Производство стали (листы)

2.3 Технология производства полос на стане

Исходным материалом для прокатки полос служат слябы, полученные на МНЛЗ. Со склада слябы (исходя из условий захвата раската валками и энергосиловых параметров стана (толщина слябов при ширине более 1250 мм не должна превышать 200 мм) подаются краном с клещевым захватом на загрузочные тележки, которые транспортируют их к подъемным столам; слябы по одному сталкиваются реечными толкателями на рольганг, взвешиваются на весах и толкателями загружаются в печи.

Нагрев слябов осуществляется в методических печах, нагревальщик осуществляет постоянный контроль за соблюдением режимов нагрева слябов. Слябы, нагретые до заданной температуры с учетом временного графика нагрева, выдаются из печей на приемный рольганг и передаются к черновой группе клетей.

В вертикальном окалиноломателе производится взламывание печной окалины и обжатие боковых граней сляба. Величина абсолютного обжатия с учетом фабрикационного припуска и теплового расширения не должна превышать 60 мм.

Взламывание печной окалины по широким граням сляба производится в черновом горизонтальном окалиноломателе с величиной абсолютного обжатия не более 25 мм.

В линии стана за вертикальным и черновым горизонтальным окалиноломателями, а так же перед клетями № 2-№6 установлены гидросбивы, высокого давления, с помощью которых производится, сбив печной и воздушной окалины с поверхности полос.

От чернового горизонтального окалиноломателя раскат последовательно задается в клети черновой группы №1-№5. Максимально допустимые обжатия и нагрузки на электроприводы приведены в таблице 3.

Прокатку в черновых клетях из-за высокой температуры и большой толщины сляба следует проводить с максимальным обжатием в каждой клети. Суммарное высотное обжатие в клетях черновой и чистовой группы распределены в соотношении 85% и 15% соответственно.

Обжатие раската по ширине производится в эджерах (вертикальных валках) клетей №2-№5 в соответствии с требованиями.

Обжатие в вертикальных валках черновых универсальных клетей принимается таким чтобы компенсировать естественное уширение при прокатке в горизонтальных валках.

После прокатки сляба в черновой группе клетей операторы поста управления №5 передают сведения о толщине и температуре раската на пост №7. Далее полоса по промежуточному рольгангу поступает к летучим ножницам для обрези концевых участков раскатов, минимальная температура раскатов перед летучими ножницами должна быть не ниже 980 С.

Перед чистовой группой клетей на летучих ножницах обрезаются передний и задний концы раската, а взламывание воздушной окалины производится чистовым окалиноломателем. Обязательной обрубке концов раскатов подлежат профиля готового проката, толщиной менее 4 мм.

В аварийных ситуациях раскат перед чистовой группой обрабатывается и маркируется (указывается марка стали, номер плавки и размеры). После резки их на мерные длины в соответствии с заказами маркировка переносится на каждый лист и листы складируются в пакеты.

Необходимым условием прокатки в чистовой группе клетей является постоянство секундных объемов металла по клетям. При распределении обжатий в клетях чистовой группы вальцовщик следит за нагрузкой двигателей, чтобы она не превышала предельно допустимой величины.

Стан имеет скорость прокатки в последней клети непрерывной группы до 18,2 м/с. Проводка переднего конца раската через все клети непрерывной группы и заправка переднего конца полосы в моталки при такой скорости практически невозможны. Поэтому первоначальная операция пропуска переднего конца полосы через клети и заправка в моталку осуществляются на заправочной скорости не более 10 м/с. После заправки переднего конца в моталки стан разгоняется до заданной рабочей скорости.

Для обеспечения необходимых механических свойств проката душирование полос осуществляется как в ручном режиме с включением соответствующих секций душирующей установки, так и в автоматическом режиме.Надежное измерение температуры полосы обеспечивается удалением воды с её поверхности в точке измерения при помощи гидросмывов.

Для повышения точности геометрических размеров прокатываемого металла, в особенности тонких полос, предусматривается режим несимметричной прокатки, который создается в последних клетях чистовой группы стана 1700 за счет разности диаметров бочек рабочих валков (от 1 до 8 мм).

Величина рассогласования окружных скоростей валков при этом должна составлять 1 -- 3 %. При этом валок большего диаметра устанавливают в клеть нижним.

Для регулирования плоскостности полос на чистовых клетях №10-12 установлена система противо изгиба рабочих валков.

Дополнительным регулятором плоскостности служит подстуживание поверхности металла, непосредственно перед входом в очаг деформации на клетях № 6-12.

После выхода полосы из непрерывной группы она транспортируется отводящим рольгангом к моталкам. На отводящем рольганге полоса охлаждается до определенной температуры °С.

Смотка полос осуществляется в следующем порядке:

- на моталки № 1,2,3 принимаются тонкие полосы толщиной 1,8 -4,0 мм;

- на моталки № 4,5 принимается металл толщиной 4,0 - 12,0 мм.

Обвязка рулонов производится находящейся в составе обвязочной машины М400 N-141-CH3-A обвязочной головкой М400 N-141-APSM. Для обвязки используется стальная упаковочная полоса типов «Арех» и «Magnus».

После смотки горячекатаной полосы в рулон тележкой-съемником он снимается с барабана моталки и задается в лентонаправляющую раму обвязочной машины.

После установки тележки-съемника в лентонаправляющей раме производится обвязка одинарной лентой по образующей рулона по его середине, по ширине.

Обвязанный рулон снимается с тележки-съемника и устанавливается на транспортер для передачи на дальнейшие переделы [21].

2.4 Технико-экономические показатели стана

К технико-экономическим показателям, характеризующим производство листовой стали, относятся: производительность стана, расход металла, валков, воды, а также энергетические затраты (электроэнергия, пар, сжатый воздух, топливо) на тонну готовой листовой стали.

Технически возможная часовая производительность листового стана может быть определена так:

А = 3600 G/Т. (2.1)

Практически возможная часовая производительность:

А=36000 GK_и /Т, (2.2)

где, G--масса заготовки; Т--ритм прокатки; К--коэффициент использования стана.

Ритм прокатки включает в себя время собственно прокатки и время пауз между отдельными проходами и заготовками. Коэффициент использования стана К_и учитывает различные простои, связанные с организацией производства.

Коэффициент использования стана находится в пределах 0,87--0,95.

Расход металла определяется потерями металла на угар в нагревательных устройствах и во время прокатки, на обрезку боковых кромок и концов и на брак.

Наибольший расход металла наблюдается при прокатке толстолистовой стали на станах линейного типа, где величина боковой обрезки (при прокатке из слябов) составляет 5--10%. Обрезь переднего и заднего концов составляет также 5--10%. Расходные коэффициенты при прокатке толстолистовой стали из слябов следующие (таблица 2.2):

Таблица 2.2 - Расходные коэффициенты при прокатке толстолистовой стали из слябов

Кипящая углеродистая сталь	1,18--1,23
Спокойная углеродистая сталь	1,20--1,25
Низколегированная сталь	1,20--1,27

Расход электроэнергии включает в себя расходы на прокатку, отделку и термообработку листов. Для толстолистовых станов линейного типа он составляет 60--70 кВт· ч/т.

Расход топлива при производстве толстолистовой стали на 1 т составляет примерно 2520 МДж.

Расход валков на толстолистовых станах линейного типа находится в пределах 1,20--1,30 кг на 1 т листовой продукции.

Расход воды при производстве толстолистовой стали составляет 2100--2600 м/ч.

Расходные коэффициенты при прокатке на непрерывных станах горячей прокатки в листах и рулонах (значения в скобках) (таблица 2.3):

Таблица 2.3 - Расходные коэффициенты при прокатке на непрерывных станах горячей прокатки в листах и рулонах

Кипящая углеродистая	1,065--1,075 (1,03--1,05)
Спокойная углеродистая	1,075 (1,03--1,075)
Низколегированная	1,075 (1,075)

2.5 Возможности использования интенсивной пластической деформации на стане

Для улучшения качества изделий при прокатке используют систему чередующихся выступов и впадин, наносимых на поверхность широких граней сляба или на рабочие валки. В этом случае наряду с деформацией металла в высотном и продольном направлениях, характерной для прокатки на толстолистовых и широкополосных станах, создаются условия для деформации металла в поперечном направлении.

Для достижения такой задачи были разработаны и изготовлены специально для лабораторного стана две пары рабочих валков с рельефной поверхностью в виде кольцевых проточек, образующих выступы и впадины, чередующиеся друг за другом по всей длине бочки.

В основу первой пары валков (рис. 2.2, а) положена схема трапециевидных бойков с не равным единице отношением длины выступа к длине впадины [18], в основу второй пары (рис. 2.2, б) положена схема трапециевидных бойков с равным единице отношением длин выступа и впадины [19]. Назовем эти схемы соответственно схемой А и схемой Б(рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Рельефные валки

Эксперимент проводили на свинцово-сурьмянистых образцах прямоугольной формы с размерами h0хb0хl0 =25x100x150 мм, на малые боковые грани которых была нанесена координатная сетка с шагом 5 мм. Деформирование заготовок проводили в пять проходов как в первой паре валков, так и во второй с обжатием в каждом проходе 1 мм. После этого на лабораторный стан установили гладкие валки и произвели деформирование заготовок для выпрямления их поверхности. Выпрямляли заготовки также поэтапно с обжатием на каждом проходе 1 мм. При этом выпрямление первой заготовки, прокатанной в валках по схеме А, произошло после седьмого прохода, тогда как заготовку, прокатанную ранее в рельефных валках по схеме Б, выпрямили полностью только после девятого прохода.

Замеры продеформированных (выровненных) заготовок показали следующее. Образец, продеформированный в валках по схеме Б, после выравнивания имел размеры l=265 мм, h= 17,5 мм, b= 105 мм, а у образца, продеформированного в валках по схеме А, после выравнивания эти размеры соответственно составили 245, 20 и 105 мм.

Для определения проработки металла провели эксперимент на алюминиевых образцах размерами 25,0 х101,3x200,8 мм. Предварительно был определен балл зерна, который лежал в интервале 5-6. После этого первые два образца были прокатаны в рельефных валках по обеим схемам и выравнены в гладких валках. Для создания одинаковых условий деформирования в рельефных и гладких валках образцы после выравнивания измерили, после чего третий образец прокатали в гладких валках с тем же обжатием, что и первые два. Обжатие при этом составило 5,3 мм. Из этих образцов подготовили микрошлифы и определили балл зерна в продольном и поперечном направлениях.

Результаты показали, что балл зерна после прокатки в рельефных валках как в поперечном, так и в продольном направлениях лежит в интервале 6-7, после прокатки в гладких валках в продольном направлении балл зерна составляет также 6-7, а в поперечном направлении 5-6.

Проведенный с помощью координатной сетки качественный анализ показал, что сдвиговая деформация, определяемая как:

, (2.3)

где, - угол наклона координатной сетки после деформирования.

В случае применения рельефных валков с не равным единице отношением длин выступа и впадины больше, чем при использовании рельефных валков с равным единице отношением этих длин (рисунок 2.3).

номер прохода

Рисунок 2.3 - Интенсивная пластическая деформация при прокатке в рельефных валках по схемам А (--) и Б (- - -).

Проведенный анализ использования рельефных валков с равным и не равным единице отношением длин выступов и впадин позволяет прогнозировать получение заготовок из стали необходимых размеров и высокого качества с реализацией интенсивной пластической деформации [20].



3. Разработка технологии производства горячекатаного листа на НШПС 1700 с реализацией интенсивной пластической деформации

3.1 Интенсивная пластическая деформация

Современные теоретические и технологические основы обработки металлов давлением основаны на сложном комплексе разделов физики и механики твердого тела, физики реального кристалла, физического металловедения, физической химии, теории деформационного трения.

Вопросы физики, пластичности и прочности составляют один из фундаментальных разделов физического металловедения и физики твердого тела. закономерности пластической деформации - один из самых распространенных технологических способов производства изделий - представляют значительный практический интерес.

Деформация как технологический способ обработки металлов используется для изменения формы изделий, а также структуры и соответственно свойств металла. Эти задачи часто решаются одновременно. Пластическая деформация в реальных условиях часто проявляется как непреднамеренный процесс, приводящий к релаксации напряжений, вызванных градиентом температур или сил трения, разностью коэффициентов термического трения и удельных объемов фаз.

В настоящее время резко возрастают требования, предъявляемые к качеству материалов и изделий, к уровню и стабильности их свойств.

Одним из путей улучшения качества металлопродукции, получаемой прокаткой, является создание дополнительных потоков течения металла, т.е. локализация развитых сдвиговых деформаций в очаге деформации не только в продольном, но и в поперечном направлениях.

Для улучшения качества изделий при прокатке используют систему чередующихся выступов и впадин, наносимых на поверхность широких граней сляба или на рабочие валки.

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.

3.2 Реализация интенсивной пластической деформации

С целью совершенствования технологических процессов призванных на улучшение механических свойств продукции полученных на стане горячей прокатки 1700 АО «АрселорМиттал Темиртау» предложен ряд технических средств:

1) Проработка сляба в вертикальном окалиноломателе, целью которого является: проработка боковых граней сляба, приводящий в свою очередь к появлению сдвиговых деформаций, а также обеспечить торможение поперечного течения металла в вертикальном направлении. Поставленную задачу можно добиться, если на рабочей поверхности вертикальных валков окалиноломателя выполнить с определенным шагом несколько кольцевых проточек (рисунок 3.1).



Рисунок 3.1 - Вертикальный окалиноломатель с кольцевыми проточками

С целью опробования описанной конструкции в соответствии с рисунком 3.1, спроектированы валки окалиноломателя с проточками глубиной 5 мм и шириной у дна 10 мм, шаг между проточками составлял 50 мм. Боковые стенки каждой проточки должны быть наклонены к оси валка на 45°, чтобы избежать появления закатов. В процессе обжатия поверхностные слои металла будут затекать в проточки и на боковых гранях заготовки сформируются продольные ребра, препятствующие уширению. Металл будет смещаться только в направлении вращения валков (продольном) без перетекания на верхнюю и нижнюю грани заготовки. На следующем этапе прокатки заготовку подвергают обжатию в двух гладких горизонтальных валках. При этом будет иметь место перетекание металла в поперечном направлении (уширение). Затем заготовка в гладких вертикальных валках универсальной клети получает обжатие до заданного размера. Эти валки сменяют полученные раннее на боковых гранях заготовки продольные ребра до образования плоской поверхности. Процесс смятия ребер должен обеспечить появление сдвиговых деформаций в поверхностном слое каждой боковой грани (рисунок 3.2).



Рисунок 3.2 - Основные размеры вертикального окалиноломателя

2) Предложен оригинальный метод прокатки листовых материалов в геликоидальных валках с разносторонней ориентацией спирали, особенностью которых является то, что бочка валков образована со скругленной вершиной выступа (рисунок 3.3)

Рисунок 3.3 - Схема геликоидального валка со скругленной вершиной

выступа: D-диаметр валка по выступам, мм; L-длина бочки валка, мм; m--шаг спирали, мм; R-радиус округления выступа и впадины, мм; s- высота выступа, мм; n-число заходов винтовой спирали, шт.; б--угол наклона спирали к оси валка

б--угол наклона спирали к оси валка, определяемый из соотношения:

(3.1)

Перечисленные геометрические параметры позволяют однозначно спроектировать форму валка в зависимости от технологической задачи.

На рисунке 3.4. показан способ прокатки в волнообразных валках деформация заготовки происходит только на отдельных (локальных) участках (зонах), направленных под углом б по отношению к продольной оси симметрии заготовки. В результаты макросдвиговой деформации при внедрении каждого выступа спирали в поверхность листовой заготовки образуются упрочненные зоны, придающие материалу повышенные прочностные характеристики при сохранении пластических свойств в целом. Кроме того, ярко выраженная неравномерность деформации позволяет снизить анизотропию механических свойств вследствие деформации полосы в поперечном направлении, а также приводит к разрушению дендритной структуры материала, ликвационных полос литейного происхождения и неметаллических включений в результате вытяжки материала по ширине заготовки и перевода этих дефектов на различный уровень при внедрении выступа в тело полосы (рис.3.4).

Рисунок 3.4 - Внешний вид валков с разносторонней ориентацией спирали

Прокатка осуществляется в клети с разнонаправленными валками, в нечетных проходах: горизонтальный окалиноломатель, клеть № 2, клеть №4. В процессе обжатия сляба верхним нижним профилированными горизонтальными валками первой клети - в первом нечетном проходе, особенность выполнения образующих, которых состоит в том, что для развития сдвиговых деформаций, во многом ответственных за измельчение дендритной структуры и заваривание внутренних дефектов металла, валки по всей длине рабочей части выполнены с чередованием выступов и впадин таким образом, что выступы и впадины верхнего валка относительно нижнего смещены так, что при сведении верхнего и нижнего валков друг к другу каждые выступ и впадина верхнего валка совмещают соответственно с впадиной и выступом нижнего, происходит расчленение границы очага деформации по ширине прокатываемой заготовки, приводящее к большому градиенту деформации, по всему объему деформируемого металла.

Особенность прокатки в черновых клетях заключается:

- прокатку с использованием геликоидальных валков осуществляют только в нечетных проходах (горизонтальный окалиноломатель, клеть №2, №4)

- при необходимости прокатку можно вести и традиционным способом, для этого меняют парк валков, с знаменной геликоидальных валков на цилиндрические.

Для получения взаимно пересекающихся деформационных участков после прохождения через клеть (горизонтальный окалиноломатель), прокатка в следующей клети №2 осуществляется с противоположной ориентацией спиралей, далее в клети №4 ориентация спиралей аналогично первой клети (горизонтальный окалиноломатель) (рисунок 3.5).



Рисунок 3.5 - Внешний вид полосы: а - рабочие валки горизонтального окалиноломателя, б - рабочие валки клети №2 (наклон спиралей в противоположную сторону), в - рабочие валки клети №4, г - после прокатки в геликоидальных валках, д - деформационные участки после прохода через клеть №2.

3.3 Технология прокатки полос с реализацией интенсивной пластической деформации

Предлагается два способа технологии производства горячекатаного листа:

1)Для реализации интенсивной пластической деформации при горячей прокатке листов был предложена применения рельефных валков. Рельефные валки устанавливались в черновой группе окалиноломателе.

Слябы, нагретые до температуры 1250^е С с учетом временного графика нагрева, выдаются из печей на приемный рольганг и передаются к черновой группе клетей.

В горизонтальном окалиноломателе производится взламывание печной окалины и обжатие граней сляба. Величина абсолютного обжатия с учетом фабрикационного припуска и теплового расширения составляет 30 мм.

В процессе обжатия в горизонтальном окалиноломателе с кольцевыми проточками поверхностные слои металла будут затекать в проточки и на гранях заготовки сформируются продольные ребра, препятствующие уширению. Металл будет смещаться только в направлении вращения валков (продольном) без перетекания на верхнюю и нижнюю грани заготовки. На последующих этапах прокатки в вертикальных валках (клеть № 2,3,4,5) заготовку подвергают обжатию в гладких валках (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 - Схема прокатки с применением рельефных валков.

От чернового горизонтального окалиноломателя раскат последовательно задается в клети черновой группы особенностью которых является:

- горизонтальный окалиноломатель, клеть № 2 и № 4 имеют волнообразные валки и деформация происходит только на локальных (выступах) участках, направленных под углом по отношению к продольной оси симметрии заготовки.

- клеть № 1, 3 и 5 имеют традиционные валки - цилиндрические.

Взламывание печной окалины по широким граням сляба производится в черновом горизонтальном окалиноломателе с величиной абсолютного обжатия не более 32 мм. После выхода из клети сляб имеет выступы повторяющие волнообразную форму валков.

Далее последующее обжатие выступов раската в клети № 1 производят до полного удаления или с некоторым обжатием по впадине в цилиндрических горизонтальных валках первой четной клети (вторая клеть по ходу прокатки) очаг деформации также расчленен - течение металла носит турбулентный характер.

Чередование прокатки с выступами и на гладкой бочки завершается в последней пятой клети (с гладкими валками) черновой группы, где подкат для черновой группы толщиной 35 мм выходит из клети с гладкой поверхностью.

После выхода сляба из черновой группы клетей температура поверхности подката составляет 1070°С.

Перед чистовой группой клетей на летучих ножницах обрезаются передний и задний концы раската, а взламывание воздушной окалины производится чистовым окалиноломателем. Окончательная прокатка до толщины 2 мм производится традиционным способом в чистовых клетях.

Необходимым условием прокатки в чистовой группе клетей является постоянство секундных объемов металла по клетям. При распределении обжатий в клетях чистовой группы вальцовщик следит за нагрузкой двигателей, чтобы она не превышала предельно допустимой величины.

Стан имеет скорость прокатки в последней клети непрерывной группы до 18,2 м/с. Проводка переднего конца раската через все клети непрерывной группы и заправка переднего конца полосы в моталки при такой скорости практически невозможны. Поэтому первоначальная операция пропуска переднего конца полосы через клети и заправка в моталку осуществляются на заправочной скорости 8,3 м/с.

2) Известен способ горячей прокатки полос на широкополосовом стане, включающий нагрев сляба, его черновую прокатку в клетях с горизонтальными и вертикальными валками и чистовую прокатку [24].

В соответствии с данными известным способом ширину полос регулируют в процессе черновой прокатки, обжимая сляб вертикальными валками. При этом из слябов какого-либо одного типоразмера получают полосы различной ширины, но обязательно меньшей, чем ширина исходного сляба. Этим обусловливается один из главных недостатков способа, т.к. при боковом обжатии слябов вертикальными валками концы раскатов становятся «рогообразными». Их перед чистовой прокаткой приходится отрезать, что приводит к отходам 3-4% заведомо годного металла с концевой обрезью. Способ требует также применения мощных вертикальных клетей, что усложняет конструкцию станов. Увеличиваются причем весьма значительно, энергетические затраты на прокатку.

Указанных недостатков лишены способы прокатки полос, в соответствии с которыми получают полосы, ширина которых больше ширины исходных слябов.

К числу таких способов относится, например, способ горячей прокатки полос, включающий черновую прокатку сляба в поперечном направлении [25].

При поперечной схеме прокатки полос требуется кантовка раската на 90є, что снижает производительность стана. Кроме того прокатка по поперечной схеме возможна, когда длина раската не превышает длины бочек валков, поэтому такая схема неприемлема для современных широкополосовых станов, где исходной заготовкой служат слябы длиной более 9-11 м, а длина бочек валков составляет 1700-2500 мм.

Известен способ горячей прокатки полос с увеличением ширины раскатов за счет задачи их в горизонтальные валки под углом [26]. За счет частичной вытяжки металла в направлении ширины раската получают полосы, ширина которых больше ширины исходных слябов.

Известный способ прокатки «на угол» имеет ограниченные возможности для расширения диапазона ширины полос, прокатываемых из слябов одного типоразмера, т.к. не позволяет прокатывать слябы, длина которых больше длины бочки валка за вычетом ширины исходного сляба, умноженного на косинус угла задачи сляба в валки. Кроме того, искажается геометрическая форма листов в плане, из-за чего увеличиваются отходы металла с концевой обрезью.

Известен способ горячей прокатки полос, включающий нагрев сляба, его черновую прокатку в валках с кольцевыми выступами, расположенными по середине бочек валков и чистовую прокатку. В процессе черновой прокатки обжимают лишь среднюю по ширине часть раската, причем ширину обжимаемого участка увеличивают от прохода к проходу [26].

При прокатке по данному известному способу эффективность увеличения ширины раската остается недостаточной. Обусловлено это тем, что увеличения ширины раската добиваются, прокатывая его в валках с кольцевыми выступами, расположенными по середине бочек валков, т.е. за счет преимущественного обжатия средней по ширине части раската. В этом случае уширению металла средней части полосы, обжимаемой кольцевыми выступами, препятствуют поперечные контактные силы трения в зонах очага деформации, соответствующих менее обжимаемым, т.е. крайним по ширине участкам раската. В результате больший объем металла средней части раската смещается в длину, способствуя образованию неровных концов, удаляемых затем в обрезь. При определенных условиях имеет место даже утяжка полосы, т.е. достигается эффект прямо противоположный требуемому.

Таким образом, известный способ прокатки с использованием валков с кольцевыми выступами характеризуется недостаточно эффективным увеличением ширины полос. Это сужает диапазон ширины полос, прокатываемых из слябов одного типоразмера и потому требует, увеличения количество типоразмеров слябов по ширине в сортаменте МНЛЗ, что снижает ее производительность. По этой же причине увеличиваются затраты на строительство и эксплуатацию МНЛЗ. Кроме того, из-за преимущественной вытяжки средней части полосы искажается геометрическая форма полос в плане, из-за чего увеличиваются отходы металла с концевой обрезью.

Предлагаемый способ подразумевает такую схему черновой прокатки, при которой после обжатия сляба прямоугольного сечения валками с кольцевыми выступами, расположенными по середине бочек валков, получают раскат с выступами по краям, обжимают его валками с цилиндрическими бочками, получают раскат прямоугольного сечения, вновь обжимают его валками с кольцевыми выступами, расположенными по середине бочек, получают раскат с выступами по краям и т.д., чередуя прокатку в валках с кольцевыми выступами и цилиндрическими бочками до получения подката прямоугольного сечения, который затем прокатывают в чистовой группе клетей стана, получая полосу требуемой толщины и ширины.

В соответствии со способом - прототипом после обжатия сляба прямоугольного сечения валками с кольцевыми выступами по середине бочек получают раскат с выступами по краям, вновь обжимают его валками с кольцевыми выступами по середине бочек и далее повторяют прокатку раската с выступами по краям в валках с кольцевыми выступами по середине бочек во всех оставшихся проходах.

По предлагаемому способу увеличения ширины раската добиваются, чередуя прокатку раската в валках с кольцевыми выступами и цилиндрическими бочками, по известному способу - прототипу - прокатывая раскат в валках с кольцевыми выступами с увеличением от прохода к проходу ширины средней обжимаемой части раската. Таким образом, в первом случае, в отличие от второго, имеет место черновая прокатка с многократным преобразованием одного сечения раската в другое: с выступами по краям - в прямоугольное, и наоборот. При этом крайние по ширине зоны очага деформации, препятствовавшие развитию уширения при прокатке по способу - прототипу становятся (в процессе обжатия раската с выступами по краям валками с цилиндрическими бочками) зонами преимущественного течения металла в ширину. Поэтому при прокатке по предложенному способу раскат уширяется больше, чем по известному (при прочих равных условиях). Это позволяет расширить диапазон ширины полос, прокатываемых из слябов одного типоразмера, и за счет этого унифицировать слябы, т.е. уменьшить количество их типоразмеров в сортаменте МНЛЗ.

При переходе на отливку на МНЛЗ унифицированных слябов в полной мере может быть реализован способ разливки «плавка на плавку», обеспечивающий значительное повышение производительности МНЛЗ по сравнению с разливкой одиночными плавками. Уменьшаться также затраты на создание сменного парка кристаллизаторов. Все это в конечном итоге позволит уменьшить себестоимость горячекатаных полос, т.к. за счет приведения в соответствие фондов времени и часовой производительности МНЛЗ и НШПС увеличится доля слябов, прокатываемых горячим всадом. Благодаря уменьшению дробности заказов уменьшится количество и время переналадок НШПС, что также будет способствовать уменьшению себестоимости горячекатаных полос.

Кроме того, унификация сортамента слябов позволит уменьшить массу МНЛЗ и тем самым сократить капитальные затраты на их строительство.

Соответственно увеличению объема металла, смещаемого в направлении ширины раската за счет указанных выше факторов, уменьшается при прокатке раската с выступами по краям в валках с цилиндрическими бочками в сравнении с прототипом объем металла, неравномерно смещаемого на торцы, т.е. того объема металла, за счет которого формируются концевые выступы, удаляемые затем в обрезь. Благодаря сказанному предложенный способ прокатки полос позволяет также сократить отходы металла с концевой обрезью.

На рисунке 3.7 схематично изображены нагревательная печь 1, сляб 2 и черновая группа клетей широкополосового непрерывного стана горячей прокатки полос, включающая вертикальный 3 и горизонтальный 4 окалиноломатели, клети 5…10 с горизонтальными валками, чистовой окалиноломатель 11 и ножницы 12.

В клетях 5,7,9 установлены валки, по середине бочек которых имеются кольцевые выступы, в клетях 6,8,10 - обычные, т.е. с цилиндрическими бочками валки.

Рисунок 3.7 - Схема горячей прокатки полос по новой технологии

Прокатку полос по предлагаемому способу осуществляют следующим образом.

Нагретый до температуры прокатки в печи 1 сляб 2 выдают на линию прокатки и обжимают сначала в валках вертикального 3 и затем горизонтального 4 окалиноломателей, разрыхляя и при помощи гидросбива (на чертеже не указаны) удаляя с поверхности сляба печную окалину. Очищенный от печной окалины сляб 2 последовательно прокатывают в клетях 5…10 , в которых валки с кольцевыми выступами по середине бочек чередуются с валками с цилиндрическими бочками. После обжатия в клети 10 получают раскат прямоугольного сечения, ширина которого соответствует ширине готовой полосы. Полученный после клети 10 раскат очищают от воздушной окалины в чистовом окалиноломателе. После обрезки на ножницах 12 неровных концов раскат передают в чистовую группу клетей (на чертеже не указаны), где заканчивают его прокатку, получая полосу которой превышает ширину исходного сляба (Приложение А)

Пример 1:

Образцы прямоугольного сечения размерами мм, изготовленные фрезерованием из предварительно обжатого на гидравлическом прессе свинца, прокатали за шесть проходов до толщины мм, с одинаковым относительным обжатием за проход . В соответствии с принятыми абсолютные обжатия были распределены по проходам следующим образом: мм. В первом, третьем и пятом проходах образцы прокатывали в валках с кольцевыми выступами, расположенными по середине бочек и имевшими ширину мм. Диаметры валков по краям бочек и по выступам были равны соответственно, и мм? При которых высота кольцевых выступов Во втором, четвертом и шестом проходах образцы прокатывали в валках с гладкими бочками диаметрами Всего в указанных условиях прокатали три образца. Ширину каждого из них измерили штангенциркулем, по данным измерения определили усредненные значения абсолютного и относительного уширения, получили

Пример 2:

Серия из трех таких же, что и в примере 1 свинцовых образцов, прокатали до толщины за шесть проходов с относительным обжатием в каждом проходе и таким же, что и в примере 1 распределением по проходам абсолютных обжатий В проходах с первого по пятый включительно образцы прокатывали в валках с кольцевыми выступами, расположенными по середине бочек, в шестом проходе - в валках с гладкими бочками. При прокатке в первом проходе ширин кольцевых выступов на бочках валков была равна 10 мм, при прокатке в последующих четырех проходах ее увеличивали на 2 мм за проход: до 12; 14 и 16 мм. Диаметры этих валков по краям бочек и по выступам, а также диаметры валков с гладкими бочками были равны соответствующим диаметром из примера 1. Определенные по аналогии с примером 1 усредненные значения и оказались равными 6, 8 и 8,5 % соответственно.

Из сравнения уширении, полученных при прокатке по заявленному и известному способу - прототипу следует, что в первом случае имеет место значительно более интенсивное увеличение ширины образцов, чем во втором. Это достигается за счет чередования прокатки в валках с кольцевыми выступами с прокаткой в валках с гладкими бочками и позволяет расширить диапазон ширины полос, прокатываемых из слябов одного типоразмера. Расширение диапазона ширины полос позволит в большей степени (чем для прототипа) унифицировать сортамент слябов по ширине, т.е. уменьшить типоразмеров слябов в сортаменте слябингов и МНЛЗ.

Отливка на МНЛЗ унифицированных слябов позволит уменьшить сменный парк кристаллизаторов, с разливки одиночными плавками перейти на разливку способом «плавка на плавку». При этом производительность МНЛЗ возрастет в среднем 1,6 раза, расходы по переделу сократятся почти на 30 %, соответственно снизится и себестоимость слябов.

Одновременно уменьшиться себестоимость горячекатаных полос, чему будет способствовать: увеличение доли слябов, прокатываемых горячим всадом, за счет приведения в соответствие фондов времени и часовой производительности МНЛЗ и НШПС; уменьшение количества и времени переналадок НШПС за счет уменьшения дробности заказов.

С унификацией сортамента слябов уменьшается масса МНЛЗ, что представляет возможности для снижения капитальных затрат на строительство новых МНЛЗ.

При увеличении объема металла, смещаемого в направлении ширины раската при прокатке по предложенному способу, уменьшается по сравнению с прототипом объем металла, неравномерно смещаемого на торцы, т.е. того металла, за счет которого формируются концевые выступы, удаляемые затем в обрезь. Поэтому предложенный способ прокатки полос позволяет сократить и отходы металла с концевой обрезью, что также способствует снижению себестоимости готовых полос.

Таким образом, технико-экономические и общественно-полезные преимущества заявленного способа прокатки полос по отношению к прототипу заключается в уменьшении себестоимости непрерывнолитых слябов и прокатываемых из них полос. Данный способ горячей прокатки реализует интенсивную пластическую деформацию.



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

4.1 Технологическая и математическая формулировка задачи моделирования очага деформации

На современном этапе развития науки и техники моделирование различных процессов деформирования в обработке металлов давлением имеет весьма большое значение, и этому способствуют несколько факторов [22].

Во-первых, моделирование позволяет исследователю заглянуть «внутрь» процесса, оценить возникающие напряжения и деформации, предсказать появление дефектов. Во-вторых, оно позволяет выявить оптимальные параметры инструмента и заготовки для наилучшего протекания процесса. И, в-третьих, современные программные комплексы моделирования предоставляют широчайшие возможности для работы, порой ограничивающиеся лишь фантазией пользователя. Они позволяют смоделировать практически любой процесс, минуя дорогостоящие эксперименты. Например, при создании штампа для какой-нибудь формовочной операции можно смоделировать данный штамп и варьированием различных геометрических и технологических параметров подобрать их значения с точки зрения оптимального заполнения полости штампа. После этого можно создавать сам штамп. Такой способ создания новых деталей в настоящее время активно используется в авто-, авиа-, машиностроительной и даже в оборонной промышленности. Поэтому моделирование различных процессов деформирования в обработке металлов давлением является актуальной задачей.

Интенсивное развитие вычислительной техники в 80-90-е годы прошлого века значительно расширило возможности научных исследований процессов обработки металлов давлением благодаря созданию пакетов прикладных программ, основанных на применении численного метода конечных элементов (МКЭ/FEM) для решения задач упругопластического течения металла. К таким пакетам относятся программы Alpid, Deform-2d и Deform-3d (фирма SFRQ, Superform и Superforge, фирма MSC), PamStamp (фирма Esi Group), Ansys LS-Dyna (фирма Ansys) и др.

Среди указанных программных комплексов наибольшее применение для решение задач обработки металлов давлением в настоящее время получила система Deform, ориентированная на моделирование процессов плоской и осесимметричной деформации (версия Deform-2d) b объемной деформации, включая сортовую прокатку (версия Deform-3d).

Deform является наиболее точной системой для моделирования сложных трехмерных процессов пластического деформирования металлов. Deform позволяет моделировать пластические течение материала для горячих, полугорячих и холодных процессов, причем это могут быть как изотермические, так и неизотермические процессы. Теплопередача между объектами и внутри них может быть проанализирована как отдельный процесс или совместно с процессом деформирования по сопряженной схеме. При расчете принимаются во внимание все факторы, влияющие на процесс обработки металлов давлением: конвекция, излучение, тепловыделение при фазовых переходах и пластических деформациях, выделение тепла при трении, потери тепла в зоне контакта между заготовкой и инструментом, влияние температуры на коэффициент трения и термомеханические характеристики материала, влияние давления на трение и т.д.

Таким образом, программный комплекс Deform-3d обладает весьма широкими возможностями для научного исследования процессов обработки металлов давлением.

Моделирование процесса прокатки, реализующего интенсивные пластические деформации, состояло из нескольких этапов: создание трехмерной геометрической модели, а на ее основе - геометрической конечно-элементной модели, описание внешних воздействий и граничных условий, расчет и анализ полученных результатов.

Для создания трехмерных геометрических моделей использовали систему трехмерного моделирования Компас 3d. Полученные геометрические модели валков импортировали в предпроцессор программы Deform. (рисунок 4.1.)

Рисунок 4.1. - Прокатные валки: а)гладкий; б) рельефный

Создания базы данных расчета выполняли в следующей последовательности:

1) Спозиционировали объекты в пространстве. В нашем случае оси валков располагали в одной параллельной плоскости, расстояния между валками устанавливали с учетом размера заготовки.

2) Указали реологическую модель деформируемого металла. В данном случае была принята жестко-пластическая модель, которая позволяет получить адекватные результаты, затратив минимальное количество времени. Деформируемый металл считали несжимаемым, для чего устанавливали компенсацию объема.

3) Назначили механические свойства материала заготовки. В качестве материала заготовки принята сталь Ст.3., характеристики сопротивления деформации которой заданы в библиотеке материалов программы.

4) Задали обжатие между рабочими валками, задали коэффициент трение между заготовкой и валком.

5) Задали контактное взаимодействие инструмента и заготовки.

В результате моделирования получены данные по исследованию формоизменения заготовки, по определению напряженно-деформированного состояния в очаге деформации.

Кроме этого программный комплекс Deform - 3d предоставляет пользователю широкие возможности, определение энергосиловые параметры и даже изменение микроструктур.

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

Деформации в процессах обработки металлов давлением (ОМД), как и соответствующие им напряжения и силы, являются предметом изучения теории ОМД. Математическое моделирование напряженно - деформированного состояния наряду с экспериментальными методами позволяет исследовать деформационные способности металлов и прежде всего их способности к обработке в нагретом состоянии, разработать методов оценки технологической пластичности.

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, в значительной мере исчерпаны. Актуальным является разработка принципиально новых процессов деформирования за счет применения дополнительных эффектов. Перспективными в этом отношении представляются схемы пластической деформации со значительными дополнительными сдвигами металла (макросдвигами). Наличие макросдвигов может быть обеспечено интенсивным деформирующим воздействием за счет использования заготовок и инструмента с несимметричной формой.

Моделирование процесса прокатки предусматривает создание трехмерной геометрической модели, с использованием геометрической конечно-элементной модели, описание внешних воздействий и граничных условий, расчет и анализ полученных результатов.

Для создания трехмерных геометрических моделей использовали систему трехмерного моделирования КОМПАС 3D, полученные модели импортировали в программу DEFORM 3D для математического моделирования процесса прокатки.

Моделировали процесс прокатки , схематично изображенного на рисунок 4.2 в гладких валках, что необходимо было для сопоставления результатов и вычисления эффективности нового процесса прокатки.

Рисунок 4.2 - Схема прокатки в гладких валках: 1,2 - прокатные валки; 3 - заготовка; а,б,в - прокатка в гладких валках

Исходные данные для моделирования процессов прокатки по указанным на рис.1 и 2 схемам соответствовали условиям прокатки в первых черновых клетях НШСГП-1700 АО «АрселорМиттал Темиртау» слябов сечением 170х1350 мм, сталь 3сп.

Результаты моделирования получены в виде полей эквивалентной деформаций, напряжений (рисунок 4.3-4.4). Уровень этих величин определяется по шкалам в правой части.

Эквивалентная деформация определяется зависимостью (1):

, (4.1)

где, - главные деформации.

Как видно из рисунка 4.3 при прокатке плоского сляба в гладких валках распространяется равномерно по объему полосы и достигает значений .

Рисунок 4.3 - Эквивалентная деформация при прокатке плоского сляба в гладких валках

Изучение распределения напряжений в объеме заготовки при деформации позволяет выявить те зоны, которые в большей мере подвержены образованию дефектов вследствие возникновения в них больших растягивающих напряжений. Это дает возможность внести коррективы к режиму прокатки для снижения интенсивности растягивающих напряжений и, как следствие, предотвратить образование дефектов.

Эквивалентное напряжение определяется зависимостью:

, (4.2)

где, - главные напряжения

Как видно из рисунка 6 эквивалентное напряжение при прокатке плоского сляба заготовки в гладких валках среднее значение напряжения равно 3040 МПа, максимальное 70 МПа (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 - Эквивалентное напряжение при прокатке плоского сляба в гладких валках

В результате математического моделирования с использованием программного комплекса Deform получены данные о распределения эквивалентных деформаций и напряжений в объеме заготовок, прокатываемых в гладких валках и в валках гладких с чередованием валков рельефных.

4.3 Математическое моделирование очага деформации при прокатке с реализацией интенсивной пластической деформации

Моделировали процесс горячей прокатки с реализацией интенсивной пластической деформации, схематично изображенных на рисунок 4.5 и рисунок 4.6: с использованием в одной из клетей рельефных валков и с прокаткой рифленого сляба в гладких валках что необходимо было для сопоставления результатов и вычисления эффективности нового процесса прокатки.

Рисунок 4.5 - Схема прокатки с применением рельефных валков: 1,2,6,7- гладкие валки; 4,5-рельефные валки; 3 - заготовка.

Рисунок 4.6 - Схема прокатки рельефного сляба в гладких валках: 1,2 - гладкие валки; 3 - рельефный сляб; 4 - готовый продукт

Результаты моделирования получены в виде полей эквивалентной деформаций, напряжений (рисунок 4.7-4.10). Уровень этих величин определяется по шкалам в правой части рисунков.

Эквивалентная деформация определяется зависимостью (4.1):

, (4.1)

где, - главные деформации.

При прокатке плоского сляба в рельефных валках значение эквивалентной деформации составляет (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7 - Эквивалентная деформация при прокатке плоского сляба в рельефных валках

При прокатке рельефного сляба в гладких валках значение эквивалентной деформации равно (рисунок 8).

Рисунок 4.8 - Эквивалентная деформация при прокатке рельефного сляба в гладких валках

Изучение распределения напряжений в объеме заготовки при деформации позволяет выявить те зоны, которые в большей мере подвержены образованию дефектов вследствие возникновения в них больших растягивающих напряжений. Это дает возможность внести коррективы к режиму прокатки для снижения интенсивности растягивающих напряжений и, как следствие, предотвратить образование дефектов.

Эквивалентное напряжение определяется зависимостью:

, (4.2)

где, - главные напряжения

При прокатке плоского сляба в рифленых валках возникают локальные очаги деформации. Среднее значение напряжения равно 6065 МПа, максимальное 95,5 МПа (рисунок 4.9).

Рисунок 4.9 - Эквивалентное напряжение при прокатке плоского сляба в рельефных валках

При прокатке рельефного сляба в гладких валках значение эквивалентной деформации равно МПа, максимальное 101 МПа (рисунок 4.10).

Рисунок 4.11 - Эквивалентное напряжение при прокатке рифленого сляба в гладких валках

4.4 Сравнение результата моделирования

Таким образом, проанализируем результаты моделирования двух моделей горячей прокатки. Для удобного сравнения величин эквивалентных деформации и эквивалентных напряжений при горячей прокатки различных моделей вносим в таблицу 4.1.

Таблица 4.1. - Значение эквивалентной деформации и напряжения при рассмотренных способах горячей прокатки

Исследуемый параметр	Прокатка в гладках валках	Прокатка в рельефных валках	Прокатка с применением рифленых слябов
Эквивалентная деформация	.
Эквивалентное напряжение , МПа -среднее -максимальное	3040 70	6065 95	4050 101

Таким образом, проанализировав модели горячей прокатки заготовки для последующего успешного деформирования и возникновения оптимальной картины распределения напряженно-деформированного состояния металла для получения мелкозернистой структуры было выявлено следующее:

1) Предложенная модель с использованием рельефных валков при горячей прокатке заготовки является предпочтительным вариантом, т.к. при их использовании за счет локализации течения металла возникают более высокие значения деформации сдвига, что, в конечном итоге, приводит к более сильной проработке структуры металла, и, как следствие, к сокращению требуемого числа циклов деформирования, необходимых для получения заготовки нужного поперечного сечения.

2) Условия деформирования и определяемая ими накопленная деформация оказывают существенное влияние на свойства металла, причем повышенная накопленная деформация (эквивалентная деформация ), как правило, положительно сказывается на качестве металла. Практика использования инструмента и заготовки, вызывающих макросдвиги и повышенные значения накопленной деформации, показывает, что при незначительной деформации литой структуры можно добиться высокого уровня механических свойств.

Поэтому в результате проведения анализа напряженно-деформированного состояния металла при реализации интенсивной пластической деформации, на основе построенных моделей в программном комплексе Deform было выявлено, что наиболее равноценным решением по сравнению традиционного способа для реализации данного процесса является использование рельефных валков.

...