» » Реализация промышленной технологии контролируемой прокатки сортовых профилей
06.02.2015

Сотрудниками ДПИ (ныне ДонНТУ) под руководством и при непосредственном участии автора книги выполнены работы по реализации процесса контролируемой прокатки на проволочных, мелкосортных и сортовых станах.
На предварительном этапе внедрения технологии контролируемой прокатки с учетом схем расположения и возможностей оборудования определяли технологические параметры производства выбранных видов продукции. К основным технологическим управляемым параметрам относятся: температура нагрева металла под прокатку; деформационный, скоростной и температурный режимы прокатки; режимы охлаждения. В работе представлен алгоритм расчета этих параметров.
Химический состав стали на стадии прокатки является неуправляемым фактором, но он в значительной степени определяет механические свойства металла. Поэтому в ходе разработки и освоения технологии контролируемой прокатки получены статистические зависимости для расчета механических свойств металла от содержания химических элементов, а также от температуры начала прокатки раскатов в чистовой группе клетей и смотки готового профиля в бунт.
В большинстве случаев в ходе выполнения работ по реализации технологии BTMO разработаны новые конструкции устройств для охлаждения сортового проката, новые элементы технологии контролируемой прокатки и калибровки валков, на которые получены авторские свидетельства.
Так, на стане 250 ОАО ЕМЗ были поставлены задачи, во-первых, получение арматурных профилей из углеродистых марок стали, отвечающих требованиям к механическим свойствам арматурных профилей классов Ат-IIIС, и, во-вторых, разработать технологию производства и организовать поставку арматурных профилей с гарантированной общей прочностью.
На основе опыта работы других станов, анализа технологии и расположения оборудования стана 250 определены места размещения охлаждающих устройств в потоке стана. Выбрана следующая схема: устройство междеформационного охлаждения длиной 2 м располагается перед чистовой группой стана; устройство последеформационного охлаждения длиной 8 м - за чистовой клетью перед трайбаппаратами моталок.
На рис. 87 показано устройство междеформационного охлаждения.
Реализация промышленной технологии контролируемой прокатки сортовых профилей

В коробе на подводящей магистрали воды высокого давления размещена нагнетающая форсунка, камера охлаждения, фиксируемая в двух подставках клиновыми затворами, гребенчатый отсекатель самоотсечки воды и воздушный отсекатель. Движение раската через устройство фиксируется вводной и выводной проводками. В устройстве междеформационного охлаждения длина камеры охлаждения 1 м, при этом время охлаждения не превышает 0,06 с при скорости раската 16 м/с. Для повышения эффективности охлаждения устройство последеформационного охлаждения выполнено двухсекционным - первая секция с камерой охлаждения длиной 2,8 м позволяет охлаждать металл до температуры 700-850°С, а вторая предназначена для термического упрочнения арматурного профиля №8 до требований класса At-IIIC. Длина камеры охлаждения во второй секции 1,4 м. При скорости прокатки металла 28 м/с время охлаждения в секциях составляет 0,1 и 0,05 с соответственно. Работа устройств всех четырех ниток стана обеспечивается двумя насосами с расходом воды по 300 м3/ч при давлении 20 атм.
Устройство последеформационного охлаждения (рис.88) также имеет короб, в котором размещены две охлаждающие секции. В каждую секцию соответственно входят; нагнетающая форсунка, камера охлаждения, самоотсечка и воздушный отсекатель. Движение раската через устройство фиксируется вводной, промежуточной и выводной трубчатыми проводками. Вторая секция выполнена поворотной в подвижной опоре, позволяющей убирать секцию с линии прокатки и производить прокат без термоупрочнения.
Реализация промышленной технологии контролируемой прокатки сортовых профилей

В ходе опытно-промышленных исследований на стане 250 варьировали температуру прокатки в чистовой группе клетей и температуру термического упрочнения готового проката. При этом были выбраны пять уровней температуры прокатки: 1080, 1000, 950, 900 и 850°C. Для каждого из них назначены три значения температуры смотки: 700, 650 и 600°С. Для достижения требуемых температур прокатки и смотки регулировали положение задвижек на магистралях воды высокого давления. При определении температурного режима на каждом режиме прокатывали не менее трех заготовок. От каждого отобранного бунта отрезали пробы для механических испытаний: от 10 первых и 10 последних бунтов по одному образцу от витка, от остальной части бунта - по одному образцу от каждых пяти витков. Температуру прокатки измеряли радиационным пирометром, а смотки - непосредственно на моталках.
Температура прокатки и смотки и результаты испытаний механических свойств одной из плавок приведены в табл. 17. Проведенные исследования показали, что при контролируемой прокатке с междеформационным охлаждением до 870°С и последеформационным охлаждением до 630°С достигнут комплекс механических свойств стали Ст5пс, соответствующий уровню требований к арматуре класса Aт-IIIC ГОСТ 10884.
Реализация промышленной технологии контролируемой прокатки сортовых профилей

Исследовали также режим прокатки без междеформационного подстуживания только с ускоренным охлаждением до 600-620°С. Установлено, что для условий стана 250 наиболее рациональным является режим без междеформационного подстуживания с ускоренным охлаждением до 600-620°С, при котором оборудование работает стабильно.
Проведено исследование, а потом и реализация технологии контролируемой прокатки на стане 250 арматурного профиля №10 из низколегированной стали 35ГС. При исследовании варьировали температуру смотки профиля в бунт в диапазоне 850-650°С.
При анализе полученных результатов установлено, что с понижением температуры конца ускоренного последеформационного охлаждения до 650°С величина и стабильность уровня механических характеристик стали 35ГС повышается. Характеристика пластичности (относительное удлинение) при этом несколько понижается, оставаясь во всех исследованных случаях значительно (на 7-10%) выше уровня, оговоренного ГОСТ 5781.
Анализ влияния химического состава стали при стабильном уровне технологии на механические характеристики позволил установить следующее: увеличение содержания углерода в сталях 35ГС, 33ГТ приводит к росту значений прочностных характеристик и снижению величины относительного удлинения, причем более чувствительными характеристиками к этому воздействию являются временное сопротивление разрыву и относительное удлинение. Предел текучести при этом имеет сходную тенденцию с пределом прочности, но значительно уступает ему в темпе роста. Так, при увеличении содержания углерода в стали 35ГС с 0,28 до 0,35% среднее по высоте бунта значение предела прочности возросло на 93 МПа, что составляет 17,7%, в то время как среднее значение предела текучести изменилось на 38 МПа, или же на 10,3%.
Статистический анализ генеральных распределений механических свойств периодического профиля №10 позволил установить, что механические свойства металла имеют такие характеристики: средние значения временного сопротивления разрыву равны σв>655,9 МПа; σт>432,8 МПА; σв min = 588,14 МПа, а для предела текучести σт min =392 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ 5781.
Определены статистические показатели механических свойств: среднеквадратические отклонения временного сопротивления разрыву Sσв=32,05 МПа; предела текучести Sσт=20,19 МПа; коэффициенты вариации
временного сопротивления разрыву S/х =0,05 и предела текучести S/x=0,05.
То есть, статистические показатели механических свойств арматурной стали соответствуют высшей категории качества.
На основе изложенного нами сделан вывод, что организация производства арматурных периодических профилей высшей категории качества в условиях непрерывного проволочного стана во всем объеме выплавляемых сталей возможна в случае регламентации температурного режима прокатки. При этом температурный режим смотки не выходит за пределы возможности сматывающего оборудования стана.
Вторая задача - производство и поставка проката с гарантированной общей прочностью (ГАРП) предусматривает дополнительное увеличение отрицательных отклонений по толщине (диаметру) и массе погонного метра листовой, угловой и арматурной стали при условии превышения ожидаемого минимального уровня прочности относительно нормативных значений [σв] или [σт]. Для изделий, прочностные свойства которых являются определяющими показателями, потребителю гарантируются уровень общей прочности и выполнение заказов в потребительских единицах.
Общая (агрегатная) прочность изделия определяется в зависимости от характера нагрузки. Применительно к арматурным периодическим профилям для железобетона, работающим преимущественно на растяжение, в качестве показателя общей прочности используется комплексный показатель, равный произведению нормативного значения [σв] и минимально допустимой площади поперечного сечения стержня [Fmin]. Поставка проката с ГАРП осуществляется по согласованию с потребителем.
Отличительной особенностью производства проката с ГАРП является необходимость прогнозирования на основе статистических исследований минимально возможного уровня прочностных свойств конкретной плавки и корректировки на его основе параметров заключительной стадии технологического процесса. При организации промышленного производства такого проката необходимо предварительно определить исходный уровень общей прочности (σв)исх каждого профиля и профилеразмера продукции в зависимости от действительного углеродного эквивалента Сэ. Эти зависимости отражают специфические особенности данного производства, стабильность технологического процесса, возможности оборудования и др. Статистические исследования проводят в соответствии с нормативными документами (ОСТ 14-34-78) и стандартами на продукцию. Углеродный эквивалент определяют по уравнению
Cэ = С + 0,25(Мn + Si),

где С, Mn и Si - массовая доля (%) углерода, марганца и кремния в арматурной стали.
Максимальная экономия металла при производстве и поставке арматуры с ГАРП достигнута с учетом особенностей конкретного производства и выбора рациональных технологических схем. Эффективность использования избыточной прочности арматуры в сравнении с требованиями ГОСТ 5781 для соответствующего класса определена при помощи коэффициента Кэф, представляющего собой процентное отношение достигнутой экономии металла Эме к возможной Э.
В работе рассмотрено шесть технологических схем для конкретных условий производства с ГАРП. Наиболее рациональными оказались две схемы, предусматривающие применение контролируемой прокатки. Первая из них основана на управлении процессом принудительного охлаждения раската с применением многосекционных охлаждающих устройств. Гибкое управление процессом охлаждения позволяет добиться необходимого запаса прочности арматуры для любых значений углеродного эквивалента в пределах марочного. Применение такой схемы исключает возможность чрезмерного переупрочнения и охрупчивания арматуры из плавок стали с углеродным эквивалентом, близким к верхней границе. В данном случае вся избыточная по сравнению с требованием ГОСТ 5781 прочность может быть реализована в виде экономии металла.
Вторая схема базируется на односекционных охлаждающих устройствах, в которых изменение режима охлаждения осуществляют с помощью регулировочной охлаждающей аппаратуры. Эта схема требует дополнительного обслуживающего персонала.
Общим достоинством этих схем является дифференцированное упрочнение арматуры, гарантирующее не только общую прочность изделия, но и требуемый уровень пластических свойств по ГОСТ 5781. Экономия металла в обоих случаях максимальна и лимитируется только геометрическими параметрами поперечного сечения профиля, определяющими такие потребительские свойства, как сцепляемость с бетоном. Они не требуют перенастройки стана при производстве арматуры с ГАРП.
Реализация технологии контролируемой прокатки арматурных профилей потребовала разработки методик расчета уширения металла, влияния неравномерного температурного поля на формоизменение раската, калибровки валков.
В привязке к проволочным и мелкосортным станам разработана гамма устройств ускоренного охлаждения раскатов.
Работы по освоению контролируемой прокатки проведены и на сортовых станах устаревшей конструкции. Это усложняло как разработку конструкции охлаждающих устройств, так и создавало трудности при разработке технологии.
Так, на крупносортном стане 585 Константиновского металлургического завода при прокатке полосовых профилей толщиной 18-25 мм и шириной до 200 мм из сталей 10ХСНД, 09Г2, ВСт3пс и ВСт3сп с целью повышения прочностных и вязких свойств раската осуществляли подстуживание металла на воздухе до 860-940°С с последующей прокаткой в чистовом проходе, что увеличивало такт прокатки, приводило к постоянному перегрузу оборудования линии привода валков чистовой клети и не обеспечивало стабильного уровня повышенных механических свойств готового проката.
Анализ технологии производства полосовых профилей на стане 585 позволил сделать вывод о том, что наиболее перспективным вариантом производства сталей с заданными механическими свойствами в условиях этого стана является их прокатка с регулируемым охлаждением (контролируемая прокатка).
Для регламентации температурного режима прокатки с ускоренным последеформационным охлаждением разработано и установлено в потоке стана 585 охлаждающее устройство открытого типа (рис.89).
Реализация промышленной технологии контролируемой прокатки сортовых профилей

Устройство содержит 60 форсунок, собранных в кассеты (по 4 шт. в каждой). Форсунки предназначены для образования водовоздушной смеси. Кассеты с форсунками установлены в траверсах, которые могут поворачиваться вокруг цапф. Траверсы крепятся к поворотным кронштейнам с возможностью перемещения относительно кронштейна. Описанные возможные перемещения позволяют необходимым образом ориентировать форсунки относительно движущегоея раската. В нерабочем состоянии поворотные кронштейны с форсунками отворачиваются за отбойники рольганга, что позволяет без помех осуществлять процесс прокатки без ускоренного охлаждения и ремонтнопрофилактические мероприятия. Первые пять поворотных кронштейнов имеют по две кассеты с форсунками. Таким образом, организовано две линии охлаждения: линия междеформационного подстуживания металла перед прокаткой в предчистовом калибре и линия последеформационного охлаждения металла после чистового прохода.
Устройство снабжено запорными и регулировочными вентилями, манометрами и расходомерами. Общая длина устройства 16 м. Рабочие расходы: воды 50-60 м3/ч при давлении 0,1-0,15 МПа, воздуха 4000-6000 м3/ч при давлении 0,2-0,4 МПа.
В разработанном устройстве применено одностороннее охлаждение раската с верхним расположением форсунок. Это связано со сложностью установки форсунок под плитами рольганга (по конструктивным особенностям оборудования).
Режимы технологии прокатки с регулируемым охлаждением отработаны при прокатке полос сечением 200x14, 150x12, 150x16 и 180x25 мм из сталей ВСт3пс и ВСт3сп. После прокатки в первом проходе чистовой клети полосу подстуживали водовоздушной смесью.
После чистового прохода полосу ускоренно охлаждали в устройстве для регулируемого охлаждения проката в процессе транспортирования полосы по рольгангу. Температуру металла на выходе из устройства фиксировали с помощью радиационного пирометра. Время охлаждения полос было постоянным. Интенсивность охлаждения регулировали с помощью изменения расхода воды в пределах 0-55 м3/ч при постоянном расходе воздуха 3000 м3/ч. Давление воды в магистрали составляло 0,1-0,15 МПа, воздуха - 0,2-0,3 МПа.
На рис. 90 приведены результаты механических испытаний образцов, отобранных после прокатки и подстуживания полос. Из рисунка видно, что с понижением температуры конца ускоренного охлаждения прочностные свойства стали повышаются на 10-25%. Пластичность стали изменяется незначительно. Повышение прочностных характеристик исследованной стали при ускоренном охлаждении связано с измельчением конечной структуры стали.
Реализация промышленной технологии контролируемой прокатки сортовых профилей

При исследовании микроструктуры установлено, что при ускоренном охлаждении в значительной степени изменяется соотношение структурных составляющих феррита и перлита. Содержание перлита с уменьшением температуры ускоренного охлаждения увеличивается, особенно в интервале 840-870°С. Размер перлитных колоний уменьшается с понижением температуры охлаждения до 840°С.
Технология контролируемой прокатки внедрена на стане 585 Константиновского металлургического завода. На этом же заводе предложено при контролируемой прокатке полосовых профилей использовать волнообразные калибры (рис.91). Прокатка раскатов в черновой и чистовой клетях происходит в таких калибрах за несколько проходов. Установлено, что уровень механических характеристик полосовых профилей в этом случае повышается на 8-15%.
Реализация промышленной технологии контролируемой прокатки сортовых профилей

С использованием полученных на стане 585 результатов и разработанных охлаждающих устройств разработана технология контролируемой прокатки угловых профилей сечением 125х80х8/12 мм и полособульбовых профилей №№18/24 по категориям А-32 и Д-32 повышенной прочности из низколегированных марок стали 09Г2 и 10ХСНД.
В результате внедрения технологии контролируемой прокатки на стане 620 Краматорского металлургического завода получены механические свойства металла полособульбовых профилей из низколегированной стали 09Г2 в диапазонах: σв = 520-560 МПа; σт = 370-390 МПа; δ = 23-26%; ударная вязкость при температуре испытаний минус 40°С KCV = 160-200 Дж/см2.
На мелкосортных станах 330 Краматорского металлургического завода и 300 Донецкого металлопрокатного завода проведен комплекс работ по реализации контролируемой прокатки арматурных профилей №№18/-22 из углеродистых марок стали с целью организации производства арматурной стали повышенной прочности класса Ат-IIIc. Разработанная технология базируется на новых конструкциях установок ускоренного охлаждения металла, новизна которых заключается в использовании способа пульсирующего течения хладагента в камерах охлаждения. Для отработки этого способа выполнены лабораторные исследования, результаты которых представлены в работах.
В условиях мелкосортных станов 250 Донецкого металлургического завода освоена технология контролируемой прокатки специальных профилей для деталей сельскохозяйственных машин из кремнистой пружинной стали 55С2, микролегированной титаном, кальцием и алюминием. В ходе выполнения работ установлено рациональное сечение и форма специального профиля, оценено влияние неравномерного температурного поля на уширение металла при прокатке прямоугольного раската в фасонном калибре на базе выполненных теплотехнических расчетов процесса регулируемого охлаждения, разработано устройство для ускоренного подстуживания раската водовоздушной смесью.
В ДЛИ разработан также совмещенный технологический процесс пластической деформации, термической правки и термического упрочнения углового проката в потоке станов 360 Енакиевского и 620 Краматорского металлургических заводов. Технология базируется на разработанной математической модели напряженно-деформированного и температурного состояния фасонного профиля в совмещенном процессе, а также новом способе прокатки и устройствах охлаждения проката. Сделаны важные выводы, что в условиях сортовых станов наиболее эффективными являются камерные устройства с охлаждением металла в сплошном потоке воды, а для фасонного проката -дифференцированное охлаждение проката в сплошном потоке воды.
Внедрение разработанной технологии на указанных станах при производстве угловых профилей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей позволило повысить процент выхода годного по II группе прочности и увеличить объем проката, поставляемого с высокой точностью по прямолинейности. Результаты исследований и внедрения технологии представлены в работах.
Подводя итог, можно сделать вывод, что к концу 80-х годов прошлого века в Донецком политехническом институте была разработана и реализована на прокатных станах разного типа и назначения технология контролируемой прокатки сортового металла из углеродистых и низколегированных сталей на основе установленных особенностей механизма формирования механических свойств металла и факторов, обеспечивающих направленное воздействие на структуру сталей. Разработанная технология при использовании установленных температурно-деформационных режимов прокатки и использовании широкой гаммы устройств ускоренного охлаждения позволила получать сортовой прокат широкого сортамента с улучшенными механическими свойствами, аттестовать его на более высокие категории качества и расширить возможности производства проката с гарантированной общей прочностью
Новизна разработок подтверждается внедренными в производство проката многочисленными авторскими свидетельствами. Материалы теоретических, исследовательских и прикладных работ широко опубликованы.