Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния технологий производства и качества металлопродукции железнодорожного назначения 6
Анализ мирового и российского рынков металлопродукции железнодорожного назначения 6
Анализ технологий и состава оборудования, используемых для производства рельсов за рубежом и в России 12
Сравнительный анализ показателей качества рельсов НКМК и зарубежных производителей 19
Оценка эффективности систем управления качеством в производственном процессе. Анализ применения интегрированных схем прогнозирования качества металлопродукции 22
Выводы по анализу современного состояния производства металлопродукции железнодорожного назначения. Постановка цели и задач исследования 40
2 Разработка и внедрение системы операционных улучшений производства металлопродукции 43
Разработка регламента процесса производства. Техническое обеспечение надежности оборудования и технологии. Анализ возможных затрат на улучшение качества продукции 43
Разработка и внедрение корпоративной системы операционных улучшений «НТМК-ЕВРАЗ» 46
Разработка концепции эффективного производства металлопродукции железнодорожного назначения 64
Совершенствование технологии прокатки рельсов 81
Совершенствование способов поверхностного упрочнения прокатных валков и повышения твердости шаблонов 83
Совершенствование технологии выплавки и металлургические аспекты повышения качества высокоуглеродистой стали 87
Исследование и разработка теплоизолирующих и шлакообразующих смесей 91
Разработка системы регулирования уровня металла в кристаллизаторе 94
Разработка устройства для перемещения проката 101
Совершенствование нагревательной печи с шагающим подом 104
Разработка способа калибровки дублирующих косорасположенных калибров для прокатки рельса типа Р65 108
Повышение надежности сварного стыка объемно-закаленных рельсов из электростали 109
3. Разработка и промышленное освоение технологии производства железнодорожных рельсов из новых марок стали 115
Сравнительный анализ качества рельсов разных производителей и разработка новых марок рельсовой стали 115
Регламент внесения изменений в технологический процесс производства рельсовой продукции 147
Модернизация линии неразрушающего контроля и идентификации рельсов 152
4. Анализ результатов промышленного внедрения новых технических решений и операционных улучшений процесса массового производства металлопродукции .. 156
Основные результаты промышленного внедрения новых технических решений и операционных улучшений процесса производства рельсов в ОАО «НКМК» 156
Качество рельсов ОАО «НКМК» 158
Мониторинг эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений на железной дороге 169
Дополнительные мероприятия и реализованные операционные улучшения технологии массового производства рельсов 171
Заключение 172
Приложения
- Сравнительный анализ показателей качества рельсов НКМК и зарубежных производителей
- Разработка и внедрение корпоративной системы операционных улучшений «НТМК-ЕВРАЗ»
- Регламент внесения изменений в технологический процесс производства рельсовой продукции
- Качество рельсов ОАО «НКМК»
Введение к работе
Актуальность проблемы
Стратегия развития железнодорожного транспорта России предусматривает увеличение грузоподъемности составов и скорости их движения. Все это требует улучшения качества и повышения уровня механических свойств рельсов как основного элемента железнодорожного пути. Для повышения качества и уровня эксплуатационных характеристик рельсов необходимо освоение на металлургических заводах-производителях рельсов (ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат») новых металлургических технологий и оборудования. В частности, освоение новых технологий производства рельсов из конвертерной и электростали, обеспечивающих повышенную степень чистоты по примесям и неметаллическим включениям, а также совершенствование технологии прокатки.
Это связано с тем, что эксплуатационные свойства рельсов зависят не только от качества стали, но и в значительной мере от стабильности и точности геометрических параметров готовых рельсов – прямолинейности, точности профиля, концевой кривизны и др. Улучшение геометрических параметров рельсов может быть осуществлено только путем совершенствования технологии горячей деформации, в процессе которого происходит формирование профиля проката.
Решение этой актуальной проблемы возможно путем разработки новых и совершенствования существующих технологий горячей деформации и прокатного оборудования с использованием современных средств математического моделирования для оптимизации технологических режимов прокатки и охлаждения в зависимости от марочного сортамента стали для железнодорожных рельсов. Моделирование режимов прокатки, в основу которого заложены современные представления по вопросам формоизменения (калибровки), формирования структуры и механических свойств, позволит оперативно управлять технологическими параметрами прокатки и охлаждения и производить рельсы с гарантированным уровнем качества. Повышение качества проката, как основополагающего фактора развития производства рельсов, является актуальным направлением работы, поскольку позволит обеспечить снижение материальных затрат, рост металло- и энергосбережения при производстве готовой продукции, повысить ее конкурентоспособность на мировом рынке.
С другой стороны, повышение эксплуатационных свойств рельсов в условиях повышенных нагрузок и скоростей движения может быть осуществлено за счет создания новых марок рельсовых сталей, обеспечивающих, прежде всего, требуемый уровень механических свойств (твердости, пластичности, вязкости). Для этого необходима разработка химического состава рельсовой стали по легирующим и микролегирующим элементам, обеспечивающим получение мелкодисперсной структуры.
Цель работы и задачи исследования
Целью данной диссертационной работы является разработка технологических режимов и узлов оборудования, обеспечивающих массовое производство железнодорожных рельсов, в том числе и из новых марок стали. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
На базе анализа и обобщения опыта производства рельсовой продукции разработать методы повышения операционной эффективности технологических процессов, обеспечивающих получение заданного профиля рельса и его прямолинейности, качества поверхности и необходимых механических свойств при снижении затрат на производство.
-
Разработать эффективную технологическую схему прокатки при снижении температуры нагрева заготовки на 300С с использованием математической модели определения энергосиловых и температурно-скоростных параметров прокатки заготовки в реверсивной клети.
-
Разработать новую технологию упрочнения чистового калибра с изменением калибровки чистовой клети рельсобалочного стана, обеспечивающую стабильность профиля рельса, повышение ресурса валков и снижение веса погонного метра рельса.
4. Разработать и опробовать новые составы рельсовых сталей с повышенными эксплуатационными характеристиками:
- высокоуглеродистая (заэвтектоидная) рельсовая сталь повышенной износостойкости с содержанием углерода до 0,90%;
- микролегированная ванадием и азотом сталь для рельсов повышенной хладостойкости;
- низколегированная рельсовая сталь типа Э75ХГФ, обеспечивающая в горячекатаном состоянии уровень механических свойств термообработанных рельсов.
Методы исследования
Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов металлографии, электронной микроскопии, методов логистического и математического моделирования процесса на базе современных средств вычислительной техники, а также проведения промышленного опробования различных марок стали и новых конструкций узлов оборудования в условиях действующего производства. Основными методами исследования опытных и новых разработок явились испытания механических свойств (ударной вязкости, работы разрушения, вязкости разрушения и усталостной прочности), в том числе полнопрофильных рельсовых проб на копре и усталостном стенде.
Научная новизна
На базе анализа и обобщения опыта производства качественной металлопродукции разработана комплексная методика операционных улучшений металлургического процесса для повышения эффективности технологических режимов и параметров оборудования. Показано, что в условиях устойчивой современной технологии металлургического передела рельсов определяющим и ключевым процессом является прокатное производство, обеспечивающее получение рельсов с заданными геометрическими параметрами прямолинейности, профиля и др.
В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
- разработаны математические модели для определения энергосиловых параметров и температуры в реверсивной клети и непрерывной группе клетей рельсобалочных станов, что позволило провести анализ процесса прокатки рельсов при различных температурах и снизить температуру деформации в клети «900» в среднем на 30С;
- разработана новая форма чистового калибра рельсобалочного стана, позволяющая обеспечить стабильность размера профиля рельса, снижение погонного веса рельса и повышение стойкости калибра;
- по результатам исследования структуры и механических свойств разработаны и опробованы составы новых рельсовых сталей с повышенными эксплуатационными характеристиками:
- высокоуглеродистая (заэвтектоидная) рельсовая сталь с содержанием углерода до 0,90% повышенной износостойкости;
- микролегированная ванадием и азотом рельсовая сталь для рельсов повышенной хладостойкости;
-низколегированная рельсовая сталь типа Э75ХГФ, обеспечивающая в горячекатаном состоянии уровень механических свойств термообработанных рельсов;
- показано, что по комплексу характеристик рельсы из новых марок сталей превосходят показатели стандартных рельсов общего назначения: износостойкость рельсов из высокоуглеродистой стали на 35…40%, хладостойкость рельсов низкотемпературной надежности в 1,5…2,0 раза, усталостная прочность рельсов из низколегированной стали на 10%.
Практическая ценность и реализация работы. По результатам проведенных исследований в массовое производство на ОАО «НТМК» и ОАО «НКМК» внедрен комплекс технологических ресурсо- и энергосберегающих мероприятий в области сталеплавильного производства, непрерывной разливки и прокатки рельсовой стали, обеспечивший снижение энергозатрат на 1,7%, увеличение ресурса прокатных валков на 0,2 кг/т, уменьшение отбраковки рельсов по поверхностным дефектам на 0,7%, снижение технологических отходов на 0,3 кг/т, а также повышение уровня механических свойств готовых рельсов.
Внедрение новых марок рельсовых сталей специального назначения с повышенной износостойкостью, хладостойкостью и низколегированных без финишной термообработки позволило повысить уровень твердости головки рельса до 400-415 НВ, увеличить износостойкость на 35-40%, хладостойкость до KCU = 25-60 Дж/см2 при -600С, усталостную прочность на 10%, а также довести срок эксплуатации рельсов до уровня мировых стандартов, т.е. обеспечить наработку более 1 млрд. т брутто.
Суммарный экономический эффект от внедрения разработок составил более 150млн. рублей.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1.Результаты разработки технологии прокатки рельсов на базе математической модели процесса горячей деформации заготовки.
2. Расчеты новых калибровок, обеспечивающих улучшение геометрических параметров профиля рельса и повышение ресурса калибров.
3. Технологические элементы совершенствования процессов выплавки и непрерывной разливки новых марок рельсовой стали.
4. Создание или исследование новых марок рельсовых сталей специального назначения, обеспечивающих при дальнейшем переделе формирование структуры, стойкой к разрушению при повышенных механических нагрузках и низких температурах, а также обеспечивающих требуемый уровень свойств рельсов без термообработки.
Апробация работы
Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных конференциях Некоммерческого партнерства «Рельсовая комиссия», состоявшихся 26-27 октября 2007 года в г. Новокузнецке (ОАО «НКМК»), 25-26 июня 2008 года в г. Нижнем Тагиле (ОАО «НТМК»), 01-02 октября 2009 года в г. Калуге (ОАО «Калужский завод «Ремпутьмаш»), 26-29 октября 2010 года в г. Новокузнецке (ОАО «НКМК»), ХП Международном конгрессе сталеплавильщиков 2-6 октября 2010 года в г. Магнитогорске (ОАО «ММК»), а также отраслевых конференциях и координационных совещаниях.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в трех учебных пособиях, 14 журналах и сборниках научных трудов, в том числе опубликовано пять статей в журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК. Получено 19 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 112 наименований. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 35 таблиц.
Сравнительный анализ показателей качества рельсов НКМК и зарубежных производителей
Наилучших результатов в создании и выпуске конкурентоспособной продукции добиваются предприятия, обладающие исчерпывающими сведениями о состоянии и возможностях производственных процессов, а также своевременно вырабатывающие управляющие воздействия по их совершенствованию и минимизации издержек производства.
Качество изделия не повышается за счет выбраковки некачественных. Поэтому современные предприятия сосредотачивают внимание не на выявлении брака, а на его предупреждении, на тщательном контролировании производственного процесса. Большую роль в обеспечении качества продукции играют статистические методы. Целью методов статистического контроля является исключение случайных изменений качества продукции. Такие изменения вызываются конкретными причинами, которые нужно установить и устранить. Статистические методы контроля качества подразделяются на: - статистический приемочный контроль по альтернативному признаку; - выборочный приемочный контроль по варьирующим характеристикам качества; - стандарты статистического приемочного контроля; - система экономических планов; - планы непрерывного выборочного контроля; - методы статистического регулирования технологических процессов. Основной характеристикой партии изделий по альтернативному признаку является генеральная доля дефектной продукции (q): D где D - число дефектных изделий в партии объемом N изделий. В практике статистического контроля генеральная доля q неизвестна и ее следует оценить по результатам контроля случайной выборки объемом п изделий, из которых m дефектных.
Под планом статистического контроля понимают систему правил, указывающих методы отбора продукции для проверки и условия, при которых партию следует принять, забраковать или продолжить контроль. Различают следующие виды планов статистического контроля партии продукции по альтернативному признаку: одноступенчатые планы, согласно которым, если среди п случайно отобранных изделий число дефектных m окажется не больше приемочного числа С (т С), то партия принимается; в противном случае партия бракуется; двухступенчатые планы, согласно которым, если среди пі случайно отобранных изделий число дефектных mi окажется не больше приемочного числа Сі (mi Ci), то партия принимается; если mi di, где di - браковочное число, то партия бракуется. Если же Cip niip di, то принимается решение о взятии второй выборки объемом П2. Тогда, если суммарное число изделий в двух выборках (гщ + тг) Сг, то партия принимается, в противном случае партия бракуется по данным двух выборок; многоступенчатые планы являются логическим продолжением двухступенчатых. Первоначально берется партия объемом щ и определяется число дефектных изделий ті.Если mi Ci, то партия принимается. Если Cipmipd](Dif Сі+1), то партия бракуется. Если Ci mipdj, то принимается решение о взятии второй выборки объемом щ. Пусть среди Пі + П2 имеется ni2 дефектных. Тогда, если пі2 С2, где С2 - второе приемочное число, партия принимается; если ni2 d2 (d2f сг + 1), то партия бракуется. При C2Pm2Pd2 принимается решение о взятии третьей выборки. Дальнейший контроль проводится по аналогичной к схеме, за исключением последнего &-того шага. На к-и шаге, если среди Xrij проконтролированных изделий выборки оказалось irik дефектных и m Ck, то партия принимается; если же Шк f Ск, то партия бракуется. В многоступенчатых планах число шагов к принимается, что щ =П2=...= Пк;
Одноступенчатые планы проще в организации контроля на производстве. Двухступенчатые, многоступенчатые и последовательные планы контроля обеспечивают при том же объеме выборки большую точность принимаемых решений, но более сложны в организационном плане.
Задача выборочного приемочного контроля фактически сводится к статистической проверке гипотезы о том, что доля дефектных изделий q в партии равна допустимой величине q0, т. е. Ho::q = qo. Задача правильного выбора плана статистического контроля состоит в том, чтобы сделать ошибки первого и второго рода маловероятными. Ошибки первого рода связаны с возможностью ошибочно забраковать партию продукции; ошибки второго рода связаны с возможностью ошибочно пропустить бракованную партию
Система планов статистического приемочного контроля, нашедшая широкое применение в промышленности, впервые была разработана Доджем и Ролигом. Планы этой системы предусматривают сплошной контроль изделий из забракованных партий и замену дефектных изделий годными. Во многих странах получил распространение американский стандарт МИЛ-СТД-Л05Д. Отечественный стандарт ГОСТ-18242-72 по построению близок к американскому и содержит планы одноступенчатого и двухступенчатого приемочного контроля. В основу стандарта положено понятие приемлемого уровня качества (ПРУК) qo, которое рассматривается как максимально допустимая потребителем доля дефектных изделий в партии, изготовленной при нормальном ходе производства. Вероятность а забраковать партию с долей дефектных изделий, равной qo, для планов стандарта мала и уменьшается по мере возрастания объема выборки. Для большинства планов ее не превышает 0,05. При контроле изделий по нескольким признакам стандарт рекомендует классифицировать дефекты на три класса: критические, значительные и малозначительные.
Одним из основных инструментов в арсенале статистических методов контроля качества являются контрольные карты. Принято считать, что идея контрольной карты принадлежит известному американскому статистику Уолтеру Л. Шухарту. Контрольная карта (Рис. 1) состоит из центральной линии, двух контрольных пределов (над и под центральной линией) и значений характеристики (показателя качества), нанесенных на карту для представления состояния процесса. В определенные периоды времени отбирают (все подряд; выборочно; периодически из непрерывного потока и т. д.) п изготовленных изделий и измеряют контролируемый параметр [26]. Результаты измерений наносят на контрольную карту, и в зависимости от этого значения принимают решение о корректировке процесса или о продолжении процесса без корректировок. Сигналом о возможной разналадке технологического процесса могут служить: выход точки за контрольные пределы (процесс вышел из-под контроля); расположение группы последовательных точек около одной контрольной границы, но не выход за нее свидетельствует о нарушении уровня настройки оборудования; сильное рассеяние точек на контрольной карте относительно средней линии свидетельствует о снижении точности технологического процесса.
Разработка и внедрение корпоративной системы операционных улучшений «НТМК-ЕВРАЗ»
Техническое обслуживание. Объектами системы технического обслуживания и ремонтов являются производственные активы ключевых бизнес-процессов предприятия. Эффективная работа основного производства на металлургическом предприятии, выпуск продукции с действующего оборудования, бесперебойная и интенсивная работа оборудования, максимальный выход качественной продукции - все это в значительной мере зависит от работы ремонтных служб. Поломки, аварии и плохое техническое состояние механического оборудования решающим образом влияют на всю эффективность деятельности предприятия, на основные экономические показатели его работы. Расходы на техническое обслуживание и ремонты занимают значительную долю производственных затрат металлургического предприятия. Сокращение этих расходов - важный фактор снижения себестоимости выпускаемой продукции и обеспечения конкурентоспособности предприятия на рынке. Политика менеджмента - понижать затраты на ремонты в целях бережливого производства. Политика ремонтных служб - повышать объем заявок на финансирование в целях надежного производства [57]. Поведенческий аспект базируется на принципах планово-предупредительных ремонтов, предусматривающих вывод оборудования в ремонт в соответствии со структурой ремонтного цикла - определенного чередования следующих видов работ: межремонтное обслуживание и периодические операции; текущие (плановые) ремонты; плановые капитальные ремонты. Техническое обслуживание и периодические операции предусматривают обеспечение исправности оборудования путем постоянного проведения профилактических осмотров, своевременного обнаружения и устранения неисправностей. Текущий ремонт предусматривает устранение дефектов в работе оборудования, выявленных на день останова агрегата для ремонта, замену быстроизнашивающихся деталей, выявление деталей, требующих замены или ремонта при среднем или капитальном ремонте; выполнение профилактических работ, обеспечивающих надежную эксплуатацию оборудования в период между очередными ремонтами. Целью текущего ремонта является обеспечение и (или) восстановление работоспособности оборудования, заключающиеся в замене и (или) восстановлении отдельных деталей, узлов, частей металлоконструкций, трубопроводов и других элементов; смене масла в системах жидкой смазки, гидравлики; проверке креплений и замене вышедших из строя крепежных деталей и т.д. Сроки остановки агрегатов на текущие ремонты определяются в соответствии с утвержденным графиком ремонтов. На текущие ремонты, как и при проведении технического обслуживания, в информационной системе создаются заказы на проведение работ технического обслуживания и ремонтов. В них планируются регламентные замены деталей, узлов, механизмов в соответствии с установленными сроками службы; замены деталей, узлов, механизмов в соответствии с установленной наработкой; регламентные работы по определению состояния оборудования; работы, определенные фактическим состоянием оборудования. Запланированные в заказах потребности в трудовых и материальных ресурсах в денежном выражении являются плановой сметой затрат на ремонт. Капитальный ремонт предусматривает полную разборку оборудования, осмотр всех деталей, замену отдельных деталей и узлов, устранение всех дефектов, испытание и апробирование. Целью капитального ремонта является восстановительный ремонт, в объем которого включается восстановление работоспособности, исправности и полное или близкое к полному восстановление ресурса оборудования с заменой или восстановлением его частей и технико-экономических параметров агрегата, совершенствование его проектных характеристик. Необходимость проведения капитального ремонта устанавливается на основе акта технического состояния, который готовится на основании обследования объекта ремонта. В заказах на проведение работ на капитальные ремонты планируются работы, определенные ведомостью дефектов, проектной и технической документацией, проектами организации работ. Остановка основных агрегатов на капитальный ремонт осуществляется согласно приказу директора предприятия. В приказе указываются дата остановки и продолжительность ремонта, определяется объем работ, из числа инженерно-технических работников структурного подразделения назначается начальник ремонта, ответственные лица, комиссия для приемки и сдачи агрегата в эксплуатацию после капитального ремонта. К приказу прилагаются смета затрат с разбивкой по статьям затрат, план обеспечения материалами, запасными частями и оборудованием с указанием сроков и стоимости, график финансирования закупочных организаций, перечень ТМЦ, график сроков списания затрат, исполнители. До издания приказа о капитальном ремонте подразделение-заказчик координирует и контролирует все подготовительные работы, проводимые отделами и подразделениями комбината и подрядными организациями, следит за вьшолнением заказов на изготовление металлоконструкций и оборудования и несет ответственность за соблюдение графика подготовки к капитальному ремонту.
На основании сообщений о проведенных операциях, структуре и регламенте ремонтного цикла осуществляется планирование ремонтно-восстановительных работ, а именно: создание заказов; планирование материальных и трудовых ресурсов; планирование ремонтов на период; отметка о вьшолнении ремонтов. Состав и объем ремонтных работ определяются на основе нормативно-лимитного подхода. Выходными данными являются: устойчивая работа оборудования, стабильность технологического процесса, выпуск продукции, соответствующей установленным требованиям, акты приемки оборудования после проведения ремонтов. Техническое обслуживание оборудования выполняется технологическим, ремонтным и оперативным персоналом производственных цехов, ремонтным и оперативным персоналом ремонтных подразделений (в некоторых случаях - с привлечением подрядных организаций). Оборудование, подлежащее техническому обслуживанию, распределено и закреплено распоряжениями руководителей ремонтных и производственных цехов за определенными лицами подчиненного персонала. В информационной системе технического обслуживания, создаются заказы проведения работ на технических объектах, определяющие в классификаторе оборудования уровень участка, агрегата. В этих заказах планируется подготовка и сборка узлов и механизмов; работы по настройке, регулировке, ремонту, выполняемые без вывода агрегата, механизма из цикла производства.
Потенциал реализации идей. Фокусы операционных улучшений в сфере технического обслуживания и ремонтов определяются следующим: большие материальные активы, число и разнообразие объектов ремонта; большое разнообразие в параметрах текущего состояния оборудования; необходимость многокомпонентного системного технического учета; большое разнообразие средств и подходов технической диагностики состояния оборудования; значительная затратность технического обслуживания и ремонтов, значимые факторы риска от поломок и отказов; высокая вариантность возможных решений по проведению технического обслуживания и ремонтов; необходимость учета проведения оптимизации одновременно по двум критериям - затраты и риски (или нескольким категориям); большой потенциал от применения информационных технологий для мониторинга, технического учета, контроллинга и планирования; выполнение ремонтных работ собственными силами, на аутсорсинге и на подряде. Типовые потери в системе технического обслуживания и ремонтов: брак продукции; аварии, инциденты на оборудовании, снижение плановых объемов продукции; уменьшение продуктивности оборудования; рост запасов на складах; необоснованные ремонты, планирование «по площадям», а не по объектам; недостаточный учет текущего состояния оборудования в процедурах планирования; недостаточный учет показателей фактической загрузки оборудования и текущей производственной программы. Вероятные быстрые операционные улучшения возможны в следующих случаях:
Регламент внесения изменений в технологический процесс производства рельсовой продукции
Исследование и разработка теплоизолирующих и шлакообразующих смесей
Состав теплоизолирующих смесей, используемых для теплоизоляции поверхности зеркала металла в сталеразливочных и промежуточных ковшах включает перлит вспученный и графит аморфный. Существенными техническими недостатками такой смеси при использовании в сталеразливочном ковше являются неконтролируемый процесс науглероживания стали, высокая стоимость и повышенная трудоемкость, связанная с необходимостью ручного разравнивания смеси скребком по поверхности расплава в связи с низкой растекаемостью по поверхности жидкого металла и шлака (вследствие использования в качестве углеродсодержащего материала аморфного графита). Теплоизолирующая смесь для непрерывной разливки стали может содержать кремнеземсодержащий материал и органическую добавку, оксиды кальция, рисовою лузгу. Кремнеземсодержащий материал, имеет следующий состав, мас.%; СаО 30,0-60,0; Si02 20,0-50,0; А120з 3,0-7,0; МпО 0,5-5,0; MgO 3,0-7,0; (Na20+K20) 0,1-2,0; С 4,0-20,0; FeO 0,1-5,0; CaF2 0,001-5,0; Ті02 0,1-2,0 при основности CaO/SiO2=0,6-3,0. В качестве углеродсодержащего материала в теплоизолирующую смесь входит кокс. Существенными техническими недостатками такой смеси при использовании в сталеразливочном ковше являются неконтролируемый процесс науглероживания стали, повышенная себестоимость смеси за счет использования в ее составе импортной органической составляющей (рисовой лузги), высокая травмоопасность вследствие интенсивного горения органической составляющей. Техническими результатами предлагаемого операционного улучшения являются: повышение теплоизолирующей способности смеси; снижение трудоемкости и повышение безопасности при использовании; увеличение выхода годного за счет увеличения серийности разливки стали на МНЛЗ. Для этого разработана теплоизолирующая смесь для утепления стали в сталеразливочном ковше. Смесь содержит вспученный перлит и углеродсодержащий материал. В качестве углеродсодержащего материала используются пылевидные отходы установки беспылевой выдачи кокса фракции 0-0,1 мм 6-10%, 0,1-0,25 мм 47-50%, 0,25-0,5 мм 25,8-26,8%, 0,5-3,0 мм 10,7 - 16,7, 3,0 мм -менее 1,2%, с содержанием углерода не менее 82%, зольностью менее 9,7%, влажностью менее 0,8%, причем указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: перлит 52,63-63,16; пылевидные отходы установки беспылевой выдачи кокса 36,84-47,37. Соотношение компонентов подобрано экспериментальным путем. При изменении соотношения компонентов снижаются растекаемость по поверхности расплава и теплоизолирующие свойства шлаковой смеси. Функциональное назначение входящих в теплоизолирующую смесь ингредиентов следующее: вспученный перлит, являясь сыпучим компонентом с массовой долей элементов: СаО - менее 2,0%; Si02 65,0-75,0%; А1203 10,0-16,0%; MgO - менее 1,0%; (Na20+K20) 9%; Fe203 - менее 3,0%, имеющий малый насыпной вес 60-200 кг/м3 и высокие теплоизолирующие свойства (теплопроводность 0,052-0,07 вт/м) используется в качестве каркаса смеси при создании пористой (рыхлой) структуры; пылевидные отходы установки беспылевой выдачи кокса служат для снижения процесса спекания зерен перлита и тем самым позволяют длительное время сохранять пористую (рыхлую) структуру смеси, а также вследствие своей псевдотекучести -повышению растекаемости смеси по поверхности расплава, что исключает проведение операции ручного разравнивания смеси с целью исключения наличия оголенных участков зеркала жидкого расплава.
Оптимальность такого соотношения подтверждается тем, что содержание в смеси пылевидных отходов установки беспылевой выдачи кокса 36,84-47,37 мас.% отвечает высоким теплоизолирующим свойствам и достаточной растекаемости по поверхности жидкого расплава, исключающей операцию разравнивания. При увеличении содержания пылевидных отходов установки беспылевой выдачи кокса более 47,37 мас.% наблюдалось некоторое увеличение теплоизолирующих свойств при значительной растекаемости смеси, однако приводило к резкому науглероживанию металла. Содержание пылевидных отходов установки беспылевой выдачи кокса менее 36,84 мас.% снижает теплоизолирующие свойства и растекаемость смеси по поверхности расплава. Использование пылевидных отходов установки беспылевой выдачи кокса с влажностью более 0,8% и фракцией 0,1-0,25 мм менее 47% приводит к резкому снижению растекаемости смеси.
В экспериментах использовался вспученный перлит с массовой долей элементов: СаО -менее 2,0%; Si02 66,0%; А1203 12,0%; MgO - менее 1,0%; (Na20+K20) 8,7%; Fe203 -менее 3,0%, насыпным весом 60-70 кг/мЗ и пылевидные отходы установки беспылевой выдачи кокса фракции 0-0,1 мм 6-10%, 0,1-0,25 мм 47-50%, 0,25-0,5 25,8-26,8%, 0,5-3,0 10,7-16,7, 3,0 мм - менее 1,2%, с содержанием углерода не менее 82%, зольностью -менее 9,7% и влажностью менее 0,8%. Экспериментальную теплоизолирующую смесь изготавливали путем перемешивания исходных компонентов в смесительной установке. Для достижения равномерного состава смеси компоненты перемешивали в течение не менее 30 минут при скорости вращения ротора 22 об/мин. Использование теплоизолирующей смеси производили в сталеразливочных ковшах при производстве сталей марок ст.3-5 сп., Э76, Э76Ф. По окончании внепечной обработки на установке печь-ковш либо установке дегазации стали непосредственно перед отдачей стали на МНЛЗ на зеркало жидкого расплава задавали теплоизолирующую смесь в количестве 0,5 м3. В результате применения смеси достигается повышение теплоизолирующей способности. Использование теплоизолирующей смеси в сталеразливочном ковше позволило снизить градиент температуры металла в промежуточном ковше до 7-9С и, как следствие, отбраковку металла по нарушению температурно-скоростного режима на 0,7%, повысить серийность в среднем на 0,5 плавки, снизить технологические отходы на 0,4 кг/т стали.
Качество рельсов ОАО «НКМК»
На основе многочисленных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что сопротивление рельсов износу и повреждаемости контактно-усталостными дефектами значительно возрастает по мере измельчения структуры [101]. В этом направлении выполнен большой объем научно-исследовательских работ и промышленных экспериментов, а именно: разработана и запатентована технология производства рельсов повышенной износостойкости из стали с содержанием углерода до 0,90 % и микролегирующими добавками ванадия (0,07 - 0,08 %) и азота (0,012 - 0,017 %) [102]. В ходе эксплуатационных наблюдений на перевальном участке Иркутск - Слюдянка Восточно-Сибирской железной дороги, отличающемся большим числом участков малого радиуса, выявили высокую износостойкость рельсов из стали заэвтектоидного состава - их удельный боковой износ составил на 1 млн т брутто-груза 0,076 - 0,072 мм, в то время как для стандартных рельсов он достигает 0,124 мм. Дальнейшее увеличение содержания углерода лимитируется образованием структурно-свободного цементита по границам зерен перлитных колоний в виде сетки, что приводит к резкому снижению ударной вязкости стали и динамической прочности рельсов.
Другое важное направление - создание рельсов низкотемпературной надежности. Новая технология производства таких рельсов [103] позволила обеспечить безопасность движения при температурах минус 40С и ниже. По данным служб пути на дорогах, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями, одиночные изъятия по дефектам в 2,0-2,5 раза больше зимой, чем летом. Низкие температуры особенно неблагоприятно сказываются на развитии усталостных трещин в головке рельсов, уложенных на бесстыковом пути, а также на пластичности и вязкости, в результате чего возможно хрупкое разрушение рельса. Чтобы повысить низкотемпературную надежность рельсового металла, необходимо обеспечить формирование мелкозернистой структуры за счет образования карбонитридов ванадия, что возможно при достаточном количестве ванадия и азота в стали. Установлено, что гарантированное получение необходимой ударной вязкости рельсов низкотемпературной надежности обеспечивается при содержании азота 0,010 - 0,020 % и ванадия 0,07 - 0,08 %.
Благодаря оптимизации химического состава углеродистой рельсовой электростали и применению технологии карбонитридного упрочнения достигнуто значительное повышение эксплуатационной стойкости рельсов до уровня мировых стандартов, обеспечившее наработку более 1 млрд т брутто.
За последние годы в развитии транспорта России наметилось новое направление -строительство высокоскоростных железнодорожных магистралей. Необходимость создания рельсов новой категории стала очередным стимулом поиска перспективных технических решений, а также совершенствования существующих технологий. В частности, разработаны и запатентованы химический состав и технология производства рельсов из низколегированной стали Э76ХГФ [104]. Эти рельсы в горячекатаном состоянии имели удовлетворительное качество по неметаллическим включениям, макроструктуре, копровой прочности, механическим характеристикам, обезуглероженному слою и остаточным напряжениям. Обеспечение прямолинейности рельсов потребовало технических решений, направленных на улучшение режима правки, применение гибочных машин и подстуживания подошвы по всей длине рельса перед закалкой, а также на оптимизацию режимов закалки и отпуска. Это позволило наладить производство рельсов для скоростного совмещенного движения.
Как показывает практика, при эксплуатации на рельсах часто возникают термомеханические повреждения, вызванные структурными превращениями в стали. Вследствие проскальзывания колеса на поверхности качения головки рельса в зоне контакта протекают мгновенные структурные и фазовые изменения, сопровождающиеся образованием вторичной структуры (нетравящейся белой зоны), которая отличается высокой твердостью и хрупкостью. При моделировании процесса ударных нагрузок на образцах из стали с разным содержанием углерода и легирующих элементов выявили, что именно от химического состава стали зависит образование вторичных структур. Установлено, что сопротивление рельсов образованию дефектов термомеханического происхождения повышается с уменьшением содержания углерода в стали. В связи с этим еще одним перспективным направлением в развитии рельсового производства стало создание рельсов нового поколения - с бейнитной структурой. Формирование такой структуры с комплексом высоких механических свойств достигается рациональными концентрационными пределами легирующих элементов.
Проведенные лабораторные и промышленные эксперименты позволили разработать и запатентовать химические составы бейнитных рельсовых сталей [105,106]. Из серии плавок наибольший интерес представляла сталь, содержавшая (массовая доля, %): 0,32 С; 1,48 Мп; 1,21 Si; 1,0 Сг; 0,2 - 0,3 Мо; 0,13 V; 0,012 N. Опытные рельсы отличались комплексом повышенных свойств и удовлетворительной технологичностью, благодаря экономному легированию имели пониженную себестоимость и, что не менее важно, позволяли отказаться от экологически вредной технологии объемной закалки в масле.
В силу того, что развитие рельсового производства в направлении использования новых сталей не требует значительных капитальных вложений и реконструкции, оно в настоящим момент может быть признано приоритетным. Параллельно проводятся исследования по освоению в промышленном производстве прогрессивной технологии дифференцированной закалки рельсов. Это позволит обеспечивать железнодорожный транспорт рельсами, обладающими большими надежностью и ресурсом.
Таким образом, в качестве основных направлений развития производства рельсов в ОАО НКМК следует отметить следующие: применение износостойкой стали с увеличенным содержанием углерода (до 0,9 %) и микролегирующими добавками (0,07-0,8% V; 0,012 - 0,017 % N); выпуск высоконадежных рельсов для работы при низких климатических температурах из стали, содержащей 0,01 - 0,02 % N и 0,07 - 0,08 % V); применение стали бейнитного класса, отличающейся сбалансированным комплексом механических свойств, а также из низколегированной электростали для рельсов повышенной точности, предназначенных для высокоскоростных магистралей.
