Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности производства в связи с переходом к рыночным отношениям в черной металлургии требует дальнейшего улучшения качества продукции и необходимости дальнейшего снижения затрат на ее получение. Прирост проката, в частности рельсов, возможен за счет интенсификации существующего производства, улучшения технологии, лучшего использования имеющегося оборудования и разработки новых методов и способов повышения эксплуатационных характеристик изделий с одновременным удешевлением. Эта проблема является комплексной, многогранной и должна решаться на научной основе с учетом конкретных условий и особенностей производства и эксплуатации рельсов.
Потребности железнодорожного транспорта поставили перед металлургами сложную и ответственную задачу значительного повышения качества и стойкости в эксплуатации основного элемента верхнего строения пути - рельсов. Несмотря на значительные достижения в развитии технологии термической обработки железнодорожных рельсов, общей теории прокатки - эти вопросы изучены еще недостаточно. Особенно это касается применения новых видов термоупрочнения, использования нетрадиционных закалочных сред внешних энергетических воздействий, а также многообразия факторов, свойственных прокатке в калибрах.
Особенностью 90-х годов по одиночному изъятию рельсов является преобладание износа и отслоения металла на поверхности катания головки над всеми другими видами дефектов. Увеличить эксплуатационную стойкость можно при использовании методов поверхностной термообработки с созданием в приповерхностных слоях градиентных структур. Создание, поведение и свойства градиентных структур в тяжелонагруженных условиях изучены недостаточно. Проработка металла после
4 прокатного передела имеет исключительно важное значение для дальнейшей поверхностной термообработки.
Цель работы. Разработка перспективных способов и технологий повышения эксплуатационных характеристик и качества рельсов. При реализации этой цели были решены следующие задачи:
1 .Теоретическое обоснование создания градиентных структур при нетрадиционных поверхностных упрочняющих обработках.
2.Разработка физико-технических и металловедческих основ дифференцированной закалки и магнитоплазменной поверхностной обработки.
3.Исследование строения, механических свойств и распределения легирующих элементов по сечению головки рельсов.
4.Изучение свойств градиентных структур и эволюции структурно-фазового состояния рельсовой стали после поверхностных упрочняющих обработок.
5.Разработка перспективных способов прокатки рельсов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Совокупность разработанных методик и технологий поверхностного упрочнения рельсов дифференцированной закалкой и магнитоплазменной обработкой с получением градиентных структур по сечению головки.
-
Обобщенные экспериментальные данные по строению на макро- и микроуровне, механическим свойствам, микротвердости и распределению легирующих элементов по сечению головки рельса, полученные в результате поверхностных термических обработок.
-
Свойства градиентных структур и эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали после дифференцированной закалки и магнитоплазменной обработки.
-
Модельные представления взаимодействия колесо -рельс при воздействии нагрузки и наличия градиентной структуры в рамках теории упругости.
-
Усовершенствованные калибровки валков рельсобалочного стана для прокатки рельсов с повышенной износостойкостью.
Научная новизна диссертации.
-
Разработаны режимы термической обработки рельсов дифференцированной закалкой в двух средах с целью повышения стойкости головки рельса. Предложена новая закалочная среда на основе водорастворимого полимера.
-
Разработана методика плазменного упрочнения поверхности катания рельса, определены оптимальные режимы обработки головки рельса при воздействии плазменной струи.
-
В результате теоретического анализа взаимодействия колесо - репье предложена модель действия нагрузки на систему упрочненный слой - основной металл в рамках теории упругости.
-
Впервые изучено строение и свойства градиентных структур, полученных при использовании дифференцированной закалки и поверхностного плазменного упрочнения.
-
Разработана новая более рациональная система калибровки валков рельсобалочного стана, увеличивающая его производительность.
Достоверность работы определяется корректностью поставленных задач, применением современных методов расчета и методик исследования, соответствием установленных закономерностей данным, полученным теоретическим путем. Она обеспечивается обоснованностью применяемых методов современного физического материаловедения и сопоставлением полученных результатов с известными данными других авторов.
Практическая ценность работы. Совокупность экспериментальных и теоретических данных является инструментом
6 для углубленного понимания природы градиентных структур рельсовой стали, возникающих при дифференцированной закалке и магнитоплазменной обработке.
Результаты исследований показывают реальные пути повышения комплекса важнейших механических свойств рельсов, предназначенных для работы в тяжелых условиях.
Использование предложенных способов поверхностного упрочнения в производстве создает условия без существенных изменений технологии и материально-технических затрат для получения высокопрочных рельсов, расширяющих рынок предложений и повышающих конкурентную способность рельсов АО "КМК".
Предполагаемый экономический эффект от внедрения методов магнитоплазменной обработки в УЖДТ АО "КМК" заключается в уменьшении потребности в остряковых рельсах за счет повышения износостойкости в три раза и составляет 2.5 млрд. руб./год в ценах 1997 г.
Разработка и внедрение в производство рациональных способов прокатки позволяет увеличить производительность труда, улучшить качество выпускаемой продукции, сократить расход металла валков и обеспечить суммарный экономический эффект 20 млрд. руб. в ценах 1996 г.
Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на технических советах АО "Кузнецкий металлургический комбинат" в 1990 -1997 гг., ежегодных заседаниях рельсовой комиссии (1993 -1997 гг.), IV Всероссийской конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1996); Межгосударственной научно-технической конференции "Развитие теории, технологии и совершенствование оборудования процессов ОМД" (Магнитогорск, 1996); Международной научно-технической конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996); Международной" научно-технической конференции "Структурная перестройка металлургии: экономи-
7 ка, экология, управление, технология" (Новокузнецк, 1996); V Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии" (Новокузнецк, 1Э97); Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в современном материаловедении" (Санкт-Петербург, 1997) и "Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий" (Волгоград, 1997); Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1997); 1-м Международном семинаре имени В.А. Лихачева "Актуальные проблемы прочности" и XXXII! семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1997), научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении" (Пенза, 1997), XIV Уральской Школе металловедов - термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (Ижевск, 1998).
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследований, разработке технологий поверхностного упрочнения рельсов методами дифференцированной закалки с использованием нетрадиционных закалочных сред и плазменного воздействия, анализе полученных результатов, проведении лабораторных и промышленных испытаний и внедрении результатов в производство.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 36 научных публикациях.
Объем работы. Диссертация изложена на 203 страницах, содержит 13 таблиц, 67 рисунков и состоит из введения, 6 глав, списка литературы из 162 наименований.
