрязненность стали неметаллическими включениями и повысить запас вязкости.
В настоящее время в мартеновском цехе ОАО "ВМЗ" смонтировано оборудование участка внепечной обработки стали, включающее установку ковш-печь и вакууматор. Освоение производства вакуумированной колесной стали открывает новые возможности для повышения запаса вязкости и, следовательно, уровня твердости обода колеса.
Для снижения загрязненности стали неметаллическими включениями, улучшения качественных характеристик металла ЦНИИчерметом разработана технология раскисления и внепечной обработки стали, основанная на более глубоком раскислении металла алюминием, модифицировании образующихся включений глинозема кальцием, обработке расплава в ковше про-
дувкой аргоном и твердыми шлакообразующими смесями с предварительной отсечкой печного шлака.
Выполненные в условиях мартеновского цеха ОАО "ВМЗ" опытные плавки показали, что колесная сталь отличается невысокой загрязненностью неметаллическими включениями [5].
Другим фактором, от которого зависит эксплуатационная надежность колес, является структурное состояние стали. Однородная мелкодисперсная структура стали позволяет повысить уровень вязких свойств и одновременно увеличить твердость и прочность, от которых зависит эксплуатационная стойкость колес.
В связи с этим важно получение оптимальной структуры в ободе колеса. На основании исследований влияния режимов термообработки колесной стали на степень дисперсности перлита ЦНИИчерметом предложена корректировка технологии термической обработки колес применительно к условиям колесопрокатного цеха ОАО "ВМЗ" для получения требуемой структуры и повышенной твердости обода колеса. Механические свойства опытной партии железнодорожных колес приведены в таблице. Ударная вязкость в ободе колес составляет 32-33 Дж/см2, а твердость на глубине 30 мм 326-327 НВ [6].
Как показал послойный анализ тонкой структуры, на глубине 2 мм от поверхности катания структура представляет собой тонкопластинчатый перлит с межпластиночным расстоянием 0,060-0,075 мкм, на глубине 12 мм - 0,070-0,080 мкм, а на глубине 30 мм 0,10-0,15 мкм. Получение перлита такой дисперсности обеспечивает высокую твердость и вязкость колесной стали.
Колеса с повышенной твердостью обода успешно прошли эксплуатационные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ и показали более высокую (в 1,5-2,0 раза) эксплуатационную стойкость.
В настоящее время в технике все более широкое применение находят различные технологии поверхностного упрочнения металлоизделий. Эффективность их использования состоит в том, что на основе простых марок сталей можно получать модифицированные поверхностные слои с функциональными свойствами, значительно превышающими свойства металла основы.
В ЦНИИчермете совместно с Объединенным институтом высоких температур РАН создано научное направление по изучению структуры и свойств стали после воздействия низкотемпературной плазмы [7, 8].
200
>•
е е н! н н 2
50 100 150 200
Количество выкаченных колесных пар
Рис. 3. Средний пробег по мере выкатки колесных пар (L) по ко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.