» » Лабораторное воспроизведение процессов разработки материалов
25.01.2015

Для воспроизведения в лабораторных условиях промышленной технологии термомеханической прокатки необходимо: выплавить лабораторную плавку разработанного химического состава; провести прокатку слитка (заготовки) по разработанному режиму; исследовать структуру и свойства проката.
Для выплавки обычно используют индукционные печи (открытые или вакуумные) с массой садки от 10 до 300 кг в зависимости от требуемых размеров проката, суммарной степени деформации и др. Для получения современных сталей, чистых по примесям и газам, с узкими пределами по химическому составу предпочтительнее использовать вакуумные печи (рис. 6.47). Сталь разливают в изложницы, полученный слиток (или его часть) прокатывают на лабораторном прокатном стане.
Лабораторное воспроизведение процессов разработки материалов

Для имитации реверсивной прокатки обычно применяют двухвалковые станы (дуо) с длиной бочки валков от 250 до 1000 мм (рис. 6.48), исследование прокатки полос на одноклетьевом стане сложно, для этой цели применяют например трехклетьевые станы, что обусловлено необходимостью получения малых междеформационных пауз (рис. 6.49).
Лабораторное воспроизведение процессов разработки материалов

Лабораторный прокатный стан нельзя считать чем-то новым в практике исследований, отечественные исследователи используют их в течение десятков лет. Ho речь идет о современных лабораторных комплексах, включающих в себя:
— современные нагревательные печи;
— прокатный стан, полностью автоматизированный;
— оборудование для осуществления последеформационного охлаждения, ускоренного, замедленного, многостадийного, по заранее разработанной схеме.
Лабораторный прокатный стан — средство, оказывающее помощь металлургам в разработке и коммерциализации новых идей с более высоким уровнем достоверности и в более короткие сроки.
Лабораторное воспроизведение процессов разработки материалов

Общие требования к лабораторным станам:
— технологические возможности лабораторного стана должны превышать возможности промышленного стана;
— гибкость технологических возможностей, модульность;
— программирование технологической схемы, автоматическое управление;
— контроль и фиксация максимального количества параметров. На лабораторном стане необходимо воспроизводить следующие технологические параметры:
— температуру (нагрева и деформации),
— частные обжатия,
— суммарную степень деформации,
— скорость деформации,
— междеформационные паузы,
— параметры ускоренного охлаждения (температура начала охлаждения, скорость охлаждения, температура завершения ускоренного охлаждения),
— окончательное охлаждение (включая замедленное).
Однако существуют стандартные проблемы и ограничения лабораторных станов.
Возможности имитации прокатки как листов, так и полос, минимальная пауза между проходами, что критично для имитации прокатки полос. Для этой цели стан должен объединять одну реверсивную клеть и многоклетевую установку (двухклетевой или трехклетевой тандем). Удобно иметь модульную систему для модифицирования конфигурации стана.
Отсутствие системы удаления окалины, что критично особенно для имитации ускоренного охлаждения, поскольку оставшиеся на поверхности металла участки печной окалины серьезно влияют на процесс теплопередачи.
Проведение операций вручную, ограничивающее массу заготовки (~25—30 кг) и, соответственно, размеры прокатываемого листа, а также точность проведения экспериментов.
Недостаточные возможности по усилию. Это необходимо, например, для прокатки листов высокопрочных трубных сталей при температуре ниже температуры рекристаллизации.
Необходимость быстродействия нажимных устройств, что особенно важно для контроля междеформационных пауз.
Отсутствие возможности осуществлять поперечную схему прокатки при небольшой длине бочки валков.
Несовершенство системы ускоренного охлаждения. Достижение равномерного охлаждения в системе ускоренного охлаждения — сложная задача; конструкция системы охлаждения (принцип подачи охладителя, форсунки, расположение и др.) здесь ключевые моменты. В процессе пусконаладки системы целесообразно пользоваться оборудованием для получения температурной карты поверхности (тепловизор), таким образом, холодные и горячие пятна могут быть четко выявлены.
Стан должен быть полностью автоматизирован, включая перемещение заготовки с опцией по переходу на полуавтоматический или полностью ручной способ, если необходимо.
Приборы для измерения температуры, размеров, усилий, датчики положения раската.
Размеры лабораторного стана (длина бочки и диаметр валков) в некоторых случаях позволяют принципиально изменить результативность эксперимента. Преимущества и дополнительные возможности стана с длиной бочки 500 мм и более:
— параметры деформации приближены к промышленному стану (диаметр валков, очаг деформации);
— возможность получить и испытать полномасштабный образец ИПГ (DWTT);
— возможность проводить испытания на растяжение на плоском поперечном образце;
— возможность прокатки части сляба промышленного производства полной толщины;
— суммарная степень вытяжки соответствует (близка) реальной;
— получение металла в количестве, достаточном для проведения комплекса механических испытаний и исследования сварки.
Вместе с тем, такой стан представляет собой комплекс весьма сложного и дорогостоящего оборудования, а также требует помещения больших габаритов.
Для обеспечения высокой стабильности в процессе работы лабораторного прокатного стана и высокой точности работы цифрового измерительного оборудования в системе автоматического управления технологическим оборудованием прокатки на современных лабораторных станах используется двухуровневая система компьютерного управления, обеспечивающая ввод и оптимизацию параметров предстоящей прокатки, хранение параметров технологического процесса. Основные функции управления включают в себя: управление главным приводом, рольгангами, управление нажимными устройствами, схемой прокатки, системой ускоренного охлаждения, контроль за положением раската, расчет энергосиловых параметров прокатки и параметров охлаждения. Все технологические параметры, такие как температура, усилие прокатки, крутящий момент, скорость прокатки, сила тока основного электродвигателя или его мощность, расход воды и другие можно измерять, отображать, записывать, хранить и обрабатывать.
Важным моментом является понимание того, что конкретно воспроизводится в таком эксперименте и что имеется на выходе (насколько данные приближены к реальным промышленным условиям), а также какие параметры воспроизводимы. В первом приближении возможно воспроизведение химического состава стали, температуры нагрева заготовки, температурно-деформационных параметров прокатки (температуры, частных обжатий, суммарного обжатия), условий охлаждения готового проката. Для дальнейших приближений необходимо определить критерии подобия.
Пример такого лабораторного эксперимента — исследование влияния технологических параметров контролируемой прокатки (Tкп = 760-950 °С) и последующего ускоренного охлаждения (Тко = 400-610 °С) на структуру и свойства низкоуглеродистых сталей типа 06ХГ2МНДФБ и 03ХГ2НДБ показало следующее (рис. 6.50 и 6.51):
— при всех исследованных температурах окончания прокатки с последующим охлаждением на воздухе ударная вязкость (~350 и ~250 Дж/см2) и пластичность стали 03ХГ2НДБ выше, чем у стали 06ХГ2МНДФБ;
— максимальный уровень ударной вязкости и минимальная переходная температура хрупкого разрушения в стали 03ХГ2НДБ с 0,09% Nb достигается уже при Tкп = 850 °С;
— ускоренное охлаждение исследованных сталей позволяет достичь уровня прочностных свойств класса Х80 (предел текучести более 570 Н/мм2);
— в широком интервале температур завершения ускоренного охлаждения наблюдается повышение прочностных свойств, ударной вязкости и хладостойкости стали 03ХГ2НДБ, для стали типа 06ХГ2МНДФБ при ускоренном охлаждении ниже 450 °C отмечается обратное снижение предела текучести, ударной вязкости и ухудшение хладостойкости вследствие образования значительного количества мартенсита.
Лабораторное воспроизведение процессов разработки материалов
Лабораторное воспроизведение процессов разработки материалов

Обе стали при охлаждении после прокатки на воздухе имеют ферритно-бейнитную структуру, причем доля бейнитной составляющей в стали 03ХГ2НДБ составляет 3-5%, а в стали 06ХГ2МНДФБ при снижении температуры окончания прокатки уменьшается от 35-40 до 15-20%. Зерно феррита в стали типа 06ХГ2МНДФБ монотонно измельчается от 9,4 мкм при Tкп = 870 °C до 6,6 мкм при Tкп = 760 °С.
В стали типа 03ХГ2НДБ при снижении температуры окончания прокатки от 950 до 850 °C наблюдается уменьшение среднего размера зерна феррита от 7,8 до 6,5 мкм, при дальнейшем снижении Tкп до 800 °C величина зерна не изменяется.
Подобная закономерность может быть объяснена с учетом различия в содержании ниобия в исследованных сталях. Ускоренное охлаждение обеих сталей приводит к измельчению зерна феррита и увеличению объемной доли низкоуглеродистого бейнита, так при Tко = 500-530 °C структура обеих сталей преимущественно бейнитная, а при Tко = 400 °C в стали 06ХГ2МНДФБ наблюдали значительное количество мартенсита.