ЛИСТ ИЗ АТМОСФЕРОСТОЙКОЙ СТАЛИ ДЛЯ МОНОРЕЛЬСОВОЙ СТРЕЛКИ БЕЗ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
WEATHER-RESISTANT STEEL SHEET FOR MONORAIL ARROW WITHOUT HEAT TREATMENT AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
[001] Настоящая информация относится к листам из низколегированной стали, и в частности относится к листу из атмосферостойкой стали для производства монорельсовой стрелки без термической обработки и способу его изготовления.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[002] Монорельсовая транспортная система, обычно встречающаяся в виде надземной линии, в основном используется в густонаселенных городских районах для транспортировки пассажиров. Она отличается низкой стоимостью, низким уровнем загрязнения, коротким периодом строительства и меньшей площадью покрытия, кроме того она может эффективно использовать центральную изолированную зону дороги, поэтому является эффективным способом улучшения городского транспорта. Монорельсовая стрелка - это специальная стрелка для монорельсовой железной дороги. Поворотная часть стрелочной балки приводится в движение электрической энергией для выравнивания с путевой балкой или другой стрелочной балкой для формирования поворота для перевода линии движения транспортных средств.
[003] Монорельсовая стрелка сварена из стальных листов, которые круглый год будут подвергаться воздействию экстремальной жары, сильного холода и экстремального перепада температур, а также эрозии от дождя, мороза, кислоты и щелочи. Помимо постоянного воздействия колес, листы также будут подвергаться постоянному износу во время работы. При этом большое количество ударных нагрузок требует, чтобы сталь для монорельсовой стрелки обладала высокой прочностью, высокой изломостойкостью, низким отношением предела текучести к временному сопротивлению разрыву, ударопрочностью и коррозионной стойкостью, а также хорошей свариваемостью.
[004] Тем не менее, коррозионная стойкость существующих листов из атмосферостойкой стали, используемых в производстве монорельсовых стрелок, в основном улучшается за счет увеличения содержания P, в то время как изломостойкость, пластичность и свариваемость стальных листов не учитываются. Кроме того, содержание Cu, Cr и Ni относительно низкое, устойчивость к атмосферным воздействиям также низкая, а процесс производства относительно сложный, поэтому производительность и стоимость производства невозможно сбалансировать.
[005] Кроме того, процесс термической обработки используется в способах производства традиционных железнодорожных стрелок. Например, китайский патент с номером публикации CN104894484A описывает "железнодорожные стрелки и способ производства стали для железнодорожных стрелок". В патенте используется процесс термообработки для улучшения неоднородных характеристик, вызванных сегрегацией компонентов и неравномерным размером зерна, но для этого процесса термообработки требуется многократный нагрев и сохранение тепла. Таким образом, производственный процесс усложняется, что затрудняет организацию высокоэффективного массового производства.
[006] В китайском патенте с номером публикации CN102839268A описывается "способ термической обработки железнодорожной стрелки с использованием бейнита", обеспечивающего хорошую прямолинейность стрелки. Тем не менее, в этом патенте для стали переводного рельса принята многоступенчатая термическая обработка. Таким образом, трудно точно контролировать производственный процесс.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[007] Настоящее изобретение описывает лист из атмосферостойкой стали для производства монорельсовой стрелки без термической обработки и способ его изготовления для устранения недостатков предшествующих технологий. При этом для монорельсовой стрелки используется стальной лист с низкой стоимостью сплава, отличной свариваемостью, сверхвысокой прочностью, высокой изломостойкостью и стойкостью к атмосферным воздействиям.
[008] Техническое решение, используемое в настоящем изобретении, заключается в том, что лист из атмосферостойкой стали для изготовления монорельсовой стрелки без термической обработки имеет следующий состав в массовых процентах: C: 0,03-0,16%, Si: 0,10-0,35%, Mn: 0,70-1,60%, Cu: 0.20-0.40%, Cr: 0,35-0,70%, Ni: 0,25-0,60%, Alt: 0,01-0,08%, Nb: 0,01-0,05%, Ti: 0,005-0,020%, а также остаток Fe и технически неустранимых примесей.
[009] Массовая доля P в листе из атмосферостойкой стали составляет 0,008-0,015%.
[0010] Причины, по которым содержание каждого состава листа из атмосферостойкой стали ограничено в настоящем изобретении, следующие:
[0011] C: Используется низкоуглеродная сталь. Более высокое содержание углерода неблагоприятно сказывается на ударной прочности стали, особенно на энергии удара при пластическом разрушении, и, очевидно, снижает свариваемость. В то же время, учитывая сложность контроля производства, содержание углерода не должно быть слишком низким. Таким образом, содержание углерода ограничено 0,03-0,16%.
[0012] Si: Si используется для раскисления в процессе выплавки стали. Соответствующее количество Si способно ингибировать сегрегацию Mn и P и повышать прочность стали за счет упрочнения твердым раствором. Однако чрезмерно высокое содержание Si ухудшает свариваемость и низкотемпературную прочность стали. Таким образом, содержание Si ограничено 0,10-0,35%.
[0013] Mn: Mn необходим для раскисления в процессе выплавки стали и способен повышать прочность стали за счет упрочнения твердого раствора. Содержание Mn не может быть слишком низким для получения высокой прочности на разрыв, но чрезмерно высокое содержание Mn ухудшит свариваемость и низкотемпературную прочность стали. Таким образом, содержание Mn ограничено 0,70-1,60%.
[0014] P: P используется для повышения устойчивости стали к атмосферным воздействиям. Если содержание P слишком низкое, то устойчивость к атмосферным воздействиям низкая. Однако чрезмерно высокое содержание P ухудшает низкотемпературную прочность основного металла и сварных соединений, особенно когда P в основном металле переходит в сварочный шов, образуя эвтектику в процессе сварки, что приводит к снижению энергии удара сварных соединений. Таким образом, содержание Р ограничено 0,008-0,015%.
[0015] Cu: Cu может способствовать образованию стабильного и плотного слоя ржавчины на поверхности стали и улучшать устойчивость стали к атмосферным воздействиям. Однако чрезмерно высокое содержание Cu может вызвать красноломкость при обработке стали и ухудшить свойства поверхности стали. Таким образом, содержание Cu ограничено 0,20-0,40%.
[0016] Cr: Cr также способен эффективно повышать устойчивость стали к атмосферным воздействиям и обеспечивать упрочнение твердого раствора. Однако чрезмерно высокое содержание  Cr снижает изломостойкость и свариваемость стали. Таким образом, содержание Cr ограничено 0,35-0,70%.
[0017] Ni: Ni также может повышать устойчивость стали к атмосферным воздействиям и способствовать образованию устойчивого слоя ржавчины, а также улучшать свариваемость. Однако чрезмерно высокое содержание Ni значительно увеличивает производственные издержки. Таким образом, содержание Ni ограничено 0,25-0,60%.
[0018] Al: Al используется для раскисления в процессе выплавки стали. Он способен уменьшить атомное число твердого раствора N, тем самым улучшая изломостойкость и временное сопротивление деформации. А образующийся нитрид алюминия может уменьшать размер зерен для дальнейшего снижения температуры вязко-хрупкого перехода. Тем не менее, чрезмерное добавление Al приводит к образованию крупных зерен Al2o3 и AlN и снижению изломостойкости. Кроме того, Al может способствовать трансформации феррита, уменьшению размера зерен и повышению изломостойкости в зоне термического влияния сварки. Таким образом, содержание Al ограничено 0,01-0,08%.
[0019] Nb: Nb может повысить прочность стали, увеличить температуру рекристаллизации аустенита, а также прокатывать зону нерекристаллизации при более высокой температуре. Однако увеличение содержания Nb оказывает ограниченное влияние на упрочнение стали, поэтому содержание Nb ограничивается 0,01-0,05%.
[0020] Формула для расчета индекса стойкости к атмосферным воздействиям листа из атмосферостойкой стали выглядит следующим образом:
[0021] I = 26,01(%Cu) + 3,88(%Ni) + 1,20(%Cr) + 1,49(%Si) + 17,28(%P) - 7,29(%Cu) (%Ni) - 9,10(%Ni) (%P) - 33,39(%Cu)2, и I ≥ 6,0%. Обеспечивается превосходная устойчивость к атмосферному воздействию и исключается нанесение антикоррозийного покрытия.
[0022] Стальной лист из атмосферостойкой стали имеет следующие механические свойства: предел текучести (Rp0.2) ≥ 485 МПа, предел прочности (Rm) ≥ 585 МПа, деформация растяжения (A) ≥ 20%, отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву (YR) ≤ 0,85, энергия удара (KV2) при -40 °C ≥ 250 Дж.
[0023] Способ изготовления стального листа для монорельсовой стрелки без термической обработки включает в себя процесс выплавки, процесс рафинирования, процесс непрерывного литья, процесс нагрева и процесс проката. В процессе нагрева температура раствора Nb рассчитывается по формуле произведения растворимости, и сляб непрерывного литья нагревается до температуры выше температуры раствора Nb.
γ
[0024] Принятая формула произведения растворимости представляет собой формулу произведения растворимости NbC в аустените: lg{[Nb][C]} = 2,96 - 7510/T, а T представляет собой температуру нагрева сляба непрерывного литья с единицей измерения K.
[0025] В процессе проката стальной лист получают с помощью управляемого процесса проката и управляемого процесса охлаждения, при этом стальной лист подвергают штабельному охлаждению до температуры ниже 200 °C, когда температура стального листа составляет 350-500 °C. Отходящее тепло стального листа используется для самозакаливания, чтобы уменьшить плотность дислокаций, снять внутреннее напряжение и увеличить объемную долю фазы осаждения, а также отрегулировать микроструктуру, чтобы обеспечить прочность и изломостойкость стального листа.
[0026]  Преимущества настоящего изобретения заключаются в следующем:
[0027]  1. Атмосферостойкий стальной лист, описанный в настоящем изобретении обладает отличной свариваемостью, сверхвысокой прочностью и высокой изломостойкостью при условии низкого содержания P за счет определения разумного соотношения состава сплава. Индекс стойкости к атмосферным воздействиям превышает или равен 6,0%, таким образом атмосферостойкий стальной лист обладает высокой стойкостью к атмосферным воздействиям.
[0028] 2. Стальной лист из атмосферостойкой стали имеет следующие механические свойства: предел текучести (Rp0.2) ≥ 485 МПа, предел прочности при растяжении (Rm) ≥ 585 МПа, деформация растяжения (A) ≥ 20%, отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву (YR) ≤ 0,85, энергия удара (KV2) при -40 °C ≥ 250 Дж.
[0029] 3. Для обеспечения свариваемости стального листа толщиной менее 40 мм не требуется предварительный нагрев перед сваркой и термическая обработка после сварки. Стальной лист из атмосферостойкой стали обладает хорошей свариваемостью и может применяться в монорельсовых стрелках.
[0030] 4. В способе производства стального листа из атмосферостойкой стали отходящее тепло после проката используется для самозакаливания, чтобы уменьшить плотность дислокаций, снять внутреннее напряжение и улучшить форму стального листа, а также, чтобы отрегулировать микроструктуру, обеспечить прочность и изломостойкость стального листа.
[0031] 5. В процессе производства не требуется термическая обработка, за счет этого снижается себестоимость продукции и сокращается производственный цикл.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0032] Способ производства листа из атмосферостойкой стали, описанный в настоящем изобретении включает процесс выплавки, процесс рафинирования, процесс непрерывного литья, процесс нагрева, процесс проката и процесс охлаждения в штабеле. В процессе нагрева температура Nb рассчитывается по формуле произведения растворимости, и сляб непрерывного литья нагревается до температуры выше температуры раствора Nb. В процессе проката стальной лист получают с помощью управляемого процесса проката и управляемого процесса охлаждения, при этом стальной лист изготавливается с охлаждением штабеля до температуры ниже 200 °C, когда температура стального листа составляет 350-500 °C. Отходящее тепло стального листа используется для самозакаливания.
[0033] Формула произведения растворимости NbC в аустените имеет следующий вид:
γ
[0034] lg{[Nb][C]}= 2,96 - 7510/T, и T представляет собой температуру нагрева сляба непрерывной разливки с единицей измерения К.
[0035] Формула для расчета индекса стойкости к атмосферным воздействиям листа из атмосферостойкой стали выглядит следующим образом:
[0036] I = 26,01 * Cu + 3,88 * Ni + 1,2 * Cr + 1,49 * Si + 17,28 * P - 7,29 * Cu * Ni - 9,1 * Ni * P - 33,39 * Cu * Cu.
[0037] 4 группы листов из атмосферостойкой стали изготавливаются с помощью вышеуказанного способа производства, при этом 4 группы листов из атмосферостойкой стали имеют следующий состав в массовых процентах:
[0038] S1: C: 0,15%, Si: 0,15%, Mn: 1,10%, P: 0,013%, Cu: 0,30%, Cr: 0,40%, Ni: 0,30%, Alt: 0,02%, Nb: 0,030%, Ti: 0,008%; и I: 6,20.
[0039] S2: C: 0,04%, Si: 0,35%, Mn: 1,40%, P: 0,014%, Cu: 0,26%, Cr: 0,63%, Ni: 0,25%, Alt: 0,04%, Nb: 0,020%, Ti: 0,019%; и I: 6,49.
[0040] S3: C: 0,11%, Si: 0,30%, Mn: 0,70%, P: 0,012%, Cu: 0,29%, Cr: 0,50%, Ni: 0,55%, Alt: 0,07%, Nb: 0,010%, Ti: 0,012%; и I: 6,90.
[0041] S4: C: 0,09%, Si: 0,25%, Mn: 0,95%, P: 0,009%, Cu: 0,45%, Cr: 0,35%, Ni: 0,48%, Alt: 0,03%, Nb: 0,050%, Ti: 0,015%; и I: 6,14.
γ
[0042] Для вышеупомянутых 4 групп листов из атмосферостойкой стали в каждой группе прокатываются стальные листы толщиной 10 мм и 40 мм. Параметры для изготовления листа из атмосферостойкой стали приведены в таблице 1. Температура раствора Nb сначала рассчитывается по формуле lg{[Nb][C]} = 2,96 - 7510/T, а затем температура нагрева сляба непрерывного литья определяется в соответствии с температурой раствора Nb. Стальной лист после контролируемого процесса проката и охлаждения подвергается охлаждению в штабеле до температуры ниже 200 °C.
[0043] Таблица 1 Параметры для изготовления листа из атмосферостойкой стали для монорельсовой стрелки без термической обработки
Номер стального сляба
Толщина стального листа(мм)
Температура раствора Nb (°C)
Температура нагрева (°C)
Черновой прокат
Чистовой прокат
Начальная темп. охлаждения штабеля (°C)
Конечная темп. охлаждения штабеля (°C)
Общий коэффициент деформации (%)
Конечная темп. проката (°C)
Начальная темп. проката (°C)
Конечная темп. проката (°C)
S1
10
1140
1150
54
1020
980
840
350
180
40
1200
52
1050
870
795
500
180
S2
10
1035
1100
55
1000
950
800
380
160
40
1050
53
990
860
820
470
160
S3
10
1000
1050
50
980
960
770
360
180
40
1100
54
1000
910
850
450
180
S4
10
1140
1150
56
1020
990
840
410
170
40
1200
58
1030
890
780
400
170
[0044] Были проверены механические свойства 4 групп листа из атмосферостойкой стали, результаты приведены в таблице 2. Лист из атмосферостойкой стали, изготовленный по способике, описанной в настоящем изобретении, имеет предел текучести 513-551 МПа, деформацию растяжения 22-27%, отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву 0,79-0,84 и энергию удара при -40 °C более 290 Дж. Таким образом, лист из атмосферостойкой стали имеет высокие показатели прочности,  изломостойкости и  пластичности.
[0045] Таблица 2 Механические свойства листа из атмосферостойкой стали для изготовления монорельсовой стрелки без термической обработки
Номер стального сляба
Толщина стального листа(мм)
Свойства при растяжении
Энергия удара при -40 °C (Дж)
Предел текучести(МПа)
Предел прочности(МПа)
Деформация растяжения (%)
Отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву
1
2
3
S1
10
513
618
25
0,83
311
307
340
40
527
626
27
0,84
304
315
308
S2
10
532
637
26
0,84
322
310
319
40
515
645
25
0,80
324
306
330
S3
10
526
668
22
0,79
302
321
303
40
551
672
25
0,82
312
308
317
S4
10
540
660
27
0,82
295
301
310
40
536
649
25
0,83
328
306
307
[0046] Была проверена свариваемость четырех стальных листов толщиной 40 мм, результаты приведены в таблице 3. Не требуется предварительный нагрев перед сваркой и термическая обработка после сварки. При тепловой нагрузке 50 кДж/см при сварке предел прочности сварных соединений эквивалентен пределу прочности основного металла, а энергия удара при -40 °C в зоне крупного зерна при сварке остается выше 85 Дж. Таким образом, лист из атмосферостойкой стали обладает хорошими свойствами при холодном изгибе и хорошей свариваемостью.
[0047] Таблица 3 Свариваемость листовой стали для изготовления монорельсовой стрелки без термической обработки
Номер стального сляба
Толщина стального листа(мм)
Темп. предварительного нагрева (°C)
Темп. нагрева после сварки (°C)
Предел прочности сварных соединений при растяжении (МПа)
Энергия удара зоны термического воздействия сварки при температуре -40°C (Дж)
Свойства при холодном изгибе
1
2
3
180°, b=4a, D=2a
S1
40
20
20
621
111
95
124
без повреждений
S2
40
20
20
647
105
126
115
без повреждений
S3
40
20
20
658
87
132
126
без повреждений
S4
40
20
20
639
195
202
177
без повреждений