Анализ природы происхождения характерных дефектов мелющих шаров из отбраковки непрерывнолитых заготовок рельсовой стали

Введение

Мелющие (помольные) шары используются для подготовки (размола) исходных материалов в различных отраслях промышленности: металлургической, горнорудной, цементной [1 – 3]. Ключевыми характеристиками, определяющими эффективность работы и срок службы мелющих шаров, являются их твердость (поверхностная и объемная) и ударная стойкость [4 – 6]. Высокие значения указанных показателей достигаются, в основном, за счет дополнительного легирования исходных сталей хромом [7; 8] и применения термообработки шаров после их прокатки [9 – 11].

Рядом исследователей [12; 13] ранее установлено определяющее влияние внутренних дефектов шаров на их ударную стойкость. Однако контроль качества макроструктуры шаров не регламентирован в нормативно-технической документации на производство данного вида продукции и, соответственно, не производится. Отсутствие такого контроля шаров и заготовок для их производства в потоке производства, в свою очередь, обуславливает отсутствие обоснованной информации о характерных дефектах, являющихся причинами снижения эксплуатационного ресурса шаров в результате их раскола при ударных нагрузках.

Таким образом, исследования характерных дефектов мелющих шаров во взаимосвязи с их ударной стойкостью являются актуальными.

В настоящей работе в качестве объекта исследований использованы мелющие шары, произведенные ОАО «Гурьевский металлургический завод» («ОАО «ГМЗ») из отбраковки непрерывнолитых заготовок рельсовой стали, поставляемых компанией «Мечел». Следует отметить, что в последние годы переработка указанных заготовок в мелющие шары получила развитие в связи с увеличением количества отбраковки [14 – 17], в свою очередь обусловленным повышением требований к качеству рельсов [18; 19]. В настоящее время ОАО «ГМЗ» является одним из ведущих производителей мелющих шаров в России и ежегодно прокатывает 25 – 40 тыс. т шаров из отбраковки заготовок рельсовой стали К76Ф, что составляет 30 – 50 % от общего объема выпуска данного вида продукции на предприятии. Результаты исследований природы происхождения дефектов мелющих шаров, произведенных из отбраковки заготовок рельсовых сталей, являются научной базой для повышения их ударной стойкости при массовом производстве, а их использование на практике потенциально обладает значительной экономической эффективностью.

Методика проведения исследований

Исследования происхождения дефектов мелющих шаров, произведенных из отбраковки рельсовой стали, проводили методом металлографического анализа с использованием оптического микроскопа OLYMPUS GX-51 и рентгеноструктурного анализа с использованием дифрактометра Shimadzu XRD-6000.

В качестве объектов исследования использовали мелющие шары диаметром 60 мм из рельсовой стали марки К76Ф производства ОАО «Гурьевский металлургический завод», отбракованные по результатам копровых испытаний. Анализировали 20 партий шаров.

Исследовали параметры микроструктуры, ликвацию основных химических элементов и распределение твердости по сечению отбракованных мелющих шаров. Исследования ликвации химических элементов по сечению проводили с использованием спектрального анализа: методом рентгенофлюоресцентного анализа по ГОСТ 28033 – 89 (спектрометр Shimadzu XRF-1800) и фотоэлектрического спектрального анализа по ГОСТ 18895 – 97 (спектрометр ДФС-71).

Влияние параметров сталеплавильного передела на вероятность неудовлетворительных результатов копровых испытаний изучали с использованием множественного регрессионного анализа. В качестве объекта исследований использовали случайную выборку из 50 партий шаров диаметром 60 мм.

Результаты исследований и их обсуждение

Полученное распределение дефектов, явившихся причинами разрушения мелющих шаров из рельсовой стали К76Ф при испытаниях на ударную стойкость, по видам представлено на рис. 1. Наибольшую долю составляют трещины со скоплениями неметаллических включений (рис. 2). Неметаллические включения, скопления которых наблюдаются в области локализации дефектов, преимущественно представляют собой сложные оксиды (Al₂O₃ – CaO – MgO, Al₂O₃ – CaO, Al₂O₃ – MgO), классифицируемые как непластичные или хрупкоразрушенные (способные вытягиваться в строчки при пластической деформации, но разрушающиеся при достижении определенной степени деформации), а также сульфиды марганца и железа. Основная масса неметаллических оксидных включений образуется в процессе раскисления стали.

При этом следует отметить, что согласно существующей технологии производства рельсовых сталей раскисление алюминием не проводят и основным источником его поступления в сталь являются ферросплавы, где алюминий содержится в виде остаточной примеси. Концентрация сульфидных включений, образование которых преимущественно происходит в процессе кристаллизации стали, напрямую определяется содержанием серы. При этом выраженное негативное влияние на качество проката оказывают сульфиды железа, уменьшения концентрации которых можно достичь повышением содержания марганца в стали. Вторым по распространенности видом дефекта являются флокены, идентифицированные в соответствии с общепринятой классификацией изломов [20]: на поверхности разрушения имеются участки в виде светлых пятен, имеющие более крупнокристаллическое строение по отношению к основному металлу (рис. 3).

Трещины без скоплений неметаллических включений (рис. 4) в области их локализации явились причиной неудовлетворительных испытаний мелющих шаров на ударную стойкость в 12 % случаев.

На основе вышесказанного можно констатировать, что дефекты, определяющие ударную стойкость мелющих шаров из рельсовой стали К76Ф, имеют преимущественно сталеплавильное происхождение.

Для подтверждения полученных результатов дополнительно проведены статистические исследования влияния химического состава заготовок на отбраковку шаров по результатам копровых испытаний. Установлено, что повышения содержаний серы, водорода и углерода в стали в существующем диапазоне их концентрации (табл. 1) оказывают значимое влияние на увеличение отбраковки шаров при испытаниях на ударную стойкость:

Б_копр = –12,9 + 3,7[H] + 102,3[S] + 11,8[C],

где Б_копр – отбраковка шаров по результатам копровых испытаний, %; [C], [S] – содержание углерода и серы в стали, %; [H] – содержание водорода в стали, ppm.

В соответствии с вышеприведенными результатами металлографических исследований влияние концентрации водорода в стали на вероятность разрушения шаров при копровых испытаниях связано с образованием флокенов, выявленных в изломе ряда расколовшихся шаров, а влияние серы – с образованием непластичных сульфидов.

В структуре оставшихся 9 % шаров, не выдержавших испытания на ударную стойкость, выявлены микротрещины по границам раздела фаз мартенсита и троостита (рис. 5, а, б). Наличие троостита свидетельствует об отклонении от оптимального режима термообработки, а именно, о пониженной скорости охлаждения при закалке. Полученная двухфазная структура является дефектной по причине значительного различия механических свойств мартенсита и троостита, что повышает вероятность разрушения изделий при ударных нагрузках. Фактически диапазон изменения твердости в сердцевине шаров со структурой мартенсит + троостит составляет 7 – 8 HRC, что подтверждает вышеприведенный тезис о неравномерности распределения механических свойств. Следует отметить, что указанная неравномерность свойств усугубляется присутствием в микроструктуре сердцевины таких шаров помимо мартенсита и троостита карбидов цементитного типа (рис. 5, в). Наличие карбидов свидетельствует о повышенном (до заэвтектоидного состава) содержании углерода и обусловлено значительной его ликвацией (табл. 2). При этом следует отметить, что ликвация остальных химических элементов крайне незначительна.

Таким образом, отрицательное влияние повышения содержания углерода на ударную стойкость шаров обусловлено образованием карбидов цементитного типа при достижении содержания углерода, соответствующего заэвтектоидной стали.

Относительная суммарная степень влияния концентрации вышеприведенных химических элементов на отбраковку шаров по результатам копровых испытаний составила 48 %. Исходя из вышеизложенных результатов, оставшиеся 52 % относительного влияния на ударную стойкость шаров связаны с параметрами технологии раскисления стали и параметрами термообработки шаров после их прокатки. Эффективным методом уменьшения концентрации глиноземистых оксидных включений является применение ферросплавов новых марок с пониженным содержанием алюминия. Это является актуальным, так как в ряде распространенных видов ферросплавов содержание алюминия может достигать значительной величины: в ферросилиции различных марок допустимое содержание алюминия составляет 1,0 – 3,5 %. Также снижению концентрации неметаллических включений закономерно способствует уменьшение окисленности стали на выпуске из плавильных агрегатов, что достигается за счет совершенствования режимов продувки. Касательно влияния параметров термообработки на образование дефектов мелющих шаров можно отметить, что эффективным направлением по снижению вероятности появления закалочных трещин является применение закалочных сред с высокой охлаждающей способностью.

Выводы

На основании комплекса металлографических и статистических исследований определены характерные дефекты, наличие которых обуславливает снижение ударной стойкости мелющих шаров из отбраковки рельсовой стали марки К76Ф. Анализ природы данных дефектов показал, что они имеют преимущественно сталеплавильное происхождение (внутренние трещины со скоплениями неметаллических включений, флокены) и их образование находится в прямой взаимосвязи с содержанием серы, водорода и углерода в стали. Относительная степень влияния вышеуказанных химических элементов в рельсовой стали К76Ф в фактическом диапазоне изменения их концентрации на ударную стойкость мелющих шаров составила 48 %. Также выявлено значительное влияние на устойчивость мелющих шаров к ударным нагрузкам параметров их термообработки, что подтверждено наличием закалочных трещин в изломе 9 % шаров, не выдержавших копровые испытания.