blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-10-804-810blackmet-1157Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSРАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТКИ ПРИ ОСВОЕНИИ НОВЫХ МАРОК РЕЛЬСОВЫХ СТАЛЕЙDEVELOPMENT OF THEORETICAL BASIS OF DETERMINING ENERGY-POWER PARAMETERS OF ROLLING WITH DEVELOPMENT OF NEW GRADES OF RAIL STEELУманскийА. А.UmanskiiA. A.

к.т.н., доцент кафедры металлургии черных металлов,

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Ferrous Metallurgy,

Novokuznetsk

umanskii@bk.ruГоловатенкоА. В.GolovatenkoA. V.

к.т.н., начальник рельсового производства,

654043, Кемеровская обл., Новокузнецк, ш. Космическое, 16

Cand. Sci. (Eng.), Head of Rail Production,

Novokuznetsk

Aleksey.Golovatenko@evraz.comКадыковВ. Н.KadykovV. N.

к.т.н., доцент кафедры обработки металлов давлением и металловедения. ЕВРАЗ ЗСМК,

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Metal Forming and Metal Science”. EVRAZ ZSMK,

Novokuznetsk

kadikov_vn@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»РоссияJSC “EVRAZ - Joint West Siberian Metallurgical Plant”Russian Federation2017271120176010804810Copyright © Уманский А.А., Головатенко А.В., Кадыков В.Н., 20172017Уманский А.А., Головатенко А.В., Кадыков В.Н.Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Kadykov V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1157

Анализ существующих методик теоретического определения сопротивления сталей пластическому деформированию позволил выявить ряд их существенных недостатков, в частности отсутствие учета влияния химического и фазового составов стали, истории нагружения. Обусловленное перечисленными недостатками ограничение по области применения не позволяет считать эти методики пригодными для получения достоверных прогнозных значений энергосиловых параметров прокатки применительно к вновь осваиваемым маркам стали, в частности к сложнолегированным рельсовым сталям. На основании вышесказанного сделан вывод о необходимости проведения экспериментальных исследований сопротивления пластической деформации таких сталей при различном сочетании температурно-скоростных параметров прокатки, степени деформации и варьировании химического состава стали. Указанные исследования применительно к стали марки Э78ХСФ проведены с использованием комплекса для физического моделирования термомеханических процессов «Gleeble System 3800». На основании математической обработки полученных экспериментальных данных разработана методика численного определения сопротивления рельсовых сталей пластическому деформированию при изменяющихся термомеханических параметрах прокатки (температура, скорость и степень деформации) и нестабильном химическом составе стали. Характер полученных экспериментальных зависимостей свидетельствует о снижении сопротивления пластическому деформированию стали Э78ХСФ при повышении температуры ее деформации в интервале температур прокатки и повышении сопротивления пластическому деформированию при увеличении скорости деформации в интервале изменения данного параметра на рельсобалочных станах, что согласуется с общепринятыми представлениями. Экспериментальные данные позволяют говорить о ярко выраженном нелинейном характере зависимости сопротивления стали Э78ХСФ пластическому деформированию от степени деформации, что свидетельствует о протекании динамической рекристаллизации в дополнении к динамическому возврату и полигонизации. Анализ влияния химического состава стали Э78ХСФ на ее сопротивление пластическому деформированию свидетельствует о повышении этой характеристики при увеличении концентрации в стали углерода, марганца, серы и фосфора и снижении сопротивления пластической деформации при увеличении содержания ванадия в стали. Полученные данные об отсутствии влияния на сопротивление пластической деформации стали Э78ХСФ изменения концентрации кремния и хрома (в рамках интервала изменения, соответствующего требованиям стандартов) позволяет сделать вывод о возможности использования разработанной методики расчета для определения сопротивления пластической деформации рельсовых сталей, не легированных указанными элементами. Адекватность предложенной методики подтверждена исследованиями энергосиловых параметров прокатки в условиях действующего универсального рельсобалочного стана АО «ЕВРАЗ ЗСМК» для сталей различного химического состава.

The analysis of existing methods of theoretical determination of the resistance of steels plastic deformation revealed a number of significant shortcomings of the loading history, particularly, the lack of consideration the influence of chemical and phase composition of the steel. Due to limitations on the application of these drawbacks do not allow to consider these techniques as suitable for the preparation of reliable predictive values of energy-power rolling parameters according to the newly developed steel grades, in particular for complex-alloyed rail steel. Therefore, the conclusion about the necessity of experimental studies on plastic deformation resistance of steels at various combinations of temperature and speed of rolling, the degree of deformation and varying the chemical composition of steel was made. These studies applied to E78KhSF steel were performed using the complex for physical modeling for thermomechanical processes “Gleeble System 3800”. On the basis of mathematical processing of the experimental data the technique of numerical determination of the resistance of rail steel to plastic deformation under varying thermomechanical rolling parameters (temperature, speed and degree of deformation) and volatile chemical composition of steel was carried out. The nature of the experimental dependences indicates a decline in resistance to plastic deformation of E78KhSF steel with increasing temperature deformation in the rolling temperature range and improving the resistance to plastic deformation with increasing strain rate in the range of variation of this parameter in the rolling mill, which is consistent with the generally accepted views. Experimental evidence suggests the pronounced nonlinear character of dependence of the resistance of E78KhSF steel to plastic deformation on the degree of deformation that indicates the occurrence of dynamic recrystallization in addition to the dynamic recovery and polygonize. Analysis of the chemical composition of E78KhSF steel influence on the resistance to plastic deformation indicates an increase of this characteristic by increasing the concentration in the steel of carbon, manganese, sulfur and phosphorus, and decrease in resistance to plastic deformation by increasing the vanadium content in the steel. The obtained data on the absence of influence of the change in the concentration of silicon and chromium (within the interval of variation meeting the requirements of standards) on the resistance to plastic deformation of E78KhSF steel make it possible to draw a conclusion about the possibility of using the developed calculation technique for determining plastic deformation resistance of rail steels not alloyed by these elements. The adequacy of the proposed method was confirmed by studies of power parameters of rolling at the existing universal rolling mill of JSC “EVRAZ ZSMK” for steels with different chemical composition.

энергосиловые параметры прокаткисопротивление деформациирельсовая стальэкспериментальные исследованиятермомеханические параметры прокаткихимический состав сталиenergy-power parameters of rollingresistance to deformationrail steelexperimental studiesthermomechanical rolling parameterschemical composition of steelReferencesСопротивление деформации и пластичность металлов при обработке давлением / Ю.Г. Калпин, В.И. Перфилов, П.А. Петров, В.А. Рябов и др. – М.: Машиностроение, 2011. – 244 с.Kalpin Yu.G., Perfilov V.I., Petrov P.A., Ryabov V.A. etc. Soprotivlenie deformatsii i plastichnost’ metallov pri obrabotke davleniem [Resistance to deformation and plasticity of metals at forming]. Moscow: Mashinostroenie, 2011, 244 p. (In Russ.).Перетятько В.Н., Темлянцев М.В., Филиппова М.В. Пластичность и разрушение сплавов в процессах нагрева и обработки давлением. – М.: Теплотехник, 2010. – 352 с. 3. Зюзин В.И., Бровман М.Я., Мельников А.Ф. Сопротивление деформации сталей при горячей прокатке. – М.: Металлургия, 1964. – 270 с.Peretyat’ko V.N., Temlyantsev M.V., Filippova M.V. Plastichnost’ i razrushenie splavov v protsessakh nagreva i obrabotki davleniem [Plasticity and fracture of alloys in heating and forming processes]. Moscow: Teplotekhnik, 2010, 352 p. (In Russ.).Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. – М.: Металлургия, 1986. – 688 с.Zyuzin V.I., Brovman M.Ya., Mel’nikov A.F. Soprotivlenie deformatsii stalei pri goryachei prokatke [Steel resistance to deformation during hot rolling]. Moscow: Metallurgiya, 1964, 270 p. (In Russ.).Остапенко А.Л., Руденко Е.А., Курдюкова Л.А. Оценка влияния методики определения сопротивления деформации на погрешность расчета силы горячей прокатки полос и листов // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». 2013. № 6. С. 38 – 44.Kolmogorov V.L. Mekhanika obrabotki metallov davleniem [Mechanics of metal forming]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 688 p. (In Russ.).Карпов С.В., Банщиков А.А., Карпова А.С. Сопротивление деформации марганцовистых сталей // Ползуновский альманах. 2008. № 3. С. 123 – 126.Ostapenko A.L., Rudenko E.A., Kurdyukova L.A. Evaluation of influence of determination technique of deformation resistance on calculation inaccuracy of strips and sheets hot rolling force. Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2013, no. 6, pp. 38–44. (In Russ.).Остапенко А.Л., Переходченко В.А., Кушнир О.Н., Пластун Д.А. О применимости методик расчета сопротивления деформации для оценки энергосиловых условий горячей прокатки полос // Сталь.2014. № 5. С. 41 – 52.Karpov S.V., Banshchikov A.A., Karpova A.S. Manganese steels resistance to deformation. Polzunovskii al’manakh. 2008, no. 3, pp.  123–126. (In Russ.).Konovalov A.V. Viscoplastic model for the resistance of metals to high-temperature deformation // Russian metallurgy (Metally). 2005. 2005. No. 5. Р. 456 – 459.Ostapenko A.L., Perekhodchenko V.A., Kushnir O.N., Plastun D.A. On applicability of methods of deformation resistance calculation for estimation of energy-force conditions for strips hot rolling. Stal’. 2014, no. 5, pp. 41–52. (In Russ.).Hildenbrand A., Molinari A., Baczynski J. Self-consistent poly crystal modelling of dynamic recrystallization during the shear deformation of A Ti IF steel // Acta mater. 1999. Vol. 47. No. 2. Р. 447 – 460.Konovalov A.V. Viscoplastic model for the resistance of metals to high-temperature deformation. Russian metallurgy (Metally). 2005, vol. 2005, no. 5, pp. 456–459.Marx E. Simulation of primary recrystallization // Acta mater. 1999. Vol. 47. No. 4. Р. 1219 – 1230.HildenbrandA., MolinariA., Baczynski J. Self-consistent poly crystal modelling of dynamic recrystallization during the shear deformation of A Ti IF steel. Acta mater. 1999, vol. 47, no. 2, pp. 447–460.Manonukul A., Dunne N. Dynamic recrystallization // Acta mater. 1999. Vol. 47. No. 7. Р. 4339 – 4354.Marx E. Simulation of primary recrystallization. Acta mater. 1999, vol. 47, no. 4, pp. 1219–1230.Ding R., Guo Z. X. Microstructural modeling of dynamic recrystallization using an extended cellular automaton approach // Computational Materials Science. 2002. No. 23. P. 209 – 218.Manonukul A., Dunne N. Dynamic recrystallization. Acta mater. 1999, vol. 47, no. 7, pp. 4339–4354.Goetz R.L., Seetharaman V. Modeling dynamic recrystallization using cellular automata // Scripta Materialia. 1998. Vol. 38. No. 3. P. 405 – 413.Ding R., Guo Z. X. Microstructural modeling of dynamic recrystallization using an extended cellular automaton approach. Computational Materials Science. 2002, no. 23, pp. 209–218.Гладковский С.В., Потапов А.И., Лепихин С.В. Исследование сопротивления деформации мартенситно-стареющей стали ЭП679 // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2015. Iss. 4. Р. 18 – 28.Goetz R.L., Seetharaman V. Modeling dynamic recrystallization using cellular automata. Scripta Materialia. 1998, vol. 38, no. 3, pp.  405–413.Konovalov A.V., Smirnov A.S., Parshin V.S., Dronov A.I., Karamyshev A.P., Nekrasov I.I., Fedulov A.A., Serebryakov A.V. Study of the Resistance of Steels 18KhMFB And 18Kh3MFB to Hot Deformation // Metallurgist. 2016. Vol. 59. Iss. 11. Р. 1118 – 1121.Gladkovskii S.V., Potapov A.I., Lepikhin S.V. Investigation of deformation resistance of EP 679 maraging steel. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2015, Issue 4, pp. 18–28.Konovalov A.V., Smirnov A.S. Viscoplastic model for the strain resistance of 08KH18N10T steel at a hot-deformation temperature // Russian metallurgy (Metally). 2008. Vol. 2008. No. 2. Р. 138 – 141.Konovalov A.V., Smirnov A.S., Parshin V.S., Dronov A.I., Karamyshev A.P., Nekrasov I.I., Fedulov A.A., Serebryakov A.V. Study of the Resistance of Steels 18KhMFB And 18Kh3MFB to Hot Deformation. Metallurgist. 2016, vol. 59, no. 11, pp. 1118–1121.Потапов А.И., Батуева Е.А. Сопротивление деформации кремнемарганцовистых сталей для арматуры // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. № 10. С. 38 – 40.Konovalov A.V., Smirnov A.S. Viscoplastic model for the strain resistance of 08KH18N10T steel at a hot-deformation temperature. Russian metallurgy (Metally). 2008, vol. 2008, no. 2, pp. 138–141.Golovatenko A.V., Dorofeev V.V., Trusov V.A., Volkov K.V., Dobryanskii A.V. Analysis of Experimental Dependence of Rail Steel E78KhSF Deformation Resistance on Deformation Temperature, Rate, and Degree // Metallurgist. 2015. Vol. 58. Iss. 5. Р. 528 – 534.Potapov A.I., Batueva E.A. Resistance to deformation of silicomanganese steels for reinforcement. Zagotovitel’nye proizvodstva v mashinostroenii. 2013, no. 10, pp. 38–40. (In Russ.).Уманский А.А., Головатенко А.В., Кадыков В.Н. Исследование влияния химического состава рельсовой стали на сопротивление деформации при прокатке // Вестник горно-металлургической секции российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2015. Вып. 35. С. 52 – 59.Golovatenko A.V., Dorofeev V.V., Trusov V.A., Volkov K.V., Dobryanskii A.V. Analysis of experimental dependence of rail steel E78KhSF Deformation resistance on deformation temperature, rate, and degree. Metallurgist. 2015, vol. 58, no. 5, pp. 528–534.Umansky A.A., Golovatenko A.V., Kadykov V.N., Dumova L.V. Development of mathematical models and methods for calculation of rail steel deformation resistance of various chemical composition // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 150. Р. 12 – 29.Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Kadykov V.N. Investigation of rail steel chemical composition influence on resistance to deformation during rolling. Vestnik gorno-metallurgicheskoi sektsii rossiiskoi akademii estestvennykh nauk. Otdelenie metallurgii. 2015, vol. 35, pp. 52–59. (In Russ.).Queen H.J., Jonas J.J. Plastic Deformation of Materials. New York: Academic Press, 1975. – 493 p.Umansky A.A., Golovatenko A.V., Kadykov V.N., Dumova L.V. Development of mathematical models and methods for calculation of rail steel deformation resistance of various chemical composition. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016, vol.  150, pp. 12–29.The Hot Deformation of Austenite: edited by J.B. Ballance. New York: AIME, 1977. – 631 p.Queen H.J., Jonas J.J. Plastic deformation of materials. New York: Academic Press, 1975, 493 p.Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1983. – 352 с.The hot deformation of Austenite. Balance J.B. ed. New York: AIME, 1977, 631 p.Golovatenko A.V., Umansky A.A., Kadykov V.N. Improvement of rolling modes of long length rails on the universal rail and structural steel mill “EVRAZ ZSMK” // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 150. Р. 12 – 28.Polukhin P.I., Gun G.Ya., Galkin A.M. Soprotivlenie plasticheskoi deformatsii metallov i splavov [Metals and alloys resistance to plastic deformation]. Moscow: Metallurgiya, 1983, 352 p. (In Russ.).Golovatenko A.V., Umansky A.A., Kadykov V.N. Improvement of rolling modes of long length rails on the universal rail and structural steel mill “EVRAZ ZSMK”. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016, vol. 150, pp. 12–28. (In Russ.).Golovatenko A.V., Umansky A.A., Kadykov V.N. Improvement of rolling modes of long length rails on the universal rail and structural steel mill “EVRAZ ZSMK”. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016, vol. 150, pp. 12–28. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.