Сопостовительная оценка качества профиля вагонной стойки

Е.Н. Смирнов, В.В. Щербачёв

Постановка задачи

Современные условия движения железнодорожного транспорта, сопровождающиеся постоянным возрастанием скорости и тоннажа грузоперевозок, выдвигают повышенные требования к надежности и долговечности как рельсов и колес, так и конструктивных элементов непосредственно самих вагонов: Z-образных балок, угловых профилей, профиля вагонной стойки, обшивки бортов и т.д. [1]. При этом авторы работ видят основное условие увеличения эксплуатационной надежности металлопродукции для железнодорожного транспорта в применении современных металлургических технологий выплавки, внепечной обработки и разливки, в совокупности с производством их из низколегированных сталей [2]. В этом случае, в металлопрокате непосредственно после прокатки, реализованной с использованием специальных режимов, регламентирующих температурно-деформационные и скоростные параметры, уровень свойств будет соответствовать значениям в аналогичной продукции, но подвергшийся термическому упрочнению.

Анализ публикаций по теме исследования

ОАО “Нижнетагильский металлургический комбинат” (ОАО “НТМК”) является одним из наиболее крупных в России производителем металлопроката для железнодорожного транспорта: рельсов, колёс, бандажей, осевой заготовки, фасонных профилей для вагоностроения [3]. Период 2004-2008 годов на ОАО “НТМК” характеризовался стабилизацией объёма производства рельсового металла, как конвертерного способа производства (на уровне 270-320 тыс. тонн в год), так и мартеновского (на уровне 130-180 тыс. тонн в год). При этом примечательным является тот факт, что для железных дорог России осуществлялась преимущественная поставка металлопроката из непрерывнолитых заготовок (НЛЗ). В частности, доля поставки рельсов из НЛЗ на уровне 2008 года составила практиче-ски 100%. Рельсы из мартеновской стали поставляются, в основном, в страны СНГ. В работе [4] отмечаются значительные успехи тагильских металлургов в сталеплавильном производстве: переход на использование кислородно-конвертерной стали, внедрение ряда технологических мер по снижению загрязненности металла неметаллическими включениями, микролегирование стали ванадием и азотом и т.д. Всё вышеназванное позволило, в значительной мере, преодалеть отставание от мировых лидеров и стать ведущим игроком на рынке стран СНГ.

Выполненный анализ поставок крупносортного проката с ОАО “НТМК” в адрес украинских вагоностроительных заводов показал, что в большинстве случаев комбинат осуществляет поставку металлопроката категории прочности 345 из низколегированной стали 09Г2С. Все вышесказанное в полной мере относится и к профилю вагонной стойки, монопольным производителем которого является ОАО “Краматорский металлургический завод им. В. Куйбышева” (ОАО “КМЗ им. В. Куйбышева”). Однако поставки проката осуществляются только 325 категории прочности, что существенно снижает конкурентоспособность продукции и частичной потери рынка сбыта.

Решение задача, связанная с доведением качества профиля вагонной стойки (ВС) производства ОАО “КМЗ им. В.Куйбышева” до уровня аналогичной продукции, производимой на ОАО “НТМК”, потребовала решения двух подзадач, а именно:

• комплексной оценки качества профиля ВС производства ОАО “НТМК”;
• разработки новой интегрированной технологической схемы производства профиля ВС из непрерывнолитого металла в условиях ОАО “КМЗ им. В.Куйбышева” и последующей всесторонней оценки ее качества.

Формулировка целей статьи

Целью настоящей работы явилась сопоставительная оценка качества профиля вагонной стойки 345 категории прочности, производимого в условиях ОАО “НТМК” и ОАО “КМЗ им. В.Куйбышева”.

Основная часть

Комплексная оценка качества профиля ВС была выполнена по следующим параметрам:

• химический состав стали и механические свойства проката;
• загрязненность неметаллическими включениями;
• действительная структура;
• микротвёрдость феррита;
• дендритная структура.

Для проведения исследований были отобраны пробы от металлопроката:

• производства ОАО “НТМК”: прокат текущего производства, поставляемый в адрес ОАО “Крюковский вагоностроительный завод”;
• производства ОАО “КМЗ им. В.Куйбышева”: прокат опытно-промышленных партий, произведенный по интегрированной технологической схеме [5,6].

При этом технологическим регламентом на опытную прокатку, температура начала прокатки была ограничена интервалом значений 1125...1135^оС, а температура конца прокатки (перед чистовым проходом) колебалась в пределах от 1042^оС до 850^оС. Величина относительного обжатия в чистовом проходе составляла E_чист=10,2%.

Обобщенные результаты контрольного химического анализа стали и механических испытаний готового проката представлены в табл. 1.

Контрольный химический анализ образцов, вырезанных из раскатов, выполнялся фотоэлектрическим методом по ГОСТ 18895-95. Исключения составили углерод и сера, определение которых осуществлялось химическим методом по ГОСТ 25536.1-88.

Результаты контрольного химического анализа показали, что выбранные для исследования плавки имеют близкий химический состав. Выявленные различия носят незначительный характер и не могут повлиять на корректность выполненного сопоставительного анализа.

Анализ представленных в табл. 1 результатов механических испытаний показывает, что временное сопротивление разрыву , в образцах, прокатанных с различной температурой конца прокатки и практически одинаковой температурой начала прокатки (отклонения температуры начала прокатки не более 15^оС), колеблется незначительно - 470...485 Н/мм² . При этом, по сравнению с первоначальной величиной , которая была зафиксирована в передельной заготовке, итоговый прирост составил 30...55 Н/мм².

Предел текучести, являющийся структурно-зависимой характеристикой, отличается в больших пределах: 330 Н/мм² в образце №3-1 с температурой нагрева 1115^оС и температурой конца прокатки 1000^оС и 335 Н/мм² - в образцах № 4-2 и 5-1 с примерно одинаковой температурой нагрева 1130...1135^оС и более низкой по сравнению с другими образцами, температурой окончания прокатки - 900...850^оС соответственно. В сравнении с изначальным значением, абсолютный прирост величины составил, в свою очередь, от 30 до 55 Н/мм².

Разница в значениях пластических свойств, в частности, относительного удлинения не значительная. Оно меньше (32%) в образцах № 3-1 и 6-1, а выше в образцах проката 4-2 и 5-1. Наблюдающееся понижение, по сравнению с заготовкой, составило от 4 до 7%.

Анализ показателей ударной вязкости при температуре испытаний - 60^оС выявил, что наиболее высокое значение было получено в образце №2-1 - 220Дж/см². В остальных образцах она примерно одинаковая и составила 195...199 Дж/см². Приложенная деформация, в свою очередь, позволила поднять значение этого параметра почти в 1,8...2,95 раза по сравнению с исходным значением, которое было в металле заготовки. Следует также отметить, что выполненные испытания по определению ударной вязкости после механического старения, также показали крайне высокий уровень.

В целом, проведенный анализ результатов механических испытаний металла опытных партий позволяет сделать вывод о том, что реализация предложенных режимов процесса контролируемой прокатки (образцы № 4-2 и 5-1) позволяет достигнуть в профиле ВС комплекса служебных свойств, который свойственен продукции ведущего российского поставщика ОАО “НТМК”.

Результаты металлографический исследований металла, как опытных партий, так и продукции текущего производства в соответствии с вышеуказанной схемой представлены в табл. 2 и 3, а вид микроструктуры и неметаллических включений - на рис. 1 и 2.

Дополнительное изучение динамики распределения микротвердости является оправданным, поскольку в металле исследуемых образцов присутствует повышенное количество феррита – от 82,5 до 87,6%. В этом случае, свойства феррита (его микросостав, величина действительного зерна и твердость) в значительной степени будут определять механические свойства проката, а также величину его ударной вязкости. При этом следует особо подчеркнуть, что по микротвердости феррита можно в свою очередь также судить как о микронеоднородности металла, так и о его субструктуре, образовавшейся в горячедеформированном состоянии. В этой связи, в ходе исследований была измерена микротвердость феррита по толщине профиля (образца) от одной поверхности к другой. Измерения проводились на приборе ПМТ-3 в соответствии с ГОСТ 9450-76. Результаты выполненных замеров представлены в табл. 4.

Рисунок 1 – Вид сульфидных и силикатных включений в продольном сечении раската профиля вагонной стойки, сталь 09Г2С: а - х250; б - х500; в - х1000; г - х500; д - х1000; е - х1000

Риунок 2 – Микроструктура профиля вагонной стойки, сталь 09Г2С: а- х100; б-х500; в - х1000; г - х500; д - фрагмент рисунка г (при печати увеличено в 1,1 раза)

В целом, выполненные комплексные исследования по оценке влияния технологических параметров на уровень механических свойств в конечном прокате позволили рекомендовать для промышленного внедрения следующий режим прокатки профиля ВС из непрерывнолитого металла в рамках вновь созданной интегрированной технологической схемы:

• температура начала прокатки (после 1-го пропуска) - не более 1130^оС;
• температура конца прокатки (перед последним пропуском) – не более 850^оС;
• величина относительного обжатия в чистовом проходе дополнительно увеличивается до E^чис_кор = 21,7%, т.е. на 11,5%.

Таблица 4 - Результаты измерения микротвёрдости феррита в металле

Выполненные в дальнейшем промышленные прокатки профиля ВС категории 345 показали, что разработанные рекомендации способствуют формированию в готовом прокате микроструктуры с преобладанием ферритной составляющей с мелким действительным зерном феррита а также субструктуры, которая является благоприятной в части возрастания величины работы зарождения и развития трещины.

Таким образом, результаты выполненного комплексного исследования позволяют утверждать, что перевод производства профиля ВС на использование непрерывнолитого металла по скорректированному температурно-деформационному режиму позволил обеспечить более высокий уровень прочностных свойств и величины работы удара за счёт:

• внутри- и межплавочной стабилизации химического состава;
• минимальной зональной и дендритной ликвации;
• благоприятного распределения мелких неметаллических включений и отсутствия крупных экзогенных;
• фазового распределения нитридообразующих элементов, при котором в металле имеются выделившиеся при прокатке мелкодисперсные нитриды и карбонитриды, явившиеся, с одной стороны, барьерами для задержки прохождения полностью процесса динамической рекристаллизации (или для сохранения полигонов после динамической полигонизации), а с другой - зародышами новой фазы при фазовой перекристаллизации и, как следствие, отсутствием в твердом растворе несвязанного азота;
• температурно-деформационных условий прокатки способствующих как накоплению большой энергии деформации, так и совместно с мелкодисперсными нитридными и карбонитридными частицами, обеспечивающих образование устойчивой субструктуры.

Выводы и перспективы дальнейших исследований

Выполненный комплекс исследований показал, что реализованная технология производства профиля вагонной стойки из низколегированной непрерывнолитой стали 09Г2С категории прочности 345, на основе сквозной интегрированной технологической схемы. Дальнейшее развитие и совершенствование разработанной технологии является весьма перспективным направлением, позволяющим уже сегодня обеспечить вагоностроительную отрасль страны продукцией на уровне лучших производителей СНГ при одновременном снижении себестоимости, а также отказаться от закупок данного вида металлопроката по импорту.

Список литературы

1. Филиппов Г.А. Современные тенденции развития металлопродукции для железно-дорожного транспорта / Г.А. Филиппов, В.А. Синельников // Высокотехнологиче-ское оборудование для металлургической промышленности: сб. тр. всерос. науч.- техн. конф., Москва, 14 - 15 апреля 2004 г. - М.: ВНИИМЕТМАШ им. А. И. Целико-ва, 2004. - С. 307-315.
2. Дорофеев В.Ф. Производство новых прокатных профилей для ОАО. “Российские железные дороги” / В.Ф. Дорофеев, Е.Л. Кравченко, В.С. Марамзин и др. //Производство проката. - 2004. - №12. - С. 22-25.
3. Матвеев В.В. Состояние и перспективы развития рельсового производства на ОАО “НТМК” / В.В. Матвеев // Промышленный транспорт. ХХI век. - 2008. - № 4. - С. 25-27.
4. Рейхарт В.Л. Рельсы Нижнего Тагила / В.Л. Рейхарт, Б.О. Добужская, Г.Н. Галицын // Путь и путевое хозяйство. - 2008. - №5. - С. 6-8.
5. Состояние и перспективы развития технологических схем производства полосо-бульбовых профилей / А. Н. Лубенец, Е. Н. Смирнов, В. В. Щербачёв и др. // Четвёртый конгресс прокатчиков: сб. тр. конгресса прокатчиков, Магнитогорск, 16 - 19 октября 2001 г. - М.: Черметинформация, 2002. - (Производство горячекатаного листа и сортопрокатное производство). - Том 1. - 2002. - С. 320-325.
6. Смирнов Е. Н. Перспективы снижения энергозатрат при производстве проката из непрерывнолитой заготовки / Е. Н. Смирнов, М. В. Григорьев // Энергоэффективность крупного промышленного региона: сб. науч. тр. междунар. конф. - Донецк: ООО "Друк - Инфо", 2004. - С. 287-294.

Рецензент д.т.н., проф. А.Н. Смирнов

© Е.Н. Смирнов, В.В. Щербачёв