Исследование процессов раскисления и модифицирования стали для железнодорожных колес с целью повышения их служебных свойств

• Автор: Демин, Константин Юрьевич
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Глава 1. Литературный обзор
1.1. Требования к качеству железнодорожник колес
1.2. Определение фазового состава и дисперсности неметаллических фаз, необходимьк для формирования однородной структуры высокоуглеродистых сталей
1.3. Неметаллические включения: происхождение и влияние на качество металла
1.4. Модифицирование, как способ управления количеством и составом
неметаллических включений
Выводы по главе
Глава 2. Физико-химические расчеты процессов раскисления колесной стали и методика проведения экспериментов
2.1. Физико-химический анализ процессов раскисления колесной стали
2.1.1. Термодинамический расчет комплексного раскисления колесной стали
2.1.2. Комплексное раскисление кремнием и барием
2.1.3. Комплексное раскисление алюминием и барием
2.1.4. Комплексное раскисление силикокальцием
2.1.5. Комплексное раскисление алюминием и кальцием
2.1.6. Совместное раскисление алюминием и кремнием
2.2. Экспериментальные исследования процессов раскисления колесной стали
2.2.1. Плавление и пробоотбор
2.2.2. Пробоподготовка и химический анализ
2.2.3. Результаты экспериментов и их обсуждение
Выводы по главе
Глава 3. Опытно-промышленные плавки колесной стали, модифицированной
барием
3.1. Технология производства колесной стали на ОАО «ВМЗ»
3.1.1. Выплавка металлического полупродукта в мартеновских печах
3.1.2. Обработка металла на АКП
3.1.3. Обработка металла в вакуумной камере
3.1.4. Разливка стали
3.2. Опытные плавки колесной стали, модифицированной барийсодержащими
лигатурами
3.3. Металлографический анализ
3.3.1. Методика исследований
3.3.2. Металлографический анализ неметаллических включений
3.3.3. Анализ макроструктуры
3.3.4. Исследование микроструктуры и определение размера зерна бывшего
аустенита

3.4. Испытания на ударный изгиб
3.5. Фракционный газовый анализ металла модифицированного барийсодержащими
лигатурами
Выводы по главе
Глава 4. Расчет температур образования упрочняющих фаз в колесной стали
4.1. Методика расчета температур полного растворения карбидов, нитридов и карбонитридов
4.2. Расчет температур растворения упрочняющих фаз с учетом изменения концентраций карбидо - и нитридообразующих элементов
4.2.1. Расчет температур растворения нитридов титана
4.2.2. Расчет температур растворения нитридов алюминия
4.2.3. Расчет температур растворения карбидов ниобия
4.2.3. Расчет температур растворения карбидов ванадия
Выводы по главе
Глава 5. Опытно-промышленные плавки колесной стали микролегированные
карбидо- и нитридообразующими элементами
5.1. Опытные плавки колесной стали, микролегированной ванадием, ниобием и алюминием
5.2. Анализ макроструктуры колесной стали
5.3. Анализ микроструктуры
5.4. Испытания образцов колесной стали микролегированной карбидонитридообразующими элементами на ударный изгиб
Выводы по главе
Общие выводы по диссертационной работе
Список литературы
Публикации по теме диссертации
Благодарности
Приложение А. Результаты фракционного газового анализа кислорода и анализа азота в образцах металла лабораторных и опытно-промышленных плавок колесной стали

Актуальность темы диссертационной работы.
Значительная доля грузовых и пассажирских перевозок в РФ приходится на железнодорожный транспорт. Безопасность и эффективность перевозок в значительной мере зависят от надежности подвижного состава. Одним из важнейших показателей в ходе эксплуатации подвижного состава является качество железнодорожных колес, включающее в себя механические свойства колес и их эксплуатационная стойкость.
В последние годы в связи с растущими потребностями в перевозке грузов и сокращения парка вагонов происходит интенсификация использования подвижного состава, за счет увеличения скорости движения и снижения времени на ремонт и обслуживание. Кроме того^ в настоящее время наблюдается тенденция к увеличению грузоподъемности X/ подвижного состава (нагрузка на ось ж.-д. вагонов выросла с 230-250 кН в 1970-1990 гг. до 300 кН в 2000-х гг.). Также необходимо отметить повышение динамических нагрузок на колеса, связанные с увеличением жесткости пути, в первую очередь за счет применения железобетонных шпалц вместо деревянных и увеличение доли щебня В V подушке полотна и укладки в путь новых объемнозакаленных рельсовое твердостью ;/ головки до 380 НВ (в настоящее время до 80 % магистральных путей). При этом твердость колес на поверхности катания обычно не превышает 300 НВ. Дополнительным фактором, влияющим на эксплуатационную стойкость ж.-д. колес является увеличение теплового воздействия на колеса, связанного с применением новых композиционных колодок (до 95 % тепла выделяющегося при торможении состава передается колесу) и увеличение'скорости составов на перегонах. Указанные изменения л ' привели к тому .что ресурс цельнокатаных колес по пробегу в настоящее время снизился более чем в два раза^по отношению к 70-80 гг. прошлого века. 1У
По данным ОАО «ВМЗ» крупнейшего в России производителя железнодорожных колес (объем производства ж.-д. колес ~ 800 тыс. шт. / год, что составляет около 60 % рынка данной продукции в РФ) объемы досрочного вывода из эксплуатации и внеплановых ремонтов составляет около 200 тыс. шт./год, в том числе до 1/3 данного объема из-за дефектов металлургического производства.
Как показано в работах ИМЕТ РАН и ОАО «ВНИИЖТ»^ одной из основных У причин досрочного вывода из эксплуатации как железнодорожных колес, так и рельсов являются контактно-усталостные дефекты, при возникновении которых концентраторами напряжений, как правило, служат крупные оксидные недеформируемые неметаллические включения*; с высоким содержанием А12Оз. В V работах, выполненных в ИМЕТ РАН^ показано, что эксплуатационная стойкость транспортного металла в значительной степени зависит от чистоты стали по оксидным недеформируемым неметаллическим включениям.

Ca0-Si02 (вариант 1), во втором - 2CaO-Si02 (вариант 2). Реакции образования и выражения для констант равновесия сложных силикатов кальция приведены ниже.
CaO + SiÜ2 = CaO ■ Si02, где KCa0.Sl0i = aCaOSi0' , (29)
aCaO ' aSi02
2CaO + Si02 = 2CaO ■ Si02, где K2Ca0.Si0 = a;a,0Si(’?-. (30)
üCaO ' aSi02
На основании данных [75, 128] рассчитаны значения приведенных выше констант равновесия при температуре 1873 К KCu0SiO^ -2,708 и K1Ca0.Si0i =2,721.
Реакции взаимодействия кальция с кислородом, а также константа равновесия для этой реакции может быть записана в следующем виде:
[Са]+[О] = СаО, где КСа0 = . (31)
йСа ' аО
Согласно рекомендованных термодинамических данных [114, 129] для свободной энергии Гиббса, рассчитали следующие значение для константы равновесия при температуре 1873К: gKCa0 = 10,481.
При активностях соединений CaO-Si02 и 2СаО ■ Si02 равных единице и используя уравнения (21), (29) и (31) для реакции образования CaO-Si02: и уравнения (21), (30) и (31) для реакции образования 2CaO-Si02, а так же соответствующие значения констант реакций образования данных соединений, уравнение (17) для расчета концентрации кислорода при комплексном раскислении можно записать в виде:
Фка5,о2 =“№*>«* -^g(/ca-W-^g(/s-HD-ig/o,(32)
ФЪШШЬ = ~^К2СаОт -^КСаО-^Кт (fa • [С*])-^lg(/, '[»])-lg/0, (33)
По полученным уравнениям (32) и (33) рассчитываем равновесную концентрацию кислорода при комплексном раскислении в расплаве состава колесной стали при 1873К при условии образования сложных силикатов кальция CaO-Si02 и 2CaO-Si02. Результаты данных расчетов приведены на рисунке 2.4.