РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ Российский патент 2002 года по МПК C22C38/28 

Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к химическому составу сталей, предназначенных преимущественно для изготовления железнодорожных рельсов широкой колеи типа Р65, эксплуатируемых на скоростных участках магистральных железнодорожных путей, в том числе в регионах с холодным (до-60^oС) климатом.

Одним из эффективных путей разрешения транспортных проблем, как показывает мировой опыт, является строительство высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ), так, например, пассажирские железнодорожные перевозки со скоростями движения поездов до 330-350 км/ч, получившие широкое применение в Западных странах (Франция, Германия, Италия и Япония), которые экономичнее по сравнению с автомобильным и воздушным транспортом в 5 и 10 раз соответственно.

В России введена в эксплуатацию ВСМ "Санкт-Петербург - Москва". В ближайшей перспективе строительство ВСМ будет интенсивно расширяться. Причем особенностью российских ВСМ является совмещение пассажирского и грузового движения, остающегося одним из главных способов грузоперевозок в нашей стране, в том числе в регионах Западной и Восточной Сибири.

Важной характеристикой рельсов для ВСМ является их прямолинейность (величина предельных неровностей на поверхности катания) в вертикальной плоскости, так как, чем она лучше, тем, соответственно, меньше динамическая нагрузка на рельсы при движении поездов, а следовательно, выше надежность и срок службы рельсов [1]. Минимизация величины дефектов по прямолинейности является также эффективным средством снижения шума при движении поездов.

Совмещение пассажирского и грузового движения на отечественных ВСМ, в том числе в регионах с холодным климатом, выдвигает дополнительные требования к рельсам для ВСМ. Они наряду с высокой прямолинейностью должны иметь повышенную износостойкость, определяемую в основном твердостью (прочностью) головки катания, и надежность, т.е. ударную вязкость при отрицательных климатических температурах (до -60^oС). Так, по данным ГУП ВНИИЖТ повышение твердости на поверхности катания головки рельсов с 300 до 400 НВ увеличивает их износостойкость в 1,5-2,0 раза.

Широко используются для изготовления железнодорожных рельсов широкой колеи типа Р65, в том числе для ВСМ, углеродистые марганцовистые стали (0,70-1,30% Mn) типа 76Г, раскисленные комплексными сплавами, содержащими Si, V, Ti, Al, Ca, Zr, после термического упрочнения путем объемной закалки в масле [2, 3].

Недостатком рельсов из этих сталей является их пониженная ударная вязкость при отрицательных климатических температурах и повышенная искривленность по поверхности катания головки рельса, возникающая при их объемной закалке вследствие неравномерного охлаждения в масле из-за большой разнотолщинности рельсового профиля, которая трудно исправима после термической обработки правкой в правильных машинах.

В последние годы в отечественной и зарубежной практике железнодорожные рельсы колеи типа Р65 для скоростного движения изготовляют из низколегированных хромом, марганцем, кремнием и ванадием сталей типа ХГСФ, которые не подвергают объемной закалке в масле и используют в горячекатаном состоянии для обеспечения высоких требований по прямолинейности рельсов.

Наиболее близкой из указанного типа сталей (к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату) является сталь, содержащая в массе %: углерода 0,65-0,75; кремния 0,30-0,70; марганца 0,95-1,30; хрома 0,75-1,15; ванадия 0,04-0,12; железа - остальное [4].

Эта сталь (прототип) в горячекатаном состоянии имеет низкую ударную вязкость при температуре -60^oС, а также пониженную твердость и, как следствие, износостойкость.

Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости при отрицательных климатических температурах (-60^oС) и твердости, а следовательно, износостойкости горячекатаных рельсов.

Технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, кальций, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан, неодим и церий при следующем отношении ингредиентов (в % по массе): углерод 0,71-0,87; кремний 0,40-1,20; марганец 0,70-1,30; хром 0,10-1,20; ванадий 0,05-0,20; титан 0,01-0,05; алюминий 0,014-0,050; кальций 0,02-0,04; лантан 0,001-0,005; неодим 0,001-0,005; церий 0,003-0,010; железо - остальное, причем соотношение содержания алюминия к азоту составляет 2,0-2,5, а максимальная и минимальная суммарная массовая доля лантана, неодима и церия равна соответственно 0,015 и 0,008%.

Комплексное легирование предложенной стали элементами V, Ti, Al, N обеспечивает выделение дисперсных карбонитридных фаз в процессе кристализации, горячей пластической деформации и последующего полиморфного (γ→α)-превращения, что способствует развитию процессов дисперсного упрочнения и формирования в горячекатаных рельсах мелкодисперсной перлитной структуры, необходимой для высокопрочного состояния. Модифицирование стали La, Nd и Се способствуют более глубокому раскислению стали, т.е. снижению в ней вредных оксидных неметаллических включений и глобуляризации сульфидных включений, что существенно повышает ударную вязкость стали, особенно при отрицательных климатических температурах. Пределы содержания элементов, входящих в состав предлагаемой рельсовой стали, выбирались экспериментальным путем.

При соотношении содержания Al/N менее 2 снижается твердость (прочность) горячекатаной стали из-за недостаточного объема выделяемых при дисперсионном твердении дисперсных нитридных фаз-упрочнителей. При соотношении Al/N более 2,5 ухудшается ударная вязкость и пластичность стали из-за большого количества образующихся оксидов алюминия, загрязняющих сталь неметаллическими включениями.

При содержании лантана менее 0,001% не обеспечивается нужной модификации и глобуляризации неметаллических включений, что снижает ударную вязкость при отрицательных температурах. При содержании лантана более 0,005% увеличивается загрязненность стали неметаллическими включениями, снижая ее ударную вязкость.

При содержании неодима менее 0,001% не обеспечивается нужная модификация и глобуляризация неметаллических включений, что снижает ударную вязкость и пластичность стали при отрицательных температурах. При содержании неодима более 0,005% увеличивается загрязненность стали неметаллическими включениями, снижающая ее ударную вязкость.

При содержании церия менее 0,003% не достигается нужный эффект глобуляризации сульфидных включений, что проявляется в снижении ударной вязкости стали. При содержании церия более 0,010% увеличивается загрязненность стали оксидными включениями, из-за чего снижается ее ударная вязкость.

Уменьшение массовой доли La, Nd и Се менее 0,015% (против 0,020%) способствует минимальной загрязненности стали оксидными неметаллическими включениями, которая практически не снижает ударную вязкость горячекатаных рельсов. Увеличение минимальной массовой доли La, Nd и Се до 0,008% обеспечивает наиболее полную глобуляризацию сульфидных включений при допустимом содержании оксидных неметаллических включений в стали.

Ниже приведены варианты осуществления и использования изобретения (табл. 1 и 2), не исключающие другие варианты в объеме формулы изобретения.

Пример
Рельсовую сталь составов по таблице 1 выплавляли на ОАО "НТМК" дуплекс-процессом в 160-т кислородном конвертере в виде полупродукта (железоуглеродистого расплава), выпускали при температуре металла не менее 1630^oС в ошлакованный ковш с температурой футеровки не ниже 900^oС.

Температура металла в ковше после слива из конвертера не ниже 1530^oС. При наполнении ковша на 1/3 производили присадку раскислителей и легирующих, в частности ферросилиция (ФС45), силикомарганца (CMn20), ферромарганца (FMn70), феррохрома (ФХ100) и феррованадия (ФВд40) из расчета получения в ковшевой пробе: углерода, марганца, кремния, хрома и ванадия на 0,05% ниже заданного предела содержания этих элементов в стали требуемого состава. Окончательная корректировка химического состава стали до заданного производилась присадкой необходимых ферросплавов на установке "печь-ковш". Температура металла после обработки на установке "печь-ковш" была в пределах 1570-1580^oС. Рельсовую сталь всех выплавленных составов подвергали вакуумированию на установке циркуляционного типа. Длительность вакуумирования - не менее 15 минут при остаточном давлении не более 3,0 М/бар. В конце вакуумирования сталь продувалась через пористую трубку в дне ковша азотом в течение 3-5 минут с расходом азота от 50 м³/ч до получения заданного содержания азота в стали. После завершения продувки азотом (азотирования) стали вводилась алюминевая и силикокальцевая проволока в количестве 0,07-0,15 кг/т и 1,0-1,3 кг/т соответственно, а также 100-150 кг металла, содержащего лантан, неодим и церий. Температура металла в сталеразливочном ковше перед разливкой на МНЛЗ находилась в пределах 1525-1540^oС.

Разливка плавок рельсовой стали производилась на МНЛЗ в кристаллизатор сечением 300х360 мм. Со скоростью 0,4-5 м/мин. Температура металла в промковше составляла 1475-1495^oС.

Прокатка отлитых заготовок на рельсы типа Р65 производилась на рельсобалочном стане 800 по серийной технологии.

Результаты образцов на растяжение по ГОСТ 24182, а также ударной вязкости при комнатной и отрицательной (-60^oС) температуре горячекатаных рельсов типа Р65 представлены в таблице 2. Одновременно (справочно) оценивалась с помощью измерительного устройства ГУП ВНИИЖТ с базой 1,5 м продольная прямолинейность нетермоупрочненных рельсов из предлагаемой стали, стали-прототипа и серийных объемно-закаленных рельсов.

Установлено, что максимальная величина неровностей на длине 1,5 м не превышала 0,3-0,4 мм горячекатаных рельсов из предлагаемой стали, 0,4-0,5 мм у горячекатаных рельсов из стали-прототипа и 0,7-0,8 мм у серийных объемно-закаленных выправленных рельсов. Следовательно, горячекатаные рельсы типа Р65 из предлагаемой стали удовлетворяют требованиям по скоростным совмещенным движениям.

Как видно из табл. 1 и 2 рельсовая сталь, удовлетворяющая заявленному составу (плавки 1-4), имеет повышенную твердость и ударную вязкость при отрицательной температуре (-60^oС). Сталь-прототип (плавка 7) и сталь с содержанием элементов, выходящих за заявленные пределы (плавки 5-6), не имеют комплекса свойств, необходимого для достижения технического результата изобретения.

Источники информации
1. Высокоскоростные железнодорожные магистрали. Материалы Всероссийской конференции. Железнодорожный транспорт. 1991, 3
2. Поляков В. В., Великанов А.В. Основы технологии производства железнодорожных рельсов. М., Металлургия, 1970, 415с.

3. Металловедение. Сталь. Справ. изд. в 2-х томах: пер. с нем. т.2. Применения. В 2-х кн. Кн. 2. Под ред. С.Б. Масленкова - М., Металлургия, 1995, 399с.

4. Галихадзе С.С., Гордиенко М.С., Долгополова А.Ф. и др. Сталь, 2001, 4, стр.62-63.

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке рельсовой стали для скоростных участков железнодорожных путей, эксплуатируемых при температуре до минус 60^oС. Предложена рельсовая сталь, содержащая компоненты в следующем отношении, мас.%: углерод 0,71 - 0,87; кремний 0,40 - 1,20; марганец 0,70 - 1,30; хром 0,10 - 1,20; ванадий 0,05 - 0,20; титан 0,01 - 0,05; алюминий 0,014 - 0,05; азот 0,007 - 0,020; кальций 0,02 - 0,04; лантан 0,001 - 0,005; неодим 0,001 - 0,005; церий 0,003 - 0,010; железо - остальное. Причем соотношение содержания алюминия к азоту составляет 2,0 - 2,5. Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости при отрицательных температурах до -60^oС, повышение твердости на поверхности катания головки рельса и износостойкости. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Рельсовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, титан, алюминий, кальций, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан, неодим и церий при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:
Углерод - 0,71 - 0,87
Кремний - 0,40 - 1,20
Марганец - 0,70 - 1,30
Хром - 0,10 - 1,20
Ванадий - 0,05 - 0,20
Титан - 0,01 - 0,05
Алюминий - 0,014 - 0,050
Азот - 0,007 - 0,020
Кальций - 0,02 - 0,04
Лантан - 0,001 - 0,005
Неодим - 0,001 - 0,005
Церий - 0,003 - 0,010
Железо - Остальное
причем соотношение содержания алюминия к азоту составляет 2,0 - 2,5. 2. Рельсовая сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание в стали лантана, неодима и церия составляет 0,008 - 0,015 мас. %.