способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес из непрерывнолитых слитков

Формула изобретения

1. Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес из непрерывнолитых слитков, включающий выплавку ряда плавок конвертерной стали, внепечную обработку колесной стали с доведением суммы (C+1/4 Mn), где C - массовая доля в стали углерода, %; Mn - марганца, % до определенной величины, непрерывную разливку в слитки, прокатку колес, термообработку путем нагрева колес до температуры термического упрочнения, охлаждение в течение определенного времени и отпуск, отличающийся тем, что в процессе внепечной обработки сумму (C+1/4 Mn) в стали доводят до постоянной величины для всех плавок, равной 0,815 - 0,864, а термическую обработку колес разных плавок ведут по единому режиму термоупрочнения с постоянным временем охлаждения и отпуска.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на всех стадиях изготовления цельнокатаных железнодорожных колес одновременно используют слитки, полученные из разных плавок.

Описание изобретения к патенту

По известным способам [1, 2] цельнокатаные колеса для железнодорожного транспорта изготавливают с использованием в стали отдельных элементов в весьма широком диапазоне: углерода - от 0,20 до 0,94%, марганца - 0,50 - 1,2%. Это вынуждает назначать разные режимы термического упрочнения колес в зависимости от содержания в стали этих элементов, а процесс изготовления колес по пределам (порезка слитков, нагрев заготовок под деформацию, деформирование заготовок на прессах и стане, изотермическая выдержка, нагрев под термическую обработку, термоупрочнение, отпуск, механическая обработка, движение заготовок и колес на промежуточных складах и отгрузка потребителю) организовывать исключительно поплавочно.

На отечественных заводах, в соответствии с ГОСТ 10791 [2], используется колесная марка стали 2 (основная) с содержанием углерода (С) 0,55 - 0,65% (массовая доля) и марганца (Mn) 0,50 - 0,90%. Для обеспечения требуемых по этому стандарту механических свойств устанавливают различную продолжительность охлаждения колес при термоупрочнении, соответствующую определенной опытным путем сумме (С+1/4 Mn). Таких групп для вагонных колес установлено 6. Все это приводит к усложнению организации поплавочного потока колес в колесопрокатных цехах, большим потерям колес при их отставании от потока.

С другой стороны известен способ внепечной обработки колес [3], который обеспечивает получение узких пределов по содержанию элементов в стали, в том числе углерода и марганца. Так продувкой металла в ковше аргоном в процессе его перемешивания и добавлением соответствующих элементов можно достигнуть весьма малого отклонения (0,01% по углероду и 0,03% по марганцу) содержания элементов в углеродистой конвертерной стали.

В качестве прототипа принят известный способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес [4], который включает выплавку конвертерной стали, ее внепечную обработку, непрерывную разливку, прокатку колес и их термическую обработку. При этом выплавку в конвертере и внепечную обработку колесной стали ведут с получением основных ее элементов углерода и марганца в пределах: С = 0,55 - 0,65%, Mn = 0,50 - 0,90%. После непрерывной разливки полученные слитки поплавочно передают в колесопрокатный цех, где осуществляют также строго поплавочно следующие технологические операции: порезка слитков на исходные заготовки, складирование, нагрев заготовок до температуры деформирования, осадка и штамповка заготовок, прокатка и калибровка колес, изотермическая выдержка колес в отапливаемых колодцах, охлаждение до температуры цеха и складирование, осмотр, обмер, ремонт, складирование, механическая обработка, складирование, нагрев колес под термическую обработку, термоупрочнение колес (охлаждение обода водой), отпуск колес в отапливаемых колодцах, складирование, охлаждение до температуры цеха, осмотр, обмер, испытания, складирование, отгрузка потребителю.

Следует отметить, что в каждой плавке 150-200 заготовок (колес) и такой строгий контроль поплавочного потока от слитка до отгрузки колес потребителю требуется лишь для одного - в зависимости от содержания в колесной стали углерода и марганца, а точнее суммы (С+1/4 Mn), правильно назначить продолжительность охлаждения обода водой при термоупрочнении. Эта продолжительность для вагонных колес диаметром 957 мм колеблется от 110 до 220 сек.

На практике, для обеспечения требуемых механических свойств металла вагонных колес, учитывается следующая зависимость времени охлаждения обода от содержания в стали углерода и марганца (табл. 1).

При этом сумма углерода и марганца установлена в следующих диапазонах (табл. 2).

Т. е. каждая плавка со своим химсоставом подвергается термоупрочнению по отдельному режиму охлаждения. Несоблюдение режима охлаждения приводит к пониженному уровню механических свойств (при меньшей, чем требуется, продолжительности закалки) или к повышенному уровню остаточных напряжений в колесах (при большей, чем требуется, продолжительности закалки).

В дальнейшем, при использовании в стали углерода менее 0,56 отпуск колес проводится по двум режимам (табл. 3).

В процессе изготовления колес на всех переделах задействовано более 1000 человек, управление практически всеми технологическими и транспортными операциями ручное, обработка на переделах осуществляется поштучно каждого колеса (кроме изотермической выдержки и отпуска - в этом случае обработка групповая по 6 колес), складирование колес между отдельными переделами - все это приводит к большим организационным трудностям, использованию дополнительного обслуживающего персонала, но самое главное - не гарантирует от перепутывания плавок: отдельные заготовки и колеса попадают по разным причинам в другие плавки и термоупрочняются по недопустимому режиму охлаждения. Это чревато негативными последствиями на железной дороге, что и происходит на практике. В связи с этим технологией предусматривается вести обработку на каждом переделе (нагреве, мехобработке и др.) колес данной плавки до тех пор, пока не будет обработано последнее колесо данной плавки, не начиная обработки колес другой плавки. Это сдерживает производительность участков, поэтому и не выполняется. С другой стороны, отдельные колеса, отставшие на отдельных переделах от потока данной плавки (например, при ремонте перед механической обработкой), в дальнейшем переводятся в разряд утерянных и отправляются в металлолом. Таких колес на одном заводе достигает 4-5 тысяч штук в год, а убытки составляют 10-15 млрд. руб. Т.е. использование известной технологии поплавочного изготовления колес наносит большой материальный ущерб как изготовителю, так и потребителю колес, и что особенно важно - снижает надежность отдельных колес в эксплуатации.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение термоупрочнения колес разных плавок по единому режиму их охлаждения, без поплавочного потока исходных заготовок и колес.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления цельнокатаных железнодорожных колес из непрерывнолитых слитков, включающем выплавку ряда плавок конвертерной стали, внепечную обработку колесной стали с доведением суммы (С+1/4 Mn) до определенной величины, непрерывную разливку в слитки, прокатку колес, термообработку путем нагрева колес до температуры термического упрочнения, охлаждение в течение определенного времени и отпуск, в процессе внепечной обработки сумму (С+1/4 Mn) в стали доводят до постоянной величины для всех плавок, равной 0,815 - 0,864, а термическую обработку колес разных плавок ведут по единому режиму термоупрочнения с постоянным временем охлаждения и отпуска, при этом на всех стадиях изготовления колес одновременно используют слитки, полученные из разных плавок.

Принятая сумма (0,815-0,864) соответствует химсоставу стали с высоким содержанием углерода и марганца в допустимом диапазоне их по нормативным требованиям, что обеспечивает самые высокие свойства металла готовых колес. Так, у закаленных колес с содержанием углерода 0,55% и марганца 0,50% временное сопротивление б_в получается ближе к допустимому уровню 93 кгс/мм², а при содержании в стали углерода 0,65% и марганца 0,90% - ближе к 113 кгс/мм². Если учесть что повышение прочности колесной стали на 1 кгс/мм² обеспечивает дополнительный пробег колес в эксплуатации до 1%, то эффективность предложенного способа составит около 800000 км дополнительного пробега.

Отличительными признаками заявляемого способа по сравнению с прототипом являются: доведение колесной стали в процессе внепечной обработки до постоянной величины суммы (С+1/4 Mn) для всех плавок, осуществление термической обработки колес разных плавок по единому режиму термоупрочнения с постоянным временем охлаждения и отпуска, доведение колесной стали в процессе внепечной обработки до величины суммы (С+1/4 Mn), равной 0,815 - 0,864, одновременное использование на всех стадиях изготовления колес слитков, полученных из разных плавок.

Последовательность технологических операций по предлагаемому способу. В процессе внепечной обработки выплавленную в конвертере колесную сталь подвергают корректировке по содержанию углерода до уровня погрешности 0,02% присадкой кусковых углеродсодержащих материалов на оголенное в районе фурмы при продувке аргоном зеркало металла, либо вдуванием порошков через погружную фурму. Марганец присаживают в кусках во время выпуска плавки из конвертера. Массу материала рассчитывают таким образом, чтобы содержание марганца было на нижнем пределе или несколько ниже предела. Затем после усреднения состава металла отбирают пробу, в которой определяют концентрацию необходимых элементов, после чего в ковш добавляют необходимое количество сплавов и проводят усреднение состава металла. Сумма углерода и марганца при этом не выходит за пределы одной выбранной группы стали, например, 0,815 - 0,864.

После непрерывной разливки металла в слитки диаметром 430 мм последние направляются в колесопрокатный цех, где они разрезаются на роторных пилах на исходные заготовки массой 473 кг. При этом разновес заготовок не превышает 7 кг.

Исходные заготовки разных плавок, но по химическому составу попадающие в пределы одного углеродного эквивалента, нагревают до температуры деформирования, после чего подвергают осадке, штамповке, прокатке, калибровке и изотермической выдержке. Охлажденные до температуры цеха на промежуточном складе колеса механически обрабатывают по ободу и ступице, а затем нагревают до температуры термического упрочнения, охлаждают по единому режиму для всех прокатанных плавок и подвергают отпуску также по единому режиму. При этом на любом из переделов обрабатывают колеса нескольких плавок, а к поплавочному потоку не предъявляется жестких требований, т.е. допускается их перепутывание между собой, ибо это на качество колес не влияет.

Использование предложенного способа изготовления цельнокатаных железнодорожных колес обеспечивает снижение потерь колес в процессе их изготовления на 4-5 тыс. штук в год за счет сужения пределов содержания в колесной стали углерода и марганца и доведения до постоянной величины суммы (С+1/4 Mn) для всех плавок.

Обеспечивает повышение надежности колес в эксплуатации за счет использования единого режима термоупрочнения и отпуска колес и исключения тем самым закалки колес по недопустимым режимам.

Обеспечивает повышение срока службы колес в эксплуатации примерно на 20% за счет использования повышенного уровня суммы (0,815-0,864).

Упрощает организацию потока колес в колесопрокатном цехе в процессе изготовления за счет их обработки на разных переделах одновременно разного количества плавок.

Пример. При изготовлении цельнокатаных вагонных колес диаметром 957 мм, массой 392 кг сталь выплавляли в конвертере емкостью 300 т с последующей внепечной обработкой с доведением содержания углерода до уровня 0,63 - 0,65% вдуванием углеродсодержащих порошков через погружную фурму при продувке аргоном и содержания марганца до уровня 0,76 - 0,90% присадкой во время выпуска плавки из конвертера в промежуточный ковш с обеспечением углеродного эквивалента, равного (0,815-0,864). Полученные непрерывнолитым способом слитки диаметром 430 мм разрезали поштучно на роторных пилах холодной резки на исходные заготовки длиной 420 мм, которые затем нагревали в кольцевых печах до температуры 1280^oC. Нагретые заготовки осаживали на прессе усилием 3000 т. с. до высоты 125 мм, штамповали ступицу и часть диска на прессе усилием 7000 т. с., прокатывали обод и другую часть диска на стане, калибровали колесо на прессе усилием 3000 т.с., после чего снижали температуру колес до 600^oC и при этой температуре осуществляли изотермическую выдержку в течение 3 часов. Затем колеса в холодном состоянии механически обрабатывали (обод и ступицу) на карусельных станках, нагревали до температуры 880^oC и термоупрочняли путем охлаждения обода водой в течение 110 сек. Причем охлаждали по такому режиму все плавки или их части, успевшие дойти по потоку до термического отделения. После закалки колеса помещали в отпускные колодцы, где их выдерживали в течение 3 часов при температуре 500^oC. Это была завершающая технологическая операция. На каждом из участков обработке подвергали до 4 плавок, при этом отставшие от плавок колеса не браковали. В результате на этих 4 плавках было сэкономлено 12 колес стоимостью 3 млн. руб. каждое из разряда т. н. "отставших" от своих плавок, упростился поток колес по участкам, повысилась из пропускная способность на 12% (отпала необходимость ожидания отставших от своих плавок колес на отдельных участках цеха), увеличился уровень прочности металла обода колес с 93 до 112 кгс/мм² (это обусловило увеличение срока службы их в эксплуатации на 19%), повысилась надежность колес в эксплуатации - исключено влияние перепутывания плавок колес на неверный режим термоупрочнения.