Введение к работе
Актуальность работы. Надежная работа железных дорог Российской Федерации во многом связана с качеством и эксплуатационной стойкостью одного из основных элементов железнодорожного пути – рельсов. Широкий спектр требований, предъявляемых к железнодорожным рельсам в связи с увеличением интенсивности движения поездов, их скоростей и осевых нагрузок, требует совершенствования технологических процессов и внедрения новых технологий при производстве рельсов, обеспечивающих требуемые свойства и параметры профиля.
В настоящее время рельсовая сталь на ОАО «НКМК» выплавляется с использованием современных технологий, включающих плавку стали в дуговых электропечах и разливку на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Более широкие технологические возможности электросталеплавильных печей позволяют организовать производство рельсов улучшенного металлургического качества, в том числе предназначенных для эксплуатации в особо сложных условиях.
Большую роль в повышении качества и эксплуатационной стойкости железнодорожных рельсов играет прокатное производство. Оптимизация прокатки рельсов осуществляется внедрением эффективных технологических режимов прокатки с использованием теоретически обоснованных с применением моделирования технологий, применением технически совершенного оборудования. Прокатка высококачественных рельсов предусматривает точное выполнение профиля рельса, соблюдение заданных размеров и допусков на них, обеспечение необходимых прочностных свойств и макроструктуры, получение качественной поверхности. Кроме этого, тенденции развития технологии производства железнодорожных рельсов предполагают получение высокопрочных рельсов повышенной прямолинейности, особенно по концам рельса.
Однако структурные особенности непрерывнолитой заготовки предполагают изучение целого комплекса вопросов при ее использовании для производства рельсов.
Также необходимо отметить, что, несмотря на многочисленные меры, принимаемые для снижения концевой кривизны рельсов, эффективность их реализации явно недостаточна ввиду скрытого влияния ряда неучтенных факторов.
Таким образом, исследование формоизменения металла при прокатке, анализ калибровки, разработка и внедрение технологии прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки, а также установление физических и технологических факторов искривления рельсов в процессе прокатки является актуальной задачей, как в научном, так и в практическом плане.
Цель работы. Разработка и внедрение технологии прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки, обеспечивающей существенное повышение их качества, установление причин образования концевой кривизны рельсов после прокатки и способы их устранения.
Основные задачи.
1. Путем анализа полей скоростей течения металла при деформации в чистовом рельсовом калибре оптимизировать его положение в валках по силовым условиям.
2. Исследовать деформированное состояние металла при двусторонней и односторонней разрезке применительно к прокатке рельсов. Провести исследование формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.
3. Исследовать энергосиловые параметры и изменения макроструктуры непрерывнолитой заготовки при прокатке рельсов в черновых калибрах.
4. На основании проведенных исследований разработать и внедрить новую технологию прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.
5. Исследовать причины образования концевой кривизны рельсов при прокатке и разработать способы по ее устранению.
Методы выполнения работы. Обобщение отечественного и зарубежного опыта модернизации технологии прокатки железнодорожных рельсов; решение задач по теоретической оценке мощности деформации металла в чистовых рельсовых калибрах в зависимости от их расположения в валках на основе кинематически возможного поля скоростей; расчет остаточных напряжений по уравнениям, позволяющим оценить значения нормальных напряжений в рельсах после прокатки; лабораторные исследования формоизменения металла в калибрах; промышленные исследования энергосиловых параметров и влияние степени деформации на макроструктуру непрерывнолитой заготовки при прокатке рельсов в черновых калибрах; статические методы обработки данных.
Научная новизна.
1. Получены новые научные знания энергетических характеристик деформирования металла в чистовом двухвалковом рельсовом калибре в зависимости от его наклона в валках путем анализа полей скоростей течения металла.
2. Получены графики распределения высотной и поперечной деформации по сечению металла в ящичных и трапецеидальных калибрах применительно к прокатке рельсов Р65 с предварительной разрезкой заготовки в системе черновых калибров. Получены закономерности формоизменения осевой пористости в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.
3. Методом ультразвукового контроля исследовано изменение макроструктуры непрерывнолитой рельсовой заготовки при прокатке в черновых калибрах.
4. Разработаны методики определения размеров разрезных ручьев в черновых калибрах и размеров элементов чистового калибра для прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.
5. Методом расчета получена сравнительная оценка остаточных напряжений, действующих в рельсах после прокатки в чистовом двухвалковом и чистовом универсальном калибрах.
Достоверность результатов и выводы. Анализ деформации металла при прокатке рельсов базируется на фундаментальных положениях теории пластичности и подтверждается экспериментальными исследованиями и практическим внедрением в производство.
Практическая значимость.
1. Разработаны два новых способа прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки в черновых калибрах.
2. Разработан новый способ калибровки чистового рельсового калибра.
3. Разработана новая калибровка для прокатки железнодорожных рельсов из непрерывнолитой заготовки с уменьшенным уширением в рельсовых калибрах.
4. Разработана новая технология прокатки рельсов с использованием универсальных калибров.
Реализация результатов работы в промышленности. Новые усовершенствования прокатки железнодорожных рельсов из непрерывнолитой заготовки, разработанные по результатам проведенных исследований, внедрены на Новокузнецком металлургическом комбинате с годовой эффективностью 23,4 млн. руб./год.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
1. Оптимизация процесса прокатки рельсов в чистовом рельсовом двухвалковом калибре по силовым условиям путем анализа полей скоростей течения металла.
2. Исследование деформированного состояния металла при двусторонней и односторонней разрезке применительно к прокатке рельсов. Исследование формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.
3. Энергосиловые параметры при прокатке литых и катаных заготовок, изменения макроструктуры непрерывнолитой заготовки при прокатке рельсов в черновых калибрах.
Разработка новой технологии прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.
4. Исследование причин образования концевой кривизны рельсов. Новая технология прокатки рельсов с использованием трехвалкового предчистового и четырехвалкового чистового универсальных калибров.
Личный вклад автора состоит в постановке и анализе решения задачи, оптимизации процесса прокатки рельсов на основе полей скоростей течения металла, в сравнительной оценке величин остаточных напряжений в рельсах после прокатки, в разработке новых способов прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки, проведении лабораторных экспериментов по исследованию формоизменения металла при деформации в калибрах, во внедрении результатов в производство.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на III-ем (г. Липецк, 1999 г.) и IV-ом (г. Магнитогорск, 2001 г.) Конгрессах прокатчиков; на заседании рельсовой комиссии (г. Новокузнецк, 1999 – 2002 г.); на международном семинаре по обработке металлов давлением СибГИУ (г. Новокузнецк, 2001 – 2002 г.); межрегиональной конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Новокузнецк, 2001 г.); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодость: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество» (г. Новокузнецк, 2008 г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 7 научных работах, в том числе в 2 статьях в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских и кандидатских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения.
Работа изложена на 194 страницах, содержит 70 рисунков, 31 таблицу, список используемой литературы из 133 наименований.
