Рельсовая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке рельсовой стали для скоростных участков железнодорожных путей, эксплуатируемых при температуре до минус 60^oС. Предложена рельсовая сталь, содержащая компоненты в следующем отношении, мас.%: углерод 0,71 - 0,87; кремний 0,40 - 1,20; марганец 0,70 - 1,30; хром 0,10 - 1,20; ванадий 0,05 - 0,20; титан 0,01 - 0,05; алюминий 0,014 - 0,05; азот 0,007 - 0,020; кальций 0,02 - 0,04; лантан 0,001 - 0,005; неодим 0,001 - 0,005; церий 0,003 - 0,010; железо - остальное. Причем соотношение содержания алюминия к азоту составляет 2,0 - 2,5. Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости при отрицательных температурах до -60^oС, повышение твердости на поверхности катания головки рельса и износостойкости. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к химическому составу сталей, предназначенных преимущественно для изготовления железнодорожных рельсов широкой колеи типа Р65, эксплуатируемых на скоростных участках магистральных железнодорожных путей, в том числе в регионах с холодным (до-60^oС) климатом.

Одним из эффективных путей разрешения транспортных проблем, как показывает мировой опыт, является строительство высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ), так, например, пассажирские железнодорожные перевозки со скоростями движения поездов до 330-350 км/ч, получившие широкое применение в Западных странах (Франция, Германия, Италия и Япония), которые экономичнее по сравнению с автомобильным и воздушным транспортом в 5 и 10 раз соответственно.

В России введена в эксплуатацию ВСМ "Санкт-Петербург - Москва". В ближайшей перспективе строительство ВСМ будет интенсивно расширяться. Причем особенностью российских ВСМ является совмещение пассажирского и грузового движения, остающегося одним из главных способов грузоперевозок в нашей стране, в том числе в регионах Западной и Восточной Сибири.

Важной характеристикой рельсов для ВСМ является их прямолинейность (величина предельных неровностей на поверхности катания) в вертикальной плоскости, так как, чем она лучше, тем, соответственно, меньше динамическая нагрузка на рельсы при движении поездов, а следовательно, выше надежность и срок службы рельсов [1]. Минимизация величины дефектов по прямолинейности является также эффективным средством снижения шума при движении поездов.

Совмещение пассажирского и грузового движения на отечественных ВСМ, в том числе в регионах с холодным климатом, выдвигает дополнительные требования к рельсам для ВСМ. Они наряду с высокой прямолинейностью должны иметь повышенную износостойкость, определяемую в основном твердостью (прочностью) головки катания, и надежность, т.е. ударную вязкость при отрицательных климатических температурах (до -60^oС). Так, по данным ГУП ВНИИЖТ повышение твердости на поверхности катания головки рельсов с 300 до 400 НВ увеличивает их износостойкость в 1,5-2,0 раза.

Широко используются для изготовления железнодорожных рельсов широкой колеи типа Р65, в том числе для ВСМ, углеродистые марганцовистые стали (0,70-1,30% Mn) типа 76Г, раскисленные комплексными сплавами, содержащими Si, V, Ti, Al, Ca, Zr, после термического упрочнения путем объемной закалки в масле [2, 3].

Недостатком рельсов из этих сталей является их пониженная ударная вязкость при отрицательных климатических температурах и повышенная искривленность по поверхности катания головки рельса, возникающая при их объемной закалке вследствие неравномерного охлаждения в масле из-за большой разнотолщинности рельсового профиля, которая трудно исправима после термической обработки правкой в правильных машинах.

В последние годы в отечественной и зарубежной практике железнодорожные рельсы колеи типа Р65 для скоростного движения изготовляют из низколегированных хромом, марганцем, кремнием и ванадием сталей типа ХГСФ, которые не подвергают объемной закалке в масле и используют в горячекатаном состоянии для обеспечения высоких требований по прямолинейности рельсов.

Наиболее близкой из указанного типа сталей (к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату) является сталь, содержащая в массе %: углерода 0,65-0,75; кремния 0,30-0,70; марганца 0,95-1,30; хрома 0,75-1,15; ванадия 0,04-0,12; железа - остальное [4].

Эта сталь (прототип) в горячекатаном состоянии имеет низкую ударную вязкость при температуре -60^oС, а также пониженную твердость и, как следствие, износостойкость.

Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости при отрицательных климатических температурах (-60^oС) и твердости, а следовательно, износостойкости горячекатаных рельсов.

Технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, кальций, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан, неодим и церий при следующем отношении ингредиентов (в % по массе): углерод 0,71-0,87; кремний 0,40-1,20; марганец 0,70-1,30; хром 0,10-1,20; ванадий 0,05-0,20; титан 0,01-0,05; алюминий 0,014-0,050; кальций 0,02-0,04; лантан 0,001-0,005; неодим 0,001-0,005; церий 0,003-0,010; железо - остальное, причем соотношение содержания алюминия к азоту составляет 2,0-2,5, а максимальная и минимальная суммарная массовая доля лантана, неодима и церия равна соответственно 0,015 и 0,008%.

Комплексное легирование предложенной стали элементами V, Ti, Al, N обеспечивает выделение дисперсных карбонитридных фаз в процессе кристализации, горячей пластической деформации и последующего полиморфного (γ→α)-превращения, что способствует развитию процессов дисперсного упрочнения и формирования в горячекатаных рельсах мелкодисперсной перлитной структуры, необходимой для высокопрочного состояния. Модифицирование стали La, Nd и Се способствуют более глубокому раскислению стали, т.е. снижению в ней вредных оксидных неметаллических включений и глобуляризации сульфидных включений, что существенно повышает ударную вязкость стали, особенно при отрицательных климатических температурах. Пределы содержания элементов, входящих в состав предлагаемой рельсовой стали, выбирались экспериментальным путем.

При соотношении содержания Al/N менее 2 снижается твердость (прочность) горячекатаной стали из-за недостаточного объема выделяемых при дисперсионном твердении дисперсных нитридных фаз-упрочнителей. При соотношении Al/N более 2,5 ухудшается ударная вязкость и пластичность стали из-за большого количества образующихся оксидов алюминия, загрязняющих сталь неметаллическими включениями.

При содержании лантана менее 0,001% не обеспечивается нужной модификации и глобуляризации неметаллических включений, что снижает ударную вязкость при отрицательных температурах. При содержании лантана более 0,005% увеличивается загрязненность стали неметаллическими включениями, снижая ее ударную вязкость.

При содержании неодима менее 0,001% не обеспечивается нужная модификация и глобуляризация неметаллических включений, что снижает ударную вязкость и пластичность стали при отрицательных температурах. При содержании неодима более 0,005% увеличивается загрязненность стали неметаллическими включениями, снижающая ее ударную вязкость.

При содержании церия менее 0,003% не достигается нужный эффект глобуляризации сульфидных включений, что проявляется в снижении ударной вязкости стали. При содержании церия более 0,010% увеличивается загрязненность стали оксидными включениями, из-за чего снижается ее ударная вязкость.

Уменьшение массовой доли La, Nd и Се менее 0,015% (против 0,020%) способствует минимальной загрязненности стали оксидными неметаллическими включениями, которая практически не снижает ударную вязкость горячекатаных рельсов. Увеличение минимальной массовой доли La, Nd и Се до 0,008% обеспечивает наиболее полную глобуляризацию сульфидных включений при допустимом содержании оксидных неметаллических включений в стали.

Ниже приведены варианты осуществления и использования изобретения (табл. 1 и 2), не исключающие другие варианты в объеме формулы изобретения.

Пример Рельсовую сталь составов по таблице 1 выплавляли на ОАО "НТМК" дуплекс-процессом в 160-т кислородном конвертере в виде полупродукта (железоуглеродистого расплава), выпускали при температуре металла не менее 1630^oС в ошлакованный ковш с температурой футеровки не ниже 900^oС.

Температура металла в ковше после слива из конвертера не ниже 1530^oС. При наполнении ковша на 1/3 производили присадку раскислителей и легирующих, в частности ферросилиция (ФС45), силикомарганца (CMn20), ферромарганца (FMn70), феррохрома (ФХ100) и феррованадия (ФВд40) из расчета получения в ковшевой пробе: углерода, марганца, кремния, хрома и ванадия на 0,05% ниже заданного предела содержания этих элементов в стали требуемого состава. Окончательная корректировка химического состава стали до заданного производилась присадкой необходимых ферросплавов на установке "печь-ковш". Температура металла после обработки на установке "печь-ковш" была в пределах 1570-1580^oС. Рельсовую сталь всех выплавленных составов подвергали вакуумированию на установке циркуляционного типа. Длительность вакуумирования - не менее 15 минут при остаточном давлении не более 3,0 М/бар. В конце вакуумирования сталь продувалась через пористую трубку в дне ковша азотом в течение 3-5 минут с расходом азота от 50 ³/ч до получения заданного содержания азота в стали. После завершения продувки азотом (азотирования) стали вводилась алюминевая и силикокальцевая проволока в количестве 0,07-0,15 кг/т и 1,0-1,3 кг/т соответственно, а также 100-150 кг металла, содержащего лантан, неодим и церий. Температура металла в сталеразливочном ковше перед разливкой на МНЛЗ находилась в пределах 1525-1540^oС.

Разливка плавок рельсовой стали производилась на МНЛЗ в кристаллизатор сечением 300х360 мм. Со скоростью 0,4-5 м/мин. Температура металла в промковше составляла 1475-1495^oС.

Прокатка отлитых заготовок на рельсы типа Р65 производилась на рельсобалочном стане 800 по серийной технологии.

Результаты образцов на растяжение по ГОСТ 24182, а также ударной вязкости при комнатной и отрицательной (-60^oС) температуре горячекатаных рельсов типа Р65 представлены в таблице 2. Одновременно (справочно) оценивалась с помощью измерительного устройства ГУП ВНИИЖТ с базой 1,5 м продольная прямолинейность нетермоупрочненных рельсов из предлагаемой стали, стали-прототипа и серийных объемно-закаленных рельсов.

Установлено, что максимальная величина неровностей на длине 1,5 м не превышала 0,3-0,4 мм горячекатаных рельсов из предлагаемой стали, 0,4-0,5 мм у горячекатаных рельсов из стали-прототипа и 0,7-0,8 мм у серийных объемно-закаленных выправленных рельсов. Следовательно, горячекатаные рельсы типа Р65 из предлагаемой стали удовлетворяют требованиям по скоростным совмещенным движениям.

Как видно из табл. 1 и 2 рельсовая сталь, удовлетворяющая заявленному составу (плавки 1-4), имеет повышенную твердость и ударную вязкость при отрицательной температуре (-60^oС). Сталь-прототип (плавка 7) и сталь с содержанием элементов, выходящих за заявленные пределы (плавки 5-6), не имеют комплекса свойств, необходимого для достижения технического результата изобретения.

Источники информации 1. Высокоскоростные железнодорожные магистрали. Материалы Всероссийской конференции. Железнодорожный транспорт. 1991, 2. Поляков В. В., Великанов А.В. Основы технологии производства железнодорожных рельсов. М., Металлургия, 1970, 415с.

3. Металловедение. Сталь. Справ. изд. в 2-х томах: пер. с нем. т.2. Применения. В 2-х кн. Кн. 2. Под ред. С.Б. Масленкова - М., Металлургия, 1995, 399с.

4. Галихадзе С.С., Гордиенко М.С., Долгополова А.Ф. и др. Сталь, 2001, 4, стр.62-63.

Формула изобретения

1. Рельсовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, титан, алюминий, кальций, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан, неодим и церий при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: Углерод - 0,71 - 0,87 Кремний - 0,40 - 1,20 Марганец - 0,70 - 1,30 Хром - 0,10 - 1,20 Ванадий - 0,05 - 0,20
Титан - 0,01 - 0,05
Алюминий - 0,014 - 0,050
Азот - 0,007 - 0,020
Кальций - 0,02 - 0,04
Лантан - 0,001 - 0,005
Неодим - 0,001 - 0,005
Церий - 0,003 - 0,010
Железо - Остальное
причем соотношение содержания алюминия к азоту составляет 2,0 - 2,5.

2. Рельсовая сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание в стали лантана, неодима и церия составляет 0,008 - 0,015 мас. %.

РИСУНКИ

Рисунок 1