Технология прокатки включает:
- Подготовку слитков и заготовок к прокатке;
- Определение режима нагрева в зависимости от химического состава стали и сечения заготовки;
- Определение режима деформации (калибровка);
- Вопросы охлаждения стали после прокатки;
- Пооперационный и конечный контроль качества проката.
В процессе разливки стали в изложницы, нагрева и прокатки слитков и заготовок образуются поверхностные дефекты, которые должны быть удалены. Основными поверхностными дефектами слитков являются плены, образующиеся в результате разбрызгивания стали при разливке, трещины.
Поверхностные дефекты удаляют до (первый вариант) или после (второй вариант) прокатки.
Слитки, охлажденные перед посадкой в нагревательные колодцы, осматривают, и обнаруженные поверхностные дефекты удаляются.
С поверхности слитков, поступающих горячими для посадки в нагревательные колодцы, дефекты не удаляют перед прокаткой.
В зависимости от требований, предъявляемых к качеству поверхности готового проката, принимают первый или второй вариант.
Глубина поверхностных дефектов на заготовках составляет 2-3 мм, и дефектный слой подлежит выборочному или сплошному удалению.
Применяют следующие способы удаления поверхностных дефектов:
- Сжигание на определенную глубину дефектного поверхностного слоя;
- Строжку, обдирку на токарных станках;
- Вырубку пневматическими зубилами и специальными машинами;
- Зачистку наждаками.
Для сжигания дефектного поверхностного слоя применяют автогенные резаки при выборочном удалении дефектов и машины огневой зачистки при сплошном удалении дефектной поверхности.
Как указывалось выше, основная масса слитков поступает в нагревательные колодцы в горячем состоянии, и, следовательно, перед прокаткой поверхностные дефекты удалить невозможно. В связи с этим современные обжимные прокатные станы оборудуют машинами огневой зачистки для сплошного удаления дефектов в потоке.
После окончания прокатки заготовки в горячем состоянии подаются в машины огневой зачистки, в которых одновременно со всех сторон газорежущими блоками cжигается слой металла толщиной 1,5-2,5 мм.
Подготовка широкополосной заготовки перед холодной прокаткой заключается в удалении окалины, образовавшейся на поверхности металла. Удаление окалины с поверхности полос углеродистых сталей осуществляется в растворе серной кислоты. Активный процесс растворения окалины происходит при содержании серной кислоты 26 % и температуре раствора ~ 95°С.
Травление горячекатаной широкополосной стали производят в непрерывных травильных агрегатах. Катанку и сортовой металл, предназначенный для дальнейшего волочения, травят в специальных баках.
Калибровка валков
Калибровкой решаются следующие задачи:
- Установление числа пропусков;
- Установление формы и размеров поперечного сечения полосы после каждого пропуска;
- Последовательность чередования форм полосы.
Прокаткой получают простые (круг, квадрат, полоса и др.) и сложные (рельсы, балки, уголки и др.) по форме виды проката.
Прокатка сортовой и листовой стали производится при большем или меньшем числе пропусков через валки.
При каждом пропуске через валки уменьшается площадь поперечного сечения полос и при необходимости придается грубая форма конечному прокату.
Прокатка листов и широкополосной стали производится на гладкой бочке валка. Калибровкой листовых валков определяется профиль образующей бочки.
При горячей прокатке бочка валков выполняется вогнутой, при холодной — выпуклой. Вогнутость компенсирует тепловое расширение бочки валка, выпуклость — прогиб валка от усилия прокатки.
Для получения необходимой формы проката на бочке валков сортовых прокатных станов нарезаются на вальцетокарных станках кольцевые проточки различной формы.
Кольцевая проточка на одном валке называется ручьем. Ручьи двух валков образуют калибр.
Форма калибров, используемая для получения проката простой формы, — квадрата, круга, показана на рис. 1 (в, е, ж).
Овальные калибры применяют в сочетании с квадратными и круглыми калибрами (рис. 1, 6, в и др.), ромбические калибры — в сочетании с квадратными калибрами (рис. 1, д).
Прямоугольные (ящичные) калибры (I, II) используют для вытяжки металла на блюмингах, непрерывных заготовочных станах и черновых клетях сортовых станов.
Рис. 1. Схема калибровки валков мелкосортного стана 250
В зависимости от назначения различают четыре группы калибров:
- Вытяжные, служат для уменьшения площади поперечного сечения;
- Подготовительные, производят дальнейшее уменьшение площади поперечного сечения и придают полосе грубую форму готового проката;
- Предчистовые, производят дальнейшее уменьшение площади поперечного сечения и подготавливают получение конечной формы проката;
- Чистовые, придают полосе окончательную форму.
Прокатка сортовой и листовой стали производится в несколько пропусков через валки. Распределение обжатий по пропускам производится с учетом усилия на валки, мощности главного электродвигателя, прочности деталей рабочей клети, условий захвата металла валками, пластичности металла.
При прокатке литого металла обжатие в первых проходах принимают небольшим, так как пластичность металла низка вследствие крупнозернистого строения. С учетом изложенных факторов добиваются возможно минимального числа пропусков. На рис. 1 схематично представлена калибровка валков мелкосортного стана 250.
В зависимости от площади поперечного сечения готового проката квадратная заготовка получает обжатие во всех 12 клетях (рис. 1, б, е), или только в восьми клетях при прокатке заготовки диаметром диаметром 18-19 мм (X, в). На валках первых двух клетей нарезаны ящичные калибры. На валках рабочих клетей III, IV, V, VI нарезаны ручьи калибров системы овал — квадрат.
На валках предчистовых и чистовых рабочих клетей нарезаны ручьи калибров, предназначенных для подготовки и получения круглого, квадратного и углового профилей.
Контроль технологического процесса
В процессе металлургического производства осуществляется плавочный контроль, контроль производственных процессов, а также готовой продукции. Плавочным контролем устанавливается соответствие слитков данной плавки техническим условиям: определяется качество стали, соответствие качества стали для проката определенной продукции. На основании результатов плавочного контроля назначается технология прокатки слитков данной плавки.
Контроль производственных процессов осуществляется на участках:
- Складирования слитков, заготовок;
- Нагрева перед прокаткой;
- Прокатки слитков на заготовку и заготовки на готовую продукцию;
- Резки, правки заготовок и готового проката;
- Охлаждения после горячей прокатки и термической обработки;
- Отделки, маркировки и сдачи готового проката.
Контроль производственных процессов осуществляется на основании технологических инструкций каждого участка.
Контроль готовой продукции устанавливает соответствие готового проката требованиям ГОСТа или техническим условиям: по физическим и механическим свойствам, по внутренним и поверхностным дефектам, по размерам и прямолинейности (плоскостности) проката и др.
Технологические схемы прокатного производства на металлургическом заводе
В зависимости от исходного материала на металлургических заводах применяют две схемы производства проката (рис. 2). При использовании в качестве исходного материала слитков 1 в технологической схеме предусматривается участок нагревательных колодцев и обжимного стана — блюминга или слябинга 2, 3.
Рис. 2. Схема производства проката
При использовании в качестве исходного материала блюмов или слябов технологический процесс начинается с заготовочных станов — непрерывного заготовочного стана 4 при сортовой прокатке или широкополосного стана горячей прокатки 5 при листовой прокатке.
Последующие технологические операции получения проката одинаковы для обеих схем. При производстве сортового проката заготовка поступает на крупносортные и среднесортные 9 станы, мелкосортные, проволочные 6 и штрипсовые 7 станы. Непосредственно из блюмов производится прокатка на рельсо-балочных и крупносортных станах 8. При листовом производстве заготовка поступает на одно- и многоклетевые станы холодной прокатки 10. На толстолистовых станах в качестве исходного материала используют слитки и слябы.
Производство блюмов
Блюмом называется квадратная заготовка со скругленными углами сечением до 400×400 мм.
В зависимости от сортамента блюмов, требуемой производительности применяют одноклетьевые двухвалковые реверсивные и многоклетьевые блюминги.
Рис. 3. План расположения оборудования блюминга 1300
Наибольшее распространение получили одноклетьевые блюминги.
Современным обжимным станом является мощный автоматизированный одноклетьевой блюминг с диаметром валков 1300-1500 мм. На рис. 3 показана схема расположения оборудования блюминга 1300. Слитки из сталеплавильного цеха подаются в пролет нагревательных колодцев 1 на платформах по железнодорожным путям. Нагретые до температуры прокатки слитки массой 10-15 т мостовым краном с клещевым захватом извлекаются из нагревательных колодцев и передаются на платформу слитковоза 2. Четыре слитковоза, непрерывно двигаясь по кольцевому пути, попеременно подходят к приемному рольгангу 3 блюминга. Очередной слитковоз автоматически останавливается параллельно приемному рольгангу, и слиток сталивается на ролики рольганга стационарным сталкивателем реечного типа. Подводящим и раскатным рольгангами 4 слиток транспортируется к рабочей клети блюминга. В линии подводящего рольганга установлен поворотный стол — весы, которым слиток автоматически взвешивается и при необходимости поворачивается в горизонтальной плоскости на 180°. Роликами рабочего рольганга слиток подводится к валкам рабочей клети 5.
Рис. 4. Калибровка валков блюминга
Рабочая клеть блюминга 1300 состоит из двух массивных стальных станин массой 105 т каждая. В узле станин на текстолитовых подшипниках смонтированы валки диаметром 1300 мм и длиной бочки 2800 мм, изготовленные ковкой из хромоникелевой стали. Установка зазора между валками обеспечивается винтовым нажимным механизмом с электромеханическим приводом, уравновешивание верхнего валка с подушками осуществляется рычажно-грузовым механизмом. Каждый валок приводится во вращение электродвигателем постоянного тока МП-110-65 мощностью 6800 кВт, 0—60—90 об/мин через универсальные шпиндели с вкладышами скольжения.
На рис. 4 показана калибровка валков блюминга. Прокатка слитка производится в первом широком калибре. По мере уменьшения сечения раскат передается в ящичные калибры II, III, IV (см. рис. 4). Если на блюминге прокатывают небольшое количество слябов, то первый калибр выполняют посередине валка для равномерного распределения усилия прокатки на левый и: правый подшипники. Заданную ширину (до 1000 мм) обеспечивают пропуском сляба на ребро через ящичные калибры. За 9-13 пропусков через валки слитки прокатываются в блюмы сечением 300×300—370×370 мм.
Кантовка раскатов перед нечетными пропусками и установка их по длине бочки валка против нужного калибра обеспечиваются крюковым кантователем, встроенным в линейку манипулятора, и манипуляторами, установленными с обеих сторон рабочей клети. Окалина, образовавшаяся на поверхности слитка в процессе нагрева, разрушается при первых пропусках через валки с небольшим обжатием и смывается водой. Под рабочей клетью имеется канал, по которому окалина потоком воды транспортируется в отстойную яму 6 (см. рис. 3). Прокатанные блюмы поступают на машину огневой зачистки 7, установленную после рабочей клети, и транспортным рольгангом передаются на участок ножниц 8.
На ножницах производится обрезь переднего и заднего концов блюма для удаления усадочной раковины и дефектных концевых участков, а также резка блюма на мерные длины. Обрезь при прокатке углеродистой кипящей стали составляет 3-5 %, при прокатке спокойной стали — до 17,5% от массы слитка. Обрезанные части блюмов попадают на конвейер, которым загружаются железнодорожные платформы.
Для исключения пересортицы производится клеймение блюмов и обрези. Зачищенные и обрезанные блюмы по рольгангу 9 поступают для дальнейшей прокатки на непрерывный заготовочный стан. На блюминге 1300 возможна прокатка слябов толщиной 100-200 мм и шириной до 1000 мм. Годовая производительность автоматизированного блюминга 1300 составляет 5,5-6 млн. т слитков. При специализированном листовом производстве в качестве обжимного стана устанавливается слябинг с диаметром валков 1150— 1250 мм. В рабочей клети слябинга предусмотрены вертикальные валки, которые обеспечивают обжатие по ширине. На слябинге прокатывают слитки массой до 30 т в слябы толщиной 150-300 мм и шириной 1000— 1550 мм. Производительность слябинга составляет 6,5 млн. т слитков в год.
Производство заготовок
Заготовочные станы предназначены для прокатки блюмов в заготовки сортовых, проволочных и трубопрокатных станов. В зависимости от специализации заготовочные станы прокатывают из блюмов сечением ЗООx300—370×370 мм: крупную сортовую заготовку квадратного сечения от 125×125 до 140×140 мм и блюмы сечением 200×200 мм; сортовую квадратную заготовку сечением от 80×80 до 120×120 мм; круглую заготовку диаметром 75-300 мм для трубопрокатных станов.
На рис. 5 показана схема расположения оборудования непрерывного заготовочного стана (НЗС) 900/700/500.
Блюмы без подогрева поступают на НЗС по рольгангу 1. НЗС состоит из трех групп рабочих клетей.
Рис. 5. План расположения оборудования НЗС 900/700/500
Номинальный диаметр валков по группам рабочих клетей равен: I — 900 мм, II — 700 мм и III — 500 мм. Перед II к III группами рабочих клетей установлены кантователи 2 и 6. В линии отводящего рольганга 3 установлены ножницы усилием 8 МН для резания заготовок сечением 120×120 мм. После третьей группы рабочих клетей заготовки сечением 60×60—80×80 мм поступают на холодильник 5. Как следует из рассмотренной схемы технологического процесса прокатки заготовки на НЗС 900/700/500, в каждой группе рабочих клетей прокатка осуществляется по принципу непрерывного процесса, и поэтому необходимо добиваться постоянства секундных объемов металла в группах клетей.
При калибровке валков НЗС определяется постоянная калибровки: C=FD p n(1+S h), где F — площадь поперечного сечения прокатываемой полосы; D p — рабочий диаметр валков; n — число оборотов валков; S h — опережение металлом валков.
Прокатка в непрерывных группах рабочих клетей без подпора или большого натяжения возможна только при равенстве постоянной калибровки всех клетей в каждой группе НЗС. Расстояние между группами рабочих клетей принимается несколько большим, чем длина раската, выходящего из последней клети предыдущей группы НЗС, и добиваться постоянства между группами клетей не требуется.
Регулирование постоянной калибровки осуществляют изменением числа оборотов валков. Гибкая регулировка числа оборотов валков обеспечивается индивидуальным приводом каждой рабочей клети. За последней клетью НЗС установлены летучие ножницы 4, которыми заготовки режутся на мерные длины 8-12 м.
Скорость выхода заготовок из третьей группы НЗС 5-7 м/с. Разрезанные заготовки собираются в пачки на пакетирующем рольганге и передаются на холодильники стана.
После остывания заготовки осматривают, производят удаление дефектов поверхности.
Годовая производительность НЗС 900/700/500 составляет ~ 5 млн. т.
На сортовых прокатных станах получают профили круглого сечения диаметром до 220 мм, квадратного сечения со стороной квадрата от 8 до 220 мм, прямоугольного сечения высотой от 4 до 60 мм и шириной от 12 до 350 мм, равнобокие и неравнобокие уголки с шириной полки от 16 до 250 мм, балки и швеллеры высотой до 300 мм, катанку диаметром 5-9 мм. Швеллеры и балки высотой до 600 мм прокатывают на рельсо-балочных станах и на специальных балочных прокатных станах высотой до 1000 мм, шириной полок до 420 мм.
Температуры начала и конца горячей деформации определяются в зависимости от температур плавления и рекристаллизации. Прокатка большинства марок начинается при температуре 1200…1150 0 С, а заканчивается при температуре 950…900 0 С.
Существенное значение имеет режим охлаждения. Быстрое и неравномерное охлаждение приводит к образованию трещин и короблению.
При прокатке контролируется температура начала и конца процесса, режим обжатия, настройка валков в результате наблюдения за размерами и формой проката. Для контроля состояния поверхности проката регулярно отбирают пробы.
Отделка проката включает резку на мерные длины, правку, удаление поверхностных дефектов и т.п. Готовый прокат подвергают конечному контролю.
Процесс прокатки осуществляют на специальных прокатных станах.
Прокатный стан – комплекс машин для деформирования металла во вращающихся валках и выполнения вспомогательных операций (транспортирование, контроль и т.д.).
Оборудование для деформирования металла называется основным и располагается на главной линии прокатного стана (линии рабочих клетей).
Рисунок 1 — Схема прокатного стана
1 – прокатные валки; 2 – плита; 3 – трефовый шпиндель; 4 – универсальный шпиндель; 5 – рабочая клеть; 6 – шестеренная клеть; 7 – муфта; 8 – редуктор; 9 – двигатель
Главная линия прокатного стана состоит из рабочей клети и линии привода, включающей двигатель, редуктор, шестеренную клеть, муфты, шпиндели.
Прокатная клеть
Прокатные валки 1 установлены в рабочей клети 5, которая воспринимает давление прокатки. Определяющей характеристикой рабочей клети являются размеры прокатных валков: диаметр (для сортового проката) или длина (для листового проката) бочки. В зависимости от числа и расположения валков в рабочей клети различают прокатные станы: двухвалковые (дуо-стан), трехвалковые (трио-стан), четырехвалковые (кватро-стан) и универсальные (рисунок 2).
В двухвалковых клетях (рисунок 2, позиция а) осуществляется только по одному пропуску металла в одном направлении. Металл в трехвалковых клетях (рисунок 2, позиция б) движется в одну сторону между нижним и верхним, а в обратную – между средним и верхним валками.
В четырехвалковых клетях (рисунок 2, позиция в) устанавливаются опорные валки, которые позволяют применять рабочие валки малого диаметра, благодаря чему увеличивается вытяжка и снижаются деформирующие усилия.
Универсальные клети (рисунок 2, позиция г) имеют неприводные вертикальные валки, которые находятся между опорами подшипников горизонтальных валков и в одной плоскости с ними.
Шестеренная клеть 6 предназначена для распределения крутящего момента двигателя между валками. Это одноступенчатый редуктор, передаточное отношение которого равно единице, а роль шестерен выполняют шестеренные валки.
Шпиндели предназначены для передачи крутящего момента от шестеренной клети прокатным валкам при отклонении от соосности до 10…12 0 . При незначительном перемещении в вертикальной плоскости применяют шпиндели трефового типа 3 в комплекте с трефовой муфтой. Внутренние очертания трефовых муфт отвечают форме сечения хвостовика валка или шпинделя. Муфтой предусмотрен зазор 5…8 мм, что допускает возможность работы с перекосом 1…2 0 . При значительных перемещениях валков в вертикальной плоскости ось шпинделя может составлять значительный угол с горизонтальной плоскостью, в этом случае применяют шарнирные или универсальные шпиндели 4, которые могут передавать крутящий момент прокатным валкам при перекосе шпинделя до 10…12 0 .
Рисунок 2 — Прокатные клети
В качестве двигателя прокатного стана 9 применяют двигатели постоянного и тока, тип и мощность зависят от производительности стана.
Редуктор 8 используется для изменения чисел оборотов при передаче движения от двигателя к валкам. Зубчатые колеса – обычно шевронные с наклоном спирали 30 0 .
По назначению прокатные станы подразделяют на станы для производства полупродукта и станы для выпуска готового проката.
Нагрев металла осуществляют в пламенных и электрических печах. По распределению температуры печи могут быть и . В камерных печах периодического нагрева температура одинакова по всему рабочему пространству. В методических печах температура рабочего пространства постоянно повышается от места загрузки заготовок до места их выгрузки. Металл нагревается постепенно, методически. Печи характеризуются высокой производительностью. Применяются в прокатных и кузнечно-штамповочных цехах для нагрева слитков из цветных металлов. Крупные слитки перед прокаткой нагревают в – разновидности камерных, пламенных печей.
В качестве транспортных устройств в прокатном производстве используют:
- слитковозы и различного вида тележки для подачи слитков и заготовок от нагревательных устройств к стану;
- рольганги – основное транспортное средство прокатных цехов ( с последовательно установленными вращающимися роликами обеспечивают продольное перемещение металла; при косом расположении роликов возникает возможность поперечного движения полосы);
- манипуляторы, предназначенные для правильной задачи полосы в калибр;
- кантователи, предназначенные для поворота заготовки вокруг горизонтальной оси.
Наблюдается переходна более новый качественный виток развития. Это обусловлено многими факторами: от создания, внедрения и развития прогрессивных технологий, в том числе и в сталеплавильном производстве, до изменения самой концепции в отношении к прокатному производству. Одним из наиболее важных факторов данного развития в прокатном производстве является возникшая возможность осуществлять абсолютный контроль температурно-деформационным процессом при прокатке на станах последнего поколения. Данная тенденция наиболее ярко проявляется на прокатных станах, предназначенных для производства катанки и мелкого сорта. Постараемся оценить, чем это обусловлено, учитывая возможности, которые предоставляет использование новых подходов в технологии прокатки катанки. В процессе горячей прокатки происходит высокотемпературная термомеханическая обработка металла (ТМО). Однако под ТМО, как правило, понимается не только физическая сущность процесса, но и целенаправленное комплексное воз действие на структуру металлического сплава совокупностью операций деформации, нагрева и охлаждения, в результате которых и происходит формирование окончательной структуры металлического сплава, а, следовательно, и его свойств. Существует большое количество разновидностей термомеханической обработки стали. Их можно разделить на следующие группы:
- Режимы термомеханической обработки, при которых деформация осуществляется в аустенитном состоянии. К этой группе относятся наиболее известные и изученные методы упрочнения: высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).
- Термомеханическая обработка с деформацией в ходе превращения переохлажденного аустенита.
Режимы термомеханической обработки, связанные с деформацией, осуществляемой после превращения аустенита в мартенсит или бейнит. Примером такой обработки является метод упрочнения, связанный с деформационным старением мартенсита. Для упрочнения стали могут применяться различные комбинации режимов термомеханической обработки, например ВТМО с НТМО, ВТМО с деформационным старением мартенсита и др. Термомеханическая обработка чаще всего является окончательной операцией при изготовлении деталей. Но она может использоваться и как предварительная операция, которая обеспечивает формирование благоприятной структуры при проведении окончательной термической обработки, включающей закалку на мартенсит и отпуск. Традиционно при рассмотрении задачи достижения требуемых свойств в готовой продукции из металлического сплава используют влияние химических элементов на свойства металла и термическую обработку. При этом формирование структуры при нагреве, а в особенности при прокатке, долгое время оставалось «черным ящиком». А ведь именно эти процессы влияют на формирование структуры в готовой продукции. На практике технологи использовали для получения необходимых механических свойств, в готовом прокате применяли только такие механизмы при изготовлении сталей как легирование и термообработка. В качестве примера приведем недостатки использования традиционных способов изготовления готового проката из рядовых марок сталей. У данного класса сталей структура состоит из феррита с известной незначительной долей перлита. При желании получать менее металлоемкие конструкции и изделия из стали, обладающие повышенной надежностью при низкой себестоимости изготовления, встает проблема повышения прочности проката, полученного в горячекатаном состоянии. Если для увеличения прочности используют только повышение доли перлита путем повышения содержания углерода, то эта возможность ограничена, так как с увеличением прочности благодаря повышению содержания углерода пластичность, вязкость и свариваемость стали резко снижаются, что приводит к отказу от данного проката, так как наряду с прочностью в прокате необходимо также обеспечение вышеперечисленных свойств металла. Изготовление проката из высоколегированных сталей приводит к резкому удорожанию готовой продукции в связи с высокой ценой легирующих элементов и ухудшением технологичности переработки (дополнительная зачистка и т.д.). Дополнительная термообработка после прокатки, такая как закалка+отпуск, позволяет получить повышение прочностных и пластических свойств стали, но этот эффект можно получить только для низколегированных марок сталей. При этом также происходит увеличение себестоимости готовых изделий из стали. Первым шагом использования особого состояния горячекатаного проката, полученного в процессе деформации, явилось использование установок ускоренного охлаждения после прокатки, в особенности применение водяного охлаждения. Использование данной технологии непосредственно в линиях прокатки позволило снизить влияние полного протекания процессов рекристаллизации, ранее формировавших структуру и механические свойства в готовом прокате.
Следующим шагом в повышении механических свойств стало использование так называемого процесса контролируемой прокатки с использованием принципов термомеханической обработки. Рассмотрим более подробно использованием данных принципов в процессе ТМО. В зависимости от того, как проводить прокатку и нагрев в первую очередь зависит эффективность влияния химического состава и термообработки на конечные свойства металлопроката. Химический состав оказывает большое влияние на изменения структуры и в процессе ТМО, и его влияние на механические свойства должно рассматриваться с позиций всех этапов обработки металла: от нагрева до охлаждения. Термическая обработка с прокатного нагрева лишь фиксирует состояние структуры, полученной на прокатном стане, и хотя здесь существует множество вариантов ее проведения с получением различных комплексов свойств, повышение их значений ограничено данной структурой в процессе прокатки. Термическая обработка вне прокатного стана с удорожанием энергоносителей становится все более нецелесообразной. Ряд режимов термомеханической обработки могут обеспечить наряду с высокими прочностными свойствами повышенную пластичность и вязкость. Нередко использование ТМО позволяет получить комплекс механических свойств, который не может быть достигнут способами обычной термической обработки и традиционного легирования. Изменяя условия деформирования при ТМО, можно регулировать плотность и характер распределения дефектов кристаллического строения, что позволяет управлять структурой и свойствами стали в широких пределах. Именно эти причины и явились основанием столь быстрого развития и заинтересованности, производителей металлопродукции процессом ТМО. Необходимо отметить перспективность развития процесса ТМО при производстве катанки. Это обусловлено особенностями производства и геометрическими размерами (высокие скорости деформации и особо малое сечение в отличие от других видов металлопродукции получаемых путем горячей прокатки). Дело в том, что только при прокатке катанки для большого марочного сортамента возможно осуществление и управление процессами горячего наклепа и рекристаллизации, что из-за отсутствия высоких скоростей деформации при производстве других видов проката неосуществимо в линии прокатки, либо возможно при наложении определенных ограничений (ограниченный марочный сортамент,как правило, стали аустенитного класса или низкие температуры прокатки). Это позволяет управлять прочностными свойствами горячего проката, а высокая степень деформации в совокупности с химсоставом и термообработкой пластическими. К особенностям прокатки катанки можно отнести еще один очень важный с позиций термомеханической обработки фактор — время между деформациями может достигать очень малых значений, в особенности в последних клетях, вплоть до 0,0005 с. Для сохранения структуры, полученной в процессе ТМО, большое значение имеет способ осуществления охлаждения после прокатки. При этом возникают две задачи: транспортирование проката к охлаждающему устройству и охлаждение металла по всему сечению для обеспечения равномерности структуры, а, следовательно, и свойств по сечению готового проката. Небольшое поперечное сечение катанки (диаметр до 8 мм) позволит нам рассматривать его как термически тонкое тело.
Таким образом, получив необходимую структуру на прокатном стане, мы можем ее зафиксировать во всем поперечном сечении и по всей длине, что улучшает однородность свойств и качество горячего проката. При необхо димости, изменяя интенсивность охлаждения после прокатки, можно также добиться различной структуры по слоям поперечного сечения и получить определенные свойства. Так как скорость отвода тепла в большем сечении из внутренних слоев ограничена, то сохранить преимущества наведенной структуры в процессе прокатки проблематично, а иногда и вовсе невозможно. При проведении эксперимента на прокатном стане наиболее важным моментом является учет наиболее влияющих на структуру факторов. Для этого необходимо осуществить математическое моделирование процесса прокатки, позволяющее определять значения влияющих на структуру параметров. Для последующей оценки их влияния на структуру могут быть использованы такие уже известные данные как:
- влияние температуры и выдержки в печи на рост зерна в заготовке;
- влияние величины зерна и температуры металла на превращения из аустенита;
- изменение структуры горячедеформированного аустенита при последеформационной выдержке;
- структурообразование при горячей
прокатке.
Для определения влияния параметров прокатки на структуру горячедеформированного металла необходимо создание термокинетической модели проволочного стана, на котором проводится эксперимент. На основании чего, исходя из скорости конца прокатки и промежуточных температур в линии стана, определяются значения: скорости деформации; температуры деформации; время между деформациями. При осуществлении процесса контролируемой прокатки температурный режим является одним из наиболее важных факторов в целенаправленном воздействии на структуру и конечные свойства в производстве катанки. Существует несколько путей непосредственного регулирования температуры раската в процессе прокатки: изменение температуры нагрева, регулирование скоростью прокатки, межклетевое охлаждение и нагрев раската. Чаще всего для воздействия на температуру раската во время прокатки используют два первых рычага воздействия. Для применения межклетевого охлаждения и нагрева необходима установка
дополнительного оборудования. Помимо этого требуется предварительная оценка возможностей охлаждения (при скоростях прокатки выше 30 м/с и межклетевом расстоянии не более 1 м — время для обеспечения необходимого теплосъема ограничено). Также большой задачей является знание влияния температурных полей раската в процессе прокатки для определенного марочного сортамента на структуру металла, в частности
на величину зерна. При использовании управления над температурой прокатки необходимо учитывать, что диапазон возможного регулирования имеет определенные ограничения. От теплового режима зависят энергосиловые параметры прокатного стана, усилия, действующие на валки (шайбы) и другие детали рабочих клетей, точность размеров профиля, форма и качество поверхности готового проката, стойкость прокатных валков, стабильность всего технологического процесса. При этом он непосредственно связан с режимами обжатий, скоростей и натяжений. На большинстве прокатных станах не производится непосредственное измерение температуры промежуточного раската во всей длине стана. Это связано как с дороговизной установки, так и условиями эксплуатации приборов, что зачастую не позволяет точно определить температуру металла, может приводить к поломке измерительной техники при аварийном отклонении металла от линии прокатки. Также при использовании междеформационного охлаждения даже определение температуры поверхности раската не дает точную картину о среднемассовой температуре металла, которая, в свою очередь, является наиболее значащей для оценки вышеуказанных параметров. Температура при прокатке металла распределена по сечению не равномерно, а так как непосредственным измерением это распределение определить не имеется возможности, то целесообразно прибегать к расчету тепловых характеристик. Тепловой режим рассчитывается с учетом теплового баланса, зависящего от всех видов теплообмена, имеющих место при горячей прокатке: потеря тепла теплопроводностью при контакте с шайбами и водяным охлаждением, конвекцией и излучением. Наибольшей проблемой определения теплопереноса при прокатке является установление закономерностей изменения температур в любой точке раската в течение времени от нагрева до получения готовой катанки. Изменение температуры раската во время прокатки связано с протеканием всех видов тепловых процессов: теплопроводностью, конвекцией и излучением. При этом каждый из видов теплопереноса вносит свой вклад, который не всегда удается точно установить. Деформация металла путем прокатки с позиции теплопереноса состоит из большого количества различных этапов (циклов). На каждом таком этапе действуют определенные процессы со свойственными только для данного участка условиями. Результирующий эффект сложного теплопереноса зависит не только от интенсивности конкретных видов переноса, но и от особенностей их взаимодействия (последовательного или параллельного, стационарного или нестационарного). В отличиe от стационарного режима, при котором температурное поле не изменяется во времени, тепловой процесспрокатки характеризуется как нестационарный. При этом температурное поле раската является функцией времени. Нестационарный процесс связан с изменением энтальпии во времени. При этом интенсивность отвода теплоты непостоянна во времени. Решить задачу нестационарной теплопроводности — это значит найти зависимости изменения температуры и количества переданной теплоты во времени для
любой точки тела. Каждый из процессов нестационарного теплообмена описывается системой дифференциальных уравнений. Однако данные уравнения описывают бесчисленное множество процессов теплоотдачи, выведенные из рассмотрения элементарного участка в физическом теле. Чтобы решить конкретную задачу, связанную с изменением температуры металла при прокатке, необходимо на каждом этапе рассмотреть протекающие тепловые и дать полное их математическое описание всех частных особенностей, свойственных для данного случая. Для этого необходимо решать систему дифференциальных уравнений при определении следующих краевых условий:
- Геометрические условия, характеризующие форму и размеры раската.
- Физические условия, характеризующие физические свойства среды и раската.
- Граничные условия, характеризующие особенности протекания процесса
на границах тела.
- Временные условия, характеризующие особенности протекания процесса
во времени.
Решение данной системы уравнений позволит получить описание поля температур раската на любом участке прокатного стана в любой момент времени. Данная задача определения температурных полей по сечению раската в любой момент прокатки была решена для мелкосортнопроволочного стана 300 No3 ОАО «ММК». В качестве примера
приведена диаграмма на рисунке 1 распределения температуры по сечению
промежуточного раската. Использование результатов данной модели позволило оценить существующий температурно-деформационный режим
прокатки, а путем изменения основных факторов прокатки — прогнозировать и получать необходимый режим с позиции формирования необходимой структуры. С целью получения нового уровня свойств на катанке предназначенной для армирования, на ОАО «ММК» на стане 250#2 были проведены исследования с использованием температурно деформационной модели и вновь установленной установки водяного охлаждения. Установка в 2004 году новой линии водяного охлаждения на стане 250#2 (производства НПП «Инжмет») позволила провести экспериментальные исследования с целью получения термомеханически упрочненной арматуры малых диаметров. Получение термомеханически упрочненной арматуры на стане 250No2 заключалась в проведении процесса закалки поверхностного слоя катанки в линии водяного охлаждения, расположенной после чистовой клети No16 в потоке прокатного стана. Далее прокат укладывается моталкой в виде витков на сетчатый транспортер, после чего собирается на виткосборнике в бунты массой до 300 кг. Охлаждение осуществляется с помощью форсунки высокого давления и в последовательно расположенных трубках, на входе и выходе которых охлаждение катанки прерывается отсечными устрой ствами. Длина активной зоны охлаждения зависит от диаметра прокатываемой катанки и может составлять ≈ 7,2 м и ≈9,7 м.
Термомеханическое упрочнение катанки можно условно разделить на три этапа. На первом этапе катанка, выходящая из чистовой клети No16, попадает в линию термоупрочнения, где подвергается интенсивному охлаждению водой. Данный процесс должен обеспечивать охлаждение поверхности катанки со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, необходимую для получения в поверхностном слое катанки структуры мартенсита. Однако при этом технология процесса термоупрочнения должна обеспечивать такую температуру в центральных слоях катанки, при которой сохраняется аустенитная структура во время охлаждения. Этот процесс можно выделить во второй этап, который позволит при дальнейшем ее охлаждении со скоростью меньшей критической скорости получить в сердцевине катанки феррито-перлитную структуру, что обеспечит высокую пластичность полученной арматуры (рис. 2). На третьем этапе высокая температура центральных слоев катанки после окончания операции интенсивного охлаждения будет способствовать протеканию процесса самоотпуска закаленного поверхностного слоя. Данный процесс, в свою очередь, также позволяет повысить пластичность поверхностного слоя при сохранении его высокой прочности
Металл, расположенный между поверхностным и центральным слоем, имеет промежуточную скорость охлаждения, которая приводит к получению слоя с бейнитной структурой. В результате такого охлаждения получается, что катанка в поперечном сечении представляет собой две зоны в виде кольца: с мартенситной и бейнитной структурой и феррито-перлитной в центральной
части. В результате опытных прокаток на стане 250#2 была получена катанка с указанной структурой (рис. 3).
Исследование структуры шлифов термомеханически упрочненной катанки
показало у полученного проката, как правило, наличие одного или нескольких подкаленных слоев серповидной формы. Это, по видимому, связано с тем, что охлаждение производится только одной форсункой в один цикл охлаждения. В таких условиях при возникновении ситуации «случайного» омывания какой-то одной области проката в единственной камере охлаждения в дальнейшем отсутствует возможность проведения еще нескольких циклов охлаждения, которые позволили бы произвести более равномерное охлаждение катанки по сечению. Дальнейшее охлаждение катанки на сетчатом транспортере без осуществления направленной продувки воздухом также приводит к неравномерному температурному полю как по сечению, так и по длине бунта катанки. Также из опыта проведенных
прокаток было выявлено изменение температуры катанки после водяного охлаждения по длине бунта (изменение температуры по одному бунту
∆Т=30—50 °С). Так как время и условия охлаждения по всей длине бунта одинаково, был сделан вывод, что причиной данной разницы температур является неравномерность нагрева по длине заготовок в нагревательной печи прокатного стана.
Измерение температуры заготовки на выходе из печи и после черновой группы (изменение температуры составляло ∆Т=50—80 °С) впоследствии подтвердили это предположение. Перичисленные выше факторы в итоге приводят к большой неравномерности структурных составляющих по длине проката, что напрямую обуславливает значительный разброс (до 50—80 Н/мм2) механических свойств в пределах партии. Такая структура в катанке из рядовых низкоуглеродистых марок стали, позволяет получить уникальный комплекс механических свойств: высокий предел текучести при хорошей пластичности, что не всегда можно получить даже на катанке из некоторых низколегированных марок стали при стандартной прокатке и охлаждении на воздухе (рис. 4). Получение вышеуказанной катанки требует точного соблюдения технологии термоупрочнения. Настройка линии водяного охлаждения зависит от множества факторов: марки стали, необходимых механических свойств, диаметра катанки, состава оборудования линии охлаждения, настройки форсунки высокого давления, скорости прокатки, расхода и давления воды (рис. 5).
Для определения технологических параметров в зависимости от перечисленных факторов были проведены экспериментальные исследования с измерением температуры самоотпуска. От полученных во время экспериментальных прокаток бунтов катанки отбирались пробы для механических испытаний и металлографического анализа полученной микроструктуры. Полученные результаты показывают, что существует достаточно большой диапазон изменения механических свойств. При этом наблюдается такая же тенденция как при повышении содержания углерода в углеродистых марках стали: при повышении прочностных свойств — уменьшаются пластические (рис. 5).
Исходя из марочного сортамента, уровня механических свойств и номинального диаметра, возможно получение оптимального технологического режима, удовлетворяющего запросы потребителей. Одной из наиболее перспективной областью применения термомеханически
упрочненной арматуры малых диаметров является использование ее для
связки арматурного каркаса в высокопрочных железобетонных плитах. Областью применения данной арматуры могут в перспективе быть и другие различные ж/б конструкции, фундаменты и т.д. На сегодняшний день это может обеспечить совершенствование нормативно-технической документации (ГОСТ, ТУ и т.д.) и исследование возможностей использования этого нового вида продукции. Проведенные исследования позволили определить основные параметры процесса термомеханического упрочнения катанки малых диаметров. Впоследствии при пуске на ОАО «ММК» стана 170 после адаптации полученных результатов к условиям прокатки на новом стане позволит освоить данный сортамент при массовом производстве.
ВЫВОДЫ
- Рассмотрены процессы, происходящие при деформации металла в горячем состоянии. Определены факторы, наиболее влияющие на формирование структуры металла после деформации.
- Показана перспективность развития процесса ТМО при производстве катанки с учетом ее геометрических размеров и особенностей производства: особо малое сечение и высокие скорости деформации в отличие от других видов металлопродукции получаемых путем горячей прокатки.
- Показаны результаты использования такого инструмента, как моделирование температуры с целью получения необходимых механических свойств катанки при горячей прокатке с учетом существующих технологических возможностей стана, а также с точки зрения влияния горячей пластической деформации и химического состава на структуру.
- Приведены результаты применения использования термомеханической обработки при прокатке на структуре готовой катанки.
Исходным материалом для производства проката служат слитки, отлитые в изложницы - для обжимо-заготовочных станов, а для станов готового проката – блюмы, слябы и заготовки, катаные и непрерывнолитые.
При использовании слитков технологическая схема прокатки предусматривает следующие операции: нагрев слитков, прокатка на блюминге или слябинге, обрезка концов раската и порезка его на мерные длины. Далее слябы и крупные блюмы направляют на станы готового проката, а часть блюмов поступает на непрерывно-заготовочные станы (НЗС), где из них получают заготовки меньших размеров для мелкосортных и проволочных станов.
При использовании непрерывнолитых заготовок (блюмов, слябов), они после нагрева или подогрева поступают непосредственно на станы готового проката, минуя обжимо-заготовочные операции.
Слитки отливают из сталей, которые подразделяют по ряду признаков: по химическому составу, по способу производства, по структуре, по назначению, по степени раскисления. Среди них наибольший удельный вес по массе занимают углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380), стали углеродистые качественные (ГОСТ 1050) и стали низколегированные конструкционные (ГОСТ 5058).
Подготовка исходных материалов к прокатке заключается в удалении поверхностных дефектов и нагреве. Удаление поверхностных дефектов – плен, трещин, неметаллических включений и пр., весьма трудоемкая операция. В старых цехах на ней занято до 70% рабочих. Выполняют ее лезвийным инструментом, зачисткой абразивными кругами, огневой зачисткой, станочной обдиркой и пр.
Нагрев металла перед прокаткой осуществляют в нагревательных колодцах, методических печах и печах с выкатным подом. Основная цель нагрева металла – повысить его пластичность и снизить сопротивление деформации. Однако нагрев может иметь и нежелательные последствия – окалинообразование, обезуглероживание поверхностных слоев, перегрев и пережог металла. И если последних трех можно избежать, соблюдая определенные режимы, то в обычных условиях окалинообразование является неизбежным и приводит к потере 1-2 % металла и более, а также ухудшению качества поверхности.
Температура нагрева металла определяется температурным режимом прокатки – температурой начала (t н) и конца прокатки (t к). Обычно температуру t н принимают на 150-200 0 С ниже линии солидуса диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов с таким расчетом, чтобы температура t к лежала в области однофазного гамма-железа, т.е. в области температур выше линии превращения. Обычно для мало- и среднеуглеродистых сталей t н = 1250…1280 0 С, для высокоуглеродистых t н = 1050…1150 0 С, а t к 950…1050 0 С.
В последние годы с целью экономии энергетических и материальных ресурсов, повышения качества проката переходят на низкотемпературный нагрев и прокатку.
9.1 Технология производства полупродукта.
К полупродуктам относят блюмы со стороной сечения 240…350 мм, заготовки 50…240 мм, слябы толщиной до 350 мм и шириной до 2500 мм. Полупродукты производят на блюмигах, слябингах и заготовочных станах. Наиболее распространены одноклетьевые блюминги. По диаметру валков их подразделяют на малые (Æ 850…1000 мм), средние (Æ 1050…1170 мм) и большие (Æ 1200…1500 мм).
На блюминге можно прокатывать и блюмы, и слябы, а на слябинге – только слябы.
Малые блюминги используют в основном в качестве обжимных клетей заготовочных и рельсобалочных станов.
На рис. 9.1. представлена схема блюминга 1300. Он расположен в четырех пролетах – печном (I), становом или главном (II), машинном (III), скрапном (IV) и адъюстажном (V). Слитки из стрипперного отделения сталеплавильного цеха поступают на железнодорожных платформах в печной пролет, слитки кипящей стали в раздетом состоянии, а спокойной – в изложницах в подорванном от литников состоянии и без прибыльных надставок.
Мостовым клещевым краном слитки сажают в нагревательные колодцы (1) - регенеративного или рекуперативного типов. В силу ряда недостатков, присущих регенеративным колодцам (прямой контакт факела со слитком, неравномерный нагрев, отсутствие представительной точки для контроля температуры в ячейке и пр.), чаще используют колодцы рекуперативного типа.
До 90% слитков сажают в колодцы в горячем состоянии, что примерно вдвое сокращает время нагрева слитков и соответственно расход топлива и потери металла в окалину.
В зависимости от температуры различают слитки горячего посада, теплого посада и холодного посада с температурой соответственно выше 800 0 С, от 400 до 800 0 С и ниже 400 0 С.
Из колодцев нагретые слитки клещевым краном укладывают на слитковоз – челночного или кольцевого типа (3). Челночные имеют ограниченную пропускную способность и являются узким местом в технологической цепочке, особенно при подаче слитков от дальнейших ячеек. Поэтому более предпочтительны кольцевые слитковозы. На кольце располагают до 3…4 тележек, перемещающихся со скоростью до 6 м/сек.
Боковым сталкивателем (2) со слитковоза слитки сталкивают на поворотный стол, далее на приемный рольганг и по нему передают в становый пролет к блюмингу (5), где их прокатывают на блюмы или слябы.
Главной особенностью блюминга является возможность подъема верхнего валка между проходами на высоту до 1500 мм и реверса валков, что обеспечивает прокатку слитков в прямом и обратном направлениях до получения раскатов заданных размеров. Для калибровки валков блюминга используют систему ящичных калибров с последовательным или симметричным расположением калибров (рис. 9.2 -а, б).
Сила прокатки на блюминге достигает 18 МН, момент прокатки – до 5 МНм. Привод валков осуществляется от одного двигателя через шестеренную клеть или индивидуально на каждый валок. Суммарная мощность двигателей до 12 тыс. квт.
Передача раската из калибра в калибр вдоль оси валков осуществляется манипуляторами. В линейке переднего манипулятора со стороны привода вмонтирован крюковой кантователь. За блюмингом расположены машина огневой зачистки (7) и далее – ножницы (8). На машине огневой зачистки (МОЗ) удаляют поверхностные дефекты. В зависимости от площади и глубины зачистки потери металла составляют до 3 %.
На ножницах удаляют передний и задний концы раската и режут его на мерные длины. Здесь же на передний торец каждого блюма и сляба клеймом наносят паспортные данные слитка. Головную и донную обрезь из под ножниц наклонным транспортером (9) передают в скрапной пролет на железнодорожные платформы.
Ножницы кривошипно-шатунные, обеспечивают усилие резания до 16 МН и число резов до 12 в мин.
От ножниц часть блюмов по рольгангу (10) направляют на непрерывно-заготовочный стан (НЗС), а другая часть и слябы по транспортеру (11) – на адъюстаж для охлаждения и ремонта.
Производительность блюминга 1150 составляет 3…4 млн. т/год, а блюминга 1300 - до 6 млн. т/год (по всаду).
Слябинги по составу и расположению оборудования во многом аналогичны блюмингам. Главным отличием слябинга является наличие кроме горизонтальных валков пары вертикальных, расположенных перед или за клетью. Кроме того валки слябинга не калиброванные, а гладкие.
Прокатывать на блюминге заготовки небольшого сечения экономически нецелесообразно. Поэтому обычно за блюмингом располагают НЗС, на котором из блюмов без подогрева прокатывают заготовки. На рис. 9.3 представлена схема НЗС 900/700/500. Стан состоит из трех групп и обеспечивает получение квадратных заготовок со стороной сечения 240, 190 и 150 мм из второй группы и 120, 100 и 80 мм – из третьей.
По подводящему рольгангу (1) блюмы поступают на поворотное устройство для направления раската здоровым концом вперед, а от него – в первую группу из двух клетей (3) с валками диаметром 900 мм. Вторая группа из шести клетей – две с валками диаметром 900 мм (5) и четыре – по 700 мм (6,7). Во избежание кантовки раската между клетями валки двух клетей 700 расположены вертикально (6). Перед группой установлен кантователь (4).
Из второй группы раскаты сечением 150 мм и выше шлепперами передают на обводной рольганг (8) и далее на ножницы с нижним резом усилием 10 МН.
Для получения заготовок меньшего сечения раскаты поступают в третью группу из шести клетей с диаметром валков 500 мм, три из которых с вертикальными (11) и три – с горизонтальными валками (12). Перед группой установлены маятниковые ножницы (9) для удаления переднего конца и кантователь (10).
В первых клетях обычно используют систему ящичных калибров, в последующих ромб – квадрат.
За третьей группой установлены летучие ножницы (13) усилием 1,5 МН. После порезки заготовки поступают на пакетирующий рольганг (19) и далее на холодильник (21).
Производительность НЗС обычно соответствует производительности блюминга, за которым он установлен.
Кроме НЗС для производства заготовок используют также обжимно-заготовочные станы линейного типа и с последовательным расположением клетей.
9.2 Технология производства проката на рельсобалочных станах
Сортамент рельсобалочных станов включает железнодорожные рельсы массой от 38 до 75 кг/п.м., трамвайные и подкрановые рельсы, двутавровые балки и швеллеры свыше №24, равнобокие и неравнобокие уголки, зетообразные, круглые и квадратные профили крупных размеров и пр.
В качестве примера рассмотрим технологию производства наиболее ответственного и сложного профиля – железнодорожных рельсов на стане 800.
Стан линейного типа, клети расположены в две линии (рис.7.12). В первой – обжимная дуо-реверсивная клеть 900 (малый блюминг), во второй три клети 800 – черновая и предчистовая трио и чистовая дуо с отдельным приводом. Заготовки сечением 300´340 мм нагревают в методических печах до температуры 1180-1200 0 С. В обжимной клети прокатку осуществляют в ящичных и трех-четырех тавровых калибрах, а в остальных – в пластовых калибрах (рис. 9.4).
Из чистовой клети выходит рельс длиной около 75 м с температурой на уровне 900 0 .
Дисковыми пилами раскат режут на стандартную длину 12,5 или 25 м с учетом термической усадки и припуска на механическую обработку торцов.
Для компенсации термического изгиба при охлаждении рельса на головку, его предварительно изгибают на подошву и в таком виде охлаждают на холодильнике до температуры примерно 600 0 С. Затем следует замедленное охлаждение (противофлокенная обработка) в ямах, до температуры 150…200 0 С в течении 7…8 час.
Охлажденные рельсы правят в роликоправильных машинах (РПМ) и дополнительно концы рельсов на штемпельных прессах. После этого фрезеруют торцы рельсов на стандартный размер и сверлят болтовые отверстия. Наличие дефектов в рельсах контролируют УЗК.
Далее следует термическая обработка рельсов – нормализация в проходных печах или закалка головки рельсов (нагрев ТВЧ до 1000 0 С и охлаждение водовоздушной смесью). Окончательную правку рельсов осуществляют на РПМ в положении стоя и под прессом концов рельсов в положении на боку.
Приемку рельсов проводят ОТК и инспекторы МПС. Контролируют химический состав и структуру рельсовой стали, ее прочностные и пластические свойства, ударную вязкость, излом образцов, полнопрофильных рельсов под копром и пр.
Прокатку балок, швеллеров и др. профилей осуществляют по такой же технологической схеме с некоторыми упрощениями: более широкий температурный интервал нагрева заготовки (1200…1280 0 С), отсутствует предварительный изгиб раската перед холодильником и замедленное охлаждение, меньше объем отделки и контроля качества профилей.
9.3 Прокатка крупно-, средне-, мелкосортного проката и катанки.
Крупный сорт прокатывают на современных станах с последовательным расположением клетей (рис.7.15), реже на станах линейного типа, аналогичных рельсобалочным.
Исходным материалом служат блюмы и заготовки, катанные и непрерывнолитые, квадратного сечения со стороной до 310 мм. Нагретые в методических печах с торцевой задачей и выдачей заготовки по рольгангу поступают в непрерывную группу (одну или две) из нескольких чередующихся клетей с горизонтальным и вертикальным расположением валков. Затем шлепперами раскаты передают на вторую линию, где прокатку осуществляют в обратном направлении в группе из нескольких последовательно расположенных клетей. Расстояние между соседними клетями превышает длину раскатов, и это избавляет от необходимости соблюдать условие постоянства секундных объемов металла. Поэтому на таких станах можно прокатывать профили сложной формы.
После второй линии раскаты шлепперами передают в третью линию, откуда из чистовой клети - к пилам горячей резки и далее на холодильник. Готовый прокат режут на пилах холодной резки на мерные длины, правят в РПМ, удаляют поверхностные дефекты и упаковывают для отправки на склад готовой продукции.
Все клети стана имеют индивидуальный привод. Каждая группа и отдельно стоящие клети оснащены кантователями.
Производительность подобных станов доходит до 2 млн. т/год.
Средний и мелкий сорт прокатывают на станах непрерывного и полунепрерывного типов с последовательным расположением клетей. Технологическая схема аналогична схеме прокатки крупного сорта.
Катанку производят на современных проволочных непрерывных станах. Нагретые заготовки перед станом сваривают торцами в бесконечную плеть. В непрерывной черновой группе (одной или двух) прокатку ведут в четыре нитки. Затем поток раздваивается на две промежуточные непрерывные группы клетей (по две нитки на каждую), а после них снова раздваивается на четыре нитки, которые прокатывают в блоках чистовых клетей – двух- или трехвалковых.
Для обеспечения равномерного охлаждения катанки ее на выходе из чистовых блоков интенсивно охлаждают и витками укладывают на движущийся транспортер с регулируемым охлаждением, после которого укладывают в бунты массой до 2 т. Затем бунты уплотняют, обвязывают и отправляют на склад готовой продукции.
Клети черновых групп могут иметь общий или индивидуальный привод, как и блоки чистовых клетей. Скорость прокатки на таких станах достигает 120 м/сек, производительность – до 1 млн. т/год.
В черновых группах установлены аварийные летучие ножницы, а после чистовых блоков – для порезки на заданную массу бунта.
9.4 Технология производства листов
9.4.1 Производство горячекатаных листов и полос. Толстые листы прокатывают на специализированных толстолистовых станах (ТЛС) и широкополосных станах горячей прокатки (ШСГП). На ТЛС полистно катают листы толщиной от 5 до 160 мм и более, на ШСГП – полосы толщиной до 20 мм с последующей порезкой на листы.
Используют преимущественно ТЛС двух- и трехклетевые с последовательным расположением клетей, например, стан 3600 МК «Азовсталь». В качестве заготовки применяют непрерывнолитые и катаные слябы толщиной до 350 мм массой до 16т, а для особо толстых листов и плит – слитки массой до 30 т и более. Слябы нагревают в методических печах, а слитки – в нагревательных колодцах или печах с выдвижным подом.
Первую клеть с вертикальным или горизонтальным расположением валков используют в качестве окалиноломателя. Вторая клеть – черновая дуо или кварто, чаще универсального типа, в которой производят разбивку ширины и обжатие сляба по толщине.
После второй клети особо толстые листы и плиты передаточной тележкой направляют в отделение термической обработки и отделки. Для получения листов меньшей толщины раскаты докатывают в чистовой клети кварто, на которую приходится примерно 25% обжатия от общего.
Удаление окалины с поверхности листов на всех клетях осуществляют с помощью гидросбивов с давлением воды до 17 МПа. С передней и задней стороны клети оборудованы манипуляторами, а для разворота слябов - рольгангами с коническими роликами.
Из чистовой клети раскаты поступают в роликозакалочную машину и далее на охлаждение и отделку. Их режут на листы заданных размеров, которые правят в РПМ, подвергают ультразвуковому, визуальному и другим видам контроля. Для повышения служебных свойств листы подвергают термической обработке (нормализации, закалке и пр.).
Производительность ТЛС составляет более 1 млн. т/год.
Горячекатаные полосы, в том числе толстые, прокатывают на непрерывных или полунепрерывных ШСГП. На них производят до 90% листовой стали, благодаря их более высокой производительности и высоких технико-экономических показателей по сравнению с ТЛС.
На ШСГП в качестве заготовок используют слябы, которые нагревают в методических печах (1, рис.9.5). Нагретые слябы по рольгангу (2) поступают в черновой окалиноломатель (3) с горизонтальным или вертикальным расположением валков и далее в уширительную клеть (4), после которой иногда устанавливают пресс (5) для обжатия сляба по ширине.
После этого слябы поступают в черновую группу последовательно расположенных клетей (6, 7, 8), как правило, кварто универсального типа, и далее – в чистовую непрерывную группу клетей – кварто (11…16). Перед ней установлены летучие ножницы для обрезки переднего конца (9) и чистовой окалиноломатель (10). Удаление окалины с поверхности раскатов осуществляют с помощью гидросбивов.
После чистовой группы клетей полосы интенсивно охлаждают в душирующих устройствах и сматывают на моталках в рулон.
Порезку полосы на листы заданных размеров осуществляют на агрегатах продольной и поперечной резки. Часть полос в рулонах поступает в цехи холодной прокатки (ЦХП).
Полунепрерывные ШСГП представляют собой комбинацию из ТЛС в качестве черновой группы и непрерывной чистовой группы клетей. Из черновой группы выдают толстые листы, а из чистовой – толстые и тонкие полосы, смотанные в рулон.
9.4.2 Производство холоднокатаной листовой стали. На ШСГП производят полосы толщиной 0,8 мм и более. Между тем для многих изделий требуется листы меньших толщин. Кроме того, горячекатаные листы имеют поверхность, непригодную для изготовления лицевых деталей изделий. Поэтому рулоны горячекатаных полос направляют в ЦХП для дальнейшей прокатки.
Технологией предусмотрены следующие операции: травление, прокатка, очистка поверхности, отжиг, дрессировка, отделка.
Травление полос осуществляют с целью удаления с их поверхности прокатной окалины. Для этого используют непрерывные травильные агрегаты (НТА) с серной или соляной кислотами (рис. 9.6) Полосу из разматывателя (1) с помощью тянущих роликов (2) задают в РПМ (3). На гильотинных ножницах (4) обрезают задний конец предыдущей полосы и передний конец следующей и сваривают их в непрерывную ленту на стыкосварочной машине (5). Место стыка зачищают на гратоснимателе (6). Эти операции выполняют на неподвижной ленте. Чтобы обеспечить непрерывность процесса травления, предусмотрен петленакопитель (8), из которого полоса непрерывно поступает в травильные ванны (10).
В промывочной ванне (11) с поверхности полос смывают остатки кислотных растворов и сушат в камере (13). На дисковых ножницах (14) обрезают боковые кромки полос, далее на ножницах поперечной резки (15) удаляют места их стыковой сварки и вновь сматывают в рулоны на моталке (16).
Холодную прокатку полос осуществляют на одноклетьевых (четырех- или многовалковых) станах в режиме реверсивной прокатки за несколько проходов или на многоклетьевых станах с рулона в рулон. В процессе прокатки на валки интенсивно подают смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ) – смесь эмульсола с водой.
На многоклетьевых станах прокатывают жесть и тонкие полосы толщиной от 0,14 мм, а на одноклетьевых многовалковых станах – тончайшую ленту толщиной до 0,002 мм.
Для снятия наклепа металл подвергают отжигу в колпаковых печах (рулонами) или в агрегатах напрерывного отжига (полосой) при температуре около 900 0 С. Предварительно в агрегатах электролитической очистки с поверхности полос удаляют остатки эмульсии и различные загрязнения.
Для повышения штампуемости листы подвергают дрессировке путем прокатки с небольшим обжатием - 1…2%.
В процессе отделки полосы режут на листы заданных размеров на агрегатах продольной и поперечной резки, правят, наносят защитные и/или декоративные покрытия и пр.
Кроме порулонного способа в последние годы в ЦХП начали внедрять принципы бесконечной прокатки и отделки в непрерывных агрегатах травления, прокатки, очистки поверхности, отжига и дрессировки.
Исходные заготовки для сортовых станов - блюмы - последовательно пропускают через ряд калибров. В зависимости от стадии процесса прокатки различают калибры обжимные (уменьшающие сечение заготовки), черновые (приближающие сечение заготовки к заданному профилю) и чистовые (дающие окончательный профиль). В качестве примера на рис. 7 показана система из 9 калибров для получения рельсов. После прокатки прутки разрезают на мерные заготовки и правят в холодном состоянии.
Рис. 7.
Производство листового проката.
Исходную заготовку - сляб - прокатывают (после второго нагрева) в толстый лист большей частью на станах с двумя рабочими клетями (черновой и чистовой), расположенными друг за другом. Перед черновой клетью сбивают окалину. Чистовая клеть кварто имеет рабочие валки меньшего диаметра, чем черновая. После прокатки листы правят и обрезают на заданные размеры.
Тонкие листы прокатывают в горячем и холодном состояниях. Горячую прокатку ведут на непрерывных многоклетьевых станах, имеющих 2 группы клетей (черновую и чистовую). Перед каждой группой в окалиноломателях очищают листы от окалины. Выходящий из чистовых клетей лист сматывается в рулон. Далее листы в рулонах передаются на отделочные операции (правку, разрезку и др.) или на дальнейшую холодную прокатку. С уменьшением толщины листов до определенной величины горячая прокатка сопровождается быстрым остыванием металла, растет сопротивление деформации и увеличиваются отходы металла в окалину из-за неизбежных частых подогревов. Поэтому листы тоньше 2 мм в горячем состоянии прокатывать сложно, и такие листы, как правило, получают холодной прокаткой, которая обеспечивает лучшее качество их поверхности и большую точность по толщине. Холоднокатаный лист катают из горячекатаного. Предварительно горячекатаный лист очищают от окалины травлением в кислотах и промывают. Прокатывают на непрерывных станах кварто и на многовалковых станах с применением смазки. Для снятия наклепа проводят промежуточный отжиг в печах с защитной атмосферой, после чего направляют на дальнейшую прокатку или на дрессировку (холодная прокатка с небольшим обжатием 0,5-5 % за один проход без смазки). В результате дрессировки повышается прочность, улучшается штампуемость и качество поверхности. Далее проводят отделочные операции: обрезка кромок, разрезка на мерные листы, нанесение антикоррозионных покрытий (цинк, олово, алюминий, пластмасса, лак), полирование и др.
Производство труб.
Бесшовные трубы. При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка - образование отверстия в круглой заготовке. Прошивку выполняют в горячем состоянии на прошивных станах (схема поперечно-винтовой прокатки, рис. 8, двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под углом (4-14°) друг к другу. Валки вращаются в одном и том же направлении. В результате этого заготовка 2 получает одновременно вращательное и поступательное движение. В зоне деформации заготовки преобладают радиальные растягивающие напряжения, что приводит к разрыхлению центральной части заготовки, образованию полости и облегчает прошивку отверстия оправкой 3, устанавливаемой на пути движения заготовки.
Вторую операцию - последующую прокатку полученной гильзы в трубу нужных диаметра и толщины стенки - производят на раскатных станах (схема продольной прокатки). Гильзу раскатывают между двумя валками 1 с последовательно расположенными круглыми калибрами и оправкой 2 (рис. 8). Оправку закрепляют на длинном стержне так, чтобы зазор между оправкой и калибром валка определял толщину стенки трубы. Перед прокаткой в следующем калибре трубу поворачивают на 90° . Бесшовные трубы по механическим, физическим, эксплуатационным свойствам превосходят литые и сварные, но значительно дороже.
Сварные трубы. Сварные трубы получают из плоской заготовки - ленты, называемой штрипсом , по следующей технологии: ленту сворачивают в трубу в формовочном непрерывном стане дуо с числом клетей от 5 до 12 (рис. 9).
Рис. 8.
При выходе из последней клети стана трубная заготовка поступает в электросварочный агрегат, где кромки трубы прижимаются друг к другу роликовыми электродами и свариваются. Далее трубу правят, калибруют, разрезают на мерные куски, производят другие отделочные операции. Кроме электросварки сопротивлением, применяют печную сварку, автоматическую электродуговую под флюсом, индукционную.
Рис. 9.
Рис. 10.
Проволочные станы бывают полунепрерывные и непрерывные и предназначены для прокатки проволоки-катанки диаметром 5-10 мм. Проволоку меньшего диаметра получают волочением.
Производство специальных видов проката
К специальным видам прокатки относят прокатку профилей периодического сечения, колес, шаров, колец и др. Периодические профили изготавливают, в основном, поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На рис. 10. показана схема стана поперечной прокатки.
Щуп 4 скользит по копировальной линейке 3, жестко связанной с кареткой 2 натяжного устройства. В зависимости от профиля копировальной линейки 3 рабочие валки 1 по мере ее движения сближаются или расходятся, изменяя соответственно диаметр прокатываемого профиля. Периодические профили применяют как фасонные заготовки для последующей штамповки и как заготовку под окончательную механическую обработку (полуоси автомобилей, ступенчатые валы и др.
На рис. 11, б дана схема стана поперечно-винтовой прокатки. Здесь валки 6 и 8 вращаются в одну и ту же сторону. Ручьи валков соответствующей формы сделаны по винтовой линии. Заготовка 5 при прокатке получает вращательное и поступательное движение; от вылета из валков она предохраняется центрирующими упорами 7. Такие станы используют для прокатки заготовок шаров и сферических роликов подшипников качения. На рис. 11 показана последовательность изготовления железнодорожного колеса.
Рис. 3.19.
Исходной заготовкой являются слитки или прокат круглого сечения. После нагрева заготовку осаживают на гидравлическом прессе и прошивают отверстие (рис. 11, а); затем на более мощном прессе формируют в штампе ступицу, диск и контур обода (рис. 11, б). Полученная заготовка поступает на колесопрокатный стан, где раскатывают диск, прилегающий к ободу, раскатывают обод и окончательно оформляют гребень на ободе колеса (рис. 11, в).
Производство гнутых профилей.
Горячей прокаткой фасонных профилей невозможно получить стенки с толщиной менее 2-3 мм. Фасонные тонкостенные профили, легкие, но жесткие, сложной конфигурации и большой длины, можно получить методом холодной гибки листового материала на специальных гибочных роликовых станах. Станы имеют 6-20 последовательно расположенных клетей непрерывного типа. В каждой паре гибочных роликов меняется форма листовой заготовки, постепенно приобретая к последней клети заданную форму (рис. 12).
Площадь сечения не меняется. Толщина заготовок из листовой стали или цветных металлов 0,3-20 мм, а максимальная ширина 600-2500 мм.
Рис. 12.
При одних и тех же прочностных свойствах гнутые профили на 25-40 % легче горячекатаных фасонных профилей, что обусловливает их широкое применение в автомобильной и авиационной промышленности, в машиностроении и строительстве (рис. 13).
Рис. 13. Основные виды гнутых профилей: а, г - профили с элементом двойной толщины; б - профили замкнутого типа; в - гофрированные профили
Прокатный стан - это совокупность привода, шестеренной клети, одной или нескольких рабочих клетей. Прокатные станы классифицируют по трем основным признакам: по числу и расположению валков; по числу и расположению рабочих клетей; по их назначению. Прокатка металла осуществляется при прохождении его между валками, вращающимися в разных направлениях. При прокатке металл обжимается, в результате чего толщина полосы уменьшается, а ее длина и ширина увеличиваются.