Розробка ефективної технології виробництва колісної сталі з використанням методів позапічної обробки та спецелектрометалургії

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 669.187.2:669.14.018.294:669.182.7

Автореферат

дисертації на здобуття ученого ступеня

доктора технічних наук

РОЗРОБКА ЕФЕКТИВНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА КОЛІСНОЇ СТАЛІ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДІВ ПОЗАПІЧНОЇ ОБРОБКИ ТА СПЕЦЕЛЕКТРОМЕТАЛУРГІЇ

05.16.2 - "Металургія чорних металів"

ПРОЙДАК ЮРІЙ СЕРГІЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 1999

Дисертація у вигляді рукопису.

Робота виконана у Державній металургійній академії України Міністерства освіти України.

Науковий консультант:

МЕДОВАР Борис Ізраїлович, академік НАН України, доктор технічних наук, професор.

Офіційні опоненти:

ОГУРЦОВ Анатолій Павлович, доктор технічних наук, професор, (Дніпродзержинський державний технічний університет, ректор);

ЦИВІРКО Едуард Іванович, доктор технічних наук, професор, (Запорізький державний технічний університет, професор);

ЦИКУЛЕНКО Анатолій Костянтинович, доктор технічних наук, професор (Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, начальник відділу).

Ведуче підприємство: Запорізька державна інженерна академія. Міністерство освіти України.

Захист відбудеться "25" травня 1999 р. о 12-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Державній металургійній академії України (320635, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державної металургійної академії України (320635, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розіслано "19" квітня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор В.К. Цапко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема підвищення якості колісної сталі і цільнокатаних коліс для рухомого складу наземного транспорту і метрополітену належить до загальнодержавних завдань для сталеплавильної промисловості металургійного комплексу України. Широко розгалужена мережа залізничних магістралей нашої країни (понад 62 тис. км) з розвинутим парком рухомого складу є, нарівні з автомобільними, водяними транспортними артеріями, основою найбільш вигідних так званих крітських коридорів, що називаються у міждержавних документах "Інтеграторами України в Європу". На конференції, яка проходила на острові Кріт під егідою Європейського співтовариства, було визнано, що із дев'яти транспортних коридорів чотири, що зв'язують Західну Європу з Центральною та Східною, напряму зачіпають економічні інтереси України.

У зв'язку з цим транзит вантажів транспортними коридорами на території України може стати одним із важливих джерел валютних надходжень до бюджету країни.

Як відомо, Україна є одним із ведучих експортерів цільнокатаних коліс для вагонів та локомотивних бандажів рухомих складів у ряд країн Європи, Азії та Сходу, що також обумовлює необхідність постійного підвищення конкурентоздатності експортованої металопродукції.

Швидкість пасажирського транспорту, що постійно зростає, та навантаження на вісь колісної пари товарних поїздів, високі вимоги до безпеки рухомих складів, надійності та стійкості коліс при транспортуванні спеціальних видів вантажів (вихідне і відпрацьоване атомне енергетичне паливо, об'єкти оборонного значення тощо) диктують необхідність підвищення комплексу фізико-механічних властивостей колісної сталі та експлуатаційних характеристик цільнокатаних коліс.

Проблема підвищення якості цільнокатаних коліс у широкій постановці може бути розв'язана комплексно у взаємозв'язку шляхом удосконалення діючих технологій виплавки і розливки сталі та наукового пошуку більш придатних режимів пресопрокатки заготовок, протифлокенної обробки та оптимізації параметрів термічної обробки (нагрів під загартування, прискорене охолодження та низькотемпературний відпуск). Однак цілком очевидно, що якість кінцевої продукції у цій складній технологічній схемі виробництва коліс багато в чому визначається первісно властивістю сталі, впливом ряду металургійних факторів на стадії виплавки металу у печі, позапічної обробки та розливки.

Викладений підхід до розв'язання проблемного комплексного завдання підвищення якості колісної сталі визначив науковий напрямок теоретичних та експериментальних досліджень, проведення великомасштабних дослідно-промислових робіт у складних умовах сталеплавильного виробництва, що, у кінцевому підсумку, забезпечило одержання великого експериментального науково обґрунтованого матеріалу високого ступеню достовірності і відтворюваності результатів, узагальнених у цій дисертаційній роботі.

Актуальність постановки і виконання роботи підтверджуються тим, що теоретичні розробки і одержані практичні результати реалізовані відповідно до виконання постанов Ради Міністрів СРСР, Міністерства чорної металургії СРСР (розпорядження № СК 10083/13 від 13.08.84), Державної науково-технічної програми "Розробка і впровадження ресурсозберігаючих технологічних схем переробки відходів електротермічного виробництва сталі, феросплавів, флюсів, абразивів та інших вторинних матеріалів" (проект Державного комітету по науці та технологіям України № 5-53.07/124-92), а також у рамках виконання науково-дослідних робіт за координаційними планами Мінпрому України, галузевих інститутів та тематичними планами Державної металургійної академії України.

Мета роботи: головна ідея роботи повною мірою кореспондує з її назвою і зводиться до науково обґрунтованої розробки і впровадження ефективної технології виробництва колісної сталі у різних сталеплавильних агрегатах (мартенівських та електродугових печах) з широким використанням сучасних методів позапічної обробки рідкої колісної сталі і способів рафінуючих електропереплавів.

Завдання, які необхідно розв'язати для досягнення поставленої мети.

Вивчення умов експлуатації залізничних коліс, факторів, що визначають їх надійність і довговічність, та визначення на цій основі вимог до якості сталі і властивостей цільнокатаних коліс.

Дослідження сучасного стану технології виробництва колісної сталі, вкладу металургійних факторів у показники якості металу та визначення принципово нових напрямків удосконалення діючих технологій виплавки, позапічної обробки та розливки сталі.

Термодинамічна оцінка поведінки кисню при окисленні вуглецю під час виплавки колісної сталі, процесів дефосфорації і розкислення металу різними матеріалами, десульфурації, виявлення факторів, що впливають на швидкість очищення сталі від нерозчинних у ній неметалічних включень.

Вибір раціонального складу розкислювачів, режимів розкислення, що забезпечують одержання колісної сталі і товарних коліс високої якості, а також поліпшення техніко-економічних показників.

Обґрунтування на базі теоретичного аналізу, літературних та експериментальних даних можливості модифікування колісної сталі з метою подрібнення первинної структури, зміни природи, ступеню дисперсності та морфології надлишкових фаз; промислове випробування і освоєння технології карбонітрідного зміцнення і модифікування колісної сталі халькогенідними елементами.

Встановлення принципової можливості впливу рафінуючих електропереплавів на підвищення якості металу і готових коліс за рахунок десульфурації сталі, зміни концентрації домішок кольорових металів і газів, кількості і складу неметалічних включень, а також перегріву як способу керування структуроутворенням.

Комплексні лабораторні дослідження і широкомасштабне промислове випробування доцільності використання методів спецелектрометалургії при виробництві коліс відповідального призначення.

Багатофакторний аналіз, дослідження і оптимізація технологічних параметрів виплавки і наступної комплексної позапічної обробки з метою глибокого рафінування металу від сірки, неметалічних включень і газів.

Наукова новизна одержаних результатів. Претендентом на здобуття ученого ступеня особисто запропоновані такі наукові рішення:

· виконані теоретичні та експериментальні дослідження поведінки кисню у киплячій сталеплавильній ванні, процесів розкислення і рафінування вуглецевої колісної сталі, що дозволило у дослідно-промислових умовах провести комплексні дослідження з виплавки колісної сталі у 100-тонних дугових печах з наступним вакуумуванням і продуванням інертним газом за різними технологічними схемами і варіантами виплавки та позапічної обробки, наступним виготовленням коліс і встановленням їх під високошвидкісні поїзди;

· проведені термодинамічний аналіз і фізико-хімічні дослідження процесів модифікування структури сталі і керування формуванням вторинних фаз з використанням сучасних досягнень металофізики; стосовно до колісної сталі показана принципова можливість підвищення якості металу шляхом карбонітрідного зміцнення і модифікування халькогенідами;

· на підставі комплексних лабораторних і напівпромислових досліджень розроблена, досліджена і освоєна раціональна технологія виробництва колісної сталі методом ЕШП, що забезпечила унікальне поєднання службових властивостей при одночасно високій пластичності та в'язкості металу; з використанням сучасних методів металофізики вперше показано, що висока однорідність і дисперсність колісної сталі ЕШП обумовлені не тільки направленим і прискореним тепловідводом, але і значним переохолодженням кристалізуючого розплаву внаслідок суттєвого перегріву рідкого металу;

· оптимізовані технологічні параметри позапічної обробки колісної сталі (пічківш і вакууматор), що дозволило значно підвищити якість сталі, стабілізувати механічні властивості і забезпечити вміст сірки до 0,004-0,006 %.

Практична цінність одержаних результатів. Результати теоретичних досліджень щодо підвищення якості вуглецевих сталей при використанні різних розкислювачів дозволили визначити умови утворення і зміни продуктів реакції розкислення, виявити фактори, що впливають на швидкість очищення сталі від нерозчинних у ній окислів та оксисульфідів, а також визначити зв'язок розкислення з процесом десульфурації та газонасиченістю рідкого металу, що має важливе практичне значен-ня для підвищення якості колісної сталі.

Розроблена і освоєна технологія виплавки колісної сталі у великован-тажних дугових електропечах з наступним вакуумним рафінуванням забезпечила залізничним колесам високий запас міцносних і пластичних властивостей: для металу коліс марки 1 тимчасовий опір розриву складає 940-1000 Н/мм ², марки 2-960-1070 Н/мм ². Пластичні властивості металу коліс виявилися у середньому у 1,5-1,8 рази вище, ніж серійного, а ударна в'язкість у області негативних температур вище у 1,5 рази. Експлуатаційні випробування коліс у рухомому складі швидких пасажирських поїздів підтвердили їх високу стійкість проти спрацювання і надійність.

Впровадження технології розкислення колісної сталі Si-Mg-Ti-вмісними лігатурами на Нижньодніпровському трубопрокатному заводі (НТЗ) дозволило збільшити вихід придатних коліс на 6,42 %, при цьому брак коліс за металургійними ознаками знизився на 0,71 %, а брак заготовок - на 2,21 %. Результати відбраківки заготовок і коліс в умовах Виксунського металургійного заводу (ВМЗ) показали, що загальна відбраківка по всьому переділу зменшилась на 17 %.

Розроблена технологія шлакового режиму з використанням матеріалів, що містять алюміній - продуктів переробки шлаків виробництва вторинного алюмінію - забезпечила значне зниження окислення металу і шлаку. Мікроструктура дослідного металу при цьому являє собою сорбітоподібний перліт з тонкою феритною сіткою, на більшості плавок досягнуто подрібнення зерна до 7-8 балів проти 6-7 балів у металі поточної виплавки. Впровадження розробленого шлакового режиму дозволило скоротити на 10 % витрати марганцевих та кременистих феросплавів і знизити собівартість колісної сталі.

Для коліс вантажних вагонів з навантаженням на вісь понад 25 т розроблена і впроваджена технологія виробництва сталі з карбонітридним зміцненням, в результаті чого були створені ТУ 14-15-281-92 "Колеса підвищеної міцності із сталі з карбонітридним зміцненням". Експлуатаційні випробування колісних пар у замкнутому маршруті у результаті річної експлуатації під наглядом Всеросійського науково-дослідного інституту залізничного транспорту (ВНДІЗТ) показали, що спрацювання гребеня -відповідального елементу колеса - нижче на 10 %, а середньомісячний прокат менше на 40-50 %, ніж у серійних; за весь час експлуатації не було випадків відчеплення вагонів з причини гострокінцевого накату на поверхні кочення коліс.

Проведені крупномасштабні дослідження щодо впливу рафінуючих електропереплавів колісної сталі різної виплавки забезпечили металу унікальне поєднання службових властивостей при одночасно високій пластичності і в'язкості, що дозволило рекомендувати колеса із металу ЕШП до експлуатації на спеціальних відповідальних ділянках залізниці (ТУ 14-15-185-88 "Колеса цільнокатані діаметром 950 мм із сталі електрошлакового переплаву"). Випробування коліс із металу ЕШП під платформами спеціального призначення, проведені за дорученням Міністерства середнього машинобудування (колишнього СРСР), показали їх високу надійність. Протягом гарантійного строку служби і у процесі подальшої експлуатації претензій і рекламацій від споживачів не надходило.

Оптимізація шлакового режиму при виплавці колісної сталі у мартенівських печах за рахунок використання графітовмісних порошків (0,8 кг/т) сприяло інтенсивному піненню шлаку у період кипу, доброму його сходу через поріг робочого вікна, температура металу при цьому підвищувалася утричі швидше, ніж при звичайній технології, вміст фосфору по завершенню періоду полірування знижувався до 0,010 %, а тривалість періоду доводки скоротилася на 0,5 години. Наводка рафінувального шлаку у ковші присадками матеріалів, що містять алюміній та вапно, як на випуску, так і під час обробки металу на установці піч-ківш, дозволила знизити вміст сірки до 0,004-0,006 %, а також загальну забрудненість неметалічними включеннями.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи були повідомлені (викладені) на 12 міжнародних, Всесоюзних і республіканських конференціях, зокрема:

· Всесоюзна науково-технічна конференція "Основні напрямки підвищення якості і службових властивостей металопродукції із чорних металів та її раціонального використання у народному господарстві з метою зниження металомісткості національного доходу". Москва. 1987р.;

· 1 Радянсько-Чехословацький симпозіум з теорії металургійних процесів. Москва, 1989р.;

· Х Всесоюзна конференція з фізико-хімічних основ металургійних процесів. Москва, 1991р.;

· 1 та У конгреси сталеплавильників у Москві в 1992р. та у Рибниці (Придністров'я) у 1998р.;

· науково-технічна конференція "Електросталеплавильне виробництво України: стан і перспективи розвитку позапічного рафінування і модифікування сталі". Дніпропетровськ, 1997р.

Публікації. Основні результати роботи викладені у двох монографіях, двох навчальних посібниках, одній брошурі, 35 статтях у наукових журналах і збірниках, 3 авторських свідоцтвах, а також є 26 статей, тез доповідей і виступів, які не увійшли до списку праць, що додаються.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, п'яти розділів та висновків, викладена на 338 сторінках, включаючи 45 таблиць, 87 рисунків, 4 додатки та список використаних літературних джерел 243 найменувань.

Автор висловлює щиру вдячність науковому консультанту академіку НАН України Медовару Б.І., завідуючому кафедрою електрометалургії ДМетАУ академіку НАН України Гасику М.І., а також проф., д.т.н. Єсаулову В.П., проф., д.т.н. Узлову І.Г., проф.. д.т.н. Школьнику Л.М., к.т.н. Староселецькому М.І., к.т.н. Мірошниченку Н.Г., співробітникам НТЗ, ВМЗ, ІЧМ НАН України ім. З.І. Некрасова, ІЕЗ ім Є.О. Патона НАН України, ВНДІЗТ, Імет РАН, своїм колегам-співробітникам кафедри електрометалургії ДМетАУ за підтримку і надану допомогу при проведенні досліджень, узагальнених у даній дисертації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Теоретичне обґрунтування, аналіз сучасного стану і промислової практики підвищення якості колісної сталі на стадії металургійного переділу.

Аналіз умов експлуатації залізничних коліс і факторів, що визначають їх надійність і довговічність, і, врешті-решт, безпеку руху поїздів, показав, що такі характеристики, як ударна в'язкість, пластичність, поріг холодноламкості, залежать, перш за все, від якості сталі: хімічного складу, вмісту газів, забрудненості неметалічними включеннями, термообробки, величини зерна і структурного стану.

Для виготовлення суцільнокатаних залізничних коліс застосовують, в основному, вуглецеву сталь. В Україні, як і в Росії, ця колісна сталь виробляється відповідно до ГОСТу 10791-89. Як обов'язковий додаток до нього, містяться вимоги технічних умов Міжнародної Спілки залізниць (UIC) та Міжнародної організації зі стандартизації (ISO). Відповідно до цих вимог використовується сталь з різним вмістом вуглецю. В узагальненому вигляді вимоги до якості колісної сталі залежно від вмісту вуглецю подані на рис. 1.

Вуглець - найбільш важливий і доступний елемент у сталі. Збільшення його вмісту у металі підвищує міцнісні властивості, але знижує пластичні, а також погіршує стійкість проти утворення теплових пошкоджень.

Дослідженнями, проведеними ІЧМ НАН України, ДМетАУ, ВНДІЗТ встановлено, що колісна сталь, яка виплавляється нині у мартенівських печах, є найбільш оптимальною за своїм складом як з точки зору економічного розуміння і забезпечення необхідних експлуатаційних характеристик, так і за умовами роботи "пари" колесо-рейка. У цьому зв'язку питання подальшого підвищення якості колісної сталі варто вирішувати з урахуванням принципово нових напрямків удосконалення діючих технологій виплавки, позапічної обробки та розливки сталі.

Рис. 1. Залежність тимчасового опору розриву від вмісту вуглецю у колісній сталі

На Нижньодніпровському трубо-прокатному заводі за участю ІЧМ НАН України та ДМетАУ у 1974 році була вироблена концепція реструктуризації наскрізної технології виробництва колісної сталі: електроплавка - поза-пічна обробка - безперервна розливка. У цьому зв'язку автором дисертації проведено ряд дослідницьких робіт з розробки раціональної технології виплавки колісної сталі в електропечах місткістю 5; 30 і 100 тон, її вакуумування на установках камерного і порціонного типу, розливки металу на машинах напівбезперервного лиття заготовок 405 мм та методом центробіжної відливки з одержанням зливків внутрішнім діаметром 140 мм та зовнішнім - 450 мм.

Спочатку в умовах Череповецького металургійного комбінату були проведені дослідні плавки за різними технологічними варіантами і наступним рафінуванням у вакуумкамері з метою одержання вихідних даних для проектування електросталеплавильного цеху на НТЗ. Згодом ця робота одержала подальший розвиток в аспекті забезпечення високошвидкісного рухомого складу надійними колесами, а також проробки технологічних схем, що забезпечують одержання коліс із сталі електропічної виплавки і наступним вакуумуванням, з урахуванням виходу на міжнародний ринок металопродукції з колесами із сталі високої якості. Технологія виплавки колісної сталі розроблялася в умовах заводу "Дніпроспецсталь" (ДСС) та Донецького металургійного заводу (ДМЗ). У завалку печі ДСП-30 (ДСС), поряд з чавуном, використовувався кокс (до 3 %). Після повного розплавлення шихти присаджували руду (0,42 кг/т) до пінення шлаку. Потім шлак скачували і наводили новий із вапна (0,4 т), плавикового шпату (0,01 т) та бою шамоту (0,020 т). Окислення ванни проводили рудою у кількості 2,15 кг/т, а також газоподібним киснем (5-7 нм³/хв). Швидкість окислення вуглецю складала 0,31-0,51 ^оС/г. Після закінчення окислювального періоду скачували частину окислювального шлаку, що залишився - розкисляли порошками коксу і феросиліцію.

Загальна тривалість окислювального періоду складала у середньому 50 хв. Метал із печі випускали при досягненні температури 1610-1620^оС. Остаточне розкислення сталі проводили у ковші алюмінієм (0,3 кг/т) або силікокальцієм (1,3 кг/т). Вакуумування металу здійснювали у ковші при залишковому тиску у вакуум-камері 1064-1330 Па, а продувку аргоном - при тиску 210⁵ Па протягом 10-12 хв. Дослідження газонасиченості проб металу, відібраних із дисків коліс, показало, що залишкові концентрації кисню складають 0,0035-0,0052 %, а азоту - 0,010-0,012 %.

При виплавці сталі в печі ДСП 100ІЗА (ДМЗ) у завалку використовували стальний вуглецевий брухт (85-90 %) і чавун (10-15 %) з розрахунком отримання після розплавлення вмісту вуглецю 0,85-1,30 %. Маса шихти на плавку складала 117-121 т, плавку проводили двошлаковим процесом. Остаточне розкислення, як і при мартенівському процесі, проводили у ковші силікокальцієм СК-15 (1,5 кг/т). На двох плавках у дослідному порядку остаточне розкислення у ковші не проводилося, а метал розкислювався у ході вакуумування алюмінієм (0,3 кг/т). Дослідження газонасиченості показало, що видалення водню у процесі вакуумування складало від 19 % до 67 %, і його вміст дорівнював 3,0-3,2 см ³/100 г, концентрація азоту вище у порівнянні з мартенівським металом і склала у середньому 0,0073 % проти 0,0058 %, вміст кисню до вакуумування був 0,0081-0,185 %, після вакуумування розкисленого силікокальцієм металу - 0,0073-0,0119 %, а найнижчий - у металі, розкисленому алюмінієм - 0,0057 %. Визначення механічних властивостей показало, що усі колеса з великим запасом задовольняють вимогам ГОСТ 10791-81 і UIC 812-3. Ці результати мали винятково важливе значення, так як проектом багатьох зарубіжних контрактів передбачалося використання коліс тільки із вакуумованого металу.

Реалізуючи концепцію реструктурізації технології виробництва колісної сталі, проведені дослідження щодо впливу напівбезперервної розливки на якість металу електропічної виплавки і властивості залізничних коліс. Під час розливки на МПНЛЗ (ДСС) використали два струмки з діаметром кристалізатора 405 мм, швидкість витягання зливку в робочому режимі складала 0,25 м/хв. Готові зливки мали гладку, без загинів кірки, поверхню. Для зняття внутрішніх напруг, що викликають розтріскання металу, зливки піддавалися відпалу при температурі 820-840^оС протягом 5 годин. Якість металу коліс 905 мм відповідала вимогам стандарту і характеризувалась відсутністю флокенів, незначною забрудненістю включеннями, переважно дрібним (до 8-10 балів) природним зерном. Пластичні властивості металу у 1,4-1,5 рази, а ударна в'язкість при 20 - 40^оС у 1,4-3,2 рази вищі, ніж у металу коліс поточного виробництва і розлитого по виливницях у зливки масою 4,2 т.

Як альтернативний варіант вивчено вплив параметрів центробіжної відливки колісних заготівок на якість металу залізничних коліс. Виплавку сталі проводили в умовах сталеливарного цеху Нікопольського південно-трубного заводу (ПТЗ) в основних печах ДСП-5 з остаточним розкисленням металу у ковші силікокальцієм або алюмінієм, а розливали на центробіжній машині С-2 горизонтального типу в кокіль діаметром 475 мм та довжиною 4260 мм, футерований піском. Засипку кокілю піском проводили при швидкості обертання 400 об/хв. протягом 1,5 хв., а заливку металу - протягом 1,0 хв. при 600 об/хв. з переходом на швидкість обертання 850 об/хв. за 0,3 хв. і видержці при цій швидкості обертання 1,7 хв. Одержані зливки (довжина 4000 мм, зовнішній діаметр 450 мм, внутрішній діаметр 140 мм) піддавали відпалу за таким режимом: нагрівання до температури 820 ^оС, видержка 3,5 г, охолодження з піччю зі швидкістю 45 ^оС/г. Після охолодження поверхню зливків піддавали обдирці.

На відміну від структури металу звичайних зливків у центробіжних відливках спостерігається сильне подрібнення дендрітної структури. Пресопрокатка порожнистих заготовок пройшла без порушень прийнятої у цеху технології, що забезпечило одержання задовільного рівня механічних властивостей і структури металу.

Ужорсточення умов експлуатації цільнокатаних коліс, підвищення вимог експортних контрактів обумовлює необхідність прискорення нових наукових розробок з метою визначення основних напрямків щодо вибору раціональних технологій виробництва колісної сталі. Тому поліпшення фізико-механічних характеристик колісної сталі обумовило вибір таких металургійних способів впливу на структуру металу, при яких підвищення в'язкості (пластичності) супроводжувалося б мінімальним зниженням міцнісних характеристик. Для вивчення фізичної природи вказаного взаємозв'язку і вибору на цій основі раціональних металургійних заходів (виплавка і розливка, мікролегування) проаналізовані основні напрямки підвищення міцності колісної сталі, яке за Гольдштейном М.І. може бути реалізоване шляхом твердорозчинного (_т.р.), дислокаційного (_д),. дисперсійного (^пф_д.у.) чи зернограничного (_з.с.) зміцнення:

_т.р. = К_iC_i (1); ^ф_д= М_оGв^-1/2(2);

^п_д.у. = 2,4 П (3);

^ф_д.у. = 0,84 М_о Gв/2 К_дln(/2в) (4);

₃ = К_уd^-1/2(5);

_с = K_С l^-m(6),

де: G - модуль зсуву (для заліза G = 84000 Н/мм²); К_і - коефіцієнт зміцнення - Fe і-м легуючим елементом; С_і - концентрація і-го елементу у - Fe; M_o - орієнтаційний множник (для - Fe M_o = 2,75); в - вектор Бюргерса (в = 0,25 нм); - відстань між частками; К_д - коеф., що визначає тип дислокацій (К_д = 1,25); П - процент перлиту у структурі; - коеф. ( М_о = 0,5); - щільність дислокацій; К_у = 20 Н/мм^3/2; d - розмір зерна; К_с = 0,13 Н/мм при m = 1; 1 - розмір субзерна. Ступінь розвитку того чи іншого механізму залежить від фізичної природи застосовуваних металургійних заходів, а сума вкладу кожного механізму зміцнення визначає у загальному випадку межу текучості зміцненої ферито-перлітної сталі:

_т = _о + _тр + _д + _ду + ₃, (7)

де: _о - вихідна міцність монокристалу заліза (_о = 210^-4G).

На підставі проведеного аналізу теоретичних передумов, літературних, експериментальних даних і результатів власних досліджень можна зробити висновок, що подальше комплексне підвищення механічних характеристик вуглецевої феріто-перлітної сталі за рахунок легування, структуроутворення, пресопрокатки і термообробки досягається в результаті зміни структури сталі: типу, кількості, розміру фаз; щільності, характеру і розподілу дефектів кристалічної будови; дисперсності структурних складових; розміру зерна тощо.

Теоретичні та експериментальні дослідження поведінки кисню у киплячій ванні мартенівських і електродугових печей і процесів розкислення вуглецевої колісної сталі.

По ходу окислювального періоду вміст вуглецю знижується у середньому від 1,2 % до 0,45 %. У процесі його окислення відносна переокис-ленність (термін за А.М. Левіним) тобто m_ф = [ %C] [ %O] також зменшується: m_ф = 0,00301 + 0,00503 [ %C]. Стосовно до виробництва колісної сталі, вона повинна визначатися конкретними умовами і параметрами окислення вуглецю.

З метою одержання зв'язку V_c = f() для конкретних умов виплавки колісної сталі статистичній обробці (40 плавок) були піддані результати аналізу зміни вмісту вуглецю при окисленні його у мартенівській печі місткістю 250 т під час окислювального періоду, тобто у функції часу. Активний кип (45-75 хв) закінчували шляхом припинення дачі руди і зварювального шлаку, чистий кип тривав до 45 хв. протягом якого іноді присаджувався невеликими порціями (до 0,5 %) від ваги садки окислювач. Таким чином, тривалість окислювального періоду склала 100-120 хв. Кількісний зв'язок [ %C]= f() можна описати виразом:

[%C]= 0,392 + 0,906 e^0,0172. (8)

Диференціючи цей вираз, одержана залежність швидкості окислення вуглецю V_c від часу. Спільне розв'язання рівнянь 8 і 9 дозволило знайти залежність V_c = [ %C], яка має вигляд для колісної сталі:

V_c = 0,017 [ %C]- 0,0066. (10)

Аналіз виразу (10) показує, що швидкість окислення вуглецю, який міститься у ванні мартенівської печі в інтервалі 1,2-0,32 %, в міру зниження вуглецю зменшується, однак темп зниження V_c незначний. Термодинамічна оцінка поведінки кисню при окисленні вуглецю у процесі виплавки колісної сталі показала, що абсолютна переокисленність киплячої ванни стосовно до виробництва колісної сталі повинна визначатися конкретними умовами окислення вуглецю, при цьому для кожного процесу одержання сталі варто визначати необхідний вміст вуглецю у сталеплавильній ванні і побічно, фактичну концентрацію кисню у металі. При прийнятих параметрах плавки можна прогнозувати кінцевий вміст вуглецю (кисню) у сталі. Вміст кисню у киплячій мартенівській ванні колісної сталі, за даними аналізу на ексхалографі "Бальцерс", складає після розплавлення при (1,12-1,40 %С) - (11,0-28,4)10^-3 %, перед розкисленням ([%С]= 0,55-0,60) близько 14,010^-3 %, після розкислення на випуску - 9-1810^-3 %.

Для порівняння відмітимо, що при виплавці сталі в електропечах концентрація кисню у ній перед випуском рівнялася (3,7-7,0)10^-3 %. У зв'язку з цим, технологія розкислення сталі у ковші повинна передбачати застосування певних видів розкислювачів і питоме їх витрачання з урахуванням ряду інших загальновідомих технологічних прийомів.

Рис. 2. Зміна швидкості окислення вуглецю і його вміст під час окислювального періоду при виплавці колісної сталі у мартенівській печі

Одним із ефективних способів зниження окисленності шлаку і металу при мартенівському процесі є застосування різних матеріалів, що містять алюміній. Встановлено, що застосування шлаку виробництва вторинного алюмінію (65-70 % Al₂O₃; 2-4 % SiO₂; 2,8-3,2 % СаО; 4,2-6,7 % FeO; 15-20 % Al_мет) приводить до зниження окисленності металу і шлаку на 50 %, що дозволило при наступному розкисленні металу знизити витрати марганцевих та кремністих феросплавів.

Вміст кремнію у колісній сталі складає 0,40-0,60 % (марка 1) та 0,22-0,45 % (марка 2). Для визначення рівноважної концентрації кисню у залізі залежно від вмісту кремнію у металі можна скористатися виразом Р. Іванова.

Приймаючи вміст кремнію у колісній сталі рівним 0,30 %, знаходимо рівноважну концентрацію кисню при 1600^оС, яка складає 0,009 %, що задовільно узгоджується з фактичними даними. Однак розрахунки рівноважних вмістів кисню у системі Fe-Si-O з використанням різних даних показують суттєву їх відмінність (рис. 3).

Причиною цього розходження є недостатність інформації як про активність компонентів, розчинених у металічних розплавах, так і про термодинамічні характеристики реакцій утворення продуктів розкислення.

Разом з тим, як видно із рис. 3, фактичний вміст кремнію у колісній сталі перебуває у сприятливому інтервалі концентрацій.

У колісній сталі міститься 0,80-1,20 % (марка 1) та 0,50-0,90 % (марка 2) марганцю. Використовуючи останні дані про залежність параметру взаємодії е^Mn_O від температури, можна з цілковитою точністю розрахувати концентрацію кисню залежно від вмісту марганцю у залізі практично при будь-якій температурі.

Рис. 3. Ізотерми вмісту кисню у системі Fe-Si-O за даними Нікітіна Б.М. (1) та Куликова С.І. (2)

Як правило, перед присадкою феромарганцю у ванні колісної сталі міститься 0,011-0,018 % [O]. Тому ввожуваний феромарганець витрачається на легування та часткове розкислення шлаку. При-садка марганцю прискорює також десульфурацію сталі, що має важливе значення при мікролегуванні колісної сталі у ковші.

При відпрацюванні технології виплавки колісної сталі в електропечах з подальшим вакуумуванням встановлено, що застосування алюмінію дозволяє ефективно не тільки розкислювати метал, але і подрібнювати структуру. Тому, з 1989 року обмеження щодо його застосування були зняті. Термодинамічні розрахунки з розчинності кисню у рідкому залізі показують, що його концентрація (0,0004-0,0006 %) відповідає оптимальному вмісту алюмінію 0,020-0,060 %. Незважаючи на одержані достовірні значення параметрів взаємодії для реакції розкислення заліза алюмінієм у рівноважних умовах, фактичний вміст кисню у сталі виявляється вище рівноважних. Із залежності концентрації кисню від вмісту алюмінію:

lg [ %O]= lgK - 2/3 [ %Al]- е_О^Al [ %Al], (12)

знайдено розрахунковий вміст кисню у залізі при 0,025 % Al рівним 13,610^-10 %. Дослідний колісний метал при вказаному вмісті алюмінію містив 35,010^-4 % кисню.

Дослідженнями проведеними на кафедрі електрометалургії встановлено, що вплив магнію, як і кальцію, проявляється у зміні морфології окисних та сульфідних включень. З метою вибору варіанту розкислення колісної сталі лігатурами, що містять магній, у лабораторних умовах (індукційна піч ICT-0,06) були проведені плавки методом переплаву колісної сталі під шлаком з наступною розливкою металу у чавунні виливниці з прибутковими надставками для одержання зливків масою 10 кг. По ходу розливки у виливниці давалась лігатура ФСМг з алюмінієм (55 % Si; 6,7 % Mg; 5,9 % Al) та цирконієм (55 % Si; 7,2 % Mg;1,7 % Zr). Зливки піддавалися деформації з дотриманням режимів обтиску, яких зазнає колісна заготовка при пресопрокатці. Неметалічні включення вивчалися з допомогою растрового електронного мікроскопу з енергодисперсним спектрометром. У складі оксидних включень в металі, розкисленого лігатурою Mg-Zr, були наявні оксиди Mg, Zr, Si, крім цього спостерігалися відокремлені карбіди цирконію розміром (1-2 мкм). Найбільш сприятливі включення були у сталі, розкисленій лігатурою ФСМг, що містить алюміній. Продукти розкислення мали вигляд окремо розташованих глобулів. У їх складі оксиди магнію, титану і алюмінію. Зміна фазового складу включень обумовила підвищення механічних властивостей металу. Промислове освоєння розробленої технології здійснювали у мартенівських печах НТЗ. На всіх плавках метал першого ковша розкисляли за діючою технологією, а другого - з використанням лігатури, що містить магній, у кількості від 200 кг (на 130 т ківш) до 800 кг (з повною заміною феросиліцію і лігатури СКТіА). Метал продували аргоном по ходу випуску через пористу вставку у днищі ковша. Вміст азоту і водню на дослідному та порівняльному металі знаходився практично на одному рівні. Разом з тим, застосування лігатури дозволило знизити вміст кисню на 23 %. Залежно від варіанту розкислення брак заготовок складав не більше 3,57 %, а за діючою технологією до 14,88 %. Забрудненість дослідного металу оксидними включеннями у середньому на 0,5 бали менше, ніж у металу, розкисленого за базовою технологією. Важливою розпізнавальною особливістю оксидних включень є більш округла форма, менша деформівність при прокатці, що сприятливо позначилося на механічних та експлуатаційних характеристиках. При використанні тільки лігатури для розкислення, метал мав більш високі показники тимчасового опору розриву 1030 Н/мм ² (проти 990 Н/мм²), значення пластичних властивостей ( та ) зросли на 7,5 % відн. Освоєння технології розкислення колісної сталі лігатурою ФСМг з цирконієм в умовах Виксунського металургійного заводу також підтвердило її високу ефективність. Річний економічний ефект від впровадження технологічних заходів по удосконаленню режимів розкислення колісної сталі в умовах НТЗ склав 386 тис. у.г.о., а ВМЗ - 412 тис. у.г.о.

Термодинамічний аналіз та експериментальні дослідження процесів модифікування структури і управління формуванням вторинних фаз.

Дослідження термодинамічних процесів взаємодії азоту з нітрідо-утворюючими елементами при використанні сучасних даних про значення параметрів взаємодії дозволило визначити, що розчинність азоту у колісній сталі складає 0,0364 %. З використанням теорії квазірегулярних розчинів розрахована температура утворення нітридів алюмінію у колісній сталі, яка дорівнює 1377 ^оС.

Плавки проводили у мартенівських печах НТЗ з випуском металу у дослідний та порівняльний ковші. Як азотвмісні матеріали використовували стандартні азотовані електротермічний марганець (89,4 % Mn; 7,3 % N₂; 0,14 % С; 1,2 % Si; 0,06 % Р) марки МрН - 6Б (ТУ 14-5-59-80) і ферованадій (40,4 % V; 3,0 % N₂; 3,8 % Mn) марки ВдН 2Мн-6 (ТУ 14-5-122-80), нітрідоутворюючими елементами служили: вторинний алюміній, ванадій (ФМнВн-1), РЗМ вводжувані лигатурою СЦМіш-1, що містить 34 % РЗМ; 42,5 % Si; 4,7 % Al (ТУ 14-5-136-81) і феротитан (ГОСТ 4761-80).У всіх випадках сплави, що містять азот, вводили у ківш при випуску плавки в один прийом після присадки нітрідоутворюючих матеріалів. Результати визначення вмісту азоту показали, що його залишкові концентрації у 2-3 рази вищі, ніж у порівняльному, а його засвоєння у середньому склало 38,5 %; вміст РЗМ коливався у межах 0,127-0,0145 %, алюмінію 0,009-0,010 %, ванадію 0,09-0,13 %. Оцінка величини природного зерна проводилась за ГОСТом 5939-82. Встановлено, що у порівняльному металі величина природного зерна складає від 4,0 до 6,0 балів, з нітрідами РЗМ - 7,0-8,0 балів, а з нітрідами алюмінію і ванадію - 8,0-9,0 балів. Формування аустенітного зерна у процесі нагріву спостерігали з допомогою високотемпературного мікроскопу. У сталях з нітридоутворюючими елементами при переході через критичну точку Ас ₃ у структурі сталі є відповідні нітриди, що приводить до утворення більш дрібного зерна аустеніту, ніж у сталі, яка не містить спеціальних нітридних фаз. Неметалічні включення, вивчені на рентгеноспектральному мікроаналізаторі, крім нітридів Al, V, Ti та РЗМ, подані включеннями ідентичних типів: сульфідами MnS, оксидами Al₂O₃ та більш складного складу MnO-SiO₂-CaO-Al₂O₃ причому їх величина не перевищувала 2,5 бали. Аналіз даних механічних властивостей коліс показав, що найбільш високі значення міцності (1000-1040 Н/мм ²) у поєднанні із значним запасом пластичних властивостей ( = 10-16,5 %; - 15,5-35,0 %) та стабільними значеннями ударної в'язкості (у середньому 39 Дж/см²) володів метал з нітридами ванадію, а використання алюмінію, як розкислювача і нітридоутворюючого елементу, дозволило одержати найвищі значення (до 63 Дж/см²). Експлуатаційні випробування на замкнутому маршруті при навантаженні на вісь 25 т підтвердили високу ефективність нітридного зміцнення.

Як модифікуючі добавки у сталь, поряд з тими, що традиційно використовуються, застосовуються селен і телур. Одночасно з регламентацією морфології і властивостей фази, що містить сірку, модифікуванням сталі халькогенідами можна також активно впливати на структуроутворення металу. Утворення включень у прямому наближенні можна описати такими реакціями:

х [Mn]+ (1+x)Fe+y [S]+(1-y) [Se]=Mn_xFe_1-yS_ySe_1-y, (14)

x [Mn]+(1-x¹)Fe+y¹ [S]+(1-y¹) [Te]=Mn_x¹Fe _1-x¹S_y¹Te_1-y¹. (15)

Модифікуючий вплив Se i Te на морфологію включень, що містять сірку, обумовлений тим, що у металі вилучається можливість утворення включень П типу і зміною деформівності фази, що містить сірку. В результаті металографічного аналізу морфології включень одержана залежність зміни деформівності цих включень (відношення довжини включень до ширини) від співвідношення у металі вмісту селену до сірки (n_Se) або телуру до сірки (n_Te), подані на рис. 4. Із наведених даних виходить, що найбільш сприятлива форма включень забезпечується при n_Se = 0,4-0,8 або n_Te = 0,05-0,15.

Рис. 4. Зміна деформівності включень, що містять сірку, залежно від співвідношення у металі вмісту селену (n_Se) або телуру (n_Te) до сірки

Подрібнюючий ефект модифікаторів у більшості випадків проявляється через підвищення переохолодження сталі при її кристалізації. Особливості структуроутворення металу, модифікованого селеном та телуром, дослідили методом ДТА при швидкості охолодження (від 1600^оС) 40^оС/хв. При охолодженні як порівняльного, так і дослідного металу утворюються три екзотермічні екстремуми, що фіксують початок випадіння первинних кристалів (р ), перитектичне перетворення ( + р + р) і евтектоїдний розпад ( + Fe₃C). При цьому вплив Se i Te проявляється в основному у підвищенні величин переохолодження (t, ^oC) при фазових перетвореннях (табл.1).

У результаті підвищення переохолодження при фазових перетвореннях модифікування колісної сталі Se або Te обумовило суттєве подрібнення структури колісного металу. Вплив цих модифікаторів на структуру колісної сталі проявляється у певному оптимальному інтервалі концентрацій цих елементів рівних 0,008-0,024 % Se та 0,005-0,030 % Те.

Промислове освоєння технології модифікування колісної сталі селеном і телуром проводили в умовах Нижньодніпровського трубопрокатного заводу у 250-тонних печах за описаною раніше технологією. Модифікатори присаджували у вигляді фероселену (Fe + 30 % Se) і феротелуру (Fe + 30 % Te).

Таблиця 1. Вплив модифікування колісної сталі халькогенидами на величину переохолодження при фазових перетвореннях

Метал	Величина переохолодження, °С
	tр	t+р+р	tFe3C+
Вихідний	6-8	43-45	80-82
Модифікований Se	10-12	80-85	85-86
Модифікований Те	14-18	100-103	80-90

Дослідження макро-, мікро- і тонної структури порівняльного і дослідного металу показали, що Se i Te активно впливають на вказані параметри колісної сталі. Метал, модифікований Se i Te, мав більш щільну макроструктуру і рівномірний розподіл лікватів. Розміри зерна серійного металу відповідали 6-7 балу, а модифікованого селеном - 7-8 балу, телуром - 8-9 балу.

Особливий інтерес становить вплив селену і телуру на товщу цементитних пластинок t_c у перліті, яка багато в чому визначає холодноламкість перлітної сталі. Як показали електронно-мікроскопічні дослідження, величина t_c зменшилася з 80-90 мкм до 40-60 мкм, тобто, значення t_c у дослідному металі було удвічі нижче, ніж у серійному (рис. 5).

Модифікування сприяло підвищенню ударної в'язкості сталі на 15-20 % при +20^оС і у 2-4 рази при температурах 0 - мінус 60 ^оС.

Структуру вихідної і модифікованої сталі селеном (0,005 %) та телуром (0,005 %) вивчали рентгенодифракційним методом. Застосування модифікування переважно впливає в цілому на мікроугруповування рідкої сталі, що характеризується розмірами порядку кількох нанометрів і містить близько тисячі атомів. Для цієї сталі, приблизно на 7 %, зменшуються розміри мікроугруповань і спостерігається до 20 % зниження кількості атомів у цих ділянках. Можна передбачити, що зменшення розмірів мікроугруповань для сталі з халькогенідами у порівнянні з вихідною, привело до підвищення дисперсності зливку, який закристалізувався.

Рис. 5. Структура вихідного (а), модифікованого Se (б) та Те (в) колісного металу, х 27000

Розробка і впровадження високоефективної технології виробництва колісної сталі з використанням процесів спецелектрометалургії.

Розвиток усіх галузей нової техніки поставив перед металургами завдання одержання сталей і сплавів з небаченим раніше поєднанням службових властивостей, наприклад, значної міцності при одночасно високій пластичності та в'язкості. Такі властивості має метал рафінуючих електропереплавів, при яких вдається одержати гарантовану чистоту металопродукції за вмістом неметалічних включень і газів, а також хімічну і фізичну однорідність відливок, що, в кінцевому підсумку, визначає пластичні і міцнісні властивості готових виробів.

Спочатку переплавами ЕШП та ВДП переслідувалася, перш за все, науково-методична мета з'ясування граничної можливості підвищення якості колісної сталі рафінуючими переплавами. Електрошлаковий переплав мартенівської сталі проводили на установці ОКБ-1065 (три плавки). В обох випадках використовували стандартний флюс АНФ-6 складу(мас. %): СаF₂ 65; Al₂O₃ 30; CaO 35; SiO₂ 0,40; MnO 0,64; Fe₂O₃ 0,46. Вакуумно-дуговий переплав колісного металу електродугової та мартенівської виплавок проводили на установці ДСВ-6,3 Г 6 у кристалізатор діаметром 500 мм, при цьому робочий тиск у плавильному просторі не перевищував 1,3310^-3 ГПа. Металографічними дослідженнями встановлено, що метал ЕШП порівняно з вихідним мав значно менше неметалічних включень, вони дрібнодисперсні і рівномірно розташовані по перерізу зливка. У металі ВДП менше домішок кольорових металів, так наприклад, концентрація миш'яку і міді у металі вихідної мартенівської виплавки знизилась на 50 та 57 % відповідно.

Результати механічних випробувань показують, що метал ЕШП, порівняно із звичайним, має удвічі більше значення ударної в'язкості як при позитивних, так і при негативних температурах. У металі ВДП, що має у своєму складі сульфідів удвічі більше, ніж у металі ЕШП, при 20^оС ця величина має 40 Дж/см² порівняно з 52 Дж/см² для металу ЕШП, однак у області - 60^оС досягає 22 Дж/см².

Одержані результати послужили передумовою для подальшого відроблення раціональних технологічних параметрів рафінуючих електропереплавів, зокрема ЕШП, стосовно до проблеми підвищення надійності і якості залізничних коліс. Як уже відзначалося, розв'язання завдання зниження ступеню розвитку дендрітної ліквації і подрібнення структури вуглецевої сталі пов'язане із підвищенням швидкості кристалізації, яка при інших рівних умовах визначається переохолодженням розплаву. Підвищенню переохолодження при кристалізації сприяє перегрів рідкого металу вище температури ліквідус, що має місце при переплавних процесах. У цьому аспекті і проводили дослідження з використанням диференційно-термічного аналізу (ДТА). Випробування проводили на установці ВДТА-8 в атмосфері очищеного гелію. Зразки масою 1 г (однієї й тієї ж плавки) нагрівали в алундових тиглях до температури 1550-1750^оС, витримували протягом 45 хв., а потім охолоджували зі швидкістю 40^оС/хв. У процесі нагріву і охолодження записували криві ДТА, після чого досліджували структуру металу.

Рис. 6. Зміна переохолодження при фазових перетвореннях колісної сталі залежно від температури витримки розплаву

Аналіз результатів ДТА (рис. 6) показав, що із зростанням температури витримки розплаву (t_p), тобто перегріву, випадіння первинних кристалів і перитектичне перетворення проходить при високих ступенях переохолодження. Варто особливо відзначити стрибкоподібний характер вказаного взаємозв'язку. Так, при t_p = 1550...1575 ^оС значення t_р підвищується усього на 10 ^оС, а при 1575-1600 ^оС переохолодження стрибкоподібно зростає на 20^оС. Аналогічний характер має також залежність:

t_{р р+} = f(t_p).

Дослідження структури зразків після ДТА показало, що з підвищенням t_p збільшується дисперсність дендрітної структури і понижується ступінь хімічної неоднородності металу, що обумовлено не тільки направленим і прискореним тепловідводом, але і значним переохолодженням розплаву, що кристалізуються, внаслідок суттєвого перегріву. Цей фактор раніше не завжди враховувався і не використовувався повністю резерв ЕШП у аспекті управління структурними параметрами зливків, що кристалізується.

З метою вибору раціонального технологічного варіанту ЕШП колісної сталі в лабораторних умовах на установці А-550 були досліджені:

· розкислення металу і шлаку у процесі ЕШП силікокальцієм та комплексною лігатурою ЖКМК-4Р(45-50 % Si; 9-12 % Са; 8-10 % Mg; 3-7 % РЗМ), з метою модифікування неметалічних включень;

· переплав витрачуваних електродів із захистом поверхні шлаку шаром сажистого вуглецю з метою створення градієнту окисленості по висоті шлакової ванни для видалення водню і підвищення продуктивності процесу;

· випробування для реалізації процесу ЕШП відпрацьованого флюсу марки АНФ-6, що забезпечує необхідний ступінь рафінування металу з метою підвищення економічності електрошлакової технології.

Якість металу вивчали у литому і кованому станах. Зливки кувалися ступінчасто зі ступенем уковування 2,8 та 4 з наступною вирізкою темплетів для механічних випробувань і металографічних досліджень. Результати комплексних досліджень дозволили зробити висновок, що ЕШП колісної сталі з модифікуванням її у процесі ЕШП лігатурою ЖКМК-48 (варіант 1), а також цим сплавом у комплексі з силікокальцієм (варіант 2) має найкращі показники і ця технологія рекомендована для промислового впровадження.

Промислові дослідження проводились на Новокраматорському машинобудівному заводі. Зливки із мартенівської сталі кувалися у ковальському цеху до діаметра 320 мм. Переплав проводили на установці ЕШП-10Г, що працює за схемою заповнення нерухомого кристалізатора. З метою захисту шлакової ванни від атмосферної вологи, зниження вигару легуючих елементів у плавильний простір подавався аргон марки А (ГОСТ 10157-73) у кількості 3 м ³/год. Після порізки зливків на заготовки в умовах НТЗ були виготовлені колеса діаметром 950 мм. Вивчення макроструктури металу дослідних коліс показало, що вона має щільну будову без явно виражених структурних зон, величина природного зерна металу ЕШП, у середньому, на 2 бали менше поточного, при цьому міжпластинчата відстань у перліті дорівнює 0,17 мкм. За твердістю та міцністю дослідний метал значно перевершує порівняльний без зниження пластичних властивостей, ударна в'язкість при плюсовій температурі у 1,3-1,8 рази, а мінусовій у 2,2-2,8 рази вище, ніж у порівняльному.

Випробування зразків, вирізаних на глибині 10 мм від поверхні катання коліс на п'яти рівнях навантаження (по 1-5 зразків на рівень) показали, що дослідний метал, порівняно з серійним, має більший опір контактній втомленості (табл.2). У підвищенні довговічності металу ЕШП порівняно з поточним (при однакових значеннях твердості), велику роль відіграє щільність і однорідність структури. Дослідні колеса, які володіють унікальним поєднанням службових властивостей при одночасно високій пластичності і в'язкості, були прийняті Міністерством середнього машинобудування (колишнього СРСР), встановлені під платформи спеціального призначення та пройшли експериментальні випробування.

...