Введение.
Предпрокатный нагрев ипрокатка являются не менее важными качествоформирующими технологическимиоперациями, чем выплавка и разливка стали. На стадии нагрева, наряду с влияниемметаллургических факторов, происходит формирование необходимой пластичности (способностидеформироваться без разрушения) и снижение сопротивления стали пластическойдеформации. Основными негативными факторами нагрева являются: интенсивноетепловое воздействие раскаленных печных газов на холодную заготовку призагрузке ее в печь и продолжительноенахождение стали в области высокихтемператур (900 – 1250 °С) в окислительнойатмосфере методической печи. Прокатка сопровождается пластической деформациейметалла, причем в соответствии с ГОСТ Р 51685–2000 общаявытяжка при прокатке рельсов из непрерывнолитых заготовок должна быть не менее 9,6.При этом существенную роль играют температурныйрежим, режим обжатий и калибровка валков. От их рационального выбора зависитэволюция большинства дефектов сталеплавильного происхождения. Вчастности, внутренние трещины могут получитьразвитие, выйти на поверхность, окислиться и привести к браку поверхностирельсов или завариться при пластической деформации с сохранением высокихмеханических свойств металла в области бывшего дефекта. Помимо трансформацииимеющихся дефектов, прокатный передел является источником собственных дефектов,большинство из которых относится к разряду поверхностных. При определениидефектов прокатки использована широко распространенная терминология,соответствующая ГОСТ 21014–88.
1. Дефектынагрева
1.1 Трещины
Принагреве непрерывно литой заготовки схолодного посада, особенно в зимнее время, существует вероятность возникновениянарушений сплошности, связанных с действием температурных напряжений. Втаких условиях образуются холодные трещины.Опасный с точки зрения трещинообразования температурный интервал 0– 600 °С соответствует методической зоне нагревательнойпечи. При более высоких температурах сталь становится пластичной и происходитрелаксация напряжений. Наиболее губительным для качества металла последствиемдействия температурных напряжений является разрушение заготовки на части,которое может происходить при охлаждении на складе или непосредственно в печи исопровождаться шумовым эффектом (взрывом, треском). В методических печахразрушившиеся на части заготовки проваливаются между шагающими балками инарушают дальнейший технологически процесс продвижения металла по печи;удаление их, как правило, затруднено. При нагреве поверхностные слои металлаимеют более высокую температуру, чем центральные, и стремятся к удлинению,внутренние слои препятствуют этому процессу. Соответственно, в поверхностныхслоях возникают напряжения сжатия, а в осевых – растяжения, наиболее опасные сточки зрения вероятности трещинообразования. Остаточные напряжения, возникшие внепрерывно литых заготовках после охлаждения, суммируются с временныминапряжениями от нагрева и усиливают тем самым вероятность трещинообразованияименно в осевой зоне непрерывно литой заготовки, ослабленной порами,микротрещинами и ликватами.
Внутренниетрещины могут стать причиной возникновения скворечников или в процессе деформацииобразовать поверхностную трещину. Тот или иной вид разрушения можетобнаруживаться только после окончания прокатки, как например, расслоение шейкирельса, приводящее к поломкерельсов в роликоправильной машине инадежно идентифицируемое при ультразвуковой дефектоскопии.
Установлениефакта образования холодных трещин от температурных напряжений как первопричиныдругих дефектов, в частности поломки рельсов в роликоправильной машине, вбольшинстве случаев затруднено.
Этовызвано тесной связью и взаимным влиянием ряда факторов. Внутренние трещинымогут образоваться как под влиянием только суммарной величины остаточных ивременных напряжений, так и непосредственно от дефектов слитковогопроисхождения. На практике встречаются случаи как раз совместного влияния этихфакторов, и установить доминирующую роль одного из них в некоторых случаях непредставляется возможным.
Мерыпредупреждения возникновения трещин от температурных напряжений следующие:замедленное охлаждение непрерывно литой заготовки после разливки вплоть доатмосферных температур, транспортирование теплых заготовок в вагонах-термосах,теплый (200 – 400 °С) или горячий посад непрерывно литой заготовки вметодическую печь, поддержание температуры уходящих газов в методической зонепечи при холодном посаде непрерывно литой заготовки на уровне не более 600 – 700 °С.
1.2 Окисление (окалинообразование)
Вобщем случае под окислением стали понимают процессвзаимодействия газов (воздуха, продуктов сгорания топлива или контролируемойатмосферы) с железом, сопровождающийся образованием слоя оксидов (окалины) наповерхности металла. Применительно к нагреву стали в пламенных печах передобработкой давлением основными окислительными газами являются: углекислый газ (СО2),кислород (О2), водяной пар (Н2О), диоксид серы (SО2). Реакции окисления железа –экзотермические и происходят следующим образом:
Fe + 0,5O2=FeO, (1.1)
3FeO + 0,5О2 = Fe304, (1.2)
2Fe304+ 0,5О2 = 3Fe203, (1.3)
Fe + C02 = FeO + CO, (1.4)
Fe + H20 = FeO + H2, (1.5)
3FeO + C02 = Fe304 + CO, (1.6)
3FeO + H20 = Fe304 + H2. (1.7)
Впроцессе окисления слоя железа толщиной 1 мм образуется слой окалинытолщиной до 2,8 мм. Высокотемпературное окисление – процесс встречнойреакционной диффузии атомов кислорода и металла через кристаллические решеткитвердых фаз, из которых состоит окалина. Его можно разделить на несколькоэтапов:
- диффузия кислорода к поверхности металла;
- адсорбция кислорода на поверхности;
- диффузия реагирующих веществ через слой оксидовнавстречу кислороду;
- кристаллохимические превращения как следствиеизменения состава и структуры решетки твердых фаз.
Решающуюроль при этом играет диффузия атомов железа наружу, а не процесс диффузииатомов кислорода внутрь металла.
Температураявляется одним из наиболее мощных факторов, влияющих на окисление стали. Междуинтенсивностью окисления и температурой существует экспоненциальнаязависимость.
Времятакже оказывает сильное влияние на величину угара стали. Если в процессенагрева не происходит разрушения слоя окалины, то зависимость массы металла,перешедшей в окалину, от времени нагрева подчиняется закону квадратного корня.В реальных условиях может происходить разрушение слоя окалины, вызванноемеханическими воздействиями на заготовки при транспортировании в печи илинапряжениями в самой окалине, вызванными различием удельных объемов окалины иметалла, что приводит к отклонению от закона квадратного корня зависимостиугара от времени. Характерно, что после разрушения слоя окалины происходитинтенсификация угара. Наиболее опасным, с точки зрения потерь металла, являетсякатастрофическое окисление. Оно происходитв тех случаях, когда в процессе нагрева окалина удаляется с поверхностиметалла, например вследствие оплавления, при этом поверхность всегда обнажена,а зависимость окисления от времени подчиняется почти линейному закону, и эффектзамедления окалинообразования отсутствует.
Впорядке убывания активности окислительные газы пламенных печей можнорасположить следующим образом: кислород, воздух, водяной пар, диоксид углерода.Сжигание топлива при коэффициентах расхода воздуха 0,6 – 0,9 изменяет кинетикупроцессов окалинообразования, структуру и свойства окалины, снижаетинтенсивность угара. Увеличение коэффициента избытка воздуха более 1,1, какправило, не влияет на интенсивность окалинообразования, поскольку в этом случаепроцесс окисления лимитирует не скорость подвода молекул кислорода кповерхности окалины, а их диффузия через нее к поверхности металла.
Вобщем случае минимальное окисление стали будет происходить при таком режименагрева, когда интеграл по времени от температуры поверхности металла в областитемператур интенсивного протекания диффузионных процессов будет минимальным.
Придеформации НЛЗ, на поверхности которыхимеется печная окалина, возможно образование целого ряда поверхностныхдефектов. В соответствии сГОСТ 21014 – 88 это такие дефекты, как (рисунки 1.1,1.2): вкатаннаяокалина –дефект поверхности в виде вкраплений остатков окалины, вдавленной в поверхностьметалла при деформации;
рябизна –дефект поверхности в виде мелких углублений, образующих полосы или сетку,наблюдаемых после удаления вкатанной окалины (глубина рябизны от вдавленнойокалины может достигать 1,0–1,5 мм);
раковины от окалины – дефект поверхности ввиде отдельных углублений, частично вытянутых вдоль направления прокатки,образующихся при выпадении вкатанной окалины (отличаются от рябизны большимиразмерами и меньшим количеством).
Всоответствии сГОСТ Р 51685–2000 поверхностьрельса должна быть без раковин от окалины ирябизны.
Окисление(окалина) оказывает отрицательное влияние не только на качествометаллопродукции, но и на работу нагревательных печей и прокатного оборудования.
Решающуюроль на прочность сцепления окалины с металлом оказывает не изменениехимического или фазового состава окалины, а состояние поверхности границыраздела металл – окалина. В случаях, когда проникновение оксидов в глубьметалла по границам зерен отсутствует или весьма незначительно и между сталью иокалиной имеется резкая граница, при пластической деформации окалиноудалениепроисходит без особых затруднений, при этом поверхность отрыва достаточногладкая. При удалении пористой окалины ее отделение может происходить по слою снаименьшей прочностью.
Наиболеесильно вдавливание окалины, образование оспин и рябизны проявляется в случаях,когда твердость окалины выше твердости металла. Этому способствует снижениетемпературы окалины и повышенное содержание в ней легирующих элементов стали,например хрома. При нагреве стали в восстановительной атмосфере прикоэффициенте расхода окислителя менее единицы общий уровень угара можетзначительно снижаться, однако при этом образующаяся плотная окалина удаляетсязначительно трудней и повышает вероятность образования вкатанной окалины. При прокаткерельсового профиля наибольшая вероятность образования вкатанной окалинысуществует для шейки рельса и средней трети подошвы.
Весьманежелательным является появление в окалине жидкой фазы, сопровождающейсяионизацией границ зерен стали, проникновение окалины между нимиинтенсифицируется (происходит рост смешанной зоны, рисунок 1.3) и, какследствие, ее прочность сцепления с металлом возрастает.
Присоблюдении рациональной технологии нагрева (отсутствии перегрева стали иподплавления окалины) печная окалина с поверхности рельсового металлафактически полностью отделяется при транспортировании непрерывнолитой заготовки от печи к прокатному стану, деформации икантовках раската при первых проходах в валках черновой клети. Радикальнымспособом удаления окалины с поверхности металла является применение системы гидросбива. Пригидросбиве происходит удаление окалины водой, подающейся на поверхность прокатачерез специальные форсунки под давлением до 80-140 атмосфер. После выдачи из нагревательной печиметалла, покрытого окалиной, происходит резкое охлаждение его поверхности, врезультате чего слой окалины покрывается сеткой трещин. Воздействие струи воды,подаваемой под высоким давлением, приводит к расклиниванию блоков окалины и ихотрыву от поверхности металла. В то же время гидросбив способствует болееинтенсивному охлаждению металла при прокатке, его применение не рекомендуется вслучаях пониженной пластичности стали.
1.3 Обезуглероживание
Обезуглероживание –процесс взаимодействия углерода, содержащегося в стали, с газовой атмосферой,сопровождающийся уменьшением концентрации углерода в поверхностных слояхслитков заготовок или металлоизделий. Основными обезуглероживающими газамиявляются: углекислый газ, кислород, водяной пар, водород. Обезуглероживаниестали, держащей карбид железа, происходит по следующим основным реакциям:
2Fe3C + 02=6Fe + 2CO, (1.8)
Fe3C + C02=3Fe + 2CO, (1.9)
Fe3C + Н20 = 3Fe + СО + Н2, (1.10)
Fe3C + 2H2= 3Fe + CH4. (1.11)
Обезуглероживание– процесс встречной двухсторонней диффузии. Обезуглероживающие газыдиффундируют к поверхности металла, а навстречу им движутся газообразныепродукты реакций. Помимо этого, углерод из внутренних слоев вследствие разностиконцентраций перемещается к поверхностным обезуглероженным слоям металла.
Вобщем случае после высокотемпературного взаимодействия рельсовой стали сгазовой атмосферой в поперечном сечении металла можно выделить несколькохарактерных слоев, которые схематично представлены на рисунке 1. При окисленииметалла его поверхность покрывается слоем окалины, толщина которого большетолщины слоя металла, перешедшего в окалину. За окалиной следует слой внутреннего окисленияили смешанная зона,которые представляют собой смесь металла и оксидов, проникших в металл(проникновение начинается, как правило, по границам зерен).
/>
Рисунок1 – Схема поверхностных слоев стали послевысокотемпературного взаимодействия с атмосферой.
Далее можно выделить зоны полного обезуглероживания соструктурой чистого феррита и частичного – со структурой,отличающейся от основной структуры металла. В рельсовой стали частичноеобезуглероживание может проявляться в виде сплошной илиразорванной ферритнойсетки по границам зерен металла. Глубина общего обезуглероженногослоя (видимого обезуглероживания),определяемого как расстояние от поверхности металла до основной (неизмененной)структуры металла, равна сумме глубин зон полного и частичногообезуглероживания. При аналитических расчетах и компьютерном моделированиимогут использовать понятие суммарного обезуглероженного слоя,который больше видимого на величину толщины металла, перешедшего в окалину,поскольку окисленный металл также был обезуглерожен. В зависимости от режиманагрева, состава атмосферы и других факторов некоторые зоны (слои) могутотсутствовать.
Наличиеобезуглероженного слоя может быть идентифицировано различными способами в соответствиис ГОСТ 1763 – 68.
Повнешнему виду и характеру распространения обезуглероженного слоя по периметрупрофиля можно судить о технологической стадии, на которой произошло егообразование. В частности, если глубина обезуглероженного слоя крайне неравномернапо периметру, на некоторых участках полностью отсутствует, то обезуглероживаниепроизошло при нагреве в печах под ОМД. Если глубина обезуглероженного слояравномерна, то оно произошло при нагреве под термическую обработку или приохлаждении после ОМД. В зависимости от распределения обезуглероживания попериметру заготовки можно выделить три вида обезуглероженного слоя:равномерный, локальный и локальный в области дефекта (рисунок 2).
/>
Рисунок2 – Виды обезуглероженного слоя по периметру заготовки.
Поаналогии с окислением основными факторами, влияющими на процессобезуглероживания рельсовой стали, являются температура, время нагрева и составатмосферы печи.
Зависимостьинтенсивности обезуглероживания от температуры имеет аналогичный вид, однакооно интенсифицируется при более низких, чем окисление, температурах 650 – 700 °С. Притемпературах менее 650 °С процесс обезуглероживания углеродистой сталипротекает весьма медленно.
Влияниевременного фактора на интенсивность процессов обезуглероживания идентично.Однако при обезуглероживании роль барьера, замедляющего его интенсивность,выполняет слой полного обезуглероживания, препятствующий диффузии углерода кповерхности металла.
Впорядке уменьшения обезуглероживающей способности газы можно расположитьследующим образом: влажный водород, водяные пары, углекислый газ, влажныйвоздух, сухой воздух, кислород, технический азот, сухой водород. При нагревестали под прокатку поверхность металла фактически всегда окислена, и удалениегазообразных продуктов реакций обезуглероживания (СО, СО2)осуществляется через трещины и поры в окалине. При этом диффузия углерода в окалинепрактически отсутствует. Характерно, что процесс обезуглероживания стали можетпроисходить за счет кислорода, содержащегося в окалине, однако этот процесс взначительной степени зависит от содержания углерода в стали, температуры идавления в системе. В частности, при температуре 1100 °С процессобезуглероживания стали вюститом будет происходить в том случае, еслисодержание углерода в ней составит более 0,2%.
Вобщем случае газовая атмосфера может приводить к науглероживанию поверхностиметалла. По термодинамическим данным при высоких температурах науглероживаниестали в продуктах сгорания природного газа возможно при коэффициенте расходавоздуха менее 0,25.
Ввысокотемпературной области (более 800 – 900 °С) процессы окисления иобезуглероживания стали протекают параллельно и взаимосвязано. Глубина видимогообезуглероженного слоя зависит от кинетики процессов окисления стали, диффузииуглерода к поверхности и его окисления. Соответственно, если скорость окислениястали выше чем скорость обезуглероживания, то после нагрева обезуглероженныйслой под окалиной отсутствует, если скорость обезуглероживания выше чемскорость окисления, то в процессе нагрева под окалиной происходит формированиеобезуглероженного слоя. Преднамеренное управление интенсивностью процессов окисленияи обезуглероживания или использование температурных интервалов, в которыхскорость окалинообразования превышает скорость обезуглероживания, в некоторыхслучаях, несмотря на увеличение потерь металла от угара, является эффективноймерой снижения глубины видимого обезуглероженного слоя в готовойметаллопродукции.
Однимииз главных факторов, влияющих на динамику процессов окисления иобезуглероживания, являются температура и время нагрева, т.е.температурно-временной фактор. Различные варианты (наиболее сложные)взаимосвязанного протекания процессов окисления и обезуглероживания НЛЗ принагреве в методической печи в случаях, когда исходный металл не окислен и необезуглерожен, а зависимости интенсивности И окисления и обезуглероживания отвремени tнагрева имеют вид, отличный от прямолинейного, схематично представлены нарисунке 3.
Рисунок3, а: перваястадия – интенсивность окисления выше интенсивности обезуглероживания, вторая –интенсивность обезуглероживания выше интенсивности окисления, третья – интенсивностьокисления выше интенсивности обезуглероживания. Соответственно на первой стадииувеличения глубины обезуглероженного слоя не происходит, поскольку онпоглощается окалиной, на второй – глубина обезуглероженного слоя растет, а натретьей – уменьшается.
/>
Рисунок3 – Различные схемы совместного протекания процессов окисления (ок) иобезуглероживания (об) стали
Рисунок3, б: первая стадия – интенсивностьобезуглероживания выше интенсивности окисления, вторая – интенсивностьокисления выше интенсивности обезуглероживания, третья – интенсивностьобезуглероживания выше интенсивности окисления. На первой стадии наблюдаетсярост глубины обезуглероженного слоя, на второй – его уменьшение вплоть дополной ликвидации и на третьей – повторное увеличение.
Врезультате исследований высокотемпературного окисления и обезуглероживаниярельсовой стали в атмосфере воздуха установлено, что зависимости глубины 5, мм,обезуглероженного слоя от температуры t, °С, ивремени выдержки τ, мин, для сталей марок М76и Э76Ф существенноразличаются (рисунок 3, а, б). Вчастности, если для стали марки М76 (безванадия) эта зависимость близка к линейной, то для стали марки Э76Фона носит более сложный экстремальный характер.
Притемпературах 1050–1100 °С глубинаобезуглероженного слоя у стали марки Э76Ф больше,чем у стали марки М76, чтосвязано с более интенсивным угаром последней и, как следствие, большимпоглощением обезуглероженного слоя окалиной. При более высоких температурах ивремени выдержки 10 – 25 мин глубина обезуглероженного слоя в стали марки Э76Фуменьшается. Причина этого возможно связана синтенсификацией окалинообразования при относительно невысокой интенсивностиобезуглероживания вследствие недостаточного времени выдержки для полногорастворения карбидов и нитридов ванадия, препятствующих диффузии углерода.
Ванадий,являясь сильным карбидообразующим элементом, значительно снижаеттермодинамическую активность углерода в аустените. По данным температурарастворения карбидов и нитридов ванадия находится в интервале 950 – 1050 °С,зависит от содержания в стали углерода и ванадияи хорошо коррелирует с температурой интенсивного роста зерна. Увеличениевремени нахождения стали при высокой температуре приводит к полному растворениюкарбидов и нитридов ванадия и интенсификации обезуглероживания. Притемпературах 1240–1250 °С ивремени выдержки 60 мин глубина обезуглероженного слоя рассматриваемыхсталей примерно одинакова.
Пластическаядеформация интенсифицирует процессы диффузии углерода посредством увеличенияградиента концентрации углерода в поверхностном слое металла при его вытяжке,приводит к изменению термодинамической активности углерода под воздействиемдеформации.
/>
Рисунок5 – Зависимость глубины видимого обезуглероженного слоя сталей марок М76 (а) иЭ76Ф (б) от температуры и времени выдержки.
Поданным обезуглероженный слой по периметру рельса распределен неравномерно.Максимальная глубина обезуглероженного слоя зафиксирована в головке наповерхности катания, наименьшая его величина отмечена в области шейки. Подобнаякартина распределения обезуглероженного слоя по периметру рельсапредопределяется особенностями его деформирования в процессе прокатки. Присуществующих на российских комбинатах калибровке и способе прокатки рельсовшейка претерпевает наиболее интенсивную деформацию (проработку), головка – наименьшую.Сопоставление результатов промышленных опытов по выработке поверхностныхдефектов с распределением обезуглероженного слоя показывает, что между этимифакторами существует прямая связь, в частности в области шейки величинавыработки достигает фактически 100%, головки – всего 75%. Максимальная глубинаобезуглероженного слоя характерна для участков контура, не контактирующих споверхностью калибра, а минимальная – для участков, подвергающихся наибольшейвысотной деформации.
Глубинаповерхностного обезуглероженного слоя является одним из факторов, влияющих наэксплуатационные свойства рельсов. Относительно влияния глубины поверхностногообезуглероженного слоя на качество рельсов и на их эксплуатационные свойствасуществует ряд весьма противоречивых мнений. Так, по данным работы, увеличениетолщины обезуглероженного слоя в головке на 0,5 мм приводит к снижениюколичества рельсов, пораженных поверхностными дефектами, в 2 раза. При этомимеющиеся в горячекатаных рельсах трещины после закалки развиваются на глубину,не превышающую толщину обезуглероженного слоя, т.е. последний обеспечиваетповерхностную локализацию дефекта, препятствует проникновению его внутрь. Вкачестве основных доводов в пользу положительного влияния имеющегося наповерхности обезуглероженного слоя приводятся меньшая склонностьмалоуглеродистой стали к образованию разрывов, высокие пластичность и вязкость.
Вто же время, по данным работы, наличие в рельсах обезуглероженного слояприводит к их ускоренному износу в начальный период службы, а при дальнейшейэксплуатации способствует образованию усталостных трещин, формирующихся вповерхностных слоях. Обезуглероженный слой ускоряет образование наплыва металлана боковую грань, вызывает неблагоприятное перераспределение контактныхнапряжений на глубине 3–5 мм,что приводит к возникновению микротрещин в металле. На срок службы рельсовсущественное влияние может оказывать не только толщина обезуглероженного слоя головки(поверхности катания), но и шейки, а также подошвы. Намины от накладок, являяськонцентраторами напряжений, приводят к образованию трещин под головкой рельса.Неравномерное распределение углерода в поверхностных слоях подошвы приводит кразличной интенсивности коррозионных процессов (глубины разъедания ржавчиной),что в свою очередь оказывает отрицательное влияние на долговечность рельсов.
Дляснижения негативного влияния процессов окисления и обезуглероживания накачество стали применяют различные способы ее защиты. Условно способы защитыстали от окисления и обезуглероживания можно разделить на три группы: режимные – осуществляемые вдействующем печном агрегате без его реконструкции за счет организациирационального режима нагрева стали, снижения конечных температур,продолжительности томления и др.; конструкционные – реализуемые за счетизменения конструкции нагревательной печи или отдельных ее элементов, напримерсоздание в рабочем пространстве печи восстановительной (малоокислительной)атмосферы за счет установки горелок для неполного сжигания топлива и специальные –нанесение на поверхность металла защитных покрытий или обмазок, обычноуглеродсодержащих, стекловидных и стеклокерамических на основе силикатов,бентонита.
1.4 Перегрев
Перегрев металлахарактеризуется сильным разрастанием зерен (до -1–0 номера), значительнымокалинообразованием и обезуглероживанием, а также может сопровождаться формированиемрыхлой окалины на поверхности заготовки. Образующаяся при перегревекрупнозернистая структура крупно- и среднепластинчатого перлита (рисунок 1.4)характеризуется низкими механическими свойствами. Сильный перегрев заэвтектоиднойстали вызывает на границах зерен образование цементитной сетки.
Взависимости от степени перегрева металла образуются следующие виды изломов: нафталинистый (нафталиновый) и камневидный.
Нафталинистый излом представляет собойоднородную поверхность разрушения, проходящую по телу крупных зерен, и имеетхарактерный селективный блеск, изменяющийся при изменении угла падения света ипохожий на блеск кристаллов нафталина.
Различаютпервичный нафталинистыйизлом, наблюдающийся в литой стали, и вторичный нафталинистый излом,наблюдающийся в литой и деформированной сталях после перегрева. Вторичныйнафталинистый излом отличается от первичного равноосной формой фасеток, несвязанной с характером кристаллизации стали.
Внепрерывнолитой заготовке рельсовой стали наблюдается преимущественно изломдендритного строения. Вместе с этим в изломе наблюдаются участки разрушения,проходящие по телу дендритов и имеющие селективный блеск, характерный длянафталинистого излома (рисунок 1.5).
Появлениевторичного нафталинистого излома в деформированной стали устраняетсянормализацией или закалкой с высоким отпуском. При появлении нафталинистогоизлома в стали после предпрокатного нагрева его исправляют горячей пластическойдеформацией.
Врельсовой стали нафталинистый излом обычно выявляется на промежуточной стадии –после нагрева в методической печи перед пластической деформацией (рисунок 1.6).
Вработе установлено, что образование нафталинистого излома в рельсовой сталимарки Э76Ф происходит после нагрева до температур 1300 °С и более ивыдержке более 3 ч. Для обеспечения высокого качества и необходимыхмеханических свойств рельсового металла температуру нагрева НЛЗ, с учетомперепада температур по толщине окалины, рекомендуется выбирать на уровне 1200–1240 °С. Приэтом температура мела, прокатываемого в чистовой клети, должна быть не выше1050 °С.
Прикамневидном изломехарактерно образование однородной порхности разрушения, проходящей по границамгрубых зерен, сформированныхпри высоких температурах и обогащенных различнымиограниченой растворимыми в аустените фазами в виде мелких частиц или пленок оплавленныхэвтектик. На границах зерен выделяются избыточные, ограниченно растворимые в γ-фазенитриды, карбиды, карбонитриды, сульфиды,фосфиды. Камневидный излом(рисунок 1.7) в некоторых случаях можноохарактеризовать как следствие перегрева (исправимого вида брака), а внекоторых – пережога (неисправимого брака).
Механизмобразования камневидного излома следующий. При нагреве до температур перегреванаблюдается значительный рост зерна аустенита. Внем растворяются карбиды, нитриды и сульфиды. Всвязи с высокой поверхностной активностью сера иазот адсорбируются на границах крупных аустенитных зерен и образуют избыточныефазы, сохраняющиеся после охлаждения на границах бывших аустенитных зерен.
Камневидныйизлом разделяют на первичный,характерный для литой стали и связанный собразованием грануляционной структуры аустенита, формирующейся послекристаллизации при замедленном охлаждении в области высоких температур, и вторичный, связанныйс перегревом стали при нагреве под прокатку или термическую обработку.Различают устойчивый инеустойчивый камневидныеизломы. Для исправления устойчивого камневидного излома необходим нагрев дотемпературы несколько ниже критической, что редко осуществимо в практикетермической обработки стали. Неустойчивый камневидный излом сравнительно легкоустраним интенсивной пластической деформацией, гомогенизацией илинормализацией, растворяющими зернограничные выделения.
Склонностьстали к образованию камневидного излома предопределяет содержание некоторыхэлементов в стали или их соотношения. В частности,увеличение содержания серы и снижение содержания марганца способствуютобразованию камневидного излома. Основной эффект при этом связан с природойсульфидной фазы, поскольку чем ниже температура диссоциации и плавлениясульфидов и чем выше их растворимость в аустените, тем ниже температураперегрева, при которой может возникнуть устойчивый камневидный излом.Повышенное содержание в стали марганца (отношения Mn/S> 50) и микролегирование элементами (редкоземельными),образующими высокотемпературные, нерастворимые в аустените сульфиды (FeS стемпературой плавления 1190 °С,MnS –1600 °С, р.з.м. – 1800–2200 °С),снижают склонность стали к образованию камневидного излома [35,43].Увеличение отношения Mn/S также способствует повышению пластичностистали. Для рельсовой сталитекущего производства отношение Mn/S всреднем находится в интервале 70 – 100. Неменее важную роль оказывает нитридная фаза, в частности, увеличение содержанияв стали нитридов алюминия способствует образованию камневидного излома, аобразование нерастворимых нитридов титана препятствует его возникновению.Отрицательная роль легкорастворимых карбидов ванадия по данным начинаетпроявляться только при содержании ванадия в стали более 0,15%, а такжезамедленном охлаждении заготовок в интервале температур 900 – 1100 °С.
Причинойперегрева служит превышение допустимой температуры нагрева, а также чрезмернодлительный нагрев в области высоких температур. Перегрев стали исправляютпластической деформацией, но если температура металла в конце прокатки будетдостаточно высокой, то в готовом прокате это может привести к снижению ударнойвязкости.
Из-заснижения при перегреве пластичности стали при прокатке возможно образованиекрупных трещин и рванин, особенно по углам, кромкам и концам раската (рисунок 1.8).Рванины перегретой стали обычно имеют вытянутую форму без резких очертаний. Оперегреве металла свидетельствует также наличие в структуре металла «точек»перегрева, характеризующихся присутствием точечного неметаллического включенияи оторочки – в виде светлой структурной составляющей (рисунок 1.9).
Вцелях предотвращения образования перегреваконечная температура нагрева рельсовой стали не должна превышать допустимыхзначений. Для стали с содержанием углерода 0,71 – 0,82% она составляет 1190–1200 °С. Температураперегрева составляет 1160–1200 °С.
1.5 Пережог
Пережог металлавозникает при более высоких температурах нагрева, чем перегрев, и являетсянеустранимым видом брака. Явления пережога протекают в области околосолидусныхтемператур, при которых возникает высокотемпературная хрупкость стали,характеризуемая резким снижением прочностных и пластических свойств, приводящаяк образованию грубых рванин при прокатке (рисунок 1.10). Температурный интервалвязко-хрупкого перехода составляет всего 10 °С. При механическомвоздействии, в том числе и деформации, разрушение происходит по границамаустенитных зерен.
Дляпрогноза температуры вязко-хрупкого перехода (tВХП)сталей с содержанием элементов (массовые доли, %): 0,01 – 1,90 С, 0,001 – 0,042 S, 0,001– 0,040 Р, 0,34 – 1,93 Мn,0,01 – 1,00 Si предложеносоотношение
TВХП = 1479 – 169 С – 547 S – 199 Р – 8 Мп – 6 Si. (1.12)
Каквидно из соотношения 1.12, наиболее сильное влияние на температурувязко-хрупкого перехода оказывают сера, фосфор и углерод, соответственнонаиболее вероятные участки высокотемпературного охрупчивания стали – ликвационныеобласти. Для рельсовой стали марок Э76Ф и К76Ф текущего производстватемпературы вязко-хрупкого перехода составляют в среднем 1320–1340 °С, амарок К86Ф и Э86 Ф – 1305–1325 °С.
Предвестникомвероятности перегрева и пережога НЛЗ рельсовой стали при нагреве под прокаткуявляется оплавление окалины, поскольку температура плавления окалины примерносоответствует температуре вязко-хрупкогоперехода. Однако сам факт оплавления окалины не является адекватнымподтверждением перегрева и пережога стали,поскольку при нагреве температура окалины всегдавыше температуры металла, процессыокисления границ зерен носят диффузионный характер и для их развития требуетсяопределенный временной интервал. Таким образом, форсированный нагрев НЛЗдо оплавления окалины без выдержек (томления)металла, как правило, не приводит к ухудшению структуры и свойств стали. Вто же время пластическая деформация металла притемпературах вязко-хрупкого перехода может сопровождаться образованием рванин,вызванных не окислением границ зерен, а снижением их прочности, переходом сталив твердо-жидкое состояние. Наибольшая вероятность образования рванин существуетдля углов и торцов НЛЗ, имеющих,как правило, более высокую температуру при нагреве, чем середина грани.
Наповерхности металла при перегреве и пережогеиногда образуется другой вид дефекта, называемый сеткой разгара («чешуйчатостъ»), связанный с образованиембольшого количества тонких и мелких надрывов (рисунок 1.11).На микрошлифах по месту надрывов наблюдаются оксиды,проходящие по границам зерен.
Пережогметалла имеет зерногранично-окисленный излом. Он представляетсобой поверхность разрушения темно-серого (близкого к черному) цвета,проходящую по границам окисленных или оплавленных зерен с ослабленной связьюмежду собой (рисунки 1.12,1.13).
Намикрошлифах начальная стадия пережогаидентифицируется в виде утолщений границ зерен. При пережоге происходитокисление границ аустенитных зерен с оплавлением легкоплавких выделений (сульфидов,нитридов) по границам.
1.6 Недогрев
Недогрев – дефект нагрева,проявляющийся в пониженной температуре нагрева НЛЗв методической печи. Недогрев приводит кповышенным усилиям при прокатке, более интенсивному износу валков, снижениюпластичности металла, недопустимо низкой конечной температуре прокатки.
1.7 Непрогрев
Непрогрев (высокаянеравномерность нагрева по толщине, периметру и длине НЛЗ)– дефект, связанный с высокой неравномерностьюнагрева. Неравномерность температур по толщине НЛЗв соответствии с рекомендациямидолжна составлять 1– 3 К/см, т.е. 30 – 90 °С. Припроизводстве рельсов из НЛЗ весьма важен хорошийпрогрев осевых слоев заготовки, обеспечивающий наиболее благоприятные условиядля сваривания внутренних дефектов структуры (пор, микротрещин, осевойрыхлости), уплотнения и проработки металла. В связи с этим рекомендуемаянеравномерность нагрева по толщине НЛЗ должна составлять 20 -25 °С.
Неравномерностьнагрева по длине и периметру НЛЗ может стать причиной разнотолщинности проката,искажений геометрии рельсового профиля.
2. Дефекты прокатки
2.1 Деформационная рванина
Деформационная рванина –поверхностный дефект в виде раскрытого разрыва, расположенного поперек или подуглом к направлению наибольшей вытяжки металла при прокатке. Деформационныерванины образуются вследствие пониженной пластичности стали. При соблюдениитехнологии выплавки, разливки и нагрева рельсовая сталь обладает достаточновысокой пластичностью в широком температурном интервале и для нее не характерныразличные виды пониженной пластичности.
Снижениепластичности, как правило, вызвано несоблюдением температурного режима нагреваи прокатки, явлениями перегрева, пережога, недогрева стали (рассмотрены выше)или чрезмерного охлаждения (подстуживания) раската в процессе деформации.
Припрокатке рельсового профиля деформационные рванины чаще всего образуются вобласти пера подошвы и боковой грани головки (рисунки 1.14, 1.15).
Намикрошлифах по месту рванин наблюдается нарушение сплошности металлапроизвольной ориентации (рисунок 1.16). В области дефекта может присутствоватьвкатанная окалина, следы ликвации элементов отсутствуют.
2.2 Прокатная плена
Прокатная плена – поверхностный дефект,представляющий собой отслоение металла языкообразной формы (рисунок 1.17), однойстороной соединенное с основным металлом. Прокатные плены образуются вслед виераскатки прокатных рванин, подрезов, следов зачистки дефектов, грубыхмеханических повреждений поверхности или при грубой выработке калибров.
Намикрошлифах нижняя поверхность плен обычно окислена, металл под ней покрытокалиной и обезуглерожен (рисунок 1.18).
2.3 Ус
Ус –поверхностный дефект, представляющий собой продольный выступ с одной или двухпротивоположных сторон профиля, соответствующим разъемам калибра. Ус имеет значительнуюпротяженность (иногда на всю длину раската), образуется вследствие переполнениякалибра, неправильной калибровки и настройки стана, пониженной температурыметалла. Резко выраженный двухсторонний ус иногда называют лампасом.
Е.А. Шурприменительно к прокатке рельсов определяет лампас как широкий выступметалла на головке рельса вдоль прокатки, а ус как узкий выступ на переподошвы в местах разъема валков.
Переходуса к поверхности обычно плавный, микроструктура в зоне дефекта соответствуетмикроструктуре поверхности основного металла. В структуре металла по контурууса наблюдается аналогичная глубина обезуглероженного слоя, как и по всейнаружной поверхности раската.
2.4 Подрез
Подрез – поверхностный дефект ввиде продольного углубления, расположенного по всей длине или на отдельныхучастках поверхности проката. Образование подреза связывают с неправильнойнастройкой валковой арматуры или одностороннего перекрытия калибра. Дефектможет иметь тупое или остроугольное дно.
Металлв области подреза может быть обезуглерожен. Для дефекта характерно наличиевкатанной окалины, следы ликвации элементов отсутствуют (рисунок 1.19).
2.5 Закат
Закат –поверхностный дефект, представляющий собой прикатанный продольный выступ(рисунок 1.20) (накат металла с ровным краем), образовавшийся, например, врезультате закатывания уса, подреза, следов зачистки, рисок, неправильнойзадачи заготовки в калибры. Дефект имеет значительную протяженность – донескольких метров.
Полостьзаката расположена под острым углом к поверхности проката. На микрошлифаххарактерным идентификационным признаком заката является неразветвленный острыйконец дефекта, огибаемый волокном (текстура деформации). Полость дефекта обычношире у поверхности и плавно сужается вглубь, ее стенки гладкие. В зоне закатанаблюдаются обезуглероживание, мелкие оксиды, вкатанная окалина (рисунок 1.20).
Привдавливании уса закат может быть расположен перпендикулярно к поверхностиметалла и иметь серповидный конец. Ликвация элементов в области дефектаотсутствует.
2.6 Риска (царапина)
Риска (царапина)– поверхностный дефект в виде канавки без выступа кромок с закругленным илиплоским (чашеобразным) дном. Образование дефекта связывают с царапаниемповерхности проката изношенной прокатной арматурой.Расположение дефекта по периметру рельсовогопрофиля произвольное. На поверхности рельсового профиля может быть несколькорисок, параллельных друг другу и оси прокатки.
Намикрошлифах полость риски перпендикулярна к поверхности, характерным признакомрисок является тупой широкий конец (рисунок 1.21). Риска не сопровождаетсяизменениями структуры, не содержит неметаллических включений и ликвацииэлементов.
2.7 Отпечатки (вмятины)
Отпечатки (вмятины)– поверхностный дефект, представляющий собой углубления или выступы, расположенныепо всей длине (обычно с определенной периодичностью) или на отдельных участкахпроката (рисунок 1.22).
Изменениямикроструктуры вокруг дефекта отсутствуют, либо наблюдается частичноеобезуглероживание. Ликвация элементов в области дефекта отсутствует.
Образованиедефекта связано с наличием выступов или углублений на прокатных валках,отпечатывающихся на прокате.
2.8 Морщины
Морщины – поверхностный дефект ввиде группы чередующихся продольных углублений и выступов, располагающихсяобычно по всей длине раската, как правило, в зоне, соответствующей разъемувалков. Глубина дефекта редкопревышает 1,0 мм.
Характернымипризнаками морщин на поперечных микрошлифах являются полости с гладкими стенкамии тупыми концами, частично заполненные окалиной. Глубина обезуглероженного слояповерхности морщин соответствует (в некоторых случаях несколько больше) глубинеобезуглероженного слоя поверхности проката. Ликвация элементов в областидефекта отсутствует (рисунок 1.23).
2.9 Трещина напряжения
Трещина напряжения – холодные трещины, возникающиев процессах прокатки металла или охлаждения после нее. В прокате трещины могутбыть вызваны температурными и механическими напряжениями.Трещины напряжения обычно извилистые, малойширины, расположены под прямым углом к поверхности (рисунок 1.24) и плавносуживаются вглубь, могут иметь ответвления или раздвоенный конец. Конец трещинытонкий, проходит по границам зерен (рисунок 1.25). В зависимости от температурывозникновения полости трещины могут быть незначительно окислены иобезуглерожены. Скопления неметаллических включений и ликватов в областитрещины отсутствуют.
Всоответствии с ГОСТ Р 51685–2000 поверхность рельса должна быть без раскатанныхтрещин, рванин, скворечников, плен, закатов, подрезов и вмятин, поперечных рисоки царапин.
2.10 Осевой деформационный перегрев или пережог
Осевой деформационный перегрев илипережог – внутреннийдефект, вызванный деформационным разогревом осевых слоев НЛЗ до температурперегрева (вязко-хрупкого перехода) и оплавления эвтектической структурнойсоставляющей. При воздействии растягивающих напряжений на ослабленнуюперегревом осевую область происходит разрыхление внутренней зоны заготовки.Осевой перегрев может возникать при деформации НЛЗ в черновой клети, когдатемпература осевых слоев металла наиболее высокая. Факторами, повышающимивероятность возникновения осевого деформационного перегрева и пережога стали,являются чрезмерно высокие температуры нагрева метала в печи, развитая осеваяликвация, высокие степени деформации металла в первых проходах,пониженная теплопроводность стали. Осевой перегрев приводит к образованиюмелких осевых трещин, микрорванин, пористости.
Намикрошлифах по месту осевого пережога наблюдаются разрывы металла по границамбывших аустенитных зерен, ослабленных скоплением мелких диффузионных оксидов иоксидов типа окалины (рисунок 1.26). Вокруг дефекта наблюдаетсяобезуглероживание. Дефект сильно разветвлен в сечении.
Припроизводстве рельсов осевой деформационный перегрев и пережог могут послужитьпричиной расслоения в шейке рельсового профиля и в последующем – поломки рельсав роликоправильной машине. Наибольшей склонностью к возникновению осевогодеформационного перегрева и пережога охарактеризована заэвтектоидная рельсоваясталь.
Заключение
Внастоящее время основными производителями и поставщиками рельсового проката вРоссии являются ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и ОАО «Нижнетагильскийметаллургический комбинат», входящие в состав ООО «ЕвразХолдинг», причемна долю ОАО «НКМК» приходится в среднем 65 – 70% от общего объемароссийских рельсов.
Засвою более чем полувековую историю легендарным комбинатам удалось успешнофункционировать в условиях подъема производства в послевоенные годы, вместе сдругими российскими стальпроизводящими предприятиями пережить спадпроизводства, переход на рыночные отношения в 90-х годах прошлого века, а внаши дни в составе ООО «ЕвразХолдинг» стать преуспевающими комбинатами,производящими высококачественную конкурентоспособную на российском и мировомрынках рельсовую продукцию.
Наиболеесильные изменения в технологии производства предприятия претерпели в последнеедесятилетие, когда качество рельсов стало доминирующим в вопросах выживаемостикомбинатов в условиях жесткой рыночной конкуренции среди производителейближнего и дальнего зарубежья. За этот период проделан колоссальный объем работпо строительству и пуску в эксплуатацию новых металлургических агрегатов. Вчастности, только за последний год на ОАО «НКМК» смонтирован и сдан встрой второй агрегат комплексной обработки стали, заменено механическое иэнергетическое оборудование закалочной и отпускной печей термоотделениярельсобалочного цеха, полностью автоматизированы и переведены на отоплениеприродным газом теплотехнические агрегаты, пущена в эксплуатацию долгожданнаяметодическая печь с шагающими балками для нагрева непрерывнолитых заготовок подпрокатку. Таких существенных трансформаций технологии и капиталовложенийкомбинаты не испытывали, пожалуй, с момента их рождения.
Стольмощный технический и технологический прорыв в области производства рельсов сталвозможен благодаря компании ООО «Евраз-Холдинг», сплотившей и объединившейусилия двух комбинатов в направлении наращивания производственных мощностей иповышения качества рельсовой продукции.
Влучших традициях российского металлургического производства и науки было ихтесное плодотворное взаимодействие, которое неоднократно подтверждало известныйтезис о том, что теория без практики – мертва, а практика без теории – слепа.Ярким примером тому служит симбиоз ОАО «НКМК» и ГОУ ВПО «Сибирскийгосударственный индустриальный университет», уходящий корнями в далекие 30-егоды прошлого века, когда они были Кузнецким металлургическим комбинатом иСибирским металлургическим институтом.
Список литературы
1.Дефекты и качество рельсовой стали: Справ. изд./ В.В. Павлов, М.В. Темлянцев,Л.В. Корнева и др. – М.: Теплотехник, 2006 – 218 с.: ил.
2.Ежов А.А., Герасимова Л.П. Дефекты в металлах. Справочник-атлас.– М.: Русский университет, 2002. – 360 с.
3.Дефекты стальных слитков и проката: Справ, изд. / В.В. Правосудович, В.П. Сокуренко,В.Н. Данченко и др. – М.: Интермет Инжиниринг, 2006. – 384 с.