автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка новых способов и совершенствование технологии прокатки листовой стали

На правах рукописи

* РГЯ ол

2 2 ДЕК нп

ЛОСКУТОВ Дмитрий Рудольфович

РАЗРАБОТКА НОВЫХ СПОСОБОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОКАТКИ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ

специальность 05.16.05. "Обработка металлов давлением"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 2000

Работа выполнена в Сибирском государственном индустриальном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Громов В.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Евстифеев В.В.; кандидат технических наук, доцент Кадыков В.Н.

Ведущее предприятие: ОАО «Западно-Сибирский металлурги-

ческий комбинат»

Защита состоится в 10 часов «2/0» декабря 2000 года на заседании диссертационного совета Д063.99.02 в Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г.Новокузнецк, Кемеровской области, ул. Кирова, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного индустриального университета.

Автореферат разослан « 9 » ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук., профессор

Киселева Т.В.

К621.5,21,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стальной лист в общем сортаменте проката занимает одно из первых мест и технология его изготовления достаточно сложна.

Листовой прокат относится к наиболее экономичным видам металлопродукции. Листы различных видов широко используются в тяжелом, транспортном и сельскохозяйственном машиностроении, в судостроении, котлостроении и других отраслях народного хозяйства.

В отечественной промышленности доля листовой продукции в общей массе проката постоянно увеличивается. Одновременно с повышением роста производства листового проката перед металлургами поставлена задача дальнейшего и значительного улучшения качества полученной продукции по таким основным дефектам как неточность размеров, волнистость, коробоватость, поверхностные дефекты, неудовлетворительные механические свойства, большая разнотолщшшость по ширине и длине листа.

Технология прокатки толсто- и среднелистовой стали определяется многими факторами, такими как химический состав и технологические особенности стали, уровень механических свойств, размеры прокатываемых листов и т. д. В зависимости от этих условий устанавливается режим нагрева металла для прокатки, величина обжатий, количество проходов, температура конца прокатки и режим термообработки.

Использование листового проката для ответственных несущих и ре-зервуарных конструкций предъявляет повышенные требования к прочностным показателям листовой стали и требует во многих случаях их контроля непосредственно на готовой продукции, для чего неприменимы традиционные методики определения прочности и пластичности. В этой связи возникает проблема создания простых и надежных методик неразрушаю-щего определения упомянутых характеристик.

Для корректного определения значения силовых параметров при прокатке необходимо знание поля тензора напряжений, обусловленного реальной кинематикой течения металла в очаге деформации. Значения компонент тензора напряжений на контакте позволяют получать все силовые характеристики процесса.

Проблема увеличения производства, совершенствование технологии

улучшение качества продукции, снижение материальных затрат при производстве листового проката является комплексной и должна решаться на научной основе, с учетом конкретных особенностей производства и вида металлопродукции. Эти задачи являются актуальными и могут быть успешно решены при разработке и практическом освоении новых технологических способов прокатки листового металла, определении оптимальных режимов и рациональных способов нагрева, анализе оценки напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, разработке и обосновании методики определения прочностпых характеристик листового проката неразрушающим способом.

Цель работы: Совершенствование технологии прокатки толстолистовой стали. При реализации этой цели были решены следующие задачи:

1. Оценка напряженного состояния в очаге деформации при прокатке с учетом несимметричного тензора напряжений.

2. Выполнено моделирование процесса прокатки в лабораторных условиях для определения сопротивления деформации и пластичности сталей.

3. Рассчитаны оптимальные режимы обжатий и выполнена оценка крутящего момента и нормального усилия на валках, обусловленных реальной кинематикой течения металла в очаге деформации.

4. Установлен характер влияния основных факторов прокатного производства (схемы прокатки, степени обжатий на последнем пропуске, температуры нагрева заготовок и конца прокатки) на физико-механические свойства низколегированной стали 10Г2С1.

5. Разработаны и внедрены новые способы прокатки сляб и листового металла и способы прокатки листовой стали в клети трио Лаута с переменным сечением валков.

6. Обоснована и разработана методика определения прочностных, характеристик листового проката с помощью измерения скорости распространения ультразвука и проверена ее применимость.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

I. Впервые получены распределения компонент тензора напряжений, обусловленного моделью течения металла, адекватной реальному процессу. Нормальное давление на валок и касательные к его поверхности напряжения определяются по тензору напряжений без каких-либо предположений о законе трения.

2. Выполнено моделирование процесса прокатки.методом горячего кручения и определены характеристики пластичности и сопротивления деформации.

3. Рассчитаны оптимальные режимы обжатий по методике, учитывающей энергосиловые возможности стана и условия захвата, и установлены зависимости физико-механических свойств от основных факторов листопрокатного производства.

4. Впервые предложена достаточно точная и надежная методика определения ударной вязкости, предела прочности и предела текучести с помощью измерения скорости распространения ультразвука.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований

усовершенствованы технология прокатки листовой стали и контроль ее

качества. При этом выполнены следующие работы:

1. Оптимизированы режимы обжатий и способов нагрева и прокатки толстых листов стали 10Г2С1.

2. Предложены и внедрены эффективные способы прокатки сляб и листового металла.

3. Предложены новые способы прокатки листовой стали в валках с переменным сечением

4. Разработана методика неразруншощего контроля механических свойств, которую можно применить непосредственно в цеховых условиях. С ее помощью можно организовать 100 %-й контроль механических характеристик листового проката.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы

составил свыше 0,57 млрд. рублей в ценах 1997 года.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка и внедрение 3-х новых способов производства сляб и листового металла.

2. Экспериментальные результаты моделирования процесса прокатки методом горячего кручения.

3. Оптимальные режимы обжатий и зависимости физико-механических свойств проката от основных факторов прокатного производства.

4. Результаты оценки поля напряжений в очаге деформации и силовых параметров процесса прокатки (нормальное давление и крутящий момент).

5. Методика неразрушшощего контроля показателей механических свойств листового проката, основанная на установлении корреляции между показателями прочности и пластичности и скоростью распространения ультразвука.

6. Новые способы прокатки листовой стали в клети трио Лаута с переменным сечением валков

Достоверность результатов и правомерность сделанных выводов обеспечиваются обоснованностью методов обработки металлов давлением, современного физического материаловедения, теории пластичности и сопоставлением полученных результатов с известными экспериментальными и теоретическими данными других авторов, использованием статистических методов обработки результатов экспериментов, практическим внедрением в производство.

Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, совершенствовании технологии прокатки листовой стали и контроля ее качества, разработке новых способов прокатки, анализе полученных результатов, проведении промышленных испытаний, внедрении результатов в производство.

Апробация работы. Основные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на технических советах : ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат» (1987-1997 г.г.); Межгосударственной научно-технической конференции «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века» 14-17.05.96 г., г.Мапштогорск; Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» 24-28.06.96 г., г.Тамбов; Международной научно-технической конференции «Структурная перестройка металлургии: экономика, экономия управления, технология» 22-25.10.96 г.Новокузнецк; У-й Международной конференции «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» 3-7.02.97 г., г.Новокузнецк; Международной конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» 27-28.05.97 г.Санкт-Петербург; Международной конференции «Всесибирские чтения по математике и механике» 17- 20.06.97, г.Томск; научно-технической конференции «Физика и техника ультразвука», посвященной 100-летию профессора С.Я. Соколова, 9-11.05.97 г.Санкт-Петербург; Международной научно-технической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» 16-19.09.1997 г., г.Новокузнецк; 1-ом Международном

семинаре «Актуальные проблемы прочности» 15-18.11.97г., г.Новгород; Международном конгрессе прокатчиков 27-30.10.97 г., г.Череповец; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века. 9-12.10.2000 г., г.Новокузнецк.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 25 публикациях, в том числе 9 статьях, 1 авторском свидетельстве и 2 патентах на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 142 листах, содержит 24 рисунка, 18 таблиц. Список используемой литературы состоит из 116 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведено обоснование актуальности совершенствования и разработки новых эффективных способов прокатки листовой стали и контроля ее качества. Определен круг вопросов, обусловивших цели настоящего исследования, сформулированы конкретные задачи диссертационной работы, отмечена научная новизна и практическая значимость.

В первой главе, являющейся литературным обзором, проведен анализ существующих технологий горячей прокатки листовой стали. Особое внимание обращено на влияние технологических факторов на свойства и качество готового продукта, отмечена важная роль способов прокатки в технологии производства толстых листов, проанализированы неразру-шающие методы исследования свойств металлов и сплавов.

Во второй теоретической главе для оценки напряженного состояния в очаге деформации при прокатке и значений силовых характеристик (крутящего момента и усилия, действующего на валок) поставлена и решена задача плоской деформации для уравнений равновесия в дивергентной форме с использованием несимметрического тензора напряжений. При этом использован полуобратный метод определения кинематики материала, который принят идеальным жесткопластическим. Полученная геометрия деформирования позволила построить поля скоростей, тензора скоростей деформации и показать существование вихревого движения, выраженного в поверхностных слоях полосы. Наличие элементов вихревого движения является обоснованием применения несимметричного тензора

напряжений. Антисимметричная часть последнего сопряжена с. распределением плотности локального момента пар. Замкнутость системы уравнений, описывающих кинематику локально несжимаемого материала и напряжения в нем, позволила получить приближенное решение; компоненты тензоров напряжений находятся с точностью до трех постоянных, значения последних зависят от условий натяжения - подпора полосы и положения нейтрали на валке. Полевой характер решения задачи дал возможность найти распределение вектора напряжений вдоль дуги контакта полоса - валок, благодаря которому получены выражения нормального и касательного к контактной поверхности напряжений без каких-либо предположений о коэффициенте трения, силе трения. В силу этого значения крутящего момента и усилия, действующего на валок, рассчитанные по предлагаемой схеме, представляются более обоснованными.

Температурозависящим параметром модели процесса с многократными пропусками через основную клеть служит предел текучести идеального жесткопластического материала.

В третьей главе описана методика и результаты лабораторного моделирования процесса прокатки и определения работоспособности станин прокатных станов поляризационно-оптическим методом и ультразвуковой дефектоскопией.

Моделирование процесса прокатки осуществлено методом горячего кручения на специально созданной установке с блоком программного управления на сталях 08X13, 12X13, 20X13, 12Х18Н10Г, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, 10Х17ШЗМЗТ.

Анализ полученных зависимостей пластичности от величины деформации за цикл у и длительности пауз, показал, что имеется возможность увеличения у без превышения ресурса пластичности и повышения сопротивления деформации.

На черновой и чистовой клетях толстолистового стана методом электротензометрии были проведены замеры усилий прокатки целого массива листового проката марочного сортамента цеха. На основании осциллограмм усилий прокатки, геометрических размеров полосы и обжатий рассчитаны действительные удельные усилия прокатки.

Результаты прочностных расчетов, лабораторных и промышленных исследований дали возможность рассчитать оптимальные режимы обжатий по методике, предусматривающей полное использование энергосило-

вых возможностей стана с учетом условий захвата, при заданных паспортных данных стана, размерах заготовки и готового листа, а также знаниях величины сопротивления деформации металла в каждом пропуске.

Уточнение режимов обжатий на основании проведенных исследований дало возможность во многих случаях сократить число пропусков за счет увеличения обжатий за пропуск, что позволило повысить производительность листопрокатного стана Кузнецкого металлургического комбината.

В четвертой главе установлен и проанализирован характер влияния основных факторов прокатного производства (схема прокатки, степень обжатия на последнем пропуске, температура нагрева заготовок и конца прокатки) на физико-механические свойства.

Результаты механических испытаний образцов семи опытных плавок стали 10Г2С1 с различными температурами конца прокатки показывают, что для листов толщиной 12-20 мм изменение температуры конца прокатки в пределах 800 - 1000 °С мало сказывается на пределе текучести, прочности и относительном удлинении.

Понижение температуры конца прокатки значительное влияние оказывает на ударную вязкость при температурах -20 °С, - 40 °С и после механического старения. При 890 - 950 °С получаются очень низкие значения ударной вязкости при температурах испытания - 40 °С, а после механического старения средние значения не превышают 0,16 МДж/м2. При температурах конца прокатки 800 - 880°С количество значений, удовлетворяющих ГОСТ 19281-89, достигает почти 100 %. Начиная с температуры 960 °С и до 990 °С происходит некоторое возрастание значений ударной вязкости. При этих температурах конца прокатки средние значения ударной вязкости, удовлетворяющие ГОСТ 19281-89, составляют: при - 40 °С - 87,5 %, а после механического старения - 37,5 %. Наиболее удовлетворительные механические свойства листов толщиной 12-20 мм получаются при температурах прокатки 800 - 880 °С и при 960 - 990 °С.

Важнейшим технологическим фактором, влияющим на механические свойства металлопроката, является схема прокатки. Часть листов 7 опытных плавок листа из стали 10Г2С1 прокатывали вдоль оси сляба, часть - поперек.

Проведенные опыты показывают, что при всех температурах конца прокатки средние значения ударной вязкости при поперечной схеме про-

катки выше, чем при продольной.

В результате медленного охлаждения снижаются на 10-20 МПа пределы текучести и прочности, наблюдаются выпады по пределу текучести. Если после индивидуального охлаждения предел текучести удовлетворяет значениям ГОСТ 19281-89, то при охлаждении в штабелях только 83,0 - 87,5 % значений удовлетворяют ГОСТ. Значения ударной вязкости при всех температурах испытания выше при охлаждении в штабелях, чем при индивидуальном охлаждении. Эти значения выше при подстуживании раската до температур конца прокатки 800 - 880 °С..

В пятой главе, являющейся основной, представлены разработки по усовершенствованию технологии прокатки толстых листов, включающие новые способы прокатки сляб на блюминге и листов в листопрокатном цехе, а также изложены новые способы прокатки листовой стали в валках с переменным сечением в клети трио Лаута.

Сущность первого из представленных способов заключается в том, что при прокатке сляб на блюминге одну из широких граней слябов формируют с радиусом закругления углов в 3-4 раза больше радиуса другой широкой грани. При нагреве таких сляб в методических печах листопрокатного цеха, широкую грань с большим радиусом закругления углов ориентируют в сторону более нагреваемой плоскости, что при прокатке, особенно при разбивке ширины листа, предотвращает переход боковых граней слябов на поверхность раската с образованием дефектов в виде трещин и закатов. Такой эффект обеспечивается за счет полной компенсации неравномерности деформаций верхней и нижней плоскостей слябов и позволяет увеличить выход годного за счет уменьшения припусков на обрезы боковых кромок.

Следующий способ разработан для прокатки сляб из уширенных книзу слитков. Новизна этого способа заключается в том, что при прокатке слябов из уширенных книзу слитков кипящей и полуспокойной стали при поочередной задаче слитка в валки головной и донной частью, прокатку по широкой грани (на плашку) в пределах обжатий, равных конусности слитка по обжимаемой плоскости, осуществляют со стороны большого основания слитка к малому, применяя максимально возможные обжатия, а при прокатке со стороны малого основания к большому - минимально возможные обжатия. Первые проходы в ребровом калибре производятся после обжатия слитка до 0,6 - 0,7 исходной толщины слитка, повторная прокатка

в ребровом калибре осуществляется при толщине раската равной величины 0,4 - 0,45 исходной толщины слитка. Ребровые проходы осуществляются с равенством обжатий в четных и нечетных проходах. Этот способ улучшает форму конца раската и уменьшает величину обрези со стороны большого основания корпусного слитка за счет улучшения сплошности конца раската.

Экономический эффект от использования нового способа прокатки слябов из уширенных книзу слитков составил 100 млн. рублей ( в ценах 1996 г.).

Третий способ разработан для прокатки полос с целью повышения технологического процесса прокатки листов на листопрокатном стане за счет снижения контактного давления металла на валки. Оригинальность этого способа заключается в том, что прокатку осуществляют в валках, один из которых (или оба валка) имеет участки в виде плоских граней, а обжатие заготовки в каждый момент времени осущестляется между одной из плоских граней одного валка и участком цилиндрической поверхности другого валка.

Периодическое взаимодействие в очаге деформации плоских граней со стороны одного валка и цилиндрических участков рабочей поверхности противоположного валка обеспечивает вибрационный режим обжатия раската валками. При этом периодически изменяется величина абсолютного обжатия и величина окружных скоростей валков на выходе раската из валков. Периодическое изменение окружных скоростей валков вызывает периодические деформации сдвига верхних слоев раската относительно нижних. Величина сдвиговых деформаций определяется углом сдвига у верхних слоев относительно нижних. Чем больше величина сдвиговых деформаций вдоль оси прокатки,, тем выше степень разгрузки очага деформации и меньше контактное давление металла на рабочие валки. Определен диапазон допустимых соотношений для угловых скоростей вращения валков, обеспечивающий осуществление периодического процесса по предлагаемому способу:

где и'г - угловые скорости вращения соответственно верхнего и нижнего рабочих валков; с1/, - катающие диаметры по цилиндрическим

6?] м>2 й?2

ь. ¿2

участкам бочек рабочих валков; 1п\, /ц2 — длины дуг цилиндрических участков по периметру окружностей бочек рабочих валков; /Г], /г2 — длины плоских граней в поперечном сечении бочек валков, взаимодействующих с цилиндрическими участками на рабочей поверхности противодействующего валка в контактной зоне очага деформации (рис.1).

Способ позволяет без существенных капитальных затрат и без сложного виброоборудования обеспечивать принудительную вибрационную прокатку на обычных действующих прокатных станах с достаточно высокой эффективностью, повышающей производительность прокатного оборудования.

Способы быстрого воздействия на профиль прокатной щели путем осевого смещения рабочих валков специальной, так называемой «бутылочной» или Б -образной формы (способы СУС), ранее не использовались на станах оборудованных клетями трио Лаута. На основе проведенных производственных исследований разработаны два способа прокатки листовой стали в клети трио Лаута, включающих применение валков переменного сечения с осевой и радиальной регулировкой. Сущность этих способов заключается в том, что прокатка в нижнем и верхнем горизонтах клети осуществляется на перекошенных в вертикальной плоскости верхнем и нижнем валках с противоизгибом полосы по пропускам за счет профили-

а)

б)

Рис.1. Схема процесса прокатки

а) Период равенства окружных скоростей на выходе из валков;

б) Период достижения рассогласования окружных скоростей.

рования всех трех валков.

По первому способу профилирование валков выполнено цилиндрическими по краям прокатываемой полосы, и коническими, в средней части, участками, с противоположным направлением конусности на приводных валках относительно неприводного. Причем, конусность на неприводном (среднем) валке двойная, а на приводных (верхнем и нижнем) одинарная. Двойная конусность среднего валка позволяет за счет уменьшения конусности по участкам следующих по очередности работы средних валков решать вопросы компенсации выработки приводных валков и способствовать устойчивому положению полосы в валках. Суммарная конусность участков среднего, валка имеет меньшее значение по сравнению с конусностью приводных валков, поэтому на среднем валке с одной стороны получается увеличение диаметра и, следовательно, меньший зазор между валками с этой стороны. С целью выравнивания зазоров при прокатке производится перекос верхнего и нижнего валков относительно среднего. По дайной разработке получен патент Российской Федерации №2152277 (Рис.2).

В процессе прокатки на таких валках возникают осевые усилия, изменяющиеся в пределах 0 - 200 кН, поэтому клеть должна быть оборудована специальным устройством для их восприятия, а это не всегда возможно сделать на существующих клетях.

Оригинальность второго способа прокатки листовой стали в клети трио Лаута с валками переменного сечения заключается в том, что при прокатке происходит взаимное уравновешивание возникающих на различных участках бочек

ё-

И

- - ^ '4

Рис.2. Способ прокатки листовой стали (валки переменного сечения)

П=(КБ-(Кср1+Кср2))/2 - перекос валков,

Ксрг-йг(1п, - величина конусности. КСр2=(1ггЛ2

валков осевых усилий за счет соответствующего профилирования всех трех валков. По этому способу валки выполнены с коническими участками в середине и на краях валков с противоположным направлением конусности средних и краевых участков каждого из валков, а также с противоположным направлением конусности участков на неприводном валке относительно конусности участков на приводных валках. При этом

конусность среднего участка неприводного валка, как и при первом способе, выполнена двойной, а на приводных одинарная. Верхний и нижний валки 1 и 3 приводные, средний валок 2 -неприводной и при прокатке прижимается поочередно к верхнему или нижнему валкам (Рис.3).

Использование предложенных способов прокатки листовой стали в клети трио Лаута с применением валков переменного сечения с осевой и радиальной регулировкой позволяет повысить стойкость рабочих валков, сократить число переволок и простой стана, вести прокатку с повышением обжатиями, снизить поперечную разнотолщинность, что сопровождается значительной экономией металла.

В главе 6 разработана методика неразрушающего определения механических свойств стального горячекатанного листа. Проблема установления корреляционных зависимостей между физическими и механическими свойствами металлов и сплавов представляется чрезвычайно важной как для более глубокого понимания природы каждого из свойств, так и для разработки методов неразрушающего контроля материалов и изделий из них. Для листового проката особенно актуальна проблема определения показателей прочности без разрушения и приготовления специальных образцов.

Рис. 3. Новый способ прокатки листовой стали в клети трио Лаута

В данном разделе обоснована возможность использования методики измерения скорости ультразвука (СУ) для оценки структуры, ударной вязкости КУ, порога хладноломкости и механических свойств при растяжении (св, Оо2, 5) в листовой горячекатанной стали 09Г2С (10мм) производства АО «Кузнецкий металлургический комбинат». Температура конца прокатки Ткп варьировалась специально с целью вариации механических свойств и составляла 830, 860 и 950 "С. Дополнительные данные, полученные на сталях Ст.З и ЗОХГСА подтвердили применимость методики.

Измерения СУ на готовом прокате осуществляли при двух различных положениях датчика соответствующих распространению ультразвуковой волны в направлении прокатки и в поперечном направлении.

Оказалось, что с увеличением температуры конца прокатки Ткп скорость ультразвукового излучения У5 монотонно возрастает. Разброс значений СУ в пластине составляет 0,2...0,6 %. Разность в средних значениях на листе колеблется в пределах 0,6-1 % в зависимости от Ткп, что отражает анизотропию свойств деформированного материала. Например, средние значения скоростей при ТКп=830 °С равны: У5 =2.657; У5 = 2.676, а при Тк1г=950 °С: У8 = 2.663, У5 = 2.679 м/с. Можно предположить, что более высокие значения скоростей ультразвука поперек направления прокатки свидетельствуют об уменьшении размера зерна в этом направлении. Параллельный металлографический анализ показал, что с структуре стали происходят следующие изменения. При Ткп ниже температуры фазовой перекристаллизации Ас3 наблюдается текстура деформации. На металлографических снимках обнаруживаются крупные вытянутые зерна феррита и "строчечное" расположение участков с перлитной структурой. Появление текстуры объясняется тем, что деформация здесь происходит в фер-ритно-перлитной области. Одновременно развиваются процессы полиго-низации и рекристаллизации. В областях, прилегающих к границам, зерна феррита дробятся и заполняются новыми мелкими кристаллитами. Согласно имеющимся в литературе данным, для каждой степени деформации существует пороговое значение температуры прокатки, начиная с которого происходит снятие наклепа и формирование новых рекристаллизованных зерен.

В ряде случаев связь между величинами Ку и СУ настолько тесная, что максимумы на кривых не просто совпадают, но наблюдается полная корреляция кривых и линейная зависимость СУ от Ку с коэффициентом

корреляции 0,98 - 0,99, так что по изменению одной характеристики можно определить значение другой.

Полученные экспериментальные данные имеют важное значение как в научном, так и в практическом отношениях и убедительно обосновывают методику неразрушающего контроля проката без изготовления специальных образцов и проведения механических испытаний.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для оценки напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и значений силовых параметров процесса прокатки (крутящий момент и усилие, действующее на валок) поставлена и решена задача плоской деформации для уравнений равновесия с использованием несимметричного тензора напряжений.

2. Для изучения влияния длительности паузы т и степени деформации е стали создана испытательная машина и выполнено моделирование процесса прокатки методом горячего кручения. Анализ полученных зависимостей характеристик пластичности и прочности от е и т показал возможность увеличения величины обжатий за пропуск и сокращения длительности пауз без повышения ресурса пластичности и заметного повышения сопротивления деформации.

3. Рассчитаны оптимальные режимы обжатий с учетом пластических и прочностных свойств прокатываемых металлов, условий захвата, мощности электропривода и прочности элементов клети. Усовершенствование и внедрение конструкции узла станины чистовой клети, позволяет увеличивать обжатия, рационально их перераспределять и получить листы с меньшей разнотолщинностью.

4. Выявлен характер влияния факторов прокатного производства: схем прокатки, степени обжатия в последнем пропуске, температуры нагрева заготовки и температур конца прокатки, способов охлаждения листов после прокатки на физико-механические свойства листового проката в состоянии поставки при различных температурах испытаний и после механического старения.

5. Разработаны научные и технологические основы трех новых способов прокатки листового металла и сляб, улучшающих качество, снижающих расход металла и интенсифицирующих процесс прокатки. Разработаны

новые способы прокатки листовой стали в клети трио Лаута с волнами переменного сечения, обеспечивающие компенсацию выработки валков за счет их осевого смещения, сохранение устойчивости полосы при прокатке, и увеличение степени обжатия.

6. Разработана методика неразрушающего контроля механических свойств листового проката. Установлены корреляционные соотношения между скоростью распространения ультразвука, ударной вязкостью и характеристиками пластичности сталей в состоянии поставки и после термообработки. Структурными исследованиями выявлены причины наблюдаемой корреляции.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. А.с 2006299 RU . Способ прокатки полос. Федоров H.H., Лоскутов Д.Р., Федоров H.A., Журавлев Б.К. "Открытия. Изобретения" 1994 г. № 2.

2. Лоскутов Д.Р., Громов В.Е., Журавлев Б.И. Совершенствование режима прокатки толстых листов. Тезисы докладов межгосударственной конференции "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века" г.Магнитогорск. 1996 г. С.90-91.

3. Громов В.Е., Целлермаер В.Л, Козлов Э.В., Закиров Д.М., Лосутов Д.Р. Correlation bettweer microstructure and mechanical properties of metals. //Тезисы докладов международной конференции "Микромеханизмы пластичности разрушения и сопутствующих явлений". Тамбов, 1996. С. 176-177.

4. Лоскутов Д.Р., Громов В.Е., Дорофеев В.В., Журавлев Б.К. "Совершенствование способов и режимов прокатки толстых листов. Тезисы докладов V Международной конференции "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии". Новокузнецк, 1997 , С.41.

5. Громов В.Е., Лоскутов Д.Р., Журавлев Б.К. Оптимизация режимов обжатий на толстолистовом стане АО "КМК". Тезисы докладов V Международной конференции "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии". Новокузнецк, 1997. С.43.

6. Лоскутов Д.Р., Громов В.Е., Журавлев Б.К., Зуев Л.Б. Разработка оптимальных температурных режимов, технических условий прокатки толстых листов.// Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Структурная перестройка металлургии: экономика, эко-

номия, управление, технология", Новокузнецк, 1996. С. 123.

7. Лоскутов Д.Р., Громов В.Е., Журавлев Б.К. Моделирование процесса прокатки в лабораторных условиях.// Тезисы докладов Международной конференции "Высокие технологии в современном материаловедении". Санкт-Петербург. 1997. С. 108

8. Лоскутов Д.Р., Громов В.Е., Базайкин В.И. Модель формирования остаточных напряжений после раскатки листов. // Тезисы Международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике". Томск, 1997, С.209.

9. Громов В.Е., Лоскутов Д.Р., Журавлев Б.К., Бердышев В.А. Определение работоспособности станин прокатных станов.// Тезисы докладов научно-технической конференции "Физика и техника ультразвука", посвященной 100-летию С.Я. Соколова. Санкт-Петербург, 1997., С 182.

10.Лоскутов Д.Р., Громов В.Е., Зуев П.Б., Полетика И.М. Ультразвуковой контроль ударной вязкости толстолистового проката.// Тезисы докладов научно-технической конференции "Физика и техника ультразвука", посвященной 100- летию С.Я. Соколова. Санкт-Петербург, 1997., С.258.

11.Лоскутов Д.Р., Громов В.Е., Базайкин В.-И. Кинематика течения металла при холодной прокатке.//Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" Новокузнецк, 1997., С.59.

12.Громов В.Е., Лоскутов Д.Р., Журавлев Б.К, Совершенствование технологии производства листового проката с целью улучшения механических характеристик.// Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" г.Новокузнецк, 1997.,С.70.

13.Громов В.Е., Зуев Л.Б., Кулагин Н.М., Лоскутов Д.Р. Неразрушающий контроль ударной вязкости низколегированной стали.// Сборник научных трудов под редакцией академика Никифорова Б.А. "Прогрессивные технологические процессы в обработке металлов давлением" 1997 ., Магнитогорск, С. 191-195.

14.Громов В.Е., Базайкин В. И., Лоскутов Д.Р. Процессы конечных формоизменений с несимметричным тензором напряжений.// Труды I Международного семинара "Актуальные проблемы прочности" им. В.А. Лихачева и XXXIII семинара "Актуальные проблемы прочности" Новгород 1997 ,т.1 4.1, С. 144-147.

15.Журавлев Б.К., Лоскутов Д.Р., Громов В.Е. Пластичность малолегированных и нержавеющих сталей.// Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1997. №6. С.51-54.

16.Лоскутов Д.Р., Журавлев Б.К., Громов В.Е. Испытательная машина горячего кручения и моделирование процесса прокатки.// Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1997. №10. С.51-52.

17.Полетика И.М., Лоскутов Д.Р., Куликова O.A., Егорова Н.М. О возможности неразрушающего контроля структуры и свойств горячекатанной стали.// Известия ВУЗов. Черная металлургия 1998. № 2. С.42-47.

18.Базайкин В. И., Громов В.Е., Лоскутов Д.Р. Полуобратный метод моделирования процесса холодной продольной прокатки.// Извести ВУЗов. Черная металлургия. 1998. № 4. С.20-22.

19.Полетика И.М., Лоскутов Д.Р., Похилова Н.М., Зуев Л.Б. Ультразвуковой контроль ударной вязкости листовой стали.// Сталь 1998 № 1.С.63-65.

20.Дорофеев В.В., Лоскутов Д.Р., Журавлев Б.К., Громов В.Е. Совершенствование способов прокатки толстых листов.// Известия ВУЗов. Черная металлургия 1997 №8. С.62-63.

21.Базайкин В.И., Лоскутов Д.Р. Моделирование энергетических затрат второго уровня в современных технологиях ОМД.// Математические и экономические модели в оперативном управлении производством. Москва, "Электрика" вып.4, 1997. С.72-75.

22.Лоскутов ДР., Дорофеев В.В.. Журавлев Б.К., Громов В.Е. Усовершенствование технологии прокатки слябов и толстых листов на АО «КМК».// Производство проката. 1999. №2. С.12-16.

23.Шарапов И.А., Дорофеев В.В..., Лоскутов Д.Р. Способ прокатки на блюминге слябов из уширенных книзу слитков.// Патент на изобретение №2152830 РФ от 20.07.2000. Приоритет от 06.11.1997г.

24.Дорофеев В.В., Лоскутов Д.Р., Громов В.Е. Прокатки листовой стали в валках с переменным сечением.// Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге 21 века». Новокузнецк. 2000. С.37-38.

25.Браунштейн Е.Р., Демидов В.М., Быков A.A., Дорофеев В.В., Лоскутов Д.Р. и др. Способ прокатки листовой стали.// Патент на изобретение №2152277 РФ от 20.01.1999. Приоритет от 06.01.1998.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Состояние и проблемы технологии толстолистовой прокатки

1.1. Анализ влияния технологических параметров на свойства и качество готового продукта.

1.2. Роль способов прокатки в технологии производства толстых листов

1.3. Проблемы описания деформации толстых листов

1.4. Скорость распространения ультразвука как информативный фактор при исследовании механических свойств и структуры сталей

1.5. Аппаратура и методика измерения скорости ультразвука

1.6. Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. Напряжения в зоне деформации и силовые параметры процесса

2.1. Тензор скоростей деформации

2.2. Напряжения в очаге деформации

2.3. Представление силовых характеристик в угловых координатах

2.4. Обсуждение некоторых результатов анализа

ГЛАВА 3. Лабораторное моделирование процесса прокатки и оценка работоспособности станин прокатных станов

3.1. Моделирование процесса прокатки в лабораторных условиях

3.2. Определение работоспособности станин прокатных станов методом УЗ дефектоскопии и оптической тензометрии

ГЛАВА 4. Совершенствование технологии производства листовой стали на основе анализа работы листопрокатного цеха АО "КМК"

4.1. Рационализация режимов и способов нагрева и прокатки толстых листов

4.2. Оптимизация режимов обжатий

ГЛАВА 5. Совершенствование режимов обжатий и профиля прокатных валков и новые способы прокатки листов

5.1. Повышение качества и выхода годного листового металла совершенствованием способов прокатки сляб

5.2. Влияние формы прокатных валков листопрокатного стана на проработку металла и улучшение его свойств

5.3. Новые способы прокатки листов в валках с переменным сечением в клети трио Лаута

ГЛАВА 6. Механические свойства листового проката из низкоуглеродистой стали и неразрушающий ультразвуковой контроль их уровня

6.1. Материалы для эксперимента и их подготовка

6.2. Измерение ударной вязкости закаленных сталей

6.3. Ультразвуковой контроль ударной вязкости

Актуальность работы. Стальной лист в общем сортаменте проката занимает одно из первых мест и технология его изготовления достаточно сложна.

Листовой прокат относится к наиболее экономичным видам металлопродукции. Листы различных видов широко используются в тяжелом, транспортном и сельскохозяйственном машиностроении, в судостроении, котлостроении и других отраслях народного хозяйства.

В отечественной промышленности доля листовой продукции в общей массе проката постоянно увеличивается. Одновременно с повышением роста производства листового проката перед металлургами поставлена задача дальнейшего и значительного улучшения качества полученной продукции по таким основным дефектам как неточность размеров, волнистость, коробоватость, поверхностные дефекты, неудовлетворительные механические свойства, большая разнотолщинность по ширине и длине листа.

Технология прокатки толсто- и среднелистовой стали определяется многими факторами, такими как химический состав и технологические особенности стали, уровень механических свойств, размеры прокатываемых листов и т. д. 3 зависимости от этих условий устанавливается режим нагрева металла для прокатки, величина обжатий, количество проходов, температура конца прокатки и режим термообработки.

Использование листового проката для ответственных несущих и резерву-арных конструкций предъявляет повышенные требования к прочностным показателям листовой стали и требует во многих случаях их контроля непосредственно на готовой продукции, для чего неприменимы традиционные методики определения прочности и пластичности. В этой связи возникает проблема создания простых и надежных методик неразрушающего определения упомянутых характеристик.

Для корректного определения значения силовых параметров при прокатке необходимо знание поля тензора напряжений, обусловленного реальной кинематикой течения металла в очаге деформации. Значения вектора напряжений при контакте позволяют получать все силовые характеристики процесса.

Проблема увеличения производства, совершенствование технологии улучшение качества продукции, снижение материальных затрат при производстве листового проката является комплексной и должна решаться на научной основе, с учетом конкретных особенностей производства и вида металлопродукции. Эти задачи являются актуальными и могут быть успешно решены при разработке и практическом освоении новых технологических способов прокатки листового металла, определении оптимальных режимов и рациональных способов нагрева, анализе оценки напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, разработке и обосновании методики определения прочностных характеристик листового проката неразрушающим способом.

Цель работы: Совершенствование технологии прокатки толстолистовой стали. При реализации этой цели были решены следующие задачи:

1. Оценка напряженного состояния в очаге деформации при прокатке с учетом несимметричного тензора напряжений.

2. Выполнено моделирование процесса прокатки в лабораторных условиях для определения сопротивления деформации и пластичности сталей.

3. Рассчитаны оптимальные режимы обжатий и выполнена оценка крутящего момента и нормального усилия на валках, обусловленных реальной кинематикой течения металла в очаге деформации.

4. Установлен характер влияния основных факторов прокатного производства (схемы прокатки, степени обжатий на последнем пропуске, температуры нагрева заготовок и конца прокатки) на физико-механические свойства низколегированной стали 10Г2С1.

5. Разработаны и внедрены новые способы прокатки сляб и листового металла и способы прокатки листовой стали в клети трио Лаута с переменным сечением валков.

6. Обоснована и разработана методика определения прочностных характеристик листового проката с помощью измерения скорости распространения ультразвука и проверена ее применимость.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Впервые получены распределения компонент тензора напряжений, обусловленного моделью течения металла, адекватной реальному процессу. Нормальное давление на валок и касательные к его поверхности напряжения определяются по тензору напряжений без каких-либо предположений о законе трения.

2. Выполнено моделирование процесса прокатки методом горячего кручения и определены характеристики пластичности и сопротивления деформации.

3. Рассчитаны оптимальные режимы обжатий по методике, учитывающей энергосиловые возможности стана и условия захвата, и установлены зависимости физико-механических свойств от основных факторов листопрокатного производства.

4. Впервые предложена достаточно точная и надежная методика определения ударной вязкости, предела прочности и предела текучести с помощью измерения скорости распространения ультразвука.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований усовершенствованы технология прокатки листовой стали и контроль ее качества.

При этом выполнены следующие работы:

1. Оптимизированы режимы обжатий и способов нагрева и прокатки толстых листов стали 10Г2С1.

2. Предложены и внедрены эффективные способы прокатки сляб и листового металла.

3. Предложены новые способы прокатки листовой стали в валках с переменным сечением

4. Разработана методика неразрушающего контроля механических свойств, которую можно применить непосредственно в цеховых условиях. С ее помощью можно организовать 100 %-й контроль механических характеристик листового проката.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы составил свыше 0,57 млрд. рублей в ценах 1997 года.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка и внедрение 3-х новых способов производства сляб и листового металла.

2. Экспериментальные результаты моделирования процесса прокатки методом горячего кручения.

3. Одаима/:>ърые—-режимы о.бжатий- и зависимости^ физико-механических свойств проката от основных факторов прокатного производства.

4. Результаты оценки поля напряжений в очаге деформации и силовых параметров процесса прокатки (нормальное давление и крутящий момент).

5. Методика неразрушающего контроля показателей механических свойств листового проката, основанная на установлении корреляции между показателями прочности и пластичности и скоростью распространения ультразвука.

6. Новые способы прокатки листовой стали в клети трио Лаута с переменным сечением валков

Достоверность результатов и правомерность сделанных выводов обеспечиваются обоснованностью методов обработки металлов давлением, современного физического материаловедения, теории пластичности и сопоставлением полученных результатов с известными экспериментальными и теоретическими данными других авторов, использованием статистических методов обработки результатов экспериментов, практическим внедрением в производство, Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, совершенствовании технологии проката я листовой стали и контроля ее ка чества, разработке новых способов прокатки, анализе полученных результатов, проведении промышленных испытаний, внедрении результатов в производство.

Апробация работы. Основные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на технических советах : ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат» (1987-1997 г.г.); Межгосударственной научно-технической конференции «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века» 14-17.05.96 г., г.Магнитогорск; Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» 2428.06.96 г., г.Тамбов; Международной научно-технической конференции «Структурная перестройка металлургии: экономика, экономия управления, технология» 22-25.10.96 г.Новокузнецк; V-й Международной конференции «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» 3-7.02.97 г., Т.Новокузнецк; Международной конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» 27-28.05.97 г.Санкт-Петербург; Международной конференции «Всесибирские чтения по математике и механике» 17- 20.06.97, 8 jTfoMCK; научно-технической конф(фенции)«Физика и техника ультразвука», посвященной 100-летию профессора С .Я. Соколова, 9-11.05.97 г.Санкт-Петербург; Международной научно-технической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» 16-19.09.1997 г., г.Новокузнецк; 1-ом Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» 15-18.11.97г., г.Новгород; Международном конгрессе прокатчиков 27-30.10.97 г., г.Череповец; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века. 9-12.10.2000 г., г.Новокузнецк.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 25 публикациях, в том числе 8 статьях, 1 авторском свидетельстве и 2 патентах на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 142 листах, содержит 24 рисунка, 18 таблиц. Список используемой литературы состоит из 116 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для оценки напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и значений силовых параметров процесса прокатки (крутящий момент и усилие, действующее на валок) поставлена и решена задача плоской деформации для уравнений равновесия с использованием несимметричного тензора напряжений.

2. Для изучения влияния длительности паузы т и степени деформации е стали создана испытательная машина и выполнено моделирование процесса прокатки методом горячего кручения. Анализ полученных зависимостей характеристик пластичности и прочности от е и т показал возможность увеличения величины обжатий за пропуск и сокращения длительности пауз без повышения ресурса пластичности и заметного повышения сопротивления деформации.

3. Рассчитаны оптимальные режимы обжатий с учетом пластических и прочностных свойств прокатываемых металлов, условий захвата, мощности электропривода и прочности элементов клети. Усовершенствование и внедрение конструкции узла станины чистовой клети, позволяет увеличивать обжатия, рационально их перераспределять и получить листы с меньшей разнотолщинностью.

4. Выявлен характер влияния факторов прокатного производства: схем прокатки, степени обжатия в последнем пропуске, температуры нагрева заготовки и температур конца прокатки, способов охлаждения листов после прокатки на физико-механические свойства листового проката в состоянии поставки при различных температурах испытаний и после механического старения.

5. Разработаны научные и технологические основы трех новых способов прокатки листового металла и сляб, улучшающих качество, снижающих расход металла и интенсифицирующих процесс прокатки. Разработаны новые способы прокатки листовой стали в клети трио Лаута с волнами переменного сечения, обеспечивающие компенсацию выработки валков за счет их осевого смещения, сохранение устойчивости полосы при прокатке, и увеличение степени обжатия.

131

----—-■ —-ТТ^Т-И—-T—^r-tZ? „■.•.■ .--.-. . . — т . • ., .-.—-j,^—- . - --------——. .

6. Разработана методика неразрушающего контроля механических свойств листового проката. Установлены корреляционные соотношения между скоростью распространения ультразвука, ударной вязкостью и характеристиками пластичности сталей в состоянии поставки и после термообработки. Структурными исследованиями выявлены причины наблюдаемой корреляции.