Производство стали (листы)

Размещено на http://www.allbest.ru/

103

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Аналитический обзор по вопросу использования интенсивной пластической деформации при производстве горячекатаного листа

1.1 Широкополосные станы горячей прокатки

1.2 Основные технологические операции на ШСГП

1.3 Опыт применения и виды пластической деформации при горячей прокатке листов и полос

1.4 Эффективность интенсивной пластической деформации при горячей прокатке

1.5 Выводы. Цель, задачи работы

2. Непрерывный широкополосный стан горячей прокатки 1700 АО «АрселорМиттал Темиртау»

2.1 Назначение, сортамент стана

2.2 Состав оборудования стана

2.3 Технология производства полос на стане

2.4 Технико-экономические показатели стана

2.5 Возможности использования интенсивной пластической деформации на стане

3. Разработка технологии производства горячекатаного листа на

НШПС 1700 с реализацией интенсивной пластической деформации

3.1 Интенсивная пластическая деформация

3.2 Реализация интенсивной пластической деформации

3.3 Технология прокатки полос с реализацией интенсивной пластической деформации

4. Математическое моделирование процесса горячей прокатки листа с интенсивной пластической деформации

4.1 Технологическая и математическая формулировка задачи моделирования очага деформации

4.2 Математическое моделирование очага деформации при прокатке без реализации интенсивной пластической деформации

4.3 Математическое моделирование при прокатке с реализацией интенсивной пластической деформации

4.4 Сравнение результата моделирования

5. Исследование параметров горячей прокатки на НШПС-1700 по новой технологии

5.1 Алгоритм расчета параметров прокатки

5.2 Режимы прокатки полос на стане по новой технологии

5.3 Расчет параметров прокатки полос

5.4 Анализ результатов расчета параметров проката

6. Технико-экономическая эффективность новой технологии

6.1 Технические преимущества новой технологии

6.2 Методика расчета экономической эффективности

6.3 Расчет экономической эффективности новой технологии

6.4 Область применения новой технологии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ



ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мире эксплуатируется около 155 широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП). Поддержание конкурентоспособности продукции таких станов диктует необходимость их постоянного усовершенствования с целью повышения качества выпускаемой продукции (по точности размеров, механическим свойствам и состоянию поверхности), расширения размерного и марочного сортамента, снижения производственных затрат и, в редких случаях, повышения производительности.

Вследствие того, что каждый ШСГП является в значительной мере уникальным агрегатом, его реконструкция или модернизация - всегда сложная и многофакторная задача. Кроме того, из-за жесткой конкуренции на рынке металлов модернизация стана должна выполняться с минимальными потерями производства, т.е. практически «на ходу».

Спрос в мировом рынке на металлургическую продукцию, в том числе и на плоский металлопрокат, в настоящее время продолжает расти. Из-за растущего спроса общемировой объем производства стали в 2012 году уже превзошел объем производства достигнутый в мире в 2010 году.

Восстановление мирового рынка стали способствует также и расширению мощностей. При этом некоторые металлургические компании разрабатывают новые и возобновляют старые проекты, отложенные в 2010 году вследствие кризиса. Для решения поставленных задач производят реконструкции ШСГП. Реконструкцию ШСГП производят обычно поэтапно с кратковременными остановками станов. Специалисты фирмы "VOEST - Alpine" считают, что рациональны три варианта реконструкции станов:

- текущее усовершенствование в течении достаточно продолжительного времени или постоянное;

- проведение одного или двух крупных мероприятий в короткое время;

- коренная модернизация стана с перемещением его на другую площадку.

Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением, в том числе прокатного производства, обусловлено повышением требований к качеству продукции. Листовая продукция, получаемая методом продольной прокатки, характеризуется разным уровнем свойств по длине, ширине и высоте полосы, что связанно со строчечной макроструктурой проката. Поэтому способы, позволяющие выровнять и улучшить механические свойства при продольной прокатке, весьма актуальны.

Существует множество способов реализации интенсивной пластической деформации для повышения качества листового проката. Одним из эффективных - является использование профилированных валков в черновых группах при производстве листового проката, который позволяет решать ряд технологических задач, направленных на улучшение свойств стали. Такой способ дает значительный экономический эффект от внедрения, без значительных реконструкций, так как позволяет в случае необходимости вести прокатку традиционным способом, с тем же составом оборудования, а также применения слябов с рельефной поверхностью.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В настоящее время реализация резервов улучшения качества металла на этапах обработки давлением осуществляется применением рациональных режимов обжатий, оптимизацией температурно-скоростных условий процесса, совершенствованием конструкций деформирующих устройств. Однако для существующих технологических процессов эти резервы, как правило, исчерпаны. Поэтому актуальным является разработка принципиально новых процессов деформирования, в основе которых лежат современные представления о формировании и трансформации структуры металла за счет применения дополнительных эффектов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка технологии производства горячекатаных листов с реализацией интенсивной пластической деформации при минимальном изменении исходных размеров и усилий деформации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояние, структуры и механических свойств заготовок при прокатке в рельефных валках.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация изложена на 85 страницах машинописного текста, включая 45 рисунков и 11 таблиц. Состоит из введения, 6-и разделов, заключения, списка литературы из 26 наименований.



1. Аналитический обзор по вопросу использования интенсивной пластической деформации при производстве горячекатаного листа

1.1 Широкополосные станы горячей прокатки

Горячекатаная полосовая сталь составляет до 70% всего горячекатаного листового проката. Часть этого количества используется в качестве исходных заготовок для производства полосовой холоднокатаной стали. Товарный прокат полосовых станов поставляется заказчику в виде рулонов и листов. Значительное развитие производства широкополосной горячекатаной стали объясняется высокой производительностью широкополосных станов, значительными технико-экономическими преимуществами по сравнению с другими станами. Производительность широкополосных станов на тонну установленного оборудования в несколько раз выше, а расходный коэффициент по металлу и себестоимость ниже, чем на толстолистовых станах. В настоящее время горячекатаная полосовая сталь производится на станах следующих типов:

- широкополосных непрерывных и полунепрерывных;

- широкополосных реверсивных и универсальных;

- широкополосных реверсивных с моталками в печах;

- планетарных.

В мире насчитывается около 155 широкополосных станов горячей прокатки, включая планетарные и станы с печными моталками. Мировое производство широкополосной стали составляет около 230 млн. тонн в год. Производительность современного непрерывного широкополосного стана достигает 6 млн. тонн в год, а полунепрерывного - 2-3 млн. тонн в год.

Так как сортамент широкополосных реверсивных станов почти полностью перекрывается сортаментом непрерывных и полунепрерывных станов, а производительность их значительно ниже (до 0,4 млн. тонн в год), строительство реверсивных универсальных станов прекращено. Низкая производительность широкополосных станов с печными моталками (до 0,6 млн. тонн в год) и планетарных станов (до 0,15 млн. тонн в год) обусловливает их использование на металлургических предприятиях с ограниченным объемом производства или для прокатки легированных сталей.

Сортамент непрерывных и полунепрерывных станов очень широкий. Минимальная толщина прокатываемых полос 0,8-1,0 мм, максимальная от 12-16 мм до 25 мм, максимальная ширина 2350 мм. Полосы толщиной 0,8-1,2 мм прокатывают на широкополосных станах в том случае, когда в чистовой группе стана не менее семи клетей и прокатка экономически целесообразна.

В качестве исходной заготовки применяют литые или катаные слябы толщиной от 250-300 мм до 350 мм, шириной до 2350 мм, длиной до 13200 мм. В последней клети непрерывных станов скорость прокатки достигает 27-30 м/с. Суммарная мощность главных приводных двигателей достигает 150 МВт, масса оборудования - 40000 т. Широкополосные станы горячей прокатки состоят из двух групп рабочих клетей (черновой и чистовой), расположенных последовательно и связанных между собой рольгангами. Производительность и технологию прокатки определяют в основном характеристика и состав оборудования черновой и чистовой групп стана. В непрерывном широкополосном стане раскат прокатывается в каждой клети только один раз, т.е. в каждой клети производится только один пропуск. В непрерывном стане черновая группа клетей состоит из вертикального окалиноломателя (может быть также и горизонтальный окалиноломатель) и четырех-шести рабочих клетей. Часть клетей могут быть двухвалковыми. Большая часть клетей - четырехвалковые универсальные.

При прокатке полос на непрерывном стане количество пропусков равно количеству клетей, в то время как при прокатке на полунепрерывном стане представляется возможность изменять количество пропусков при прокатке в реверсивной клети. Это позволяет иметь для полунепрерывных станов более широкий сортамент слябов и полос, а также полнее использовать стан при прокатке легированных сталей. Технико-экономические показатели широкополосных станов горячей прокатки (производительность, сортамент, качество полос, объем капитальных вложений, себестоимость продукции) определяются схемой расположения и характеристикой основного и вспомогательного оборудования.

Станы третьего поколения, построенные в 70-х годах и позже, имеют производительность 4-6 млн. тонн в год, скорость прокатки до 30 м/с, массу рулона до 46 т, длину бочки валков 2000 мм и больше. Длина станов этого поколения до 730 м. Прокатка в непрерывной группе чистовых клетей ведется с ускорением. Станы оснащены автоматизированными системами управления технологическим процессом для регулирования и стабилизации температуры конца прокатки и смотки рулонов, разнотолщинности и плоскостности.

Для нагрева слябов используются методические печи с торцевой задачей и выдачей. Чтобы сократить длину стана, на станах третьего поколения последние 2 или 3 черновые клети объединены в непрерывные подгруппы. Перед непрерывной группой устанавливаются летучие ножницы для обрезки переднего и заднего концов раската. Прокатанные в чистовой группе клетей полосы по рольгангу транспортируются к моталкам, где сматываются в рулоны. Отводящий рольганг имеет системы охлаждения полосы для обеспечения необходимой температуры при смотке.

Для отделки горячекатаных полос и листов в отдельных пролетах цеха устанавливаются травильные агрегаты, нормализационные печи, агрегаты продольной и поперечной резки, дрессировочные станы и другое отделочное оборудование [1].



1.2 Основные технологические операции на ШСГП

Длительное время получение готового проката выполнялось по технологической схеме слиток - готовый прокат. В этих условиях получали слиток небольшой массы и выбирался он с таким расчетом, чтобы из него можно было получить необходимое изделие всего за один нагрев. Однако по мере развития машиностроения и металлургии, главным образом высокопроизводительных способов получения стали, возникла необходимость разливать сталь в слитки значительной массы 6ч10 т и более. Получение готового проката из такого слитка за один нагрев не всегда представляется возможным. По этой причине начали строить обжимные станы, задача которых состояла в обработке слитка в заготовку. Данное обстоятельство привело к новой технологической схеме: слиток -- полупродукт (сляб) -- готовый прокат (рисунок 1.1).



Рисунок 1.1 - Технологические схемы производства горячекатаных полос



Поэтому прокатные цехи, как правило, имеют в своем составе обжимные (блюминги, слябинги) и заготовочные станы, являющиеся основными агрегатами, связывающими сталеплавильные цехи и прокатные станы, выпускающие готовый прокат. Наряду с такой широко распространенной технологической схемой наблюдается переход к схеме литая заготовка - готовый прокат. Этому способствует успешное освоение разливки стали в заготовки квадратного и прямоугольного сечений, что имело распространение лишь в цветной металлургии. Непрерывное литье стальных заготовок длительное время не применялось из-за значительных трудностей выполнения технологического процесса самой разливки. Однако этот процесс обеспечивает получение химически более однородной плотной заготовки, что резко повышает выход годного. Например, на слябах спокойной углеродистой стали выход годного выше на 20 %, чем при разливке в изложницы. Вместе с тем исключается необходимость иметь отделение подготовки изложниц и поддонов.

Применение непрерывной разливки стали снижает себестоимость металлургического передела, так как при этом устраняется необходимость в дорогостоящем оборудовании обжимных цехов, исключаются расходы на содержание обслуживающего и административного персонала. Установлено, что себестоимость проката в этих условиях снижается на 8-10 % при улучшении во многих случаях механических свойств и других характеристик стали. Кроме того, непрерывная разливка существенным образом меняет условия работы в сталеплавильных цехах, позволяет механизировать и автоматизировать все металлургическое производство: получение чугуна, стали, готового проката. Поэтому непрерывная разливка получает значительное развитие во всех странах.

За рубежом для широкополосовых станов горячей прокатки применяют только непрерывнолитые слябы. Максимальное сечение слябов с MHЛЗ 200ч355х1000ч2300 мм. В России и на Украине пока еще применяют катанные слябы поперечного сечения 100ч250x900ч1800 мм. Но тенденция приимущественного использования непрерывнолитых слябов в России обозначилась четко, а в Украине пока работают оба имеющихся в стране слябинга.

В Казахстане на АО "АрселорМиттал Темиртау" с 2005 по 2006 год производство проката было полностью переведено с катанных слябов на непрерывнолитые.

1.3 Опыт применения и виды пластической деформации при горячей прокатке листов и полос

Пластическую деформацию металла с интенсивными макросдвигами можно рассматривать как одно из эффективных средств обеспечения высокого качества листового проката.

Интенсивные макросдвиги в процессе листовой прокатки могут быть обеспечены разными технологическими и конструктивными способами: применением заготовок и валков с волнистой или рифленой поверхностью, асимметричной прокаткой, неравномерным подстуживанием раската по его толщине и ширине. Во всех этих случаях интенсивные макросдвиги достигаются в результате локального деформационного воздействия на прокатываемый металл.

На основе проведенных исследований были предложены различные способы горячей прокатки листов на толстолистовых и широкополосных станах с использованием рельефных заготовок и валков. В том числе предложен способ прокатки с многократным преобразованием поверхности широких граней слябов из плоской в рельефную и обратно, что позволяет повысить механические свойства и качество поверхности листового проката [2]. Предложен способ прокатки с неполным заполнением впадин на валках, обеспечивающий удаление окалины с поверхности заготовок из сталей, склонных к повышенному окалинообразованию [3]. При прокатке с подстуживанием возможно сочетание локальных деформационного и температурного воздействий на деформируемый металл [4].

При этом подчеркнуто, что предложенные способы целесообразно использовать при невозможности достижения больших вытяжек - в случаях применения тонкослябовой технологии, когда толщина слябов максимально приближена к толщине готовых листов; при прокатке сверхтолстых листов и плит и др [5]. В целом в работе отмечено, что эффективность и преимущества прокатки с интенсивными макросдвигами на толстолистовых и широкополосовых станах по сравнению с традиционной технологией реализуются при следующих требованиях:

- поставки листовой продукции с регламентированными свойствами, в том числе дифференцированной по группам прочности;

- получения проката высоких групп отделки поверхности;

- повышения производительности контролируемой прокатки.

В другом комплексе работ, выполненных в МИСиС [6,7], экспериментально и на основе компьютерного моделирования исследованы закономерности объемного пластического течения металла при прокатке на гладкой бочке раскатов со сложной конфигурацией поперечного сечения. Выявлена возможность значительной интенсификации воздействия на металл осевой зоны раскатов и разработаны технологические мероприятия по повышению уровня механических свойств хладостойкой высокопрочной стали при прокатке на толстолистовом стане 3000.

Следует обратить внимание на оригинальный способ улучшения проработки внутренних слоев металла крупных квадратных заготовок при прокатке в скрещенных (до 2,5°) валках [8,9]. Способ при его дальнейшем развитии может оказаться эффективным и при прокатке узких толстых полос.

Рассмотренные выше работы были в основном посвящены исследованию процесса прокатки заготовок, поперечное сечение которых имеет выступы и впадины определенной конфигурации. Такой способ прокатки листов на толстолистовых станах позволяет использовать обычные гладкие валки. В первых черновых проходах при преимущественном обжатии выступов на широких гранях слябов достигается существенная неравномерность деформации по сечению слябов, сопровождающаяся интенсивными макросдвигами.

Другой способ реализации деформации, сопровождающейся макросдвигами при горячей листовой прокатке, состоит в применении рабочих валков, на бочках которых выполнены выступы. Выступы на бочках рабочих валков могут быть выполнены по винтовым линиям с углом подъема ц. При ц=0° винтовые выступы имеют вид колец, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси валка, а при ц=90° выступы становятся параллельными оси валка.

На толстолистовом реверсивном стане 2800 были проведены экспериментальные исследования влияния локальных деформаций на свойства листовой стали. Для этого на поверхностях бочек рабочих валков черновой двухвалковой клети токарной обработкой создали систему чередующихся выступов и впадин (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Профиль валка с кольцевыми проточками

Глубина кольцевых проточек д= 5.7мм, а ширина разделяющих проточки опоясывающих выступов b=70ч95мм [10]. Эксперименты позволили установить, что использование дополнительного локального деформирования в черновых проходах обеспечило увеличение ударной вязкости толстолистовой стали; также было отмечено снижение коэффициента анизотропии ударной вязкости в продольном и поперечном направлениях листа.

Был предложен способ прокатки листов в реверсивной клети двух клетевого толстолистового стана [11]. Заготовку прокатывали в валках, на бочках которых с постоянным шагом выполнены кольцевые проточки, при этом на заготовке формируются регулярно расположенные продольные выступы и впадины. После каждого прохода заготовку перемещали вдоль бочки валка на величину, равную половине шага между кольцевыми проточками, осуществляли реверс прокатной клети с одновременным уменьшением межвалкового зазора и выполняли следующий проход в тех же валках. Последовательность перечисленных операций повторялась в каждом черновом проходе, что обеспечило интенсификацию деформирования металла в поперечном направлении. Завершают прокатку заготовки в чистовой клети с гладкими валками. Такая схема прокатки обеспечивает интенсификацию пластического течения металла в продольном и поперечном направлениях; при этом анизотропия структуры и механических свойств листа уменьшается в зависимости от величины перемещения металла в направлении, перпендикулярном оси прокатки.

При прокатке на НШПС интенсификация макросдвиговых деформаций создает благоприятные условия для измельчения дендритной структуры заготовки и заваривания внутренних дефектов. В работе [2] предложено осуществлять чередование в клетях НШПС обжатий в валках с кольцевыми проточками и с гладкой бочкой, чем обеспечивается многократное преобразование формы заготовки.

Противоположно направленное пластическое течение металла по ширине заготовки при прокатке в валках с кольцевыми проточками способствует более эффективному удалению окалины с поверхностей заготовки. Это обстоятельство позволило авторам работы [12] рекомендовать использование таких валков для удаления окалины; к тому же трудоемкость подготовки таких валков в 2-3 раза меньше, чем обычно применяемых для этих целей валков с лунками.

Поперечные перемещения металла в очаге деформации в ряде случаев могут приводить к уменьшению поперечной разнотолщинности листов. Такой эффект достигается, если хотя бы в одной из первых клетей НШПС используют рабочие валки с неглубокими кольцевыми проточками, когда длина средней части бочки валка с проточками составляет 0,25-0,35 общей длины бочки [13].

Исследования процесса прокатки свинцовых образцов на лабораторном стане и листов из низколегированных сталей на промышленном реверсивном стане 2800 показали, что при использовании валков с кольцевыми проточками наблюдается улучшение формы концов раскатов в плане, которая в этом случае приближается к прямоугольной [14]. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению величины торцевой обрези и снижению расходного коэффициента металла при производстве листов.

При суммарной оценке эффективности применения валков с кольцевыми проточками необходимо учитывать и их расход, поскольку увеличение площади контакта с нагретым металлом может ухудшить тепловые условия работы валков.

Заметный износ валков с кольцевыми проточками черновой реверсивной клети стана 2800 происходит по кольцевым выступам, которые сильно подвержены фрикционному, окислительному и термическому износу. Кроме того, наличие кольцевых проточек увеличивает износ активного слоя валков и сокращает общее число их плановых переточек.

Помимо возможного увеличения расхода валков следует обратить внимание и на возможный рост суммарных энергозатрат. Так, в реверсивной двухвалковой клети толстолистового стана 2800 при одинаковых температурных условиях прокатки переход на использование валков с проточками привел к увеличению на 10-15% мощности, потребляемой электродвигателями главного привода [15]. В то же время мощность, потребляемая электродвигателями чистовой четырехвалковой клети при прокатке заготовки переменной толщины в гладких рабочих валках, практически не изменилась. Представляет интерес прокатка листов в валках, на бочках которых выполнены продольные выступы, параллельные оси валка.

В работе [16] предложен способ прокатки, согласно которому для улучшения прорабатываемости структуры металла в черновом проходе проводят обжатие заготовки в валках с продольными выступами на бочках, а в последующих проходах - обжатие в гладких валках (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Схема прокатки полосы с локальным

деформированием в валках с поперечными выступами

Такой способ прокатки, особенно в сочетании с обжатиями в черновых проходах в валках с кольцевыми проточками, обеспечивает усиленные макросдвиговые деформации, приводящие к снижению анизотропии и улучшению механических свойств горячекатаных листов. Способ прокатки легко осуществим на толстолистовых станах. Для этого достаточно после прокатки раската в валках с кольцевыми проточками провести его кантовку на 90° и задать в гладкие валки чистовой клети [12]. Промышленные испытания показали, что при прокатке в чистовой клети раската с переменной толщиной по его длине наблюдаются колебания усилия и момента прокатки. Эти колебания могут быть значительными: для условий толстолистового стана 2800 при величине выступов до 10 мм отклонение усилия прокатки от среднего значения составляло 1,5-2,5 МН, а в отдельных случаях достигало 5-7 МН. С целью снижения колебаний усилия прокатки в работе рекомендовано при черновых проходах смещать расположение проточек со стороны верхнего и нижнего валков относительно друг друга.

Выступы или впадины винтовой формы верхнего валка 1 расположены оппозитно впадинам или выступам нижнего валка 2, а угол подъема винтовой линии. ц= 45ч60°. Выступы и впадины верхнего 1 и нижнего 2 валков имеют одинаковые размеры. В процессе прокатки в валках с выступами винтовой формы происходит эффективное измельчение структуры по всему сечению заготовки 3 благодаря знакопеременной деформации изгиба в ее продольном и поперечном направлениях, а также смещению выступов и впадин по ширине заготовки.

В следующей работе [17] был рассмотрен процесс прокатки листов в валках с кольцевыми проточками. Процесс характеризуется следующими стадиями

1. Деформирование раската с ровной поверхностью в калибрование валках.

2. Деформирование раската переменной толщины в поперечном направлении в калиброванных валках.

Исследовали первую стадию процесса методом физического моделирования на лабораторном стане 340. Опытную прокатку выполняли на составных свинцовых образцах с нанесенными координатными сетками на плоскостях А, Б, В, Г (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Схема нанесения координатных сеток на составной образец

При определении шага сетки использовали методику работы [23]. Составные части образцов склеивали сплавом Вуда.

При прокатке варьировали относительным обжатием , отношением исходной ширины к толщине образца В₀/Н₀, отношением глубины проточки к длине полуволны образующей калиброванных валков а/l (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Схема очага деформации

Указанные параметры обеспечивают их независимое варьирование. Диапазон изменения параметров при проведении исследования был следующий: =0,320,03; В₀/Н₀ = 2,72; а/l = 0,6300,315.

Влияние параметров прокатки и калибровки валков на распределение деформаций в объеме очага оценивали по изменению положений узлов координатной сетки после разделения составных частей образцов, остановленных в валках. Погрешность измерения деформаций на микроскопе УИМ-21,согласно методике работы [18], составила 5 мкм (рисунок 1.6).



Рисунок 1.6 - Распределение по ширине поверхности очага деформации (заштрихован поперечный профиль полосы) 1 - текущая координата очага деформации (х=0); 2 - (х = ); 3 - (х=)

Процесс деформации металла в валках с проточками по своему характеру наиболее близок к процессу прокатки слябов в разрезных калибрах.

1.4 Эффективность интенсивной пластической деформации при горячей прокатке

Промышленное опробование способа прокатки толстых листов в валках с кольцевыми проточками выполнено на стане 2800 ЧерМЗ. Влияние этого способа на механические свойства стали оценили путем прокатки слябов одной плавки (для исключения влияния химического состава стали), которые были разделены на две партии -- одну прокатывали в гладких валках, другую - в калиброванных.

Результаты механических испытаний листов опытных плавок подтвердили вывод об эффективности применения валков с кольцевыми проточками, полученный при лабораторных исследованиях. Так ударная вязкость в поперечном направлении для стали 09Г2 повысилась на 17-47 МДж/м², 17ГС на 1-23 МДж/м², стали 20 на 8 -18 МДж/м². Во всех случаях свойства сталей 20, 09Г2 и 17ГС, прокатанных в валках с кольцевыми проточками, соответствовали требованиям стандарта. В то же время 10 % образцов из сталей 09Г2 и 17ГС, прокатанных только в гладких валках, показали результаты ниже значений, предусмотренных ГОСТом. Прокатка с использованием калиброванных валков приводит и к более равномерному распределению ударной вязкости по ширине листа.

При продольной схеме прокатки в калиброванных валках наблюдали снижение анизотропии ударной вязкости(r). Для стали 09Г2 r =1,9 против r= 2,8 при прокатке в гладких валках, для стали 2Осп r=1,53 и r=1,62 соответственно (рисунок 1.7).

Рисунок. 1.7 - График частоты ударной вязкости: a-валки с проточками, б- гладкие валки

Статистический анализ результатов сдаточных испытаний по 22 плавкам стали 17ГС, прокатанных на калиброванных, и 61 плавке, прокатанной на гладких валках, показал повышение ударной вязкости на 0,05 МДж/ м² для листов толщиной 7,5-9 мм и 0,12 МДж/м² для листов толщиной 10 мм.

При этом уменьшился и диапазон изменения ударной вязкости от 0,2-0,1 до 0,4-0,12 МДж/м³. Кроме того, при прокатке в гладких валках на 13 % больше образцов, не отвечающих требованиям стандарта.

Отмеченное не может быть объяснено влиянием химического состава, поскольку в рамках исследуемого объема экспериментальных данных прослеживается слабая зависимость между величиной ударной вязкости и содержанием серы. Влияние других химических элементов также не обнаружено. При этом металл, прокатанный в валках с проточками и на гладких валках, не имел существенных отличий как по содержанию серы, так и других элементов. Следовательно, полученный результат - улучшение механических характеристик металла обусловлен применением валков с кольцевыми проточками [15].

Условия деформирования и определяемая или накопленная деформация оказывают существенное влияние на свойства металла, причем повышения накопленной деформации, как правило, положительно сказывается на качестве металла.

Уровень механических свойств металла повышается вследствие знакопеременного характера деформации. Если для процесса не свойственно знакопеременное деформирования создают специальные условия для его реализации изменением конфигурации инструмента и заготовки, которые вызывают дополнительные макросдвиги. Создание условий, обеспечивающих знакопеременность деформации и дополнительные сдвиги периодическим обжатием металла по его длине, технологически затруднено. Поэтому в работе [12] предложено следующее техническое решение: существенная демонотонность процесса с дополнительными макросдвигами обеспечивается системой чередующихся выступов и впадин, наносимых в одном случае на поверхность широких граней непрерывнолитого сляба, а в другом - на рабочие валки. В этом случае на ряду с деформацией в высотном и продольном направлениях, характерной для прокатки металла на толстолистовых и широкополосных станах, создаются условия для деформации металла и в поперечном направлении, что должно сказаться на снижении анизотропии свойств. Прокатка полос с постоянным обновлением формы широких граней способствует интенсификации процесса удаления окалина с поверхности полосы. Такой способ прокатки в сочетании с работой системы гидросбива позволит получить существенное улучшение качества поверхности горячекатанных листов. Результаты испытаний механических свойств листов, полученных деформацией макросдвингами показали, что наряду с улучшением общего уровня свойств, существенно повышается их стабильность не только по ширине, но и по длине полосы [12].

Применение валков с кольцевыми проточками на толстолистовом реверсивном стане позволяет наряду с улучшением механических свойств и формы раскатов в плане улучшить качество поверхности раскатов благодаря выкатке поверхностных дефектов и более полному удалению окалины.

В связи с этим были проведены исследования на стане 1700. при этом на бочке валков двухвалковой клети, расположенной непосредственно за вертикальным окалиноломателем, резцами нарезали кольцевые проточки (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Валки с кольцевыми проточками

Вариант Б отличается от варианта А более пологими наклонными поверхностями проточек при одном и том же размере между серединой гребней и впадин. При этом руководствовались следующими соображениями.

Удаление окалины и выкатка дефектов поверхности улучшаются с увеличением неравномерности линейной скорости соседних точек образующей бочки валка и уменьшением длины участков бочки, имеющих постоянную линейную скорость. Максимальная протяженность каждого из участков гребней образующей бочки валков выбрана из условия устойчивой транспортировки слябов рольгангом и снижения трудоемкости изготовления. Форма бочек Б должна полностью исключать возможность образования закатов на металле.

С целью определения эффективности предложенной калибровки валков в двухвалковую клеть периодически задавали валки гладкие и с кольцевыми проточками. Поскольку значительная часть горячекатаного металла поступает на отгрузку и дальнейшие переделы без сортировки, то эффективность использования валков с кольцевыми проточками определяется по данным отсортировки холоднокатаных листов в третью группу отделки поверхности.

Анализ показал, что применение валков с кольцевыми проточками снижает выход вторых сортов металла по дефекту «плена». Длительная эксплуатация показала некоторое повышение срока службы валков за счет более плавного износа поверхности валков с кольцевыми проточками, а также улучшение качества поверхности горячекатаного листа [13].

Рассмотрим теперь поведение металла при прокатке рельефного сляба в гладких валках. Исследовали течение металла при прокатке заготовок с чередованием трапециевидных выступов и треугольных впадин по широким граням и с гладкими широкими гранями. Для исследования использовали метод Муаровых полос. Образцы изготовили из свинцово-сурьмянистого сплава. В вертикально-поперечных плоскостях разъема нанесли системы рисок. После прокатки образцы разъединяли для снятия информации. Полученная экспериментальная информация позволила провести качественный анализ течения металла.

Для образца с гладкими гранями характерно достаточно равномерное течение металла по сечению и некоторая локализация деформаций в областях, прилегающих к углам. Сдвиговые деформации действуют только в углах. развитых поперечных потоков деформации не наблюдалось.

Течение металла с впадинами по широким граням существенно неравномерно и характеризуется периодичностью изменения величин частных производных (от выступа к выступу, от впадины к впадине). Вследствие большой разницы в частных производных под выступами и под впадинами происходит перераспределение потоков металла. Наряду с продольной вытяжкой и высотным обжатием наблюдается сравнимое с ним по интенсивности течение металла в поперечном направлении - из-под выступов к впадинам. Сдвиговые деформации действуют практически по всему сечению образца, что по-видимому способствует завариванию внутренних дефектов.

Таким образом, характер течения двух заготовок при одинаковых геометрических параметрах очага деформации принципиально различен. При прокатке заготовки с рельефом на ее широких гранях следует ожидать более плотной макроструктуры, повышенных механических свойств с более низкой их анизотропией, чем таковые при прокатке гладкой заготовки [14].

Одним из способов является способ прокатки, включающий нагрев, прокатку в несколько проходов с получением раската с выступами и впадинами на его широкой грани с последующим снятием рельефа прокаткой в гладких валках. В процессе прокатки осуществляют принудительное подстуживание выступов [15]. Предлагаемый способ позволяет существенно изменить схему пластического течения металла в процессе прокатки и, тем самым, заваривать дефекты внутреннего строения осевой зоны- пустоты, поры, пузыри и т.п., что повышает плотность макроструктуры в осевой зоне готового проката.

Следующий способ получения листового проката включает последовательную деформацию слитка из прямоугольного в поперечном сечении в волнообразный и снова в прямоугольный, причем, с целью уменьшения поперечной разнотолщинности листов, волнообразный профиль придают слитку в волнообразном калибре, симметричном относительно его осевой горизонтальной плоскости [16]. На рисунке 1.9 иллюстрируется способ прокатки.

Рисунок 1.9 - Схема способа прокатки: 1-валки; 2- раскат; 3- эпюра распределения удельных давлений

Способ прокатки, преимущественно широких полос, при котором получают рифленую заготовку с чередованием выступов и впадин, а затем деформируют ее в гладких прокатных валках до получения заготовки с плоской поверхностью, осуществляют многократное преобразование формы поверхности от плоской к рифленой в нечетных проходах и от рифленой к плоской в четных и заменой впадин рифленой заготовки в каждом предыдущем нечетном проходе выступами последующего нечетного прохода, перекрывающими упомянутые впадины [17]. На рисунке 1.10 представлена последовательность формоизменения раскатов до конечного профиля, а также профилировка валков по проходам. Результатом данного способа прокатки является снижение анизотропии физико-механических свойств путем создания благоприятных условий для измельчения дендритной структуры и заваривания внутренних дефектов.



Рисунок 1.10 - Последовательность формоизменения раскатов до конечного профиля и профилировка валков по проходам: 1-сляб; 2-5 - рельефные валки; 6,7- гладкие валки; 8,9- раскат

Другим способом прокатки широких полос из непрерывно литых слябов является способ, при которых в черновых проходах деформацию осуществляют с формированием рифленой поверхности на одной из граней и плоской поверхности на противоположной грани с заменой в каждом последующем проходе плоской поверхности на рифленую и наоборот, а затем деформируют в гладких валках на готовый лист [18] (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 - Модификация раскатов в процессе осуществления способа: 1- сляб; 2,3- верхний и нижний гладкие валки; 4- средний валок с рельефной поверхностью; 5- выступы; 6- впадины

Данный способ обеспечивает существенную проработку дендритной структуры центральных слоев раската, приводящей к повышению уровня механических и эксплуатационных свойств готовых изделий. А за счет многократного преобразования формы широких граней сляба (раската) появляется значительное количество знакопеременных изгибов приповерхностных слоев раската, что благоприятно сказывается на разрыхлении и удалении окалины. Для обеспечения высокого качества проката используется периодический процесс обжатия полосового материала в эксцентричных валках с асимметрично взаимодействующими цилиндрическими бочками [19]. Этот процесс обладает улучшенными энергосиловыми показателями по сравнению с рядом других аналогичных процессов обработки металлов давлением. Преимущества данного способа объясняются явлением стимуляции в очаге меж валкового зазора деформаций сдвига верхних слоев относительно нижних. Схема прокатки по данному способу представлена на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12 - Положение эксцентричных валков в зависимости от угла поворота: а- 0 град.; б- 90 град.; в- 180 град.; г- 270 град.

Для обеспечения интенсивного деформирования осевых слоев слитков, а также заваривания внутренних дефектов предлагаются следующие типы слитков.

Слиток для прокатки толстых листов, имеющий в сечении прямоугольную форму, на поверхности граней большей площади которого выполнены вырезы глубиной 0.1-0.4 высоты слитка и суммарной шириной 0.5-0.7 от его ширины, расположенные симметрично относительно вертикальной и поперечной осей [20]. В результате использования данного слитка повышается плотность центральных слоев заготовки, уменьшаются макро разрывы полосы в виде расслоений, интенсифицируются проработки литой структуры металла, увеличивается производительность процесса деформации. На рисунок 1.13 изображен слиток, поперечное сечение.

Рисунок 1.13 - Слиток для прокатки: Н₀,В₀- исходные размеры слитка;

Н_вр,В_вр- размеры выреза

Другой слиток для прокатки толстых листов, имеющий на поверхности граней большей площади вырезы треугольной формы глубиной 0.1-0.4 высоты слитка, а на каждой грани меньшей площади вдоль продольной оси слитка выполнен вырез треугольной формы [21]. За счет этого улучшаются условия кристаллизации слитка. Объемы слитка, прилежащие к боковым граням, приобретают большую, чем в случае кристаллизации обычного слитка, пластичность. При деформировании такого слитка происходит интенсификация деформирования литой структуры слитка. На рисунке 1.14 представлена форма слитка для прокатки толстых листов.

Рисунок 1.14 - Слиток для прокатки толстых листов



Другой разработкой является слиток для прокатки, содержащий большие грани с вырезами, направленными вдоль оси слитка, причем вырезы одной большей грани расположены относительно вырезов другой большей грани по разные стороны от оси поперечного сечения, параллельного меньшим граням [22]. Это дает улучшение качества проката путем интенсификации деформирования литой структуры и улучшения условий заваривания внутренних дефектов.

Использование слитка следующего вида дает преимущества: интенсифицируется деформирование литой структуры металла в осевой зоне слитка, улучшаются условия его повышения и равномерного распределения по всему объему проката его механических свойств

Данный слиток для прокатки толстых листов, на гранях большей площади которого в продольном направлении расположены с чередованием выступы и вырезы, при этом основания выступов лежат в одной плоскости, а высота центров вершин выступов уменьшается в направлении от центра к периферийным зонам по параболическому закону:

hi=H0-(0,002-0,003)bi2, (1.1)

где, hi- высота слитка по вершинам выступов;

H0- высота центральной части слитка;

bi- расстояние между центрами выступов.

На рисунке 1.16 показано поперечное сечение слитка.

Рисунок 1.16 - Слиток для прокатки: 1 - слиток; 2- выступы; 3- вырезы

Другой слиток для деформирования, грани описанного многоугольника которого сопряжены со скошенными гранями, расположенными под разными углами к описанному многоугольнику, причем скошенные грани симметричны относительно центра симметрии слитка и асимметричны относительно осей, соединяющих середины противоположных сторон описанного прямоугольника [24] (рисунок 1.17).

Рисунок 1.17 - Слиток для деформирования

Использование данного слитка приводит к увеличению суммарной деформации, улучшению условий проработки литой структуры металла и условий заварки внутренних несплошностей металлургического и прокатного происхождения, следовательно, к повышению механических свойств (характеристик качества проката) - предела текучести, предела прочности и относительного удлинения. Однако, несмотря на все вышеперечисленные достоинства, использование таких слитков в промышленных условиях затруднительно, так как необходимо создавать изложницы со сложной конфигурацией.

1.5 Выводы по 1-ой главе

В процессе анализа научной и патентной литературы выяснили, что интенсивные макросдвиги можно использовать как одно из эффективных средств обеспечения высокого качества листового проката. Разработки, касающиеся производства горячекатаного листа на толстолистовых реверсивных и непрерывных широкополосовых станах, доведены до практического опробования и готовы к промышленному применению. Форма концов подкатов в плане и, соответственно, потери металла в обрези на ШПС существенно зависят от размеров поперечного сечения слябов (отношения ширины к толщине), от качества нагрева слябов в методических печах (распределения температуры по объему слябов), от совместной деформации слябов вертикальными и горизонтальными валками в черновых клетях. На стороне привода валков имеют место повышенные продольные удлинения слоев металла на концевых участках подкатов, что увеличивает потери металла в обрезь. Снижению потерь металла в обрезь на ШПС способствует равномерное распределение температуры по объему слябов, подаваемых в прокатку, а также наличие в слябах более горячих центральных слоев.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка технологии производства горячекатаных листов с реализацией интенсивной пластической деформации при минимальном изменении исходных размеров и усилий деформации.



2. Непрерывный широкополосный стан горячей прокатки 1700

2.1 Назначение, сортамент стана

Непрерывный широкополосный стан 1700 расположен на территории комбината АО «АрселорМиттал Темиртау» в листопрокатном цехе № 1 и находится северо-восточнее г. Темиртау. Цех введен в эксплуатацию в 1968 году.

НШПС 1700 предназначен для горячей прокатки полос следующих размеров:

толщина полос …………………………………………от 1,5 до 12,0 мм

толщина большемерного проката ……………………от 13,0 до 160 мм

ширина …………………………………………………от 800 до 1524 мм

Исходным материалом для прокатки полос служат непрерывнолитые слябы, полученные на машинах непрерывного литья заготовок (MHЛЗ), толщиной 180 - 220 мм (±5,0 мм) и шириной 830 - 1530 мм (±10,0 мм) общей производительностью 5,2 млн. т. в год (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Сравнение основных параметров непрерывных листовых (широкополосных) станов горячей прокатки

Параметры	Стан
	1700(РК)	1700(РФ)	2000(РФ)	2030(США)
Слябы: Масса (макс.), т. Длина (макс.), м	22 9,5	15 6,3	36 10,5	32 9,0
Черновая группа: Число рабочих клетей Диаметр рабочих валков, мм Скорость прокатки (макс.), м/с	5 1000-950 3,14	5 1000 3,0	5 1200 5,0	5 1120 2,84
Чистовая группа: Число рабочих клетей Диаметр рабочих валков, мм Скорость прокатки (макс.), м/с	7 700 14,6	6 700 15	7 800 20	7 725 15,25
Производительность стана, тыс.т/год	5200	3500	5800	3600

Химический состав стали должен соответствовать требованиям соответствующих межгосударственных стандартов, стандартов промышленно развитых стран с ограничениями по “Внутризаводскому регламенту химического состава стали” и “Внутризаводскому регламенту химического состава стали по зарубежным стандартам, выплавляемой в сталеплавильном производстве” АО “АрселорМиттал Темиртау”.

Геометрические размеры и предельные отклонения, а так же форма полос (рулонов), поставляемых по межгосударственным стандартам должны соответствовать требованиям стандартов промышленно развитых стран - требованиям СТИ 309-ПГ-11-2000.

На поверхности полос не должно быть трещин, плен, закатов, открывающихся пузырей, раковин, вкатанной окалины и кинематических включений.

Допускается наличие тонкого слоя окалины; не препятствующей выявлению поверхностных дефектов, незначительна рябизна и шероховатость от опавшей окалины, отдельные местные вмятины и риски, не выводящие размеры проката за пределы допускаемых отклонений.

Предельные отклонения по ширине полосы с необрезанной кромкой в рулонах не должны превышать: при ширине полос до 1000 мм +20, при ширине полос свыше 1000 мм +30. Серповидность полосы в рулонах не должна превышать 10 мм на длине 3 м. Телескопичность рулонов не должна превышать 75 мм.

Стан предназначен для производства горячекатаных полос толщиной 1,2-12мм шириной 700-1550 мм свернутых в рулоны весом до 23т, и листов толщиной 1,2-12мм, шириной до 1550 мм.

Стан специализирован для прокатки следующих марок стали, распределяемых по группам нагрева:

1) Слябы кипящих и полуспокойных марок стали с содержанием углерода до 0,37%: Ст3кп, Ст3кп, 08кп, 08пс, 08Ю, Ст4пс и др.;

2) Слябы спокойных марок стали с массовой долей углерода до 0,37%: Ст4сп, Ст3сп, 1006 и др.;

3) Слябы спокойных марок стали с массовой долей углерода от 0,37% до 0,5% и слябы низколегированных марок стали: 17ГС, 09Г2С, 20ГЮТ и др.; горячекатаный лист прокатка

4) Слябы спокойных марок стали с массовой долей углерода выше 0,5% и слябы легированных марок стали: 60Г, 65Г, 70Г и др.;

5) Слябы кипящих и полуспокойных марок стали, предназначенные для производства жести и холоднокатаного листа в ЛПЦ-3: 0,6кп, 0,8пс, 0,8ю и др.

2.2 Состав оборудования стана

Непрерывный широкополосный стан 1700 состоит из 12 рабочих клетей, двух окалиноломателей и ряда вспомогательных механизмов. Схема расположения основного оборудования НШПС 1700.

В состав стана 1700 горячей прокатки входят: участок загрузки, участок нагревательных печей, черновая и чистовая группы клетей, а также уборочная линия стана.

Участок загрузки состоит из загрузочного рольганга, подъемных столов со сталкивателями и передаточных тележек.

Участок нагревательных печей состоит из приемного рольганга, загрузочного рольганга (перед каждой печью), сдвоенных толкателей и четырех методических печей. Методические печи рекуперативного типа, пятизонные, с двухсторонним нагревом с торцевым посадом и выдачей предназначена для нагрева слябов (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Схема НШСГП-1700: 1 - нагревательные печи; 2 - приемный рольганг; 3 - черновой окалиноломатель с вертикальными валками; 4 - черновой окалиноломатель с горизонтальными валками; 5 - черновая клеть кварто; 6 - универсальные черновые клети кварто; 7 - промежуточный рольганг; 8 - летучие ножницы; 9 - чистовой окалиноломатель; 10 - чистовые клети кварто; 11 - отводящий рольганг; 12 - душирующие устройства; 13 - моталки

Черновая группа клетей состоит из последовательно расположенных вертикального и горизонтального окалиноломателей, первой рабочей клети “кварто” и четырех рабочих универсальных клетей “кварто” №2-№5. Первая клеть черновой группы с диаметром рабочих валков 1000 мм не является универсальной, так как при необходимости она может использоваться в качестве уширительной. Установка пяти четырехвалковых клетей черновой группы обеспечивает прокатку сляба в подкат с минимальной разнотолщинностью.

Промежуточный рольганг оснащен системой теплоаккумулирующих экранов, устройством уборки недокатов на разделочный рольганг с огневыми резаками для порезки недокатов на листы.

Чистовая группа клетей состоит из: летучих ножниц, чистового окалиноломателя “дуо”, семи клетей “кварто” №6-№12 и автоматических систем позволяющих регулировать скоростные режимы прокатки, управлять настройкой (перестройкой) механизмов для обеспечения требуемых геометрических размеров, поперечного профиля и планшетности.

Уборочная линия стана состоит из: отводящего рольганга №1 с системой ламинарного охлаждения полос, тянущих роликов, первой группы моталок (№1-№3) для смотки полос толщиной до 4,0 мм и менее, 3-х обвязочных машин фирмы “Signode” типа М 400 N-114-СНЗ-А, отводящего рольганга №2, тянущих роликов, второй группы моталок (№4-№5) для смотки полос толщиной от 4.0 мм и более, тележек съемников, кантователей, приемников и конвейеров рулонов с подъемно-поворотными столами.

Адъюстаж цеха состоит из двух агрегатов поперечной резки полосы толщиной 1,8-4,0мм и 4,0-16мм, длиной от 2000мм до 8000мм, агрегат продольной резки полос толщиной 1,8-16мм, шириной от 120 до 1500мм, агрегат по производству лонжеронной полосы с роликовой нормализационной печью и дробеметной установкой для очистки поверхности металла от окалины [21].

...