CC BY
35
МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.771.65
1 2 1 А.А. Уманский , А.В. Головатенко , А.С. Симачев
Сибирский государственный индустриальный университет
АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»
ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИФФЕРЕНЦИРОВАННО-ТЕРМОУПРОЧНЕННЫХ РЕЛЬСОВ РАЗЛИЧНЫХ
КАТЕГОРИЙ*
В последние годы в России имеет место четко выраженная тенденция по увеличению объема грузоперевозок железнодорожным транспортом, особенно в Сибири и на Дальнем Востоке (Восточный полигон). Так, если увеличение грузонапряженности пути в 2018 г. по сравнению с 2010 г. в целом по России составило 24 %, то на Восточном полигоне зафиксировано увеличение грузонапряженности на 34 %. Этот факт в совокупности с усложненными условиями эксплуатации рельсов (климатические условия, план пути) приводит к снижению эксплуатационной стойкости рельсов. По имеющимся данным относительная вероятность изломов рельсов на участках пути с радиусом менее 650 м в 2,5 раза выше по сравнению с прямыми участками, а при температуре окружающей среды в диапазоне от -20 °С до -30 °С вероятность изломов возрастает более, чем в 12 раз.
С целью повышения эксплуатационного ресурса рельсов предприятиями-производителями активно внедряются новые технологии производства такого вида продукции. В частности, за последние десять лет произошел переход на массовое производство дифференцированно-термоупрочненных рельсов взамен выпускаемых ранее объемно-закаленных [1, 2], внедрение и совершенствование современных технологий внепечной обработки стали позволило на порядок снизить загрязненность рельсов неметаллическими включениями, в несколько раз уменьшить содержание газов [3 - 11].
Несмотря на такие изменения технологических режимов производства рельсов и улучшения показателей их качества, проблема преждевременного выхода из строя рельсов при эксплуатации по-прежнему остается актуальной, что в значительной степени связано с вышепри-
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Материаловедение» СибГИУ в рамках базовой части Государственного задания Минобрна-уки РФ № 11.6365.2017/8.9.
веденными данными о росте грузонапряженности пути. Так, в 2018 г. изъято почти 160 тысяч штук дефектных и остродефектных рельсов, что превышает показатель 2006 г. более, чем в 1,5 раза. Одной из основных причин изъятия рельсов являются контактно-усталостные дефекты, возникновение которых большинство исследователей связывает со скоплениями неметаллических включений [12 - 16]. При этом по вопросу степени влияния конкретного типа включений на эксплуатационный ресурс рельсов единое мнение отсутствует [17 - 22]. Ряд авторов утверждает, что наиболее отрицательно на стойкость рельсов влияют глинозем, карбиды и нитриды титана, другие исследователи отводят ведущую роль хрупкоразрушенным сложным оксидам.
Вышеприведенные данные обуславливают актуальность проведения исследований микроструктуры дифференцированно-термоупрочнен-ных рельсов, в том числе состава, распределения и концентрации неметаллических включений.
В настоящей работе исследовали пробы рельсов типа Р65 текущего производства АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ ЗСМК»), в том числе категории ДТ350 (диффе-ренцированно-термоупрочненные с прокатного нагрева общего назначения), изготовленные из стали марки Э76ХФ, и рельсы категории ДТ370ИК (дифференцированно-термоупрочнен-ные с прокатного нагрева повышенной износостойкости и контактной выносливости), изготовленные из стали марки Э90ХАФ. Следует отметить, что рельсы категории ДТ350 в настоящее время являются основным видом рельсовой продукции, поставляемой для АО «РЖД»; рельсы категории ДТ370ИК, как правило, укладываются на участках с наиболее тяжелыми
Рис. 1. Микроструктура головки (а), шейки (б) и подошвы (в) рельсов категории ДТ350
условиями эксплуатации, однако при этом имеются перспективные планы по переходу на массовое использование рельсов этой категории.
Исследования микроструктуры рельсов, в том числе загрязненности неметаллическими включениями, проводили по элементам профиля с использованием оптического металлографического микроскопа OLYMPUS GX-51.
По полученным данным величина зерна в головке рельсов исследуемых категорий ДТ350 и ДТ370ИК соответствует № 9 и № 10, в шейке и подошве - № 8 и № 9. Микроструктура по элементам рельсовых профилей практически аналогична
(рис. 1, 2) и представлена сорбитом закалки в головке, перлитом - в шейке и подошве; при этом в шейке рельсов категории ДТ350 выявлена незначительная химическая неоднородность в виде светлых полос, вытянутых в направлении прокатки и перпендикулярных подошве (рис. 1, б).
Исследования загрязненности неметаллическими включениями по элементам рельсовых профилей, проведенные по стандартной методике полуколичественного анализа согласно ГОСТ 1778 - 70, показали (табл. 1), что преобладающим типом неметаллических включений являются силикаты недеформирующиеся, наиболь-
Рис. 2. Микроструктура головки (а), шейки (б) и подошвы (в) рельсов категории ДТ370ИК
шая концентрация которых наблюдается в шейке рельсов: в рельсах категории ДТ350 максимальный балл составил 4а (рис. 3, а), в рельсах категории ДТ370ИК - 3б (рис. 3, б). В головке рельсов также выявлено значительное количество сульфидов: максимальный балл составил 3б (рис. 3, в) для рельсов обеих категорий. Кроме указанных типов включений выявлены оксиды точечные и строчечные, силикаты пластичные и нитриды алюминия. При этом загрязненность перечисленными типами включений заметно выше в рельсах категории ДТ350.
С целью более точного определения вида, распределения по размерам и относительной концентрации неметаллических включений про-
ведены дополнительные исследования с использованием спектрометра «ARL iSpark» (метод «Spark-DAT»).
По полученным данным силикаты недефор-мирующиеся представлены, в основном, кварцем SiO2, сульфиды - сульфидами марганца MnS (табл. 2). При этом, в отличие от результатов полуколичественного анализа, значимого различия в относительной концентрации типов включений по элементам и категориям рельсов не обнаружено. Это объясняется преобладанием включений малого (менее 4 мкм) размера, не выявляемых при проведении металлографических исследований. Также следует отметить, что наибольшую относительную концентрацию
Т а б л и ц а 1
Распределение неметаллических включений по элементам рельсовых профилей
Максимальный балл включений по элементам рельса
Вид включения головка шейка подошва
боковая часть центральная часть
Рельсы категории ДТ350 (сталь Э76ХФ)
Силикаты недеформирующиеся 2б 1б 4а 3б
Сульфиды 3б - - -
Оксиды точечные 1а - 1а -
Силикаты пластичные - 3б 2а -
Нитриды алюминия - 1б 2б 3б
Рельсы категории ДТ370ИК (сталь Э90ХАФ)
Силикаты недеформирующиеся 2а 1б 3б 2б
Сульфиды - 3б - 3б
Оксиды строчечные 2а - - -
Силикаты пластичные 1а 2б 1б -
Нитриды алюминия - - - 1б
имеют сульфиды марганца, а концентрация остальных типов включений значительно ниже: кварца в среднем в пять раз, глиноземистых включений - в 20 и более раз. Касательно различий в размерах глиноземистых включений по категориям рельсов можно отметить, что доля относительно крупных (более 10 мкм) включений АЬОз - СаО - МеО, АЬОз - СаО - МеО -Са8 и А12О3 - MgO несколько выше для рельсов общего назначения категории ДТ350 по отношению к рельсам категории ДТ370ИК.
В целом можно констатировать, что загрязненность рельсов исследуемых категорий непластичными силикатными и глиноземистыми включениями является низкой с учетом их относительной концентрации и размеров.
Выводы. Проведенными металлографическими исследованиями дифференцированно-термоупроч-ненных рельсов различных категорий (рельсов общего назначения категории ДТ350, рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости категории ДТ370ИК) производства АО «ЕВРАЗ ЗСМК» определено, что величина зерна и микроструктура по элементам рельсовых профилей практически аналогична, за исключением выявленной незначительной химической неоднородности в рельсах общего назначения. Величина зерна в головке рельсов соответствует № 9 и № 10, в шейке и подошве - № 8 и № 9, микроструктура представлена сорбитом закалки в головке, перлитом - в шейке и подошве.
Исследования неметаллических включений показали, что загрязненность рельсов как общего назначения (категории ДТ350), так и рельсов
повышенной износостойкости и контактной выносливости (категории ДТ370ИК) непластичными силикатными и глиноземистыми включениями является низкой с учетом их относительной концентрации и размеров. Наибольшую относительную концентрацию в рельсах обеих категорий имеют сульфиды марганца.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Головатенко А.В., Волков К.В., Александров И.В., Кузнецов Е.П., Дорофеев В.В., Сапелкин О.И. Ввод в эксплуатацию универсального рельсобалочного стана и освоение технологии производства рельсов на современном оборудовании в рельсобалочном цехе ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2014. № 6 (1374). С. 32 - 38.
2. Головатенко А.В., Уманский А.А., Дорофеев В.В. Основные тенденции развития рельсопрокатного производства в России и за рубежом. - В кн.: Металлургия: технологии, инновации, качество. Труды XIX Международной научно-практической конференции, Новокузнецк, 15 - 16 декабря 2015 г. -Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2015. С. 44 - 48.
3. Уманский А.А., Козырев Н.А., Бойков Д.В., Думова Л.В. Совершенствование внепечной обработки рельсовой стали на агрегате "ковш-печь" с целью повышения эксплуатационной стойкости железнодорожных рельсов. - В кн.: Металлургия: технологии, инновации, качество. Труды XX Международной
а
4
20 мкм
I I
б
20 мкм
I-1
20 мкм
Рис. 3. Характерные неметаллические включения по элементам рельсов: а и б - силикаты недеформирующиеся в шейке рельсов категории ДТ350 и ДТ370ИК; в - сульфиды в головке рельсов
научно-практической конференции. Ч. 2. Новокузнецк, 15 - 16 ноября 2017 г. -Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2017. С. 44 - 48.
4. Козырев Н.А., Уманский А.А. Повышение качества длинномерных железнодорожных рельсов за счет совершенствования технологических приемов производства рельсовой стали // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2. С. 77 - 81.
5. Козырев Н.А., Бойков Д.В., Уманский А.А. Исследование влияния технологических параметров внепечной обработки рельсовой стали в электросталеплавильном цехе ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» на качество рельсового
проката. - В кн.: Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2014. Вып. 33. С. 25 - 31.
6. Козырев Н.А., Уманский А.А., Бойков Д.В. Разработка эффективных технологий раскисления и внепечной обработки рельсовой электростали, обеспечивающих повышение качества рельсов. - В кн.: Актуальные проблемы современного машиностроения: Сборник трудов Международной научно-практической конференции. - Томск: изд. Томского политехнического университета, 2014. С.238 - 243.
в
Т а б л и ц а 2
Относительная концентрация и размеры неметаллических включений _по элементам рельсовых профилей_
Тип включения Относительная концентрация включений, ppm (распределение включений по размерам*, %)
рельсы категории ДТ350 рельсы категории ДТ370ИК
головка шейка головка шейка
SiO2 7,73 (100/0/0) 9,27 (100/0/0) 3,35 (100/0/0) 14,92 (100/0 0)
MnS 34,86 (100/0/0) 30,78 (56,2/43,8/0) 35,04 (59,9/29,9/10,2) 43,35 (72,6/15,2/12,2)
AI2O3 0,28 (52,6/18,4/29,0) 0,30 (66,7/8,3/25,0) 0,18 (61,4/15,9/22,7) 0,11 (65,8/8,6/25,6)
AI2O3 - CaO - MgO 1,54 (29,5/16,7/53,8) 0,95 (37,5/16,6/45,9) 1,33 (50,4/19,8/29,8) 1,60 (52,5/13,8/33,8)
AI2O3 - CaO - MgO - CaS 0,88 (24,3/18,3/57,5) 1,22 (33,3/16,7/50,0) 1,19 (38,8/20,4/40,7) 0,88 (53,6/7,3/39,1)
AI2O3 - CaO 0,34 (47,9/27,9/24,1) 0,31 (53,4/13,2/33,3) 0,33 (48,5/22,6/29,0) 0,19 (60,0/10,0/29,9)
AI2O3 - MgO 0,31 (30,1/19,9/50,0) 0,30 (50,0/10,0/40,0) 0,03 (44,8/20,8/34,4) 0,08 (57,8/7,6/34,6)
-----
Через косую приведены значения для размеров включений менее 4, 4 - 10 и более 10 мкм.
7. Козырев Н.А., Уманский А.А., Бойков Д.В. Исследование влияния параметров внепечной обработки стали на загрязненность рельсового проката оксидными включениями. - В кн.: Инновации в материаловедении и металлургии. Материалы IV Международной интерактивной научно-практической конференции, Екатеринбург. 15 - 18 декабря 2014 г. - Екатеринбург: изд. Уральского федерального ун-та им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2015. С. 247 - 250.
8. Козырев Н.А., Протопопов Е.В., Уманский А.А., Бойков Д.В. Совершенствование технологии раскисления и внепечной обработки рельсовой электростали с целью повышения качества рельсового проката // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 10. С. 721 - 727.
9. Протопопов Е.В., Козырев Н.А., Уманский А.А., Бойков Д.В. Исследование влияния параметров внепечной обработки на образование оксидных неметаллических включений в рельсовой электростали. - В кн.: Сборник трудов XIII Международного конгресса сталеплавильщиков, Полевской, 12 - 18 октября 2014 г. - Москва-Полевской, 2014. С.180 - 183.
10. Козырев Н.А., Уманский А.А., Бойков Д.В. Исследование и оптимизация технологии производства рельсовой электростали с целью повышения качества рельсового проката и технико-экономических показателей его производства // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2014. № 3 (9). С. 11 - 16.
11. Козырев Н.А., Уманский А.А., Бойков Д.В. Разработка технологии внепечной обработки рельсовой электростали, обеспечивающей повышение эксплуатационной стойкости рельсов // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2015. № 4 (1000). С. 29 - 33.
12. Георгиев М.Н., Межова Н.Я., Морозов Е.М., Рейхарт В.А. О механизме развития контактно-усталостных трещин в железнодорожных рельсах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2000. № 9. С.50 - 52.
13. Бели Я., Немет И. Контактно-усталостные трещины в головке рельса // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 5. С. 33 - 37.
14. Рейхарт В.А. Анализ дефектов рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 4. С. 22 - 25.
15. Абдурашитов А.Ю. Закономерности образования контактно-усталостных дефектов // Путь и путевое хозяйство. 2002. № 11. С. 16 - 20.
16. Павлов В.В., Корнева Л.В. Разработка методики оценки склонности рельсовой стали к образованию дефектов контактно-усталостного происхождения. - В кн.: Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений. Сборник научных докладов по материалам заседания некоммерческого партнерства «Рельсовая комиссия», Новокузнецк, 26 - 29 октября 2010 г. - Екатеринбург: изд-во ОАО «Уральский институт металлов», 2011. С. 117 - 137.
17. Павлов В В., Корнева Л.В., Полевой Е.В., Волков К.В. Оценка склонности рельсов к образованию контактно-усталостных дефектов. - В кн.: Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений. Сборник научных докладов по материалам заседания некоммерческого партнерства «Рельсовая комиссия», Московская обл., 23 - 25 октября 2012 г. -Екатеринбург: изд. Уральского института металлов, 2013. С. 106 - 112.
18. Добужская А.Б., Дерябин А.А., Сырейщикова В.И. Исследование неметаллических включений в рельсах и очагах контактно-усталостных дефектов. - В кн.: Неметаллические включения в рельсовой стали. Сборник научных трудов по материалам I Всероссийского научно-технического семинара. - Екатеринбург: изд. Уральского института металлов, 2005. С. 41 - 58.
19. Шур Е.А., Трушевский С.М. Влияние неметаллических включений на разрушение рельсов и рельсовой стали. - В кн.: Неметаллические включения в рельсовой стали. Сборник научных трудов по материалам I Всероссийского научно-технического семинара. - Екатеринбург: изд. Уральского института металлов, 2005. С. 87 - 94.
20. Добужская А.Б., Голицын Г.А., Сырейщикова В.И. Исследование структуры рельсов с разной стойкостью против образования контактно-усталостных дефектов. - В кн.:
Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов. Сборник научных трудов по материалам II Всероссийского научно-технического семинара, Екатеринбург, 16 - 17 мая 2006 г. -Екатеринбург: изд. Уральского института металлов, 2006. С. 64 - 80.
21. Капустина Е.С. Сравнение методов оценки неметаллических включений в рельсовой стали производства ОАО «НТМК». - В кн.: Неметаллические включения в рельсовой стали. Сборник научных трудов по материалам I Всероссийского научно-технического семинара, Екатеринбург, 2005. - Екатеринбург: изд. Уральского института металлов, 2005. С. 95 - 101.
22. Трушникова А.С., Григорович К.В., Шибаев С.С. Сравнение методов контроля неметаллических включений для оценки качества железнодорожных рельсов. - В кн.: Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений. Сборник научных докладов по материалам заседания некоммерческого партнерства «Рельсовая комиссия», Калуга, 1 - 2 октября 2009 г. - Екатеринбург: изд. Уральского института металлов, 2010. С. 116 - 124.
© 2019 г. А.А. Уманский, А.В. Головатенко,
А.С. Симачев Поступила 14 октября 2019 г.
