CC BY
70
тяговых двигателей и двигателей постоянного тока tion motors and DC motors Journal of Transsib Railway [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов // Studies, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 58 - 66. (In Russian). Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 3 (27). - С. 58 - 66.
УДК 625.143
А. П. Хоменко1, С. С. Черняк1, В. Л. Бройдо2
1Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация, 2ОАО ПО «Иркутский завод тяжелого машиностроения», г. Иркутск, Российская Федерация
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОПЕЧНОЙ ВЫПЛАВКИ ЛЕГИРОВАННОЙ ВАНАДИЕМ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ И КАЧЕСТВО РЕЛЬСОВ
Аннотация. Рассмотрены вопросы разработки состава и технологии выплавки, разливки и термической обработки легированных рельсовых сталей, обладающих высокой эксплуатационной стойкостью. Специалистами ЕВРАЗ ЗСМК (г. Новокузнецк) и ИрГУПСа была предложена схема комплексного легирования рельсовой стали и на площадке железнодорожного проката ЕВРАЗ ЗСМК проведена отработка технологии электропечной выплавки и термоупрочнения суперперлитной стали повышенной чистоты, обладающей высокой износостойкостью. Выпущено несколько опытных партий рельсов, которые испытаны на перевальном участке Иркутск - Слюдянка ВСЖД с неблагоприятным сочетанием эксплуатационных нагрузок, вызывающих повышенный износ рельсов. Результаты испытаний показали высокую надежность опытных рельсов и целесообразность освоения их промышленного выпуска.
Авторами обобщены результаты многочисленных экспериментальных разработок, предложены методологические основы поиска и отработки как отдельных стадий, так и технологического процесса производства рельсовых сталей в целом. Приведены конкретные данные о свойствах низколегированных сталей, определены возможности использования инновационных методов в модернизации технологии выплавки и формирования комплекса необходимых свойств. В процессе отработки технологии выплавки стали для легирования металла изучены возможности электропечной выплавки взамен мартеновской, а также использования легирующих компонентов шихты на основе традиционно используемых дорогостоящих ферросплавов, так и ванадийсодержащих шлаков, которые можно в значительной степени отнести к отходам металлургического производства. Определены также оптимальные соотношения технологических параметров плавки и внепеч-ной обработки стали на оптимальное соотношение ванадия и азота в стали, обеспечивающее высокие показатели пластических свойств, в том числе и при низкой температуре эксплуатации. При этом достигнуто оптимальное соотношение легирующих элементов стали, обеспечивающее оптимизацию комплекса служебных свойств, что подтверждается данными механических испытаний, металлографических исследований, а главное, - высокими показателями промышленных испытаний.
Ключевые слова легированная рельсовая сталь, химический состав, механические свойства, низкотемпературная надежность, выплавка, ванадийсодержащие конверторные шлаки, очистка стали, неметаллические включения, непрерывная разливка стали, термическая обработка, световая, количественная, электронная микроскопия.
Andrey P. Khomenko1, Saul S. Chernyak1, Vladimir L. Broido2
1Irkutsk State Transport University (ISTU), Irkutsk, the Russian Federation,
2JSC PO «Irkutsk Heavy Machinery Plant», Irkutsk, the Russian Federation
DEVELOPMENT ELECTROOVEN ALLOY SMELTING TECHNOLOGY VANADIUM
STEEL RAIL
Abstract. The questions of the composition of the design and technology of smelting, casting and heat treatment of alloyed rail steels having high operational stability. Together specialists EVRAZ ZSMK Novokuznetsk and IrGUPS was proposed complex doping scheme of the rail steel and rail rolling floor EVRAZ ZSMK was conducted testing of the technology of smelting and eletropechnoy thermostrengthening superperlitnoy steel of high purity, which has high wear resistance. several experimental batches were produced rails, which are tested on the site of the saddle-point Irkutsk-Slyudyanka VSZHD with an unfavorable combination of operational loads, causing increased wear of the rails. The test results showed high wear resistance experienced rails and expediency of development of industrial production.
66 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(27)
■ 2016
Keywords: alloy rail steel, chemical composition, mechanical properties, low-temperature reliability, smelting, vanadium converter slag, cleaning of steel, non-metallic inclusions, continuous steel casting, heat treatment, light, quantitative electron microscopy.
Развитие железнодорожного транспорта связано с дальнейшим увеличением объемов перевозок, повышением скоростей движения и обеспечением безопасности и надежности подвижного состава и всех элементов пути [1]. Необходимым является, в частности, разработка и внедрение новых марок рельсовых сталей и рельсового проката, обладающих более высокими эксплуатационными свойствами. В рамках этого направления на ведущих металлургических предприятиях России, занимающихся производством рельсов, в последние годы проводится модернизация производства. Модернизация заключается в полном отказе от выплавки сталей для рельсов в мартеновских печах, использовании только кислородно-конвертерного и электропечного способов; освоении новых способов обеспечения чистоты сталей и разработке новых марок рельсовой стали, отличающихся повышенными эксплуатационными характеристиками; разработке и внедрении более совершенных методов и оборудования прокатки, термической обработки и проведения отделочных операций.
Для отработки более эффективной схемы легирования рельсовой стали с целью повышения уровня ее служебных свойств был выполнен ряд опытно-промышленных плавок [2 - 4] и опробованы новые схемы повышения чистоты стали, возможность использования которых обеспечивает применение электропечного способа плавки и внепечной обработки различными шлаками и газами. Для упрочнения использовались ванадий (0,03 - 0,07 %) и азот (0,010 -0,020 %). Опробованы различные схемы легирования ванадием, раскисления стали и повышения качества стали уменьшением количества неметаллических включений.
При использовании традиционной шихтовки первых плавок было установлено, что чистота используемого скрапа не обеспечивает необходимого низкого уровня содержания остаточных элементов (хрома, никеля и меди), количество твердого чугуна в завалку (подвалку) увеличили с 5 - 15 до 20 - 30 т на плавку.
Окисление углерода производили кислородом, вводимым через сводовую водоохлажда-емую фурму, а также при необходимости присадками железной руды или агломерата.
По достижении необходимого содержания углерода и температуры ванны в печь присаживали до 50 кг чушкового алюминия. Раскисление стали проводили в печи силикомарган-цем МнС17 и ферросилицием ФС65. Раскисление шлака в печи проводили присадкой порошка кокса, дробленого ферросилиция ФС75 и гранулированного алюминия АВ-86 в количестве до 1 кг/т каждого. Раскисление шлака (150 - 200 кг ФС75 и до 70 кг порошкообразного алюминия) приводило к получению стали с повышенной загрязненностью неметаллическими включениями. Во время выпуска в ковш присаживали ванадийсодержащие сплавы из расчета ввода в металл 0,03 - 0,07 % ванадия и силикокальций из расчета введения 650 -800 г кальция на тонну. При необходимости металл корректировали по содержанию углерода присадкой в печь чугуна не более чем на 0,05 %, не позднее чем за 5 минут до выпуска и присадкой в ковш на выпуске сухих коксовых отсевов или электродной крошки до 0,03 % углерода. Выпуск стали производится под печным шлаком. В начале выпуска для десульфу-рации в ковш присаживали шлаковую смесь: известь 13 - 15 кг/т, плавиковый шпат 3 -4 кг/т. В дальнейшем сталь на установках продувки стали азотом (УПСА) доводили по температуре (охлаждающей металлической сечкой) и химсоставу. Разливку осуществляли в изложницы. Нагрев и прокатку слитков производили по действующей на комбинате технологии производства железнодорожных рельсов. Свойства рельсовой стали, выплавленной в электропечах и мартенах, до термообработки приведены в таблице 1, после термообработки - в таблице 2 (сравнение свойств приведено за один промежуток времени для 128 плавок при средних значениях химического состава для стали, выплавленной в электропечах: 0,778 % С, 0,833 % Мп, 0,332 % Si, 0,0222 % Р, 0,00875 % S, 0,056 % V, 0,0075 % А1; для мартеновской стали: 0,758 % С, 0,904 % Мп, 0,330 % Si, 0,0177 % Р, 0,0267 % S, 0,0428 % V, 0,0062 % А1.
Рельсовая электросталь соответствует требованиям ГОСТ Р 51685-2013, а ее механические свойства выше, чем у рельсовой стали, выплавленной в мартеновских печах.
Проведенный на первых опытных плавках послиточный макроконтроль рельсового металла электросталеплавильного и мартеновского способов производства показывает, что для головных рельсовых темплетов выход первого сорта составил соответственно 50,2 и 53,3 %, второй сорт по ликвидации - 10,5 и 12,1 %, брак по неметаллическим включениям - 37,6 и 34,3 %, брак по расслою - 1, и 0,1 %, второй сорт по подкорковому пузырю - 0,4 и 0,2 %; для донных рельсовых темплетов выход первого сорта - 78,1 и 64,0 %, второй сорт по подкорковому пузырю - 10,1 и 15,4 %, брак по не металлическим включениям - 11,8 и 18,8 %, брак по светлым корочкам - 0 и 0,4 %, брак по подкорковому пузырю - 0 и 0,4 %.
Контролем на неметаллические включения выявлено, что глинозема, сцементированного силикатом, а также нитридов и карбидов титана, вытянутых вдоль направления прокатки в виде дорожек-строчек, при просмотре продольных образцов, вырезанных по ГОСТ Р 516852013, не обнаружено. Электросталь значительно чище по сульфидным включениям. Средняя длина строчки пластичных силикатов в металле электросталеплавильного способа производства в 1,5 - 2,5 раза меньше, чем в мартеновской рельсовой стали. Положительные результаты технологии защищены патентом РФ [5].
Таблица 1 - Свойства стали до термической обработки
Способ производства ст. МПа св, МПа 5, % % Твердость, НВ
Электросталь 632,8 1035,2 5,57 8,00 312,21
Мартеновская печь 593,4 981,6 6,09 8,125 298,03
Требования ГОСТ 24182-80 - 900 4 - -
Таблица 2 - Свойства рельсов после термообработки
кси, МДж/м2
Способ производства ст*, МПа св*, МПа 5, % % Твердость
при +20°С при -60°С НВ8 НВ16 НВш НВпод НВПКГ
Электросталь 964 931 1288 1225 11,6 6,7 25,5 11,5 0,44 0,48 0.23 361,2 342,6 372,8 356,6 372,0
Мартеновская сталь 972.2 953,5 1274 1208 10.4 4,5 32.2 8,3 0,41 2,86 0.19 356,4 342,8 368,0 354,4 370,0
Требования ТУ14-1-5233-93 (продольные образцы), не менее
Электросталь 900 1230 8,0 0,29 0,20 300 300 менее 388 менее 388 341388
Мартеновская сталь 885 1230 6,0 0,245 0,10 300 300 менее 388 менее 388 менее 388
Примечание: числитель - вдоль направления прокатки, знаменатель - поперек;
НВ8 и НВ16 - твердость головки рельса на расстоянии от поверхности катания 8 и 16 мм соответственно;
НВш - твердость шейки рельса;
НВпод - твердость подошвы рельса;
НВдкГ - твердость поверхности катания головки.
Рельсы низкотемпературной надежности по ТУ 14-1-5233-93, отличающиеся повышенными значениями ударной вязкости при низкой температуре, необходимы для обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте в восточных и северных регионах России, где температура зимой опускается до минус 40 °С и ниже. Повышенная ударная вязкость достигается за счет введения в сталь ванадия и азота, образующих мелкодисперсные карбонитриды ванадия. При выплавке такой стали в мартеновских печах используются вана-дийсодержащие сплавы и азотированный феррованадий.
68 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(27) ЦД<| #1 =
■ 2016
Важным параметром, указывающим на достижение требуемых для районов Крайнего Севера механических свойств стали, является отношение ванадия к азоту (V/N). При выплавке стали в мартеновских печах, где содержание азота в стали колеблется в пределах 0,005 -0,007 %, данное соотношение поддерживается введением сплавов ванадия и азотированных ферросплавов. При производстве же стали в дуговых электросталеплавильных печах (в зависимости от условий выплавки) содержание азота может варьироваться в широких пределах и колебаться от 0,06 до 0,0015 %, поэтому при получении стабильных требуемых концентраций азота в металле возможна выплавка стали без использования дефицитных и дорогостоящих азотированных ферросплавов.
Выплавку и разливку металла производили по действующей технологической инструкции с изменениями, позволяющими стабилизировать содержание азота в готовой стали; раскисление стали в печи - силикомарганцем СМн17 в количестве 7,5 - 10 кг/т; шлак в печи раскисляли порошком кокса, дробленого ферросилиция ФС75 и гранулированного алюминия АВ86 в количестве 0,8 - 1,0 кг/т. Раскисление металла в ковше производили силикокальцием из расчета ввода в металл кальция 650 - 800 г/т и феррованадием 8,5 - 1,5 кг/т. После выпуска сталь обрабатывали на установках продувки стали азотом в течение 10 - 30 мин, там же при необходимости производили корректировку химического состава. Разливку осуществляли в слитки.
Аттестационные испытания проводили в объеме требований ТУ-14-1-5233-93 и действующих стандартов. При среднем содержании химических элементов выплавленной мартеновской стали 0,758 % С, 0,903 % Мп, 0,338 % Si 0,017 % Р, 0,0297 % S, 0,038 % V, 0,0056 % А1, 0,0070 % N, и отношении V/N = 5,43; электростали: 0,770 % С, 0,870 % Мп, 0,343 % Si 0,022 % Р, 0,0081 % S, 0,084 % V, 0,0081 % А1, 0,0092 % N и V/N = 7,10 механические свойства и твердость термоупрочненных рельсов из электростали выше, чем у рельсов из мартеновского металла.
Влияние технологических параметров выплавки и внепечной обработки стали на содержание азота определено следующим.
Поведение интенсивного окислительного периода с высокими скоростями окисления углерода Vс снижает содержание азота в стали, количество окисленного углерода А C действует аналогично (таблица 3).
Таблица 3 - Влияние скорости окисления и количества окисленного углерода на содержание азота
V^ %/ч 0,26 - 0,5 0,51 - 0,7 0,71 - 2,38 А С,% 0,1 - 0,4 0,41 - 0,6 0,61 - 0,9 0,91 - 1,3
[N], % 0,0113 0,0110 0,0100 [N],% 0,0118 0,0103 0,0100 0,094
Количество плавок 16 14 44 Количество плавок 21 18 21 14
В связи с этим для увеличения содержания азота в стали шихтовку плавок предложено осуществлять не более чем на 0,10 - 0,40 % С выше верхнего содержания его в готовой стали.
Влияние температуры на всех этапах выплавки стали однозначно: с повышением температуры растворимость азота в стали возрастает. Зависимость увеличения содержания азота от температуры перед раскислением ¿пр и температуры после предварительного раскисления в печи ^ покзана в таблице 4.
Таблица 4 - Влияние температуры перед раскислением и после предварительного раскисления в печи на содержание азота
t °С '-пр? ^ 1570 -1585 1586 -1590 *р, °С 1520 -1550 1551 -1560 1561 -1590
[N],% 0,00943 0,01043 [N],% 0,0096 0,0104 0,0105
Количество плавок 22 76 Количество плавок 30 15 53
Увеличение длительности окислительного периода топ приводит к снижению содержания азота, увеличение же длительности восстановительного периода твп повышает концентрацию азота в стали (таблица 5).
Таблица 5 - Влияние длительности окислительного и восстановительного периода на содержание азота
Топ, мин 15 - 30 31 - 40 41 - 60 61 - 80 Твп, мин <15 16 - 30 31 - 50
[N7 % 0,0109 0,010 0,0105 0,0097 [N7, % 0,0096 0,0101 0,0108
Количество плавок 26 39 39 10 Количество плавок 29 51 18
При увеличении длительности выпуска стали тв содержание азота в стали растет, особенно сильно концентрация азота в стали повышается во время продувки стали азотом в ковше тп, и время наполнения тела слитка тсл также определяет конечную концентрацию азота в стали (таблица 6).
Таблица 6 - Влияние длительности выпуска, продувки и наполнения тела слитка на содержание азота
Тв, мин <4 4 - 5 6 - 10 Тп, мин 4 - 10 11 - 15 21 -27 <95 96 -100 101 -155
[N7, % 0,0095 0,0102 0,0106 [N7, % 0,0098 0,0105 0,0126 0,0099 0,0104 0,0108
Кол-во плавок 4 81 13 Кол-во плавок 57 23 7 59 16 23
Влияние основности шлака СаО/БЮ на содержание азота в ковшевом шлаке показано в таблице 7.
Таблица 7 - Влияние основности шлака на содержание азота
СаО/8Ю2 1,99 - 2,2 2,21 - 2,5 2,51 - 4,04 (БеО), % 0,47 - 1,30 1,31 - 2,2 2,21 - 5,92
[N7, % 0,0120 0,0102 0,0097 [N7, % 0,0102 0,0101 0,0098
Количество плавок 16 25 57 Количество плавок 20 47 31
Исходя из статистической обработки технологических параметров выплавки и внепеч-ной обработки, а также из химического состава металла предложены мероприятия, позволяющие стабилизировать содержание азота в рельсовой стали марки НЭ76В [4, 7].
Использование ванадийсодержащих конвертерных шлаков для прямого легирования.
При выплавке рельсовой стали I группы качества для железных дорог необходимо введение в сталь 0,03 - 0,07 % ванадия, для чего обычно используются ванадийсодержашие лигатуры либо ферросплавы.
Микролегирование ванадием в указанных пределах существенно повышает уровень механических и служебных свойств стали. Однако при данной схеме легирования необходимо использование дорогостоящих и дефицитных ванадийсодержащих сплавов. Известна также схема легирования стали, которая предусматривает применение для легирования металла материалов на основе оксидного сырья - технология прямого легирования стали ванадием.
При выплавке стали в дуговых электросталеплавильных печах остаточное содержание азота в электростали в два - три раза выше, чем в мартеновском металле, что позволяет исключить использование дорогостоящих азотированных ферросплавов. Кроме того, в условиях электроплавки появляется возможность заметно снизить стоимость операции легирования стали ванадием за счет использования для этой цели ванадийсодержащих конвертерных шлаков (ВКШ). Наряду с этим повышению качества рельсов из стали, выплавляемой в дуговых электросталеплавильных печах, способствуют резкое снижение содержания серы и раз-
3(27)
ливка металла на МНЛЗ. В связи с изложенным опробовали технологию прямого легирования рельсовой стали ванадием с использованием ВКШ и оценили ее эффективность.
Прямое легирование рельсовой стали ванадием осуществляли путем введения ВКШ в печь с переводом окислительного шлака в восстановительный. Химический состав ВКШ производства ЗСМК обычно колеблется в следующих пределах: 15 - 24 % У205, 15 - 18 % БЮ2, 1,2 - 3,6 % СаО, 7 - 12 % МпО, 7 - 10 % ТЮ2, 2 - 5 % &2О3, 1,5 - 5,0 % М§0, 1 - 3 % А12О3, 0,01-0,05% Р2О5, 1 - 3 % дисперсного железа, 25 - 35 % Бео6щ. В ВКШ содержится 8 -14 % металловключений. При разработке технологии использовали партию ВКШ, которая содержала 15,9 % У205, 18,9 % БЮ2, 7,98 % МпО, 8,6 % ТЮ2 и остальные компоненты в указанных выше пределах. Исходя из содержания пятиокиси ванадия в ВКШ и предполагаемой степени восстановления ванадия для обеспечения содержания ванадия в стали 0,04 % и выше вместо феррованадия, присаживаемого в ковш на выпуске, в печь после скачивания окислительного шлака вводили ВКШ в смеси с известью и плавиковым шпатом. После присадки ВКШ шлак раскисляли порошком кокса, дробленого ферросилиция и гранулированного алюминия.
Химический состав рельсовой стали опытных плавок приведен в таблице 8, он соответствует требованиям I группы ГОСТ 24182-80, однако при отработке технологии на отдельных плавках не выполнены требования ТУ 14-1-5233-93 для рельсов низкотемпературной надежности по содержанию азота и ванадия. Содержание ванадия в стали находилось в пределах 0,04 - 0,06 %. Степень извлечения ванадия из ВКШ составляет 78,7 - 96,8 %, т. е. достаточно высока.
Таблица 8 - Химический состав рельсовой стали опытных марок, %
Номер плавки С Мп 81 Р 8 Сг N1 Си А1 У N ут
1 0,76 0,88 0,30 0,017 0,006 0,08 0,05 0,06 0,006 0,06 0,007 8,57
2 0,75 0,90 0,31 0,025 0,007 0,12 0,08 0,12 0,004 0,06 0,009 6,67
3 0,74 0,89 0,27 0,018 0,00 8 0,11 0,0 8 0,18 0,005 0,04 0,011 3,64
4 0,77 0,89 0,35 0,022 0,017 0,11 0,07 0,12 0,00 Г 0,06 0,006 11,67
5 0,74 0,91 0,33 0,022 0,007 0,12 0,10 0,16 0,007 0,05 0,008 6,25
6 0,73 1,05 0,33 0,025 0,006 0,10 0,06 0,12 0,006 0,05 0,005 10,0
7 0.75 0,72 0,27 0.020 0,006 0,14 0,06 0.09 0,004 0,06
8 0,74 0,89 0,34 0,028 0,005 0,08 0,06 0,08 0,007 0,05 0,009 5,56
Требования ГОСТ Р 51685-2013 и ТУ 14-1-5233-93
0,71 -0,82 0,75 -1,05 0,25 -0,45 (Р+8)< 0,45 Не регламентируются 0,05 -0,08 0,008 -0,02 2,12 -7,15
Механические свойства и твердость опытных рельсов, приведенные в таблице 9, а также другие аттестационные характеристики рельсов (испытания на ударную прочность под копром, остаточные напряжения и др.) полностью отвечают требованиям ГОСТ Р 51685-2013. В основном выплавленные рельсы отвечают требованиям ТУ 14-1-5233-93, предъявляемым к рельсам низкотемпературной надежности по ударной вязкости при -60 °С.
Макроструктуру стали изучали после глубокого травления в 50 %-ном водном горячем растворе соляной кислоты на поперечных рельсовых темплетах. Темплеты оцениваются первым сортом (ликвация в шейке не превышает первого балла шкалы). В макроструктуре рельсового темплета имеются темнотравящиеся с участками промежуточных структур слои, распространяющиеся по всем элементам профиля: в средней части головки темплета его глубина составляет 0,5 мм, по выкружке головки темплета - 2,0 мм, в шейке - 1,0 мм, в перьях подошвы - до 5,0 мм.
Таблица 9 - Механические свойства рельсов опытных партий
Растяжение Ударная вязкость КСи, Твердость
МДж/м2
от*, ов*, % +20°С -60°С +20°С НВ8 НВ16 НВШ НВпод НВпод НВпкг
МПа МПа 5, % вдоль вдоль попер.
940 1264 13 33 0,44 0,29 0,49 375 363 388 363 363 379
862 1234 4 8 0,44 0,23 0,37
989 1274 13 30 0,34 0,20 0,39 388 375 388 375 363 388
1000 1264 10 16 0,40 0,16 0,35
1019 1313 11 30 0,43 0,18 0,60 375 363 388 363 352 363
1019 1254 6 7 0,49 0,16 0,48
970 1303 12 30 0,37 0,27 0,31 363 352 357 352 341 363
921 1264 5 10 0,47 0,25 0,30
911 1234 10 30 0,39 0,25 0,57 363 352 357 363 363 363
970 1215 7 10 0,42 0,35 0,52
931 1274 13 34 0,42 0,20 0,65 363 341 375 363 352 375
872 1176 10 18 0,41 0,18 0,66
970 1313 12 42 0,38 0,15 0,42 352 341 375 375 375 363
911 1274 6 11 0,42 0,19 0,47
970 1264 12 31 0,37 0,15 0,46 364 341 375 352 352 363
921 1244 7 11 0,43 0,10 0,50
Оценку загрязненности металла неметаллическими включениями проводили на продольных шлифах, изготовленных на образцах, вырезанных в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51685-2013. При просмотре на микроскопе «Неофот-21» при 100-кратном увеличении микрошлифов не выявлено глинозема, глинозема, сцементированного силикатами, а также нитридов и карбидов титана, вытянутых вдоль направления прокатки в виде дорожек-строчек, что соответствует требованиям ГОСТ Р 51685-2013 для рельсов I группы. Оценку загрязненности другими видами включений проводили по шкале ГОСТ 1778-70. Средние значения по десяти опытным плавкам следующие (балл): сульфиды - 3,16; силикаты пластичные, хрупкие и недеформируемые - 5,0, причем средняя длина по включениям для силикатов пластичных составляет 3,59 мм, по силикатам хрупким - 2,16 мм. Выплавленная сталь по загрязненности неметаллическими включениями находится на уровне рельсовой стали, выплавленной в мартеновских печах с использованием для легирования ванадийсодержащих ферросплавов, а по сульфидным включениям - значительно чище мартеновской.
Качественный анализ включений проводили на растровом электронном микроскопе-микроанализаторе РЭММА-202.
В исследуемом металле в составе неметаллических включений выявлено повышенное содержание титана, который присутствует в пластичных и недеформируемых силикатах, а также в виде обособленно расположенных нитридов и оксидов титана (рисунок).
Выход рельсов I сорта в длине 25 м находился в пределах 77,0 - 90,5 %.
Таким образом, результаты опытных плавок показали высокую эффективность использования ВКШ для прямого легирования рельсовой стали ванадием в дуговых электросталеплавильных печах, при этом степень восстановления ванадия составила 78,7 - 96,8 %. Стоимость ванадия в шлаке заметно меньше, чем в ванадиевых сплавах (3,5 - 4,0 против 16 -17 долларов США). Поэтому разработанный способ легирования стали ванадием снижает себестоимость стали, обеспечивая при этом качество, предъявляемое к рельсам низкотемпературной надежности. Полученные результаты позволили квалифицировать разработанную и опробованную технологию как перспективную. Технология защищена патентом РФ.
Для проведения промышленных испытаний на ВСЖД были изготовлена партия рельсов. Выплавка осуществлялась в 110-тонной дуговой электропечи. При выплавке стали был использован жидкий чугун в количестве 30 - 40 т. Кроме чугуна в печь на шлак задавали дробленый ферросилиций, алюминий и коксик по 100 кг каждого. Раскисление металла в печи проводили ферросиликомарганцем в количестве 1,2 - 1,4 т и кусковым алюминием в количе-
72 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(27) ЦД<| #1 =
■ 2016
стве 45 кг. Для наведения жидкоподвижного шлака в печь присаживали плавиковый шпат до 300 кг. Для ковшевого раскисления и легирования применяли Бе81Са (500 кг), СаБ2 (400 кг) и БеУ(120 кг).
в 81 х 1350 в Са х 1350
Изображения во вторичных электронах и в излучениях марганца, титана, кремния и кальция неметаллических включений в рельсовом металле опытных плавок
Массовая доля элементов, регламентируемых ТУ 14-1-5233-93, представлена в таблице 8. Отличительной особенностью электростали является низкое содержание серы в металле.
Разливка, нагрев и прокатка 25-метровых рельсов типа Р-65 осуществлялась в соответствии с требованиями ГОСТ 24182-80 и действующей на комбинате технологической инструкцией по производству рельсов.
После прокатки рельсы были подвергнуты отделке и термической обработке по существующей технологии.
Контроль качества термообработанных рельсов проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 18267-82. Механические свойства при растяжении, а также ударную вязкость при +20 °С на стандартных образцах, вырезанных вдоль и поперек прокатки, определение запаса
вязкости металла при отрицательных температурах вели на ударных образцах, вырезанных в продольном направлении, охлажденных до -60 °С. Твердость определяли на прессе Бринел-ля в поперечном сечении и на поверхности катания головок рельсовых темплетов.
Результаты испытаний механических свойств приведены в таблице 9.
Загрязненность металла неметаллическими включениями определяли на шести стандартных образцах, отобранных от головных и донных рельсов каждой выплавленной плавки. Микроконтроль осуществляли по ГОСТ Р 51685-2013 и ТУ-14-1-5233-93. Недопустимых по ТУ строчек глинозема, а также карбидов и нитридов титана в металле отгруженных плавок не обнаружено.
Все рельсы, прокатанные из электростали, замаркированы шифром НЭ.
Две плавки непрерывной литой заготовки (шифр К 15) выплавлены в электросталеплавильном цехе по следующей технологии: в печь задавали кусковой алюминий в количестве 45 кг, силикомарганец (770 - 820 кг) и 65 %-ный кусковой ферросилиций (80 - 140 кг), шлак в печи раскисляли коксиком, дробленым 65 %-ным ферросилицием и порошковым алюминием, которые вводили по 100 кг каждого. В ковш задавали феррованадий (110 - 145 кг), си-ликокальций (500 кг) и кокс в количестве 30 кг. Химический состав металла рельсовых плавок А345 и Б407 приведен в таблице 10.
Таблица 10 - Химический состав рельсовой стали (для МНЛЗ)
Шифр Массовая доля элементов, %
плавки С Мп 81 Р 8 У А1 Сг N1 Си
А 345 0,74 0,82 0,30 0,020 0,006 0,06 0,008 0,07 0,05 0,12
Б 407 0,76 0,96 0,30 0,019 0,05 0,05 0,008 0,04 0,04 0,06
Из представленных данных результатов химического анализа следует, что по химическому составу металл рельсовых плавок соответствует требованиям ТУ 14-1-5233-93.
Нагрев, прокатку и отделку рельсов производили по действующей на комбинате технологической инструкции.
После прокатки рельсов от головных, средних и донных рельсов были отобраны пробы для контроля металла на микрозагрязненность неметаллическими включениями.
Недопустимых по требованиям ГОСТ Р 51685-2013 строчек неметаллических включений, т. е. глинозема, глинозема, сцементированного силикатами, а также карбидов и нитридов титана, не обнаружено.
Промышленные испытания партии рельсов на участке Иркутск - Слюдянка, характеризующегося наличием кривых малого радиуса (< 300 м) и низкой износостойкостью рельсов из стали М76, показали преимущество опытных рельсов. Величина бокового износа рельсов составила 14,8 - 14,2 мм (М76 - 16,87 мм), удельный износ - 0,169 - 0,126 (М76 - 0,276), пропущенный тоннаж - 83,336 - 116,885 млн ткм (М76 - 61,02 млн ткм).
На основании результатов исследования установлено положительное влияние легирования на комплекс служебных свойств рельсовых сталей.
Технологии изготовления рельсовых сталей с использованием электропечной выплавки, внепечной обработки стали, разливки на МНЛЗ, прокатки и термообработки рельсов обеспечивает возможность выпуска рельсов с высокой износостойкостью и пластическими свойствами, необходимыми для эксплуатации в условиях Крайнего Севера.
В процессе отработки технологии установлена возможность использования для легирования стали ванадийсодержащих конвертерных шлаков взамен дорогостоящих ферросплавов.
Практическое использование предлагаемых технологий обеспечит повышение надежности, безопасности эксплуатации пути и увеличение срока его службы.
Список литературы
1. Безопасность России. Безопасность железнодорожного транспорта в условиях Сибири и Севера [Текст] / В. А. Акимов, В. А. Алексеенко и др. М.: Знание, 2014. - 856 с.
2. Железнодорожные рельсы для Сибири [Текст] / В. П. Деменьтьев, Л. В. Корнева и др. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск, 2010. - 320 с.
3(27)
3. Черняк, С. С. Железнодорожный путь Восточной Сибири [Текст] / С. С. Черняк / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск, 2003. - 424 с.
4. Козырев, Н. А. Производство железнодорожных рельсов из электростали [Текст] / Н. А. Козырев, В. П. Дементьев / Новокузнецкий ин-т повышения квалификации. - Новокузнецк, 2000. - 123 с.
5. Пат. 2224041 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 38/12. Рельсовая сталь [Текст] / Ворожищев В. И., Черняк С. С. и др.; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - № 2002102425; заявл. 25.01.02, опубл. 20.02.04. Бюл. № 5. - 6 с.
6. Пат. 2224042 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 38/24. Сталь [Текст] / Черняк С. С., Дементьев В. П. и др.; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения. -№ 2002102427; заявл. 25.01.02, опубл. 20.02.04. Бюл. № 5. - 7 с.
7. Пат. 2256000 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 38/58. Рельсовая сталь [Текст] / Черняк С. С., Дементьев В. П. и др.; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - № 2004101696/02; заявл. 20.01.04, опубл. 10.07.05. Бюл. № 19. - 8 с.
References
1. Akimov V. A., Alekseenko V. A., Khomenko A. P., Chernyak S. S. Bezopasnost'Rossii. Be-zopasnost' zheleznodorozhnogo transporta v usloviiakh Sibiri i Severa (Safety of Russia. Safety of railway transportation in the conditions of Siberia and North). Moscow: MGF Knowledge, 2014, 856 p.
2. Dementev V. P., Kornev L. V., Khomenko A. P., Chernyak S. S. Zheleznodorozhnye rel'sy dlia Sibiri (Railway rails for Siberia). Irkutsk: ISTU, 2010, 320 p.
3. Chernyak S. S. Zheleznodorozhnyiput' Vostochnoy-Sibiry (Track the East Siberian). Irkutsk: ISTU, 2003, 424 p.
4. Kozyrev N. A., Dementiev V. P. Proizvodstvo zheleznodorozhnykh rel'sov iz elektrostali (Production of electric steel rails). Novokuznetsk: IEC, 2000, 123 p.
5. Vorozhischev V. I., Chernyak S. S., Deviatkin Y. D., Shur E. A., Kozyrev N. A., Dementiev V. P. Patent RU 2224041 С 22 С 38/12, 20.02.04.
6. Chernyak S. S., Dementiev V. P., Kozyrev N. A., Voyloshnikov V. D., Vorozhischev V. I., Tuzhilin L. V. Patent RU 2224042 С 22 С 38/24, 20.02.04.
7. Chernyak S. S., Dementiev V. P., Kozyrev N. A., Voyloshnikov V. D., Vorozhischev V. I., Alekseev N. T., Khomenko A. P., Tuzilina L.V. Patent RU 2224042 С 22 C 38/58, 07.10.05.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Хоменко Андрей Павлович
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского ул., д. 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, ректор ИрГУПСа.
Тел.: +7 (3952) 63-83-11.
E-mail: homenko@irgups.ru
Черняк Саул Самуилович
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского ул., д. 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов», ИрГУПС.
Тел.: +7 (3952) 63-83-99.
Бройдо Владимир Львович
ОАО ПО «Иркутский завод тяжелого машиностроения».
Октябрьской революции ул., д. 1, г. Иркутск, 664007, Российская Федерация.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Khomenko Andrey Pavlovich
Irkutsk State Transport University (ISTU). 15, Chernishvsky st., Irkutsk, 664074, the Russion Federation.
Doctor of Technical Sciences, Professor, Rector of Irkutsk State Transport University. Phone: +7 (3952) 63-83-11. E-mail: homenko@irgups.ru
Chernyak Saul Samuilovich
Irkutsk State Transport University (ISTU). 15, Chernishvsky st., Irkutsk, 664074, the Russion Federation.
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department «Automation of production processes», ISTU. Phone: +7 (3952) 63-83-99.
Broido Vladimir Lvovich
JSC PO «Irkutsk Heavy Machinery Plant». 1, OKtybrskoy revolyutsii st., Irkutsk, 664007, the Russion Federation.
Кандидат технических наук, главный сварщик ОАО ПО «Иркутский завод тяжелого машиностроения».
E-mail: broidolv@gmail.com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Хоменко, А. П. Разработка технологии электропечной выплавки легированной ванадием рельсовой стали и качество рельсов [Текст] / А. П. Хоменко, С. С. Черняк, В. Л. Бройдо // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. -№ 3 (27). - С. 66 - 76.
Cand. Tech. Sci., Chief Welding of JSC PO «Irkutsk Heavy Machinery Plant».
Phone: +7 (3952) 63-83-99.
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Khomenko A. P., Chernyak S. S., Broido V. L. Development electrooven alloy smelting technology vanadium steel rail. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 66 - 76. (In Russian).
УДК 620.192.63
П. К. Шкодун, И. В. Шестаков, А. И. Стретенцев
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ВОЛНОВОГО ОТКЛИКА ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ межвитковой изоляции якорных обмоток
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Аннотация. Целью данной статьи является представление результатов работы по автоматизации процесса тестирования якорных обмоток электрических машин по методу волновых окликов и определение применимости метода для диагностирования вспомогательных машин тягового подвижного состава. В статье описаны технические решения, примененные при разработке мобильного блока для тестирования изоляции по методу волновых откликов, приведен алгоритм тестирования в автоматическом режиме. Описана методика расчета обобщенного диагностического коэффициента. Приведены результаты тестирования вспомогательных машин типов НБ436В и НБ-431П, установленных на электровозе ВЛ-10, сделан вывод о перспективности предложенной методики. Определены задачи дальнейших исследований, направленных на внедрение метода волновых откликов на производстве.
Ключевые слова. Вспомогательная машина, межвитковая изоляция, метод волновых откликов, тяговый подвижной состав, техническое диагностирование
Pavel K. Shkodun, Ignat V. Shestakov, Andrej I. Stretensev
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
APPLICATION OF WAVE RESPONSE METHOD FOR FAULT FINDING IN INSULATION SYSTEM OF AUXILIARY MACHINES ARMATURE COILS
Abstract. The aim of this article is results representing of work focused to automation of electrical machines armature coils diagnostics process based on wave response method. Technical decisions used in development of mobile device for insulation diagnostics via wave response method described. Techniques of generalized diagnostics coefficient calculation described. Article presents test results of NB436V and NB-431P auxiliary machines installed VL-10 electromotive.
Keywords. Auxiliary machine, interturn insulation, method of wave response, traction rolling stock, technical diagnostics
Техническая надежность сложных электротехнических изделий, в том числе и электродвигателей, определяется в большей степени уровнем надежности, заложенным при проектировании и производстве, внешними условиями эксплуатации и особенностями режимов
