Разработка новых способов и совершенствование технологии прокатки листовой стали

Актуальность работы. Стальной лист в общем сортаменте проката занимает одно из первых мест и технология его изготовления достаточно сложна.

Листовой прокат относится к наиболее экономичным видам металлопродукции. Листы различных видов широко используются в тяжелом, транспортном и сельскохозяйственном машиностроении, в судостроении, котлостроении и других отраслях народного хозяйства.

В отечественной промышленности доля листовой продукции в общей массе проката постоянно увеличивается. Одновременно с повышением роста производства листового проката перед металлургами поставлена задача дальнейшего и значительного улучшения качества полученной продукции по таким основным дефектам как неточность размеров, волнистость, коробоватость, поверхностные дефекты, неудовлетворительные механические свойства, большая разнотолщинность по ширине и длине листа.

Технология прокатки толстои среднелистовой стали определяется многими факторами, такими как химический состав и технологические особенности стали, уровень механических свойств, размеры прокатываемых листов и т. д. 3 зависимости от этих условий устанавливается режим нагрева металла для прокатки, величина обжатий, количество проходов, температура конца прокатки и режим термообработки.

Использование листового проката для ответственных несущих и резерву-арных конструкций предъявляет повышенные требования к прочностным показателям листовой стали и требует во многих случаях их контроля непосредственно на готовой продукции, для чего неприменимы традиционные методики определения прочности и пластичности. В этой связи возникает проблема создания простых и надежных методик неразрушающего определения упомянутых характеристик.

Для корректного определения значения силовых параметров при прокатке необходимо знание поля тензора напряжений, обусловленного реальной кинематикой течения металла в очаге деформации. Значения вектора напряжений при контакте позволяют получать все силовые характеристики процесса.

Проблема увеличения производства, совершенствование технологии улучшение качества продукции, снижение материальных затрат при производстве листового проката является комплексной и должна решаться на научной основе, с учетом конкретных особенностей производства и вида металлопродукции. Эти задачи являются актуальными и могут быть успешно решены при разработке и практическом освоении новых технологических способов прокатки листового металла, определении оптимальных режимов и рациональных способов нагрева, анализе оценки напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, разработке и обосновании методики определения прочностных характеристик листового проката неразрушающим способом.

Цель работы: Совершенствование технологии прокатки толстолистовой стали. При реализации этой цели были решены следующие задачи:

1. Оценка напряженного состояния в очаге деформации при прокатке с учетом несимметричного тензора напряжений.

2. Выполнено моделирование процесса прокатки в лабораторных условиях для определения сопротивления деформации и пластичности сталей.

3. Рассчитаны оптимальные режимы обжатий и выполнена оценка крутящего момента и нормального усилия на валках, обусловленных реальной кинематикой течения металла в очаге деформации.

4. Установлен характер влияния основных факторов прокатного производства (схемы прокатки, степени обжатий на последнем пропуске, температуры нагрева заготовок и конца прокатки) на физико-механические свойства низколегированной стали 10Г2С1.

5. Разработаны и внедрены новые способы прокатки сляб и листового металла и способы прокатки листовой стали в клети трио Лаута с переменным сечением валков.

6. Обоснована и разработана методика определения прочностных характеристик листового проката с помощью измерения скорости распространения ультразвука и проверена ее применимость.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Впервые получены распределения компонент тензора напряжений, обусловленного моделью течения металла, адекватной реальному процессу. Нормальное давление на валок и касательные к его поверхности напряжения определяются по тензору напряжений без каких-либо предположений о законе трения.

2. Выполнено моделирование процесса прокатки методом горячего кручения и определены характеристики пластичности и сопротивления деформации.

3. Рассчитаны оптимальные режимы обжатий по методике, учитывающей энергосиловые возможности стана и условия захвата, и установлены зависимости физико-механических свойств от основных факторов листопрокатного производства.

4. Впервые предложена достаточно точная и надежная методика определения ударной вязкости, предела прочности и предела текучести с помощью измерения скорости распространения ультразвука.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований усовершенствованы технология прокатки листовой стали и контроль ее качества.

При этом выполнены следующие работы:

1. Оптимизированы режимы обжатий и способов нагрева и прокатки толстых листов стали 10Г2С1.

2. Предложены и внедрены эффективные способы прокатки сляб и листового металла.

3. Предложены новые способы прокатки листовой стали в валках с переменным сечением.

4. Разработана методика неразрушающего контроля механических свойств, которую можно применить непосредственно в цеховых условиях. С ее помощью можно организовать 100%-й контроль механических характеристик листового проката.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы составил свыше 0,57 млрд. рублей в ценах 1997 года.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка и внедрение 3-х новых способов производства сляб и листового металла.

2. Экспериментальные результаты моделирования процесса прокатки методом горячего кручения.

3. Одаима/:>ърые—-режимы о. бжатийи зависимости^ физико-механических свойств проката от основных факторов прокатного производства.

4. Результаты оценки поля напряжений в очаге деформации и силовых параметров процесса прокатки (нормальное давление и крутящий момент).

5. Методика неразрушающего контроля показателей механических свойств листового проката, основанная на установлении корреляции между показателями прочности и пластичности и скоростью распространения ультразвука.

6. Новые способы прокатки листовой стали в клети трио Лаута с переменным сечением валков.

Достоверность результатов и правомерность сделанных выводов обеспечиваются обоснованностью методов обработки металлов давлением, современного физического материаловедения, теории пластичности и сопоставлением полученных результатов с известными экспериментальными и теоретическими данными других авторов, использованием статистических методов обработки результатов экспериментов, практическим внедрением в производство, Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, совершенствовании технологии проката я листовой стали и контроля ее ка чества, разработке новых способов прокатки, анализе полученных результатов, проведении промышленных испытаний, внедрении результатов в производство.

Апробация работы. Основные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на технических советах: ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат» (1987;1997 г. г.) — Межгосударственной научно-технической конференции «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века» 14−17.05.96 г., г. МагнитогорскМеждународной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» 2428.06.96 г., г. ТамбовМеждународной научно-технической конференции «Структурная перестройка металлургии: экономика, экономия управления, технология» 22−25.10.96 г. НовокузнецкV-й Международной конференции «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» 3−7.02.97 г., Т. НовокузнецкМеждународной конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» 27−28.05.97 г. Санкт-ПетербургМеждународной конференции «Всесибирские чтения по математике и механике» 17- 20.06.97, 8 jTfoMCKнаучно-технической конф (фенции)"Физика и техника ультразвука", посвященной 100-летию профессора С .Я. Соколова, 9−11.05.97 г. Санкт-ПетербургМеждународной научно-технической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» 16−19.09.1997 г., г. Новокузнецк- 1-ом Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» 15−18.11.97г., г. НовгородМеждународном конгрессе прокатчиков 27−30.10.97 г., г. ЧереповецВсероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века. 9−12.10.2000 г., г. Новокузнецк.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 25 публикациях, в том числе 8 статьях, 1 авторском свидетельстве и 2 патентах на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 142 листах, содержит 24 рисунка, 18 таблиц. Список используемой литературы состоит из 116 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Для оценки напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и значений силовых параметров процесса прокатки (крутящий момент и усилие, действующее на валок) поставлена и решена задача плоской деформации для уравнений равновесия с использованием несимметричного тензора напряжений.

2. Для изучения влияния длительности паузы т и степени деформации е стали создана испытательная машина и выполнено моделирование процесса прокатки методом горячего кручения. Анализ полученных зависимостей характеристик пластичности и прочности от е и т показал возможность увеличения величины обжатий за пропуск и сокращения длительности пауз без повышения ресурса пластичности и заметного повышения сопротивления деформации.

3. Рассчитаны оптимальные режимы обжатий с учетом пластических и прочностных свойств прокатываемых металлов, условий захвата, мощности электропривода и прочности элементов клети. Усовершенствование и внедрение конструкции узла станины чистовой клети, позволяет увеличивать обжатия, рационально их перераспределять и получить листы с меньшей разнотолщинностью.

4. Выявлен характер влияния факторов прокатного производства: схем прокатки, степени обжатия в последнем пропуске, температуры нагрева заготовки и температур конца прокатки, способов охлаждения листов после прокатки на физико-механические свойства листового проката в состоянии поставки при различных температурах испытаний и после механического старения.

5. Разработаны научные и технологические основы трех новых способов прокатки листового металла и сляб, улучшающих качество, снижающих расход металла и интенсифицирующих процесс прокатки. Разработаны новые способы прокатки листовой стали в клети трио Лаута с волнами переменного сечения, обеспечивающие компенсацию выработки валков за счет их осевого смещения, сохранение устойчивости полосы при прокатке, и увеличение степени обжатия.

———-¦ —-ТТ^Т-И—-T—^r-tZ? «¦.•.¦ .—.-... — т. • ., .-.—-j,^—-. — ——————. .

6. Разработана методика неразрушающего контроля механических свойств листового проката. Установлены корреляционные соотношения между скоростью распространения ультразвука, ударной вязкостью и характеристиками пластичности сталей в состоянии поставки и после термообработки. Структурными исследованиями выявлены причины наблюдаемой корреляции.