125038 (Дефекты рельсовой стали)

Введение.

Предпрокатный нагрев и прокатка являются не менее важными качествоформирующими технологическими операциями, чем выплавка и разливка стали. На стадии нагрева, наряду с влиянием металлургических факторов, происходит формирование необходимой пластичности (способности деформироваться без разрушения) и снижение сопротивления стали пластической деформации. Основными негативными факторами нагрева являются: интенсивное тепловое воздействие раскаленных печных газов на холодную заготовку при загрузке ее в печь и продолжительное нахождение стали в области высоких температур (900 – 1250 °С) в окислительной атмосфере методической печи. Прокатка сопровождается пластической деформацией металла, причем в соответствии с ГОСТ Р 51685–2000 общая вытяжка при прокатке рельсов из непрерывнолитых заготовок должна быть не менее 9,6. При этом существенную роль играют температурный режим, режим обжатий и калибровка валков. От их рационального выбора зависит эволюция большинства дефектов сталеплавильного происхождения. В частности, внутренние трещины могут получить развитие, выйти на поверхность, окислиться и привести к браку поверхности рельсов или завариться при пластической деформации с сохранением высоких механических свойств металла в области бывшего дефекта. Помимо трансформации имеющихся дефектов, прокатный передел является источником собственных дефектов, большинство из которых относится к разряду поверхностных. При определении дефектов прокатки использована широко распространенная терминология, соответствующая ГОСТ 21014–88.

1. Дефекты нагрева

1.1 Трещины

При нагреве непрерывно литой заготовки с холодного посада, особенно в зимнее время, существует вероятность возникновения нарушений сплошности, связанных с действием температурных напряжений. В таких условиях образуются холодные трещины. Опасный с точки зрения трещинообразования температурный интервал 0 – 600 °С соответствует методической зоне нагревательной печи. При более высоких температурах сталь становится пластичной и происходит релаксация напряжений. Наиболее губительным для качества металла последствием действия температурных напряжений является разрушение заготовки на части, которое может происходить при охлаждении на складе или непосредственно в печи и сопровождаться шумовым эффектом (взрывом, треском). В методических печах разрушившиеся на части заготовки проваливаются между шагающими балками и нарушают дальнейший технологически процесс продвижения металла по печи; удаление их, как правило, затруднено. При нагреве поверхностные слои металла имеют более высокую температуру, чем центральные, и стремятся к удлинению, внутренние слои препятствуют этому процессу. Соответственно, в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, а в осевых – растяжения, наиболее опасные с точки зрения вероятности трещинообразования. Остаточные напряжения, возникшие в непрерывно литых заготовках после охлаждения, суммируются с временными напряжениями от нагрева и усиливают тем самым вероятность трещинообразования именно в осевой зоне непрерывно литой заготовки, ослабленной порами, микротрещинами и ликватами.

Внутренние трещины могут стать причиной возникновения скворечников или в процессе деформации образовать поверхностную трещину. Тот или иной вид разрушения может обнаруживаться только после окончания прокатки, как например, расслоение шейки рельса, приводящее к поломке рельсов в роликоправильной машине и надежно идентифицируемое при ультразвуковой дефектоскопии.

Установление факта образования холодных трещин от температурных напряжений как первопричины других дефектов, в частности поломки рельсов в роликоправильной машине, в большинстве случаев затруднено.

Это вызвано тесной связью и взаимным влиянием ряда факторов. Внутренние трещины могут образоваться как под влиянием только суммарной величины остаточных и временных напряжений, так и непосредственно от дефектов слиткового происхождения. На практике встречаются случаи как раз совместного влияния этих факторов, и установить доминирующую роль одного из них в некоторых случаях не представляется возможным.

Меры предупреждения возникновения трещин от температурных напряжений следующие: замедленное охлаждение непрерывно литой заготовки после разливки вплоть до атмосферных температур, транспортирование теплых заготовок в вагонах-термосах, теплый (200 – 400 °С) или горячий посад непрерывно литой заготовки в методическую печь, поддержание температуры уходящих газов в методической зоне печи при холодном посаде непрерывно литой заготовки на уровне не более 600 – 700 °С.

1.2 Окисление (окалинообразование)

В общем случае под окислением стали понимают процесс взаимодействия газов (воздуха, продуктов сгорания топлива или контролируемой атмосферы) с железом, сопровождающийся образованием слоя оксидов (окалины) на поверхности металла. Применительно к нагреву стали в пламенных печах перед обработкой давлением основными окислительными газами являются: углекислый газ (СО₂), кислород (О₂), водяной пар (Н₂О), диоксид серы (SО₂). Реакции окисления железа – экзотермические и происходят следующим образом:

Fe + 0,5O₂=FeO, (1.1)

3FeO + 0,5О₂ = Fe₃0₄, (1.2)

2Fe₃0₄ + 0,5О₂ = 3Fe₂0₃, (1.3)

Fe + C0₂ = FeO + CO, (1.4)

Fe + H₂0 = FeO + H₂, (1.5)

3FeO + C0₂ = Fe₃0₄ + CO, (1.6)

3FeO + H₂0 = Fe₃0₄ + H₂. (1.7)

В процессе окисления слоя железа толщиной 1 мм образуется слой окалины толщиной до 2,8 мм. Высокотемпературное окисление – процесс встречной реакционной диффузии атомов кислорода и металла через кристаллические решетки твердых фаз, из которых состоит окалина. Его можно разделить на несколько этапов:

• диффузия кислорода к поверхности металла;

• адсорбция кислорода на поверхности;

• диффузия реагирующих веществ через слой оксидов навстречу кислороду;

• кристаллохимические превращения как следствие изменения состава и структуры решетки твердых фаз.

Решающую роль при этом играет диффузия атомов железа наружу, а не процесс диффузии атомов кислорода внутрь металла.

Температура является одним из наиболее мощных факторов, влияющих на окисление стали. Между интенсивностью окисления и температурой существует экспоненциальная зависимость.

Время также оказывает сильное влияние на величину угара стали. Если в процессе нагрева не происходит разрушения слоя окалины, то зависимость массы металла, перешедшей в окалину, от времени нагрева подчиняется закону квадратного корня. В реальных условиях может происходить разрушение слоя окалины, вызванное механическими воздействиями на заготовки при транспортировании в печи или напряжениями в самой окалине, вызванными различием удельных объемов окалины и металла, что приводит к отклонению от закона квадратного корня зависимости угара от времени. Характерно, что после разрушения слоя окалины происходит интенсификация угара. Наиболее опасным, с точки зрения потерь металла, является катастрофическое окисление. Оно происходит в тех случаях, когда в процессе нагрева окалина удаляется с поверхности металла, например вследствие оплавления, при этом поверхность всегда обнажена, а зависимость окисления от времени подчиняется почти линейному закону, и эффект замедления окалинообразования отсутствует.

В порядке убывания активности окислительные газы пламенных печей можно расположить следующим образом: кислород, воздух, водяной пар, диоксид углерода. Сжигание топлива при коэффициентах расхода воздуха 0,6 – 0,9 изменяет кинетику процессов окалинообразования, структуру и свойства окалины, снижает интенсивность угара. Увеличение коэффициента избытка воздуха более 1,1, как правило, не влияет на интенсивность окалинообразования, поскольку в этом случае процесс окисления лимитирует не скорость подвода молекул кислорода к поверхности окалины, а их диффузия через нее к поверхности металла.

В общем случае минимальное окисление стали будет происходить при таком режиме нагрева, когда интеграл по времени от температуры поверхности металла в области температур интенсивного протекания диффузионных процессов будет минимальным.

При деформации НЛЗ, на поверхности которых имеется печная окалина, возможно образование целого ряда поверхностных дефектов. В соответствии с ГОСТ 21014 – 88 это такие дефекты, как (рисунки 1.1, 1.2): вкатанная окалина – дефект поверхности в виде вкраплений остатков окалины, вдавленной в поверхность металла при деформации;

рябизна – дефект поверхности в виде мелких углублений, образующих полосы или сетку, наблюдаемых после удаления вкатанной окалины (глубина рябизны от вдавленной окалины может достигать 1,0–1,5 мм);

раковины от окалины – дефект поверхности в виде отдельных углублений, частично вытянутых вдоль направления прокатки, образующихся при выпадении вкатанной окалины (отличаются от рябизны большими размерами и меньшим количеством).

В соответствии с ГОСТ Р 51685–2000 поверхность рельса должна быть без раковин от окалины и рябизны.

Окисление (окалина) оказывает отрицательное влияние не только на качество металлопродукции, но и на работу нагревательных печей и прокатного оборудования.

Решающую роль на прочность сцепления окалины с металлом оказывает не изменение химического или фазового состава окалины, а состояние поверхности границы раздела металл – окалина. В случаях, когда проникновение оксидов в глубь металла по границам зерен отсутствует или весьма незначительно и между сталью и окалиной имеется резкая граница, при пластической деформации окалиноудаление происходит без особых затруднений, при этом поверхность отрыва достаточно гладкая. При удалении пористой окалины ее отделение может происходить по слою с наименьшей прочностью.

Наиболее сильно вдавливание окалины, образование оспин и рябизны проявляется в случаях, когда твердость окалины выше твердости металла. Этому способствует снижение температуры окалины и повышенное содержание в ней легирующих элементов стали, например хрома. При нагреве стали в восстановительной атмосфере при коэффициенте расхода окислителя менее единицы общий уровень угара может значительно снижаться, однако при этом образующаяся плотная окалина удаляется значительно трудней и повышает вероятность образования вкатанной окалины. При прокатке рельсового профиля наибольшая вероятность образования вкатанной окалины существует для шейки рельса и средней трети подошвы.

Весьма нежелательным является появление в окалине жидкой фазы, сопровождающейся ионизацией границ зерен стали, проникновение окалины между ними интенсифицируется (происходит рост смешанной зоны, рисунок 1.3) и, как следствие, ее прочность сцепления с металлом возрастает.

При соблюдении рациональной технологии нагрева (отсутствии перегрева стали и подплавления окалины) печная окалина с поверхности рельсового металла фактически полностью отделяется при транспортировании непрерывно литой заготовки от печи к прокатному стану, деформации и кантовках раската при первых проходах в валках черновой клети. Радикальным способом удаления окалины с поверхности металла является применение системы гидросбива. При гидросбиве происходит удаление окалины водой, подающейся на поверхность проката через специальные форсунки под давлением до 80 -140 атмосфер. После выдачи из нагревательной печи металла, покрытого окалиной, происходит резкое охлаждение его поверхности, в результате чего слой окалины покрывается сеткой трещин. Воздействие струи воды, подаваемой под высоким давлением, приводит к расклиниванию блоков окалины и их отрыву от поверхности металла. В то же время гидросбив способствует более интенсивному охлаждению металла при прокатке, его применение не рекомендуется в случаях пониженной пластичности стали.

1.3 Обезуглероживание

Обезуглероживание – процесс взаимодействия углерода, содержащегося в стали, с газовой атмосферой, сопровождающийся уменьшением концентрации углерода в поверхностных слоях слитков заготовок или металлоизделий. Основными обезуглероживающими газами являются: углекислый газ, кислород, водяной пар, водород. Обезуглероживание стали, держащей карбид железа, происходит по следующим основным реакциям:

2Fe₃C + 0₂=6Fe + 2CO, (1.8)

Fe₃C + C0₂=3Fe + 2CO, (1.9)

Fe₃C + Н₂0 = 3Fe + СО + Н₂, (1.10)

Fe₃C + 2H₂ = 3Fe + CH4. (1.11)

Обезуглероживание – процесс встречной двухсторонней диффузии. Обезуглероживающие газы диффундируют к поверхности металла, а навстречу им движутся газообразные продукты реакций. Помимо этого, углерод из внутренних слоев вследствие разности концентраций перемещается к поверхностным обезуглероженным слоям металла.

В общем случае после высокотемпературного взаимодействия рельсовой стали с газовой атмосферой в поперечном сечении металла можно выделить несколько характерных слоев, которые схематично представлены на рисунке 1. При окислении металла его поверхность покрывается слоем окалины, толщина которого больше толщины слоя металла, перешедшего в окалину. За окалиной следует слой внутреннего окисления или смешанная зона, которые представляют собой смесь металла и оксидов, проникших в металл (проникновение начинается, как правило, по границам зерен).