blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-12-936-942blackmet-1776Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEИсследования неметаллических включений в рельсах из электросталей, легированных хромомNonmetallic inclusions in rails made of electro-steel alloyed with chromiumУманскийА. 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, Kemerovo Region

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

к.т.н., директор по рельсовому производству

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

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

Novokuznetsk, Kemerovo Region

Aleksey.Golovatenko@evraz.comСимачевА. С.SimachevA. S.

к.т.н., доцент кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение. ЕВРАЗ ЗСМК»

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

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

Novokuznetsk, Kemerovo Region

simachev_as@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинатРоссияJSC “EVRAZ - Joint West Siberian Metallurgical Plant”Russian Federation2019140120206212936942Copyright © Уманский А.А., Головатенко А.В., Симачев А.С., 20202020Уманский А.А., Головатенко А.В., Симачев А.С.Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Simachev A.S.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/1776

На основании металлографических (с помощью микроскопа OLYMPUS GX-51») и спектральных (с использованием спектрометра «ARL iSpark», метод «Spark-DAT») исследований определены вид, относительная концентрация и размеры наиболее характерных неметаллических включений по элементам (головка, шейка) железнодорожных рельсов из электростали марок Э76ХФ и Э90ХАФ. Установлено, что наибольшую относительную концентрацию имеют сульфиды марганца (MnS) – 30,8 – 43,4 ppm. При этом 60 – 100 % включений указанного типа имеют малые (менее 4 мкм) размеры. Это не позволяет их обнаружить при стандартном металлографическом анализе со 100-кратным увеличением. Выявленная высокая относительная концентрация сульфидных включений напрямую коррелирует с установленной положительной ликвацией по сере в рассматриваемых элементах рельса, составляющей до 40 %. Несмотря на высокую концентрацию сульфидов марганца их влияние на качество рельсов можно признать не опасным, с учетом их высокой пластичности при горячей деформации и установленного преобладания включений данного типа малого (менее 4 мкм) размера. Среди включений силикатного типа значимую концентрацию имеют включения SiO2 (3,4 – 14,9 ppm). Все выявленные включения этого типа имеют размер, не превышающий 4 мкм. Установлено, что концентрация сложных включений, имеющих в своем составе глинозем (Al2O3 – CaO – MgO, Al2O3– CaO – MgO – CaS, Al2O3– CaO, Al2O3– MgO), незначительна: суммарно не превышает 3,1 ppm и 1,6 ppm для отдельных видов. Концентрация корунда (Al2O3) также незначительна и не превышает 0,3 ppm. При этом преобладают глиноземистые включения малого (менее 4 мкм) размера. В связи с низкой (с учетом относительной концентрации и размеров включений) загрязненностью непластичными силикатными и глиноземистыми неметаллическими включениями их влияние на качество рельсов не является значимым. Это подтверждается отсутствием дефектов, выявленных при ультразвуковом контроле.

Type, relative concentration and size of most characteristic non-metallic inclusions for the elements of rails (head, web) from electro-steel of E79KhF and E90KhАF grades were determined on the basis of metallographic (with a microscope “OLYMPUS GX-51”) and spectral (using spectrometer “ARL iSpark” method “Spark-DAT”) analyses. It was found that the highest relative concentration of manganese sulfides (MnS) is 30.8 – 43.4 ppm. At the same time, 60 – 100 % of inclusions of this type are of small sizes (less than 4 μm), and it does not allow them to be detected using standard metallographic analysis with 100-fold magnification. The revealed high relative concentration of sulfide inclusions directly correlates with the established positive sulfur liquation in considered rail elements, which is up to 40 %. Despite the high concentration of manganese sulfides, their influence on the quality of rails can be considered not dangerous, taking into account their high ductility during hot deformation and the established prevalence of inclusions of this type with small size (less than 4 μm). Among inclusions of a silicate type, SiO2 inclusions (3.4 – 14.9 ppm) have a significant concentration. All detected inclusions of this type have a size not exceeding 4 μm. It was found that the concentration of complex inclusions containing alumina (Al2O3 – CaO – MgO, Al2O3 – CaO – MgO – CaS, Al2O3 – CaO, Al2O3 – MgO) is insignificant: in total it does not exceed 3.1 ppm and 1.6 ppm for individual types. The concentration of corundum (Al2O3) is also insignificant and does not exceed 0.3 ppm. In this case, alumina inclusions of small size (less than 6 μm) prevail. Due to the low contamination (taking into account the relative concentration and size of inclusions) with non-plastic silicate and alumina non-metallic inclusions, their influence on the quality of the rails was not significant. It is confirmed by the absence of defects detected during ultrasonic testing.

железнодорожные рельсырельсовая стальлегирование хромомнеметаллические включениясульфидысиликатыпластичностьгорячая деформацияликвацияrailway railsrail steelchromium alloyingnonmetallic inclusionssulfidessilicatesplasticityhot deformationliquationРабота выполнена в СибГИУ с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Материаловедение» в рамках базовой части Государственного задания Минобрнауки РФ № 11.6365.2017/8.9.The work was performed in SibGIU using the equipment of the Center for Collective Use “Materials Science” in frame of the State task of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation No. 11.6365.2017/8.9.ReferencesZhang H., Liu C., Lin Q., Wang B., Liu X., Fang Q. Formation of plastic inclusions in U71Mnk high-speed heavy-rail steel refined by CaO–SiO2–Al2O3–MgO slag // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2019. Vol. 50. No. 1. P. 459 – 470.Zhang H., Liu C., Lin Q., Wang B., Liu X., Fang Q. Formation of plastic inclusions in U71Mnk high-speed heavy-rail steel refined by CaO–SiO2–Al2O3–MgO slag. Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2019, vol. 50, no. 1, pp. 459–470.Kalisz D., Gerasin S., Bobrowski P., Zak P.L., Skowronek T. Computer simulation of microsegregation of sulphur and manganese and formation of MnS inclusions while casting rail steel // Archives of Metallurgy and Materials. 2016. Vol. 61. No. 4. P. 1939 – 1944.Kalisz D., Gerasin S., Bobrowski P., Zak P.L., Skowronek T. Computer simulation of microsegregation of sulphur and manganese and formation of MnS inclusions while casting rail steel. Archives of Metallurgy and Materials. 2016, vol. 61, no. 4, pp. 1939–1944.Zhao K.-w., Zeng J.-h., Wang X.-h. Nonmetallic inclusion control of 350 km/h high speed rail steel // Journal of Iron and Steel Research International. 2009. Vol. 16. No. 3. P. 20 – 26.Zhao K.-w., Zeng J.-h., Wang X.-h. Nonmetallic inclusion control of 350 km/h high speed rail steel. Journal of Iron and Steel Research International. 2009, vol. 16, no. 3, pp. 20–26.Garber A.K., Arsenkin A.M., Grigorovich K.V., Shibaev S.S., Kushnarev A.V., Petrenko Yu.P. Analysis of various versions of the deoxidation of rail steel at OAO NTMK // Russian Metallurgy (Metally). 2009. Vol. 2009. No. 7. P. 581 – 586.Garber A.K., Arsenkin A.M., Grigorovich K.V., Shibaev S.S., Kushnarev A.V., Petrenko Yu.P. Analysis of various versions of the deoxidation of rail steel at OAO NTMK. Russian Metallurgy (Metally). 2009, vol. 2009, no. 7, pp. 581–586.Григорович К.В., Шибаев С.В. Влияние технологии выплавки на чистоту стали по неметаллическим включениям. – В кн.: Неметаллические включения в рельсовой стали: сб. науч. тр. – Екатеринбург: изд. УИМ, 2005. С. 74 – 86.Grigorovich K.V., Shibaev S.V. Influence of smelting technology on steel purity by non-metallic inclusions. In: Nemetallicheskie vklyucheniya v rel’sovoi stali: sb. nauch. tr. [Non-metallic inclusions in rail steel: Coll. of sci. works]. Ekaterinburg: izd. UIM, 2005, pp. 74–86. (In Russ.).Добужская А.Б., Смирнов Л.А., Мухранов Н.В., Фомичев М.С., Белокурова Е.В. Изучение состава неметаллических включений в рельсах // Сталь. 2015. № 5. С. 82 – 86.Dobuzhskaya A.B., Smirnov L.A., Mukhranov N.V., Fomichev M.S., Belokurova E.V. Composition of non-metallic inclusions in rails. Stal’. 2015, no. 5, pp. 82–86. (In Russ.).Yurʹev A.B., Godik L.A., Devyatkin Yu.D., Kozyrev N.A., Tokarev A.V. Reduction of rail steel by calcium carbonate // Steel in Translation. 2008. Vol. 38. No. 4. P. 312 – 314.Yur’ev A.B., Godik L.A., Devyatkin Yu.D., Kozyrev N.A., Tokarev A.V. Reduction of rail steel by calcium carbonate. Steel in Translation. 2008, vol. 38, no. 4, pp. 312–314.Dhua S.K., Ray A., Sen S.K., Prasad M.S., Mishra K.B., Jha S. Influence of nonmetallic inclusion characteristics on the mechanical properties of rail steel // Journal of Materials Engineering and Performance. 2000. Vol. 9. No. 6. P. 700 – 709.Dhua S.K., Ray A., Sen S.K., Prasad M.S., Mishra K.B., Jha S. Influence of nonmetallic inclusion characteristics on the mechanical properties of rail steel. Journal of Materials Engineering and Performance. 2000, vol. 9, no. 6, pp. 700–709.Григорович К.В., Арсенкин А.М., Трушникова А.С. Неметаллические включения: оценка и прогноз эксплуатационной стойкости рельсов. – В кн.: Неметаллические включения в рельсовой стали: сб. науч. тр. – Екатеринбург: изд. УИМ, 2005. С. 102 – 115.Grigorovich K.V., Arsenkin A.M., Trushnikova A.S. Non-metallic inclusions: assessment and prediction of the operational stability of rails. In: Nemetallicheskie vklyucheniya v rel’sovoi stali: sb. nauch. tr. [Non-metallic inclusions in rail steel: Coll. of sci. works]. Ekaterinburg: izd. UIM, 2005, pp. 102–115. (In Russ.).Добужская А.Б., Дерябин А.А., Семенков В.Е., Рейхарт В.А. Исследование состава и источников поступления неметаллических включений, вызывающих образование контактно-усталостных дефектов в рельсах производства нижнетагильского металлургического комбината // Черная металлургия. Бюл. инта «Черметинформация». 2006. № 10. С. 33 – 36.Dobuzhskaya A.B., Deryabin A.A., Semenkov V.E., Reikhart V.A. The study of the Composition and sources of non-metallic inclusions that cause the formation of contact-fatigue defects in the rails produced by Nizhny Tagil Metallurgical Plant. Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2006, no. 10, pp. 33–36. (In Russ.).Козырев Н.А. Основные направления развития производства рельсов низкотемпературной надежности // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. Т. 54. № 4. С. 31 – 34.Kozyrev N.A. Main development trends for low temperature operate reliability rails production. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2011, vol. 54, no. 4, pp. 31–34. (In Russ.).Юрьев А.Б., Годик Л.А., Нугуманов Р.Ф., Козырев Н.А., Корнева Л.В. Производство и качество рельсов из стали марки Э90АФ // Изв. вуз. Черная металлургия. 2009. Т. 52. № 8. С. 34 – 37.Yur’ev A.B., Godik L.A., Nugumanov R.F., Kozyrev N.A., Korneva L.V. Production and quality of rails made of E90AF steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2009, vol. 52, no. 8, pp. 34–37. (In Russ.).Godik L.A., Kozyrev N.A., Korneva L.V. Optimizing the oxygen content in rail steel // Steel in Translation. 2009. Vol. 39. No. 3. P. 240 – 242.Godik L.A., Kozyrev N.A., Korneva L.V. Optimizing the oxygen content in rail steel. Steel in Translation. 2009, vol. 39, no. 3, pp. 240–242.Yurʹev A.B., Godik L.A., Kozyrev N.A., Korneva L.V., Shcheglova A.B. 90AΦ STEEL RAIL // Steel in Translation. 2008. Vol. 38. No. 7. P. 589 – 591.Yur’ev A.B., Godik L.A., Kozyrev N.A., Korneva L.V., Shcheglova A.B. 90AΦ steel rail. Steel in Translation. 2008, vol. 38, no. 7, pp. 589–591.Уманский А.А., Головатенко А.В., Темлянцев М.В., Дорофеев В.В. Экспериментальные исследования пластичности и сопротивления деформации хромистых рельсовых сталей // Черные металлы. 2019. № 6. С. 24 – 28.Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Temlyantsev M.V., Dorofeev V.V. Experimental studies of ductility and deformation resistance of chromium rail steels. Chernye metally. 2019, no. 6, pp. 24–28. (In Russ.).Уманский А.А., Головатенко А.В., Симачев А.С., Осколкова Т.Н., Дорофеев В.В. Экспериментальные исследования пластичности и сопротивления деформации хромистых рельсовых сталей // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 60. № 6. С. 452 – 460.Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Simachev A.S., Oskolkova T.N., Dorofeev V.V. Plasticity and deformation resistance of the alloyed rail steels in rolling temperature interval. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 60, no. 6, pp. 452–460. (In Russ.).Umansky A.A., Kozyrev N.A., Boykov D.V., Dumova L.V. Improvement of the extra-furnace rail steel processing on the “ladle-furnace” unit in order to increase the operational stability of railway rails // IOP Conference. Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 411. No. 012078.Umansky A.A., Kozyrev N.A., Boykov D.V., Dumova L.V. Improvement of the extra-furnace rail steel processing on the “ladlefurnace” unit in order to increase the operational stability of railway rails. IOP Conference. Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol. 411, no. 012078.Козырев Н.А., Протопопов Е.В., Уманский А.А., Бойков Д.В. Совершенствование технологии раскисления и внепечной обработки рельсовой электростали с целью повышения качества рельсового проката // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 10. С. 721 – 727.Kozyrev N.A., Protopopov E.V., Umanskii A.A., Boikov D.V. Improved deoxidation technologies and secondary treatment of rail electric steel in order to improve the quality of railway rolling. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2015, vol. 58, no. 10, pp. 721–727. (In Russ.).Kuss H., Lüngen S., Müller G. Comparison of spark OES methods for analysis of inclusions // Anal. Bioanal. Chem. 2002. Vol. 374. No. 11. P. 1242 – 1249.Kuss H., Lüngen S., Müller G. Comparison of spark OES methods for analysis of inclusions. Anal. Bioanal. Chem. 2002, vol. 374, no. 11, pp. 1242–1249.Kuss H.M., Mittelstaedt H., Mueller G. Inclusion mapping and estimation of inclusion contents in ferrous materials by fast scanning laser-induced optical emission spectrometry // Anal. At. Spectrom. 2005. Vol. 20. No. 5. P. 730 – 735.Kuss H.M., Mittelstaedt H., Mueller G. Inclusion mapping and estimation of inclusion contents in ferrous materials by fast scanning laser-induced optical emission spectrometry. Anal. At. Spectrom. 2005, vol. 20, no. 5, pp. 730–735.Бокк Д.Н., Лабусов В.А., Зарубин И.А. Определение неметаллических включений в металлических сплавах методом атомно-эмиссионной спектрометрии с искровым возбуждением // Заводская лаборатория. 2015. Т. 81. № 1. C. 92 – 97.Bokk D.N., Labusov V.A., Zarubin I.A. Determination of nonmetallic inclusions in metal alloys by atomic emission spectrometry with spark excitation. Zavodskaya laboratoriya. 2015, vol. 81, no. 1, pp. 92–97. (In Russ.).

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