Разработка теоретических основ энергоэффективного производства железнодорожных рельсов с повышенными эксплуатационными свойствами

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.

железнодорожные рельсы, рельсовые стали, энергосиловые параметры прокатки, химический состав, термомеханические параметры деформации, сопротивление пластической деформации

1. 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. P. 484 – 488.

2. 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 – 714

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Карпов С.В., Банщиков А.А., Карпова А.С. Сопротивление деформации марганцовистых сталей // Ползуновский альманах. 2008. № 3. С. 123 – 126.

16. 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.

17. Потапов А.И., Батуева Е.А. Сопротивление деформации кремнемарганцовистых сталей для арматуры // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. № 10. С. 38 – 40.

18. 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.

19. Зюзин В.И., Бровман М.Я., Мельников А.Ф. Сопротивление деформации сталей при горячей прокатке. – М.: Металлургия, 1964. – 270 с.

20. 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.

21. Мигачев Б.А. Сопротивление деформации в механике обработке давлением. – Екатеринбург: УрО РАН, 1997. – 176 с.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. Гарост А.И. Неметаллические включения и формирование структуры модифицированной высокомарганцовистой стали // Литье и металлургия. 2006. № 1. С. 75 – 83.

29. 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.

30. Бровман М.Я. Определение сопротивления деформации при прокатке // Сталь. 2015. № 6. С. 40 – 44.