Дефекты рельсовой стали (стр. 2 из 5)

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).

Рисунок 1 – Схема поверхностных слоев стали после высокотемпературного взаимодействия с атмосферой.

Далее можно выделить зоны полного обезуглероживания со структурой чистого феррита и частичного – со структурой, отличающейся от основной структуры металла. В рельсовой стали частичное обезуглероживание может проявляться в виде сплошной или разорванной ферритной сетки по границам зерен металла. Глубина общего обезуглероженного слоя (видимого обезуглероживания), определяемого как расстояние от поверхности металла до основной (неизмененной) структуры металла, равна сумме глубин зон полного и частичного обезуглероживания. При аналитических расчетах и компьютерном моделировании могут использовать понятие суммарного обезуглероженного слоя, который больше видимого на величину толщины металла, перешедшего в окалину, поскольку окисленный металл также был обезуглерожен. В зависимости от режима нагрева, состава атмосферы и других факторов некоторые зоны (слои) могут отсутствовать.

Наличие обезуглероженного слоя может быть идентифицировано различными способами в соответствии с ГОСТ 1763 – 68.

По внешнему виду и характеру распространения обезуглероженного слоя по периметру профиля можно судить о технологической стадии, на которой произошло его образование. В частности, если глубина обезуглероженного слоя крайне неравномерна по периметру, на некоторых участках полностью отсутствует, то обезуглероживание произошло при нагреве в печах под ОМД. Если глубина обезуглероженного слоя равномерна, то оно произошло при нагреве под термическую обработку или при охлаждении после ОМД. В зависимости от распределения обезуглероживания по периметру заготовки можно выделить три вида обезуглероженного слоя: равномерный, локальный и локальный в области дефекта (рисунок 2).

Рисунок 2 – Виды обезуглероженного слоя по периметру заготовки.

По аналогии с окислением основными факторами, влияющими на процесс обезуглероживания рельсовой стали, являются температура, время нагрева и состав атмосферы печи.

Зависимость интенсивности обезуглероживания от температуры имеет аналогичный вид, однако оно интенсифицируется при более низких, чем окисление, температурах 650 – 700 °С. При температурах менее 650 °С процесс обезуглероживания углеродистой стали протекает весьма медленно.

Влияние временного фактора на интенсивность процессов обезуглероживания идентично. Однако при обезуглероживании роль барьера, замедляющего его интенсивность, выполняет слой полного обезуглероживания, препятствующий диффузии углерода к поверхности металла.

В порядке уменьшения обезуглероживающей способности газы можно расположить следующим образом: влажный водород, водяные пары, углекислый газ, влажный воздух, сухой воздух, кислород, технический азот, сухой водород. При нагреве стали под прокатку поверхность металла фактически всегда окислена, и удаление газообразных продуктов реакций обезуглероживания (СО, СО₂) осуществляется через трещины и поры в окалине. При этом диффузия углерода в окалине практически отсутствует. Характерно, что процесс обезуглероживания стали может происходить за счет кислорода, содержащегося в окалине, однако этот процесс в значительной степени зависит от содержания углерода в стали, температуры и давления в системе. В частности, при температуре 1100 °С процесс обезуглероживания стали вюститом будет происходить в том случае, если содержание углерода в ней составит более 0,2%.

В общем случае газовая атмосфера может приводить к науглероживанию поверхности металла. По термодинамическим данным при высоких температурах науглероживание стали в продуктах сгорания природного газа возможно при коэффициенте расхода воздуха менее 0,25.

В высокотемпературной области (более 800 – 900 °С) процессы окисления и обезуглероживания стали протекают параллельно и взаимосвязано. Глубина видимого обезуглероженного слоя зависит от кинетики процессов окисления стали, диффузии углерода к поверхности и его окисления. Соответственно, если скорость окисления стали выше чем скорость обезуглероживания, то после нагрева обезуглероженный слой под окалиной отсутствует, если скорость обезуглероживания выше чем скорость окисления, то в процессе нагрева под окалиной происходит формирование обезуглероженного слоя. Преднамеренное управление интенсивностью процессов окисления и обезуглероживания или использование температурных интервалов, в которых скорость окалинообразования превышает скорость обезуглероживания, в некоторых случаях, несмотря на увеличение потерь металла от угара, является эффективной мерой снижения глубины видимого обезуглероженного слоя в готовой металлопродукции.

Одними из главных факторов, влияющих на динамику процессов окисления и обезуглероживания, являются температура и время нагрева, т.е. температурно-временной фактор. Различные варианты (наиболее сложные) взаимосвязанного протекания процессов окисления и обезуглероживания НЛЗ при нагреве в методической печи в случаях, когда исходный металл не окислен и не обезуглерожен, а зависимости интенсивности И окисления и обезуглероживания от времени t нагрева имеют вид, отличный от прямолинейного, схематично представлены на рисунке 3.

Рисунок 3, а: первая стадия – интенсивность окисления выше интенсивности обезуглероживания, вторая – интенсивность обезуглероживания выше интенсивности окисления, третья – интенсивность окисления выше интенсивности обезуглероживания. Соответственно на первой стадии увеличения глубины обезуглероженного слоя не происходит, поскольку он поглощается окалиной, на второй – глубина обезуглероженного слоя растет, а на третьей – уменьшается.

Рисунок 3 – Различные схемы совместного протекания процессов окисления (ок) и обезуглероживания (об) стали

Рисунок 3, б: первая стадия – интенсивность обезуглероживания выше интенсивности окисления, вторая – интенсивность окисления выше интенсивности обезуглероживания, третья – интенсивность обезуглероживания выше интенсивности окисления. На первой стадии наблюдается рост глубины обезуглероженного слоя, на второй – его уменьшение вплоть до полной ликвидации и на третьей – повторное увеличение.