Введение к работе
По данным World Steel Association (Worldsteel), производство стали в мире по итогам 2009 г. находится на уровне 1 млрд. 219,7 млн. т. В том числе в России производство стали составило 59,9 млн. т. Одним из видов стальной продукции является рельсовая. Рельсы различного типа и назначения относятся к металлопродукции, для которой предъявляются высокие требования по качеству и комплексу эксплуатационных свойств. Учитывая важность рельсовой продукции для народного хозяйства страны с развитой сетью железных дорог, качество рельсов, их свойства, энерго- и ресурсоемкость производства являются индикаторами прогрессивности используемых металлургических технологий. В настоящее время в России рельсы производят фактически два предприятия: ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» (ОАО «НКМК») и ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (ОАО «НТМК»), на долю которых по итогам работы в 2009 г. приходится 73 и 27 % произведенных рельсов соответственно от общего объема рельсовой продукции России. Доля рельсовой продукции ОАО «НКМК» на международном рынке составляет примерно 8 %.
Одной из важнейших качество формирующих стадий технологического процесса производства рельсового проката является нагрев непрерывнолитых заготовок (НЛЗ) в методических печах. В целях придания рельсовой стали необходимой пластичности и снижения сопротивления пластической деформации перед прокаткой ее нагревают до температур 1200 - 1250 С. Время нагрева при этом достигает 3 - 5 ч. Нагрев стали осуществляют в атмосфере продуктов сгорания природного газа. В процессе нагрева в результате высокотемпературного взаимодействия стали с кислородом и другими газами-окислителями, содержащимися в печной атмосфере, поверхностные слои металла окисляются, что сопровождается образованием окалины. При таком значительном времени нагрева потери металла от угара могут достигать 1,0 - 1,6 %. В масштабах России при годовом производстве рельсов на уровне 800 - 850 тыс.т вследствие угара при нагреве в печах ежегодно теряется 8,0 - 12,8 тыс. т рельсовой стали. Высокое окалинообразование может приводить к снижению качества поверхности рельсов, ухудшать технико-экономические показатели работы методических печей, являться причиной повышенного износа прокатных валков.
Актуальность работы. В настоящее время металлургические предприятия, производящие рельсовую продукцию, работают в условиях жесткой конкуренции. Основными показателями конкурентоспособности рельсов на внутреннем и внешнем рынках являются их качество и себестоимость. В связи с этим металлосбережение, уменьшение потерь металла на всех стадиях металлургического производства является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.
Работа выполнена в соответствии с перечнем критических технологий Российской Федерации (пункт «Энергосбережение»), планом НИР и ОКР ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат».
Цель работы: разработка металлосберегающей технологии нагрева непрерывнолитых заготовок рельсовой стали в методических печах, обеспечивающей значительное снижение угара и обезуглероживания металла.
Основные задачи:
Провести теоретические исследования кинетических закономерностей влияния покрытий на взаимосвязанные физико-химические процессы окисления и обезуглероживания рельсовой стали.
Исследовать кинетику высокотемпературного окисления и обезуглероживания легированных рельсовых сталей марок Э78ХСФ, Э30ХГ2САФМ и установить влияние на нее температурно-временного фактора.
Разработать составы защитных покрытий для снижения окисления и обезуглероживания рельсовой стали марки Э76Ф и исследовать их влияние на кинетику высокотемпературного окисления и обезуглероживания стали.
Определить температуры плавления окалины легированных рельсовых сталей марок Э78ХСФ, Э30ХГ2САФМ.
На основании систематизации результатов полученных экспериментальных и теоретических исследований разработать металлосберегающую технологию нагрева непрерывнолитых заготовок рельсовой стали в методической печи с шагающими балками для условий ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат».
Внедрить результаты исследований в учебный процесс в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» при подготовке студентов специальностей 150103 - Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей, 150201 - Машины и технология обработки металлов давлением.
Научная новизна:
1. Разработан новый тип периклазосиликатных покрытий для защиты стали от высокотемпературного окисления и обезуглероживания, научно обоснован механизм его защитного действия.
2.Исследована кинетика высокотемпературного окисления легированных рельсовых сталей марок Э78ХСФ, Э30ХГ2САФМ.
3. Установлена температура плавления окалины легированных рельсовых сталей марок Э78ХСФ, Э30ХГ2САФМ, определено и научно обосновано влияние на нее легирующих элементов стали.
Практическая значимость:
Для обеспечения металлосбережения, снижения окисления и обезуглероживания рельсовой стали при нагреве под прокатку разработаны составы защитных покрытий.
Для легированных рельсовых сталей марок Э78ХСФ, Э30ХГ2САФМ даны конкретные рекомендации по выбору рациональной конечной температуры нагрева.
Разработана металлосберегающая технология нагрева непрерывнолитых заготовок рельсовой стали в методических печах с шагающими балками.
Реализация результатов:
1. Защитные покрытия разработанных составов приняты к внедрению в
практику нагрева непрерывнолитых заготовок рельсовой стали в рельсобалоч-
ном цехе ОАО «НКМК». Прогнозируемый экономический эффект от внедрения
предлагаемых покрытий составляет 620 тыс. руб. в год.
2. Результаты исследований по организации малоокислительного и мало-
обезуглероживающего нагрева металла в методических печах внедрены в учеб
ный процесс в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный уни
верситет» и используются при подготовке студентов специальностей 150103 -
Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей, 150201 - Ма
шины и технология обработки металлов давлением.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований кинетики высокотемпературного окисления и обезуглероживания легированных рельсовых сталей марок Э78ХСФ, Э30ХГ2САФМ.
Результаты лабораторных и промышленных экспериментальных исследований влияния защитных покрытий алюмосиликатного и периклазосиликат-ного составов на кинетику высокотемпературного окисления и обезуглероживания рельсовой стали марки Э76Ф.
Результаты экспериментальных исследований температуры плавления окалины рельсовых сталей марок Э78ХСФ, Э30ХГ2САФМ.
Автору принадлежит: постановка задачи исследований; проведение с использованием математической модели теоретического исследования кинетических закономерностей влияния покрытий на взаимосвязанные физико-химические процессы окисления и обезуглероживания стали; проведение лабораторных и промышленных экспериментов по исследованию кинетики высокотемпературного окисления и обезуглероживания рельсовых сталей марок Э76Ф, Э78ХСФ, Э30ХГ2САФМ и выявлению влияния на нее защитных покрытий различного химического состава; проведение экспериментов по установлению температур плавления окалины рельсовых сталей марок Э78ХСФ, Э30ХГ2САФМ; обработка, анализ, обобщение и научное обоснование полученных результатов, формулировка выводов и рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество» (Новокузнецк, 2008 г.); XV международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии» (Днепропетровск, 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Научное наследие И.П. Бардина» (Новокузнецк, 2008 г.); Международной научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И. Китаєва» (Екатеринбург, 2009 г.).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах в журналах и сборниках научных трудов, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и приложений. Изложена на 134 страницах, содержит 47 рисунков, 12 таблиц, список использованных источников из 136 наименований.
