СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам получения рельсовых, пружинных, инструментальных и других марок сталей.
3
3
3
Известен способ получения рельсовой стали, выбранный в качестве аналога, включающий завалку в дуговую электросталеплавильную печь металлолома и извести, расплавление металлолома, заливку жидкого чугуна, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию, скачивание окислительного шлака через порог рабочего окна, последующий выпуск стали в ковш с отсечкой печного шлака с оставлением в печи 10-15% жидкого металла от массы плавки и доводкой металла в ковше присадкой в ковш во время выпуска шлакообразующей смеси, состоящей из извести и плавикового шпата в соотношении (0,8-1,2):(0,2-0,5) с расходом 10-17 кг/т стали, а также ферросплавов - кремния и марганецсодержащих ферросплавов из расчета введения в сталь до 0,15% кремния и до 0,75% марганца. Далее сталь обрабатывают на агрегате типа «печь-ковш» введением в ковш последовательно до требуемых концентраций марганца, кремния, углерода, ванадия и кальция, причем при введении осуществляют продувку стали через донную пористую фурму азотом с расходом до 65 нм/ч при общем количестве введенного газообразного азота не более 20 нм до содержания 0,020% азота, окончательную продувку проводят аргоном с расходом до 65 нм/ч /1/.
Недостатком данного способа является низкое и нестабильное усвоение азота, что свойственно практически всем технологиям введения газов в металл их продувкой. Разброс в содержании азота в стали приводит к недостатку формирующихся в металле дисперсных нитридных и карбонитридных частиц требуемого размера - преимущественно нитридов и карбонитридов ванадия - стабилизирующих зеренную структуру при изготовлении рельсов и повышающих их износостойкость. В результате, растет величина зерна в стали и количество крупных - более 1 мкм - неметаллических включений, что сопровождается снижением уровня механических свойств металла, и особенно, пластичности и низкотемпературной ударной вязкости, что приводит к сокращению сроков эксплуатации рельсов.
Наиболее близким к заявляемому и выбранный в качестве прототипа является способ производства рельсовой стали, включающий выплавку стали в электропечи без раскисления металла и шлака, выпуск металла в ковш с отсечкой печного шлака, продувку металла в ковше азотом и аргоном, присадку во время выпуска и продувки шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец, и микролегирование стали на установке "печь-ковш" ванадием, отличающийся тем, что после микролегирования стали на установке "печь-ковш" ванадием ее модифицируют ферросплавом, содержащим кремний, кальций, барий, в котором отношение бария к кальцию составляет 1,0-1,5, а их количество в составе ферросплава 150-300 г/т стали. Кроме того, на установке "печь-ковш" могут осуществлять продувку стали аргоном, а ванадий вводят в виде азотированного феррованадия для обеспечения необходимого содержания азота в стали /2/.
Недостатком указанного способа является низкое и нестабильное усвоения азота при введения его в расплав как продувкой, так и в виде куска на агрегате «печь-ковш» - сверху через слой шлака. В результате - недостаточное формирование дисперсных ванадийсодержащих нитридов и карбонитридов, приводит к низкой стабилизации зеренной структуры металла, снижению его пластических и вязкостных характеристик и, в конечном итоге, к раннему формированию контактно-усталостных дефектов в период эксплуатации рельсов. В прототипе не сказано о необходимом соотношении между содержанием в металле азота и ванадия, образующих нужные для стабилизации структуры количество и размер дисперсных частиц. Кроме того, при использовании комплексного модифицирующего материала отдельно не выделена роль кальция, отличающегося от бария горофильными свойствами, что позволяет дополнительно воздействовать на чистоту границ зерен, а следовательно, на комплекс пластических и вязкостных свойств рельсового металла.
Задачей настоящего изобретения является повышение пластических и вязкостных свойств рельсовой стали при сохранении ее требуемой прочности.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе производства рельсовой стали, включающем выплавку стали в электропечи или конверторе, выпуск металла в ковш с отсечкой печного шлака, присадку во время выпуска и на агрегате «печь-ковш» шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец, микролегирование ванадием, азотирование и модифицирование стали на установке «печь-ковш» с одновременной продувкой расплава аргоном, азотирование осуществляют материалом, вводимым в расплав порошковой проволокой, и содержащим 4-34 мас.% азота, а также железо, и, порознь или вместе, элементы из ряда: марганец, кремний, ванадий, ниобий. При этом азотсодержащий материал может быть сплавом, либо смесью отдельных материалов.
Кроме того, согласно способу, в стали отношение между содержанием азота и ванадия составляет 0,2-0,47, а между содержанием кальция и ванадия составляет 0,02-0,066. При микролегировании ванадий в расплав вводится в виде порошковой проволоки, а модифицирование проводят кальциевым, либо кальцийбариевым материалом.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый способ производства рельсовой стали неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.
Заявляемый способ может быть реализован на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, т.е. является промышленно применимым.
Проведенные нами исследования показали, что комплекс требуемых механических свойств рельсовой стали - прочность, пластичность, ударная вязкость, содержание неметаллических включений и т.д. - в значительной мере определяются, наряду с традиционными технологическими факторами (химсоставом, температурно-деформационными условиями кристаллизации, деформации и термообработки металла), величиной аустенитного и итогового зерна, количеством дисперсной (менее 0,5-1 мкм) фазы и чистотой границ зерен от избыточных выделений, плен и сегрегации. С уменьшением размера кристаллитов, увеличением количества дисперсных частиц, тормозящих рост зерен на всем протяжении технологического передела, и повышением чистоты межзеренных границ повышается пластичность и ударная вязкость рельсового металла, его способность противостоять циклическим разрушениям и т.д. Задача создания достаточного количества дисперсных частиц решается в рельсовой стали, в основном, за счет дополнительного азотирования стали на этапе внепечной обработки, однако эффективность этого процесса зависит от способа введения азота в расплав.
Имеющаяся у авторов многолетняя практика показала, что наиболее стабильное усвоение азота достигается при введении последнего в расплав порошковой проволокой, наполнителем которой может быть практически любой азотсодержащий материал, и, в частности, содержащий до 34% N, железо, а также марганец, кремний, ванадий, ниобий, т.е. азотированные ферромарганец, ферросиликомарганец, ферросилиций, феррохром и др. Последние могут входить в состав азотсодержащего наполнителя порознь, либо совместно, в виде сплава, либо смеси отдельных материалов.
Усвоение азота при введении его порошковой проволокой в наших экспериментах, в зависимости от марки стали, технологии выплавки и используемого материала, составляло 55-85%, однако, главное заключалось в высокой стабильности этого процесса - разброс усвоения составлял 2-5%. Результатом такой обработки является формирование в металле нужного количества дисперсных (менее 0,1-0,5 мкм) нитридных и карбонитридных частиц, которые в рельсовой стали представлены преимущественно нитридами и карбонитридами ванадия.
Кроме того, размер и количество частиц, способных стабилизировать зеренную структуру, зависит от содержания ванадия и азота в стали. Недостаток азота приводит к отсутствию дисперсных частиц, избыток - к формированию крупных включений. И в первом, и во втором случае стабилизационные свойства такой фазы недостаточны. Экспериментально установлено, что наилучшее торможение зеренной структуры обеспечивается, когда отношение между содержанием азота и ванадия в стали составляет 0,2-0,47, что соответствует относительно однородному распределению кристаллитов в металле - Dмакс. / Dср. составляет 2,5-5.
Следует иметь ввиду, что границы зерен объективно являются зоной повышенной дефектности кристаллического строения, где концентрируются избыточные выделения охрупчивающих фаз, сегрегации, плен и т.д., снижающих пластические, ударные, коррозионные и другие свойства металла. Удаление подобных выделений с границ зерен и их более равномерное распределение по телу зерна - резерв повышения пластических и ударных характеристик рельсовой стали. Подобного результата можно добиться при обогащении приграничных объемов кальцием, имеющим выраженные горофильные свойства и вытесняющим в силу этого с границ зерен охрупчивающие фазы, сегрегации, пленочные выделения. Установлено, что улучшение пластических и ударных свойств рельсового металла проявляется при отношении между содержаниями в стали кальция и ванадия в пределах 0,02-0, 066.
Микролегирование стали ванадием наиболее эффективно, с точки зрения повышения и стабильности усвоения данного элемента, проводить также порошковой проволокой. Кроме того, наши эксперименты показали, что модифицирование расплава при внепечной обработке в случае азотирования рельсовой стали порошковой проволокой можно проводить кальциевым, либо кальцийбариевым материалом, причем лучшие пластические и ударные свойства металла получаются в случае соблюдения вышеуказанных отношений между содержаниями кальция и ванадия.
Пример осуществления способа
Опытные плавки проводили в электропечах с основной футеровкой. Далее сталь с отсечкой шлака выпускали в ковш и по ходу выпуска вводили шлакообразующие и частично ферросплавы, а затем металл передавали на агрегат «печь-ковш», где последовательно присаживали шлакообразующую смесь, кремний- и марганецсодержащие ферросплавы, порошковую проволоку с феррованадием, порошковую проволоку с азотированными ферросплавами (варианты использованных материалов приведены в табл.1), а также для модифицирования - порошковую проволоку с ферросиликокальцием марки СК30, либо ферросиликобарием марки СКВа10. В процессе обработки на агрегате «печь-ковш» металл продували аргоном. Количество азотированных ферросплавов вводили в расплав, исходя из содержания азота после дуговой печи (0,006-0,008%) для получения в металле 0,011-0,016% N. Применяемые наполнители порошковой проволоки - азотированные ферросиликомарганец, ферросилиций, ферромарганец, феррованадий и феррониобий - содержали, соответственно, 15, 34, 10, 10 и 9% N. В некоторых экспериментах в состав наполнителя входил сплав азотированных материалов (вар. 10 и 21), в остальных - смесь азотированных ферросплавов. Для понижения содержания азота в наполнителе до 4% применяли ферросиликомарганец. Усвоение азота металлом составляло 65±3%. Изменение отношения азот/ванадий и кальций/ванадий варьировали в пределах 0,2-0,53 и 0,016-0,075 соответственно. Модифицирующую проволоку вводили из расчета 180 г кальция или суммы кальция и бария на тонну расплава.
Обработка по прототипу включала выплавку в электропечах с основной футеровкой, выпуск металла с отсечкой шлака в ковш с частичной присадкой шлакообразующих смесей и ферросплавов, содержащих кремний и марганец. Далее металл передавали на агрегат «печь-ковш», где присаживали оставшиеся шлакообразующие смеси и ферросплавы, содержащие кремний и марганец, кусковой 50%-ный феррованадий (вар.1, табл.1) или дополнительно азотированный феррованадий (вар.2, табл.1), а затем порошковую проволоку с наполнителем из ферросплава, содержащего 8,0% Ва и 7,8% Са. Суммарный расход бария и кальция составил 270 г/т стали.
Средние значения механических свойств - твердости, относительного удлинения, ударной вязкости (KCU при +20°С и - 60°С), и отношений N/V, Ca/V в готовых рельсах, выплавленных по предлагаемому способу и по способу-прототипу, представлены в таблице 2.
Приведенные в таблице 1 и 2 результаты свидетельствуют:
1. Производство рельсовой стали по способу, указанному в прототипе (вар. 1 и 2), приводит к формированию структуры металл, отвечающей требуемому уровню прочности, относительно удлинения и ударной вязкости.
2. Производство рельсовой стали п.1 формулы заявляемого способа, т.е в случае модифицирующей обработки кальциевой, либо кальцийбариевой лигатурой и азотирования расплава порошковой проволокой, в состав всех наполнителей которой входит от 4% N до 34% N, приводит к получению рельсового металла, имеющего более высокие относительное удлинение и ударную вязкость (вар.3-12, 21 и 23), по сравнению с прототипом.
3. Производство рельсовой стали при смесевом наполнителе из азотированных ферросплавов (вар.3-9, 11, 12, 23) или при плавленом азотсодержащем наполнителе (вар.10 и 21) обеспечивает лучший комплекс пластических и ударных характеристик металла, по сравнению с прототипом - п.2 формулы заявляемого способа.
4. Производство рельсовой стали по п.3 формулы заявляемого способа, т.е. при отношении в металле азота к ванадию в пределах 0,2-0,47, а кальция к ванадию в пределах 0,02-0,066 приводит к дополнительному повышению пластических и ударных характеристик металла (вар.13-20,22).
5. Микролегирование расплава порошковой проволокой с феррованадием во всех вариантах производства рельсовой стали привело к получению улучшенных механических характеристик стали, по сравнению с прототипом - пп.4 и 5 формулы заявляемого способа.
Предлагаемый способ производства рельсовой стали может быть использован для выплавки стали, предназначенной для массового производства рельсов различного назначения с целью повышения их пластичности, ударной вязкости и эксплутационной стойкости.
Источники информации
1. Способ получения рельсовой стали. Патент РФ №2254380, кл. 7 С21С 7/00.
2. Способ получения рельсовой стали. Патент РФ №2327745, кл. 7 С21С 7/00, С21С 5/52
Таблица 1
Состав наполнителей порошковой проволоки
№ п/п
Mn
Si
N
V
Nb
Fe
1 прототип
-
-
-
-
-
-
2 прототип
-
-
-
-
-
-
3
58
15
4
-
-
ост
4
12
-
-
5
6
7
8
-
60
34
-
-
9
70
-
10
-
-
10
29
8
11
-
-
11
-
-
10
50
-
12
46
11
10
-
10
13
58
15
12
-
-
14
15
16
17
18
19
20
21
46
18
16
-
-
22
58
15
12
-
-
23
58
15
12
-
-
Таблица 2
Влияние состава наполнителя порошковой проволоки и содержания азота, ванадия и кальция в рельсовой стали на механические свойства металла
№ варианта наполнителя - Табл.1
Содержание элементов в стали
Механические свойства металла
N, мас.%
V, мас.%
Са, мас.%
N/V
Ca/V
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
KCU+20°С, Дж/см<sup>2</sup>
KCU-60°С, Дж/см<sup>2</sup>
1
0,010
0,05
0,002
0,20
0,04
1280
14
36
28
2
0,012
0,05
0,002
0,24
0,04
1290
15
36
28
3
0,012
0,05
0,002
0,24
0,04
1290
17
38
30
4
0,016
0,03
0,002
0,53
0,066
1280
16
37
30
5
0,011
0,06
0,002
0,47
0,066
1280
17
38
30
6
0,014
0,06
0,001
0,23
0,016
1280
16
37
30
7
0,014
0,04
0,003
0,35
0,075
1300
17
38
29
8
0,014
0,04
0,003
0,35
0,075
1290
17
37
29
9
0,014
0,04
0,003
0,35
0,075
1300
16
37
30
10
0,014
0,04
0,003
0,35
0,075
1300
16
37
30
11
0,014
0,04
0,003
0,35
0,075
1290
17
38
30
12
0,014
0,04
0,003
0,35
0,075
1280
17
38
29
13
0,014
0,03
0,002
0,47
0,066
1280
21
41
32
14
0,014
0,04
0,002
0,35
0,05
1280
22
43
32
15
0,014
0,06
0,002
0,23
0,033
1290
20
40
31
16
0,011
0,03
0,002
0,36
0,066
1290
21
40
31
17
0,011
0,04
0,002
0,275
0,05
1290
21
40
31
18
0,012
0,06
0,002
0,2
0,033
1300
21
41
32
19
0,012
0,05
0,001
0,24
0,02
1300
22
43
33
20
0,012
0,05
0,003
0,24
0,06
1290
21
43
31
21
0,014
0,04
0,003
0,35
0,075
1280
17
38
30
22
0,014
0,03
0,002
0,47
0,066
1280
21
41
32
23
0,016
0,03
0,002
0,53
0,066
1290
16
38
29