Способ производства рельсовой стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству рельсовой стали. Способ включает выплавку стали в электропечи без раскисления металла и шлака, выпуск металла в ковш с отсечкой печного шлака. Металл продувают в ковше азотом и аргоном. Во время выпуска и продувки осуществляют присадку шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец. Затем производят микролегирование стали на установке «печь-ковш» ванадием. Далее сталь модифицируют ферросплавом, содержащим кремний, кальций, барий, в котором отношение бария к кальцию составляет 1,0-1,5, а их количество в составе ферросплава 150-300 г/т стали. Осуществляют продувку стали аргоном на установке «печь-ковш». Использование изобретения повышает пластические свойства рельсовой стали. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к технологии производства стали, предназначенной для изготовления рельсов.

Известно, что эксплутационная стойкость железнодорожных рельсов зависит от физико-механических свойств металла и характера загрязненности их неметаллическими включениями.

Известен способ раскисления и модифицирования рельсовой стали ферросиликокальцием [1]. Этот способ позволяет получить в рельсах неметаллические включения силикатов сложного состава, которые менее вредны при их эксплуатации, чем строчки глинозема при раскислении стали алюминием. Недостатком способа является то, что его использование приводит к понижению ударной вязкости рельсов, что повышает их склонность к хрупкому разрушению, особенно при низких температурах.

Известно, что микролегирование рельсовой стали ванадием до 0,15% при содержании в ней 0,01-0,02% азота приводит к повышению ударной вязкости даже при -60°С [2], однако при этом снижаются пластические свойства металла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ производства рельсовой стали, включающий выплавку стали в электропечи без раскисления металла и шлака, выпуск металла в ковш с отсечкой печного шлака, продувку металла в ковше азотом и аргоном, присадку во время выпуска и продувки шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец, и микролегирование стали на установке «печь-ковш» ванадием [3]. Недостатком способа является то, что выплавляемая сталь имеет недостаточный уровень пластичности, что приводит к преждевременному образованию контактно-усталостных дефектов в период длительной эксплуатации рельсов.

Поставлена задача создать способ производства рельсовой стали, обеспечивающий повышение пластических свойств рельсов при сохранении требуемой прочности.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе производства рельсовой стали, включающем выплавку стали в электропечи без раскисления металла и шлака, выпуск металла в ковш с отсечкой печного шлака, продувку металла в ковше азотом и аргоном, присадку во время выпуска и продувки шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец, и микролегирование стали на установке «печь-ковш» ванадием, после микролегирования стали на установке «печь-ковш» ванадием ее модифицируют ферросплавом, содержащим кремний, кальций, барий, в котором отношение содержания бария к кальцию составляет 1,0-1,5, а их количество в составе ферросплава - 150-300 г/т стали. Для обеспечения необходимого содержания азота в стали при продувке ее аргоном на установке «печь-ковш» ванадий вводят в виде азотированного феррованадия.

Сущность заявляемого способа состоит в том, что повышение уровня пластичности рельсов, в частности значений относительного удлинения, относительного сужения и ударной вязкости, достигают за счет одновременного введения бария и кальция в сталь после микролегирования ее ванадием. При таких условиях обеспечивается высокий эффект модифицирования стали за счет изменения микростроения расплава и приближения его к равновесному состоянию. Именно такая последовательность введения ванадия, кальция и бария приводит к изменению условий кристаллизации стали, измельчению литой структуры и повышению пластических свойств твердого металла.

Сравнение физико-химических характеристик бария и кальция (атомный радиус, строение электронной оболочки, плотность, температуры плавления и испарения, давление насыщенных паров) позволяет предполагать, что барий должен проявлять себя при выплавке стали как более сильный модификатор. В то же время эквивалентный массовый расход бария на связывание и удаление кислорода и серы из стали, как следует из соотношения атомных масс бария и кальция, в 3,4 раза выше. Суммарное количество бария и кальция в пределах 150-300 г/т стали, вводимых на установке «печь-ковш», установлено экспериментально на основании результатов промышленных испытаний предложенного способа и определения физико-механических свойств полученных рельсов.

Нижний предел по количеству вводимого бария и кальция определяется началом заметного проявления эффекта повышения пластичности стали. Верхний предел по количеству вводимого бария и кальция обусловлен ограничениями по регламентации количества образующихся сульфидов кальция, осложняющих процесс разливки стали вследствие зарастания разливочного стакана, и глобулярных оксидов, недеформирующихся при прокатке и создающих локальное напряженное состояние в металлической матрице около этих включений.

При указанных ограничениях суммарного количества вводимого бария и кальция должно соблюдаться соотношение в вводимом ферросплаве бария к кальцию в пределах 1,0-1,5. Это обусловлено тем, что при соотношении менее 1,0 эффект повышения пластичности металла проявляется недостаточно, а при соотношении более 1,5 эффект дальнейшего повышения пластичности рельсов практически отсутствует и снижается степень обессеривания стали.

Опытные плавки проводили в 100-тонных дуговых электросталеплавильных печах ЭСПЦ-2 с основной футеровкой на Новокузнецком металлургическом комбинате. Рельсовую сталь выплавляли без предварительного осадочного и диффузионного раскисления в печи, выпускали в ковш с отсечкой печного шлака, осуществляли продувку металла в ковше азотом и аргоном, по ходу выпуска вводили шлакообразующую смесь и часть ферросплавов. Другую их часть присаживали на установке "печь-ковш" во время продувки аргоном. Ванадий на опытных плавках, продуваемых аргоном, вводили в виде 50%-ного феррованадия и азотированного феррованадия для обеспечения необходимого содержания азота. После введения феррованадия вводили проволоку с наполнителем из ферросплава, содержащего 8,0% Ва и 7,8% Са. Средний суммарный расход бария и кальция на опытных плавках составил 272 г/т стали. На сравнительных плавках вводили проволоку с наполнителем из FeSiCa из расчета введения кальция в среднем 230 г/т стали.

Средние значения механических свойств, твердости и ударной вязкости рельсов из стали, выплавленной по предлагаемому способу и по способу-прототипу, применяемому в настоящее время на ОАО "НКМК", представлены в таблице.

Приведенные в таблице сравнительные средние данные для 10 опытных плавок показывают, что при одновременном введении бария и кальция в сталь, содержащую 0,07-0,15% ванадия, достигается эффект повышения пластичности металла, в частности относительного удлинения и относительного сужения, а также ударной вязкости при +20°С и -60°С.

Предлагаемый способ производства рельсовой стали может быть использован для выплавки стали, предназначенной для массового производства рельсов различного назначения с целью повышения их пластичности и эксплутационной стойкости.

Источники информации

1. Способ раскисления и легирования рельсовой стали. А.С. СССР №632736, кл. С21С 7/06.

2. Оптимизация химического состава стали и технологии производства рельсов низкотемпературной надежности. Сталь. 2005. №6, с 134-136.

3. Способ получения рельсовой стали. Патент РФ №2254380, кл. 7 С21С 7/00.

Таблица
Сравнение средних значений механических свойств, твердости и ударной вязкости рельсов опытных и сравнительных плавок по результатам приемосдаточных испытаний
Вариант микролегирования и модифицирования стали	Содержание ванадия в стали, %	Количество плавок, шт.	Среднее количество вводимого модификатора, г/т	σв, Н/мм2	σ02, Н/мм2	δ, %	ψ, %	НВ, пкг	Дж/см2
Предлагаемый способ	0,07-0,15	10	272 Са и Ва	1280	920	13,25	37,20	369,0
Способ-прототип	Среднее за 2004 г	230 Са	1280	920	11,48	36,63	368,8

1. Способ производства рельсовой стали, включающий выплавку стали в электропечи без раскисления металла и шлака, выпуск металла в ковш с отсечкой печного шлака, продувку металла в ковше азотом и аргоном, присадку во время выпуска и продувки шлакообразующей смеси и ферросплавов, содержащих кремний и марганец, и микролегирование стали на установке "печь-ковш" ванадием, отличающийся тем, что после микролегирования стали на установке "печь-ковш" ванадием ее модифицируют ферросплавом, содержащим кремний, кальций, барий, в котором отношение бария к кальцию составляет 1,0-1,5, а их количество в составе ферросплава 150-300 г/т стали.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на установке "печь-ковш" осуществляют продувку стали аргоном, при этом ванадий вводят в виде азотированного феррованадия для обеспечения необходимого содержания азота в стали.