Исследование неметаллических включений в различных зонах кристаллизации рельсовой стали марки Э90ХАФ

Проведены металлографические и рентгенографические исследования непрерывнолитых заготовок рельсовой стали марки Э90ХАФ. Установлены закономерности распределения неметаллических включений по зонам кристаллизации до и после деформации заготовок. Выявлено, что в корковой зоне основными неметаллическими включениями являются оксиды точечные, нитриды алюминия, силикаты железа типа (FeO·SiO₂) и алюмосиликаты (Al₂O₃·SiO₂). В зоне столбчатых кристаллов идентифицированы алюмосиликаты (Al₂O₃·SiO₂), oксиды точечные, силикаты железа (FeO·SiO₂). В центральной зоне слитка выявлены сульфиды марганца (MnS), силикаты марганца (MnO·SiO₂), алюминия (Al₂O₃·SiO₂) и железа (FeO·SiO₂), оксиды точечные. Определено, что концентрация и размеры неметаллических включений имеют тенденцию к увеличению от поверхности к центральной зоне непрерывнолитых заготовок, что согласуется с общепринятыми представлениями о механизмах формирования слитков в процессе кристаллизации. Раскрыт механизм деформации двухфазных силикатных неметаллических включений и их влияния на качество рельсовой продукции. Показано, что неоднородная деформируемость сложных силикатных включений усугубляет их вредное влияние на качество рельсовой продукции. При этом появляются дополнительные напряжения к имеющимся на межфазных границах включение – матрица деформационным и контактным напряжениям. Эта закономерность имеет место и для недеформирующихся силикатных включений. Такое распределение включений в объеме заготовок несколько снижает их негативное влияние на качество рельсов, поскольку в процессе прокатки более интенсивной деформации подвергаются приконтактные слои заготовок, а по мере приближения к осевой зоне заготовок интенсивность деформации снижается.

1. Смирнов Л.А., Дерябин А.А., Добужская А.Б. Повышение качества отечественных железнодорожных рельсов // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2005. № 6. С. 43–49.

2. Черняк С.С. Проблемы повышения эксплуатационной стойкости стали. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2007. 345 с.

3. Sawley К., Kristan D. Development of bainitic rail steels with potential resistance to rolling contact fatigue // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 2003. Vol. 26. No. 10. P. 1019–1029. http://doi.org/10.1046/j.1460-2695.2003.00671.x

4. Самойлович Ю.А. Упрочнение железнодорожных рельсов путем изотермической закалки на нижний бейнит // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2013. № 8. С. 39–44.

5. Farrigia D., Husain Z., Santisteban V., Kieber B. Research fund for coal and steel. PACROLP: the prediction and avoidance of cracking in long product hot rolling. Final report. European Commission, 2009. 149 p.

6. Filippini S.A., Ammerling W.J. Further developments in wire rod and bar production using the 3-roll technology // Iron and Steel Technology. 2009. Vol. 6. No. 9. P. 38–44.

7. Юрьев А.Б., Годик Л.А., Нугуманов Р.Ф., Козырев Н.А., Корнева Л.В. Производство и качество рельсов из стали марки Э90ХАФ // Известия вузов. Черная металлургия. 2009. № 8. С. 34–37.

8. Jung I.-H., Decterev S.A., Pelton A.D. A thermodynamic model for deoxidation equilibria in steel // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2004. Vol. 35. No. 3. P. 493–507. http://doi.org//10.1007/s11663-004-0050-4

9. 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 // Известия вузов. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 10. С. 721–727. http://doi.org/10.17073/0368-0797-2015-10-721-727

10. Протопопов Е.В., Числавлев В.В., Темлянцев М.В., Головатенко А.В. Повышение эффективности рафинирования рельсовой стали в промежуточных ковшах МНЛЗ на основе рациональной организации гидродинамических процессов // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 5. С. 298–304. http://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-5-298-304

11. 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–SiO 2 –Al 2 O3 –MgO slag // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2019. Vol. 50. No. 1. P. 459–470. http://doi.org/10.1007/s11663-018-1451-0

12. 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. http://doi.org/10.1515/amm-2016-0312

13. 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. http://doi.org/10.1016/S1006-706X(09)60038-8

14. Garber A.K., Arsenkin A.M., Grigorovich K.V., Shibaev S.S., Kushnarev A.V., Petrenko Y.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. http://doi.org/10.1134/s0036029509070064

15. 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. http://doi.org/10.1361/105994900770345584

16. Hullen P. van, Ammerling J. Targets, implementation and operating results of the modernization project of a bar mill for engineering steel. Proceedings of the 3 rd European Rolling Conference METEC Congress 2003. Düsseldorf. 16−20 June 2003. Düsseldorf. 2003. P. 171–176.

17. Могильный В.В. Влияние кальция на загрязненность и морфологию неметаллических включений в рельсовой стали. В кн.: Неметаллические включения в рельсовой стали. Сборник научных трудов по материалам I Всероссийского научно-технического семинара. Екатеринбург: Уральский институт металлов, 2005. С. 59–64.

18. Павлов В.В., Корнева Л.В., Полевой Е.В., Волков К.В. Оценка склонности рельсов к образованию контактно-усталостных дефектов. В кн.: Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений. Сборник научных докладов по материалам заседания некоммерческого партнерства «Рельсовая комиссия», Московская обл., 23–25 октября 2012 г. Екатеринбург: Уральский институт металлов, 2013. С. 106–112.

19. Симачев А.С., Темлянцев М.В., Осколкова Т.Н., Перетятько В.Н., Базайкин В.И. Исследование высокотемпературной пластичности зон кристаллизации непрерывнолитых заготовок рельсовой стали Э76Ф // Известия вузов. Черная металлургия. 2014. Т. 57. № 10. С. 33–37.

20. Симачев А.С., Осколкова Т.Н., Темлянцев М.В. Влияние неметаллических включений рельсовой стали на высокотемпературную пластичность // Известия вузов. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 2. С. 134–137. http://doi.org/10.17073/0368-0797-2016-2-134-137