WO2020050737A1

WO2020050737A1 - Способ изготовления железнодорожных рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости.

Info

Publication number: WO2020050737A1
Application number: PCT/RU2018/000584
Authority: WO
Inventors: Егор Владимирович ПОЛЕВОЙ; Геннадий Николаевич ЮНИН; Евгений Павлович КУЗНЕЦОВ; Владимир Викторович ДОРОФЕЕВ; Алексей Валерьевич ГОЛОВАТЕНКО
Original assignee: Акционерное Общество "Евраз Объединенный Западно-Сибирский Металлургический Комбинат"
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-12
Also published as: CN112689541A; RU2743534C1; CN112689541B; BR112021001259A2

Abstract

Изобретение относится к способу прокатки железнодорожных рельсов с использованием остаточного тепла нагрева под прокатку. Способ включает нагрев заготовки под прокатку, многопроходные черновую и чистовую прокатку соответственно, в дую-реверсивных клетях и в универсальных клетях непрерывно-реверсивной группы, последующее дифференцированное охлаждение по головке и подошве рельса от температуры 720-870°С до температуры 450-600 °С. Черновую прокатку проводят в температурном интервале 950- 1100 °С с коэффициентом вытяжки за проход 1,12-1,30, а чистовую - в температурном интервале 850-1000°С с коэффициентом вытяжки 1,07-1,18. После проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универсальной нереверсивной клети в температурном интервале 820-880°С с коэффициентом вытяжки 1,07-1,10. Рельс обладает сбалансированным комплексом прочностных и пластических свойств, твердости и ударной вязкости.

Description

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И КОНТАКТНОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ

Область техники

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам прокатки и термической обработки железнодорожных рельсов, с использованием остаточного тепла нагрева под прокатку и может быть ис- пользовано при изготовлении рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости.

Уровень техники

Известен способ термической обработки рельсов из высокоуглероди- стой стали, содержащей 0,90-1,20% углерода, предусматривающий после окончания прокатки в течение < 60с ускоренное охлаждение со скоростью 5-20 °С/с кромочных участков подошвы от температур > 650 °С, затем го- ловку, шейку и центральную часть подошвы подвергают охлаждению со скоростью 1-10 °С/с (JP «4267334 C21D9/04).

Существенными недостатками указанного способа термической об- работки являются 1) отсутствие регламентированных температур нагрева под прокатку и окончания прокатки, не позволяющее эффективно измель- чить аустенитное зерно и получить высокие значения ударной вязкости, относительного удлинения и сужения; 2) головка и подошва рельса охла- ждаются с одинаковой скоростью, вследствие этого рельсы перед правкой имеют большую кривизну и возникает необходимость в холодной правке рельсов по режимам, неблагоприятно сказывающимся на величине оста- точных напряжений.

Известен способ получения рельса с перлитной структурой из стали, содержащей 0,65-1,20 % углерода, 0,05-2,00 % кремния и 0,05 - 2,00 % марганца, железо и неизбежные примеси остальное, предусматривающий чистовую прокатку рельса при температуре не более 900 °С и охлаждение до температуры не выше 550 °С со скоростью 2-30 °С/сек (ЕР N°2045341 (Al) C21D8/00, C21D 9/04).

Существенными недостатками данного способа являются 1) отсут- ствие в химическом составе рельсовой стали хрома, никеля и ванадия, ока- зывающих благоприятное воздействие на микроструктуру и механические свойства рельсов; 2) отсутствие регламентированной температуры нагрева под прокатку, что увеличивает величину исходного аустенитного зерна, уменьшает эффективность режимов прокатки в обжимных клетях, и не позволяет обеспечить необходимый уровень ударной вязкости, пластично- сти и прочности; 3) отсутствие дифференцированного охлаждения подош- вы и головки рельсов, что приводит к увеличению их кривизны после термической обработки и высокому уровню остаточных напряжений.

Известны также способы термической обработки рельсов из угле- родистой или низколегированной стали, предусматривающие ускоренное охлаждение рельса с температуры аустенитной области в диапазоне 750- 650 °С (JP N°4267267, C21D 9/04), ускоренное охлаждение со скоростью 5- 15 °С/с до температуры 650-500°С (RU Ге2113511 , C21D 9/04), ускоренное охлаждение со скоростью 10-30 °С/с до температуры , 750-600 °С (RU N°97121881, C21D 9/04, С22С 38/04), ускоренное охлаждение со скоростью 5-15°С/с до температуры 650-500°С (RU JVb96123715, C21D9/04), ускорен- ное охлаждение поверхностного слоя головки рельса от Аг1 со скоро- стью 1-10°С/с и 2-20°С/с на глубине >20 мм (JP N°3731934, C21D9/04).

Существенными недостатками указанных способов термической об- работки рельсов являются: 1) отсутствие регламентированных температур нагрева под прокатку и окончания прокатки, а также регламентированных коэффициентов вытяжек при прокатке в черновых и чистовых клетях, не позволяющие эффективно измельчить аустенитное зерно и получить высо- кие значения комплекса механических свойств; 2) отсутствие регламента- рованного охлаждения подошвы рельсов, что неблагоприятно сказывается на их кривизне.

Известен также способ изготовления рельсов, предусматривающий чистовую прокатку рельса в два этапа. На первом этапе прокатывают блюм с обжатием не менее 15 % за проход, на второй половине Чистовой прокат- ки выполняют прокатку в один или несколько проходов с обжатием не бо- лее 10% за проход в интервале температур 800-950 °С. Непосредственно после завершения чистовой прокатки температуру поверхности рельса быстро снижают со скоростью не менее 6 °С/сек в течение 0,1-30 сек до 500-600 °С, а затем проводят ускоренное охлаждение со скоростью не ме- нее 3 °С/сек. (JP 3625224 (В2) 8332501 (А)).

Существенными недостатками данного метода являются отсутствие регламентированных температурных режимов черновой и финишной про- катки, отсутствие регламентированных коэффициентов вытяжек при про- катке в черновых калибрах, что не позволяет произвести эффективное из- мельчение структуры и получить сочетание высоких значений прочност- ных и пластических свойств, твердости и ударной вязкости головки рель- сов, обеспечивающих высокий уровень износостойкости и контактно- усталостной выносливости рельсов при эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением является способ изготов- ления рельса, предусматривающий прокатку рельсов на стане с универ- сальной группой клетей тандем при температуре нагрева заготовки под прокатку в интервале от 1 100 до 1200 °С, чистовую прокатку в интервале температур 850-950 °С, ускоренное дифференцированное охлаждение по головке и подошве рельса воздухом или воздухом с примесью воды от температуры 720-850 °С со скоростью соответственно 1, 5-6,0 °С/с до тем- пературы не более 620 °С, при этом в каждом конкретном случае скорость охлаждения по головке отличается от скорости охлаждения по подошве. Сталь содержит, мае. %: углерод 0,72-0,78 и при необходимости дополни- тельно: от 0,15 до 0,60 хрома, от 0,10 до 0,60 никеля, от 0,05 до 0,15 вана- дия, от 0,007 до 0,020 азота. (RU 2601847 С1).

Существенным недостатком данного способа производства рельса является отсутствие регламентированных температурных режимов и ко- эффициентов вытяжек черновой, чистовой прокатки, вследствие чего не- возможно получение сбалансированного комплекса прочностных и пла- стических свойств, твердости и ударной вязкости, обеспечивающих высо- кий уровень износостойкости и контактно-усталостной выносливости рельсов при эксплуатации.

Задачей изобретения является получение дифференцированно тер- моупрочненных с использованием остаточного тепла предпрокатного нагрева железнодорожных рельсов, со сбалансированным комплексом ме- ханических свойств, а именно: временного сопротивления разрыву не ме- нее 1300 Н/мм², предела текучести не менее 870 Н/мм², относительного удлинения не менее 8,0 %, относительного сужения - не менее 20 %, твёр- дости на поверхности катания головки рельса не менее 400 НВ и ударной вязкости при температуре испытания +20 °С не менее 15 Дж/см².

Раскрытие

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления же- лезнодорожных рельсов повышенной износостойкости и контактно- усталостной выносливости, включающем нагрев заготовки под прокатку многопроходные черновую и чистовую прокатки соответственно в дуо- реверсивных клетях и в универсальных клетях непрерывно-реверсивной группы, последующее дифференцированное охлаждение по головке и по- дошве рельса от температуры 720 - 870 °С до температуры 450 - 600 °С , согласно изобретению, черновую прокатку проводят в температурном интервале 950 - 1100 °С с коэффициентом вытяжки за проход в пределах 1.12-1,30 , а чистовую - в температурном интервале 850 - 1000 °С с ко- эффициентом вытяжки в универсальных калибрах в пределах 1,07-1,18 , после чего проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универсаль- ной клети в температурном интервале 820 - 880 °С с коэффициентом вы- тяжки в пределах 1,07-1,10. При этом заготовка выполнена из стали, со- держащей мае. %: 0,85-1,2 углерода, 0,2-1,25 марганца, 0,2-0, 9 кремния, 0,001-0,06 ниобия, а также при необходимости один или несколько эле- ментов следующей группы мас.%: 0,1-0, 8 хрома, 0,05-0,6 никеля, 0,01-0,15 ванадия, 0,005-0,015 азота. .

Другим объектом настоящего изобретения является сталь для изготов- ления железнодорожных рельсов, содержащая мае. %: 0,85-1,2 углерода, 0,2-1,25 марганца, 0,2-0, 9 кремния, согласно изобретению, в состав допол- нительно введено 0,001-0,06 мас.% ниобия.

Возможен вариант осуществления, согласно которому в состав стали дополнительно введен один или несколько элементов следующей группы мас.%: 0, 1-0,8 хрома, 0,05-0,6 никеля, 0,01-0,15 ванадия, 0,005-0,015 азота.

Подробное описание

Термическую обработку рельсов производят непосредственно после прокатки с использованием остаточного тепла предпрокатного нагрева. Охлаждение рельса производят со скоростями от 1,5 до 6 градусов в се- кунду для достижения сбалансированного комплекса свойств, при этом охлаждение головки, шейки и подошвы производится с различными ско- ростями для обеспечения необходимой прямолинейности рельсового рас- ката. Температура начала термообработки 720 - 870 °С, окончания - 450 - 600 °С.

Заявляемые диапазоны технических параметров выбраны экспери- ментальным путем, исходя из требований к твердости, механическим свойствам, ударной вязкости и микроструктуре рельсов из заэвтектоид- ной стали. Выбор заявленной температуры нагрева под прокатку обусловлен тем, что при температурах нагрева НЛЗ под прокатку свыше 1200 °С не обеспечивается эффективное подавление рекристаллизационных процес- сов при прокатке в первых пропусках на обжимных клетях, а при темпера- турах менее 1150 °С существенно снижается пластичность стали, вслед- ствие чего увеличиваются нагрузки на валки, происходит их повышенный износ, образуются выколы, увеличивается образование поверхностных де- фектов.

Выбор заявленной температуры прокатки в последних пропусках группы тандем от 820 до 880 °С обусловлен тем, что при температурах свыше 880 °С не достигается эффективное измельчение аустенитного зер- на, а при температурах менее 820 °С существенно уменьшается пластич- ность металла, возрастают нагрузки на прокатные валки, и возникает риск получения закалочных структур в поверхностных слоях рельсов вслед- ствие контакта с водой, подаваемой для охлаждения прокатных валков.

Выбор заявляемых коэффициентов вытяжек обусловлен следующи- ми соображениями: при многопроходном обжатии заготовки в валках чер- новых дуо-реверсивных клетей с вытяжными калибрами с коэффициентом вытяжки за проход более 1,3 при выбранных температурных режимах про- катки происходит интенсивное взаимодействие прокатываемой стали со стенками калибра при этом происходит схватывание и отрыв частиц ме- талла от валков, что в совокупности с циклическими Механическими и термическими напряжениями, приводит к повышенному износу калибров. В результате ухудшается качество поверхности рельса и увеличивается расход валков.

При обжатиях заготовок в валках черновых дуо-реверсивных клетей с коэффициентом вытяжки менее 1,12 необходимо увеличение требуемого числа проходов, что значительно снижает производительность стана. Процесс чистовой многопроходной прокатки в клетях непрерывно- реверсивной группы в температурных интервалах 850 - 1000°С с коэффи- циентом вытяжки за проход в пределах 1,07 - 1,18 позволяет получить наиболее мелкозернистую структуру и высокие механические свойства рельсовой стали, за счет экспериментально установленной зависимости по увеличению количества образований центров новых зерен при деформации металла в этом диапазоне вытяжек.

Чистовая прокатка при температурах свыше 1000 °С не обеспечивает подавление рекристаллизационных процессов и эффективное измельчение зерна, а при температурах ниже 850 °С уменьшается пластичность стали, возрастают нагрузки на валки и увеличивается риск образования поверх- ностных дефектов.

Вытяжка менее 1,07 в температурном интервале от 850 до 1000 °С не позволяет эффективно измельчить структуру головки рельса, величина вы- тяжки в универсальном четырехвалковом калибре более 1,18 в рассматри- ваемом температурном интервале может привести к появлению анизотро- пии механических свойств в головке рельса, что ухудшает качество рельса.

Для соблюдения прямолинейности и обеспечения требуемых геомет- рических размеров профиля рельсов по всей их длине в заданном диапа- зоне допусков проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универ- сальной нереверсивной клети в температурном интервале 820 - 880 °С с коэффициентом вытяжки в пределах 1,07-1,10.

При температурах финишной прокатки не ниже 820°С и не выше 880°С вытяжка раската с коэффициентом более чем 1,1 приводит к возрас- танию контактных нагрузок, увеличению износа валков, ухудшению полу- чения точной геометрии профиля. Вытяжка раската менее 1 ,07 - приводит к невыполнению высоты выпуклой маркировки по шейке профиля в пре- делах требуемых ГОСТом. Заявляемый химический состав стали выбран исходя из следующих предпосылок:

Содержание углерода в металле на уровне 0,85-1,20 % при прокатке и термической обработке рельсов согласно предлагаемой технологии обеспечивает сбалансированный комплекс механических свойств и твер- дости. При снижении углерода менее 0,85 %, уменьшается количество карбидов и ухудшается прочность и твердость рельсов, с не достижением твердости в заявляемых пределах - свыше 400 НВ. При повышении угле- рода более 1,20 % увеличивается количество структурносвободного це- ментита в виде зернограничной сетки, снижается ударная вязкость и пла- стичность рельсов.

Увеличение содержания кремния до 0,9 % повышает пределы теку- чести и прочности рельсовой стали за счет упрочнения твердого раствора феррита в перлитной составляющей, а при снижении содержания кремния менее 0,20 % влияние его будет недостаточным. При повышении содержа- ния кремния более 0,90 % возрастает вероятность падения пластичности и ударной вязкости.

Марганец улучшает прокаливаемость рельсовой стали и при его концентрации до 1,25 % достигается требуемый уровень твердости и проч- ности. Если содержание марганца составляет менее 0,20%, влияние его не- значительно, при содержании более 1,25% возрастает вероятность образо- вания мартенсита.

Хром увеличивает прокаливаемость рельсовой стали и увеличивает прочность перлита за счет образования легированного цементита. При со- держании хрома менее 0,10 % воздействие его незначительно, увеличение его содержания более 0,80 % приводит к образованию мартенсита.

Никель интенсивно упрочняет феррит, с одновременным сохранени- ем вязкости и снижением порога хладноломкости стали. При содержании никеля менее 0,05 % действие его незначительно, увеличение содержания никеля свыше 0,60 % приводит к существенному удорожанию стали.

Введение азота в сочетании с ванадием и / или ниобием позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает увеличение со- противляемости хрупкому разрушению. Наличие карбидо - и нитридооб- разующих ванадия и / или ниобия при этом позволяет добиваться необхо- димой растворимости азота в соединениях. При содержании азота менее 0,005% действие его незначительно, вследствие чего невозможно обеспе- чить измельчение зерна, а при содержании азота более 0,015% возможны случаи пятнистой ликвации и «азотного» кипения (пузыри в стали). Вы- бранные содержания ванадия и ниобия обеспечивают получение требуе- мой ударной вязкости за счет карбонитридного упрочнения. При концен- трации ванадия менее 0,05% и ниобия менее 0,001 % действие их незначи- тельно. При введении в сталь ванадия более 0,15 % и / или ниобия более 0,06 % возрастает количество грубых карбонитридов, которые декарируют границы зерна и приводят к снижению ударной вязкости, а также приводят к существенному удорожанию стали.

Пример реализации изобретения.

Рельсовую сталь (таблица 1) выплавляли в 100-тонной дуговой элек- тросталеплавильной печи ДСП- 100 И7 и разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали до температуры 1 150-1200 °С и прокатывали на рель- сы типа Р65 длиной 100м на рельсобалочном стане. Коэффициенты вытя- жек рельсовых раскатов при прокатке в дуо-реверсивных клетях и в кле- тях непрерывно-реверсивной группы представлены в таблице 2, темпера- тура рельсовых раскатов - в таблице 3, из которой видно, что прокатку в дуо-реверсивных клетях осуществляли при температурах 950-1 100 °С, прокатку в клетях непрерывно-реверсивной группы обжатия проводили в температурном интервале 850 - 1000 °С. Завершали прокатку в финишной клети в температурном диапазоне 820 °С - 880 °С с коэффициентом вы- тяжки 1,08.

Таблица 1

Химический состав рельсовой стали

Таблица 2

Таблица 3 ю

После окончания прокатки рельсы позиционировали в положение «на подошву» и по одному задавали в охлаждающее устройство и подвер- гали дифференцированной закалке, (то есть производили ускоренное охлаждение элементов профиля с разными скоростями). Охлаждение го- ловки и подошвы рельса проводили в интервале температур от 720-880 °С до температур 450-600 °С со скоростью 1,5-6 °С/сек. После охлаждения, рельс с температурой 450-600 °С выдавали из охлаждающего устройства и передавали на холодильник.

Технологические параметры охлаждения рельсов приведены в таблице 4.

, Таблица 4

После охлаждения и правки исследовали микроструктуру металла, определяли механические свойства при растяжении твердость на поверх- ности катания и по сечению, ударную вязкость при температуре испыта- ния +20 °С.

Результаты механических испытаний при растяжении, твёрдости и ударной вязкости опытного металла представлены в таблице 5.

Таблица 5 Результаты механических испытаний при растяжении, твердости и удар- ной вязкости

Примечание: НВпкг - твердость на поверхности катания головки рельса;

НВ 10, НВ22 - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм от поверхности катания по вертикальной оси симметрии рельса;

НВЮвл, НВЮвп - твердость на расстоянии 10 мм соответ- ственно от левой и правой выкружек;

НВш - твердость в шейке;

НВпод - твердость в подошве.

Испытание на копровую прочность пробы от всех рельсов выдержа- ли без излома и признаков разрушения.

Предлагаемый способ изготовления рельсов позволил получить твердость на поверхности катания свыше 400 НВ, ударную вязкость более 15 Дж/см² при температуре испытания +20 °С, в сочетании с комплексом высоких значений механических свойств при удовлетворительной пер- литной микроструктуре и копровой прочности, отвечающий требованиям к рельсам повышенной износостойкости и контактно-усталостной выносли- вости.

Claims

Формула изобретения

1 . Способ изготовления железнодорожных рельсов повышенной износостойкости и контактно-усталостной выносливости, включающий нагрев заготовки под прокатку, многопроходные черновую и чистовую прокатки соответственно в дуо-реверсивных клетях и в универсальных клетях непрерывно-реверсивной группы, последующее дифференцированное охлаждение по головке и подошве рельса от температуры 720 - 870 °С до температуры 450 - 600 °С , отличающийся тем, что черновую прокатку проводят в температурном интервале 950 - 1 100 °С с коэффициентом вытяжки за проход в пределах 1.12- 1 ,30 ,а чистовую - в температурном интервале 850 - 1000 °С с коэффициентом вытяжки в универсальных калибрах в пределах 1 ,07-1 , 18 , после чего проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универсальной нереверсивной клети в температурном интервале 820-880°С с коэффициентом вытяжки в пределах 1 ,07- 1 ,10.

2. Способ по п.1 , отличающийся тем, что заготовка выполнена из стали, содержащей мае. %: 0,85-1 ,2 углерода, 0,2- 1 ,25 марганца, 0,2-0, 9 кремния, 0,001 -0,06 ниобия, а также один или несколько элементов следующей группы мас.%: 0, 1 -0,8 хрома , 0,05-0,6 никеля, 0,01-0,15 ванадия, 0,005-0,015 азота.

3. Сталь для изготовления железнодорожных рельсов, содержащая мае. %: 0,85- 1 ,2 углерода, 0,2- 1 ,25 марганца, 0,2-0, 9 кремния, отличающаяся тем, что в состав дополнительно введено 0,001 -0,06 мас.% ниобия.

4. Сталь по п. 3, отличающаяся тем, что в состав дополнительно введен один или несколько элементов следующей группы мас.%: 0, 1 -0, 8 хрома, 0,05-0,6 никеля, 0,01 -0, 15 ванадия, 0,005-0,015 азота.

ISA/RU

ИСПРАВЛЕННЫЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 91.1)