автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии производства тонких стальных полос с заданными свойствами

На правах рукописи

005057776

ШЕСТАКОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТОНКИХ СТАЛЬНЫХ ПОЛОС С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05,16,05 - «Обработка металлов давлением»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 в АПР 2013

Москва-2013

005057776

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

- доктор технических наук Горбунков Сергей Георгиевич -доктор технических наук, профессор

Никитин Георгий Семенович МГТУ имени Н.Э. Баумана

- кандидат технических наук, Бебелюбский Борис Феликсович МГВМИ кафедра «Металловедение и обработка металлов давлением»

- ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ им. А.И. Целикова»

Защита диссертации состоится «2f » ¿V 2013 г. в -/б" часов на заседании диссертационного совета Д 217.035.02 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.ПБардина» по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., дом 9/23.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., дом 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке и на сайте ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» www.chermet.net

Автореферат разослан «Ц>> уси2/шч2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 217.035.02, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современная экономика формирует жесткие требования к качеству полос с заданными физическими свойствами, что продиктовано в первую очередь постоянным совершенствованием потребительских характеристик конечного продукта из-за конкуренции между производителями высокотехнологичной, наукоемкой продукции. Предприятия-изготовители вынуждены постоянно совершенствовать не только дизайн готовых изделий, но и улучшать их потребительские свойства. Для того, что бы полосы и ленты, потребляемые в качестве сырья, были конкурентоспособны на рынке, разрабатываются требования для каждого конкретного потребителя, при этом имеет огромное значение организация специального подхода и, следовательно, разработка и внедрение эксклюзивной технологии производства. Это возможно тогда, когда непрерывно совершенствуются технологические процессы, повышается их стабильность. Для этого необходимо не только сырье со строго заданными параметрами по качественным характеристикам, строжайшее соблюдение технологии производства, но и модернизация оборудования, а в отдельных случаях проведение реконструкции предприятия: как всей технологической цепочки, так и отдельных переделов.

Тонкие полосы и ленты должны соответствовать не только заданным геометрическим характеристикам с жесткими допусками по размерам, состоянию поверхности, химическому составу, но и ряду таких физических свойств, как например, коэрцитивная сила. Величина этой силы определяется остаточным содержанием углерода, видом. микроструктуры и стабильным размером зерна. Очевидно, что производство указанной продукции возможно только на современном специализированном технологическом оборудовании.

В конце 1980-х годов на Щелковском металлургическом заводе (ОАО «Щелмет») проведена масштабная реконструкция с переориентированием предприятия на производство стальных полос с заданными физическими и механическими свойствами. Основное оборудование предприятия было

изготовлено и поставлено компанией «SUNDWIG». Предполагалось, что завод обеспечит потребности отечественной промышленности в тонких стальных полосах с заданными свойствами различного назначения в объеме до 15 тыс. тонн в год. Однако, в начальный период в силу недостаточности научной и технической проработки по ряду объективных причин, в т.ч. из-за отсутствия отработанной технологии для этой уникальной продукции, не удавалось достичь требуемого качества при минимальных издержках.

Достижение высокой геометрической точности, механических свойств, параметров микрогеометрии поверхности, физических характеристик потребовало проведение широких экспериментальных исследований с совершенствованием базовых положений технологии производства и освоением широкого сортамента холоднокатаных тонких полос и лент с заданными свойствами, что определило актуальность этой работы.

Цель работы и задачи исследования

Целью работы является исследование и разработка базовых элементов технологии производства тонких стальных полос с заданным свойствами для производства магнитных экранов различного назначения и лент, предназначенных для производства лам елей щелочных аккумуляторов.

Для достижения намеченной цели в работе поставлены следующие задачи:

проанализировать современные требования технических спецификаций и существующие технологии производства тонких стальных полос для обеспечения заданных свойств готовой продукции;

исследовать влияние на особые физические свойства обезуглероженной стали, в частности на коэрцитивную силу различной степени деформации тонких стальных обезуглероженных полос и температуры отжига;

изучить особенности механизма переноса шероховатости текстурированных валков на полосы с различной степенью наклепа и определить режимы электроразрядного текстурирования рабочих валков для

обеспечения заданных параметров микрогеометрии готовой продукции в условиях предприятия;

- уточнить математическую модель определения энергосиловых параметров с учетом влияния пластической деформации на заданные параметры коэрцитивной силы, зон упругого сжатия и восстановления полосы, переднего и заднего натяжения, формы поперечного сечения, температурного профиля в очаге пластической деформации и на ее основе разработать для стана холодной прокатки режимы обжатий полос и лент;

- разработать и освоить технологию получения полос с заданными физическими и механическими свойствами для производства магнитных экранов различного назначения, лент для ламелей электродных пластин аккумуляторов.

Методы исследования

Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов металлографических исследований структуры и испытания свойств готовой продукции на базе современных средств лабораторного оборудования, а также с промышленным опробованием разработанных технологических режимов в условиях действующего производства на ОАО «Щелмет».

Основным критерием оценки получаемых при испытаниях результатов являлось соответствие комплекса физических и механических свойств готовой продукции заказным спецификациям.

Научная новизна

В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Выявлены особенности влияния степени деформации при прокатке тонких стальных обезуглероженных полос с заданными свойствами, толщиной до 0,100 мм на коэрцитивную силу при различной температуре отжига. Установлено, что режимы обжатий необходимо определять из требуемой величины коэрцитивной силы, которая приобретает минимальное значение при температуре отжига 755°С и суммарной степени обжатия 35-

63 %, а максимальное при температуре отжига 580°С и практически не зависит от суммарной степени обжатия до 67%;

2. Получены новые экспериментальные данные по влиянию температуры отжига распушенных рулонов на физические свойства обезуглероженных стальных полос толщиной 0,56 мм, установлено уменьшение значения коэрцитивной силы в среднем на 8-10 % при достижении содержания остаточного углерода в стали 4.. .8 ррш;

3. Установлен характер взаимосвязи нанесения микрошероховатости на рабочие валки с переносом ее при холодной прокатке на стальные тонкие полосы, толщиной до 0,100 мм. Коэффициент переноса микрошероховатости составляет по параметрам Яа и Ыг 0,95 при прокатке отожженных полос и 0,3...0,4 при прокатке деформированных полос.

4. Уточнена математическая модель определения энергосиловых параметров прокатки тонких стальных полос для обеспечения достижения заданного комплекса физических и механических свойств готовой продукции путем ограничения суммарной степени деформации в зависимости от величины значений коэрцитивной силы.

Практическая ценность и реализация работы

- в условиях ОАО «Щелмет» разработана и внедрена технология производства тонких стальных обезуглероженных полос с заданными свойствами (патент РФ № 2223334) и лент для ламелей щелочных аккумуляторов, разработана технологическая инструкция ТИ 14-114-42-1062002 на их производство;

- разработаны и внедрены в производство технологические режимы обезуглероживающего отжига ТИ 14-114-08-2007, (патент РФ № 2223333), что позволило существенно снизить значения коэрцитивной силы и остаточного содержания углерода (в 2,5 - 3 раза) в полосе из стали марок типа 08Ю при регламентированном содержании азота;

- разработан новый способ подготовки к эксплуатации рабочих валков (патент РФ №2228809), заключающийся в оригинальной методике нанесения микрошероховатости на поверхность валков для дальнейшего переноса ее на полосы с получением заданных параметров. Способ апробирован и внедрен в массовое производство (ТИ 14-114-17-2007);

- определены на основе уточненной математической модели расчета энергосиловых параметров и внедрены в производство режимы обжатий холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов и полос для магнитных экранов различного назначения;

математическая модель расчета энергосиловых параметров использована при разработке временной технологической инструкции для-режимов прокатки части сортамента полос из электротехнических сталей при подготовке к запуску одноклетьевого реверсивного стана «1400» ОАО «НЛМК».

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Установленные зависимости между степенью деформации тонких стальных обезуглероженных полос, величиной коэрцитивной при силы различной температуре отжига;

2. Режимы переноса микрошероховатости с рабочих валков стана «кварто» 800 на тонкие стальные обезуглероженные полосы при прокатке для получения заданных параметров поверхности готовой продукции;

3. Технология производства тонких стальных полос для магнитных экранов различного назначения и лент для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов.

Апробация работы

Основные положения работы были представлены на международных научно-технических конференциях: «II Международный конгресс прокатчиков», Днепропетровск, 2002 год, обсуждены на научных семинарах ИМЕТ им. А.К. Байкова РАН, ОАО «Щелмет», ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина».

Публикации

По материалам работы опубликовано 6 печатных работ в 5 изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получено 3 Патента РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав с выводами, библиографического списка из 102 наименований, основных выводов и 4 приложений. Включает 149 страниц текста, 19 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведена общая характеристика работы, обоснована актуальность выбранной диссертационной темы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы получения заданных физических и механических свойств тонких стальных полос и лент различного назначения, технологические схемы существующего производства, проведен анализ наиболее характерных дефектов и причин их образования, представлены результаты обзора научно-технической литературы. Установлено, что взаимосвязь формирования физических свойств тонких стальных обезуглероженных полос и лент в зависимости от приобретаемых характеристик изучено слабо и показано, что только совокупность всего комплекса качественных показателей позволяет выполнить жесткие требования потребителей.

Основные требования к ленте для изготовления ламелей аккумуляторов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Требования к ленте для изготовления ламелей аккумуляторов

№ Свойства Повышенного качества Обыкновенного качества

Предельные отклонения размеров

1 по толщине, мм: ±0,01 + 0,0107-0,015

2 по ширине, мм ±0,10

Механические свойства ленты

1 Временное сопротивление разрыву ов, Н/мм2 290-390 250-390

2 Относительное удлинение, сМ, %, 18 17

3 Число перегибов, не менее 30

Параметры по шероховатости поверхности

1 Ка> не более 1,25

Проанализированы требования технических спецификаций, рассмотрены качественные характеристики полос с заданными свойствами для магнитных экранов различного назначения. Регламентируется химический состав, геометрические отклонения, где предельное отклонение размеров полос по толщине составляет ± 5 мкм, по ширине от ± 0,6 до ± 0,2 мм, продольная и поперечная разнотолощинность в пределах предельного поля допуска по толщине полосы, серповидность не более 1 мм на 1 м.

Механические свойства в зависимости от требований заказных спецификаций различны. Однако, основные параметры характерные для основной массы потребителей имеют следующие величины: ав>280Н/мм2 , при б4>28%, твердость НУ 0,5 составляет <120, предел текучести 130-185 Н/мм2 , бал зерна <9, часть потребителей требует проводить испытания на лунку (Эриксен) >7.

Требования по качеству поверхности и шероховатости, а также специальные физические свойства, такие как коэрцитивная сила и в некоторых случаях магнитная проницаемость различны в зависимости от конечного использования полос и лент у потребителей.

По результатам проведенного анализа состояния проблемы сформулированы задачи и направления исследований, основными из которых являются:

- установить характер зависимости между различной степени деформации тонких стальных обезуглероженных полос, температурой отжига и величиной коэрцитивной силы;

- разработать режимы переноса микрошероховатости с рабочих валков стана «кварто» 800 при прокатке на тонкие стальные обезуглероженные полосы в соответствии с требованиями технических спецификаций;

- разработать технологию производства тонких стальных полос для магнитных экранов различного назначения и лент для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов.

Во второй главе приведено описание особенности уникальных методик проведения экспериментальных исследований, метрологического оборудования, использованного для оценки качественных показателей образцов полос с заданными свойствами для магнитных экранов различного назначения из низкоуглеродистой стали и ленты для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов.

В лабораторных условиях изучено влияние основных технологических факторов на механические и физические свойства холоднокатаных тонких стальных полос. Определены факторы, влияющие на формирование физических свойств с учетом условий пластической деформации при разных температурах отжига холоднокатаных полос.

Ключевой качественной характеристикой тонких стальных обезуглероженных полос с заданными свойствами для магнитных экранов различного назначения является коэрцитивная сила и в некоторых случаях магнитная проницаемость. Впервые получены результаты экспериментальных исследований по влиянию суммарной степени обжатия обезуглероженных стальных полос и температуры отжига полос на коэрцитивную силу (рисунок 1).

Степень деформации. % -ЮЕнУа) "¿1011—Ж—620115) • 630(151 -

Рисунок 1 - Зависимость коэрцитивной силы от температуры отжига при различной степени деформации полос материала Коэрцитивная сила приобретает свое минимальное значение при суммарной степени обжатия 35-63 % и температуре отжига 755°С, а максимальное при температуре отжига 580°С и практически не зависит от суммарной степени обжатия до 67%.

Требования потребителей тонких стальных обезуглероженных полос с заданными свойствами для магнитных экранов различного назначения не всегда сводятся к определению только коэрцитивной силы, так часть из них проводит специальные испытания по магнитной проницаемости. Для изучения влияния на магнитную проницаемость степени обжатия полос

проведено лабораторное исследование режимов имитирующего отжига. Полученные зависимости представлены на рисунке 2.

Заз5«45»55вЭв6 Степень л*флримвш.%

Рисунок 2 - Зависимость магнитной проницаемости от степени деформации полос и температуры отжига Минимальные значения магнитной проницаемости получены при суммарной степени деформации 35 и 57% и температуре отжига 600 °С. Допустимые значения магнитной проницаемости, регламентируемые отдельными потребителями не превышают 1200 А/и и получены на всех кривых, однако для достижения гарантированных значений магнитной проницаемости в готовой продукции целесообразно использовать суммарную степень деформации 50-60 %.

Выполнение требований качественных показателей поверхности готовой полосы определяется ее состоянием перед прокаткой, механическими свойствами, режимами деформации и технологией подготовки валков.

Проведены исследования формирования микрорельефа полос при нанесении микрошероховатости на рабочие валки на установке ЕОТ, последующей калибровке валков в прокатной клети стана кварто «800» и переносе физических свойств микрорельефа на полосы при прокатке.

Полученные частотные кривые распределения параметров шероховатости, приведены на рисунке 3.

Значение Па

9.9 11,79 13,67 15,56 17,44 19,33 21,21 23,1 Значение Кг

Рисунок 3 - Частотные кривые распределения параметров

шероховатости валков после: 1 - текстурирования, 2 - калибровки а, б — средняя высота микронеровностей и максимальная высота выступов профильной линии Таким образом, при подготовке валков на установке ЕОТ для получения заданных значений микронеровностей на валках необходимо увеличивать Яа на 0,9...1,1 мкм с учетом технологической операции калибровки, которая обеспечивает повышение стабильности микрорельефа.

Результаты полученных исследований составили основу разрабатываемой математической модели и технологии производства тонких стальных полос и лент с заданными свойствами для магнитных экранов различного назначения, и холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов.

В третьей главе представлено описание результатов физического и математического моделирования режимов деформации тонких стальных полос, разработанных технологических режимов обезуглероживающего отжига распушенных рулонов, технологии нанесения микрошероховатости на полосы и ленты при прокатке с целью получения качественных характеристик полос и лент с заданными свойствами.

В условиях ОАО «Щелмет» обезуглероживание холоднокатаных полос для производства магнитных экранов различного назначения с заданными физическими и механическими свойствами производится при отжиге распушенных рулонов в одностопных колпаковых печах в атмосфере увлажненного защитного газа, где в течении цикла обезуглероживающего отжига происходит также процесс рекристаллизации холоднокатаных нагартованных полос. При проведении физического моделирования было выявлено, что в процессе обезуглероживающего отжига в атмосфере защитного газа существенное влияние на остаточное содержание углерода оказывает не только температура, время отжига, состав защитного газа, но и толщина полосы. Это позволило использовать полосу с оптимальной толщиной и разработать технологические режимы обезуглероживания полос. Подтверждено, что при обезуглероживании стальных полос содержание азота не оказывает существенного влияния на коэрцитивную силу.

На основе полученных данных зависимости коэрцитивной силы при различной температуре отжига и изученного механизма взаимодействия углерода в полосовой стали с атмосферой увлажненного защитного газа в колпаковой печи разработаны оптимальные режимы обезуглероживающего отжига, совмещенного с рекристаллизационным, позволяющие получать минимальные значения коэрцитивной силы. Показано, что нагрев при обезуглероживающем отжиге распушенных стальных полос толщиной 0,56 мм должен проводиться до достижения температур 610-640 °С на протяжении 8 часов, выдержкой 7.. 10 часов, подачей в подмуфельное пространство печи 100 % N2, а процесс обезуглероживания при температуре 690-720 °С и подаче увлажненного водорода с выдержкой 0,8.. 1,2 часа при

удельном расходе зоды 0,11..0,28 л/т.ч, охлаждение необходимо осуществлять со средней скоростью 80-100 °С/ ч до температуры 40 "С.

Использование оптимальных режимов обезуглероживающего отжига стальных полос позволило снизить среднюю величину остаточного содержания углерода в полосе с 12-18 до 4-8 ррт и уменьшить значения коэрцитивной силы на 8-10 %. Циклограмма оптимального совмещения рекристаллизационного и обезуглероживающего отжига представлена на рисунке 4.

•с

700-

§

£ 400-,

I

О 200100-

■

шш

14 16 18

I!

о >.

Шк «»*".

Ш! М%Ыг»6%Н,*нр 1оо*нг

Рисунок 4 - Циклограмма оптимального совмещения рекристаллизационного и обезуглероживающего отжига

Формирование требований по качеству поверхности стальных тонких полос в процессе прокатки исходит из геометрических отклонений, механических свойств, шероховатости полосы перед прокаткой, а так же с учетом режимов обжатий полос и шероховатости самих валков. В работе представлены результаты исследований получения полос с заданными параметрами микрошероховатости поверхности, которые подтвердили, что коэффициент переноса шероховатости принимает свое максимальное

значение при увеличении давления валков на полосу и снижении прочностных свойств полосы.

Однако, увеличение давления приводит к вытяжке полосы в очаге деформации и формированию анизотропного микрорельефа, что негативно сказывается на формировании заданного качества поверхности. Определено, что коэффициент переноса микрошероховатости на отожженных стальных полосах (толщиной до 0,100 мм) по параметрам Яа и Кг составляет 0,95 при прокатке отожженных полос и 0,3...0,4 при прокатке деформированных полос.

На основании результатов проведенных исследований и уточненной математической модели определены оптимальные значения по режимам обжатий, которые использованы в расчетах энергосиловых параметров процесса прокатки, представлено новое видение расчета контактного давления с учетом геометрических характеристик поперечного профиля исходной полосы и готовой продукции. При составлении уточненной математической модели для расчета технологических режимов обжатий были приняты следующие допущения:

- деформацию по высоте считали равномерной, а по ширине полосы -плоской;

- вне очага пластической деформации деформацию полосы считали упругой, полоса сохраняет форму и размеры;

- неравномерность деформации по ширине полосы не учитывалась;

- локальное уменьшение толщины полосы по кромкам и уширение не учитывали, ввиду незначительности.

При прокатке тонких стальных полос с заданными физическими и механическими свойствами необходимо учитывать ряд следующих особенностей:

- процесс прокатки осуществляется с удельным натяжением (до 0,20-0,45ат), которое оказывает влияние на величину среднего контактного давления;

- отношение радиуса рабочего валка Я к толщине полосы Ь0 лежит в пределах 11/Ьо=75(Н-2000, что оказывает значительное влияние на

энергосиловые параметры, величину сил трения на контактной поверхности валков и упругую деформацию валков;

- суммарная степень деформации в диапазоне от 35 до 63 % оказывает непосредственное влияние на коэрцитивную силу, это не может повлиять на снижение обжимной способности клетей кварто.

Уточненная математическая модель для определения энергосиловых параметров и определения оптимальных режимов обжатий включает расчет:

- режимов обжатий, энергосиловых параметров с учетом пластической и упругой деформации (контактного давления р, переднего и заднего натяжения полосы, усилия прокатки Р, момента прокатки М„р);

- величин прогиба рабочих валков с учетом погонной нагрузки q = Р/В и заданной разнотолщинности готовых полос;

- температурного поля д, по ширине полосы с учетом ограничений по температуре вспышки технологического масла ТМС 6.

Математическая модель определения оптимальных режимов обжатий положена в основу программы расчета технологических параметров процесса прокатки, блок-схема алгоритма расчета представлена на рисунке 5. Расчет проводился для каждого прохода поэтапно. На первом этапе рассчитывалась относительная степень деформации с учетом значений по ограничениям, полученным из зависимости коэрцитивной силы от температуры отжига при различной степени деформации полос. Геометрические характеристики очага деформации и энергосиловые параметры (среднее контактное давление, усилие и момент прокатки), полученные в результате расчетов сравниваются с предельными значениями, характеристиками основного оборудования. Если полученные величины превышают заданные, то запускается итерационный цикл для подбора оптимального значения толщины полосы Н] после прохода с шагом 5% по уменьшению абсолютного обжатия.

В математической модели расчет среднего контактного давления р вели с учетом известной методики Э.А. Гарбера, которая позволяла учесть влияние упругих зон очага деформации, а влияние натяжения переднего и заднего концов полосы определялось по зависимости Хессенберга и Симса применительно к холодной прокатке полос на реверсивном стане кварто.

Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма расчета технологических параметров Очаг деформации рассматривали как контур с учетом упругого сплющивания валков, упругого сжатия, восстановления части толщины полосы и переднего и заднего натяжения для минимизации погрешности расчетных параметров. На рисунке 6 представлена схема очага деформации состоящего из четырех участков, которые были аппроксимированы двумя прямыми отрезками. Первый отрезок — от входного сечения до вертикальной осевой плоскости валков (он соответствует углу захвата а и наклонен к оси прокатки на угол а/2), второй — на участке упругого восстановления части

толщины полосы (он наклонен к оси прокатки в противоположном направлении на угол р/2). Таким образом, формула для определения среднего контактного давления с учетом влияния натяжения переднего и заднего концов и упругого сплющивания валков и полосы полученная формула приняла вид:

Рор1 где х1ущ

РЛупр + РгХ т.отс. + РъХт.опер. + РлХ2

2 упр

У

1-

о-р +д~1

4т,

0)

участок упругого сжатия полосы; хш.отс. - участок зоны

отставания; хт,отр, - участок зоны опережения; х2у„р - участок упругого восстановления части толщины полосы на выходе из очага деформации; ри Р2, Рз, Р\ - контактные напряжения по длине очага деформации участков ; 1с1 -длина очага деформации; сг0, о, - переднее и заднее натяжение соответственно, МПа, т8 - сопротивление чистому сдвигу, МПа.

Рисунок 6 - Схема очага деформации и эпюра изменения нормальных контактных напряжений по его длине: а - для пластического, б - для упруго-пластического очага деформации; Т0, Т1 - силы натяжения полосы, ДЬ^р и ЛЬ2упр - упругое сплющивание и восстановление полосы; Я - радиус валка; Ьн - толщина полосы в нейтральном сечении; 1д - длина очага деформации

Для определения величины прогиба рабочих валков с учетом погонной нагрузки д = Р/В и заданной разнотолщинности готовых полос, станочных профилировок, которая осуществлялась по методике А.В.Третьякова с последующим сравнением расчетных величин с допустимыми значениями -геометрическим отклонениям по поперечной разнотолщинности для каждого отдельного потребителя. В алгоритме математической модели предусмотрен второй итерационный цикл для оптимизации режимов по этому параметру в случае отклонения рассчитанного значения от заданного. Расчет ведется до тех пор, пока сумма частных обжатий в каждом проходе не станет равной обжатию, которого необходимо достичь для получения полосы заданной толщины.

Расчет температурного поля S, по ширине полосы с учетом ограничений температуры по температуре вспышки равной 150°С для технологического масла ТМС 6 выполнялся по методике А.В.Третьякова -Э.А.Гарбера и заключался в решении уравнений теплового баланса рабочего валка, опорного валка и полосы в очаге пластической деформации металла. В случае получения критических температур выше 135 °С, не позволяющих осуществлять безопасный технологический процесс, производится корректировка режимов обжатий в сторону их уменьшения с шагом 5 %, что дает возможность получить режимы обжатий полос в требуемом температурном диапазоне.

Математическая модель позволила рассчитывать в автоматическом режиме параметры пластической деформации полос в каждом проходе с заданными физическими и механическими свойствами, геометрическими характеристиками в соответствии требованиям нормативно-технической документации и заказных спецификаций. Погрешность полученных расчетных технологических параметров по усилию прокатки Р составила не более 7-8 % от величин, получаемых при прокатке на стане кварто «800».

В четвертой главе представлены результаты промышленного внедрения разработанной технологии производства полос с заданными физическими и механическими свойствами на ОАО «Щелмет».

В промышленных условиях при использовании математической модели разработаны и внедрены режимы прокатки холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов толщиной 0,100 мм и полос для производства магнитных экранов толщиной 0,145 мм, что обеспечило заданные физические и механические свойства продукции, полностью удовлетворяющие требованиям потребителей. Основные параметры технологических режимов прокатки приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 - Режимы прокатки холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов толщиной 0,100 мм на стане «800» ОАО «Щелмет»

Толщина, мм Обжатие, % Сила прокатки, т Натяжение, кН Скорость прокатки, м/мин

вход выход за проход общее переднее заднее

1-я прокатка

0,70 0,56 20 20 190 25 25 300-350

0,56 0,39 30 50 200 23 23 300-350

0,39 0,30 23 66 260 16 16 300-350

2-я прокатка

0,30 0,24 20 20 250 16 16 300-350

0,24 0,20 16 36 230 16 16 300-350

0,20 0,17 15 51 200 16 16 300-350

0,17 0,152 12 63 210 10 10 300-350

3-я прокатка

0,152 0,129 15 15 190 9 9 300-350

0,129 0,109 15 30 200 9 9 300-350

0,109 0,100 8,3 38,3 135 8 8 280-330

Внедрение разработанных режимов прокатки в производство позволило получить необходимое качество холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов в соответствии с требованиями Технических условий ТУ 144-1058-80.

Таблица 3 - Режимы прокатки полосы с заданными физическими и механическими свойствами для производства магнитных экранов толщиной 0,145 мм на стане «800» ОАО «Щелмет»

Толщина, мм Обжатие, % Сила прокатки, т Натяжение, кН Скорость прокатки, м/мин

вход выход за проход общее переднее заднее

1-я прокатка

0,56 0,39 30 30 200 23 23 300-350

0,39 0,30 23 46 260 16 16 300-350

0,30 0,23 23 59 250 16 16 300-350

2-я прокатка

0,23 0,19 17 17 250-270 16 16 300-350

0,19 0,16 16 30 200 16 16 300-350

0,16 0,148 8 36 210 10 10 300-350

Дрессировка

,0,148 0,145 0,8-1,2 0,8-1,2 25-35 9 9 100-200

Таким образом, на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана комплексная технология производства стальных полос с заданными физическими и механическими свойствами и состоянием поверхности. Укрупненная блок-схема разработанной технологии представлена на рисунке 8. На способ производства стальных полос получен патент (патент РФ № 2223334), который впервые был использован на ОАО «Щелмет».

Рисунок 8 - Укрупненная блок-схема производства полос с физическими и заданными механическими свойствами для магнитных экранов и лент для ламелей аккумуляторов

Разработанная технология производства состоит из обезуглероживающего отжига распушенных стальных полос, дальнейшей прокатки с режимами обжатий 35-70 %, последующего рекристаллизиционного отжига, дрессировки с обжатием 0,8.. 1,2 %, правки растяжением с обрезкой кромок. Технология позволяет получать тонкие стальные обезуглероженные полосы с заданными свойствами для магнитных экранов различного назначения.

Общие выводы по работе: 1. Проведены исследования влияние физических свойств обезуглероженной стали в зависимости от температуры отжига при различной степени

деформации тонких стальных полос, на основании полученных зависимостей выявлены значения величины обжатий и температуры. Впервые установлено, что коэрцитивная сила приобретает свое минимальное значение при суммарной степени обжатия 35-63 % и температуре отжига 755°С, а максимальное при температуре отжига 580°С и практически не зависит от суммарной степени обжатия до 67%. Способ обезуглероживающего отжига стальных полос запатентован (патент РФ №2223333) и внедрен в производство.

2. Изучен механизм переноса шероховатости текстурированных валков на полосы с различной степенью деформации и определены режимы электроразрядного текстурирования рабочих валков, полученные данные позволили выполнить требования спецификаций с заданными параметрами микрогеометрии готовой продукции. Коэффициенты переноса по параметру Яа и &г составили от 0,95 при прокатке отожженных полос и до 0,3...0,4 при прокатке деформированных полос, результаты исследований внедрены в производство. Разработан, внедрен и запатентован способ подготовки к эксплуатации рабочих валков листопрокатной клети (патент РФ № 2228809);

3. Разработана и освоена технология получения стальных полос с заданными физическими и механическими свойствами, состоянием поверхности полос и лент для ламелей электродных пластин аккумуляторов, что позволило организовать производство готовой продукции в соответствии с требованиями заказных спецификаций. Разработанная технология Производства состоит из обезуглероживающего отжига распушенных стальных полос, дальнейшей прокатки с режимами обжатий 35-70 %, последующего рекристаллизиционного отжига, дрессировки с обжатием 0,8..1,2 %, правки растяжением с обрезкой кромок. Способ производства полос со специальными физическими свойствами запатентован и впервые был применен на ОАО «Щелмет» (патент РФ № 2223334). Общий экономический эффект составил 51,7 млн. рублей.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Шестаков A.B., Жихарев П.Ю., Голенков М.А. Совершенствование методики для расчета режимов прокатки тонких полос // Проблемы черной металлургии и материаловедения 2011. №3 с. 19-22.

2. Шестаков A.B., Трайно А.И., Русаков А.Д. Особенности формирования микрогеометрии поверхности бочки цилиндрических рабочих валков при текстурировании и матировании прецизионных полос // Металлы 2011. №1 с.24-30.

3. Шестаков A.B., Трайно А.И., Русаков А. Д.. Оптимизация профилировок валкового узла реверсивного стана 800 // Металлы 2011, №3 с.44-47.

4. Шестаков A.B., Трайно А.И., Русаков А.Д. и др. Совершенствование режимов прокатки магнитомягких полос с использованием математических моделей // Производство проката 2011, № 7с. 18-23.

5. Горбунков С.Г., Шестаков A.B., Петров C.B. др. Разработка и освоение технологии производства прецизионных холоднокатаных полос для магнитных экранов . // Сталь 2002. 39, с.61-64.

6. Горбунков С.Г., Шестаков A.B., Ефименко С.П. Режимы производства прецизионных полос с заданными параметрами шероховатости поверхности // Бюлл. НТИ Черная металлургия. Вып 3, 2003, с.61-65.

7. Патент Российской Федерации № 2223333 от 10.02.2004. Способ обезуглероживающего отжига стальных полос / Горбунков С.Г., Шестаков A.B., Петров C.B.и др. Бюлл.№4, 2004 г.

8. Патент Российской Федерации № 2223334 от 10.02.2004. Способ производства стальных полос для магнитных экранов / Горбунков С.Г., Шестаков A.B., Дьяконов В.И. и др. Бюлл.№4,2004 г.

9. Патент Российской Федерации № 2228809 от 20.05.2004. Способ подготовки к эксплуатации рабочих валков листопрокатной клети / Горбунков С.Г., Шестаков A.B., Долженков А.Ю. и др. Бюлл.№14, 2004 г.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54,8-906-787-70-86 лутулу.кор1гоука.ги

Федеральное государственное унитарное предприятие «ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ им. И.П.БАРДИНА»

На правах рукописи

04201356089

Шестаков Алексей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТОНКИХ СТАЛЬНЫХ ПОЛОС С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов давлением»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................................................................5

1 Анализ требований к комплексу качественных характеристик и технологических особенностей производства стальных полос, постановка задачи исследования.......................................................................................11

1.1 Требования потребителей к качеству для лент и полос с заданными физическими и механическими свойствами, требования по поверхности 11

1.1.1 Лента стальная холоднокатаная из низкоуглеродистой стали для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов...................12

1.1.2 Полоса с заданными физическими и механическими свойствами, состоянию поверхности............................................................................13

1.2 Современные технологии получения тонких холоднокатаных полос 21

1.2.1 Технология получения полос на непрерывных станах с заданными физическими свойствами.....................................................21

1.2.2 Технология получения полос на многовалковых станах с особыми физическими свойствами.........................................................23

1.2.3 Технология получения полос на одноклетьевых реверсивных станах кварто с заданными параметрами микрошероховатости.........26

1.3 Формировние качественных показателей полос с заданными физическими и механическими свойствами, состоянию поверхности и причины образования дефектов....................................................................34

1.4 Основные задачи.......................................................................................41

2 Метрологическое обеспечение и результаты экспериментальных исследований влияния физических и механических свойств....................43

2.1.Метрологическое обеспечение исследований.......................................43

2.2 Влияние коэрцитивной силы от температуры лабораторного отжига при различной степени деформации полос..................................................48

2.3 Влияние магнитной проницаемости от степени обжатия полос и лент ...........................................................................................................................50

2.4 Формирование микрорельефа полос с заданными свойствами микрошероховатости поверхности полос....................................................52

2.5 Влияние калибровки клети на микрошероховатость валков................54

3 Разработка технологии производства полос с заданными физическими и механическими свойствами...........................................................................57

3.1 Разработка режимов обезуглероживающего отжига полос с заданными физическими характеристиками....................................................................57

3.2 Разработка режимов производства полос с заданными параметрами шероховатости поверхности..........................................................................68

3.3 Разработка математической модели алгоритма расчета энергосиловых и параметров примеительно к прокатке полос с заданными параметрами микрошероховатости и особыми физическим свойствами........................74

3.4 Алгоритм метематический модели расчета энергосиловых параметров тонколистовой прокатки полос с заданными физическими и механическмими свойствами.........................................................................81

3.5 Расчет разнотолщинности полосы и профилировки рабочих валков . 85

4 Промышленное опробование технологии производства полос с заданными физическими и механическими свойствами, параметрами шероховатости.................................................................................................94

Общие выводы...............................................................................................100

Библиографический список.........................................................................102

Приложения...................................................................................................114

Приложение №1 - Протоколы и акты испытаний произведенной продукции и контрактные спецификации..................................................114

Приложение №2 - Перечень патентов........................................................128

Приложение №3 - Акт внедрения изобретений на ОАО «Щелковский металлургический завод» и экспертное заключение ОАО «НЛМК»......137

Приложение №4 - Титульные листы технологических инструкций.......143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Современная экономика формирует жесткие требования к качеству полос с заданными физическими свойствами, что продиктовано в первую очередь постоянным совершенствованием потребительских характеристик конечного продукта из-за конкуренции между производителями высокотехнологичной, наукоемкой продукции. Предприятия-изготовители вынуждены постоянно совершенствовать не только дизайн готовых изделий, но и улучшать их потребительские свойства. Для того, что бы полосы и ленты, потребляемые в качестве сырья, были конкурентоспособны на рынке, разрабатываются требования для каждого конкретного потребителя, при этом имеет огромное значение организация специального подхода и, следовательно, разработка и внедрение эксклюзивной технологии производства. Это возможно тогда, когда непрерывно совершенствуются технологические процессы, повышается их стабильность. Для этого необходимо не только сырье со строго заданными параметрами по качественным характеристикам, строжайшее соблюдение технологии производства, но и модернизация оборудования, а в отдельных случаях проведение реконструкции предприятия: как всей технологической цепочки, так и отдельных переделов.

Тонкие полосы и ленты должны соответствовать не только заданным геометрическим характеристикам с жесткими допусками по размерам, состоянию поверхности, химическому составу, но и ряду таких физических свойств, как например, коэрцитивная сила. Величина этой силы определяется остаточным содержанием углерода, видом микроструктуры и стабильным размером зерна. Очевидно, что производство указанной продукции возможно только на современном специализированном технологическом оборудовании.

В конце 1980-х годов на Щелковском металлургическом заводе (ОАО «Щелмет») проведена масштабная реконструкция с переориентированием предприятия на производство стальных полос с заданными физическими и механическими свойствами. Основное оборудование предприятия было изготовлено и поставлено компанией «SUNDWIG». Предполагалось, что завод обеспечит потребности отечественной промышленности в тонких стальных полосах с заданными свойствами различного назначения в объеме до 15 тыс. тонн в год. Однако, в начальный период в силу недостаточности научной и технической проработки по ряду объективных причин, в т.ч. из-за отсутствия отработанной технологии для этой уникальной продукции, не удавалось достичь требуемого качества при минимальных издержках.

Достижение высокой геометрической точности, механических свойств, параметров микрогеометрии поверхности, физических характеристик потребовало проведение широких экспериментальных исследований с совершенствованием базовых положений технологии производства и освоением широкого сортамента холоднокатаных тонких полос и лент с заданными свойствами, что определило актуальность этой работы.

Цель работы н задачи исследования

Целью работы является исследование и разработка базовых элементов технологии производства тонких стальных полос с заданным свойствами для производства магнитных экранов различного назначения и лент, предназначенных для производства ламелей щелочных аккумуляторов.

Для достижения намеченной цели в работе поставлены следующие задачи:

проанализировать современные требования технических спецификаций и существующие технологии производства тонких стальных полос для обеспечения заданных свойств готовой продукции;

исследовать влияние на особые физические свойства обезуглероженной стали, в частности на коэрцитивную силу различной

степени деформации тонких стальных обезуглероженных полос и температуры отжига;

изучить особенности механизма переноса шероховатости текстурированных валков на полосы с различной степенью наклепа и определить режимы электроразрядного текстурирования рабочих валков для обеспечения заданных параметров микрогеометрии готовой продукции в условиях предприятия;

- уточнить математическую модель определения энергосиловых параметров с учетом влияния пластической деформации на заданные параметры коэрцитивной силы, зон упругого сжатия и восстановления полосы, переднего и заднего натяжения, формы поперечного сечения, температурного профиля в очаге пластической деформации и на ее основе разработать для стана холодной прокатки режимы обжатий полос и лент;

- разработать и освоить технологию получения полос с заданными физическими и механическими свойствами для производства магнитных экранов различного назначения, лент для ламелей электродных пластин аккумуляторов.

Методы исследования

Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов металлографических исследований структуры и испытания свойств готовой продукции на базе современных средств лабораторного оборудования, а также с промышленным опробованием разработанных технологических режимов в условиях действующего производства на ОАО «Щелмет».

Основным критерием оценки получаемых при испытаниях результатов являлось соответствие комплекса физических и механических свойств готовой продукции заказным спецификациям.

Научная новизна

В работе получены следующие результаты, характеризующиеся

научной новизной:

1. Выявлены особенности влияния степени деформации при прокатке тонких стальных обезуглероженных полос с заданными свойствами, толщиной до 0,100 мм на коэрцитивную силу при различной температуре отжига. Установлено, что режимы обжатий необходимо определять из требуемой величины коэрцитивной силы, которая приобретает минимальное значение при температуре отжига 755 °С и суммарной степени обжатия 3563%, а максимальное при температуре отжига 580 °С и практически не зависит от суммарной степени обжатия до 67%;

2. Получены новые экспериментальные данные по влиянию температуры отжига распушенных рулонов на физические свойства обезуглероженных стальных полос толщиной 0,56 мм, установлено уменьшение значения коэрцитивной силы в среднем на 8-10% при достижении содержания остаточного углерода в стали 4...8 ррш;

3. Установлен характер взаимосвязи нанесения микрошероховатости на рабочие валки с переносом ее при холодной прокатке на стальные тонкие полосы, толщиной до 0,100 мм. Коэффициент переноса микрошероховатости составляет по параметрам Ra и Rz 0,95 при прокатке отожженных полос и 0,3...0,4 при прокатке деформированных полос.

4. Уточнена математическая модель определения энергосиловых параметров прокатки тонких стальных полос для обеспечения достижения заданного комплекса физических и механических свойств готовой продукции путем ограничения суммарной степени деформации в зависимости от величины значений коэрцитивной силы.

Практическая ценность и реализация работы

- в условиях ОАО «Щелмет» разработана и внедрена технология производства тонких стальных обезуглероженных полос с заданными свойствами (патент РФ № 2223334) и лент для ламелей щелочных аккумуляторов, разработана технологическая инструкция ТИ 14-114-42-1062002 на их производство;

- разработаны и внедрены в производство технологические режимы обезуглероживающего отжига ТИ 14-114-08-2007, (патент РФ № 2223333), что позволило существенно снизить значения коэрцитивной силы и остаточного содержания углерода (почти в 3 раза) в полосе из стали марок типа 08Ю при регламентированном содержании азота;

- разработан новый способ подготовки к эксплуатации рабочих валков (патент РФ №2228809), заключающийся в оригинальной методике нанесения микрошероховатости на поверхность валков для дальнейшего переноса ее на полосы с получением заданных параметров. Способ апробирован и внедрен в массовое производство (ТИ 14-114-17-2007);

- определены на основе уточненной математической модели расчета энергосиловых параметров и внедрены в производство режимы обжатий холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов и полос для магнитных экранов различного назначения;

математическая модель расчета энергосиловых параметров использована при разработке временной технологической инструкции для режимов прокатки части сортамента полос из электротехнических сталей при подготовке к запуску одноклетьевого реверсивного стана «1400» ОАО «НЛМК».

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Установленные зависимости между степенью деформации тонких стальных обезуглероженных полос, величиной коэрцитивной при силы различной температуре отжига;

2. Режимы переноса микрошероховатости с рабочих валков стана «кварто» 800 на тонкие стальные обезуглероженные полосы при прокатке для получения заданных параметров поверхности готовой продукции;

3. Технология производства тонких стальных полос для магнитных экранов различного назначения и лент для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов.

Апробация работы

Основные положения работы были представлены на международных научно-технических конференциях: «II Международный конгресс прокатчиков», Днепропетровск, 2002 год, обсуждены на научных семинарах ИМЕТ им. А.К. Байкова РАН, ОАО «Щелмет», ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина».

Публикации

По материалам работы опубликовано 6 печатных работ в 5 изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получено 3 Патента РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав с выводами, библиографического списка из 102 наименований, основных выводов и 4 приложений. Включает 149 страниц текста, 19 рисунков и 14 таблиц.

Автор выражает благодарность за консультации и полезные замечания д.т.н. А.И.Трайно.

1 АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К КОМПЛЕКСУ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНЫХ ПОЛОС, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 ТРЕБОВАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ К КАЧЕСТВУ ДЛЯ ЛЕНТ И ПОЛОС С ЗАДАННЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ И МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ, ТРЕБОВАНИЯ ПО ПОВЕРХНОСТИ

Спектр плоской продукции, производимой в предельно малых толщинах, холодной пластической деформацией обширен.

К холоднокатаным тонким полосам можно отнести следующие виды металлопродукции:

- лента стальная холоднокатаная из низкоуглеродистой стали для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов по ТУ 14-4-1058-80;

- стальная лента по ГОСТ 503-81, толщиной менее 150 мкм;

- полосы со специальными физическими свойствами для производства магнитных экранов, толщинами от 100 до 150 мкм;

- лента стальная холоднокатаная для бронирования кабелей по ГОСТ 3559-75, толщинами от 100 до 150 мкм;

- лента стальная холоднокатаная из углеродистой стали по ГОСТ 228479, толщинами от 100 до 140 мкм;

- лента стальная холоднокатаная из низкоуглеродистой стали для вычислительной техники по ГОСТ 2283-79;

- лента холоднокатаная из пружинной стали по ГОСТ 21996-76;

- лента стальная плющеная из коррозионностойкой и жаропрочной стали по ГОСТ 4985-79;

- лента стальная электротехническая холоднокатаная анизатропная по ГОСТ 21427.4-70:

- лента из прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом термического расширения по ГОСТ 14080-78 и др.

В данной диссертационной работе особое внимание уделено разработке технологии производства и освоении ленты стальной холоднокатаной из низкоуглеродистой стали со специальными физическими свойствами и состоянию поверхности для ламелей аккумуляторов, толщиной 100 мкм и полосы для магнитных экранов толщинами 100... 150 мкм для различных Потребителей в условиях ОАО «Щелмет».

1.1.1 Лента стальная холоднокатаная из низкоуглеродистой стали для ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов

Получила широкое применение при производстве щелочных аккумуляторов. Спектр их использования представлен достаточно широко от аккумуляторов тепловозов, военной техники до использования в щелочных бытовых батарейках. Применяемая лента предназначена для изготовления ламелей электродных пластин щелочных аккумуляторов, изготавливают из стали марки 08 (кп, пс) по ГОСТ 1050. Лента поставляется в рулонах толщиной 0,1 мм и шириной 10, 12, 21, 25, 35 мм.

Основные критерии качества при использовании ленты это способность перфорироваться при проколе отверстий диаметром до 1,8 мм и деформироваться при закручивании замка ламели. Этот факт накладывает достаточно серьезные требования не только по геометрии полос, жесткими требованиями по механическим свойствам, в том числе и по числу перегибов, но особые требования по состоянию поверхности, в частности параметрам микрошероховатости, а именно Иа.

В таблице 1.1 приведены основные требования к ленте повышенного и обыкновенного качества