blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-11-876-883blackmet-1502Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESИсследование комплексного влияния параметров выплавки рельсовой электростали на качество рельсовой продукции и технико-экономические показатели ее производстваIntegrated influence of melting parameters of rail steel on rail products quality and technical and economic indicators of the productionУманскийА. А.UmanskiiA. A.

Кандидат технических наук, доцент кафедры металлургии черных металлов, директор Центра коллективного пользования «Материаловедение».

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

Cand Sci. Eng., Assist. Professor of the Chair of Ferrous Metallurgy, Director of the Center for Collective Use “Materials Science”.

Novokuznetsk, Kemerovo Region

umanskii@bk.ruДумоваЛ. В.DumovaL. V.

Магистрант кафедры металлургии черных металлов.

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

MA Student of the Chair of Ferrous Metallurgy.

Novokuznetsk, Kemerovo Region

doumova@bk.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation2018241220186111876883Copyright © Уманский А.А., Думова Л.В., 20182018Уманский А.А., Думова Л.В.Umanskii A.A., Dumova L.V.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/1502

Проведенный анализ литературных и производственных данных показал, что, несмотря на существенное повышение качества отечественной рельсовой продукции, достигнутое в последнее десятилетие за счет коренного технического перевооружения рельсовых производств, имеет место проблема повышенной отбраковки рельсов по дефектам поверхности. На основании исследований влияния химического состава рельсовой электростали на качество готовых рельсов производства АО «ЕВРАЗ ЗСМК» установлено значимое влияние повышения содержания меди в интервале 0,07 - 0,15 % и серы в диапазоне 0,006 - 0,011 % в стали Э76ХФ на увеличение отбраковки рельсов по поверхностным дефектам. Раскрыт механизм влияния концентрации указанных элементов в рельсовой стали на качество готовых рельсов. Показано определяющее влияние соотношения чугуна и лома в металлошихте на содержание меди и серы в рельсовой стали - повышение доли чугуна в металлошихте в пределах от 20 до 50 % способствует снижению концентрации меди и повышению содержания серы. С целью обоснования оптимального состава металлошихты для выплавки рельсовой электростали с учетом взаимосвязи качества рельсовой продукции и технико-экономических показателей ее производства проведено исследование влияния соотношения чугуна (в жидком и твердом состояниях) и лома в металлозавалке на основные показатели работы электропечей. В результате установлено, что при увеличении доли как жидкого, так и твердого чугуна в металлозавалке происходит линейное снижение удельного расхода электроэнергии, повышение удельного расхода кислорода по параболическому закону и линейное снижение содержания марганца на выпуске из печи. Полученные зависимости длительности плавки от соотношения компонентов шихты в металлозавалке свидетельствует о наличии выраженного минимума, находящегося при использовании жидкого чугуна в интервале 35 - 40 %, а при использовании твердого чугуна -в интервале 30 - 35 %. На основании полученных уравнений регрессии построена статистическая модель влияния состава металлошихты на технико-экономические показатели работы электросталеплавильного цеха при выплавке рельсовой стали, в которой в качестве параметров оптимизации выступают суммарные затраты по статьям себестоимости, зависящим от состава металлошихты, и производительность цеха по годным непрерывнолитым заготовкам. Применение полученной модели позволяет выработать обоснованные рекомендации по оптимальной доле чугуна в металлозавалке для текущего уровня цен на используемые при электроплавке материалы и энергоносители с учетом изменения производительности цеха.

Analysis of literature and production data has shown that despite the significant improvement in quality of domestic rail products, achieved in the last decade due to fundamental technical re-equipment of rail production, there is a problem of increased rejection of rails for surface defects. Based on studies of influence of rail steel chemical composition on quality of rails produced by «EVRAZ ZSMK», there was established a significant effect of increasing copper content in the range of 0.07 - 0.15 % and of sulfur - in the range of 0.006 - 0.011 % in E76KhF steel to increase rejection caused by rail surface defects. Mechanism of the influence of these elements concentration in rail steel on finished rails quality was revealed. Decisive influence of ratio of pig iron and scrap in metal charge on copper and sulfur content in rail steel was evidenced - higher rate of cast iron in metal charge within 20 - 50 % contributes to decrease of copper concentration and increase of sulfur content. To justify optimal composition of the charge for rail steel melting in regard to rail products quality and technical and economic indicators of production, study of the effect of cast iron (liquid and solid) to scrap ratio in metal charge on basic parameters of furnaces’ operation was conducted. As a result, it was found that with an increase in share of both liquid and solid iron in metal charge, there are linear decrease in specific electricity consumption, increase in specific oxygen consumption according to parabolic law and a linear decrease in manganese content in furnace output. The obtained dependences of melting duration on ratio of charge components in metal charge indicates presence of prominent minimum, when using liquid iron in the range of 35 - 40 %, and when using solid iron - in the range of 30 - 35 %. Based on the regression equations, statistical model was constructed for the influence of metal charge composition on technical and economic performance of the melt charge in rail steel smelting, in which optimization parameters are: total cost, depending on the metal stock composition and performance of the shop for suitable billets produced by continuous casting. Application of the obtained model allows to develop reasonable recommendations on the optimal proportion of iron in the metal for current level of prices for materials and energy used in electric smelting, taking into account changes in the shop productivity.

рельсовая электростальжелезнодорожные рельсыповерхностные дефектыметаллошихтапримеси цветных металловсульфидытехнико-экономические показателиrail steelrailway railssurface defectsmetal chargeimpurities of non-ferrous metalssulfidestechnical and economic indicatorsМинобрнауки РФ, Государственное задание  № 11.6365.2017/8.9; ЦКП «Материаловедение» СибГИУMinistry of Education and Science of the Russian Federation, No. 11.6365.2017 / 8.9; CCP “Materials Science” of SibSIUReferencesGolovatenko A.V., Umansky A.A., Dorofeev V.V. Analysis of the main trends in the development of rail production in Russia and abroad // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 150. Р. 012002.Golovatenko A.V., Umansky A.A., Dorofeev V.V. Analysis of the main trends in the development of rail production in Russia and abroad. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016, vol. 150, pp. 012002.Головатенко А.В., Волков К.В., Александров И.В. и др. Ввод в эксплуатацию универсального рельсобалочного стана и освоение технологии производства рельсов на современном оборудовании в рельсобалочном цехе ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2014. № 6(1374). С. 32 - 38.Golovatenko A.V., Volkov K.V., Aleksandrov I.V., Kuznetsov E.P., Dorofeev V.V., Sapelkin O.I. Commissioning of the universal rail mill and development of technology of rails production on modern equipment in the rail workshop of EVRAZ ZSMK. Chernaya metal-lurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2014, no. 6(1374), pp. 32-38. (In Russ.).Shilov V.A., Shvarts D.L., Litvinov R.A. Shaping of metal when rolling rails in universal grooves // Steel in Translation. 2008. Vol. 38. No. 3. Р. 214 - 216.Shilov V.A., Shvarts D.L., Litvinov R.A. Shaping of metal when rolling rails in universal grooves. Steel in Translation. 2008, vol. 38, no. 3, pp. 214-216.Уманский А.А., Головатенко А.В., Кадыков В.Н. Совершенствование режимов прокатки железнодорожных рельсов в обжимных клетях универсального рельсобалочного стана // Черные металлы. 2016. № 11. С. 16 - 21.Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Kadykov V.N. Improving rail rolling modes in crimping stands of universal rail mill. Chernye metally. 2016, no. 11, pp. 16-21. (In Russ.).Shvarts D.L. Rolling of rail profiles in a universal groove. Part 1 // Steel in Translation. 2015. Vol. 45. No. 6. Р. 430 - 435.Shvarts D.L. Rolling of rail profiles in a universal groove. Part 1. Steel in Translation. 2015, vol. 45, no. 6, pp. 430-435.Shvarts D.L. Rolling of rail profiles in a universal groove. Part 2 // Steel in Translation. 2015. Vol. 45. No. 7. Р. 499 - 502.Shvarts D.L. Rolling of rail profiles in a universal groove. Part 2. Steel in Translation. 2015, vol. 45, no. 7, pp. 499-502.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. 012028.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. 012028.Shilov V.A., Shvarts D.L., Skosar’ E.O. Aspects of the rolling of long rails on a universal rail-beam mill // Metallurgist. 2016. Vol. 60. No. 3. Р. 260 - 266.Shilov V.A., Shvarts D.L., Skosar’ E.O. Aspects of the rolling of long rails on a universal rail-beam mill. Metallurgist. 2016, vol. 60, no. 3, pp. 260-266.Головатенко А.В., Волков К.В., Дорофеев В.В. и др. Развитие технологии прокатки и процессов калибровки железнодорожных рельсов // Производство проката. 2014. № 2. С. 25 - 39.Golovatenko A.V., Volkov K.V., Dorofeev V.V., Stepanov S.V., Dobryanskii A.V. Development of rolling technology and rail grooving processes. Proizvodstvoprokata. 2014, no. 2, pp. 25-39. (In Russ.).Дорофеев В.В., Уманский А.А., Головатенко А.В. и др. Анализ и разработка калибровки прокатных валков для производства асимметричных рельсовых профилей в условиях универсального рельсобалочного стана // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 12. С. 941 - 947.Dorofeev V.V., Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Kadykov V.N., Dobryanskii A.V. Analysis and development of rolls calibration for production of asymmetrical rail profiles at universal rolling mill. Iz-vestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 12, pp. 941-947. (In Russ.).Svejkovsky U. Newest technologies for economical sections production // AISE Steel Technology. 2002. No. 2. P. 33 - 39.Svejkovsky U. Newest technologies for economical sections production. AISE Steel Technology. 2002, no. 2, pp. 33-39.Frank E. Former. Steel dynamics commissions its new structural and rail division // AISE Steel Technology. 2002. No. 11- 12. P. 27 - 35.Frank E. Former. Steel Dynamics commissions its new structural and rail division. AISE Steel Technology. 2002, no. 11-12, pp. 27-35.Chen R., Wang P., Wei X. Track-bridge longitudinal interaction of con-tinuouswelded rails on arch bridge // Mathematical Problems in Engineering. 2013. Available at URL: http://dx.doi.org/10.1155/2013/494137 (Дата обращения 15.02.2018 г.).Chen R., Wang P., Wei X. Track-bridge longitudinal interaction of con-tinuous welded rails on arch bridge. Mathematical Problems in Engineering. 2013. Available at URL: http://dx.doi.org/10.1155/2013/494137 (Accessed 15.02.2018).Kozan E., Burdett R. A railway capacity determination model and rail access charging methodologies // Transportation Planning and Technology. 2005. Vol. 28. No. 1. P. 27 - 45.Kozan E., Burdett R. A railway capacity determination model and rail access charging methodologies. Transportation Planning and Technology. 2005, vol. 28, no. 1, pp. 27-45.Chang Y.A. Phase Diagrams and Thermodynamic Properties of Copper-Metal Systems: Monograph. - New York: INCRA, 1979. - 220 р.Chang Y.A. Phase Diagrams and Thermodynamic Properties of Copper-Metal Systems: Monograph. New York: INCRA, 1979, 220 p.Медь в черных металлах: Сб. статей / Под ред. И. Ле Мэя, Л.М.-Д. Шетки; пер. с англ. И.Д. Марчуковой, А.Н. Штейнбер-га; под ред. О.А. Банных. - М.: Металлургия, 1988. - 310 с.Med’ v chernykh metallakh: sbornik statei [Copper in ferrous metals: Collection of papers]. Mei I.Le, Shetki L.M.-D. ed., Trans from Eng. Moscow: Metallurgiya, 1988, 310 p. (In Russ.).Гинцбург Я.С., Андрацкий К.К. Прокатка качественной стали. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1953. - 464 с.Gintsburg Ya.S., Andratskii K.K. Prokatka kachestvennoi stali [Rolling of high quality steel]. Moscow: Gosudarstvennoe nauchno-tekhnicheskoe izdatel’stvo literatury po chernoi i tsvetnoi metallur-gii, 1953, 464 p. (In Russ.).Еланский Г.Н., Еланский Д.Г. Строение и свойства металлических расплавов. - М.: МГВМИ, 2006. - 228 с.Elanskii G.N., Elanskii D.G. Stroenie i svoistvametallicheskikh ras-plavov [Structure and properties of metal melts]. Moscow: MGVMI, 2006, 228 p. (In Russ.).Баум Б.А., Тягунов Г.В., Барышев Е.Е., Цепелев В.С. Фундаментальные исследования физикохимии металлических расплавов. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 467 с.Baum B.A., Tyagunov G.V., Baryshev E.E., Tsepelev V.S. Fundamental’nye issledovaniya fizikokhimii metallicheskikh ras-plavov [Fundamental studies of physics and chemistry of metal melts]. Moscow: Akademkniga, 2002, 467 р. (In Russ.).Suzuki H. Hot ductility in steels in the temperature range between 900 and 600 degree C - related to the transverse facial cracks in the continuously cast slabs // Tetsu to Hagane. J.I.S.I. Japan. 1981. Vol. 67. No. 8. Р. 1180 - 1189.Suzuki H. Hot ductility in steels in the temperature range between 900 and 600 degree C - related to the transverse facial cracks in the continuously cast slabs. Tetsu to Hagane. J.I.S.I. Japan. 1981, vol. 67, no. 8, pp. 1180-1189.Губенко С.И. Трансформация неметаллических включений. - М.: Металлургия, 1991. - 224 с.Gubenko S.I. Transformatsiya nemetallicheskikh vklyuchenii [Transformation of non-metallic inclusions]. Moscow: Metallur-giya, 1991, 224 p. (In Russ.).Katunin A.I., Godik L.A., Obsharov M.V. etc. Use of liquid pig iron in electric-arc furnaces // Metallurgist. 2000. Vol. 46. No. 6. P. 299 - 301.Katunin A.I., Godik L.A., Obsharov M.V., Kozyrev N.A., Timmerman N.N. Use of liquid pig iron in electric-arc furnaces. Metallurgist. 2000, vol. 46, no. 6, pp. 299-301.Katunin A.I., Godik L.A., Kozyrev N.A. etc. Smelting rail steel in arc furnaces using liquid iron // Steel in Translation. 2001. Vol. 31. No. 1. P. 19 - 21.Katunin A.I., Godik L.A., Kozyrev N.A., Timmerman N.N., Sychev P.E. Smelting rail steel in arc furnaces using liquid iron. Steel in Translation. 2001, vol. 31, no. 1, pp. 19-21.Годик Л.А., Козырев Н.А., Данилов А.П. и др. Использование жидкого чугуна при выплавке стали в дуговых электропечах // Электрометаллургия. 2002. № 1. С. 9 - 14.Godik L.A., Kozyrev N.A., Danilov A.P., Zakharova T.P., Timmerman N.N. Use of liquid iron in electric arc furnaces smelting of steel. Elektrometallurgiya. 2002, no. 1, pp. 9-14. (In Russ.).Липухин Ю.В., Молчанов О.Е., Балдаев Б.Я. Опыт выплавки стали в 100-т дуговых электропечах с использованием в шихте жидкого чугуна // Сталь. 1997. № 7. С. 26 - 27.Lipukhin Yu.V., Molchanov O.E., Baldaev B.Ya. Experience of steel smelting in 100-t electric arc furnaces using liquid iron in charge. Stal’. 1997, no. 7, pp. 26-27. (In Russ.).Katunin A.I., Kozyrev N.A., Obsharov M.V. etc. Economic aspects of the use of liquid pig iron in electric steelmaking // Metallurgist. 2000. Vol. 44. No. 11 - 12. Р. 560 - 562.Katunin A.I., Kozyrev N.A., Obsharov M.V., Timmerman N.N., Sychev P.E. Economic aspects of the use of liquid pig iron in electric steelmaking. Metallurgist. 2000, vol. 44, no. 11-12, pp. 560-562.Godik L.A., Kozyrev N.A., Shabanov P.A. etc. Smelting steel in electrofurnaces with increased hot-metal consumption // Steel in Translation. 2009. Vol. 39. No. 5. P. 412 - 415.Godik L.A., Kozyrev N.A., Shabanov P.A., Timmerman N.N., Zakharova T.P. Smelting steel in electrofurnaces with increased hot-metal consumption. Steel in Translation. 2009, vol. 39, no. 5, pp. 412-415.

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