Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и перспективы развития технологии широкополосной горячей прокатки 12
1.1 Современное состояние и тенденции развития черной металлургии 12
1.2 Общее устройство и направления развития широкополосных станов горячей прокатки 15
1.3 Способы достижения потребительских свойств стальной полосы в условиях ШСГП 21
1.4. Обзор исследований тепловых процессов в системе «полоса – оборудование ШСГП» 24
1.4.1 «Полоса – клеть» и «полоса – рольганг» 24
1.4.2 «Полоса – устройства струйного охлаждения» 25
1.4.3 «Полоса – воздух» 28
1.5 Цель исследования и постановка задачи 29
2 Разработка математической модели температурного состояния полосы на линии ШСГП 33
2.1 Влияние оборудования ШСГП на температурные режимы прокатки 33
2.1.1 Взаимодействие поверхности полосы с роликами и валками клетей 34
2.1.2 Объемное энерговыделение при пластической деформации 35
2.1.3 Взаимодействие полосы со струей воды в устройствах гидросбива, межклетевого и ускоренного охлаждения 36
2.1.4 Влияние окружающей среды, печной и вторичной окалины 43
2.1.6 Вклад рассмотренных факторов в тепловое состояние полосы 44
2.2 Математическое моделирование температурного состояния полосы на
линии ШСГП 45
2.2.1 Решение задачи теплопроводности 46
2.2.2 Решение задачи энерговыделения при фазовых превращениях 50
2.3 Выводы по главе 2 52
3. Методика для разработки термомеханических режимов ШСГП 54
3.1 Экспериментальное определение констант и проверка адекватности математической модели 54
3.2 Алгоритм для разработки термомеханических режимов прокатки 62
3.3 Применение методики для исследования влияния агрегатов ШСГП на температурное состояние полосы
3.3.1 Влияние валков клетей 65
3.3.2 Влияние коллекторов установки ламинарного охлаждения на температуру полосы 69
3.3.3 Влияние тепловых экранов типа «энкопанель» 74
3.4 Выводы по главе 3 76
4. Совершенствование термомеханических режимов и конструкции линии охлаждения ШСГП с целью повышения качества продукции 78
4.1 Краткое описание последовательности технологических операций и характеристики прокатного оборудования 78
4.2 Возможности оборудования ШСГП по достижению температурных режимов 81
4.2.1 Температурные режимы на ШСГП 81
4.2.2 Диапазон температурных режимов, достижимых на оборудовании ШСГП 2000 ОАО «ММК» 83
4.3 Совершенствование оборудования и режимов установки ламинарного охлаждения 97
4.3.1 Конструкция установки ламинарного охлаждения на примере ШСГП 2000 ОАО «ММК 97
4.3.2 Недостатки конструкции и технологии 100
4.3.3 Влияние существующих недостатков на потребительские свойства 105
4.3.4 Предложения по совершенствованию конструкции и технологии ламинарного охлаждения 110 4.4 Разработка термомеханических режимов прокатки нового для стана
сортамента 112
4.4.1 Расчет термомеханических режимов 113
4.4.2 Результаты опытной прокатки и экономический эффект 116
4.5 Выводы по главе 4 119
Заключение 121
Список литературы 125
- Способы достижения потребительских свойств стальной полосы в условиях ШСГП
- Влияние окружающей среды, печной и вторичной окалины
- Применение методики для исследования влияния агрегатов ШСГП на температурное состояние полосы
- Совершенствование оборудования и режимов установки ламинарного охлаждения
Введение к работе
Актуальность работы. Основная тенденция черной металлургии – сокращение легирования и достижение требуемых свойств изделий за счет более точного управления структурой материала. Реализация заданных структурных состояний требует жестко регламентированной термомеханической обработки изделия. Такой подход удешевляет продукцию, но предъявляет высокие требования как к гибкости управления термомеханическими режимами, так и к диапазону возможностей оборудования.
Рассматривая влияние термомеханических режимов на свойства продукции широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП), можно сделать вывод, что для значительной доли продукции потребительские свойства определяются температурными режимами прокатки. При этом механические режимы прокатки являются инструментом, который позволяет управлять температурными режимами. Как правило, первым этапом создания термомеханических режимов прокатки конкретного сортамента является задание зависимости температуры материала от времени (траектории нагрева/охлаждения) в лабораторных условиях. Созданную траекторию далее необходимо реализовать в условиях стана горячей прокатки, т.е. перейти к зависимости термомеханических воздействий на прокатываемую полосу от времени.
Реализация разработанных в лабораторных условиях режимов в условиях ШСГП требует большого количества дорогостоящих промышленных экспериментов, что не гарантирует достижение необходимых свойств изделия (в работе рассматриваются: временное сопротивление, предел текучести, стойкость к водородному растрескиванию). Практика показывает, что решение такого рода задачи требует детального исследования влияния агрегатов ШСГП на температурные режимы.
Существующие методики для разработки термомеханических режимов не позволяют комплексно учитывать объемные энерговыделения при пластической деформации и фазовых превращениях. Рассматриваемая задача остается нерешенной в полной мере, а её реализация позволит совершенствовать режимы прокатки и оборудование стана с целью повышения качества продукции.
Объектом исследования являются широкополосные станы горячей прокатки.
Предметом исследования является технология получения горячекатаного листа требуемого качества.
Цель работы: повышение качества продукции ШСГП за счет совершенствования термомеханических режимов деформирования непрерывнолитых слябов и конструкции линии охлаждения.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:
-
Создать методику для разработки термомеханических режимов ШСГП, определяющих структурное состояние и, как следствие, потребительские свойства полосы, в которой будут учтены объемные энерговыделения при пластической деформации и фазовых превращениях. Методика должна быть применима в широком диапазоне марок стали и характеристик оборудования.
-
Исследовать возможности прокатного оборудования по достижению температурных режимов, позволяющих получить требуемые свойства конечной продукции:
определить влияние термомеханических режимов прокатки (обжатий, скоростей, количества используемых тепловых экранов типа «энкопа-нель», режимов межклетевого и ускоренного охлаждения, гидросби-вов) на температурные режимы;
на каждом участке стана определи ть возможный диапазон температурных режимов.
-
Исследовать влияние конструкции установки ламинарного охлаждения ШСГП 2000 ОАО «ММК» и режимов её работы на протекание фазовых превращений, влияющих на потребительские свойства. Выявить недостатки существующей конструкции и предложить способы их устранения.
-
Применить созданную методику для разработки термомеханических режимов опытной прокатки, позволяющих получить продукцию с повышенным качеством.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Создана методика для разработки термомеханических режимов ШСГП, отличающаяся от известных тем, что в ней комплексно учитываются объемные энерговыделения при пластической деформации и фазовых превращениях. Методика применима в широком диапазоне марок стали и характеристик оборудования.
-
Получены новые знания о влиянии конструкции и режимов работы установки ламинарного охлаждения ШСГП 2000 ОАО «ММК» на протекание фазовых превращений. Установлено, что существующая технология не позволяет достичь одинаковых условий протекания фазовых превращений и, как следствие, потребительских свойств для тонко- и толстолистового проката.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Получены экспериментальным способом кинетические и термодинамические характеристики углеродистых и низколегированных сталей, необходимые для использования как в рамках разработанной методики, так и в других
технических расчетах.
2. Предложены способы реализации заданной траектории охлаждения для
получения требуемых потребительских свойств, которые заключаются в преци
зионном управлении термомеханическими режимами прокатки.
3. Предложены способы совершенствования конструкции и режимов
управления установки ламинарного охлаждения, позволяющие достичь одина
ковых условий протекания фазовых превращений в тонко- и толстолистовом
прокате.
-
Разработаны термомеханические режимы прокатки низколегированной трубной марки стали повышенной коррозионностойкости и хладостойкости в условиях ШСГП 2000 ОАО «ММК». Результаты работы использованы при прокатке опытной партии, что позволило повысить качество листа за счет улучшения показателя стойкости к водородному растрескиванию в 1,8 раза.
-
Применение созданной методики позволяет значительно сократить количество опытных прокаток при освоении новых перспективных технологических режимов, гарантирующих получение требуемого структурного состояния, обеспечивающего заданный комплекс потребительских свойств.
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов обеспечена применением классических методов теории прокат ки. В экспериментальных исследованиях применялись аттестованные средства измерения. Также достоверность подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными в лабораторных условиях. Обоснованность теоретических выводов и результатов экспериментальных исследований подтверждена результатами прокатки опытной партии низколегированной трубной марки стали на стане 2000 ОАО «ММК».
Защищаемые положения.
-
Результаты исследования влияния оборудования ШСГП (клетей, установок межклетевого и ламинарного охлаждения, тепловых экранов типа «энко-панель») на температурные режимы прокатки.
-
Методика для разработки термомеханических режимов ШСГП, учитывающая объемные энерговыделения при пластической деформации и фазовых превращениях, применимая в широком диапазоне марок стали и характеристик оборудования.
3. Способы совершенствования технологии ламинарного охлаждения
ШСГП 2000 ОАО «ММК», включающие изменение конструкции установки ла
минарного охлаждения и обеспечение управления скоростью движения полосы
после выхода из последней катающей клети.
4. Разработанные термомеханические режимы прокатки низколегированной трубной марки стали (скоростные режимы, режимы обжатий, режимы межклетевого и ламинарного охлаждения) в условиях ШСГП 2000 ОАО «ММК».
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на X Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире», Санкт-Петербург, 2015 г.; 1-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, Екатеринбург, 2012 г.; 69-й, 70-й и 73-й научно-технических конференциях, Магнитогорск, 2010, 2012 и 2015 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в числе которых 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на полезную модель (№123697, МПК B21B45/02).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа сос тоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 122 наименований, 3 приложений и включает 140 страниц машинописного текста, содержит 58 рисунков и 22 таблицы.
Способы достижения потребительских свойств стальной полосы в условиях ШСГП
Основной объем производства горяче катаной стали производится на непрерывны х широкополосны х станах горячей прокатки (ШСГП). В значительно меньших объемах используют реверсивные (универсальные станы, станы Стекке-ля [2-5]) и полунепрерывные станы различного типа [7-26]. К современным относят непрерывные станы (в определенных условиях могут применять и полунепрерывные станы с одной – двумя реверсивными клетями в черновой группе). В последнее время внедряются в производство технологии совмещенного процесса литье – прокатка, прокатка полос из тонких слябов, прокатка полос непосредственно из жидкого металла [17-26]. Также все шире распространяется прокатка широкополосной стали на принципиально новых агрегатах – тонкослябовых ли-тейно-прокатных агрегатах (ЛПА) [27,28].
В общем случае широкополосные станы горячей прокатки содержат [6-11]: методические печи для нагрева под прокатку, до 14 рабочих клетей, моталки прокатанного металла и устройства его охлаждения перед смоткой. Клети разделены на две группы (рис. 1.2) – черновую и чистовую, в которой осуществляется непрерывная прокатка. Группы клетей соединены промежуточным рольгангом III, в конце которого установлены летучие ножницы для обрезки концов промежуточного раската. Прокатанный металл передается к моталкам отводящим рольгангом V. Для удаления окалины используют черновой и чистовой окалиноломатели, которые устанавливают перед клетями черновой группы и перед первой клетью чистовой группы [6-11, 12-16].
На рис.1.2 показана схема расположения оборудования непрерывного стана 2000 ОАО «НЛМК» [29]. Станы этого типа характеризуются тем, что прокатываемый металл движется через черновую группу только в одном направлении – от печей к чистовой группе. При этом в каждой клети производится один проход раската.
Комбинированные ШСГП (рис.1.4) позволяю т про изводи ть толстый лист (толщиной до 50 мм) и тонкие полосы. Черновая группа таких станов состоит обычно из двух реверсивных клетей, то есть она представляет собой толстолистовой стан с соответствующей линией отделки и разделки толстого листа. При производстве полосовой продукции две реверсивные клети становятся черновой группой и производят подкат для чистовой группы клетей, которая обычно имеет шесть непрерывно расположенных клетей. Смотка полос производится на моталках [29]. Основной недостаток – нерациональное использование оборудования: когда ведут прокатку толстого листа – простой оборудования чистовой группы клетей, отводящего рольганга и моталок, а при прокатке тонкой полосы неэффективно используется оборудование реверсивных клетей. По этой причине комбинированные станы не получили широкого распространения в настоящее время [29].
Рисунок 1.4 – Схема расположения основного оборудования комбинированного ШСГП 2800/1700 ОАО «Северсталь»: 1 – загрузочные устройства; 2 – толкатели слябов; 3 – печной рольганг; 4 – нагревательные методические печи; 5 – буферы (амортизаторы); 6 – приемный рольганг; 7 – клеть с вертикальными валками; 8 – черновая двухвалковая клеть; 9 – рольганг черновой группы клетей; 10 – четы-рехвалковая универсальная клеть; 11 – отводящий рольганг; 12 – передаточный шлеппер толстых листов; 13 – ролико-правильные машины; 14 – транспортные рольганги; 15 – холодильник; 16 – гильотинные ножницы поперечной резки; 17 – передаточный шлеппер; 18 – дисковые ножницы; 19 – гильотинные ножницы для обрезки боковых кромок листов; 20 – карманы; 21 – гильотинные ножницы c полем «гусиных лапок»; 22 – промежуточный рольганг; 23 – летучие ножницы; 24 – окалиноломатель; 25 – чистовые четырехвалковые клети; 26 – отводящий рольганг; 27 – моталки; 28 – подземный конвейер транспортировки рулонов; 29 – склад готовой продукции.
Отличительной особенностью 3/4 - непрерывных ШСГП (рис 1.5) является то, что они имеют в составе черновой группы клетей одну или две реверсивные клети и еще две нереверсивные клети, объединенные в непрерывную подгруппу [29]. Достоинства такой компоно вки – укороченная технологическая линия по сравнению с классическим непрерывным ШСГП. Наличие реверсивных клетей в черновой группе позволяет применять более гибкие по числу проходов схемы прокатки.
Схема расположения основного оборудования - непрерывный ШСГП 2050 «Baosteel»: 1 – печной рольганг; 2 – толкатели слябов; 3 – нагревательные методические печи c шагающими балками; 4 – устройство выдачи слябов; 5 – приемный рольганг; 6 – двухвалковая универсальная реверсивная клеть; 7 – четырехвалковая универсальная реверсивная клеть; 9 – промежуточный рольганг; 10 – теплоизолирующий подъемный кран; 11 – кривошипные ножницы; 12 – роликовая направляющая проводка; 13 – чистовая непрерывная группа четырех-валковых клетей; 14 – отводящий рольганг; 15 – душирующая установка; 16 – моталки; 17 – адъюстаж.
Современные широкополосные станы горячей прокатки обеспечивают выпуск горячекатаных полос с высокой точностью размеров, минимальной плоскостностью и стабильностью механических свойств по длине. Такой результат достигнут путем существенных капитальных затрат, обусловленных значительными производственными площадями, большой массой и энерговооруженностью оборудования, значительной энергоемкостью технологического процесса. Для повышения производительности и улучшения качества горячекатаной листовой стали на ШСГП принимаются следующие меры [29-33]:
Отметим, что в настоящее время, модель развития, основанная на дешевых энергоресурсах, полностью исчерпала себя [1]. Наблюдаются прекращение роста производительности и скорости прокатки, снижение мощности оборудования. Вместе с тем, активно внедряются новые технологии производства профилераз-меров, ресурсо- и энергоэффективные технологии производства, повышенные требования к служебным характеристикам продукции и т.д.
Один из основных вопросов развития и совершенствования отечественных широкополосных станов – организация производства новых перспективных сталей и сплавов, необходимых для обеспечения спроса высокотехнологичных секторов экономики России. Главной задачей в этом случае является достижение потребительских свойств сложных сортаментов (коррозионностойкие трубные, сверхпрочные стали и т.д.) в условиях существующих ШСГП. Решение подобного рода вопросов позволит при относительно малых затратах удовлетворить внутренний спрос на сложные сортаменты и реализовать программу импортозамеще-ния.
Влияние окружающей среды, печной и вторичной окалины
Особенностью применения интегральных уравнений является то, что условия устойчивости разностных схем, реализованных на их основе, как правило, имеют физический смысл. Устойчивость данного численного метода обусловлена тем, что величина изменения теплового потока на соседнюю ячейку разностной сетки не должна превышать величины суммарного теплового потока через поверхность на предыдущем шаге. Это требование позволяет реализовать в задаче алгоритм автоматического выбора шага по времени. где к - коэффициент запаса устойчивости, - коэффициент теплопроводности, Т - разность температур ячеек, х - расстояние между центрами масс ячеек, Qo -тепловой поток через поверхность ячейки.
Так как температура каждой ячейки разностной сетки считается постоянной в течение всего шага по времени, можно сделать вывод, что ошибка численного метода по времени составляет 0(h), то есть имеет первый порядок. При этом величина потока между соседними ячейками зависит от коэффициента теплопроводности, вычисляемого как среднее арифметическое коэффициентов теплопроводности соседних ячеек, следовательно, ошибка численного метода по коорди-нате составляет 0(п ), то есть имеет второй порядок.
Для расчета изменения температуры ячейки сетки (рис. 2.10) необходимо определить тепловые потоки между ней и ее «соседями», затем воспользоваться уравнением теплового баланса: где n - количество соседних ячеек; [ - среднее арифметическое теплопроводности для рассчитываемой и і-й ячеек; ТІ - разница между температурами рассчитываемой и і-й ячеек; ХІ - расстояние между центрами масс рассчитываемой и i-й ячеек; Si - площадь взаимодействия рассчитываемой и і-й ячеек; і - угол между нормалью к поверхности и прямой, соединяющей центры масс; t - шаг по времени, С(Т) - теплоемкость ячейки; m - масса ячейки; Т - температура ячейки до теплообмена; Т - температура ячейки после теплообмена.
Отметим, что соотношение (2.11) не содержит каких-либо прямых указаний на размерность или метрику задачи. Все параметры, зависящие от метрики и размерности (набор «соседей», площади контакта, углы направления тепловых потоков) могут быть найдены до начала собственно вычислительной процедуры. Это позволяет реализовать следующую алгоритмическую концепцию пакета: конфигурирование входных параметров и анализ полученных расчетом данных производятся отдельно от основных вычислений; расчетная часть универсальна для одномерных, двухмерных и трехмерных задач прямоугольной, цилиндрической, сферической метрик; алгоритмы конфигурирования входных параметров и декодирования выходных данных для задач различной метрики и размерности реализуются отдельными программными модулями.
Таким образом, расширение возможностей пакета осуществляется за счет разработки новых программных модулей, предназначенных для конфигурирования входных данных и декодирования результатов. В работах [116, 122] автором подробно рассматриваются модули для конфигурирования и решения задачи теплопроводности. 2.2.2 Решение задачи энерговыделения при фазовых превращениях
Если ориентироваться на конструкционные стали, составляющие основной объем продукции металлургии и машиностроения, то основными фазовыми превращениями, которые необходимо учитывать, являются: образование феррита, выделение цементита и образование закалочных структур. Несмотря на то, что образование перлита термодинамически идентично первым двум процессам, кинетически оно существенно отличается, поэтому должно быть рассмотрено отдельно.
В соответствии с физикой процессов, регламентирующих фазовые превращения, их можно разделить на 2 группы – бездиффузионные и диффузионно-контролируемые. К первой группе относятся процессы образования закалочных структур (мартенсит, бейнит) и, хотя это и не очевидно, образование перлита [107]. Ко второй группе – образование феррита и цементита. Несмотря на термодинамическую «одинаковость» морфологического разнообразия описываемых структур, кинетика их образования может существенно различаться.
Для учета тепловыделения при фазовых превращениях использована феноменологическая кинетическая модель [107-109], разработанная в ИТЦ «АУ-СФЕРР» г. Магнитогорск, обеспечивающая хорошую сходимость результатов расчетов с результатами экспериментов. Модель учитывает изменение температуры в процессе фазового перехода, построена в приближении сплошной среды для случая малой неравновесности, описывает динамику фазового состава, но пренебрегает морфологией образовавшихся структур.
При выводе кинетических уравнений модели использовался подход, родственный тому, который применялся при создании модели Аврами-Колмогорова [107]. Сначала формировалось уравнение микрокинетики, описывающее движение фазовой границы единичного зерна фазы, затем осуществлялся переход к сплошной среде. При выводе уравнений неравновесность предполагалась малой, что, по-видимом у, практически всегда справедливо при промышленном произ -водстве. Для бездиффузионного случая рост массы фазы можно рассчитать с помощью следующих уравнений[108,109]:
В выражение для каждого из коэффициентов входит кинетическая константа (с1, с2, с3). Момент перехода от расчета по соотношению (2.12) к расчету по (2.13) определяется моментом пересечения границ кластеров. Условием пересечения для кубической упаковки кластеров является равенство [108,109]: где rjg - массовая доля новой фазы в момент пересечения границ кластеров.
Для диффузионно-контролируемого случая рассмотрен процесс диффузии углерода, разработана схема приближенного решения задачи диффузии. Выведены уравнения для роста зерна (на примере зерна феррита) [108,109]:
Применение методики для исследования влияния агрегатов ШСГП на температурное состояние полосы
Разработанная математическая модель содержит ряд теплофизических и кинетических констант, которые можно определить экспериментальным способом. При определении теплофизически х констант необходимо учесть, что вариац ия коэффициента теплопроводности приводит к малым изменениям результатов расчетов, поэтому точность справочных данных удовлетворительна и экспериментальное определение данного коэффициента не требуется. Другая ситуация с коэффициентом теплоемкости. Дело в том, что в большинстве справочных данных приведена эффективная теплоемкость. В отличие от истинной, эффективная теплоемкость включает в себя энергию фазовых превращений. Так как модель рассчитывает тепловыделение при фазовых превращениях, то справочные данные по теплоемкости теряют смысл. Таким образом, экспериментальным способом необходимо определить истинную теплоемкость, кинетические и термодинамические константы фазового превращения.
Так как основным потребителем результатов настоящей работы является металлургия, поэтому желательно проводить эксперимент в условиях, сравнимых с условиями на прокатных станах и других термических установках, действующих в металлургической промышленности. В этой связи приходится отказаться от мощных и прецизионных инструментов (например, таких как дилатометрия, электронная микроскопия и т.д.), частично или полностью исключающих исследование динамики процесса. В нашем случае наиболее простым методом исследования, является измерение температуры образца в условиях контролируемого теп 55 лового потока на его поверхности. Динамические характеристики процесса при этом могут изменяться за счет изменения теплового потока с поверхности образца или за счет изменения его размеров (массы материала под единицей площади поверхности).
Для достижения поставленных целей была использована экспериментальная установка ИТЦ «АУСФЕРР» г. Магнитогорск. Далее рассмотрим подробнее оборудование установки, методику исследований и полученные результаты [109].
Экспериментальное оборудование, методика исследований и результаты экспериментов Экспериментальная установка (рис 3.1) включает в себя вертикальную печь с цилиндрическим муфелем, систему электропитания, пневмо- и гидросистему с возможностью дистанционного управления, информационно – измерительный и управляющий комплексы на базе IBM совместимого контроллера. Управление печью производится независимым контроллером, поддерживающим заданную температуру. Возможности установки: программное управление циклограммами установки; регистрация данных информационно-измерительным комплексом; три разнотипных быстродействующих пирометра для обеспечения измерения температуры в диапазоне от 0 до 1200 С; нагрев образца до 1200 С; печь с изолирующей атмосферой; скорость охлаждения: до 240 0С/сек.
Установка снабжена механизмом для быстрого извлечения образца из печи и его фиксации в рабочей зоне установки, привод механизма – ручной, механизм снабжен концевым выключателем, запускающим процедуру регистрации.
Для измерения температуры применяются три пирометра. Два из них – Raytek Marathon FR1A – пирометры ближнего инфракрасного спектра, имеющие диапазон измерения 550-1100С. Один из этих пирометров работает в двухдлин 56 новолновом (спектральном) режиме, другой – в одноволновом. Кроме того, установка включает быстродействующий пирометр OPTRIS CTfast, работающий в среднем ИК диапазоне. Диапазон измеряемых температур прибора – 50-975С. Перед измерением приборы юстируются в точку, находящуюся в центре образца, извлеченного из печи.
Регистрация информации и управление установкой в процессе эксперимента проводится специализированным вычислительным узлом, работающим под управлением ОС реального времени. основная экспериментальная информация – показания пирометров. Кроме того, контролируется показания давления в пнев-мосистеме и срабатывание концевого датчика. К каждому измерению система привязывает его время, что позволяет совмещать показания датчиков разных измерительных каналов.
Исследования проводились на углеродистых сталях в диапазоне от стали 10 до У12, а также для коррозионностойкой стали 13ХФА. Плоские образцы толщиной 0,6-1,5 мм охлаждались без принудительного обдува – радиационно. В процессе экспериментов была получена теплоемкость сталей в аустенитном состоянии (измерения проводились при температурах 600-1100 С). На рис. 3.2 приведены сводные результаты измерения теплоемкости углеродистых сталей в аустенитном состоянии. Поскольку объем эксперимента очень велик, привести все данные в одних осях не представляется возможным. На рисунке приведены только прямые, аппроксимирующие экспериментальные данные. Результаты испытаний для стали марки 13ХФА практически совпали с результатами испытаний для стали с низким содержанием углерода (сталь марки 10).
Можно отметить, что теплоемкость углеродистых марок стали 60 и 80 в ау-стенитном состоянии близка. С практической точки зрения, теплоемкость этих марок стали в диапазоне температур 600 – 1100 С можно аппроксимировать пря мой: (3.1) C(T) = 0,5083 -Т +121,44 , где С(Т) - в Дж/кгград, Т - в градусах Цельсия. Попытки аппроксимации данных полиномами более высоких порядков не имеют смысла в связи с достаточно большим разбросом данных при малом диапазоне температур.
Совершенствование оборудования и режимов установки ламинарного охлаждения
Выполнен анализ технологии на установке ламинарного охлаждения для случая стана 2000 ОАО «ММК». В расчетах учитывался тепловой эффект фазовых превращений. Расчеты проведены для эвтектоидной углеродистой стали, для которой получен наибольший объем экспериментальных данных по кинетике фазовых превращений и теплофизическим характеристикам.
Наиболее тонкий металл прокатывается с максимальной скоростью и сматывается на ближней группе моталок через время 3,6 – 7,5 с после завершения обжатия. Максимальное время на участке последняя «клеть – моталка» соответст 101 вует заправочной скорости, а основная масса металла движется с максимальной скоростью прокатки. При этом из расстояния между клетью и моталкой только около 40 м – линия водяного охлаждения.
Таким образом, на линии водяного охлаждения металл при максимальной скорости находится около 2-х секунд, а еще 1,6 с лист остывает радиационно. За это время лист надо охладить на 150 - 400С. Как было сказано выше, при таких скоростях охлаждения задержка начала фазового превращения относительно пересечения линии фазового равновесия (для стали 70 - 727С) составляет 1 с, а длительность реакции – примерно 10-12 с. Следовательно, при максимальных скоростях прокатки фазовое превращение на линии участка охлаждения не успевает даже начаться, и полностью проходит в смотанном рулоне.
При минимальных (для тонкого листа) скоростях охлаждения имеется возможность начать фазовое превращение на линии охлаждения, однако завершить его не удастся (рис. 4.16). Из рисунка видно, что на сплошном графике на середине первого участка начинается тепловыделение фазового перехода. Расчет показывает, что к моменту смотки доля распавшегося аустенита не превышает 10%.
Учитывая то, что минимальная скорость охлаждения соответствует заправочной скорости того же рулона, начало фазового превращения на линии стана приведет к неоднородности свойств металла по длине полосы. Чтобы получить однородные свойства, концы полосы обычно пропускают без охлаждения.
В отличие от тонкого металла толстый металл имеет более низкую скорость прокатки и сматывается на дальнюю группу моталок (табл. 4.8). Это приводит к тому, что полоса находится между клетью и моталкой значительно дольше и появляется возможность завершить процесс формирования фазового состава до смотки рулона (рис. 4.17).
Рисунок 4.17 – Пример динамики среднемассовой температуры металла при смотке на дальнюю группу моталок: 1) – толщиной 4 мм со скоростью 7 м/с, 2) толщиной 4-16 мм со скоростью 3 м/с. Пунктир – расчет без учета тепловыделения при фазовых превращениях
На рис. 4.17 приведены расчеты максимально «раннего» охлаждения металла (задействованы коллекторы в начале установки), для сравнения там же приведены аналогичные результаты расчета максимально «позднего» охлаждения (задействованы последние коллекторы). Как видно из графиков, фазовое превращение в обоих случаях проходит на рольганге. Это вызвано тем, что у рассматриваемого стана на последних 50 м рольганга перед моталками нет коллекторов системы охлаждения. Провести фазовое превращение в рулоне при таких условиях можно только при высоких (превышающих температуру фазового равновесия) температурах смотки. При прокатке же на дальнюю группу моталок более тонкого металла вклад в процесс радиационного охлаждения в любом случае инициирует фазовое превращение до начала смотки.
Таким образом, при смотке на ближнюю группу моталок распад аустенита всегда происходит в рулоне, а при смотке на дальнюю группу фазовое превращение частично или полностью происходит в линии стана. Очевидно, что при такой конструкции установки охлаждения трудно получить одинаковые механические свойства металла при разной толщине листа.
Как было сказано выше, конструкция стана 2000 ОАО «ММК» далеко не всегда позволяет провести фазовое превращение до смотки. В этом случае фазовое превращение происходит уже в рулоне. Особенностью такого процесса является то, что площадь теплоотвода для смотанного метала уменьшается на несколько порядков и фазовое превращение проходит в условиях, близких к адиабатическим. Иллюстрирует это рис. 4.18. т, С
Если температура смотки близка к температуре фазового равновесия (расчет выполнен для эвтектоидной стали с температурой фазового равновесия 727С), то скорость фазового превращения определяется очень медленными потерями тепла с поверхности рулона. В этих условиях фазовый переход может длиться сутки и более. Если температура ниже, аустенит распадается частично таким образом, чтобы температура достигла точки фазового равновесия. Далее процесс идет со скоростью, определяемой скоростью тепловых потерь с поверхности рулона. Если температура смотки достаточно низка, и тепловыделение фазового превращения не нагревает металл до точки фазового равновесия, фазовый переход завершается полностью тем быстрее, чем сильнее его переохлаждение.
Таким образом, изменяя температуру смотки, можно провести фазовое превращение с разной скоростью. Наибольшее время фазового превращения определяется скоростью теплоотдачи рулона и может составлять десятки часов. Минимальное время при достаточно сильном переохлаждении имеет порядок 10 с.
Контроль технологии ускоренного охлаждения Возможности измерений на линии охлаждения ограничиваются пирометрией. В этой связи, технология ускоренного охлаждения обычно контролируется по значению температуры смотки. Так же может задаваться шаблон (набор и порядок включения) коллекторов установки, однако, например, на стане 2000 нарушение шаблона не является браковочным признаком. Скорость движения полосы, за исключением отдельных сортаментов, не нормируется. Возможность контроля технологии ускоренного охлаждения по результатам измерения температуры металла в одной точке иллюстрирует рис. 4.19.
Как видно из рисунка, примерно на 160-ом метре линии охлаждения температура полосы одинакова для всех режимов. Вместе с тем, при одном из режимов фазовое превращение давно завершено, при другом – завершается, при третьем – не началось. В этих режимах задействовано одинаковое количество коллекторов, расположенных в разных местах линии охлаждения, однако можно предложить и другие режимы охлаждения, при которых температура в выделенной точке будет той же самой. Все эти режимы неизбежно приведут к разному фазовому составу и механическим свойствам металла. Изменение температуры полосы при разных режимах охлаждения (лист 8 мм, скорость 5 м/с): 1) - фазовое превращение уже завершено; 2) - фазовое превращение началось, но не завершено; 3) - фазовое превращение не началось В результате анализа показано, что конструкция участка ламинарного охлаждения ШСГП не позволяет гибко управлять свойствами проката. Если для тонкого металла регулирование скорости фазового превращения в некотором диапазоне возможно, то для толстого металла ситуация практически неуправляема.
Методика контроля технологии ускоренного охлаждения по значению температуры смотки позволяет стабилизировать свойства продукции только в условиях, когда фазовое превращение происходит в рулоне (для тонкого металла, сматываемого на ближнюю группу моталок). Если это не выполняется, соблюдение температуры смотки не гарантирует получение стабильных свойств листа.