автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование, разработка и внедрение технологии производства высокопрочного арматурного проката из феррито-перлитных сталей

На правах рукописи

ЗИНКЕВИЧ МАКСИМ БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО АРМАТУРНОГО ПРОКАТА ИЗ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.05 - "Обработка металлов давлением"

Г'! 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005061008

Москва - 2013

005061008

Работа выполнена в Национальном исследовательском технологическом университете "МИСиС" на кафедре "Пластическая деформация специальных сплавов" (ПДСС).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Трусов Виталий Алексеевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Тулупов Олег Николаевич

кандидат технических наук, заместитель генерального директора по научно-производственной деятельности ГНЦ ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина" Галкин Михаил Петрович

ОАО АХК ВНИИМЕТМАШ им. академика А.И. Целикова

Защита состоится 19 июня 2013 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.132.09 при Национальном исследовательском технологическом университете "МИСиС" по адресу: 119049, Москва, Ленинский проспект, д.4, ауд. Б-607.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета "МИСиС".

Автореферат разослан " мая 2013 г.

Справки по телефону: (495) 955 01 27, электронной почте: pdss@misis.ru Ученый секретарь

диссертационного совета Ионов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие производства сортового проката в настоящее время идет в направлении повышения показателей качества металлопродукции, увеличения производительности, совершенствования технологии с возможностью замены легированных и низколегированных сталей на экономнолегированные или углеродистые. Современный подход к увеличению производительности, снижению энергетических затрат и получению высокопрочного состояния мелкосортных профилей заключается во внедрении и развитии технологии многониточной прокатки при реализации "слитгинг-процесса" с последующей термической обработкой в потоке стана.

Совершенствование технологии необходимо выполнять на основе математических моделей, отражающих основные закономерности исследуемых явлений, позволяющих прогнозировать эффективность производства, микроструктуру, механические свойства, форму и точность размеров мелкосортного проката. Разработка математической модели чаще всего осуществляется на базе статистических и экспериментальных исследований по изучению влияния деформационно-скоростных, температурно-временных параметров процесса прокатки и последеформационного охлаждения на структуру и механические свойства профилей.

Цель работы и задачи исследования

Цель работы заключается в научно обоснованном совершенствовании технологии производства высокопрочного арматурного проката из феррито-перлитных сталей с заданными показателями качества.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики и проведение статистических и экспериментальных исследований по влиянию технологических параметров процесса горячей деформации и ускоренного охлаждения на показатели качества мелкосортных профилей.

2. Установление закономерности уширения металла при создании методики расчета деформационного режима многоручьевой прокатки с целью получения заданной точности мелкосортных профилей.

3. Разработка математической модели расчета и компьютерной системы проектирования технологических процессов горячей одно- и многониточной прокатки, последеформационного ускоренного охлаждения, структурообразования и формирования механических свойств мелкосортных профилей.

4. Совершенствование технологии прокатки и разработка новой конструкции установки последеформационного ускоренного охлаждения в потоке стана для производства высокопрочных свариваемых арматурных профилей из феррито-перлитных сталей.

3

Научная новизна работы

1. Установлены закономерности формирования зеренной структуры металла при горячей прокатке арматурных профилей в зависимости от величины степени, скорости и температуры деформации.

2. Выявлена закономерность поперечного течения металла, учитывающая форму очага деформации с помощью безразмерных параметров и особенности технологического процесса многоручьевой прокатки.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определять технологические параметры процесса горячей сортовой прокатки и охлаждения феррито-перлитной стали, включающая расчет параметров микроструктуры и механических свойств, отличающаяся высоким уровнем приближения результатов расчета к требуемому комплексу показателей качества арматурных профилей.

4. Создана и реализована методика расчета технологических режимов производства сортового проката с заданными показателями качества в режиме высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) с распадом горячедеформированного аустенита, характеризующаяся возможностью корректировки деформационно-скоростных, температурно-временных параметров горячей прокатки и последеформационного охлаждения профилей в режиме "онлайн".

5. На базе экспериментальных и теоретических исследований установлены основные закономерности влияния деформационно-скоростных, температурно-временных режимов горячей прокатки и последеформационного ускоренного интенсивного охлаждения на повышенный комплекс механических свойств арматурных профилей.

Практическая значимость работы

1. На основе разработанной математической модели создана компьютерная система проектирования технологических процессов одно- и многониточной горячей прокатки и последеформационного охлаждения, позволяющая рассчитать технологические режимы производства высокопрочного арматурного проката в условиях полунепрерывного стана 350/250 АО "Лиепаяс Металургс" (Латвия, г. Лиепая).

2. Впервые разработана, сконструирована, создана и реализована на стане 350/250 установка ускоренного охлаждения сортовых профилей с использованием хладагента с высокими относительными скоростями движения при прохождении проката, что позволяет повысить интенсивность охлаждения за счет поступательно-вращательного движения жидкости. Это позволяет расширить диапазон получаемых высоких механических свойств для широкого круга профилей или стабилизировать их от плавки к плавке (патент на полезную модель № 122047 (РФ), В21В 43/10 от 20.11.2012).

3. Разработаны и внедрены в производство новые технологические схемы получения высокопрочных профилей №12, №14, №16 класса А500С, А600С для армирования железобетонных конструкций в условиях полунепрерывного стана 350/250 АО "Лиепаяс Металургс" из углеродистой свариваемой стали СтЗсп, отвечающие требованиям ГОСТ Р 52544-2006, СТО АСЧМ 7-93, DIN 488-2009.

4. По разработанной технологии произведено 277 тыс. тонн высокопрочных арматурных профилей №12, №14 и №16, отвечающих требованиям классов А500С и А600С по СТО АСЧМ 7-93. Снижение себестоимости готовой продукции за счет увеличения средней часовой производительности стана на -37 % и уменьшения условно-переменных затрат составляет 0,94 лат/т (1 лат= 57,4713 руб. по курсу ЦБ Латвии).

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований находят отражение при чтении лекций, проведении практических и семинарских занятий по курсам "Энергосберегающая технология в процессах ОМД", "Совмещенные процессы в производстве проката", "Проектирование технологических процессов ОМД и управление качеством продукции", а также в КНИР и курсовом проектировании.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты статистических и экспериментальных исследований процесса формирования показателей качества мелкосортного арматурного проката из углеродистой и низколегированной стали с феррито-перлитной структурой.

2. Математическая модель и, разработанная на ее основе, компьютерная система проектирования технологических процессов производства мелкосортных профилей с заданной структурой и уровнем механических свойств.

3. Оригинальная установка термического упрочнения сортового проката с поступательно-вращательным принципом движения хладагента.

4. Технологические схемы получения периодических профилей для армирования железобетонных конструкций с высоким комплексом механических свойств класса А500С, А600С из свариваемой углеродистой стали в условиях АО "Лиепаяс Металургс".

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждались на следующих конференциях: 65-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции: - Москва, 2010; VIII международный конгресс прокатчиков: - Магнитогорск, 2010; XI International Scientific Conference "New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering": -Czestochowa, 2010; 66-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции: - Москва, 2011; Международная научно-техническая конференция "Современные металлические материалы и технологии": - Санкт-

5

Петербург, 2011; Международная научно-техническая конференция "Инновационные технологии обработки металлов давлением", посвященная 100-летию со дня рождения проф. д.т.н., академика АН КазССР П.И. Полухина: - Москва, 2011; XII International Scientific Conference "New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering": -Czestochowa, 2011; Международная научно-техническая конференция "Научно-технический прогресс в металлургии": - Темиртау, 2011; 67-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции: — Москва, 2012; XIII International Scientific Conference "New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering": - Czestochowa, 2012; II Международная научно-техническая конференция "Машины и пластическая деформация металлов": - Запорожье, 2012.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций, и в 1 патенте на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, 60 рисунков, 54 таблиц, 4 приложений, изложена на 170 страницах; библиографический список содержит 109 наименований источников российских и зарубежных изданий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении дано обоснование актуальности темы, отражена цель, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены требования российских и зарубежных стандартов к показателям качества сортовых профилей. Проведен анализ работ, посвященных влиянию легирования стали и изменения технологических параметров процесса одно- и многониточной прокатки с последующим охлаждением на эффективность производства, формирование показателей качества свариваемых арматурных профилей по точности размеров и механическим свойствам. Проанализированы особенности структурообразования и формирования прочностных и пластических свойств сортового проката при высокотемпературной термомеханической обработке. Сделаны выводы о современном состоянии вопроса исследования, сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведена методика экспериментальных исследований по влиянию технологических параметров прокатки и ускоренного охлаждения на показатели качества сортовых профилей из свариваемых углеродистых и низколегированных сталей, которые в своей основе образуют марочный сортамент станов 350 и 350/250 АО "Лиепаяс Металургс", включающие оценку точности размеров, структуры и механических свойств. В качестве основного объекта статистического анализа и экспериментальных исследований выбраны фер-

6

рито-перлитные стали марки 10Г2, СтЗГпс, СтЗсп, 25Г2С и 35ГС с углеродным эквивалентом, в соответствии с ГОСТ Р 52544-2006, не превышающим верхний предел в 0,50 %. Оценено комплексное влияние концентрации с нижней до верхней границы следующих химических элементов - углерода, марганца, кремния в стали в пределах марочного и температуры окончания ускоренного охлаждения на механические свойства мелкосортных профилей.

Определение влияния ускоренного охлаждения на структуру и механические свойства проката проводили на специально разработанном, спроектированном и реализованном устройстве путем поочередного сравнения интенсивности охлаждения арматурных профилей, где движение воды в камере охлаждения осуществляется поступательно-вращательным способом (рисунок 1). Интенсивность охлаждения оценивали посредством измерения глубины мартенситного слоя поверхности проката после электроконтактного нагрева штанг и последующего термического упрочнения, в зависимости от времени охлаждения в устройстве и температуры окончания ускоренного охлаждения. Варьирование скоростью движения проката осуществляется изменением скорости подачи арматурных профилей трайб-аппаратом.

Испытания проката на статическое растяжение, по три образца на режим, выполнены на универсальных машинах по методике, приведенной в ГОСТ 1497-84 по различным схемам нагружения. Информация, полученная в результате экспериментальных исследований, подвергалась статистической обработке.

с. п (С о у в

Рисунок 1 - Схема камеры охлаждения проходного типа с принудительным вращением

охладителя

В третьей главе приведена впервые разработанная математическая модель процесса горячей сортовой одно- и многониточной прокатки с последующим последеформационным охлаждением. С использованием регрессионного анализа получена зависимость для определения величины уширения (Р) при разработке деформационного режима горячей прокатки, описывающая форму очага деформации с помощью безразмерных параметров и учитывающая особенности многоручьевого процесса:

I = 0,910-[

АКК у

Л у

К

Ьд„

чН/

Аи0 | ' Аи„ I

где ho/hi - коэффициент обжатия по дну калибра; h(/D - относительный диаметр валков; Ао-площадь поперечного сечения подката; Ак- площадь поперечного сечения калибра без учета зазора между валками; Ик и Ьк- высота без учета зазора между валками и ширина калибра; Ъь/Ьо - простор на уширение; ho/bo - отношение осевых размеров, задаваемой в калибр полосы; Ino, Ьдо, Ипо - ширина перемычки и дна, осевая высота перемычки, задаваемой в калибр полосы; 1пю Ьдк, 1т,. - ширина перемычки и дна, осевая высота перемычки калибра. Химический состав прокатываемой стали должен соответствовать следующим значениям: С < 0,28 %; Мп = 0,4-0,8 %; Si = 0,15-0,30 %.

Все типы калибров объединены в две группы: первого (рисунок 2-а, в) — границы которых описываются линейными функциями и второго порядка (рисунок 2-6, г) - с границами, определяемыми линейными и квадратичными функциями. Как показывает уравнение (1), для определения величины уширения металла, при известных (ho, bo) и варьируемых компьютерной системой (s, bk, bd, In, hn, геометрической высоте и ширине (кмн и Ьмн)), неизвестным остается только площадь поперечного сечения калибра (АК = J f(x)dx). Остальные па-

раметры, входящие в равенство (1), изменяются компьютерной системой от минимального до максимального, с определенным шагом, исходя из ограничений.

/).У

f 1 ^ 1

V 1 X

м ы

а)

Рисунок 2 - Калибры одноручьевые: а - первого; б - второго порядка и двухручьевые: в -первого; г - второго порядка (Дх — корень квадратичного уравнения, описывающего границу

калибра)

По найденной величине уширения (у?) находится ширина раската после деформации в калибрах (6/ =Ьо~ Р) и притупление металла (т!).

Температурное поле, как в очаге деформации, так и в межклетевом промежутке находится, при решении нестационарной задачи теплопроводности методом контрольного объема. Численное решение представляет собой набор значений температуры (7) по сечению ме-

талла, приведенном на рисунке 3-а, в каждой узловой точке объема (рисунок З-б), где ц -плотность теплового потока; с - теплоемкость металла; р - плотность стали; к - коэффициент теплопроводности металла. к„ и ¡гср - коэффициент теплоотдачи валкам и окружающей среде; Те и Тср - температура валков и окружающей среды.

с в 1+М

pcjj | —ЛсШу =рсАуАх\Т'р -Т" \ где верхние индексы 1 и 0 означают новые (неизвестные) и старые (заданные) соответственно значения температуры в узле Р (рисунок 3—б).

5Хз бХв

дТ д (, дТ\ рс = к дI дх{ дх Уі

8 ,дГ + \к ЗН ду

■ч = К{т-т,)

ч = КР{т-тА

С дх

5 с I

3 3 Р ю В

и

ю

а) б)

Рисунок 3 - Дискретная область с граничными условиями (а) и контрольный объем (область, ограниченная пунктирной линией) (б)

Рассматривая полностью неявную схему, предполагается, что ^ТРЛ = ТРА1, тогда

, ЦдхУ д*) Фч &)

Ак{Тс-Т1) кю{П-Гю) I ягс 5¥п

ДУ +

\АХ

ДЛ

Двумерный дискретный аналог записывается в следующем виде:

арТр = авТв +а3Т3+ асТс + аюТю + Ь,

кАУ кАУ кАХ кАХ

где а„ =-;а, =-;аг --;аю =-;

в ЗУ ЗХ с ЗУ ю ЗУ

р р, р ы

ар = ав + а3 + ас + аю + а°р; АІ - временной интервал.

В ходе технологического процесса обработки металлов теплообмен между поверхностью проката и окружающей средой значительно изменяется. Коэффициент теплоотдачи И (Вт/м2-К) в камере с поступательно-вращательным движением воды в устройствах ускоренного охлаждения движущегося проката, определяется из следующего выражения:

\2

У.

V а»р /

V а

. пращ" к ,

у2 І ^вращ^пр I _у

где кв, у„ - теплопроводность (Вт/м-К) и кинематическая вязкость воды (м2/с), отнесенные к средней температуре воды в камере охлаждения; уиас - кинематическая вязкость воды (м2/с) в пограничном слое с металлом, отнесенная к температуре насыщения при среднем давлении воды по длине камеры; с1„р, с!К - диаметр проката (м) и камеры охлаждения (м); У„пст — скорость поступательного движения охладителя (м/с); Увртц — скорость вращательного движения охладителя (рад/с); У„р - скорость прокатки (м/с).

При определении структурных составляющих, непосредственно во время прокатки, учитывается процесс динамической, после деформации - статической рекристаллизации и роста зерна до начала фазового превращения вследствие охлаждения.

В четвертой главе показаны результаты экспериментальных исследований и разработанная компьютерная система проектирования технологических процессов одно- и многониточной горячей прокатки и последеформационного охлаждения, позволяющая проектировать новые и выявлять резервы совершенствования действующих технологий производства арматурных профилей с заданными показателями качества.

При определении точности разработанного метода расчета деформационного режима при горячей сортовой многониточной прокатке осуществлена проверка сходимости Д, приведенная в таблице 1, расчетных значений ширины раската в компьютерной системе с результатами, полученными путем горячей прокатки профилей различных диаметров из углеродистой стали марки СтЗсп из подката квадратной формы поперечного сечения.

Таблица 1 — Результаты сравнения расчетной (Ь[ расч.) и полученной экспериментальным путем (Ь[ эксп.) ширины раската при прокатке в двухручьевых калибрах

Ьо, мм Ьо, мм Ьь мм Ьк, мм Ьк, мм ЬдО, мм Ьпо, мм 1п0, ММ Ьдк, ММ Ьпк, ММ 1пк» ММ Р ь, расч., ММ Ь1 эксп., мм А, %

Калибр с ручьями ящичной формы

11 11 10 9 12,4 11 10 5,5 9,9 6 5,7 1,288 14,2 13,3 6,8

10 13,3 9,8 8,8 13,8 9,9 6 5,7 7 2 7 1,345 17,9 17,0 5,3

Калиб р с ручьями круглой формы

25 25 17,8 14,8 37 24 23 8 18,2 8 18,2 1,262 31,6 33,8 6,5

17,8 33,8 17,2 16 39,6 18,2 8 18,2 20,3 1,2 20,3 1,023 34,6 37,1 6,7

22,4 22,4 15 12 31,1 22,4 21,4 7,5 15,5 7,5 15,5 1,269 28,4 29,2 2,7

15 29,2 14,7 13,5 33,8 15,5 7,5 15,5 17,4 1,2 17,4 1,019 29,8 31,8 6,3

Примечание: Ьо и Ьо - высота и ширина исходной заготовки; Ь| и Ьк- высота раската после прохода и калибра без учета межвалкового зазора; Ьк - ширина калибра; Ьдк, Ьдо - ширина дна калибра и исходной заготовки; Ьпо, Ьпк - высота перемычки исходной заготовки и калибра; 1„о, 1„к - ширина перемычки исходной заготовки и калибра; Р - коэффициент уширения,

жсп. - 6, расч.\

найденный по уравнению (1); Ь) расч. = Ьо ■ Р; Д = ----100%

Ь1 жсп.

Как свидетельствуют данные таблицы 1, ошибка результатов расчета деформационного режима при прокатке в двухручьевых калибрах находится в пределах 3-7 %.

Анализ структурного состояния углеродистой стали СтЗсп свидетельствует, что, в отличие от скорости деформации, температурные условия прокатки являются одним из основных определяющих факторов ВТМО в достижении требуемого уровня свойств, при неизменном деформационном режиме. Результаты исследования по влиянию технологических параметров прокатки на размер зерна аустенита приведены на рисунке 4.

| 60 Е 55 « 50 I 45 ? 40

1-35

Я 30 25

£20 1 15 я 10

0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 Степень деформации

5 6 7 8 9 10 И Скорость прокатки, м/с

900 950 1000105011001150 Температура прокатки, °С

Рисунок 4 - Влияние технологических параметров горячей прокатки на размер зерна аустенита

Исследования показали, что значение в процессах структурообразования имеет знание и контролирование температурных условий прокатки и охлаждения.

Согласно рисунку 5-а, требования класса прочности А-П по ГОСТ 5781-82 горячекатаных арматурных профилей при содержании углерода - 0,22 % в стали гарантированно достигаются при концентрации марганца не менее 0,65 % и кремния — 0,35 %.

а) б) в)

Рисунок 5 - Влияние химического состава на механические свойства профилей: — а„ - - - ат, — б5; а - 0,22% С; б - 0,30% С; в - 0,37% С; 1 - 0,35% Бі; 2 - 0,55% Бі;

З - 0,75% 8і

При увеличении количества углерода в стали до 0,30 %, что соответствует нижнему пределу для ограниченно свариваемой стали 35ГС, и концентрации марганца и кремния не

менее 1 % и 0,35 % соответственно, обеспечиваются требования класса прочности А-Ш (рисунок 5-6), равно как и при использовании стали 25Г2С. Получения высокопрочного состояния А-1У по ГОСТ 5781-82 путем легирование стали 35ГС, содержащей 0,37 % углерода, марганцем и кремнием является недостаточным (рисунок 5-в).

Экономически наиболее рациональным способом достижения высокопрочного состояния стали является производство периодических профилей с наименьшей долей легирующих элементов из углеродистых сталей при ускоренном охлаждении проката в потоке стана. В работе проведено исследование по влиянию температуры окончания ускоренного охлаждения арматурного проката из углеродистой и низколегированной стали различных, в пределах ГОСТ 380-2005 химических композиций, профилей диаметром от 8 до 16 мм на изменение предела текучести (сто.г), временного сопротивления разрыву (ав) и относительного удлинения (8;) при температуре окончания деформации 1000 °С. Ускоренное охлаждение проводили до 610-650 °С. После достижения указанной температуры металл охлаждался на воздухе. Результаты исследования приведены на рисунке 6.

■ о0,2 □ ов а 55

Рисунок 6 - Влияние углерода (С), марганца (Мп), кремния (Б1) и температуры окончания ускоренного охлаждения (I) на механические свойства профилей различного диаметра (0)

Как показывают исследования, для производства арматурных профилей класса прочности А500С достаточно использовать углеродистую сталь СтЗсп, с соблюдением температурного режима окончания ускоренного охлаждения в 650 "С. Для получения высокопрочного арматурного проката класса А600С с сохранением повышенной пластичности 85 равной 14 %, отвечающей требованиям класса А500С по СТО АСЧМ 7-93, достаточно, при производстве термоупрочненных арматурных профилей, использовать сталь марки 25Г2С по ГОСТ 5781-82 с соблюдением температурного режима окончания ускоренного охлаждения в 610 °С, для профилей размером от 12 до 16 мм.

В данной работе приведены рассчитанные с помощью компьютерной системы различные режимы охлаждения арматурных профилей диаметром 16 мм из углеродистой стали СтЗсп. Исходные данные и результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Исходные данные и результаты расчета параметров микроструктуры и механических свойств

Технологический режим I 1 II 1 III

Исходные данные Прокатываемый материал СтЗсп

Диаметр готового профиля, мм 16

Температура нагрева металла, °С 1100

Температура окончания деформации, °С 1000

Температура окончания ускоренного охлаждения, °С 610 560 510

Результаты расчета Диаметр зерна аустенита, мкм 25,3 25,3 25,3

Доля феррита, % 71,7 64,9 61,0

Диаметр зерна феррита, мкм 4,4 4,3 3,9

Доля перлита, % 28,3 35,1 39,0

Межпластиночное расстояние феррито-карбидной смеси, мкм 0,22 0,20 0,14

Доля мартенсита от всего количества структурных составляющих, % 35,1 37,1 42,0

Временное сопротивление разрыву, Н/мм2 701 739 810

Предел текучести, Н/мм2 581 613 702

Относительное удлинение 85, % 18,4 15,9 13,9

Установлено, что понижение температуры окончания ускоренного охлаждения до 560 °С приводит к повышению прочностных свойств, но требования класса прочности А600С по СТО АСЧМ 7-93 к временному сопротивлению не достигаются. Дальнейшее снижение температуры окончания охлаждения до 510 °С приводит к изменению пластических свойств арматурного проката до 13,9 % - неудовлетворяющих требованиям класса А500С.

Проведенные экспериментальные исследования влияния деформационных, скоростных и температурных параметров ВТМО позволили установить закономерности формирования структуры и механических свойств углеродистой стали СтЗсп. Оценка влияния параметров ВТМО позволила определить технологические параметры и направление их изменения, наиболее существенно влияющие на структуру и механические свойства. Проверка корректности результатов расчета процессов горячей одно- и многониточной прокатки и последе-формационного охлаждения показала, что математическая модель в пределах допустимой ошибки 10 % адаптирована к реальным технологическим процессам.

В пятой главе приведены результаты опытно-промышленного исследования внедрения технологий, разработанных с помощью компьютерной системы, на основе математической модели, в условиях комбинированного полунепрерывного прокатного стана 350/250. Рассчитаны деформационно-скоростные и температурно-временные параметры прокатки периодических профилей №12, №14 и №16. На рисунке 7, в качестве примера, приведена калибровка валков для производства арматурного профиля №12.

Рисунок 7 - Калибровка валков для прокатки-разделения арматурного профиля диаметром 12 мм (в круге указан номер клети) из подката

квадратного сечения 66х66 мм

В отличие от действующей технологии, применение процесса многоручьевой прокатки-разделения позволяет сократить число проходов на 2 (без клетей №4 и №7). Деформационный, скоростной, температурный режим и энергосиловые параметры прокатки арматурных профилей №12 из стали марки СтЗсп на стане 350/250 с продольным делением раската приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Деформационный, скоростной, температурный режим и энергосиловые параметры прокатки арматурного профиля №12 из стали СтЗсп

№ п Но Во Ро н, в, Г, 5 т„р Ц а. Пв о. Р М„, Грм N.

мм мм мм2 мм мм мм2 ММ "С м/с ° мин! Н/мм1 кН кНм кВт

2 / 66,0 66,0 4270,0 37,0 82,0 2884,0 9,0 1000 0,79 1,481 22 38 110,8 1Ы,Ь 56,04 3,97 219

3 / 82,0 37,0 2884,0 44,0 51,0 2015,0 8,0 1001 1,14 1,431 25 55 117,2 515,4 41,99 3,16 238

5 1 44,0 51,0 2015,0 23,0 68,0 1390,0 7,0 997 1,65 1,450 18 76 131,3 704,1 43,50 2,02 341

6 1 68,0 23,0 1390,0 38,0 34,0 944,0 8,0 996 2,42 1,472 22 114 133,7 329,9 21,70 1,00 255

8 1 34,0 38,0 944,0 18,0 46,0 695,0 6,0 981 3,29 1,358 16 151 153,6 528,9 27,85 1,00 433

9 1 46,0 18,0 695,0 26,7 26,0 423,0 3.2 980 5,41 1,643 18 251 159,9 255,3 12,40 1,00 320

10 1 21,8 21,8 423,0 15,0 30,0 362,0 3,0 985 6,32 1,169 10 290 151,2 199,4 6,70 1,00 200

11 1 15,0 30,0 362,0 14,7 32,0 347,0 1,0 982 6,60 1,043 2 303 65,2 17,6 0,14 1,00 4

12 2 14,7 15,5 173,0 9,9 19,0 153,0 2,3 971 7,46 1,131 II 529 172,8 206,9 4,73 1,00 257

13 2 19,0 9,9 153,0 12,0 12,0 113,0 1,5 973 10,10 1,354 13 722 183,9 162,8 4,39 1,00 325

Примечание: № - номер клети; п - число одновременно прокатываемых ниток; Но, Во, I'о и Н], В|, Р| — высота, ширина, площадь раската до и после прохода соответственно; э — межвалковый зазор; Тпр и упр - средняя по сечению температура и скорость прокатки; ц - коэффициент вытяжки; а3 - угол захвата металла валками; п„ - число оборотов валков; о5 - сопротивление металла деформации; Р и Млр - усилие и момент прокатки; г|ред - передаточное число редуктора; Ыдв — мощность, развиваемая двигателем

Отклонение фактических размеров раската от рассчитанной калибровки валков для прокатки арматурных периодических профилей №12 не превышает допустимого значения в 7 %. В частности, высота и ширина профилей после продольного деления в клети 11 отличается от размеров проката, получаемых по действующей на стане схеме производства на 4 %.

Как свидетельствуют гистограммы, приведенные на рисунке 8, отражающие распределение коэффициентов вытяжек и углов захвата металла валками по проходам равномерно, как при действующей за 12 проходов, так и при разработанной технологии производства арматурного проката №12 за 10 проходов. Данные, приведенные на рисунке 9, указывают, что усилие и мощность, развиваемая двигателем, при прокатке арматурных профилей №12 по разработанной технологии, снижены и распределены равномерно.

П Действующая ■ Разработанная

X 1.8

К

5 1.6 г 1.4

я

ё 1.2

я

5 1.0

ІМІЙ

ь-

1к

I

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Номер клети

□ Действующая ■ Разработанная

§ 30

5 25

Й 20

2 15

2 10

л с

м 5

X п

л О

НШЙ

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Номер клети

а) б)

Рисунок 8 — Сравнение коэффициентов вытяжек (а) и углов захвата (б) при прокатке арматурных профилей №12 по действующей и разработанной технологии

15

5 1 500

5 1 250

н 1 000

о 750

о. 500

о

0

>>

□ Действующая ■ Разработанная

□ Действующая ■ Разработанная

I £ 600

§ В 500

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Номер клети

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Номер клети

а) б)

Рисунок 9 - Сравнение усилий (а) и мощности, развиваемой двигателем (б) при прокатке арматурных профилей №12 по действующей и разработанной технологии

Проведены статистические исследования по наличию поверхностных и внутренних дефектов на прокатанных профилях. По результатам проверки 700 тонн продукции (7-ми плавок) дефектов не обнаружено.

Исследования структуры поверхностного слоя проката (рисунок 10-а), термически упрочненного с температуры 950 "С с применением технологии принудительного вращения охладителя в устройстве и при поступательном движении воды в установке показали, что критические скорости охлаждения достигнуты на глубине на 0,26 мм (22 %) большей при винтовом движении охладителя.

2.0

3

2 1.5

Р § 0-5 0.0

ю

з I

0.5 0.6 0.7 0.8 Время охлаждения, с

■ Поступательное □ Поступательно-вращательное

700

0.5 0.6 0.7 0.8 Время охлаждения, с

■ Поступательное □ Поступательно-вращательное

а)

б)

Рисунок 10 - Сравнительный анализ предела текучести (а) и глубины закаленного поверхностного слоя (б) образцов 0 16 мм из стали марки СтЗсп

При поступательно-вращательном движении воды отклонения глубины мартенситного слоя от среднего значения на 0,027 мм (12 %) меньше, чем при поступательном движении воды.

Как показывают результаты исследования, приведенные на рисунке 10-6, при ускоренном охлаждении сортового проката с применением технологии принудительного вращения воды в устройстве термоупрочнения, происходит существенное повышение предела текучести проката, вплоть до требуемого классом А600С по СТО АСЧМ 7-93, при незначительном снижении пластических свойств. Указанный уровень прочности арматурных профи-

16

лей из углеродистой стали СтЗсп удалось достичь при использовании уникального прямоточного устройства проходного типа для охлаждения движущегося проката водой с принудительным вращением охладителя внутри камеры. Это приводит к интенсификации отвода тепла от поверхности движущегося проката.

Исследованиями установлено, что на интервале температур от 490 до 610 °С и скорости охлаждения от 460 до 510 °С/с пластические свойства сортовых профилей диаметром до 16 мм из стали СтЗсп соответствуют требованию класса прочности А600С по СТО АСЧМ 793. По результатам испытаний на растяжение построены зависимости, отражающие влияние температурно-временных параметров ускоренного охлаждения проката до 650 °С и ниже на комплекс прочностных свойств. Кривые 1 и 2, приведенные на рисунке 11, отражают влияние скорости и температуры окончания ускоренного охлаждения на предел текучести и временное сопротивление проката.

Временное сопротивление, Н ым-560 620 680 740 S00

Предел текучести К. мм:

---изменение предела текучести;

-изменение временного сопротивления.

Рисунок 11 - Влияние ускоренного охлаждения на структуру и механические свойства арматурного проката диаметром до 16 мм из углеродистой стали: 1 - температура окончания ускоренного охлаждения, °С; 2 - скорость охлаждения, °С/с

Установлено, что достичь, требуемых классом прочности А600С по СТО АСЧМ 7-93 значений предела текучести (аод), возможно в диапазоне температур окончания термического упрочнения от 470 до 560 °С. Скорость охлаждения должна быть не ниже критической для закалки стали марки СтЗсп на мартенсит. Кривые 2 показывают, что минимальная скорость охлаждения составляет 410 °С/с. Установлено, что достижение высоких значений временного сопротивления разрыву (ств) возможно при соблюдении температурного режима от 470 до 520 °С при скорости охлаждения от 410 до 460 °С/с.

Данные, приведенные на рисунке 11 свидетельствуют, что диапазоны изменений скорости и температуры окончания ускоренного охлаждения для достижения значений а„>740Н/мм2 (Д2,4) оказались более узкими, по сравнению с возможностью варьирования температурно-временными параметрами термического упрочнения проката с ао.г > 600 Н/мм2 (Д],з). Поэтому ускоренное охлаждение профилей следует вести с температуры 950 до 520 °С со скоростью 460 °С/с.

В таблице 4 отражено сравнение механических свойств и количества перлита и феррита в структуре арматурных профилей диаметром 12 мм, произведенных по действующей и предложенной технологии.

Таблица 4 - Сравнение механических свойств и количества структурных составляющих арматурных профилей №12, произведенных по действующей и предложенной технологии

Технология Феррит+карбид / феррит, % Предел текучести (ао.г), Н/мм2 Временное сопротивление (ав), Н/мм2 Относительное удлинение (85), %

Действующая 20/80 558 627 1,12 21,3

Предложенная 40/60 687 769 1,12 19,0

Из таблицы 4 видно, что содержание феррито-карбидной смеси в структуре профилей, произведенных по предложенной технологии, в 2 раза выше, чем при действующей, и как следствие, получен на 20 % более высокий комплекс прочностных свойств проката.

Как показывают данные, приведенные на рисунке 12, при указанном выше темпера-турно-временном режиме охлаждения арматурных профилей с температуры 950 "С из углеродистой стали СтЗсп, происходит промежуточное превращение аустенита в бейнит. Это оказывает положительное воздействие на повышение прочностных свойств проката без значительного снижения пластических.

При охлаждении арматурных профилей из углеродистой стали СтЗсп с температуры 1000 °С (рисунок 12, желтая и красная сплошные стрелки) и при сохранении времени охлаждения раската постоянным, центр проката (рисунок 12, красная штриховая стрелка) достигает температуры 550-600 °С, при которой, в зависимости от содержания углерода, промежуточного превращения практически не происходит.

При увеличении времени охлаждения с целью снижения до оптимальной, с точки зрения протекания промежуточного бейнитного превращения, температуры сердцевинной части арматурных профилей в 500-550 °С, бейнитное превращение протекает на протяжении короткого промежутка времени (рисунок 12, желтая штриховая стрелка).

При интенсивном отводе тепла от поверхности раската за короткий промежуток времени, центральная часть профиля (рисунок 12, синяя штриховая стрелка) по предложенной технологии достигает оптимальной температуры в 500-550 °С с большим и значительным запасом времени на превращение аустенита в бейнит.

18

Рисунок 12 - Различные режимы ускоренного охлаждения арматурных профилей из стали

СтЗсп:

1 - центр раската, охлаждение с 950 °С; 2 — поверхность, охлаждение с 950 °С; 3 — центр, охлаждение с 1000 °С; 4 - поверхность, охлаждение с 1000 °С

Как показывают результаты расчета режимов ускоренного охлаждения с температуры 950 °С (рисунок 12, синяя сплошная стрелка) в камере с принудительным вращением хладагента арматурного проката диаметром 16 мм из стали СтЗсп до температуры 520 °С, приведенные в таблице 5, уровень механических свойств профилей удовлетворяет требованиям класса прочности А600С по СТО АСЧМ 7-93 (технологический режим I).

Таблица 5 - Исходные данные и результаты расчета параметров микроструктуры и механических свойств

Технологический режим I 1 II

Исходные данные Прокатываемый материал СтЗсп

Диаметр готового профиля, мм 16

Температура нагрева металла, °С 1000

Температура окончания деформации, °С 950

Температура окончания ускоренного охлаждения, °С 520 490

Результаты расчета Диаметр зерна аустенита, мкм 23,0 23,0

Доля феррита, % 67,8 64,9

Диаметр зерна феррита, мкм 3,7 3,7

Доля перлита, % 32,2 35,1

Межпластиночное расстояние феррито-карбидной смеси, мкм 0,19 0,16

Доля мартенсита от всего количества структурных составляющих, % 40,0 42,9

Временное сопротивление разрыву, Н/мм2 772 816

Предел текучести, Н/мм2 660 708

Относительное удлинение 85, % 17,6 14,1

Дальнейшее понижение температуры окончания ускоренного охлаждения до 490 °С приводит к повышению, за счет мартенситного превращения, временного сопротивления до 816 Н/мм2, предела текучести до 708 Н/мм2 при сохранении относительного удлинения 85 на уровне требований класса прочности А500С в 14 % (технологический режим II).

Таким образом, разработаны режимы ТМО, обеспечивающие повышение комплекса прочностных свойств на 15-30 % (00,2 > 600 Н/мм2, ав > 740 Н/мм2) при достаточном уровне пластичности (85 > 14%), гарантированно удовлетворяющих требованиям российских и европейских стандартов.

По разработанной технологии прокатано 93,7 тыс. тонн профиля №12; 79,5 тыс. тонн №14 и 103,5 тыс. тонн №16. Снижение себестоимости готовой продукции при производстве высокопрочных периодических профилей №16 из стали СтЗсп за счет увеличения часовой производительности стана на 36,6 % составляет 2,23 лат/т. Себестоимость производства арматурного проката №12 и №14 также снижена на 0,19 лат/т за счет уменьшения условно-переменных затрат.

Выводы

1. Разработана методика, выполнены статистические и экспериментальные исследования путем варьирования технологическими параметрами процесса прокатки и охлаждения в широких пределах в лабораторных и промышленных условиях. В результате, определены факторы, наиболее существенно влияющие на точность размеров, структуру и уровень механических свойств сортовых профилей из феррито-перлитных сталей.

2. Установлена закономерность поперечного течения металла, учитывающая форму очага деформации и особенности технологического процесса многоручьевой прокатки, позволяющая рассчитывать уширение с предельным отклонением размеров до 7 % от экспериментально полученных значений.

3. Разработана математическая модель горячей одно- и многониточной прокатки и охлаждения, включающая расчет показателей микроструктуры и механических свойств мелкосортных профилей. Создана и реализована в компьютерной системе методика расчета технологических режимов производства сортового проката с заданными показателями качества, характеризующаяся возможностью корректировки деформационно-скоростных, температур-но-временных параметров горячей прокатки и последеформационного охлаждения сортовых профилей в режиме "онлайн".

4. Создана оригинальная установка ускоренного охлаждения арматурных профилей с поступательно-вращательным движением охладителя, позволяющая изменять скорость и температуру окончания охлаждения в широких пределах, и получать более однородное по длине прутка распределение температуры металла (патент на полезную модель № 122047 (РФ), В21В 43/10 от 20.11.2012).

5. Усовершенствована технология и внедрены новые технологические схемы производства периодических профилей для армирования железобетонных конструкций диаметром от 12 до 16 мм с высоким комплексом механических свойств из углеродистой стали СтЗсп, согласно требованиям ГОСТ Р 52544-2006, СТО АСЧМ 7-93 и DIN 488-2009 на полунепрерывном стане 350/250 АО "Лиепаяс Металургс".

6. Срок окупаемости (6 месяцев) свидетельствует о высокой экономической эффективности разработанной технологии производства высокопрочных арматурных профилей №12, №14, №16, отвечающих требованиям классов А500С, А600С по СТО АСЧМ 7-93. Суммарный годовой экономический эффект составляет 177 тыс. лат, вследствие снижения себестоимости готовой продукции на 0,94 лат/т.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Экспериментальное исследование влияния технологических параметров горячей прокатки на структурообразование углеродистых сталей. / В.А. Трусов, М.Б. Зинкевич, И.В. Смарыгина, А.В. Зиновьев. // Труды восьмого конгресса прокатчиков, Магнитогорск, 2010. -с. 431-436.

2. Experimental researches of the technology of high-tensile re-bar profiles production with the set complex of mechanical properties. / V.A. Trusov, M.B. Zinkevich and others // XI International Scientific Conference "New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering", Czestochowa, 2010. - p. 99-105.

3. Badania eksperymentalne nad technologia produkcji wysoko wytrzymalych pretow о zmiennym przekroju ze stali niskoweglowej dla konstrukcji zelbetonowych. / V.A. Trusov, M.B. Zinkevich, H. Dyja, A. Kawalek. // Hutnik. Wiadomosci Hutnicze. - 2011. - №5. - p. 433-436.

4. Трусов B.A., Зинкевич М.Б. Разработка метода расчета деформационного режима при сортовой прокатке. // Сборник докладов Международной научно-технической конференции "Инновационные технологии обработки металлов давлением". - М.: Изд. Дом МИ-СиС, 2011. - с. 325-333.

5. Trusov V.A., Zinkevich М.В., Zinoviev A.V. Theoretical and an experimental research of the re-bar profiles cooling with forced rotation of a coolant. // XII International Scientific Conference "New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering", Czestochowa, 2011.-p. 366-372.

6. Исследование влияния параметров горячей прокатки на формирование структуры низкоуглеродистых марок сталей. / В.А. Трусов, А.В. Зиновьев, И.В. Смарыгина, М.Б. Зинкевич. // Труды VI Международной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в металлургии", Темиртау, 2011. - с. 287—292.

7. Трусов В.А., Зинкевич М.Б. Исследование технологии производства периодических профилей для железобетонных конструкций из низкоуглеродистой стали по различным клас-

21

сам прочности. // Труды VI Международной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в металлургии", Темиртау, 2011. - с. 298-304.

8. Трусов В.А., Зинкевич М.Б. Разработка метода расчета деформационного режима при сортовой прокатке. // Производство проката. - 2012. - №2. - с.7-11.

9. Трусов В.А., Зинкевич М. Б. Ускоренное охлаждение сортового проката с принудительным вращением охладителя. // Черные металлы. — 2012. — №7. - с.10-14.

10. Trusov V.A., Zinkevich М.В. Development of the method of a multi-strand rolling deformation mode calculation. // XIII International Scientific Conference "New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering", Czestochowa, 2012. - p. 537-545.

11. Трусов В.А., Зинкевич М.Б., Новожилов И.С. Метод расчета температурного режима при сортовой прокатке // Известия вузов. Черная металлургия. - 2012. — № 7. — с. 38-41.

12. Патент на полезную модель № 122047 (РФ), В21В 43/10 Установка ускоренного охлаждения сортового проката / В.А. Трусов, М.Б. Зинкевич, И.С. Новожилов // Б.И. 2012. №32.

Заказ № 136-р/05/2013 Подписано в печать 08.05.2013 Тираж 120 экз. Усл. п.л. 1

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таіі:zak@cfr.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ "МИСиС"

УДК 621.771.25./.26:669.1 На правах рукописи

04201357369

ЗИНКЕВИЧ МАКСИМ БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГ ИИ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО АРМАТУРНОГО ПРОКАТА ИЗ

ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.05 - "Обработка металлов давлением"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: проф., д.т.н. Трусов В.А,

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................6

1 УПРАВЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ПРОИЗВОДСТВА И ПОКАЗАТЕЛЯМИ КАЧЕСТВА СОРТОВОГО ПРОКАТА...........................................9

1.1 Влияние технологических параметров процесса прокатки на формирование требуемых показателей качества сортовых профилей по геометрическим размерам. 9

1.1.1 Требования российских и зарубежных стандартов к показателям качества сортовых профилей по точности........................................................................9

1.1.2 Влияние технологических параметров на эффективность производства и формирование показателей качества сортового проката по размерам профилей... 11

1.2 Повышение показателей качества мелкосортных свариваемых профилей по механическим свойствам и коррозионной стойкости...................................................22

1.2.1 Влияние легирования стали на свариваемость мелкосортных профилей, коррозионную стойкость и изменение механических свойств....................................23

1.2.2 Свойства мелкосортного проката, термически упрочненного с отдельного и прокатного нагрева....................................................................................28

1.2.3 Применение термомеханической обработки проката для повышения показателей качества мелкосортных периодических профилей..................................29

1.3 Влияние параметров термомеханической обработки на формирование требуемых показателей качества сортового проката по структуре и механическим свойствам............................................................................................................................32

1.3.1 Требования российских и зарубежных стандартов к показателям качества сортовых профилей по механическим свойствам..........................................32

1.3.2 Формирование структуры и механических свойств мелкосортного проката при изменении параметров термомеханической обработки..........................35

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.................39

ИНК Н^Е Ш ^НШ III

2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВЛИЯНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТКИ И УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СОРТОВЫХ ПРОФИЛЕЙ.........................................................................41

2.1 Выбор материалов для исследования.................................................................46

2.2 Проведение металлографических исследований структуры и механических свойств................................................................................................................................46

2.3 Изучение влияния технологических параметров горячей прокатки на формирование размеров профилей..................................................................................48

2.4 Методика исследования влияния температуры и времени нагрева на величину зерна в структуре углеродистой стали...........................................................49

2.5 Исследование по влиянию ускоренного охлаждения на формирование структуры и механических свойств сортовых профилей..............................................50

2.6 Обработка полученных результатов исследований..........................................51

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..................................................................................................53

3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГОРЯЧЕЙ СОРТОВОЙ ПРОКАТКИ, ОХЛАЖДЕНИЯ, СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ....................................................55

3.1 Моделирование процессов деформации в одноручьевых калибрах................55

3.2 Моделирование процессов деформации в многоручьевых калибрах.............61

3.3 Определение скоростных и временных параметров процесса прокатки........70

3.4 Температурная модель горячей сортовой прокатки..........................................71

3.4.1 Двумерная задача теплопроводности.......................................................72

3.4.2 Граничные условия.....................................................................................75

3.4.3 Решение линейных алгебраических уравнений.......................................77

3.4.4 Температурное поле металла в очаге деформации при прокатке..........79

3.4.5 Определение коэффициентов теплопроводности, теплоемкости и теплоотдачи металла при различных температурных условиях..................................81

3.4.6 Инженерная методика расчета температуры металла............................83

3.5 Определение энергосиловых параметров процесса прокатки мелкосортных профилей............................................................................................................................84

3.5.1 Энергосиловые параметры при одноручьевой прокатке........................84

3.5.2 Особенности определения энергосиловых параметров при многоручьевой прокатке...................................................................................................85

3.6 Проектирование деформационного режима прокатки с целью получения мелкосортных профилей с заданной точностью размеров...........................................89

3.7 Формирование структуры и механических свойств мелкосортного проката из углеродистой и низколегированной стали......................................................................90

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..................................................................................................96

4 КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ СОРТОВЫХ ПРОФИЛЕЙ С ЗАДАННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ КАЧЕСТВА......................................................................................98

4.1 Особенности компьютерной системы проектирования технологических процессов одно- и многониточной горячей прокатки и последеформационного охлаждения в потоке стана...............................................................................................98

4.2 Изменения в структуре углеродистой стали после нагрева и выдержки в методической печи..........................................................................................................100

4.3 Исследование по формированию точности размеров сортового проката и проверка компьютерной системы..................................................................................101

4.4 Повышение показателей качества сортовых профилей по механическим свойствам путем легирования стали.............................................................................104

4.5 Влияние деформационно-скоростного и температурно-временного режима горячей прокатки на структуру мелкосортных профилей и проверка компьютерной системы.............................................................................................................................106

4.6 Исследование по влиянию ускоренного охлаждения на механические свойства арматурных профилей из углеродистой и низколегированной стали и проверка компьютерной системы..................................................................................113

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ................................................................................................118

5 ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО МЕЛСОРТНОГО ПРОКАТА С ПРОДОЛЬНЫМ ДЕЛЕНИЕМ РАСКАТА В ПОТОКЕ СТАНА............................................................................................................120

5.1 Действующая технология производства периодических профилей на стане 350/250 АО "Лиепаяс Металургс".................................................................................120

5.2 Реализация и внедрение технологии производства высокопрочного арматурного проката с продольным делением раската в потоке стана 350/250....... 129

5.3 Экономическая эффективность от реализации технологии производства высокопрочного арматурного проката с продольным делением раската в потоке стана 350/250....................................................................................................................146

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ................................................................................................147

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..................................................................................148

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................................150

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................................................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 4........................................................................................................168

И ЯШН ■ ■ I III

■ I ■■

ВВЕДЕНИЕ

Развитие производства сортового, в частности арматурного, проката в настоящее время идет в направлении повышения показателей качества металлопродукции, увеличения производительности, совершенствования технологии с возможностью замены легированных и низколегированных сталей на экономнолегированные или углеродистые /1/.

Современный подход к увеличению производительности, снижению энергетических затрат и получению высокопрочного состояния мелкосортных профилей заключается во внедрении и развитии технологии многониточной прокатки при реализации "слиттинг-процесса" с последующей термической обработкой в потоке стана.

Совершенствование технологии необходимо выполнять на основе математических моделей, отражающих основные закономерности исследуемых явлений, позволяющих прогнозировать эффективность производства, микроструктуру, механические свойства, форму и точность размеров мелкосортного проката / 2/.

Разработка математической модели чаще всего осуществляется на базе статистических и экспериментальных исследований по изучению влияния деформационно-скоростных, температурно-временных параметров процесса прокатки и последе-формационного охлаждения на структуру и механические свойства профилей / 3/.

Целью диссертационной работы является научно обоснованное совершенствование технологии производства высокопрочного арматурного проката из фер-рито-перлитных сталей с заданными показателями качества.

Научная новизна работы.

1. Установлены закономерности формирования зеренной структуры металла при горячей прокатке арматурных профилей в зависимости от величины степени, скорости и температуры деформации.

2. Выявлена закономерность поперечного течения металла, учитывающая форму очага деформации с помощью безразмерных параметров и особенности технологического процесса многоручьевой прокатки.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определять технологические параметры процесса горячей сортовой прокатки и охлаждения феррито-перлитной стали, включающая расчет параметров микроструктуры и механических свойств, отличающаяся высоким уровнем приближения результатов расчета к требуемому комплексу показателей качества арматурных профилей.

4. Создана и реализована методика расчета технологических режимов производства сортового проката с заданными показателями качества в режиме высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) с распадом горячедеформи-рованного аустенита, характеризующаяся возможностью корректировки деформационно-скоростных, температурно-временных параметров горячей прокатки и поел едеформационного охлаждения профилей в режиме "онлайн".

5. На базе экспериментальных и теоретических исследований установлены основные закономерности влияния деформационно-скоростных, температурно-временных режимов горячей прокатки и последеформационного ускоренного интенсивного охлаждения на повышенный комплекс механических свойств арматурных профилей.

Практическая ценность работы.

1. На основе разработанной математической модели создана компьютерная система проектирования технологических процессов одно- и многониточной горячей прокатки и последеформационного охлаждения, позволяющая рассчитать технологические режимы производства высокопрочного арматурного проката в условиях полунепрерывного стана 350/250 АО "Лиепаяс Металургс" (Латвия, г. Лиепая).

. 2. Впервые разработана, сконструирована, создана и реализована на стане 350/250 установка ускоренного охлаждения сортовых профилей с использованием хладагента с высокими относительными скоростями движения при прохождении проката, что позволяет повысить интенсивность охлаждения за счет поступательно-вращательного движения жидкости. Это позволяет расширить диапазон получаемых высоких механических свойств для широкого круга профилей или стабилизировать их от плавки к плавке (патент на полезную модель № 122047 (РФ), В21В 43/10 от 20.11.2012).

3. Разработаны и внедрены в производство новые технологические схемы получения высокопрочных профилей №12, №14, №16 класса А500С, А600С для армирования железобетонных конструкций в условиях полунепрерывного стана 350/250 АО "Лиепаяс Металургс" из углеродистой свариваемой стали СтЗсп, отвечающие требованиям ГОСТ Р 52544-2006, СТО АСЧМ 7-93, DIN 488-2009.

4. По разработанной технологии произведено 277 тыс. тонн высокопрочных арматурных профилей №12, №14 и №16, отвечающих требованиям классов А500С и А600С по СТО АСЧМ 7-93. Снижение себестоимости готовой продукции за счет увеличения средней часовой производительности стана на ~37 % и уменьшения условно-переменных затрат составляет 0,94 лат/т (1 лат = 57,4713 руб. по курсу ЦБ Латвии). Акт внедрения и экономический эффект от реализации технологии приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 1 и 2 соответственно.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований находят отражение при чтении лекций, проведении практических и семинарских занятий по курсам "Энергосберегающая технология в процессах ОМД", "Совмещенные процессы в производстве проката", "Проектирование технологических процессов ОМД и управление качеством продукции", а также в КНИР и курсовом проектировании. Акт об использовании в учебном процессе материалов диссертации приведен в ПРИЛОЖЕНИИ 3.

1 УПРАВЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ПРОИЗВОДСТВА И ПОКАЗАТЕЛЯМИ КАЧЕСТВА СОРТОВОГО ПРОКАТА

Аналитическое исследование влияния технологических параметров процесса горячей одно- и многониточной прокатки и последеформационного ускоренного охлаждения на производительность и показатели качества мелкосортного проката проведено с целью определения факторов наиболее влияющих на эффективность производства, точность размеров, структуру и механические свойства профилей из углеродистой и низколегированной стали феррито-перлитного класса.

1.1 Влияние технологических параметров процесса прокатки на формирование требуемых показателей качества сортовых профилей по геометрическим размерам

1.1.1 Требования российских и зарубежных стандартов к показателям качества сортовых профилей по точности

Одной из трудностей при переходе на производство мелкосортного металлопроката с высоким комплексом механических свойств из углеродистых сталей является соблюдение точности размеров профилей при изменении технологических параметров процесса и производительности стана.

Основные требования к качеству мелкосортного проката, в частности к форме профиля и точности размеров, регламентируются стандартами или другими нормативно-техническими документами. Во многих зарубежных стандартах применяют симметричное расположение полей допусков, в отличие от российского ГОСТ 25902006 "Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый", где плюсовой допуск составляет 40 %, а минусовой - 60 %, вследствие производства круглых профилей с экономией металла / 4/. Сопоставление допусков на размеры профилей круглого сечения в ряде стран приведено в таблице 1 / 5/. Как свидетельствуют данные, требования к точности размеров практически одинаковы во всех странах, за исключением США, где допускаемые отклонения от номинальных размеров проката в 2-3 раза ниже, чем в России, Японии и Китае.

Таблица 1 - Допускаемые отклонения от номинальных размеров поперечного сечения круглых прутков по различным стандартам____

Россия ГОСТ 2590-2006 Германия США АБТМ А29/А29М-2004 ОВ] Китай . 499-2007 Япония ЛБ в 4051-2005

0, мм поле допуска при точности 1013-76 БШ 59130-71 0, мм поле допуска 0, мм поле допуска 0, мм поле допуска

высокой повышенной обычной 0, мм поле допуска 0, мм поле допуска

5-9 0,3 0,7 0,8 8-15 0,8 7,811,75 0,3 ДО 7,9 0,26 6 0,6 13 0,8

1019 0,4 0,6 16-25 1,0 12,521,7 0,4 8-11 0,30 818 0,8 14 и более (3%)

2025 0,5 0,7 0,9 26-35 1,2 22,329,6 . 0,5 >11-16 0,36 2025 1,0

2648 0,7 0,9 1,1 36,050,0 1,6 31,538,5 0,6 >16-22 0,4 2836 1,2 — —

Установлено, что на отклонение размеров профилей от номинальных влияет целый ряд технологических и конструктивных факторов. Марка прокатываемой стали, температура раската и рабочих валков, жесткость клетей, единичная степень и скорость деформации, межклетевое натяжение, износ калибров и число одновременно прокатываемых ниток.

1.1.2 Влияние технологических параметров на эффективность производства и формирование показателей качества сортового проката по размерам профилей

Переход на различные виды мелкосортного металлопроката с заданными показателями качества из углеродистых сталей вызывает изменение производительности стана в зависимости от размера прокатываемого профиля. Так при неизменной скорости прокатки эффективность производства будет тем ниже, чем меньшее количества металла проходит через очаг деформации в единицу времени.

Повышение производительности мелкосортных станов достигается путем сокращения длительности пауз, повышением скор�