автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Ресурсосберегающие технологические процессы изготовления стальной проволоки волочением

Введение.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОВОЛОКИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Стратегия ресурсосбережения в России.

1.2. Направление снижения энергоемкости производства черных металлов.

1.3. Влияние способа производства и качества катанки на качество готовой проволоки и затраты на её изготовление.

1.3.1. Производство катанки на стане «150» ОАО «БМК».

1.3.2. Особенности сорбитизации катанки с прокатного нагрева.

1.3.3. Выбор рационального диаметра прокатываемой катанки.

1.4. Оценка энергозатрат при волочении проволоки.

1.4.1. Факторы, определяющие энергозатраты при волочении, и способы их определения.

1.4.2. Основные виды смазок для сухого волочения, подсмазочные покрытия и оценка их эффективности.

1.4.3. Выбор рациональных значений рабочих углов волок на станах сухого многократного волочения.

1.4.4. Влияние скорости волочения и деформационного упрочнения.

1.4.5. Влияние дробности деформации.

1.5. Аналитическое и экспериментальное определение усилия (напряжения) волочения.

1.6. Использование экономнолегированных сталей для изготовления проволоки в условиях ОАО «БМК».

1.7. Влияние профиля высокопрочной арматурной проволоки на её качество и металлоемкость.

б

В современной экономической обстановке для каждого отечественного производителя важнейшим условием является повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции как на внутреннем, так и внешнем рынках.

Конкурентоспособность продукции определяется качеством и, что самое важное, затратами на ее изготовление. Исторически сложилось, что отечественная промышленность и в том числе черная металлургия в сравнении с промышленно развитыми странами являются высокозатратными, особенно в доле потребляемой энергии. В этой связи актуальность ресурсосбережения и прежде всего энергосбережения в перспективе повышается потому, что энергетическая стратегия развития отечественной промышленности определяет постоянное и долгосрочное повышение цен на энергоносители. Актуальными вопросы ресурсосбережения являются еще и потому, что вкладывать средства в направления, обеспечивающие экономию ресурсов в 3—4 раза, выгоднее, чем в увеличение добычи энергоносителей.

Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» определяют «Производственные технологии» и «Энергосберегающие технологии» как приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации, а направление «Энергосбережение» входит в перечень критических технологий Российской Федерации.

Проволока является товарной продукцией черной металлургии, ее стоимость аккумулирует все предыдущие затраты по производству стали и переработке ее в заготовку-катанку, а также добавляются еще немалые затраты по изготовлению из нее проволоки. В мировой и отечественной практике производства проволоки считается, что в затратах на изготовление проволоки 60—70% составляет стоимость катанки, а остальное — это собственно затраты на производство проволоки, которые определяются прежде всего качеством технологического процесса ее изготовления. Обеспечить экономию материалов и энергии возможно только путем разработки новых ресурсосберегающих технологий или совершенствованием действующих. Под ресурсосберегающей технологией понимается комплекс организационно-технических мероприятий, обеспечивающий эффективность производства за счет снижения потребления сырья и материалов, сокращения топлива, энергии и т.д. Повысить эффективность производства — значит добиться максимальных хозяйственных достижений при минимальных затратах.

Целью данной работы является обеспечение ресурсосбережения при производстве проволоки созданием новых и совершенствованием действующих технологических процессов.

Вопросы экономии материалов и энергии стояли на повестке дня и во времена социалистической экономики, но сводились они, в основном, к устранению сверхнормативных и непроизводительных расходов, мало уделялось внимания вопросам кардинального изменения производства путем применения энергосберегающих технологий.

Кроме того, металлургический процесс — это цепь последовательных и взаимосвязанных подпроцессов и операций, а поэтому и затраты на производство продукции следует определять с учетом этой взаимосвязи в едином комплексе.

Основным способом пластической деформации, применяемым при производстве проволоки различного назначения, у нас в стране и за рубежом является волочение в монолитной волоке. Процесс этот относительно прост, достаточно изучен теоретически, имеет тысячелетний опыт практического применения. Для его реализации промышленностью освоено изготовление основного и вспомогательного оборудования и, что самое главное, он обеспечен относительно дешевым и достаточно работоспособным инструментом. Но реализация процесса путем приложения переднего тянущего усилия, контактные условия, действующие на поверхности раздела «металл—волока», особенности конструкции последней делают процесс ресурсоемким, многооперационным (причем часть операций являются специфическими), зависящим от многих одновременно действующих и взаимозависимых технологических факторов. Все это делает оценку энергозатрат, особенно в производственных условиях, достаточно сложной. Этим, вероятнее всего, объясняется относительно небольшое количество публикаций по вопросам ресурсосбережения при производстве проволоки.

Кроме того, процесс ресурсосбережения достаточно индивидуален, во многом зависит от особенностей применяемых технологических процессов, материалов, инструмента, оборудования и т.п., т.е. привязан к конкретному производству. Экспериментальная часть данной работы выполнена, в основном, в промышленных условиях на ОАО «Белорецкий металлургический комбинат», в составе которого кроме достаточно современных волочильных цехов работает современный, отвечающий мировым требованиям проволочный стан «150», что позволило провести комплексные исследования, а полученным результатам дать более широкое применение.

Автор выражает благодарность д-ру техн. наук, проф. Б.А.Никифорову за консультации по основным разделам диссертации, канд. техн. наук Н.А.Клековкиной за участие в заводских экспериментах.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны и внедрены в условиях ОАО «БМК» технические требования к катанке сорбитизированной для производства проволоки различного назначения с исключением операции патентирования (СТП 173, 03-ПС-151-2001) и режимы регулируемого охлаждения катанки на стане «150» ОАО «БМК», обеспечивающие получение структуры и свойств готовой проволоки без патентирования катанки (ТИ 173-ПС-464-97).

2. Предлагается новая ресурсосберегающая технология изготовления проволоки для армирования предварительно-напряженного железобетона с использованием сорбитизированной катанки (экономический эффект 234 руб/т или более 10 млн. в год); ресурсосберегающих режимов волочения («Способ изготовления высокоуглеродистой проволоки», - получено положительное решение на заявку №200 1102683/02) и рационального профилирования (авт. св. №1364675), которая частично внедрена в условиях ОАО «БМК» (ТИ 173-МТ ПР-8-96 изм.1, ТИ 173.МТ ПР-220-2001).

3. Проведенная сквозная оценка энергозатрат от катанки до проволоки при использовании катанки диаметром 5,5 мм вместо диам. 6,5 мм позволила обосновать изменения (изменение №7 ТИ 173-МГ ПР-191-90, СТП 173-1-95) в технологии изготовления пружинной проволоки диаметром 0,65-0,5 мм; заготовки под металлокорд, низкоуглеродистой проволоки, проволоки св. 08 Г2С. Сокращение одного передела позволяет получить средний экономический эффект на 1 т проволоки 101, 57 руб. за счет экономии энергозатрат и расходов на волочильный инструмент. Суммарный экономический эффект от использования катанки диаметром 5,5 мм составляет 2,8 млн. рублей. Доля катанки диаметром 5,5 мм в общем объеме производства по основным видам продукции должна составлять 29%.

4. Разработана и внедрена в условиях ОАО «БМК» технология фосфатирования в новом фосфатном концентрате «Дефор»:

- проволоки под холодную высадку (впервые на БМК получена фосфатирован-ная поверхность проволоки под сухое волочение);

- проволоки для последующего волочения взамен КФЭ на сухих «и мокрых» смазках; фосфатирование в стационаре и в потоке на термотравильном агрегате (ТИ 173-МТ. ПР-90-98 - изменение 3; ТИ 173-МТ. ПР-154-99 - изменение 2).

Экономический эффект составил 602 тыс. руб. по цеху 11 и 863,9 тыс. руб. по цеху 1.

5. Создан участок производства сухих технологических смазок в условиях ОАО «БМК». Внедрены новые смазки БВС-1 и БВС-2 взамен мыльного порошка, проведен технико-экономический анализ их использования (ТИ 173-МГ. ПР 145-2000). Фактический экономический ээфект за 9 месяцев 2001 года составил 1,8 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель оценки энергозатрат при волочении в монолитной волоке путем расчета мощности и напряжения волочения, которую отличает от известных ввод уточняющих коэффициентов, позволяющих оценивать влияние вида смазки и подсмазочных покрытий, скорости волочения, типа волочильного инструмента (учитывает влияние рабочего угла волоки и применения сборной волоки на контактное трение в очаге деформации при волочении). Рабочий угол волоки определяется по разработанной зависимости, определяющей условия равномерной деформации по сечению проволоки. Значения временного сопротивления исходной катанки, прошедшей патентирование или сорбитизацию, в степенной зависимости упрочнения рассчитываются по полученным регрессионным зависимостям их от химсостава и диаметра катанки. Получены также значения коэффициентов упрочнения для углеродистых сталей. Модель позволяет оценить температурные условия и устойчивость процесса многократного волочения, учитывает влияние противо-натяжения и скорости деформации, определяет реальную загрузку приводных электродвигателей.

2. На основе разработанной математической модели и с применением экспериментальных методик определения мощности, усилия и напряжения волочения по расходу энергии и коэффициента трения по усилию волочения проведено аналитическое и экспериментальное исследования энергозатрат при многократном волочении проволоки в монолитных волоках в зависимости от основных технологических факторов. Расход энергии уменьшается при уменьшении кратности волочения, применении убывающего маршрута волочения, снижении контактного трения применением эффективных смазок и подсмазочных покрытий, уменьшении угла волоки и применении сборных волок. Уменьшается удельный приведенный к единице продукции расход энергии с ростом скорости волочения. Расход энергии увеличивается при увеличении диаметра заготовки, несмотря на уменьшение содержания углерода в ней.

3. Получено решение ФИПС от 16.01.2002 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2001102683/02 «Способ изготовления высокоуглеродистой проволоки», отличающийся тем, что режимы волочения проволоки строятся на полученных зависимостях, определяющих режимы волочения с равномерным распределением деформации по сечению.

4. Проведена оценка эффективности новых волочильных смазок БВС-1 и БВС-2, а также фосфатных подсмазочных покрытий на базе концентрата «Дефор», производство которых освоено на ОАО «БМК». Применение этих материалов обеспечивает энергосбережение при волочении, уменьшает расход смазочных материалов и волок, упрощает и удешевляет их изготовление, обеспечивает более высокую стабильность и позволяет повысить скорости волочения.

5. Разработаны рекомендации по технологии изготовления проволоки и плющеной ленты из экономнолегированной стали марки 10Х18Г10АД2. Эта сталь по своим физико-химическим и механическим свойствам и изменению их в процессе холодной пластической деформации соответствует стандартной стали марки 12Х18Н10Т, но значительно ее дешевле.

6. Разработана методика проектирования металлосберегающего профиля высокопрочной арматурной проволоки, определены параметры нового вида профиля арматурной проволоки, защищенные авторским свидетельством 1364675. Определены технологические режимы изготовления этой проволоки, разработана и согласована нормативно-техническая документация на ее изготовление и применение. Изготовлены и испытаны у потребителя промышленные партии проволоки. Применение высокопрочной арматурной проволоки номинального диаметра 3,00 мм с новым видом профиля позволяет при производстве из нее железобетонных шпал экономить до 8% металла. Определены условия промышленного освоения такой проволоки на ОАО «БМК» и массового ее применения в производстве железобетонных шпал.

7. На основе оценки суммарных энергозатрат на прокатку катанки диаметром 5,5 мм и изготовление из нее проволоки, в сравнении с катанкой диаметром 6,5 мм, разработаны эффективные технологические режимы переработки катанки диаметром 5,5 мм в проволоку из различных марок сталей и в условиях ОАО «БМК» определены рациональные объемы производства катанки диаметром 5,5 мм. Для реконструированного проволочного стана «150» ОАО «БМК» обоснованы химический состав высокоуглеродистой стали и режимы регулируемого охлаждения катанки, обеспечивающие получение сорбитизированной катанки со структурой и свойствами, позволяющими без применения патенти-рования получить готовую высокопрочную проволоку. Были изготовлены партии проволоки высокопрочной арматурной диаметром 3,0 мм по ГОСТ 7348-81 и пружинной диаметром 2,2 мм по ГОСТ 9389-75. Проведенные комплексные испытания свойств и оценки микроструктуры показали, что разработанные режимы сорбитизации катанки на проволочном стане «150» ОАО «БМК» позволяют исключить дорогостоящую операцию патентирования при производстве высокопрочной высокоуглеродистой готовой проволоки, обеспечив при этом получение требуемого стандартами комплекса механических свойств.

8. Полученные результаты внедрены на ОАО «Белорецкий металлургический комбинат». На основе проведенных исследований разработаны новые технические условия, технологические инструкции, внесены изменения в действующие нормативно-технические документы. Применение предложенных технических решений по ресурсосбережению позволило получить экономический эффект в размере более 15 млн.руб.

1. Гончаров Б.И., Зверев Б.Н. Эффективность и направления экономии ресурсов // Путь и путевое хозяйство. 2000. - №12. - С.2-5.

2. Сельский Б.И., Степанов B.C., Воронцов А.В. Оценка эффективности использования сырья и топливно-энергетических ресурсов на ОАО «ЗСМК» на основе энергетического метода термодинамического анализа // Изв. вузов. Черная металлургия. 2002. - №2. - С.59-65.

3. Кононов Ю.Д., Гальперова Е.В., Мазурова О.В. Динамика энергоемкости и путевого потребления в России на фоне глобальных тенденций // Теплоэнергетика. 2002. - №1. - С.9-13.

4. Лазаренко С.Н., Тразнос К. Структура потенциала энергосбережения в России // Промышленная энергетика. 2002. - №1. - С.9-14.

5. Основные положения «Энергетической стратегии России на период до 2020 г.» / Яновский А.Б., Мастепанов A.M., Бумизов В.В. и др. // Теплоэнергетика. 2002. - №1. - С.2-8.

6. Кононов Ю.Д., Мазурова О.В. Потенциал энергосбережения. Зависимость энергоемкости промышленности от темпов экономического роста // Промышленная энергетика. 2002. - №1. - С.8-11.

7. Кудрин Б.И. Концепция энергосбережения в государственных стандартах и ее практическая реализуемость // Электрика. 2002. - №1. - С.3-13.

8. Казакова Т.И., Кольцова А.П., Степанова Н.В. Направления снижения энергоемкости производства черных металлов // Сталь. 2000. - №2. -С.79-82.

9. Расход энергии при производстве стальной проволоки / Перевод 793. -Череповец, 1981. 14 с. - Пер. ст. Jehnert W. // Neue Hutte. - 1981.-26. - №7. -S.246-250.

10. Лисин B.C., Юсфин Ю.С. Ресурсо-экологические проблемы XXI века в металлургии. М.: Высш. шк., 1998. - 447 с.

11. Оптимизация расхода энергии в процессах деформации // А.Хензель, Т.Шпиттель, М.Шпиттель и др. М.: Металлургия, 1985. - 184 с.

12. Kishida H., Machida К., Maruyama Т. Energy courvation in wiredrawing // Wire I. Int. 1985. - 18. - №11. - P. 53-54, 56-58, 60, 62-63.

13. Сохранение энергии при волочении проволоки / Перевод 22159. М., 2000. - 17 с. - Пер. ст. Chandra M.R. // Wire Industry. - 2000. - №795. -P. 261-267.

14. Ресурсосбережение в метизном производстве: Коллективная монография / В.И.Зюзин, Н.А.Клековкина, В.А.Харитонов и др. // Магнитогорск: МГТУ, 2001.-163 с.

15. Коковихин Ю.И. Технология сталепроволочного производства. Киев, 1995.-608 с.

16. Beck Herbert. Influence of Wire rod mill desing and stelmor cooling on steel rod // Wire Industry. -1972. -5. № 8. -P. 48-55.

17. Тарковский A.JI. Производство канатной проволоки во Франции // Чер-метинформация. 1970. -Сер. 9, инф. № 3. - 12 с.

18. Guerieri A., Moscanzoni A., Mazzucato F. Properties of contiomeonslu Cooled, High Corbon Steel for prestressed Concrete Wir // Wire Industry. -1983. V.50. - №394. - P.313-319.

19. Особенности сорбитизации катанки с прокатного нагрева и свойства проволоки из неё / В.И.Зюзин, С.А.Терских, Е.А.Евтеев, В.В.Стукалов, Т.Ф.Калугина, В.В. Покачалов. Белорецк, 2001. - 180 с.

20. Кардонский В.М., Курдюмов Г.В., Перкас М.Д. Влияние размера и формы частиц цементита на структуру и свойства стали после деформации // МиТОМ. 1964. - №2. - С.2-8.

21. Кардонский В.М., Курдюмов Г.В., Перкас М.Д. Тонкая структура хо-лоднодеформированной высокоуглеродистой стали // ФММ. 1963. -Т. 15. - Вып.2. - С. 244.

22. Потемкин К.Д. Термообработка и волочение высокопрочной проволоки. М.:Металлургия, 1963. - 120 с.

23. The Tensile Properties of Pearlite/ M. Gensamer, E. Perrsall and oth. // Bain-ite and Spheroidite Transactions of American Society for Metals. 1983. -Vol. XXX. - P.983.

24. Шипли Б.А. Высокопрочная стальная проволока // Высокопрочная сталь. М.: Металлургия, 1965. -С. 215-230.

25. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. М.: Машгиз, 1960. - 496 с.

26. Попов А.А., Попова J1.E. Изотермические термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. Справочник термиста. М.: Металлургия, 1965. - 487 с.

27. The EDC process: Metallurgical Rounol and Industrial Applications/ Economoponlos M., Lambert N. // Wire Journal. -1981. № 3. - P.90-95.

28. Анализ возможностей и разработка рекомендаций по организации производства катанки диам. 5,5 мм на действующих станах: Отчет о НИР / ИЧМ. Днепропетровск, 1987. - 150 с.

29. Петракевич Л.И., Швец Т.В. Перспективы использования ресурса пластичности в производстве металлокорда // Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве: Сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 1990. - С.45-50.

30. Исследование влияния различных факторов на структуру и временное сопротивление разрыву катанки, термообработанной заготовки и холоднотянутой проволоки из низкоуглеродистых сталей БМК: Отчет о НИР. Белорецк, 1995.- 160 с.

31. Литовченко Н.В., Вишневский М.А. Об оптимальном диаметре катанки для проволочных станов // Металлург. 1962. - №10. - С.34-35.

32. Фомин Г.М., Лапшин Л.Я., Тарнавский А.Л. Об увеличении диаметра катанки для проволочных станов // Металлург. 1963. - №8. - С.24-25.

33. О механизме действия смазок при обработке металлов давлением / В.М.Корбут, С.Я.Вейлер, В.И.Лихтман, П.А. Рибиндер // Физико-химические закономерности действия смазок при обработке металлов давлением / АН СССР. М., 1963. - С.5-29.

34. Meigan F., German М. Optimieren des Drahtzichens mit trockenen Schnu-ermitteln // Drehtwelt. 1990. - №6. - S. 147-148.

35. Совершенствование технологии сухого волочения проволоки с применением эффективных смазок / Савинчук Л.Г., Вершигора С.М., Никифоров Б.А., Пудов Е.А., Большакова М.М., Косенко В.В. Магнитогорск: МГТУ, 1997. - 84 с.

36. Юхвец Н.А. Волочильное производство. М.: Металлургия, 1965. -314 с.37,38