Технология прокатного производства

К удаляемым поверхностным  дефектам заготовок относят плены, волосовины, трещины, неметаллические включения, закаты, царапины и некоторые другие, которые выявляют путем осмотра. Если требуется полное удаление поверхностных дефектов, то заготовку подвергают травлению. Это позволяет выявить такие дефекты, которые простым осмотром обнаружить не удается, так как они бывают закрыты окалиной.

К способам удаления поверхностных  дефектов относят огневую зачистку, вырубку пневматическими зубилами, зачистку на наждаках, фрезерных, токарных и строгальных станках. Наиболее распространенный способ - огневая зачистка (ручная и МОЗ). При этом резак подводится к дефекту и в течение нескольких секунд металл нагревается до t=950-1000⁰С, после чего увеличивают подачу кислорода, который зажигает металл. Давление газа обеспечивает сдув жидкого слоя металла. Угол наклона резака  при этом должен обеспечивать получение пологих краев канавки, шириной не менее чем 5 глубин и длиной - не менее, чем 3 ширины.

 

5.3 Нагрев слитков в обжимном цехе

5.3.1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА

 

Особенности нагрева слитков и  заготовок взаимосвязаны с такими физическими свойствами сталей как теплопроводность и температуропроводность.

Теплопроводность стали находится  в зависимости от ее химического состава, структурного состояния, степени чистоты, характера термообработки и температуры. Известно, что с повышением содержания углерода теплопроводность стали снижается. Аналогичное влияние оказывает сера, фосфор, кремний, марганец, обычно присутствующие в стали. Теплопроводность стали уменьшается с увеличением степени легирования и  числа  легирующих  элементов (хрома, никеля, вольфрама, кобальта). В литом состоянии легированная сталь обладает значительно более низкой теплопроводностью по сравнению с деформированной.

Температуропроводность  углеродистых и легированных сталей изменяется довольно широких пределах. Она снижается с повышением степени легирования стали, а также с повышением температуры.

Нагрев слитков в  нагревательных колодцах любого типа происходит по одной схеме: сначала нагреваются поверхностные слои, а затем внутренние в результате теплопередачи от поверхностных слоев. Особо значительной величины достигает разница температур поверхностных и внутренних слоев слитка сразу же после посадки их в разогретую ячейку нагревательного колодца, когда наружные слои оказываются сильно разогретыми, а внутренние сохраняют начальную температуру. Это и вызывает возникновение значительных внутренних (термических) напряжений, которые снижаются с течением времени нагрева по мере уменьшения разности температур. При нагреве поверхностные слои металла увеличивают свою длину, а внутренние еще сохраняют свои первоначальные размеры. Вследствие этого внешние слои подвержены напряжениям сжатия, а внутренние - растяжения.

При нагреве до 600…700 ⁰С появляющиеся термические напряжения суммируются с остаточными напряжениями, возникшими в слитке при его охлаждении после разливки стали в изложницы. Однако такое взаимодействие существует только до начала полиморфного превращения в более нагретых поверхностных слоях. Как известно, переход альфа- железа в гамма-железо с более плотной упаковкой сопровождается уменьшением объема примерно на 2% и, следовательно, сокращением длины более нагретых слоев. В результате этого внешние слои оказываются под воздействием напряжений растяжения, а внутренние, в которых фазового превращения еще не произошло, под воздействием напряжений сжатия. Таким образом, структурные напряжения суммируются с остаточными и термическими напряжениями. Если знак этих напряжений совпадет, то их значение может превысить временное сопротивление при данной температуре и привести к образованию микротрещин: межкристаллитных или внутрикристаллитных - в зависимости от того, что слабее: кристаллиты или границы между ними.

Возникшие микротрещины под воздействием тепловых процессов при нагреве  могут залечиваться, либо под воздействием растягивающих напряжений, возникающих от неравномерного нагрева и последующей пластической деформации, превратиться в макротрещины и затем преобразоваться в дефекты поверхности (рванины) или во внутренние дефекты (скворечники). Поэтому скорость нагрева слитков в области низких температур (до 500-600 град.) для сталей со сравнительно низкой пластичностью ограничивается величиной возможных температурных напряжений. Скорость нагрева сталей высокой пластичности ограничивается возможностью восприятия теплового потока нагреваемого металла и тепловой мощностью нагревательных колодцев. Скорость нагрева в области высоких температур (более 500-600 град.) стараются задавать возможно большей, чтобы сократить время пребывания слитков в ячейках при этих температурах с целью уменьшения обезуглероживания и угара. Ограничивающим фактором скорости нагрева в области высоких температур чаще  всего является необходимость предотвращения пережога. В то же время продолжительность пребывания металла в области высоких температур должна не только обеспечивать равномерность нагрева по сечению и по высоте слитка, но и создавать условия для активного прохождения диффузионных процессов, если они необходимы (например, растворение карбидов, выравнивание ликваций и т. д.).

5.3.2 ДЕФЕКТЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА

 

Дефекты нагрева металла возникают  в результате воздействия печной атмосферы и высокой температуры на сталь. В результате чего имеют место :

- окисление стали свободным  кислородом и газами, содержащими  кислород;

- обезуглероживание поверхности  высокоуглеродистого и науглероживание поверхности малоуглеродистого металла;

- переход серы из  печных газов в металл;

- перегрев и пережег металла.

 

Окалинообразование и угар металла

 

Окалина образуется в процессе нагрева  слитков в колодцах или НЛЗ  в печах (печная окалина) и также на воздухе в период транспортировки и прокатки (вторичная окалина).

Доли печной и вторичной  окалины в общей величине угара могут быть различны. При прокатке слитков на блюминге доля печной окалины превышает вторичную. Количество печной окалины зависит от окислительной способности печной атмосферы в зависимости от содержания в печных газах CO, CO₂, H₂, H₂O, SO₂.

Образующаяся окалина имеет три основных слоя: внешний - Fe₂O₃ - гематит (наиболее богатый кислородом), промежуточный -  Fe₃O₄ (магнетит) и внутренний, самый толстый слой – FeO- вюстит (бедный кислородом).

Количество печной окалины зависит  еще от продолжительности нагрева и в особенности от длительности пребывания металла в области высоких температур (выше 570) и, следовательно, от температуры нагрева.

При нагреве легированных сталей происходит кроме окисления железа, также  и окисление легирующих элементов. Такие элементы, как хром, алюминий, кремний, вольфрам способствуют созданию на поверхности нагреваемого металла окалины, в виде тонкой, плотной, хорошо пристающей к металлу пленки, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Кобальт, никель и молибден в сталях способствуют образованию пористой рыхлой окалины, не предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Окалина, содержащая никель, с большим трудом удаляется в процессе горячей прокатки.

Присутствие в печных газах SO₂ приводит к увеличению угара вследствие повышения интенсивности образования окалины.

 

ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЕ

 

Обезуглероживание поверхностного слоя при нагреве перед прокаткой  происходит  одновременно с образованием окалины и наблюдается в сталях всех сортов.

Глубина обезуглероживания возрастает с увеличением температуры и  длительности периода выдержки при нагреве.

Обезуглероживание - диффузионный процесс, основанный на разности концентраций углерода в поверхностных и центральных  слоях металла. По мере окисления углерода; в поверхностных слоях нагреваемого металла, концентрация углерода в них резко снижается. Это создает диффузионный поток углерода из центральных слоев к поверхностным. Поэтому в нагреваемом металле образуются: обезуглероженный наружный слой, переходный (частично обезуглероженный) слой и центр, сохранивший исходную концентрацию, которые в преобразованном виде переходят в прокатанный профиль.

Hаличие даже небольших  участков обезуглероживания в  готовой продукции из пружинных, инструментальных и канатных сталей резко снижает предел усталости и, следовательно, их эксплуатационные возможности.

Поэтому нагрев слитков  и заготовок из таких марок  сталей производят с учетом получения  наименьшей глубины обезуглероженного  слоя. Производят контроль заготовки  и готового сортового проката  на обезуглероживание.  В случае обнаружения обезуглероженного слоя глубиной более 1% поперечника его удаляют сплошной шлифовкой поверхности.

Перегрев и пережог  металла

 

При перегреве и пережоге по существу происходит один и тот  же процесс, который различно протекает в зависимости от времени нахождения металла в зоне высоких температур и характера печной атмосферы, в которой нагревается металл.

Нагрев углеродистых и легированных сталей до температур, близких к  линии солидуса сопровождается интенсивным  ростом зерна и частичным оплавлением межзеренных веществ, что и называют перегревом.

Перегрев металла проявляется  в начальной стадии прокатки слитков, во время которой на боковых гранях раскатов образуются рванины вследствие пониженной пластичности крупнозернистой структуры, возникшей в результате перегрева.

Перегрев металла может быть исправлен, если слитки охладить и затем заново на греть по специальному режиму. Перегрев металла переходит в пережог, когда при температурах нагрева, близких  к линии солидуса, производят выдержку, достаточную не только для оплавления межзеренных веществ, но и для их вытекания с образованием межзеренных микропустот. Эти микропустоты легко окисляются в случае нагрева и выдержки в атмосфере, способной окислять металл, что и образует пережог.

Пережогу в наибольшей степени подвержены углы-ребра слитка вследствие того, что на них в наибольшей степени воздействует тепловой поток, создаваемый в нагревательном колодце. Пережог виден сразу при выдаче слитков после нагрева. Пережог - неисправим.

 

 

Тема 6

СИСТЕМЫ КАЛИБРОВОК ВАЛКОВ БЛЮМИНГОВ

 

1. Система последовательно расположенных глубоковрезанных ящичных калибров (рис. 6.1). Преимущества – можно производить прокатку со стесненным обжатием. Недостатки – из-за больших врезов ослабляется сечение валка, уменьшается его прочность, поэтому нельзя давать большие обжатия. Часто ломаются бурты.
2. Система последовательно расположенных ящичных калибров, причем 1-й калибр имеет минимальную глубину вреза и называется гладкая бочка (рис. 6.2). Преимущества – из-за неглубокого вреза имеем повышенную прочность и можно производить прокатку с увеличенным обжатием. Недостатки – неравномерный износ вкладышей подшипников, нажимных винтов, гаек из-за несимметричного расположения калибров в валках.
3. Гладкая бочка расположена посередине валка, что устраняет недостатки предыдущей системы (рис. 6.3). Недостаток – увеличенное время передачи раската из калибра в калибр при переходе через гладкую бочку, что снижает производительность стана.

 

 

Рис.6.1 – Калибровка валков блюминга 1000 (Днепропетровский завод им.Г.И.Петровского)

 

 

 

 

 

Рис.6.2 – Калибровка валков блюминга 1300 (Челябинск)

 

 

 

Рис.6.3 – Калибровка валков блюминга 1170 (Азовсталь)

 

ТЕМА 7

РЕЖИМ ОБЖАТИЙ И КАЛИБРОВКА ВАЛКОВ БЛЮМИНГОВ

Расчет режима обжатий  и калибровки валков для прокатки блюмов и слябов выполняются применительно к заданным условиям, основными из которых являются:

1. Характеристика блюмов  и слябов (размеры блюмов и  слябов и допустимые отклонения от размеров, требования к качеству их поверхности и форме поперечного сечения);

2. Характеристика слитков (геометрические размеры и масса слитка, марка стали, температурные условия прокатки);

3. Характеристика блюминга  или слябинга (длина и диаметр  бочки валков, мощность главных электродвигателей, скорость прокатки, допустимые усилие и момент прокатки, скорость и ускорение нажимных винтов и др).

При составлении режима обжатий на блюминге необходимо учитывать  следующие основные требования:

а) получить блюмы и  слябы заданной формы, размеров и  качества в соответствии с требованиями ГОСТа;

б) обжатия за проход не должны вызвать перегрузку электродвигателей привода валков, превышение допускаемого давления металла на валки, затруднений при захвате раската валками;

в) проработка металла  должна бы по всей высоте раската;

г) продолжительность цикла прокатки должна быть минимальной, для чего необходимо стремиться к сокращению числа проходов, кантовок и перемещений раската от калибра к калибру.

При выборе величины обжатия  за проход за основу принимают главный  лимитирующий величину обжатия в  проходах фактор - допустимый угол захвата. Другие лимитирующие факторы - мощность приводных двигателей, прочность валков и пластические свойства прокатываемого металла учитывается соответствующими проверочными расчетами после разработки режима обжатий по углу захвата.

Общий ход расчета  режима обжатий при прокатке на блюминге следующий:

1. Устанавливаем исходные данные:

• начальный диаметр валков блюминга – Д₀ ;
• размеры слитка, т.е. поперечные сечения по верху и низу, а также длину слитка;
• марку стали слитка;
• конечное сечение блюма или сляба, которые прокатываются на блюминге и возможность прокатки наряду с этим других типоразмеров слябов или блюмов.