blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-5-318-326blackmet-1893Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESРазработка теоретических основ энергоэффективного производства железнодорожных рельсов с повышенными эксплуатационными свойствамиTheoretical foundations for energy-efficient production of railway rails with improved performance propertiesУманскийА. 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.ruДорофеевВ. В.DorofeevV. V.

д.т.н., главный калибровщик рельсобалочного цеха

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

Dr. Sci. (Eng.), Chief Calibrator of Rail and Beam Shop

Novokuznetsk, Kemerovo Region

vladimir.dorofeev@evraz.comДумоваЛ. В.DumovaL. V.

старший преподаватель кафедры «Менеджмент и отраслевая экономика»

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

Senior Lecturer of the Chair “Management and Branch Economy”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

doumova@bk.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»РоссияJSC “EVRAZ – Joint West Siberian Metallurgical Plant”Russian Federation202001072020635318326Copyright © Уманский А.А., Дорофеев В.В., Думова Л.В., 20202020Уманский А.А., Дорофеев В.В., Думова Л.В.Umanskii A.A., Dorofeev V.V., 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/1893

Проведены экспериментальные исследования методами горячих механических испытаний образцов на кручение и сжатие. Получены зависимости сопротивления пластической деформации рельсовых сталей, легированных хромом, от термомеханических параметров деформации (степень, скорость и температура деформации) и химического состава рассматриваемых сталей. По полученным данным повышение скорости и снижение температуры деформации обуславливает увеличение сопротивления пластическому деформированию, а влияние относительной деформации на сопротивление пластической деформации имеет нелинейный характер с выраженным максимумом при степени деформации порядка 0,25. С использованием методики множественного регрессионного анализа изучено влияние химического состава рельсовых сталей марок 76ХФ, 76ХСФ и 90ХАФ на их сопротивление пластической деформации. Повышение содержания углерода, марганца, ванадия, азота, серы и фосфора в фактическом интервале изменения их концентраций приводит к увеличению сопротивления рассматриваемых рельсовых сталей пластическому деформированию. Раскрыт механизм влияния перечисленных химических элементов на сопротивление рельсовых сталей пластической деформации. Аппроксимация полученных данных позволила определить интервал изменения сопротивления деформации при варьировании химического состава в рамках фактического интервала изменения содержания элементов. Величина указанного интервала составила до 19 % от абсолютного значения сопротивления деформации. При варьировании содержания химических элементов в интервале, оговоренном в ГОСТ на производство железнодорожных рельсов, величина интервала сопротивления деформации составила до 30%. Проверка адекватности полученных зависимостей, проведенная путем осциллографирования работы двигателей приводов обжимных клетей рельсобалочного стана АО «ЕВРАЗ ЗСМК» при прокатке непрерывно литых заготовок различного химического состава, позволила подтвердить выявленные закономерности.

Dependence of plastic deformation resistance of chromiumalloyed rail steels on the thermomechanical parameters of deformation (degree, speed, and temperature of deformation) and chemical composition of the steels under consideration was obtained by hot mechanical tests for torsion and compression. According to the obtained data, an increase in rate and a decrease in deformation temperature cause an increase in resistance to plastic deformation. Effect of relative deformation on resistance to plastic deformation is nonlinear with an expressed maximum at deformation degree of the order of 0.25. Analysis of influence of chemical composition of 76KhF, 76KhSF and 90KhAF rail steels and their resistance to plastic deformation was carried out using methods of multiple regression analysis. It has shown that increasing of content of carbon, manganese, vanadium, nitrogen, sulfur and phosphorus in the actual range of changes in their concentration leads to an increase in their plastic deformation resistance. Mechanism of this effect was revealed. Approximation of the obtained data allowed us to determine interval of changes in deformation resistance when chemical composition varies within the actual range of changes in elements content. Value of specified interval was up to 19 % of the absolute value of deformation resistance. When varying content of chemical elements in the interval specified in state standard for production of railway rails, value of deformation resistance interval was up to 30 %. Checking adequacy of the obtained dependences was performed by oscillographing the stands drives engines of rail mill of JSC “EVRAZ ZSMK” when rolling billets of different chemical composition. This checking made it possible to confirm the revealed patterns.

железнодорожные рельсырельсовые сталиэнергосиловые параметры прокаткихимический составтермомеханические параметры деформациисопротивление пластической деформацииrailway railsrail steelsenergy-power parameters of rollingchemical compositionthermomechanical parameters of deformationresistance to plastic deformationИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Кемеровской области в рамках научного проекта № 20-48-420011 с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Материаловедение».ReferencesPolevoi E.V., Yunin G.N., Golovatenko A.V., Temlyantsev M.V. New rail products at AO EVRAZ ZSMK // Steel in Translation. 2019. Vol. 49. No. 7. P. 484 – 488.Polevoi E.V., Yunin G.N., Golovatenko A.V., Temlyantsev M.V. New rail products at AO EVRAZ ZSMK. Steel in Translation. 2019, vol. 49, no. 7, pp. 484–488.Полевой Е.В., Юнин Г.Н., Темлянцев М.В. Разработка и промышленное освоение технологии дифференцированной термической обработки железнодорожных рельсов с использованием тепла прокатного нагрева // Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 10. С. 704 – 714Polevoi E.V., Yunin G.N., Temlyantsev M.V. Development and commercial introduction of technology for differentiated heat treatment of railway rails with rolling heat utilization. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2016, vol. 59, pp. 704–714. (In Russ.).Smirnov L.A., Rovnushkin V.A., Dobuzhskaya A.B., Yunin G.N., Polevoi E.V., Boikov D.V., Spirin, S.A. Influence of rare-earth modification on the formation of nonmetallic inclusions in high-carbon steel // Steel in Translation. 2016. Vol. 46. No. 11. P. 805 – 813.Smirnov L.A., Rovnushkin V.A., Dobuzhskaya A.B., Yunin G.N., Polevoi E.V., Boikov D.V., Spirin, S.A. Influence of rare-earth modification on the formation of nonmetallic inclusions in high-carbon steel. Steel in Translation. 2016, vol. 46, no. 11, pp. 805–813.Li W.-G., Feng N., Zhao Y.-T., Yan B.-K. Prediction of deformation resistance during hot rolling process based on generalized additive model // Journal of Iron and Steel Research. 2018. Vol. 30. No. 6. P. 447 – 452.Li W.-G., Feng N., Zhao Y.-T., Yan B.-K. Prediction of deformation resistance during hot rolling process based on generalized additive model. Journal of Iron and Steel Research. 2018, vol. 30, no. 6, pp. 447–452.Liu C., Li W.-G., Wang B., Zhang L.-L. Prediction of deformation resistance for hot rolled strip based on ANFIS. – In: Proceedings of the 12 th IEEE Conf. on Industrial Electronics and Applications, ICIEA 2017. 2018. P. 1701 – 1705.Liu C., Li W.-G., Wang B., Zhang L.-L. Prediction of deformation resistance for hot rolled strip based on ANFIS. In: Proceedings of the 12 th IEEE Conf. on Industrial Electronics and Applications, ICIEA 2017. 2018, pp. 1701–1705.Shkatov V.V., Mazur I.P., Chetverikova T.S., Knapinski M. Simulation of dynamic recrystallization and resistance to deformation of carbon and low-alloyed steels during hot forming // Chernye Metally. 2018. No. 11. P. 22 – 27.Shkatov V.V., Mazur I.P., Chetverikova T.S., Knapinski M. Simulation of dynamic recrystallization and resistance to deformation of carbon and low-alloyed steels during hot forming. Chernye Metally. 2018, no. 11, pp. 22–27. (In Russ.).Ghadar S., Momeni A., Tolaminejad B., Soltanalinezhad M. A comparative study on the hot deformation behavior of 410 stainless and K100 tool steels // Materials Science and Engineering A. 2019. Vol. 760. P. 394 – 406.Ghadar S., Momeni A., Tolaminejad B., Soltanalinezhad M.A. Comparative study on the hot deformation behavior of 410 stainless and K100 tool steels. Materials Science and Engineering A. 2019, vol. 760, pp. 394–406.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. 11-12. P. 1118 – 1121.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. 11-12, pp. 1118–1121.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. P. 138 – 141.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.Safronov A.A., Belskiy S.M., Chernyj V.A., Mazur I.P. Modeling of temperature influence on resistance to plastic deformation of electrotechnical steels in hot rolling // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1134. No. 1. Article 012050.Safronov A.A., Belskiy S.M., Chernyj V.A., Mazur I.P. Modeling of temperature influence on resistance to plastic deformation of electrotechnical steels in hot rolling. Journal of Physics: Conf. Series. 2018, vol. 1134, no. 1, article 012050.Rodriguez-Ibabe J.M., Gutiérrez I., López B., Iza-Mendia A. Modeling of the resistance to hot deformation and the effects of microalloying in high-al steels under industrial conditions // Materials Science Forum. 2005. Vol. 500-501. P. 195 – 202.Rodriguez-Ibabe J.M., Gutiérrez I., López B., Iza-Mendia A. Modeling of the resistance to hot deformation and the effects of microalloying in high-al steels under industrial conditions. Materials Science Forum. 2005, vol. 500-501, pp. 195–202.Kumar S., Aashranth B., Samantaray D., Davinci M., Borah U., Bhaduri A.K. Investigation on grain boundary character distribution during dynamic recrystallization of austenitic stainless steel during hot deformation // Materials Performance and Characterization. 2019. Vol. 8. No. 5. P. 796 – 807.Kumar S., Aashranth B., Samantaray D., Davinci M., Borah U., Bhaduri A.K. Investigation on grain boundary character distribution during dynamic recrystallization of austenitic stainless steel during hot deformation. Materials Performance and Characterization. 2019, vol. 8, no. 5, pp. 796–807.Hermant A., Suzon E., Petit P., Bellus J., Georges E., Cortial F., Sennour M., Gourgues-Lorenzon A.-F. Hot deformation and recrystallization mechanisms in a coarse-grained, niobium stabilized austenitic stainless steel (316Nb) // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2019. Vol. 50. No. 4. P. 1625 – 1642.Hermant A., Suzon E., Petit P., Bellus J., Georges E., Cortial F., Sennour M., Gourgues-Lorenzon A.-F. Hot deformation and recrystallization mechanisms in a coarse-grained, niobium stabilized austenitic stainless steel (316Nb). Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2019, vol. 50, no. 4, pp. 1625–1642.Kingkam W., Zhao C.-Z., Li H., Zhang H.-X., Li Z.-M. Hot deformation and corrosion resistance of high-strength low-alloy steel // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2019. Vol. 32. No. 4. P. 495 – 505.Kingkam W., Zhao C.-Z., Li H., Zhang H.-X., Li Z.-M. Hot deformation and corrosion resistance of high-strength low-alloy steel. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2019, vol. 32, no. 4, pp. 495–505.Карпов С.В., Банщиков А.А., Карпова А.С. Сопротивление деформации марганцовистых сталей // Ползуновский альманах. 2008. № 3. С. 123 – 126.Karpov S.V., Banshchikov A.A., Karpova A.S. Deformation resistance of manganese steels. Polzunovskii al’manakh. 2008, no. 3, pp. 123–126. (In Russ.).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. No. 4. P. 18 – 28.Gladkovskii S.V., Potapov A.I., Lepikhin S.V. Studying the deformation resistance of EP679 maraging steel. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2015, no. 4, pp. 18–28. (In Russ.).Потапов А.И., Батуева Е.А. Сопротивление деформации кремнемарганцовистых сталей для арматуры // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. № 10. С. 38 – 40.Potapov A.I., Batueva E.A. Deformation resistance of siliconmanganese steels for reinforcement. Zagotovitel’nye proizvodstva v mashinostroenii. 2013, no. 10, pp. 38–40. (In Russ.).Логинов Ю.Н., Батуева Е.А., Потапов А.И. Исследование сопротивления деформации кремнемарганцовистой стали. – В кн.: Инновации в материаловедении и металлургии: материалы II междунар. интерактив. науч.-практ. конф. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2012. С. 187 – 190.Loginov Yu.N., Batueva E.A., Potapov A.I. Deformation resistance of silicon-manganese steel. In: Innovatsii v materialovedenii i metallurgii: Materialy II mezhdunar. interaktiv. nauch.-prakt. konf. [Innovations in Materials Science and Metallurgy: Materials of the II Int. Interactive Sci.-Pract. Conf.]. Ekaterinburg: Izd-vo Ural. un-ta, 2012, pp. 187–190. (In Russ.).Зюзин В.И., Бровман М.Я., Мельников А.Ф. Сопротивление деформации сталей при горячей прокатке. – М.: Металлургия, 1964. – 270 с.Zyuzin V.I., Brovman M.Ya., Mel’nikov A.F. Soprotivlenie deformatsii stalei pri goryachei prokatke [Deformation resistance of steels during hot rolling]. Moscow: Metallurgiya, 1964, 270 p. (In Russ.).Андреюк В.Л., Тюленев Г.Г., Прицкер Б.С. Аналитическая зависимость сопротивления деформации сталей и сплавов от их химического состава // Сталь. 1972. № 6. С. 522 – 523.Andreyuk V.L., Tyulenev G.G., Pritsker B.S. Analytical dependence of deformation resistance of steels and alloys on their chemical composition. Stal’. 1972, no. 6, pp. 522–523. (In Russ.).Мигачев Б.А. Сопротивление деформации в механике обработке давлением. – Екатеринбург: УрО РАН, 1997. – 176 с.Migachev B.A. Soprotivlenie deformatsii v mekhanike obrabotke davleniem [Deformation resistance at forming mechanics]. Ekaterinburg: UrO RAN, 1997, 176 p. (In Russ.).Сопротивление деформации и пластичность металлов при обработке давлением / Ю.Г. Калпин, В.И. Перфилов, П.А. Петров, В.А. Рябов, Ю.К. Филиппов. – М.: Машиностроение, 2011. – 244 с.Kalpin Yu.G., Perfilov V.I., Petrov P.A., Ryabov V.A., Filippov Yu.K. Soprotivlenie deformatsii i plastichnost’ metallov pri obrabotke davleniem [Metals resistance to deformation and plasticity at forming]. Moscow: Mashinostroenie, 2011, 244 p. (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 – 51.Ostapenko A.L., Perekhodchenko V.A., Kushnir O.N., Plastun D.A. On applicability of deformation resistance calculation methods for evaluating energy-force conditions of hot strip rolling. Stal’. 2014, no. 5, pp. 41–51. (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.Ostapenko A.L., Rudenko E.A., Kurdyukova L.A. Influence of methodology for deformation resistance determining on error of calculation of strength of strips and sheets hot rolling. Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2013, no. 6, pp. 38–44. (In Russ.).Уманский А.А., Головатенко А.В., Симачев А.С., Дорофеев В.В., Осколкова Т.Н. Исследования пластичности и сопротивления деформации легированных рельсовых сталей в температурном интервале прокатки // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 6. С. 452 – 460.Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Simachev A.S., Dorofeev V.V., Oskolkova T.N. Plasticity and deformation resistance of the alloyed rail steels in rolling temperature interval. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 6, pp. 452–460. (In Russ.).Уманский А.А., Головатенко А.В., Кадыков В.Н. Разработка теоретических основ определения энергосиловых параметров прокатки при освоении новых марок рельсовых сталей // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 10. С. 804 – 810.Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Kadykov V.N. Development of theoretical basis of determining energy-power parameters of rolling at implementation of new grades of rail steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 10, pp. 804–810. (In Russ.).Уманский А.А., Головатенко А.В., Симачев А.С. Исследования неметаллических включений в рельсах из электросталей, легированных хромом // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 12. С. 936 – 942.Umanskii A.A., Golovatenko A.V., Simachev A.S. Nonmetallic inclusions in rails made of electro-steel alloyed with chromium. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 12, pp. 936–942. (In Russ.).Гарост А.И. Неметаллические включения и формирование структуры модифицированной высокомарганцовистой стали // Литье и металлургия. 2006. № 1. С. 75 – 83.Garost A.I. Non-metallic inclusions and structure formation of modified high-manganese steel. Lit’e i metallurgiya. 2006, no. 1, pp. 75–83. (In Russ.).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. Article 012029.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, article 012029.Бровман М.Я. Определение сопротивления деформации при прокатке // Сталь. 2015. № 6. С. 40 – 44.Brovman M.Ya. Determination of deformation resistance during rolling. Stal’. 2015, no. 6, pp. 40–44. (In Russ.).

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