Повышение качества рельсов на основе применения малоокислительных и малообезуглероживающих технологий нагрева непрерывнолитых заготовок
На правах рукописи
Сюсюкин Андрей Юрьевич ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА РЕЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ МАЛООКИСЛИТЕЛЬНЫХ И МАЛООБЕЗУГЛЕРОЖИВАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ НАГРЕВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новокузнецк – 2007
Работа выполнена на кафедрах электрометаллургии, стандартизации и сертификации, теплофизики и промышленной экологии ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Темлянцев М.В.
Научный консультант доктор технических наук, доцент Нохрина О.И.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Якушевич Н.Ф.
кандидат технических наук, доцент Симаков В.П.
Ведущая организация Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета
Защита состоится « 24 » мая 2007 г. в 10:00 часов в аудитории 3П на заседа нии диссертационного совета Д 212.252.01 ГОУ ВПО «Сибирский государст венный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Ке меровской области, ул. Кирова, 42, ГОУ ВПО «СибГИУ».
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» Автореферат разослан « 23 » апреля 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.252.01 д.т.н., профессор Никитин А.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Рельсы являются одним из главных элементов железнодорожного полотна, от исправного содержание которого в значительной степени зависит безопас ность движения поездов. В условиях постоянного увеличения объема перево зок, осуществляемых железнодорожным транспортом, грузонапряженности, осевых нагрузок проблема повышения качества, стойкости рельсов является весьма актуальной. Вопросам повышения качества выпускаемой металлургиче скими предприятиями рельсовой продукции уделяют значительное внимание специалисты и исследователи, как в России, так и в зарубежных странах.
В последнее десятилетие российскими промышленниками достигнут суще ственный прогресс в области повышения эксплуатационных свойств рельсов. В первую очередь он связан с совершенствованием технологии выплавки, раскис ления и внепечной обработки стали. Производство рельсов из непрерывноли тых заготовок (НЛЗ) позволило значительно повысить их эксплуатационные свойства, поставив в то же время перед металлургами целый ряд новых задач.
Одной из них является ужесточение требований к глубине видимого обезугле роженного слоя рельсов.
Снижение концентрации углерода в поверхностных слоях рельсов приводит к снижению твердости, сопротивляемости металла механическим повреждениям.
Наличие в рельсовом прокате поверхностных обезуглероженных слоев ускоряет образование наплыва металла на боковую грань рельса, является причиной уве личения износа в первый период эксплуатации, облегчает образование усталост ных трещин. Существенное влияние на срок службы рельсов может оказывать не только величина обезуглероживания головки (поверхности катания), но и шейки, а так же подошвы. Намины от накладок, являясь концентраторами напряжений, приводят к образованию трещин под головкой рельса. Неравномерное распреде ление углерода в поверхностных слоях подошвы приводит к различной интен сивности коррозийных процессов (глубины разъедания ржавчиной), что в свою очередь оказывает отрицательное влияние на долговечность рельсов.
Не менее важной является проблема ресурсосбережения – снижения угара стали при нагреве НЛЗ под прокатку. При производстве рельсов в России в 2006 г. на уровне 1100 тыс. т., вследствие окисления в процессе нагрева теряет ся до 1,5 % от полезной массы металла, что соответствует годовым потерям стали в 16,5 тыс. т.
Актуальность работы. В современных условиях рыночной экономики функционирование металлургических предприятий напрямую связано не толь ко с повышением уровня производства, но и с изысканием возможностей по снижению себестоимости, повышению качества готового продукта, внедрению энерго- и ресурсосберегающих технологий.
Исследование особенностей формирования и трансформации обезуглеро женного слоя, разработка и внедрение малоокислительных и малообезуглеро живающих режимов при нагреве и прокатке рельсовой стали актуально, и име ет большое практическое значение.
Работа выполнена в соответствии с перечнем критических технологий Рос сийской Федерации (пункт «Энергосбережение») и приоритетными направле ниями развития науки, технологии и техники Российской Федерации, планом конструкторских разработок, научно-исследовательских, наладочных и кон трольных работ Центральной теплотехнической лаборатории (ЦТТЛ) ОАО «НКМК» на 2006–2007 годы.
Цель работы: разработка малоокислительных и малообезуглероживаю щих технологий нагрева непрерывнолитых заготовок рельсовой стали в мето дической печи с шагающими балками под прокатку, обеспечивающих произ водство железнодорожных рельсов с регламентированной величиной глубины видимого обезуглероженного слоя.
Задачи исследования:
– разработать малоокислительные и малообезуглероживающие режимы на грева непрерывнолитых заготовок рельсовой стали марки Э76Ф в методической печи с шагающими балками под прокатку;
– изучить особенности процессов, высокотемпературного окалинообразо вания и обезуглероживания при нагреве непрерывнолитых заготовок стали марки Э76Ф;
– разработать математическую модель процессов нагрева непрерывноли тых заготовок в методической печи с шагающими балками;
– внедрить полученные результаты в практику нагрева стали на ОАО «Но вокузнецкий металлургический комбинат» и учебный процесс в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Научная новизна.
1) На основе лабораторных и промышленных экспериментов исследована кинетика высокотемпературного окисления и обезуглероживания рельсовой стали марки Э76Ф в атмосфере воздуха и продуктов сгорания природного газа.
2) Установлен механизм влияния микролегирования рельсовой стали мар ки Э76Ф ванадием и азотом на кинетику процессов высокотемпературного окисления и обезуглероживания.
3) Разработана прогнозная комплексная математическая модель процессов нагрева, окисления и обезуглероживания стали в методических печах с шагаю щими балками.
Практическая значимость.
1) Полученные экспериментальные данные по влиянию температурно временного фактора на величину окалинообразования и глубину обезуглеро женного слоя при нагреве стали марки Э76Ф под прокатку.
2) Разработана математическая модель, реализованная на ЭВМ на языке программирования Turbo Pascal 7.0, позволяющая осуществлять многовариант ные прогнозные инженерные и исследовательские расчеты нагрева, окисления и обезуглероживания рельсового металла в методической печи с шагающими балками.
3) Разработаны малоокислительные и малообезуглероживающие темпера турные режимы нагрева непрерывнолитых заготовок рельсовых марок стали в условиях рельсобалочного цеха ОАО «НКМК».
4) Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» на ка федре «Теплофизика и промышленная экология».
Реализация результатов.
1) Разработанные технологии малоокислительного и малообезуглерожи вающего нагрева непрерывнолитых заготовок рельсовых марок стали под про катку, внедрены в практику эксплуатации печи с шагающими балками рельсо балочного цеха ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат».
2) Разработанная и реализованная на ПЭВМ математическая модель про цессов нагрева, окисления и обезуглероживания стали в методических печах с шагающими балками используется в учебном процессе на кафедре «Теплофи зика и промышленная экология» ГОУ ВПО «Сибирский государственный ин дустриальный университет» при подготовке студентов по специальности 150103–Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
1) Результаты экспериментальных исследований влияния температуры и времени нагрева на величину окалинообразования и глубину видимого обезуг лероженного слоя при нагреве рельсовой стали марки Э76Ф под прокатку.
2) Результаты математического моделирования нагрева непрерывнолитых заготовок в методической печи с шагающими балками под прокатку.
3) Температурные режимы нагрева непрерывнолитых заготовок рельсовых марок стали Э76Ф под прокатку в условиях рельсобалочного цеха ОАО «НКМК».
Автору принадлежит: проведение промышленных экспериментов по ис следованию влияния температурно-временного фактора на величину потерь металла с окалиной и глубину видимого обезуглероженного слоя в НЛЗ стали марки Э76Ф;
разработка и реализация на ПЭВМ прогнозной комплексной ма тематической модели нагрева, окисления и обезуглероживания НЛЗ в методи ческой печи с шагающими балками;
внедрение результатов экспериментов в технологический процесс, разработка и внесение изменений в технологическую инструкцию по нагреву НЛЗ рельсовых марок стали в печи с шагающими бал ками в условиях рельсобалочного цеха ОАО «НКМК».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док ладывались на следующих конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество» (г. Новокузнецк, 2002 г.);
Всероссийская научная конференция студентов, ас пирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, 2003 г.);
Всероссийская научно-техническая конференция сту дентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективные материалы: получение и технологии обработки» (г. Красноярск, 2004 г.);
III-я совместная научно тех ническая конференция молодых специалистов ООО УК «ЕвразХолдинг» (г.
Новокузнецк, 2004 г.);
IV-ая совместная научно-техническая конференция мо лодых специалистов ООО УК «ЕвразХолдинг» (г. Новокузнецк, 2005 г.);
V-ая совместная научно техническая конференция молодых специалистов ООО УК «ЕвразХолдинг» (г. Новокузнецк, 2006 г.);
Международная научно-техническая конференция молодых специалистов «Азовсталь-2006» (Украина, г. Мариу поль, 2006 г.).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 16 печатных рабо тах в журналах и сборниках научных трудов, из них 5 статей в журналах, реко мендованных ВАК для опубликования результатов докторских и кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разде лов, выводов и приложений. Изложена на 128 страницах, содержит 41 рисунок, 13 таблиц, список литературы из 126 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ В 1997 г. на ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» разрабо тана и освоена технология выплавки ванадийсодержащей рельсовой стали мар ки М76В в мартеновских печах, а в 1998 г. Э76Ф в дуговых электросталепла вильных печах для производства рельсов низкотемпературной надежности. В прокатные цеха рельсовая сталь поступает после разливки на машинах непре рывного литья заготовок (МНЛЗ) в виде непрерывнолитых заготовок (НЛЗ) се чением 300330 мм и длиной 4650±50 мм.
Переход на производство рельсов из непрерывнолитых заготовок электро стали обусловлен рядом причин, в том числе и требованиями мировых стандар тов. Множеством исследований доказано, что данная технология по сравнению со слитковой обладает рядом преимуществ, связанных с качеством готовой продукции и экономией энергетических и материальных ресурсов.
Решение основных проблем, в электросталеплавильном цехе поставило ряд задач в цехах прокатных. До недавнего времени, в целях обеспечения необхо димой производительности на комбинате применяли многоступенчатые схемы нагрева, включающие в себя несколько тепловых агрегатов (методические тол кательные печи, нагревательные колодцы, камерные печи «Сименс»), что зна чительно повышало общую продолжительность нагрева, обезуглероживание и потери металла с окалиной. Так только при нагреве НЛЗ «транзитом» из ЭСПЦ в нагревательных колодцах продолжительностью 13–14 ч имело место образо вание слоя окалины до 6 мм и более, глубины видимого обезуглероженного слоя до 3–5 мм. Высокие угар и обезуглероживание оказывали отрицательное влияние на качество рельсовой продукции.
После ввода в эксплуатацию новой методической печи с шагающими бал ками, построенной по проекту итальянской фирмы Techint, проблема качествен ного нагрева непрерывнолитых заготовок рельсовой стали под прокатку свелась к выбору рационального малоокислительного и малообезуглероживающего тем пературного режима. Освоение проектных температурных режимов фирмы Te chint, анализ опыта работы печей с шагающими балками на ОАО «Нижнетагиль ский металлургический комбинат» и некоторых зарубежных предприятий, вы явил ряд недостатков, не позволяющих в полной мере реализовать широкий спектр возможностей методической печи ОАО «НКМК», направленных на сни жение угара и обезуглероживания рельсовой стали.
Анализ специальной технической литературы показал, что данные по ки нетике окисления и обезуглероживания рельсовой электростали, микролегиро ванной ванадием и азотом практически отсутствуют, не установлена роль влия ния карбонитридов ванадия на эти процессы. Активизацию и актуальность ра бот в области высокотемпературного обезуглероживания рельсовой стали пре допределило ужесточение требований к глубине видимого обезуглероженного слоя в рельсовом прокате.
Анализ современного состояния вопроса показал актуальность выбранного направления исследования, на его основе сформулированы цели, задачи и ме тоды исследования диссертационной работы.
2 РАЗРАБОТКА ПРОГНОЗНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ НАГРЕВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК В МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ С ШАГАЮЩИМИ БАЛКАМИ В разделе разработана математическая модель процессов нагрева, окисле ния и обезуглероживания непрерывнолитых заготовок в методической печи с шагающими балками. Модель разработана и реализована на ПЭВМ с примене нием языка программирования TURBO PASCAL 7.0.
В основе модели лежит дифференциальное уравнение теплопроводности для двухмерного поля с учетом зависимости теплофизических характеристик стали от температуры, дополненное краевыми условиями:
t t t c(t ) (t ) = ( (t ) ) + ( (t ) ). (1) x x y y Решение дифференциального уравнения реализовано с помощью численно аналитического метода расчета нагрева металла в методической печи с учетом четырехстороннего нагрева заготовок. Исходные данные для расчета: произво дительность печи, температура в зонах печи, марка стали, размеры заготовок, шаг раскладки между заготовками и длины расчетных зон.
При известных температурах определяли количество образовавшейся ока лины за временя нагрева на расчетном участке. Для определения толщины сло ев окалины (ок) и общего обезуглероживания (об) использовали следующую формулу:
= К1 (1 + К 2 1 ), мм (2) где К1 и К2 – коэффициенты, полученные экспериментальным путем, раз личные для определения окалинообразования и обезуглероживания. Они нахо дятся в зависимости от температуры поверхности металла на расчетном участке.
Для расчета глубины видимого обезуглероженного слоя использовали вы ражение:
в = об – ок, мм (3) Результаты, полученные путем моделирования, сравнивали с результатами замеров температуры поверхности металла в процессе нагрева при помощи пи рометра. Погрешность расчета температурных полей в среднем составляет ± – 25 °C и может быть признана достаточной для прогнозной модели.
На базе разработанной математической модели выполнена серия прогноз ных расчетов потерь металла с окалиной и глубины видимого обезуглерожен ного слоя в НЛЗ при стабильной производительности печи в интервале 175– т/ч по двум режимам нагрева, соответствующим проектному варианту, предло женному фирмой «Techint» и усовершенствованному, малоокислительному и малообезуглероживающему, полученному по результатам теоретических и экс периментальных исследований. В таблице 1 представлены результаты прогноз ных расчетов.
Как видно из таблицы 1 наиболее предпочтительным с точки зрения сни жения угара и глубины видимого обезуглероженного слоя является форсиро ванный режим работы печи на максимальной производительности, применение усовершенствованного режима нагрева позволяет снизить угар и обезуглеро живание в среднем на 25 % по сравнению с проектным режимом фирмы «Te chint».
На основе полученных данных для промышленного использования предло жен новый температурный режим нагрева непрерывнолитых заготовок в печи с шагающими балками, с пониженными температурами по зонам печи, с целью минимизации окалинообразования и обезуглероживания.
Таблица 1 – Результаты прогнозных расчетов Глубина ви Произво- Конечная Удельное Угар димого обез- Время дитель- температу- время на Режим стали, углерожен- нагрева, ность пе- ра нагрева грева, г/см2 ного слоя в мин чи, т/час стали, С мин/см НЛЗ, мм 250 0,855 1,90 195 6, Проектный 225 0,901 2,00 216 7, «Techint» 200 0,956 2,12 243 8, 175 1,022 2,27 279 9, 250 0,674 1,53 195 6, Усовершен- 225 0,710 1,61 216 7, ствованный 200 0,753 1,71 243 8, 175 0,805 1,83 279 9, 3 ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Для проведения экспериментов по определению величины окалинообразо вания и обезуглероживания при нагреве под прокатку использовали рельсовые стали марок Э76Ф, НЭ76Ф, М76. Для изучения особенностей высокотемпера турного окисления и обезуглероживания при нагреве в атмосфере воздуха ис пользовали: образцы рельсовой стали марки Э76Ф длиной 30–40 мм сечением 1010 мм, микролегированной ванадием в количестве 0,03–0,07%;
цилиндриче ские образцы мартеновской стали М76 диаметром 10–11 мм и высотой 20–25 мм.
Образцы перед опытами обтачивали, удаляли поверхностный слой металла толщиной 2,0–2,5 мм с целью удаления исходного обезуглероженного слоя.
Нагрев осуществлялся в атмосфере воздуха в трубчатой электрической пе чи сопротивления СУОЛ-0.4.4/12-М2-У4.2 в интервале температур 950– °С при времени выдержки 10–60 мин. Угар рассчитывался с применением гра виметрического метода. Для определения химического состава окалины и под тверждения наличия в окалине пентооксида ванадия проводили полуколичест венный анализ элементарного состава на рентгеновском флуоресцентном спек трометре ARL 9800, спектральный анализ на спектрометре ПГС-2.
Величину общего видимого обезуглероживания определяли с помощью металлографического метода как расстояние от края шлифа до основной струк туры металла. Глубину обезуглероженного слоя определяли на микроскопе МИМ-10 при увеличении 50–400.
В промышленных условиях исследуемые непрерывнолитые заготовки раз мером 3003304650 из сталей марок Э76Ф, НЭ76Ф нагревали в методической печи с шагающими балками в атмосфере продуктов сгорания природного газа.
Перед выдачей температуру металла определяли при помощи стационар ного пирометра FIBRATEMP-H с точностью до 1 °С, установленного в свод томильной зоны. Равномерность температурного поля по длине заготовки перед выдачей определяли при помощи тепловизора «Flir» с точностью до 0,1 C.
Кроме того, в ходе контрольных испытаний работы печи проводили исследова ния равномерности температурного поля по сечению блюмсов на рольганге вы дачи при помощи термопар типа «К». Термопары вставляли в специально про сверленные отверстия согласно схеме, представленной на рисунке 1. Замеры температур производили на протяжении 700 с.
Для определения величины окалинообразования в промышленных услови ях использовали несколько методов: планиметрирования, гравиметрический и образцов-наездников.
Глубину обезуглероженного слоя определяли на образцах, вырезанных из центральной части головки рельсового профиля, после шлифовки и травления в 4 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты.
Рисунок 1 – Схема сверлений отверстий в НЛЗ для замера температуры на рольганге выдачи 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ ПОД ПРОКАТКУ В рамках работы проведено металлографическое исследование рельсов Р65 в состоянии после прокатки производства ОАО «НКМК», прокатанных из слитка мартеновской стали марки М76 и из непрерывно литой заготовки элек тростали марки Э76Ф, нагретых по ступенчатой технологии (в нагревательных колодцах и печах «Сименс»). Анализ полученных данных показал, что обезуг лероженный слой по периметру рельса расположен неравномерно. Общая кар тина неравномерности идентична для проката, полученного из слитка и для НЛЗ, однако общий видимый обезуглероженный слой у рельсов, полученных из слитков, гораздо меньше (для различных участков профиля в 1,5–3 раза), чем обезуглероженный слой на рельсах, полученных из НЛЗ. Максимальная тол щина обезуглероженного слоя отмечена в головке на поверхности катания – участки, наименьшая – в области шейки. Подобная картина распределения обезуглероженного слоя по периметру рельса обусловлена особенностями его деформирования в процессе прокатки. При существующей на ОАО «НКМК» технологии калибровки и способе прокатки рельсов шейка претерпевает наибо лее интенсивную деформацию, головка – наименьшую. Максимальная толщина обезуглероженного слоя характерная для участков контура, не контактирую щих с поверхностью калибра, а минимальная – для участков, подвергающихся наибольшей высотной деформации. Установленная неравномерность обезугле роженного слоя по периметру профиля свидетельствует о том, что основную роль в формировании обезуглероженного слоя в конечном прокате играют теп ловые и массообменные процессы взаимодействия углерода с атмосферой при нагреве слитка или заготовки, а не при прокате и охлаждении. В связи с этим уменьшение толщины обезуглероженного слоя в конечном прокате может быть достигнуто за счет ее снижения в исходной заготовке. Полученный вывод в оп ределенной степени предопределил необходимость перехода на более совер шенные технологии нагрева НЛЗ, обеспечивающие снижение общей продолжи тельности пребывания металла в области температур интенсивного окисления и обезуглероживания и отказ от ступенчатого нагрева.
На основе экспериментальных данных построены графики зависимости глубины, мм обезуглероженного слоя от температуры t, °С и времени, мин выдержки, которые представлены на рисунке 2.
а) б) Рисунок 2 – Зависимость глубины обезуглероженного слоя от температуры и времени выдержки для сталей марок М76 (а) и Э76Ф(б) В образцах из стали М76 нагретых до 940–950 °С и выдержанных в течение 25–30 мин видимое обезуглероживание отсутствует, увеличение времени вы держки до 35–40 мин приводит к возникновению локальных участков с частич ным видимым обезуглероживанием в виде ферритной сетки по границам зерен перлита, а дальнейшая выдержка до 60–65 мин формирует частично обезуглеро женный слой до 0,10–0,15 мм. Образование поверхностного слоя стали с пол ным обезуглероживанием зафиксировано при температуре нагрева более 1050– 1060 °С и выдержке в течение 30–35 мин и более. Зависимость глубины обезуг лероженного слоя от температуры и времени выдержки для сталей марок М76 и Э76Ф существенно различаются. В частности если М76 имеет зависимость близ кую к линейной, то Э76Ф более сложную, имеющую экстремальный характер.
При температурах 1050–1100 °С величина обезуглероженного слоя стали марки Э76Ф больше чем у М76, что связано с более интенсивным угаром последней и, как следствие, большим поглощением обезуглероженного слоя окалиной. При более высоких температурах и времени выдержки 10–25 мин глубина обезугле роженного слоя в стали Э76Ф уменьшается, это явление связано с интенсифика цией окалинообразования при относительно невысокой интенсивности обезугле роживания вследствие недостаточного времени выдержки для полного растворе ния карбонитридов ванадия, препятствующих диффузии углерода. Увеличение времени нахождения стали при высокой температуре приводит к полному их растворению и интенсификации обезуглероживания. При температурах 1240– 1250 °С и времени выдержки 60 мин глубина обезуглероженного слоя рассмат риваемых сталей примерно одинакова.
О влиянии режимов нагрева на процессы обезуглероживания стали в мето дической печи при постоянной калибровке валков на прокатных станах и ре жимах обжатия судили по величине видимого обезуглероженного слоя в голов ке рельсов.
Степень обезуглероживания поверхности в области головки рельса оцени вали, замеряя максимальную глубину повышенного и общего частичного обез углероживания. На рельсах, как правило, присутствует только частичное обез углероживание поверхности: у самой поверхности в отдельных участках мик роструктура состоит из перлита и зерен феррита (повышенное обезуглерожива ние);
между участками с повышенным обезуглероживанием и в более глубоких слоях структура состоит из перлита и сплошной ферритной сетки. Результаты исследований представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Зависимость глубины обезуглероженного слоя в головке рельса от времени нагрева НЛЗ в ПШБ Статистическая обработка данных показывает, что полученные зависимо сти подчиняются степенному закону. Степенные зависимости согласуются с теорией влияния времени нагрева на процессы обезуглероживания. В рамках которой увеличение времени приводит к замедлению диффузионных процес сов обезуглероживания, при этом роль барьера выполняет обезуглероженный слой. Отклонение полученных уравнений от закона квадратного корня вызва но тем, что температура поверхности в процессе нагрева не постоянна. Опре деленное влияние на формирование обезуглероженного слоя вызвано процес сами неизотермического окалинообразования. Для обеспечения производства рельсов с глубиной видимого обезуглероженного слоя на уровне менее 0,5 мм время нагрева НЛЗ не должно превышать 4,5 часов.
При нагреве НЛЗ периодически возникают производственные ситуации, когда по какой-либо причине металла выдан из печи, но не прокатан, например, вследствие экстренной остановки стана.
Важной практическое значение при этом имеет вопрос, возможно ли на гревать повторно остывшие заготовки и как это сказывается на качестве рель сов, в частности глубине обезуглероженного слоя.
В связи с этим в промышленных условиях проведена серия экспериментов по влиянию двойного нагрева на глубину обезуглероженного слоя рельсов. Ус тановлено, что для двойного нагрева характерна несколько большая глубина обезуглероженного слоя рельсов, которую в целом можно считать допустимой и не оказывающей существенного влияния на качество рельсов. Таким образом, повторный нагрев с соблюдением нормативного температурного режима и вре мени возможен и не снижает качества рельсов.
5 ИССЛЕДОВАНИЕ ОКИСЛЕНИЯ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ ПОД ПРОКАТКУ Зависимости угара У, г/см2 от температуры t, °С и времени выдержки, мин для сталей М76 и Э76Ф построенные на основе экспериментальных дан ных, представлены на рисунке 4.
В результате статистической обработки экспериментальных данных с при менением пакета программ STATISTICA 6.0 установлено, что зависимость уга ра стали от температуры и времени выдержки выражается эмпирическими со отношениями:
для стали марки М76 У = 2,97 exp, (4) T для стали марки Э76Ф У = 17,8 exp 9461, (5) T где Т – температура, К;
– время выдержки при постоянной температуре, мин.
а) б) Рисунок 4 – Зависимость угара от температуры и времени выдержки для сталей марок М76 (а) и Э76Ф (б) Исследование угара стали в печи с шагающими балками проводили при на греве непрерывнолитых заготовок по режимам (таблица 2), предложенным в проектном варианте фирмой Techint и усовершенствованным (снижена темпе ратура по зонам печи и коэффициент расхода воздуха в сварочных и томильной зонах).
Статистическая обработка экспериментальных данных показала, что полу ченные зависимости подчиняются степенному закону и могут быть аппрокси мированы соотношениями:
– для окалинообразования при нагреве по режиму Techint У = 0,3892·0,8641, % при R2 = 0,9985;
(6) – для окалинообразования при нагреве по усовершенствованному режиму У = 0,2936·0,8348, % при R2 = 0,9634. (7) Полученные степенные зависимости согласуются с теорией влияния вре мени нагрева на процессы окалинообразования, в рамках которой, увеличение времени приводит к замедлению процессов окисления поверхности блюмсов, при этом роль барьера выполняет слой образовавшейся окалины. Отклонение полученных уравнений от закона квадратного корня, вызвано тем, что темпера тура поверхности в процессе нагрева не постоянна, кроме этого возможно на рушение сплошности образованной окалины в процессе перемещения загото вок.
Экспериментальные данные по окислению и обезуглероживанию стали, полученные в промышленных условиях, подтвердили адекватность результатов математического моделирования.
Таблица 2 – Параметры работы печи во время исследования величины окалинообразования Проектный режим Усовершенствованный режим № коэффициент Наименование зоны температура температура коэффициент рас зоны расхода окисли зоны, С зоны, С хода окислителя теля Зона подогрева – 1000 1 820 1, (не отапливаемая) Методическая (верх) 1 1250 1 1070 1, Методическая (низ) 2 1250 1 1070 1, Сварочная № 1(верх) 3 1280 1 1220 Сварочная №1 (низ) 4 1280 1 1220 Сварочная № 2 (верх) 5 1310 1 1280 0, Сварочная № 2 (низ) 6 1310 1 1280 0, Томильная (верх-право) 7 1280 1 1270 0, Томильная (верх-лево) 8 1280 1 1270 0, Томильная (низ-право) 9 1280 1 1270 0, Томильная (низ-лево) 10 1280 1 1270 0, Конец томильной зоны – 1250 – 1250 – 6 ВНЕДРЕНИЕ И ОСВОЕНИЕ МАЛООКИСЛИТЕЛЬНОЙ И МАЛООБЕЗУГЛЕРОЖИВАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ В МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ С ШАГАЮЩИМИ БАЛКАМИ При разработке и внедрении новой технологии нагрева требовалось соблю сти ряд немаловажных факторов, влияющих на качество проката и получение правильного геометрического профиля рельсов: температура нагрева заготовок, равномерность нагрева по длине и сечению.
На основе полученных данных теоретических, экспериментальных исследо ваний и промышленных наблюдений установлено, что конечная температура ме талла на выдаче из печи должна находиться в пределах 1220–1240 °С. Нагрев до температуры 1260 – 1280 °С может привести к перегреву непрерывнолитых заго товок рельсовой стали. Кроме того, при таких условиях температура поверхно сти металла в конце 2-ой сварочной зоны может составлять до 1300 °С, что при водит к повышенному окислению и оплавлении окалины.
При освоении новых разработанных температурных режимов проведен ряд тепловизионных исследований по определению равномерности температуры поверхности заготовок на выдаче из печи и раската перед чистовой клетью.
Анализ полученных данных показал следующее, перепад температур по: высоте блюмса варьируется в пределах 5–21 °С;
верхней грани – 17–22 °C;
нижней грани – 5–16 °C.
Учитывая, что допустимая равномерности температур из условий получе ния качественного геометрического профиля составляет: по высоте – 20 С, по длине – 25 С, нагрев в данной печи при внедренных температурных режимах можно считать достаточно равномерным.
После анализа результатов математического моделирования, эксперимен тальных и теоретических данных режимы нагрева рельсовой стали с минималь ным окислением и обезуглероживанием внедрены в производство.
После освоения предложенных режимов, проведен анализ ресурсо- и энер госбережения при производстве рельсов из непрерывно литых заготовок.
До постройки новой методической печи с шагающими балками на ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат», как уже было отмечено, использовалось несколько ступеней нагрева непрерывнолитой заготовки перед прокаткой. Данные по величине потерь с окалиной и глубине обезуглероженно го слоя представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Величина окалинообразования при нагреве НЛЗ стали марки Э76Ф в нагревательных агрегатах ОАО «НКМК» Глубина види Tв Угар мого обезугле Тепловой Время на- max печи, роженного слоя агрегат грева, ч С г/см2 Итого, % % в, мм Методические 4,5 1300 0,52 1, печи стана «500» Нагревательные 2,81 1,54–3, 4 1350 0,55 1, колодцы Камерные печи 1,0 1350 0,67 1, «Сименс» ПШБ 3,5–5 1260 0,54 0,94–1,50 0,77–2, Из таблицы 3 видно, что суммарные потери металла с окалиной при ис пользовании ступенчатой технологии нагрева, включающей в себя толкательные методические печи стана «500», нагревательные колодцы и камерные печи «Си менс», значительно выше потерь при одноступенчатом нагреве в печь с шагаю щими балками, соответственно, при ступенчатом нагреве до 2,8 %, а при нагреве в ПШБ всего 0,6 – 1,8 г/см2 (в зависимости от времени нахождения металла в вы сотемпературных зонах печи). Кроме того, из таблицы 3 видно, что значительно снизилась и глубина обезуглероженного слоя, при ступенчатой технологии на грева она достигала 3 мм, а при нагреве в печи с шагающими балками варьиру ется в пределах 0,77–2 мм. Внедрение малоокислительных и малообезуглерожи вающих технологий нагрева НЛЗ обеспечило получение в готовой рельсовой продукции глубины видимого обезуглероженного слоя при нормативном режиме и времени нагрева на уровне 0,4–0,5 мм.
Одним из экономических показателей использования рационального тем пературного режима является удельный расход условного топлива (УРУТ). По сле ввода в эксплуатацию и внедрению тепловых режимов провели анализ топ ливоиспользования при нагреве металла в печи с шагающими балками по срав нению с ранее использованными схемами нагрева: вариант 1 – ямы предвари тельного подогрева + методические печи + нагревательные колодцы + камерные печи Сименс;
вариант 2 – методические печи + нагревательные колодцы + ка мерные печи Сименс;
вариант 3 – методические печи + камерные печи Сименс;
вариант 4 – нагревательные колодцы + камерные печи Сименс. Сравнение сум марного удельного расхода условного топлива по данным схемам нагрева с ва риантом нагрева в печи с шагающими балками (вариант 5) представлено на ри сунке 5.
223, 170, кг.у.т./т 128, 84, 1 2 3 4 варианты нагрева Рисунок 5 – Соотношение затрат топлива на нагрев по различным вариантам нагрева Из рисунка 5 видно, что максимальный удельный расход по ранее исполь зуемы схемам имел место при варианте 1 и составлял 223,66 кг у.т./т стали, ми нимальный при варианте 4 – 84,2 кг у.т./т стали, в то время как при нагреве в ПШБ эта величина не превышает 55 кг у.т./т стали. Следовательно, ввод в экс плуатацию современного теплового агрегата позволил снизить удельный расход условного топлива в 1,5 – 4 раза.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1) На основе экспериментальных исследований кинетики окисления и обезуглероживания рельсовой стали разработаны малоокислительные и мало обезуглероживающие режимы нагрева НЛЗ в печах с шагающими балками.
2) Установлено, что микролегирование рельсовой стали ванадием и азотом, приводящие к образованию карбонитридов ванадия, значительно снижает ин тенсивность процессов обезуглероживания стали в интервале температур до 950–1050 °С.
3) Для осуществления прогнозных многовариантных расчетов нагрева, окисления и обезуглероживания стали в методических печах с шагающими балками разработана и реализована на ЭВМ математическая модель.
4) В условиях ОАО НКМК внедрена энерго- и ресурсосберегающая техно логия нагрева под прокатку непрерывнолитых заготовок рельсовой стали марки Э76Ф. Применение рациональных режимов нагрева позволило снизить угар ме талла до 0,6 %, глубину видимого обезуглероженного слоя в НЛЗ до 0,77 – 2, мм и обеспечить производство рельсового профиля Р65 с глубиной видимого обезуглероженного слоя на уровне менее 0,5 мм, что соответствует требовани ям Европейских стандартов. При этом удельный расход топлива при нагреве НЛЗ в ПШБ удалось снизить в 1,5 – 4 раза по сравнению с различными вариан тами применяемого ранее ступенчатого нагрева.
5) Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» и используются при подготовке студентов специальности – Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей.
РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Темлянцев Н.В. Эволюция поверхностных дефектов при нагреве стали под обработку давлением / Н.В. Темлянцев, А.Ю. Сюсюкин, М.В. Темлянцев // Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество: сб. науч. тр. / СибГИУ. – Новокузнецк, 2002.– С. 41–42.
2. Темлянцев М.В. Окисление стали 3ПС при нагреве в электрических пе чах сопротивления / М.В. Темлянцев, А.Ю. Сюсюкин, Б.К. Журавлев, О.Н. Не кипелова // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение метал лургии: сб. науч. тр. / СибГИУ.– Новокузнецк, 2002.– Вып.11. – С. 31–32.
3. Сюсюкин А.Ю. Исследование окисления стали М54 при нагреве под прокатку в атмосфере воздуха / А.Ю. Сюсюкин, Н.В. Темлянцев // Наука и моло дежь: проблемы, поиски, решения: труды всерос. науч. конф. / СибГИУ. – Ново кузнецк, 2003. – Вып.7, Ч.2. – С. 182–183.
4. Сюсюкин А.Ю. Окисление и обезуглероживание рельсовой стали при на греве под прокатку / А.Ю. Сюсюкин // Перспективные материалы: получение и технологии обработки: труды всерос. науч.-техн. конф. / ГУЦМиЗ. – Красноярск, 2004. – С. 29–31.
5. Сюсюкин А.Ю. Оценка энергосбережения при производстве рельсов из непрерывнолитых заготовок / А.Ю. Сюсюкин, А.Ю. Мельников // Наука и моло дежь: проблемы, поиски, решения: труды всерос. науч. конф. / СибГИУ. – Ново кузнецк, 2004. – Вып.8, Ч.2. – С. 182–183.
6. Сюсюкин А.Ю. Совершенствование конструкции методических печей ОАО «НКМК» / А.Ю. Сюсюкин, М.В. Темлянцев, Н.В. Темлянцев // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сб. науч. тр. / СибГИУ. – Новокузнецк, 2004. –Вып.13. – С. 182–183.
7. Темлянцев М.В. Исследование окисления и обезуглероживания сталей для рельсов и рельсовых накладок при нагреве под прокатку / М.В. Темлянцев, В.С. Стариков, Н.В. Темлянцев, А.Ю. Сюсюкин // Изв. вузов. Черная металлур гия. – 2004. – №8. – С. 36–38.
8. Темлянцев М.В. Нагрев под прокатку непрерывно литых заготовок рель совой электростали / М.В. Темлянцев, В.В. Гаврилов, Л.В. Корнева, А.Ю. Сюсю кин // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2005. – №6. – С. 51–53.
9. Темлянцев М.В. Металлографическое исследование поверхностного обезуглероженного слоя рельсов / М.В. Темлянцев, А.Ю. Сюсюкин, Н.В. Тем лянцев // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2005. – №4. – С. 37–40.
10. Temlyantsev M.V. Metallographic investigation of decarburized surface layer of rails/ M.V. Temlyantsev, A.U. Syusyukin and N.V. Temlyantsev // Steel in transla tion. – 2005. – Vol.35. – No.4. – Р. 65–67.
11. Сюсюкин А.Ю. Опыт реконструкции роликовой печи шаропрокатного стана №1 цеха сортового проката ОАО «НКМК» / А.Ю. Сюсюкин // Наука и мо лодежь: проблемы, поиски, решения: труды всерос. науч.-техн. конф. / СибГИУ.
– Новокузнецк, 2005. – Вып.9, Ч.2. – С. 118.
12. Сюсюкин А.Ю. Пути энергосбережения при реконструкции термоотде ления рельсобалочного цеха ОАО «НКМК» / А.Ю. Сюсюкин, А.С.Козлов // Нау ка и молодежь: проблемы, поиски, решения: труды всерос. науч.-техн. конф. / СибГИУ. – Новокузнецк, 2005. – Вып.9, Ч.2. – С. 119.
13. Темлянцев М.В. Определение угара и обезуглероживания непрерывно литых заготовок рельсовой стали при нагреве в методических печах с шагающи ми балками/ М.В. Темлянцев, Е.А. Колотов, А.Ю. Сюсюкин // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2006. – №12. – С. 62–63.
14. Темлянцев М.В. Разработка технологии нагрева рельсовых заготовок в методической печи с шагающими балками / М.В. Темлянцев, Е.А. Колотов, А.Ю.
Сюсюкин, В.В. Гаврилов // Сталь. – 2006. – №12. – С. 33–34.
15. Темлянцев М.В. Исследование закономерностей окисления и обезугле роживания непрерывнолитых заготовок рельсовой стали при нагреве в методи ческой печи с шагающими балками / М.В. Темлянцев, О.И. Нохрина, А.Ю. Сю сюкин // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлур гии: сб. науч. тр. / СибГИУ. – Новокузнецк, 2007. – Вып. 18. – С. 23–26.
16. Сюсюкин А.Ю. Исследование теплового состояния непрерывнолитых заготовок рельсовой стали при нагреве в методической печи с помощью тепло визионного метода / А.Ю. Сюсюкин, О.И. Нохрина, М.В. Темлянцев // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сб. науч. тр. / СибГИУ. – Новокузнецк, 2007. – Вып. 18. – С. 27–30.
Изд. лиц. ИД №01439 от 05.04.2000 г.
_ Подписано в печать 20.04.2007 г. Формат бумаги 6084 1/16 Усл. печ. л. 1, Уч. - изд. л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Типография ГОУ ВПО «СибГИУ»