Введение к работе
Актуальность работы Эксплуатационная стойкость и качество основного элемента железнодорожного пути - рельсов предопределяют надежность работы железных дорог Российской Федерации Новое направление производства рельсов -выплавка рельсовой стали в дуговых электросталеплавильных печах с проведением внепечной обработки и разливкой на машинах непрерывного литья заготовок -кардинально улучшило качественные и технико-экономические показатели производства Однако, разработка новых и совершенствование известных технологий плавки и внепечной обработки электростали, а также разработка новых марок стали для производства железнодорожных рельсов являются актуальными вопросами сегодняшнего дня
Работа выполнена в соответствии с перечнем критических технологий Российской Федерации, раздел «Металлы и сплавы со специальными свойствами», утвержденным Президентом Российской Федерации 30 03 2002 г, и приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации, раздел «Производственные технологии», утвержденными Президентом РФ 30 03 2002 г
Цель работы разработка, совершенствование и внедрение технологий электроплавки и внепечной обработки рельсовой электростали, а также создание новых марок стали для производства железнодорожных рельсов с высокими служебными свойствами
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи
-
Разработать технологии выплавки в дуговых электропечах, внепечной обработки стали, предназначенной для производства железнодорожных рельсов, соответствующих по качеству и служебным характеристикам лучшим образцам иностранных производителей
-
Исследовать физико-механические свойства рельсовой электростали различного химического состава и с различным содержанием кислорода, водорода и азота и разработать новые марки стали с высокими эксплуатационными свойствами
-
Изучить стойкость рельсов, изготовленных из электростали, при службе в пути
Научная новизна работы заключается в теоретическом и экспериментальном доказательстве возможности производства железнодорожных рельсов, сравнимых по качеству с продукцией лучших мировых производителей, из стали, выплавленной в дуговых электропечах с использованием внепечной обработки
1 На основе теоретических и экспериментальных исследований определено оптимальное снижение содержания азота, кислорода и водорода в рельсовой стали В формировании типа и количества неметаллических включений в стали решающую роль играет содержание кислорода в металле и оксидов железа в шлаке Предложена модель поведения азота при электроплавке стали Выявлены источ-
ники поступления водорода в металл и определено влияние температуры атмосферного воздуха на конечное содержание водорода в стали
2 Выполненный расчет теплового баланса электроплавки с использованием жидкого чугуна как шихтового материала позволил обосновать оптимальные расходы чугуна (в зависимости от химического состава), лома и извести Проведены расчет и анализ взаимосвязи расхода жидкого чугуна и содержания кислорода, азота и водорода, а также загрязненности стали неметаллическими включениями Показано, что повышение количества жидкого чугуна приводит к снижению концентрации кислорода, азота и водорода, а также загрязненности рельсов неметаллическими включениями Использование технологии электроплавки с оставлением шлака и части метала в печи позволило значительно снизить уровень концентрации газов в стали, а разработанные шлаковые режимы уменьшили загрязненность стали неметаллическими включениями
Разработанные в диссертационной работе технологии позволяют производить из электростали железнодорожные рельсы, имеющие высокую эксплуатационную стойкость, удовлетворяющие действующим Государственным стандартам и техническим условиям и соответствующие лучшим образцам железнодорожных рельсов иностранных производителей
Практическая значимость В результате выполненных исследований разработаны, опробованы и внедрены в производство в ОАО "Новокузнецкий металлургический комбинат" следующие технологии выплавки рельсовой стали вана-дийсодержащей (пат РФ № 2291204, № 2291203), с использованием жидкого чугуна (пат РФ № 2197535, № 2197536, №2258084, №2258083), с оставлением шлака и части метала в печи (пат РФ № 2235790, № 2254380, №2302471, №2312901, №2006135920), а так же использования ожелезненного флюса (пат РФ № 2269578, №2269577)
Разработаны и внедрены в производство технологии внепечной обработки стали, обеспечивающие хорошую гомогенизацию стали по химическому составу и температуре Разработан и внедрен в производство способ насыщения стали азотом, позволяющий получать рельсовые стали низкотемпературной надежности (пат РФ № 2161205) без использования азотированных ферросплавов, атакже новые способы обработки стали на агрегате типа «ковш-печь» (пат РФ № 2312902, заявка № 2006109985, в том числе с использованием карбида кальция заявка № 2006135919)
Предложены новые марки рельсовой стали, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства железнодорожных рельсов хромистой (пат РФ № 2291220, №2291221), заэвтектоидной (пат РФ № 2295587), бейнитной (заявка №2005125282)
Долевой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 12,8 млн рублей
Совокупность полученных результатов и разработок является практическим вкладом в решение научной проблемы, имеющей народнохозяйственное значение
Предмет защиты и личный вклад автора На защиту выносится-
-
Новые технологии выплавки в дуговых электропечах рельсовых сталей ванадийсодержащей, хромистой, низкотемпературной надежности, заэвтектоид-ной,бейнитной
-
Результаты расчетов условий и режимов использования жидкого чугуна при производстве рельсовой стали в дуговых электропечах и технологии выплавки стали с оставлением части метала и шлака в печи и увеличенным количеством жидкого чугуна
-
Анализ поведения в процессе выплавки и внепечной обработки растворенных в рельсовой стали газов и разработанной на его основе технологии выплавки в электропечи и внепечной обработки рельсовой стали на агрегате «ковш-печь», в том числе режимы продувки и раскисления, обеспечивающие регулируемое насыщение стали азотом, снижение концентрации кислорода и водорода
4 Новые марки стали для производства железнодорожных рельсов
Автору принадлежит постановка задач экспериментальных и теоретических
исследований, разработка методик, теоретических основ и технологий выплавки и внепечной обработки рельсовой стали, участие в проведении экспериментов, обработка и обобщение результатов
Апробация работы Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на шестом (г Череповец, 2000 г), седьмом (г Магнитогорск,
-
г) и восьмом (г Нижний Тагил, 2004 г) конгрессах сталеплавильщиков, Международной научно-практической конференции «Уральская металлургия на рубеже тысячелетий» (г Челябинск, 1999 г), Межгосударственной научно-практической конференции «Теория и технология производства чугуна и стали» (г Липецк, 2000 г ), Юбилейной Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы электрометаллургии стали и ферросплавов» (г Новокузнецк, 2001 г), XI Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (г Челябинск, 2001 г), Межгосударственной научно-практической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (г Липецк, 2001 г), Рельсовых комиссиях (г Новокузнецк, 2002 г, г Нижний Тагил, 2000, 2005 г г), Международной научно-технической конференции "Современные проблемы металлургического производства" (г Волгоград, 2002 г), Всероссийской научно - практической конференции «Нелинейная динамика технологических процессов и систем» (г Липецк, 2003 г), X Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (г Челябинск,
-
г), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки, качества» (г Новокузнецк, 2006 г), XIII Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (г Челябинск, 2007 г)
Публикации Основное содержание диссертации опубликовано в 67 печатных работах, в том числе 20 в журналах, рекомендованных ВАК России для публикации материалов, содержащихся в кандидатских диссертациях, а также в 1
6 монографии Новизна предложенных технических решений защищена 26 патентами Российской Федерации
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложения Работа изложена на 212 страницах, включая 68 рисунков, 45 таблиц и содержит список литературы из 247 наименований
