Введение к работе
Актуальность работы. Металлургия как стальпроизводящая отрасль является одной из основных базовых отраслей современной мировой экономической системы В настоящее время сталь является одним из наиболее распространенных конструкционных материалов, который, очевидно, при современном уровне развития науки и техники еще продолжительное время не будет уступать своих лидирующих позиций Объемы мирового производства стали в 2005 г. достигли 1080 млн т По данным International Iron and Steel Institute (IISI) мировое производство стали в 2006 г составило 1239,5 млн т В 2004, 2005 гг вклад России в мировое производство стали составил порядка 67 млн т, т е около 6-7 % В 2006 г российское производство стали достигло 70,6 млн т В России основными конечными потребителями металлопродукции являются нефтегазовая отрасль, железнодорожный транспорт, энергетический комплекс, строительство
Стальной прокат является основным видом конечной металлопродукции металлургических предприятий Его объем достигает 80 % от общего производства стали Основная доля стального проката производится посредством технологий горячей прокатки, т.е. требует нагрева слитков, непрерывнолитых или горячекатаных заготовок перед обработкой давлением При этом существенным фактором, влияющим на ресурсоемкость производства, являются потери металла вследствие высокотемпературного окисления (угара) В зависимости от применяемой технологии и оборудования они могут достигать 1-2 %, что в масштабах страны составляет 500-1000 тыс т/г и фактически соответствует годовому объему производства стали на комбинате средней мощности
Для многих производств, например рессор и пружин, не менее важным фактором, влияющим на ресурсосбережение, является обезуглероживание стали Необходимость удаления обезуглероженного слоя, например, с помощью шлифовки, помимо увеличения трудоемкости производства, приводит к дополнительным потерям полезной массы металлоизделий
Нагрев стали под обработку давлением является одной из наиболее важных ка-чествоформирующих технологических операций, обладающей высокой энергоемкостью В связи с этим развитие теории и совершенствование технологии тепловой обработки стали, направленные на повышение качества металла, снижение ее себестоимости, уменьшение энерго- и ресурсоемкости производства является актуальной задачей, имеющей большое народнохозяйственное значение
Работа выполнена
по грантам Президента РФ на поддержку молодых российских ученых и ведущих научных школ для выполнения научных исследований № МК-2503 2003 08 и МК-5544 2006 8,
в рамках ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы», код проекта 4008,
в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 годы, тема 2005-РИ-19 0/002/291, государственный контракт К» 02 442 117225,
по гранту Губернатора Кемеровской области на проведение фундаментальных и прикладных исследований по приоритетным направлениям социально-экономического развития Кемеровской области,
в соответствии с перечнем критических технологий Российской Федерации -пункт «Энергосбережение» и приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации - пункт «Энергосберегающие технологии»,
в соответствии с планом НИР и ОКР ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» на 2006 г (приказ от 10 01 2006 г № 3, договор от 1 02 2006 г № 5-6/4070356)
Цель работы Развитие металлургических основ теории, разработка новых и совершенствование действующих технологий тепловой обработки стали, направленные на ресурсосбережение и повышение качества проката и поковок
Основные задачи.
-
Разработать прогнозные математические модели термонапряженного состояния металла, обеспечивающие расчет временных упругих, упруго-пластических и остаточных напряжений в стальных цилиндрических заготовках при тепловой обработке, физико-химических процессов окисления и обезуглероживания стали при нагреве под обработку давлением
-
Создать критерий чувствительности сталей к трещинообразованию при интенсивной тепловой обработке
-
Определить экспериментальным путем предельные интенсивность тепловой обработки и напряженно-деформированное состояние заготовок из сталей перлитного класса с литой и катаной структурой, особенности кинетики высокотемпературного окисления и обезуглероживания углеродистых, низко- и среднеле-гированных марок сталей перлитного класса, закономерности и механизм влияния легирующих элементов стали (кремния, марганца, ванадия) на особенности строения, химический, фазовый составы и температуру плавления окалины, образующейся при высокотемпературном нагреве под обработку давлением
-
На основе систематизации, критического анализа, классификации и обобщения результатов математического моделирования, теоретических и экспериментальных исследований сформулировать положения, рекомендации и выводы, развивающие теорию и совершенствующие практику нагрева стали под обработку давлением
-
Разработать технологии нагрева в методических печах с шагающими балками НЛЗ рельсовой стали марки Э76Ф под прокатку, обеспечивающие получение глубины видимого обезуглероженного слоя в рельсовом прокате на уровне не более 0,5 мм
-
Внедрить результаты теоретических и экспериментальных исследований в практику, нагрева стали на металлургических предприятиях в целях обеспечения энерго- и ресурсосбережения, повышения качества и снижения себестоимости проката, подготовки студентов вузов, обучающихся по направлению 150100 - Металлургия
Научная новизна.
1) Впервые сформулирована концепция процессо-структуро-свойствоориентированных технологий тепловой обработки стали
2) Разработаны математические модели, термонапряженного состояния
стальных цилиндрических заготовок в процессах тепловой обработки, позволяю
щая рассчитьшать температурные и остаточные напряжения при одиночных и
комбинированных тепловых воздействиях с учетом упруго-пластических дефор
маций, физико-химических процессов окисления и обезуглероживания стали, про
текающих при нагреве под обработку давлением
-
Сформулирована концепция и создан новый критерий чувствительности сталей различных марок к трещинообразованию от температурных напряжений
-
Для практического применения впервые разработана номограмма для определения температуры греющей среды при тепловой обработке стальных тел шарообразной формы с учетом максимальных перепадов температур по сечению
-
Экспериментальным путем впервые установлена предельная интенсивность тепловой обработки и напряженно-деформированного состояния цилиндрических заготовок из сталей 4сп, ЗОХГСА, 35ХГСА, 75, ШХ15СГ с литой структурой
-
Установлены особенности и закономерности строения, фазовый и химический составы окалины, образующейся на рельсовой стали марки Э76Ф, микролегированной ванадием, и кремнистой стали марки 60С2
-
Впервые экспериментальным путем исследованы и установлены особенности высокотемпературного обезуглероживания рельсовой стали марки Э76Ф Выявлен механизм влияния карбонитридов ванадия на кинетику обезуглероживания рельсовой электростали
-
Определены температуры плавления окалины 16-ти распространенных марок сталей, установлена роль влияния на нее содержания легирующих элементов стали
-
Впервые исследованы особенности формирования, установлены и научно обоснованы закономерности трансформации обезуглероженного слоя по периметру рельсового профиля Р65 при производстве рельсов из слитков и непрерывноли-гых заготовок поперечным сечением 300x330 мм
10) Разработана тешютехнология нагрева в методических печах с шагающими
балками непрерывнолитых заготовок рельсовой стали марки Э76Ф под прокатку,
обеспечивающая получение глубины видимого обезуглероженного слоя в рельсо
вом прокате на уровне не более 0,5 мм.
Новизна инженерных решений защищена патентами РФ
Практическая значимость. Полученные результаты предназначены для практического применения при разработке форсированных, энерго- и ресурсосберегающих технологий и режимов нагрева стали под обработку давлением, обеспечивающих снижение угара металла и получение качественного проката и поковок с регламентированной величиной видимого обезуглероженного слоя Для широкого сортамента распространенных углеродистых, низко- и среднелегированных марок сталей перлитного класса получены ограничения на управляющие и технологические параметры с учетом вероятности трещинообразования, предотвращения перегрева, пережога стали, оплавления окалины Для осуществления прогнозных расчетов выбора режимов нагрева стали в печах получены константы скорости окисления 22 распространенных марок стали
«
Для практического использования разработаны способ нагрева стальных заготовок из углеродистых низколегированных сталей под прокатку (Патент РФ 2184786), методическая печь с комбинированным подом для нагрева стальных заготовок с различным начальным тепловым состоянием (Патент РФ 43267), заготовка для нагрева в толкательных методических печах с глиссажными трубами (Патент РФ 48327), рейтер методической печи с шагающими балками (Патент РФ 59228)
Реализация результатов На ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» внедрена энерго- ресурсосберегающая технология нагрева непрерывноли-тых заготовок рельсовой стали в методической печи с шагающими балками, приняты к внедрению рекомендации по совершенствованию температурного режима нагрева слитков и слябов стали марки 60С2 Результаты работы включены в справочник «Дефекты и качество рельсовой стали», справочные данные которого используются на ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (ООО ЕвразХолдинг) в качестве классификатора дефектов рельсов, производимых из непрерывнолитых заготовок
Совокупный долевой экономический эффект от предложенных и реализованных мероприятий составляет 75 руб /т стали в год
Научные результаты диссертационного исследования внедрены в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» в практику подготовки студентов специальностей 150103 - Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей, 150106 - Обработка металлов давлением, 150201 - Машины и технология обработки металлов давлением
Внедрение результатов работы в производство и учебный процесс подтверждается соответствующими актами и справками о внедрении
Методы исследований. Тепловое состояние стальных заготовок при лабораторных и промышленных экспериментах исследовали с помощью метода термо-метрирования. Наличие или отсутствие в металле нарушений сплошности определяли методами ультразвуковым, послойной обточки или острожки Изломы разрушенных образцов исследовали с помощью растровой и просвечивающей электронной микроскопии Угар стали исследовали методами планиметрирования и гравиметрическим, по потере полезной массы образцов Глубину обезуглерожен-ного слоя металла, его структуру, строение слоев окалины определяли и изучали с помощью металлографического метода Фазовый и химический составы окалины исследовали с применением рентгеноспектрального метода анализа Исследование параметра элементарной ячейки проводили по методу внутреннего стандарта (в качестве последнего использовали кварц)
Разработку температурных режимов нагрева, исследование температурных напряжений, высокотемпературного окисления и обезуглероживания стали проводили с помощью математических моделей, реализованных на ПЭВМ с применением методов прогонки и конечных разностей При обработке результатов экспериментов использовали метод наименьших квадратов
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждаются совместным использованием воспроизводимого по точности физического и математического моделирования с опорой на современные достижения теорий теплопроводности, термопрочности и пластичности а
также на качество измерений и статистическую обработку результатов, адекватностью разработанных математических моделей, применением широко распространенных и апробированных методов исследований, сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей, высокой эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденной результатами промышленных испытаний и внедрением в производство
Предмет защиты. На защиту выносятся
-
Концепция процессо-структуро-свойствоориентированных технологий нагрева стали под обработку давлением;
-
Результаты экспериментальных исследований допустимой интенсивности тепловой обработки заготовок с литой и горячекатаной структурой из углеродистых и легированных сталей (18-ти различных марок) перлитного класса,
-
Результаты математического моделирования и выявленные закономерности термонапряженного состояния стальных цилиндрических заготовок при различных видах и интенсивностях тепловой обработки,
4) Результаты экспериментальных исследований высокотемпературного
окисления и обезуглероживания углеродистых и легированных сталей 22-х раз
личных марок,
-
Результаты экспериментальных исследований температуры плавления окалины, образующейся на сталях 16-ти различных марок,
-
Результаты математического моделирования совместно и взаимосвязано протекающих физико-химических процессов высокотемпературного окисления и обезуглероживания стали,
-
Выявленные закономерности, особенности строения, химического и фазового состава окалины сталей марок 60С2, Э76Ф
-
Энерго- и ресурсосберегающая технология нагрева в методической печи с шагающими балками непрерывнолитых заготовок рельсовой электростали марки Э76Ф, микролегированной ванадием и азотом
Автору принадлежит:
постановка задачи теоретических и экспериментальных исследований,
проведение экспериментальных исследований по установлению предельной интенсивности тепловой обработки стальных заготовок, высокотемпературному окислению и обезуглероживанию сталей, температуры плавления окалины, допустимой температуры нагрева стали марки Э76Ф под прокатку,
разработка математических моделей теплового, термонапряженного состояния стальных тел различной конфигурации (призма, цилиндр, пластина), совместно и взаимосвязанно протекающих физико-химических процессов высокотемпературного окисления и обезуглероживания стали,
проведение промышленных экспериментов по термометрированию непрерывнолитых заготовок поперечным сечением 300x330 мм из стали марки Э76Ф при нагреве в методической печи с шагающими балками,
обработка полученных результатов, анализ, обобщение, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях различного уровня, в том числе 11 - Международных и 14 - Всероссийских Всероссийской научной конференции студентов.
аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 1999-2005 гг), Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века достижения и прогнозы Металлургия-99» (Новокузнецк, 1999 г), Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века достижения и прогнозы» (Новокузнецк, 2000 г ), Международной конференции к 300-летию металлургии Урала, 80-летию металлургического факультета и кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии» «Теплофизика и информатика в металлургии достижения и проблемы» (Екатеринбург, 2000 г), Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экологические проблемы горно-металлургического комплекса» (Красноярск, 2000 г), Международной научно-практической конференции «Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий XXI века» (Москва, 2000 г ), XXXIV научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ЗСМК», (Новокузнецк, 2001 г), Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия- реорганизация, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, 2002 г), II Международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Москва, 2002 г), Международной научно-практической конференции «Рациональное использование природного газа в металлургии» (Москва, 2003 г), Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия реорганизация, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, 2003 г), Международной конференции «Технологии и оборудование для производства огнеупоров Использование новых видов огнеупорных изделий в металлургической промышленности» (Москва, 2004 г), Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективные материалы получение и технологии обработки» (Красноярск, 2004 г), Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия технологии, управление, реинжиниринг, автоматизация» (Новокузнецк, 2004 г), Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование технологий производства цветных металлов» (Красноярск, 2005 г), Международной научно-практической конференции «Металлургия России на рубеже XXI века» (Новокузнецк, 2005 г), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, 2005 г ), II Международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2005 г), III Российской научно-практической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2005 г), Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия новые технологии, управление, инновации и качество» (Новокузнецк, 2005 г), III Международной научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника история, современное состояние, будущее К столетию со дня рождения М А Глинко-ва» (Москва, 2006 г ), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки, качества» (Новокузнецк, 2006 г ), III Международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2006 г), Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия новые технологии, управление, инновации и качество» (Новокузнецк, 2006 г )
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 100 печатных работ, основные из них - 66, в том числе 2 монографии, 1 справочник, 37 статей в журналах, в том числе 32 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, 4 патента РФ
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и приложений Изложена на 328 страницах, содержит 126 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 291 наименования
