Введение к работе
Актуальность работы.
Выплавка рельсовой стали в дуговых электросталеплавильных печах с проведением внепечной обработки и разливки на машинах непрерывного литья заготовок позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели производства железнодорожного проката. Однако изменение технологической схемы выплавки и внепечной обработки рельсовой стали, расширение ее сортамента и увеличение требований к эксплуатационным свойствам железнодорожных рельсов требуют проведения дополнительных исследований для определения рациональных параметров процесса. Поэтому разработка новых и совершенствование известных элементов технологии выплавки и внепечной обработки рельсовой электростали являются, несомненно, актуальными задачами.
Работа выполнена в соответствии с перечнем критических технологий Российской Федерации, раздел «Металлы и сплавы со специальными свойствами», утвержденным Президентом Российской Федерации 30.03.2002 г., и приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации, раздел «Производственные технологии», утвержденными Президентом РФ 30.03.2002 г.
Цель работы.
Изучение, совершенствование и внедрение технологий выплавки в дуговых электросталеплавильных печах, внепечной обработки на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре рельсовой электростали с высокими служебными свойствами.
Задачи исследования.
1. Изучить и усовершенствовать технологии выплавки в дуговых электропечах и внепечной обработки стали, предназначенной для производства железнодорожных рельсов, соответствующих по качеству и служебным характеристикам лучшим образцам.
2. Разработать новые марки стали для производства железнодорожных рельсов с высокими эксплуатационными свойствами и технологии их производства.
Научная новизна.
1. Установлено влияние изменения содержания кислорода в металле перед выпуском из дуговой электросталеплавильной печи на загрязненность рельсовой стали неметаллическими включениями и эксплуатационные свойства железнодорожных рельсов.
2. Определены оптимальные значения содержания углерода в металле в конце окислительного периода при выплавке стали в дуговой электросталеплавильной печи с последующей внепечной обработкой на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре для обеспечения высокого качества рельсовой стали.
3. Рассчитаны условия для снижения содержания кислорода, водорода и изменения характера неметаллических включений при внепечной обработке рельсовой стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре.
Практическая значимость.
1. Разработаны новые технологии выплавки в дуговых электросталеплавильных печах и внепечной обработки на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VD стали, предназначенной для производства железнодорожных рельсов
2. Экспериментально подтверждено влияние содержания основных химических элементов на свойства стали для производства рельсов и разработаны новые марки и технологии выплавки и внепечной обработки стали, что позволило производить железнодорожные рельсы, имеющие высокую эксплуатационную стойкость в пути.
Реализация результатов.
1. На основе интерпретации выполненных исследований разработаны и внедрены в производство в электросталеплавильном цехе ОАО "ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат":
- усовершенствованные технологии выплавки рельсовой стали в 100-тонных дуговых электросталеплавильных печах ДСП-100И7 и ДСП-100Н10 в том числе: с отсечкой печного шлака (патент РФ № 2254380), с оставлением жидкого остатка (патенты РФ № 2302471, № 2312901), с использованием карбида кальция (патент РФ № 2325447), с использованием в качестве шихтовой составляющей жидкого (патент РФ № 2333256) и твердого чугуна (патенты РФ № 2409682, № 2415180,
№ 2400541);
- технология внепечной обработки рельсовой стали на агрегате «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VD (патент РФ № 2425154).
2. На основании экспериментальных исследований разработаны технологические положения для производства рельсовой стали и новые марки, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства железнодорожных рельсов, в том числе: азотсодержащая (патенты РФ № 2295587, № 2449045), заэвтектоидная (патенты РФ № 2426813, № 2457272). Разработаны технические условия
ТУ 0921-125-01124328-2001 и ТУ 0921-125-01124328-2003 для производства рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости.
Общий долевой экономический эффект автора от внедрения результатов диссертационной работы составил 12,8 млн. рублей.
Методы исследования.
Промышленные исследования проведены на 100–тонных электродуговых печах ДСП-100И7 и ДСП-100Н10, агрегатах внепечной обработки типа «ковш-печь» и вакууматоре камерного типа VD.
Определение содержания кислорода в стали проведено по стандартной методике на газоанализаторе ТС-600 фирмы «LECO» методом восстановительного плавления в потоке инертного газа-носителя. Измерение содержания водорода в жидкой стали проводилось с использованием зондовой системы Hydris модели OH900. Химический состав, загрязненность неметаллическими включениями, макро- и микроструктура, механические свойства и твердость проконтролированы по стандартным методикам на сертифицированном оборудовании в аккредитованных лабораториях Испытательного Центра ЕВРАЗ ЗСМК. Неметаллические включения, величина зерна и микроструктура сталей изучены с помощью оптического микроскопа
NEOPHOT-21. Электронно-микроскопическое исследование проведено на электронном микроскопе JEC-200CX прямым методом на фольгах и растровом электронном микроскопе-микроанализаторе LEO EVO-40. Испытания механических свойств проведены на разрывной машине Z-250 и копровой машине МК-15. Измерение твердости проведено по стандартной методике на твердомере Бринелля. Копровые испытания проведены на рельсоиспытательном копре по стандартным методикам.
Степень достоверности и обоснованности научных положений, рекомендаций и выводов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом экспериментальных данных; высокой степенью воспроизводимости результатов экспериментов; использованием статистических методов обработки экспериментальных данных, эффективностью предложенных технических решений, подтвержденной результатами промышленных испытаний и внедрением в производство.
Предмет защиты.
1. Новые ресурсосберегающие технологии выплавки в дуговых электропечах, внепечной обработки стали на вакууматоре типа VD и на агрегате «ковш-печь», в том числе шлаковые режимы и режимы раскисления, обеспечивающие снижение концентрации газов и неметаллических включений в рельсовых сталях.
2. Результаты анализа влияния содержания кислорода в стали для производства рельсов на состав и морфологию неметаллических включений.
3. Новые марки стали для железнодорожных рельсов и технология их производства.
Автору принадлежит:
- анализ современного состояния технологии выплавки и внепечной обработки рельсовой стали, постановка задач исследования;
- выполнение экспериментальных и теоретических исследований;
- обоснование технологических решений выплавки и внепечной обработки рельсовой электростали;
- проведение промышленных исследований;
- обработка и обобщение результатов.
Соответствие диссертации паспорту специальности.
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности
05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов п.12 «Электрометаллургические процессы и агрегаты», п.15 «Внепечная обработка металлов», п.17 «Материало- и энергосбережение при получении металлов и сплавов».
Апробация работы.
Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях:
- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки, качества» (г. Новокузнецк, 2006 г.);
- конференциях «Неделя металлов в Москве» (г. Москва, 2009 г., 2010 г.);
- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество» (г. Новокузнецк, 2010 г.);
- II Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2010 г.);
- Всероссийской молодежной конференции «Машиностроение – традиции и инновации» (г. Томск, 2011 г.).
Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 30 печатных работах, в том числе в 5 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций. Новизна предложенных технических решений защищена 13 патентами Российской Федерации.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 148 страницах, включая 30 рисунков, 31 таблицу, 1 приложение и содержит список литературы из 155 наименований.
