CC BY
82
УДК 621.771 Корнева Лариса Викторовна,
к. т. н., зав. лабораторией «Металлография», «НКМК», г. Новокузнецк
Дементьев Валерий Петрович, к. т. н., доцент, Новокузнецкий государственный технический университет,
тел.: 8-903-068-01-27 Елисеев Сергей Викторович, д. т. н., профессор, директор НИИ современных технологий, системного анализа и моделирования, ИрГУПС e-mail: [email protected], тел/факс.: (3952) 59-84-28 Поздеев Владимир Николаевич, к. т. н., профессор кафедры «Путь и путевое хозяйство», ИрГУПС
тел.: (3952) 63-83-64 Хоменко Андрей Павлович, д. т. н., профессор, ректор ИрГУПС Черняк Саул Самуилович,
д. т. н., профессор кафедры «Технологии ремонта транпортных средств и материаловедения,
тел.: (3952) 63-83-65
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ ИЗ СТАЛИ БЕЙНИТНОГО КЛАССА ПОВЫШЕННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ДЛЯ УСЛОВИЙ СИБИРИ
L. V. Korneva V.P. Dementiev, S. V. Eliseev, V.N. Pozdeev, A.P. Khomenko, S.S. Cherniak
DEVELOPMENT OF PRODUCTION TECHOLOGY RAILWAY
RAILS FROM STEEL BEINIT CLASS INCREASED OPERATIONAL RESILIENCE FOR CONDITIONS OF SIBERIA
Аннотация. Рассматриваются основы технологии создания новых бейнитных рельсовых сталей. Показаны возможности новых материалов по сравнению с известными материалами, которые привеняются на практике. Предлагаются рекомендации для использования бейнитных сталей на железнодорожном транспорте.
Ключевые слова: бейнитные рельсовые стали, новые технологии создания сталей, качество рельсов.
Abstract. Basis of technology of creating new beinit rail steel are considered. Possibilities of modern materials in comparison with known materials which are using in practice are shown. Recommendations for application of beinit rail steel are offered.
Keywords: beinit rail steel, quality of rails, modern technology of steel creating.
Осуществление технической реконструкции железнодорожного транспорта, эффективное использование новых мощных локомотивов, ускорение движения поездов в большой мере зависят от качества рельсов. Современные железнодорожные рельсы работают в очень трудных ус-
ловиях. Статическая нагрузка на ось локомотива или большегрузного вагона доходит до 270 кН. Скорости движения товарных поездов на отдельных участках пути превышают 100 км/ч.
Современный железнодорожный транспорт требует более прочных рельсов. Качество рельсов имеет огромное значение не только для обеспечения высокой грузонапряженности, большой скорости и безопасности движения, но и для удлинения срока службы их в пути. Расход металла в виде рельсов, уложенных в железнодорожные пути, очень велик.
Поэтому перед Кузнецким металлургическим комбинатом поставлена задача в кратчайший срок организовать выпуск износостойких рельсов для российских железных дорог. Это позволит значительно увеличить срок их службы и сэкономить тысячи тонн металла. Для повышения качества рельсов и износостойкости необходимо улучшать химический состав рельсового металла, повышать его чистоту и совершенствовать профиль рельса; необходимо также совершенствовать технологию нагрева заготовок, прокатки, калибровку валков, термическую обработку и т. п.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Для рельсов Р65 криволинейных участков пути, особенно с кривыми малого радиуса (К < 450 м), гарантированное количество перевезенного груза составляет не более 150 млн т.
Характер дефектов, служащих причиной изъятия рельсов с пути, различен на участках прямолинейных и кривых малого радиуса. Если на участках кривых малого радиуса рельсы в основном сминаются и истираются, то на прямых участках пути интенсивно развиваются дефекты головки, возникающие вследствие контактной усталости металла.
Можно добиться значительного повышения стойкости рельса против истирания и смятия повышением прочностных характеристик рельсовой стали. Эта задача разрешается в настоящее время проведением опытов по производству рельсов из бейнитной стали.
Основы создания новых бейнитных рельсовых сталей
Рельсы из перлитной стали производятся с конца XIX века. С тех пор процесс претерпел огромные изменения, связанные с методами упрочнения головки рельсов, повышения чистоты металла и его прочностных характеристик, но принцип использования именно перлитной стали близкого к эвтектоидному составу оставался неизмен-
ным. На рис. 1 представлена диаграмма Fe - С; эв-тектоидная точка при 727 °С отвечает реакции разложения аустенита, содержащего 0,76 % С, на феррит, почти свободный от углерода, и цементит (БезС). Наиболее дисперсная микроструктура образуется вблизи эвтектоидной точки; поэтому перлитная сталь относится к типу среднеуглеро-дистых сталей.
В настоящее время становится понятным, что возможности дальнейшего совершенствования перлитной рельсовой стали близки к исчерпанию. Наиболее перспективными считают бейнитную сталь и некоторые сорта мартенситной стали, в которых сочетаются твердость, прочность и пластичность. Например, сравнительное испытание крестовин из бейнитной стали и стандартной упрочненной аустенитной марганцовистой стали (AMS) показало, что у крестовины из бейнитной стали интенсивность развития износа и деформаций в 4 раза меньше, чем у крестовины из AMS.
В табл. 1, 2 даются химические составы и характеристики обычно применяемых и бейнит-ных сталей. Стандартная рельсовая сталь обладает высокой прочностью, но вместе с тем повышенной хрупкостью: ее ударная вязкость по Шарпи при комнатной температуре составляет 2-3,35 мм/г. АМ5 имеет гораздо более высокую ударную вяз-
Рис. 1. Диаграмма состояния Fe - С и положение различных материалов этой системы, используемых на практике
Т а б л и ц а 1
Химический состав некоторых рельсовых сталей (мас. %)
Элемент Марка стали
Обычная улучшенная AMS (аустенитная марганцовистая) J6 (бейнитная для рельсов) J9 (бейнитная для крестовин)
С 0,78 1,15 0,26 0,26
Мп 0,9 13 2 1,85
81 0,65 0,5 1,84 1,75
Сг 0,45 - 1,94 -
N1 - - - 3
Мо - - 0,45 0,45
В - - 0 0
Р 0,02 до 0,07 0 0,01
8 0,01 - 0 0,01
Т а б л и ц а 2
Механические характеристики рельсовых сталей
Марка стали
Характеристика Обычная улучшенная AMS J6 J9
Твердость по Бринеллю, уд. 370 380 430 450
Прочность на растяжение, Мпа 1230 745 1470 1560
Предел текучести при 0,2 % Мпа 845 364 1010 1020
Относительное удлинение, % 10 30 9 4
Вязкость по Шарли, мм/г при +20 °С при -40 °С 2-3 80 40 5,4 4,7 20 11,4
кость, достигающую 67-94 мм/г, но она относительно мягкая под упрочненным поверхностным слоем. Из табл. 2 видно, что прочность и предел текучести бейнитных сталей выше, чем у обычных, и в принципе имеется возможность придать им нужную вязкость, сопоставимую с AMS.
Дизайн рельсовой стали в какой-то мере должен быть схож с дизайном, скажем, буровой стали: для нее также важно обеспечить высокую твердость поверхности совместно с большей вязкостью и более низкой твердостью сердцевины. Вязкость материала особенно важна, когда он используется в условиях больших ударных нагрузок. В буровой технике для этого используются науг-лероженные стали и различные типы высокоуглеродистых хромистых сталей. Они подвергаются специальной термообработке, создающей высокую твердость поверхности. Для повышения прочности аустенитной марганцовистой стали, применяемой для изготовления крестовин стрелочных переводов и глухих пересечений, применяются легирующие добавки и упрочнение поверхностного слоя взрывом, которое сейчас признается недостаточным ввиду того, что методом
взрыва упрочняется только тонкий поверхностный слой, а деформации, вызванные высокими динамическими нагрузками, проникают на большую глубину.
Для рельсовой стали как будто меньшую роль должно играть такое свойство, как обрабатываемость. Тем не менее, его также следует принимать во внимание. Особенно это относится к поверхности катания; острые грани и неровности могут долго не стираться и становиться источниками высоких локальных динамических напряжений, вызывающих развитие, дефектов. Увеличению хрупкости сталей и температуры перехода от вязкого к хрупкому разрушению способствуют повышенные содержания таких примесей, как бор и фосфор.
Общая идеология повышения прочности при сохранении пластичности (также и при низких температурах) и сопротивления износу должна учитывать многочисленные факторы. Так, прочность бейнитовой стали можно в первом приближении представить следующей суммой факторов:
(7 = (УРе + ^Х'°Щ +Хо(7о+КЬ 1 + (1)
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
где оре - прочность чистого Fe (219 МНм- при 300 К);
хг - концентрация примесей замещения;
- упрочнение легирующей примесью замещения г;
ас - упрочнение углеродом; ро - плотность дислокаций, обычно 1016 м-2; К - упрочнение, связанное с размером зерна (115 МН-м-1);
Ь - средний размер ферритовой пластины (~ 0,2 мкм).
Для заданной микроструктуры предел теку-
сумма составляю-
чести может быть оценен как
щих / фаз с объемной долей V,:
IУуг
а =
(2)
микроструктурой сплавов и распределением химических элементов.
Структурные и текстурные характеристики: роль фазовых превращений и управления микроструктурой в получении необходимых свойств стали. Механизмы и кинетика фазовых превращений в сталях Фазовые превращения в стали являются сложной функцией температуры, времени и химического состава, в зависимости от которых получается та или иная микроструктура (рис. 2).
Такой подход, безусловно, является крайне упрощенным, поскольку указанные факторы не являются взаимно независимыми. Но он позволяет в первом приближении подобрать нужные композиции с учетом микростуктуры.
Важнейшим элементом упрочнения является создание в сплаве определенной микроструктуры. Это может быть упорядоченная решетка из высокодисперсных фаз или дислокационных образований полигонально-ячеистого типа. Связь величины деформационного упрочнения с плотностью дислокаций обусловлена сопротивлением кристаллов деформированию под действием леса дислокаций (речь идет о сопротивлении перемещению свободно движущихся дислокаций). Очевидно также, что повышение прочностных свойств вследствие роста плотности дислокации оборачивается снижением пластических свойств по причине ограничения подвижности дислокаций со стороны дислокаций леса и других термически непреодолимых препятствий. Поэтому многие исследователи считают, что наиболее рациональным путем является активизация механизмов субструктурного упрочнения не за счет хаотических дислокаций, а за счет регулярных дислокационных полигонально-ячеистых структур, практически реализуемая при термопластической обработке сплава [1-2]. При этом подчеркивается необходимость значительного размельчения зерна и создания в мелком зерне устойчивых (упрочненных дисперсными фазами) дислокационных построений. В металлах и сплавах с пониженной энергией дефектов упаковки образование ячеистой структуры затруднено, и она наблюдается только при высоких степенях деформации.
В следующих разделах рассмотрим более подробно физико-химические основы управления
Рис. 2. Кривые «температура - время» превращений аустенита
Если превращение происходит при температуре между ликвидусом и выступом кривой (рис. 2), отклонение от равновесия не слишком велико, и аустенит переходит в смешанную структуру феррита и цементита (перлит). Поскольку скорости диффузии более высоки при повышенных температурах, феррит внедряется в области цементита, и пространственное разделение ламе-лей (расстояние между однотипными слоями в структуре) должно быть больше для перлита (крупный перлит), полученного при более высоких температурах. Перлит, полученный вблизи выступа кривой (рис. 2), является тонким (мелкозернистым). Если аустенит закален при температуре между выступом кривой и началом мартенситного превращения (рис. 2), то образуется другой продукт. Превращение в этом случае уже существенно отклоняется от равновесия, и диффузия не может обеспечить образование ламелей перлита. Структура металла изменяется от гранецентриро-
ванной (гцк) решетки аустенита к объемноцентри-рованной (оцк) феррита, высвобождая избыток углерода в форме цементита.
В результате получается структура не в виде перемежающихся пластинок, а в виде дисперсии дискретных частиц цементита в игольча -той матрице феррита - структура, известная как бейнит. Из-за присутствия тонкодисперсного карбида его прочность достигает уровня тонкого перлита, а вязкость и пластичность сохраняется, поскольку мягкий феррит является основной матричной фазой. Бейнит обладает высокой прочно -стью и, одновременно, хорошей устойчивостью к разрушению и ударным воздействиям. Он обычно обладает достаточной вязкостью и не требует последующей термообарботки. Толщина пластинок бейнита составляет обычно первые десятые доли микрона. Энергия, запасенная в бейнитовом феррите благодаря напряжениям, находится на уровне 400 Дж/моль, и она могла бы стать достаточной движущей силой для контролируемого диффузией роста и раскристаллизации данной микроструктуры. Однако система может достаточно долго находиться в состоянии вынужденного равновесия, основанного на балансе противоположно направленных термодинамических сил или на ее стабилизации путем жесткого закрепления дислокациями и дисперсными преципитатами границ ламелей.
В случае если аустенит закален до температуры начала мартенситного перехода, становятся возможными различные превращения. По-прежнему термодинамически выгоден переход гцк -оцк, но структура не может освободиться от «лишнего» углерода, чтобы образовать феррит, поэтому она изменяется по бездиффузионному
механизму. Кинетика фазового превращения сильно зависит от температуры. Если сталь закаливается от высокой температуры в воде, то движущая сила перехода «аустенит - феррит» становится очень большой. Но в то же время при такой быстрой закалке углерод не имеет достаточно времени, чтобы сконцентрироваться в карбидных преципитатах. В результате образуется новая фаза, называемая мартенситом и представляющая собой сильно искаженную форму ферритовой оцк-структуры, нарушенную именно за счет высоких содержаний углерода, захваченного в процессе превращения. Степень тетрагонального искажения кубической структуры феррита пропорциональна количеству избыточного углерода. Мартенсит является очень твердым материалом, но значительные искажения его структуры вызывают высокие внутренние напряжения и, соответственно, ломкость. Поэтому мартенсит оказывается очень хрупким, если он не прошел специальную термическую обработку (отпуск). В результате отпуска внутренние остаточные напряжения релаксируют, повышая устойчивость к излому. Свойства конечного продукта сильно зависят от температуры и продолжительности отжига. Превращения аусте-нита и их механизмы представлены схематически на рис. 3.
Контроль механизмов превращения позволяет получать сложные комбинации фаз, до четырех и более компонентов структуры, с интересными свойствами. Так, в ТК!Р-сталях, обладающих трансформационной пластичностью, ферритовая матрица содержит дисперсию твердых компонент -мартенсита и бейнита, а также остаточный аустенит с объемной долей свыше 5 % (рис. 4).
Рис. 3. Характер превращений аустенита в различных условиях
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
тодом. Для этого используются дифракционные отражения 200 феррита (мартенсита) и 200, 220 аустенита. Объемный процент аустенита можно определить по следующей формуле:
% Aus {200) = ■
57,2/.
200
(3)
Рис. 4. Структура стали, обладающей трансформационной пластичностью
В этих сталях остаточный аустенит под действием механического напряжения трансформируется в мартенсит, т. е. некоторая часть механической энергии расходуется на превращение, а не на деформацию структуры сплава. С увеличением степени деформации объемная доля аустенита уменьшается, причем зернистый аустенит (> 1 мкм) превращается быстрее, чем более дисперсный аустенит ленточного типа (< 1 мкм), что установлено при наблюдениях деформации in situ методом электронной дифракции и просвечивающей электронной микроскопии. В TRIP-сталях создается уникальная комбинация предельной прочности и удлинения (1000 МПа и до 40 %, соответственно).
Содержание остаточного аустенита обычно определяется рентгеновским дифракционным ме-
(0,572/4 +1ж)
где I - интенсивности соответствующих отражений аустенита и мартенсита.
Механизм бейнитного превращения изучен в настоящее время достаточно хорошо, хотя некоторые аспекты все еще остаются дискуссионными [1]. Процессы образования верхнего и нижнего бейнита схематически показаны на рис. 5.
Пластинка бейнита растет по мартенситному (бездиффузионному) механизму, но поскольку превращение происходит при относительно высокой температуре, углерод почти сразу распределяется в остаточный аустенит. Затем углерод отделяется от аустенита, образуя между пластин преципитаты карбидов, типичные для микроструктуры верхнего бейнита. Этот процесс идет уже диффузионным путем и замедляется с понижением температуры превращения, поэтому часть углерода осаждается из пересыщенного феррита в пределах бейнитовых пластин. Остаток углерода фракционирует в сохранившийся аустенит. Таким образом, формируется типичная микроструктура нижнего бейнита (рис. 5).
Рис. 5. Схема образования верхнего и нижнего бейнита
Бейнитовый феррит растет по бездиффузионному механизму в результате превращения типа смещения и оказывается исходно пересыщенным захваченными атомами углерода, поскольку он наследует весь углерод, находившийся в родительской аустенитовой фазе. Для достижения термодинамического равновесия (кривая Aei на рис. 6) избыточный углерод сбрасывается из бей-нитового феррита в прилегающие к нему аустени-товые зерна.
Следующая пластинка бейнита должна уже расти из обогащенного углеродом аустенита. Поскольку первая стадия превращения бездиффузионная, процесс прекратится при концентрации углерода, при которой аустенит и бейнитовый феррит имеют одинаковую свободную энергию (Т0, рис. 6). Поскольку эта концентрация ниже равновесной по линии Ае3, превращение прекращается, что известно как «явление неполной реакции».
Механические свойства бейнита, его поведение при деформировании зависят от температуры превращения: верхний и нижний бейнит ведут себя подобно перлиту и закаленному мартенситу. Это объясняется подобием соответствующих микроструктур.
В последнее время появились результаты прямого (in situ) наблюдения бейнитового превращения. При нейтронографическом исследовании превращения в сплаве 0,4С - 2Si - 3Мп (мас. %), при 305 °С было найдено, что исходная концентрация углерода превышает уровень конечной на 0,09 мас. %, и исходное прересыщение бейнитового феррита четко наблюдается в течение первого часа реакции. В исходном состоянии фиксируется очень однородное распределение
атомов углерода в аустените, которое становится все более и более неоднородным в процессе пре -вращения. В противоположность этому, распре -деление атомов углерода в бейнитовом феррите может рассматриваться как неоднородное на ранних стадиях превращения, тогда как по мере развития процесса эти атомы перераспределяются, образуя более однородные локальные концентрации. Поскольку перераспределение углерода не заканчивается с изменением объемных долей продуктов, изменения в параметрах решетки продолжают наблюдаться, даже когда образование бейнитового феррита прекращается. В свою очередь, изменение параметров решетки приводит к изменению макроскопической длины образца, что может быть ошибочно принято за изменение объемной доли при дилатометрии.
Наблюдения in situ в нагревательном про -свечивающем электронном микроскопе показали, что феррит в низком бейните остается пе -ресыщенным углеродом в течение некоторого времени после окончания роста. При бейнито-вом превращении (310 °С) в высококремниевой стали пересыщение составляет ~ 0,3 мас. %. Возможно, часть углерода остается в состоянии пересыщения и в дальнейшем, поскольку действует механизм его «улавливания» дислокацион -ными структурами. Дело в том, что атомам углерода энергетически выгодно оставаться сегрегированными на дислокациях, а не входить в решетки некоторых промежуточных карбидов. Углерод захватывается дислокациями, и если их плотность достаточно высока (1012-1013 см2), неспособен образовать промежуточный е-карбид. В таких случаях образование более устойчивого (но менее дисперсного и более
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
хрупкого) цементита происходит прямо из пересыщенного феррита. Никель способствует преципитации 8-карбида, который в его присутствии требует для своего образования меньшего содержания углерода, чем обычно (~ 0,4 вместо 0,55 мас. %). Если углерода недостаточно для образования 6-карбида, фракционирование С в аустенит слишком быстро истощает бейнито-вый феррит.
Кинетические особенности изотермических превращений аустенита могут быть рассмотрены на основе классических выражений Аврами и Джонсона - Мела. В соответствии с этими работами, объемные доли перлита (Р), бейнита (В) и мартенсита (М) представляются следующим образом:
= Ул 1-ехР (Т) -Ь(ТУ >
= Ул(1-УР) 1-ехР (Т) ~ -Ь(ТУ
= Уа(1~Ув ~УР) ' ~~СХР
Здесь уА, уР, уВ, уМ - объемные доли соответствующих фаз; Ь(Г), п(Т) - коэффициенты, зависящие от температуры; к, т - коэффициенты, зависящие от состава стали.
Коэффициенты п(Т) и Ь(Т) рассчитываются для каждого шага t на основе уравнений, соотносящихся с объемной фракцией образовавшихся фаз:
1п(1- у, )
1п
п(Т ) = -
(
1п
V / У
где ts и / - время начала и конца превращения при постоянной температуре, у, и у/ - соответствующие объемные доли (1 % и 99 %).
(Оя(Л
Металлографическое исследование рельсов из бейнитной стали опытной плавки № 1-1137 (н1542)
При освоении производства рельсового проката из бейнитной стали марки 30 ХГ2САФМ и в соответствии с распоряжением № 84/13/4/8 от 16.01.04 г. в электросталеплавильном цехе ОАО «НКМК» 26.01.04 г. проведена опытная плавка № 1-1137.
Выплавку бейнитной стали осуществляли в 100-тонной дуговой печи в соответствии с требованиями действующей технологической инструкции по производству рельсовой стали с использо-
ванием в составе металлошихты жидкого чугуна (15 т). Необходимое количество ферромолибдена (500 кг) присадили в подвалку поверх последнего короба металлолома. Для возможности более точного легирования металла завалку произвели на «сухую» подину. Феррохром марки ФХ 100 в количестве 1600 кг присадили в печь. Остальные легирующие: ферросилиций марки ФС 65 (1494 кг), силикомарганец (1700 кг), а также феррованадий (280 кг, в том числе 80 кг азотированный) присадили в ковш во время выпуска плавки из печи.
Температура металла в печи перед раскислением и перед выпуском составила 1700 °С, в ковше после выпуска - 1555 °С.
Металл опытной плавки был подвергнут обработке на агрегате «печь - ковш». В процессе обработки на АКОС в ковш до корректировки химического состава металла присажено 100 кг сили-комарганца, 178 кг 65 %-ного ферросилиция и 250 кг феррохрома. Доводка содержания углерода в металле производилась путем вдувания коксовой пыли в количестве 80 кг. Силикокальций для окончательного раскисления металла вводили в виде порошковой проволоки. Разливку производили по схеме одиночных плавок.
Температура металла перед установкой на ППС составила 1565 °С, в промежуточном ковше - 1511-1520 °С.
Замечаний по ходу выплавки и разливки отмечено не было. Опытную плавку разливали на че-тырехручьевой радиальной МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300^330 мм. Отбор темплетов для аттестации плавки по химическому анализу производили от головной и хвостовой обрези каждого ручья. Отрезанные на заданные длины и замаркированные 23 заготовки (от 1, 2, 3 и 4-го ручья соответственно 7, 5, 4 и 6-й заготовок) после выхода на стеллаж сталкивателя незамедлительно транспортировались в короба замедленного охлаждения пролета К-Л, где остывали под крышками в течение 72 часов, уложенные в 3 и 4 ряды между металлом рядовых плавок. Температура опытного металла после загрузки ямы составила 380-500 °С. За первые сутки температура заготовок снизилась до 200 °С, к концу суток она составила 110 °С. Выдачу заготовок из ям производили на четвертые сутки, при этом температура их составляла 3040 °С.
При осмотре поверхности вторую заготовку третьего ручья забраковали из-за наличия дефекта типа «пояса». Качество поверхности остальных заготовок удовлетворительное.
Первоначально для проведения исследовательских работ отобрали две заготовки третьего ручья - забракованную (3-2) и головную (3-4) и
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
прокатали из них четыре рельса (пл. Н596). На основании удовлетворительных результатов исследования (протокол М 42 от 26.04.04) оставшиеся заготовки прокатали по распоряжению № 84/96/21/61 от 02.04.04 г. на рельсы Р65 по следующей технологии: подогрев заготовок согласно ТИ 68-СК-022-2003 в отапливаемой яме до 240 °С, нагрев в печах стана 500 до температуры 8501100 °С и окончательно - в печах Сименса до температуры 1180-1210 °С (в течение 1 часа). Из 21 заготовки в соответствий с ТИ 103 СТ.П.-12-2001 прокатали 42 рельса Р65 пл. Н1542 длиной 26000 мм. Температура начала прокатки на стане 850 составила 1040-1065 °С. Температура конца прокатки - 980-1000 °С.
На пилах горячей резки от рельсов 1, 2, 3 и 4-го ручья отобрали пробы для контроля макроструктуры, неметаллических включений и испытаний на копровую прочность при температуре цеха.
Учитывая отсутствие флокенов в металле пл. 1-1137 (пл. Н596), бейнитные рельсы пл. Н1542 не подвергали противофлокенной обработке. Охлаждение их производили на стеллаже в положении «лежа на боку», плотно придвинув друг к другу. После охлаждения бейнитные рельсы по кривизне практически не отличались от стандартных рельсов из стали Э76Ф. После правки на РПМ бейнитные рельсы имели удовлетворительную прямолинейность.
При осмотре на инспекторских стеллажах забраковано три рельса по прокатной плене.
Для получения механических свойств, отвечающих требованиям ТУ 0921-1б7оп-2003, бей-нитные рельсы пл. Н1542 подвергли термической обработке - нормализации от 870-880 °С и отпуску при 350-360 °С в течение 6 часов (рис. 7).
Нагрев рельсов под нормализацию осуществляли в нагревательной печи РБЦ, сформировав их в последний пакет по 5-9 шт. Общее время нагрева рельсов, включая время выдержки в пятой зоне (20 мин), составило 70-75 мин. При нагреве рельсов температурный режим по зонам печи соответствовал требованиям ТИ РБ-043-2004 и не отличался от технологии нагрева стандартных рельсов из стали Э76Ф. После выдачи из печи рельсы охлаждались пакетом на стеллаже выдачи до температуры цеха. После охлаждения рельсы подали через закалочный барабан и складировали на стеллаже. Затем рельсы подвергли отпуску при температуре 350-360 °С в течение 6 часов. Для этого рельсы сформировали в два пакета и по одному нагревали в 4 зоне печи. Температура по зонам печи находилась на одного уровне и составила 350-370 °С.
После термической обработки бейнитные рельсы правили на РПМ по обычному режиму, предусмотренному для объемно-закаленных рельсов из стали Э76Ф.
После правки бейнитные рельсы имели удовлетворительную прямолинейность.
в) Подошва рельса Рис. 7. Микроструктура рельса, подвергнутого нормализации от 870-880 °С и отпуску при 360-370 °С
Технико-экономическое обоснование по разработке технологии производства железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса повышенной эксплуатационной стойкости для условий Сибири
На Восточно-Сибирской железной дороге протяженность кривых участков пути составляет 45,2 %
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
от развернутой длины пути. Кривые малого радиуса 500 м и меньше составляют 25,4 %.
Основной целью создания новых сталей для рельсов с высокими эксплуатационными характеристиками является снижение эксплуатационных расходов на их содержание в течение всего срока службы [3]. За последние 10 лет Кузнецким металлургическим комбинатом на ВСЖД было отгружено более 40 тонн опытных рельсов различной модификации:
• шифра СВ термоупрочненные из мартеновской стали повышенной чистоты по неметаллическим включениям, кальцийсодержащие, легированные ванадием;
• шифра НМ рельсы низкотемпературной надежности из мартеновской стали, микролегированной ванадием и ниобием;
• шифра НЭ рельсы низкотемпературной надежности из электростали, микролегированной ванадием и ниобием;
• рельсы из бейнитной стали;
• К-14(Э) - рельсы из электростали, раскисленной силикокальцием и силикомарганцем, микролегированной ванадием, с непрерывной разливкой стали.
Годовой экономический эффект от внедрения опытных рельсов представлен в виде суммарных затрат, включающих эксплуатационные расходы и единовременные затраты на сплошную смену рельсов. Суммарные затраты при сплошной смене рельсов в кривых участках пути включают в себя две группы расходов:
• расходы в перевозочном процессе, связанные с сопротивлением движению поездов, представлением «окон», потерями от простоя поездов и от снижения скорости движения;
• расходы в путевом хозяйстве, связанные со стоимостью новых рельсов и зарплатой монтеров пути.
Стоимость новых рельсов на сплошную смену определяется из выражения:
Сн = ен Н х 1,6, где ен - цена новых рельсов, руб./т (9600 руб./т для СВ, НМ, НЭ, стандартные, 11500 руб./т для К-14, 14400 руб./т для бейнитной стали); 1,6 - вес одного рельса типа Р65 длиной 25 м; N - количество рельсов (в 1 км 40 штук рельсов 25-метровой длины).
При сплошной смене рельсов затраты на 1 км пути составляют:
Сн = ен N = 9600 х 40 х 1,6 = 618240 руб;
Сн = е^ = 14400 х 40 х 1,6 = 921600 руб;
Сн = е^ = 11500 х 40 х 1,6 = 740600 руб.
Зарплата монтеров пути: Сз/п = N (ИСр х 14 чел. 8,5/14 чел. Y Км х Кр),
где N - количество рельсов в 1 км 40 штук;
Нср - норма времени на смену одного рельса,
4,75 нормо-час;
8,5 - средняя тарифная ставка монтера пути; 14 - состав путейской бригады при сплошной смена рельсов, чел.;
Км - коэффициент, учитывающий начисление
к фонду заработанной платы (1,3-1,4);
Кр - коэффициент, учитывающий район работы
(Иркутская область Кр = 1,2).
Сз/п= 40(4,75 х 14 х 8,5/14 х 1,4 х 1,2) = 2713,2 руб.
Суммарные затраты на сплошную смену рельсов на 1 км в год по ГТЧ-8 составят:
Зс = (Сн + Сз/п) х 76,3, где Сн - стоимость новых рельсов; Сз/п - заработная плата монтеров пути; 76,3 - объем укладки, км (кривые R < 500 м). Зс = (618240 + 2713,2) х 76,3 = 4737872,9 руб; Зс = (921600 + 2713,2) х 76,3 = 70525097,2 руб; Зс = (740600 + 2713,2) х76,3 = 56714797,2 руб.
Путеобследовательской станцией совместно с сотрудниками ИрГУПС проведен анализ роста удельного бокового износа стандартных и опытных рельсов на горно-перевальном участке ПЧ-8 и установлено, что срок службы рельсов до достижения бокового износа 18 мм составляет: для рельсов шифра СВ -1,4 года, НМ - 1,5 года, НЭ -1,7 года, стандартные - 1,3 года, бейнитные - 2,5 года, К-14 - 2,4 года.
Затраты на смену рельсов в год составят: СВ - 4737872,9 /1,4 = 33,842 млн руб; НМ - 4737872,9 /1,5 = 31,585 млн руб; НЭ - 4737872,9 /1,7 = 27,869 млн руб; бейнитные - 70525097,2 / 2,5 = 28,210 руб.
Из табл. 3 видно, что наиболее износостойкими и экономичными являются рельсы К-14. Экономический эффект от внедрения опытных рельсов из бейнитной стали на 1 км в год составит 8,235 млн руб.
На основании исследований, проведенных коллективами ЦКЛК, НКМК, ВСЖД и ИрГУПС, получены следующие результаты.
1. Разработан химический состав и освоен технологический процесс выплавки стали в комплексе, впервые в России освоен технологический процесс производства железнодорожных рельсов бейнитного класса с высоким комплексом механических свойств.
Разработанные стали находятся на уровне лучших мировых производителей железнодорожных рельсов и отличаются повышенной хладо-стойкостью, что позволит обеспечить надежную эксплуатацию в условиях Крайнего Севера.
2. Следует продолжить исследования коллективами НКМЗ, ИрГУПС и ВСЖД по поиску и
Тип рельсов Поставщик Объем укладки, км (R < 500 м) Срок службы до достижения бокового износа 18 мм Стоимость 1т рельсов (руб. в год) Затраты на смену рельсов (млн руб. в год)
СВ КМК 76,3 1,4 9600 33,842
НМ КМК 76,3 1,5 9600 31,585
НЭ КМК 76,3 1,7 9600 27,869
стандартные КМК 76,3 1,3 9600 36,445
бейнитные КМК 76,3 2,5 14400 28,210
производству железнодорожных рельсов повышенной эксплуатационной стойкости для условий Сибири и Крайнего Севера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Железнодорожные рельсы для Сибири / В. П. Дементьев, Л. В. Корнева, А. П. Хоменко, С. С. Черняк. Иркутск : изд-во ИрГУПС, 2010. 216 с.
2. Разработка и исследование железнодорожных рельсов для Сибири / В. П. Дементьев, Л. В.
УДК 004.
Аннотация. Описана интеллектуальная программная система автоматизированного построения деревьев событий, представлена ее архитектура и основные функции. Система позволяет в диалоге с пользователем в автоматизированном режиме проводить анализ возможных сценариев развития опасного процесса и построить дерево событий для инициирующего события на основе знаний о причинно-следственном комплексе развития опасных процессов. Знания формализованы в системе в виде продукций.
Ключевые слова: дерево событий, анализ риска, экспертная система, продукционный подход.
Корнева, А. П. Хоменко [и др.] // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. Вып. № 3 (27). С. 87-90.
3. Перспективы развития Иркутской области и проблемы качества / А. П. Хоменко, С. В. Елисеев, П. А. Лонцих, С. С. Черняк // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. Спецвып.. С. 257-270.
Abstract. The intelligent software system for event trees automated construction is described. Architecture and basic functions of intelligent software system is represented. The system allows in a dialogue with the user an automated way to analyze the possible scenarios and dangerous process then construct an event tree for a triggering event. An event tree construction based on the knowledge about the cause-effect complex of hazardous processes. Knowledge formalized as production rules.
Keywords: event trees, risk analysis, expert systems, rule-based reasoning.
422.8:004.891: 614.8 Павлов Николай Юрьевич,
аспирант, Институт динамики систем и теории управления СО РАН, тел.: +7 (3952) 45-30-19, e-mail: [email protected]
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ПРОГРАММНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПОСТРОЕНИЯ ДЕРЕВЬЕВ СОБЫТИЙ
N.Y. Pavlov
INTELLIGENT SOFTWARE SYSTEM FOR EVENT TREES AUTOMATED CONSTRUCTION
