Качество колесной стали при использовании вторичного металлосырья: контроль и снижение неметаллических включений
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Рубрика: Металловедение и термическая обработка
Статья в выпуске: 2 т.26, 2026 года.
Бесплатный доступ
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 фактором 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 неблагоприятные 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.
Короткий адрес: https://sciup.org/147254871
IDS: 147254871 | УДК: 669.1 | DOI: 10.14529/met260203
Quality of wheel steel when using secondary metal raw material: Control and reduction of non-metallic inclusions
The article addresses a comprehensive scientific and technological solution to the pressing problem of improving wheel steel quality under conditions of an increasing share of secondary metal raw materials in steelmaking. In the context of stricter requirements of GOST 10791–2011 for strength and metal cleanliness, the content of non-metallic inclusions (NMIs) becomes a key limiting factor for the reliability and fatigue resistance of railway wheels. The paper systematizes modern concepts regarding the nature, formation mechanisms, and evolution of NMIs throughout all stages of metallurgical processing, from melt deoxidation to solidification of continuously cast billets. The authors propose an integrated methodology for controlling steel contamination based on a combination of automated particle analysis (APA) using SEM-EDS, multivariate cluster analysis of inclusion chemistry, extreme value statistics, and thermodynamic modeling of phase equilibria. This approach enables not only classification of inclusion types (corundum, spinels, calcium aluminates, sulfides, and oxysulfides) but also prediction of the probability of occurrence of critically dangerous particles in the bulk material. Special attention is given to the physicochemical mechanisms of oxide inclusion formation during aluminum deoxidation, their growth and coalescence, and their interaction with the solidification front in different structural zones of continuously cast billets. It is shown that the most unfavorable accumulation of NMIs occurs in the transition and central equiaxed zones, justifying targeted incoming inspection of billets. A key technological tool for mitigating the harmful effects of NMIs is calcium modification of steel. Based on thermodynamic analysis and industrial experiments, the optimal [Ca]/[Al] ratio of 0.23–0.31 was established, ensuring transformation of angular corundum into globular calcium aluminates coated with CaS. An optimized ladle-furnace treatment combined with vacuum degassing and electromagnetic stirring during continuous casting was developed. This technology reduces sulfur, oxygen, and hydrogen levels, decreases hazardous inclusions by 60–70 %, and increases the yield of acceptable metal to 99 % and above. The results have direct industrial relevance for manufacturing high-reliability railway wheels from recycled metal and can be applied in developing advanced steel quality control standards.
