КАЧЕСТВО КОЛЕСНОЙ СТАЛИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВТОРИЧНОГО МЕТАЛЛОСЫРЬЯ: КОНТРОЛЬ И СНИЖЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ
Ключевые слова:
колесная сталь, неметаллические включения, вторичное металлосырье, модифицирование кальцием, внепечная обработка, контроль качества, автоматический анализ частиц, кластерный анализ, статистика экстремальных значенийАннотация
Аннотация. Статья посвящена комплексному решению актуальной научно-технологической проблемы повышения качества колесной стали при возрастающей доле использования вторичного металлосырья. В условиях ужесточения требований ГОСТ 10791–2011 к прочности и чистоте металла содержание неметаллических включений (НВ) становится ключевым ограничивающим фак-тором надежности железнодорожных колес. Работа систематизирует современные представления о природе, механизмах формирования и эволюции НВ на всех стадиях металлургического передела: от раскисления расплава до затвердевания непрерывнолитых заготовок. Авторами предложена интегрированная методология контроля загрязненности стали, основанная на сочетании автоматического анализа частиц (АФА) в СЭМ-ЭДС, многомерного кластерного анализа химического состава включений, статистики экстремальных значений и термодинамического моделирования равновесий. Такой подход позволяет не только классифицировать типы включений (корунд, шпинели, алюминаты кальция, сульфиды и оксисульфиды), но и прогнозировать вероятность появления критически опасных частиц в объеме металла. Особое внимание уделено физико-химическим механизмам образования оксидных включений при алюминиевом раскислении, их росту, коалесценции и взаимодействию с фронтом кристаллизации в различных структурных зонах непрерывнолитой заготовки. Показано, что наиболее неблаго-приятные скопления НВ формируются в переходной и центральной эквиаксиальной зонах, что обосновывает необходимость адресного входного контроля НЛЗ. Ключевым технологическим инструментом снижения вредного влияния НВ является модифицирование стали кальцием. На основе термодинамического анализа и производственных экспериментов установлено оптимальное соотношение [Ca]/[Al] = 0,23–0,31, обеспечивающее преобразование остроугольного корунда в глобулярные алюминаты кальция с плакирующим слоем CaS. Разработана оптимизированная схема внепечной обработки (ковш-печь + вакуумная дегазация) и непрерывной разливки с электромагнитным перемешиванием, позволяющая снизить содержание серы, кислорода и водорода, уменьшить долю опасных включений на 60–70 % и повысить выход годного металла до 99 % и выше. Результаты работы имеют прямое промышленное значение для производства высоконадежных железнодорожных колес из переработанного металлосырья и могут быть использованы при разработке новых регламентов контроля качества стали.Библиографические ссылки
1. Молчанов В.Г., Попов Э.М. Конструкционные материалы для железнодорожного по-движного состава. Москва: РЖД, 2010. – 256 с.
2. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Бахтиаров Р.А. Плавка и затвердевание сплавов цвет-ных металлов. М.: Металлургия, 1968. 228 с.
3. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1976. 214 с.
4. Murakami Y., Endo M. Effects of defects, inclusions and inhomogeneities on fatigue strength // International Journal of Fatigue. 1994. Vol. 16 (3). P. 163–182.
5. Kaufman L., Bernstein H. Computer Calculation of Phase Diagrams with Special Reference to Refractory Metals. New York: Academic Press, 1970. 334 p.
6. Turkdogan E.T. Fundamentals of Steelmaking. London: The Institute of Materials, 1996. 331 p.
7. Zhang L., Thomas B.G. State of the art in the control of inclusions during steel ingot casting // Metallurgical and Materials Transactions B. 2006. Vol. 37. P. 733–761. DOI: 10.1007/s11663-006-0057-0
8. ГОСТ 10791–2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия. М.: Стандартин-форм, 2011.
9. ГОСТ 1778–70. Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений. М.: Стандартинформ.
10. Wang C.Y., Beckermann C. Prediction of Columnar to Equiaxed Transition during Diffu-sion-Controlled Dendritic Alloy Solidification // Metallurgical and Materials Transactions A. 1994. Vol. 25. P. 1081–1093. DOI: 10.1007/BF02652282
11. Повышение чистоты металла при внепечной обработке карбидом кальция / С.Б. Ерошкин, К.Э. Прудов, О.В. Попов и др. // Сталь. 2007. № 12. С. 26–28.
12. Крагельский И.В. Трение и износ. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.
13. Мчедлишвили В.А. Термодинамика и кинетика раскисления стали. М.: Металлургия, 1978. 287 с.
