СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И КОНТАКТНОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ Российский патент 2021 года по МПК B21B1/85 C22C38/12 

Область техники

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам прокатки и термической обработки железнодорожных рельсов, с использованием остаточного тепла нагрева под прокатку и может быть использовано при изготовлении рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости.

Уровень техники

Известен способ термической обработки рельсов из высокоуглеродистой стали, содержащей 0,90-1,20% углерода, предусматривающий после окончания прокатки в течение < 60c ускоренное охлаждение со скоростью 5-20°С/с кромочных участков подошвы от температур ≥ 650°С, затем головку, шейку и центральную часть подошвы подвергают охлаждению со скоростью 1-10°С/с (JP №4267334 С21D9/04).

Существенными недостатками указанного способа термической обработки являются 1) отсутствие регламентированных температур нагрева под прокатку и окончания прокатки, не позволяющее эффективно измельчить аустенитное зерно и получить высокие значения ударной вязкости, относительного удлинения и сужения; 2) головка и подошва рельса охлаждаются с одинаковой скоростью, вследствие этого рельсы перед правкой имеют большую кривизну и возникает необходимость в холодной правке рельсов по режимам, неблагоприятно сказывающимся на величине остаточных напряжений.

Известен способ получения рельса с перлитной структурой из стали, содержащей 0,65-1,20% углерода, 0,05-2,00% кремния и 0,05 – 2,00% марганца, железо и неизбежные примеси остальное, предусматривающий чистовую прокатку рельса при температуре не более 900°С и охлаждение до температуры не выше 550°С со скоростью 2-30°С/сек (ЕР №2045341 (А1) С21D8/00, С21D 9/04).

Существенными недостатками данного способа являются 1) отсутствие в химическом составе рельсовой стали хрома, никеля и ванадия, оказывающих благоприятное воздействие на микроструктуру и механические свойства рельсов; 2) отсутствие регламентированной температуры нагрева под прокатку, что увеличивает величину исходного аустенитного зерна, уменьшает эффективность режимов прокатки в обжимных клетях, и не позволяет обеспечить необходимый уровень ударной вязкости, пластичности и прочности; 3) отсутствие дифференцированного охлаждения подошвы и головки рельсов, что приводит к увеличению их кривизны после термической обработки и высокому уровню остаточных напряжений.

Известны также способы термической обработки рельсов из углеродистой или низколегированной стали, предусматривающие ускоренное охлаждение рельса с температуры аустенитной области в диапазоне 750-650°С (JP №4267267, С21D 9/04), ускоренное охлаждение со скоростью 5-15°С/с до температуры 650-500°С (RU №2113511, C21D 9/04), ускоренное охлаждение со скоростью 10-30°С/с до температуры 750-600°С (RU №97121881, C21D 9/04, C22C 38/04), ускоренное охлаждение со скоростью 5-15°С/с до температуры 650-500°С (RU №96123715, C21D9/04), ускоренное охлаждение поверхностного слоя головки рельса от Аr1 со скоростью 1-10°С/с и 2-20°С/с на глубине ≥20 мм (JP №3731934, С21D9/04).

Существенными недостатками указанных способов термической обработки рельсов являются: 1) отсутствие регламентированных температур нагрева под прокатку и окончания прокатки, а также регламентированных коэффициентов вытяжек при прокатке в черновых и чистовых клетях, не позволяющие эффективно измельчить аустенитное зерно и получить высокие значения комплекса механических свойств; 2) отсутствие регламентированного охлаждения подошвы рельсов, что неблагоприятно сказывается на их кривизне.

Известен также способ изготовления рельсов, предусматривающий чистовую прокатку рельса в два этапа. На первом этапе прокатывают блюм с обжатием не менее 15% за проход, на второй половине чистовой прокатки выполняют прокатку в один или несколько проходов с обжатием не более 10% за проход в интервале температур 800-950°С. Непосредственно после завершения чистовой прокатки температуру поверхности рельса быстро снижают со скоростью не менее 6°С/сек в течение 0,1-30 сек до 500-600°С, а затем проводят ускоренное охлаждение со скоростью не менее 3°С/сек. (JP 3625224 (В2) 8332501 (А)).

Существенными недостатками данного метода являются отсутствие регламентированных температурных режимов черновой и финишной прокатки, отсутствие регламентированных коэффициентов вытяжек при прокатке в черновых калибрах, что не позволяет произвести эффективное измельчение структуры и получить сочетание высоких значений прочностных и пластических свойств, твердости и ударной вязкости головки рельсов, обеспечивающих высокий уровень износостойкости и контактно-усталостной выносливости рельсов при эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления рельса, предусматривающий прокатку рельсов на стане с универсальной группой клетей тандем при температуре нагрева заготовки под прокатку в интервале от 1100 до 1200°С, чистовую прокатку в интервале температур 850-950°С, ускоренное дифференцированное охлаждение по головке и подошве рельса воздухом или воздухом с примесью воды от температуры 720-850°С со скоростью соответственно 1,5-6,0°С/с до температуры не более 620°С, при этом в каждом конкретном случае скорость охлаждения по головке отличается от скорости охлаждения по подошве. Сталь содержит, мас. %: углерод 0,72-0,78 и при необходимости дополнительно: от 0,15 до 0,60 хрома, от 0,10 до 0,60 никеля, от 0,05 до 0,15 ванадия, от 0,007 до 0,020 азота. (RU 2601847 С1).

Существенным недостатком данного способа производства рельса является отсутствие регламентированных температурных режимов и коэффициентов вытяжек черновой, чистовой прокатки, вследствие чего невозможно получение сбалансированного комплекса прочностных и пластических свойств, твердости и ударной вязкости, обеспечивающих высокий уровень износостойкости и контактно-усталостной выносливости рельсов при эксплуатации.

Задачей изобретения является получение дифференцированно термоупрочненных с использованием остаточного тепла предпрокатного нагрева железнодорожных рельсов, со сбалансированным комплексом механических свойств, а именно: временного сопротивления разрыву не менее 1300 Н/мм², предела текучести не менее 870 Н/мм², относительного удлинения не менее 8,0%, относительного сужения – не менее 20%, твёрдости на поверхности катания головки рельса не менее 400 НВ и ударной вязкости при температуре испытания +20°С не менее 15 Дж/см².

Раскрытие

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления железнодорожных рельсов повышенной износостойкости и контактно-усталостной выносливости, включающем нагрев заготовки под прокатку. многопроходные черновую и чистовую прокатки соответственно в дуо-реверсивных клетях и в универсальных клетях непрерывно-реверсивной группы, последующее дифференцированное охлаждение по головке и подошве рельса от температуры 720 – 870°С до температуры 450 – 600°С, согласно изобретению, черновую прокатку проводят в температурном интервале 950 – 1100°С с коэффициентом вытяжки за проход в пределах 1.12-1,30, а чистовую – в температурном интервале 850 – 1000°С с коэффициентом вытяжки в универсальных калибрах в пределах 1,07-1,18, после чего проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универсальной клети в температурном интервале 820 – 880°С с коэффициентом вытяжки в пределах 1,07-1,10. При этом заготовка выполнена из стали, содержащей мас. %: 0,92-1,2 углерода, 0,2-1,25 марганца, 0,2-0,9 кремния, 0,001-0,06 ниобия, а также при необходимости один или несколько элементов следующей группы мас. %: 0,1-0,8 хрома, 0,05-0,6 никеля, 0,01-0,15 ванадия, 0,005-0,015 азота.

Другим объектом настоящего изобретения является сталь для изготовления железнодорожных рельсов, содержащая мас. %: 0,92-1,2 углерода, 0,2-1,25 марганца, 0,2-0,9 кремния, согласно изобретению, в состав дополнительно введено 0,001-0,06 мас. % ниобия.

Возможен вариант осуществления, согласно которому в состав стали дополнительно введен один или несколько элементов следующей группы мас. %: 0,1-0,8 хрома, 0,05-0,6 никеля, 0,01-0,15 ванадия, 0,005-0,015 азота.

Подробное описание

Термическую обработку рельсов производят непосредственно после прокатки с использованием остаточного тепла предпрокатного нагрева. Охлаждение рельса производят со скоростями от 1,5 до 6 градусов в секунду для достижения сбалансированного комплекса свойств, при этом охлаждение головки, шейки и подошвы производится с различными скоростями для обеспечения необходимой прямолинейности рельсового раската. Температура начала термообработки 720 – 870°С, окончания – 450 – 600°С.

Заявляемые диапазоны технических параметров выбраны экспериментальным путем, исходя из требований к твердости, механическим свойствам, ударной вязкости и микроструктуре рельсов из заэвтектоидной стали.

Выбор заявленной температуры нагрева под прокатку обусловлен тем, что при температурах нагрева НЛЗ под прокатку свыше 1200°С не обеспечивается эффективное подавление рекристаллизационных процессов при прокатке в первых пропусках на обжимных клетях, а при температурах менее 1150°С существенно снижается пластичность стали, вследствие чего увеличиваются нагрузки на валки, происходит их повышенный износ, образуются выколы, увеличивается образование поверхностных дефектов.

Выбор заявленной температуры прокатки в последних пропусках группы тандем от 820 до 880°С обусловлен тем, что при температурах свыше 880°С не достигается эффективное измельчение аустенитного зерна, а при температурах менее 820°С существенно уменьшается пластичность металла, возрастают нагрузки на прокатные валки, и возникает риск получения закалочных структур в поверхностных слоях рельсов вследствие контакта с водой, подаваемой для охлаждения прокатных валков.

Выбор заявляемых коэффициентов вытяжек обусловлен следующими соображениями: при многопроходном обжатии заготовки в валках черновых дуо-реверсивных клетей с вытяжными калибрами с коэффициентом вытяжки за проход более 1,3 при выбранных температурных режимах прокатки происходит интенсивное взаимодействие прокатываемой стали со стенками калибра при этом происходит схватывание и отрыв частиц металла от валков, что в совокупности с циклическими механическими и термическими напряжениями, приводит к повышенному износу калибров. В результате ухудшается качество поверхности рельса и увеличивается расход валков.

При обжатиях заготовок в валках черновых дуо-реверсивных клетей с коэффициентом вытяжки менее 1,12 необходимо увеличение требуемого числа проходов, что значительно снижает производительность стана.

Процесс чистовой многопроходной прокатки в клетях непрерывно-реверсивной группы в температурных интервалах 850 – 1000°С с коэффициентом вытяжки за проход в пределах 1,07 – 1,18 позволяет получить наиболее мелкозернистую структуру и высокие механические свойства рельсовой стали, за счет экспериментально установленной зависимости по увеличению количества образований центров новых зерен при деформации металла в этом диапазоне вытяжек.

Чистовая прокатка при температурах свыше 1000°С не обеспечивает подавление рекристаллизационных процессов и эффективное измельчение зерна, а при температурах ниже 850°С уменьшается пластичность стали, возрастают нагрузки на валки и увеличивается риск образования поверхностных дефектов.

Вытяжка менее 1,07 в температурном интервале от 850 до 1000°С не позволяет эффективно измельчить структуру головки рельса, величина вытяжки в универсальном четырехвалковом калибре более 1,18 в рассматриваемом температурном интервале может привести к появлению анизотропии механических свойств в головке рельса, что ухудшает качество рельса.

Для соблюдения прямолинейности и обеспечения требуемых геометрических размеров профиля рельсов по всей их длине в заданном диапазоне допусков проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универсальной нереверсивной клети в температурном интервале 820 – 880°С с коэффициентом вытяжки в пределах 1,07-1,10.

При температурах финишной прокатки не ниже 820°С и не выше 880°С вытяжка раската с коэффициентом более чем 1,1 приводит к возрастанию контактных нагрузок, увеличению износа валков, ухудшению получения точной геометрии профиля. Вытяжка раската менее 1,07 – приводит к невыполнению высоты выпуклой маркировки по шейке профиля в пределах требуемых ГОСТом.

Заявляемый химический состав стали выбран исходя из следующих предпосылок:

Содержание углерода в металле на уровне 0,92-1,20% при прокатке и термической обработке рельсов, согласно предлагаемой технологии, обеспечивает сбалансированный комплекс механических свойств и твердости. При снижении углерода менее 0,85%, уменьшается количество карбидов и ухудшается прочность и твердость рельсов, с недостижением твердости в заявляемых пределах - свыше 400 НВ. При повышении углерода более 1,20% увеличивается количество структурносвободного цементита в виде зернограничной сетки, снижается ударная вязкость и пластичность рельсов.

Увеличение содержания кремния до 0,9% повышает пределы текучести и прочности рельсовой стали за счет упрочнения твердого раствора феррита в перлитной составляющей, а при снижении содержания кремния менее 0,20% влияние его будет недостаточным. При повышении содержания кремния более 0,90% возрастает вероятность падения пластичности и ударной вязкости.

Марганец улучшает прокаливаемость рельсовой стали и при его концентрации до 1,25 % достигается требуемый уровень твердости и прочности. Если содержание марганца составляет менее 0,20%, влияние его незначительно, при содержании более 1,25% возрастает вероятность образования мартенсита.

Хром увеличивает прокаливаемость рельсовой стали и увеличивает прочность перлита за счет образования легированного цементита. При содержании хрома менее 0,10% воздействие его незначительно, увеличение его содержания более 0,80% приводит к образованию мартенсита.

Никель интенсивно упрочняет феррит, с одновременным сохранением вязкости и снижением порога хладноломкости стали. При содержании никеля менее 0,05% действие его незначительно, увеличение содержания никеля свыше 0,60% приводит к существенному удорожанию стали.

Введение азота в сочетании с ванадием и / или ниобием позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает увеличение сопротивляемости хрупкому разрушению. Наличие карбидо- и нитридообразующих ванадия и / или ниобия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При содержании азота менее 0,005% действие его незначительно, вследствие чего невозможно обеспечить измельчение зерна, а при содержании азота более 0,015% возможны случаи пятнистой ликвации и «азотного» кипения (пузыри в стали). Выбранные содержания ванадия и ниобия обеспечивают получение требуемой ударной вязкости за счет карбонитридного упрочнения. При концентрации ванадия менее 0,05% и ниобия менее 0,001% действие их незначительно. При введении в сталь ванадия более 0,15% и / или ниобия более 0,06% возрастает количество грубых карбонитридов, которые декарируют границы зерна и приводят к снижению ударной вязкости, а также приводят к существенному удорожанию стали.

Пример реализации изобретения

Рельсовую сталь (таблица 1) выплавляли в 100-тонной дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100 И7 и разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали до температуры 1150-1200°С и прокатывали на рельсы типа Р65 длиной 100 м на рельсобалочном стане. Коэффициенты вытяжек рельсовых раскатов при прокатке в дуо-реверсивных клетях и в клетях непрерывно-реверсивной группы представлены в таблице 2, температура рельсовых раскатов – в таблице 3, из которой видно, что прокатку в дуо-реверсивных клетях осуществляли при температурах 950–1100°С, прокатку в клетях непрерывно-реверсивной группы обжатия проводили в температурном интервале 850 – 1000°С. Завершали прокатку в финишной клети в температурном диапазоне 820°С – 880°С с коэффициентом вытяжки 1,08.

Таблица 1

Химический состав рельсовой стали

Номер рельса Массовая доля элементов, % С Мn Si V Cr Ni Сu S Р N₂ Nb 1 0,85 0,20 0,90 0,01 0,80 0,05 0,04 0,010 0,011 0,010 0,001 2 0,89 0,44 0,81 0,05 0,65 0,08 0,05 0,006 0,012 0,007 0,003 3 0,95 0,95 0,57 0,03 0,44 0,40 0,07 0,008 0,011 0,008 0,001 4 1,15 0,80 0,27 0,13 0,15 0,12 0,07 0,012 0,011 0,013 0,034 5 1,20 0,57 0,20 0,01 0,10 0,31 0,09 0,011 0,014 0,017 0,060 6 0,97 1,10 0,44 0,08 0,24 0,17 0,05 0,007 0,013 0,005 0,002 7 0,86 1,25 0,38 0,05 0,31 0,52 0,06 0,006 0,011 0,011 0,017 8 1,17 0,52 0,85 0,15 0,12 0,09 0,07 0,008 0,012 0,014 0,010 9 0,89 0,33 0,29 0,04 0,55 0,60 0,05 0,008 0,014 0,012 0,024 10 1,09 1,00 0,48 0,11 0,22 0,28 0,11 0,011 0,010 0,016 0,001 11 0,92 0,90 0,70 0,09 0,37 0,14 0,06 0,010 0,011 0,020 0,048

Таблица 2

Клеть Номер прохода Коэффициент вытяжки Дуо-реверсивная BD1 1 1,119 2 1,173 3 1,146 4 1,262 5 1,162 6 1,135 7 1,282 Дуо-реверсивная BD2 1 1,296 2 1,188 3 1,113 Непрерывно-реверсивный стан UR1 1,156 ER1 1,081 UF1 1,170 UF2 1,173 ER2 1,017 UR2 1,126 UR3 1,093 ER3 1,014 Универсальная нереверсивная) клеть U0 1,08

Таблица 3

Номер рельса Температура НЛЗ на выдаче из ПШБ, °С Температура рельсового раската при прокатке на клети, °С BD1 BD2 TDM Клеть U0 В первом и третьем пропусках В последнем пропуске максимум минимум максимум минимум максимум минимум 1 1177 1057 1015 1014 1010 908 888 864 2 1184 1072 1036 1029 1024 927 901 875 3 1192 1076 1033 1020 1018 923 903 878 4 1200 1083 1040 1031 1027 929 907 880 5 1165 1053 1024 1020 1018 918 896 876 6 1178 1056 1014 1012 1008 909 886 861 7 1154 1040 1001 1000 998 894 872 839 8 1152 1038 998 995 992 890 861 833 9 1150 1034 993 990 988 886 857 820 10 1168 1059 1030 1023 1019 918 895 859 11 1189 1080 1042 1036 1034 932 900 879

После окончания прокатки рельсы позиционировали в положение «на подошву» и по одному задавали в охлаждающее устройство и подвергали дифференцированной закалке, (то есть производили ускоренное охлаждение элементов профиля с разными скоростями). Охлаждение головки и подошвы рельса проводили в интервале температур от 720-880°С до температур 450-600°С со скоростью 1,5-6°С/сек. После охлаждения, рельс с температурой 450-600°С выдавали из охлаждающего устройства и передавали на холодильник.

Технологические параметры охлаждения рельсов приведены в таблице 4.

Таблица 4

№ рельса Режим охлаждения рельса Температура начала
охлаждения, °С Скорость охлаждения, °С/сек Температура рельса после охлаждения, °С головка подошва головка подошва головка подошва 1 858 852 4,8 4,6 450 461 2 880 856 6 5,5 490 498 3 878 859 5,4 5 545 550 4 880 870 6 5,5 520 540 5 853 830 2,2 1,9 500 525 6 867 840 1,9 1,5 563 600 7 837 811 2,1 1,8 585 595 8 750 737 2,7 2,3 480 507 9 725 720 2,4 2,3 509 513 10 834 824 1,8 1,6 582 600 11 870 850 3,7 3,3 500 520

После охлаждения и правки исследовали микроструктуру металла, определяли механические свойства при растяжении твердость на поверхности катания и по сечению, ударную вязкость при температуре испытания +20°С.

Результаты механических испытаний при растяжении, твёрдости и ударной вязкости опытного металла представлены в таблице 5.

Таблица 5

Результаты механических испытаний при растяжении, твердости и ударной вязкости

Номер
рельса σт σв δ5 ψ Твердость Ударная зязкость KCU, Дж/см²
при температуре
испытания H/мм² % НВ₁₀ НВ_10вл НВ_10вп НВ₂₂ НВ_ш НВ_под НВ_пкг +20°С 1 980 1420 12 34 413 409 413 409 363 359 415 32; 25 2 1010 1450 10 27 435 430 430 420 345 383 445 28; 29 3 1000 1440 10,5 28 426 420 420 415 337 385 435 26; 27 4 1020 1450 10 27 435 440 435 420 369 383 450 25; 26 5 970 1410 12,5 34 417 415 417 412 373 366 420 28: 34 6 960 1400 10,5 31 426 420 420 415 363 359 426 26; 28 7 970 1410 11,5 34 413 415 413 409 339 363 420 28; 30 8 980 1430 11 35 420 420 420 413 363 366 430 33; 32 9 980 1420 12 36 420 415 415 404 337 368 426 34; 33 10 990 1430 11,5 34 413 409 413 401 369 363 415 29; 33 11 990 1430 12 33 409 409 409 395 363 359 409 26; 26

Примечание: НВпкг - твердость на поверхности катания головки рельса;

НВ10, НВ22 - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм от поверхности катания по вертикальной оси симметрии рельса;

НВ10вл, НВ10вп – твердость на расстоянии 10 мм соответственно от левой и правой выкружек;

НВш - твердость в шейке;

НВпод - твердость в подошве.

Испытание на копровую прочность пробы от всех рельсов выдержали без излома и признаков разрушения.

Предлагаемый способ изготовления рельсов позволил получить твердость на поверхности катания свыше 400 НВ, ударную вязкость более 15 Дж/см² при температуре испытания +20°С, в сочетании с комплексом высоких значений механических свойств при удовлетворительной перлитной микроструктуре и копровой прочности, отвечающий требованиям к рельсам повышенной износостойкости и контактно-усталостной выносливости.

Изобретение относится к изготовлению железнодорожных рельсов. Осуществляют нагрев заготовки под прокатку, многопроходные черновую и чистовую прокатки соответственно в дуо-реверсивных клетях и в универсальных клетях непрерывно-реверсивной группы, последующее дифференцированное охлаждение по головке и подошве рельса от температуры 720 – 870°С до температуры 450 – 600°С. Черновую прокатку проводят в температурном интервале 950 – 1100°С с коэффициентом вытяжки за проход в пределах 1,12-1,30. Чистовую прокатку проводят в температурном интервале 850 – 1000°С с коэффициентом вытяжки в универсальных калибрах в пределах 1,07-1,18, после чего проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универсальной нереверсивной клети в температурном интервале 820–880°С с коэффициентом вытяжки в пределах 1,07-1,10. В результате изготавливают рельсы повышенной износостойкости и контактной выносливости. 1 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Способ изготовления железнодорожных рельсов, включающий нагрев заготовки под прокатку, многопроходные черновую и чистовую прокатки соответственно в дуо-реверсивных клетях и в универсальных клетях непрерывно-реверсивной группы, последующее дифференцированное охлаждение по головке и подошве рельса от температуры 720 – 870°С до температуры 450 – 600°С, отличающийся тем, что черновую прокатку проводят в температурном интервале 950 – 1100°С с коэффициентом вытяжки за проход в пределах 1,12-1,30, а чистовую – в температурном интервале 850 – 1000°С с коэффициентом вытяжки в универсальных калибрах в пределах 1,07-1,18, после чего проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универсальной нереверсивной клети в температурном интервале 820–880°С с коэффициентом вытяжки в пределах 1,07-1,10.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовка выполнена из стали, содержащей мас. %: 0,92-1,2 углерода, 0,2-1,25 марганца, 0,2-0,9 кремния, 0,001-0,06 ниобия, а также один или несколько элементов следующей группы мас. %: 0,1-0,8 хрома, 0,05-0,6 никеля, 0,01-0,15 ванадия, 0,005-0,015 азота.