Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и основные направления исследований управления качеством структуры валков холодной прокатки 7
1.1. Технология выплавки валковых сталей 7
1.2. Качество валков холодной прокатки 10
1.3. Ковка слитков, предварительная термическая обработка валков холодной прокатки 22
1.4. Технология окончательной термической, механической и химической обработки валков холодной прокатки 26
1.5. Работы в области математического моделирования термической обработки валков холодной прокатки 33
1.6. Выводы к главе 1 38
Глава 2. Разработка технологии электрошлакового литья валков холодной прокатки 40
2.1. Исследование существующей технологии электрошлакового литья валков холодной прокатки ленты 40
2.2. Исследование списанных и вышедших из строя валков, изготовленных по старой технологии 44
2.3. Новая технология изготовления валков холодной прокатки методом электрошлакового литья 57
2.4. Разработка конструктивных параметров кристаллизатора для отливок валков холодной прокатки 69
2.4. Выводы к главе 2 76
Глава 3. Разработка технологии термической обработки валков холодной прокатки 77
3.1. Исследование существующей технологии термической обработки валков холодной прокатки 77
3.2. Разработка предварительной термической обработки заготовок прокатных валков 84
3.3. Математическое моделирование непрерывно-последовательного нагрева и закалки рабочих валков холодной прокатки 88
3.4. Математическая модель термоциклической обработки рабочих валков холодной прокатки 106
3.5. Выводы к главе 3 116
Глава 4. Исследование процесса эксплуатации валков 117
4.1. Анализ влияния эксплутационных факторов на стойкость валков холодной прокатки ленты 117
4.2. Мероприятия по рациональной эксплуатации валков холодной прокатки ленты 127
4.3. Выводы к главе 4 129
Заключение 130
Библиографический список 132
Приложение ...144
- Ковка слитков, предварительная термическая обработка валков холодной прокатки
- Исследование списанных и вышедших из строя валков, изготовленных по старой технологии
- Разработка предварительной термической обработки заготовок прокатных валков
- Мероприятия по рациональной эксплуатации валков холодной прокатки ленты
Введение к работе
Мировое потребление стали в 2005 году превысило 1 млрд т в год. Производство готового проката черных металлов в России за 2005 г. составило более 45 млн т. Наибольшую долю конечной металлургической продукции составляет листовая сталь. С каждым годом в общей структуре выпуска увеличивается доля листового проката по отношению к сортовому [85]. Это объясняется наибольшей экономичностью и универсальностью этого вида продукции, особенно тонколистового холоднокатаного проката. В связи с этим примерно 50 % тонкого плоского стального листа в России получают путем холодной прокатки.
Современный листопрокатный стан представляет собой сложный комплекс машин и механизмов. Основным инструментом стана, формирующим размеры листа, чистоту поверхности и свойства, являются рабочие валки. В настоящее время увеличивается степень обжатия при прокатке листа, а также возрастает доля труднодеформируемых материалов. Все это приводит к ужесточению условий эксплуатации рабочих валков, увеличению контактных и из-гибных напряжений, а следовательно, к повышению требований по их твердости и прочности.
В условиях жесткой конкуренции на рынке сбыта проката наибольшее внимание уделяется его качеству и экономичности производства. К важным мерам, способствующим увеличению выпуска проката, улучшению качества металлопродукции и снижению расходов по переделу, относится повышение стойкости валков. Проблема стойкости валков во всем мире является одной из важнейших, так как они обеспечивают не только бесперебойную работу станов, но и способствуют получению качественной продукции, одновременно внося существенную долю затрат (15...25 %) в себестоимость готовой продукции. В связи с этим расход валков в значительной мере определяет себестоимость проката [17].
Уровень развития технологии производства валков существенно отстает от современных требований. В настоящее время многие металлургические предприятия пошли по пути организации собственного производства валков. Это потребовало не только разработки новых технологий изготовления, но и использования накопленного опыта специализированных предприятий по выпуску валков, а также привлечения зарубежного опыта.
Прокатные валки должны обладать высокими эксплуатационными качествами, которые в основном определяются их твердостью, прочностью и термостойкостью. Работа в условиях одновременного действия остаточных, контактных, изгибающих напряжений, тепловых нагрузок и крутящего момента вызывает повышенный износ валков. После износа рабочего слоя валки заменяют на новые. Переплав валков в металлургических агрегатах - это новые затраты на их производство. Чтобы снизить их, необходимо разработать технологию утилизации отработанных валков с наименьшими затратами на выплавку, разливку и ковку. В связи с вышеизложенным, актуальной является разработка ресурсосберегающей технологии утилизации отработанных прокатных валков, которая позволит без потери качества уменьшить себестоимость получаемой продукции.
Известны способы повышения качества металла с помощью электрошлакового литья (ЭШЛ). Эта перспективная технология позволяет вторично использовать дорогостоящую валковую сталь без потери качества переплавляемого металла при обеспечении высоких служебных характеристик готового изделия. Сущность ЭШЛ заключается в переплаве отработанного валка в слое расплавленного рафинирующего шлака в разборном кристаллизаторе. Главное достоинство этого процесса - возможность получения плотной однородной структуры заготовки валка по всему сечению, без последующей ковки, что существенно снизит затраты, а значит актуально [46].
Основными операциями металлургического цикла изготовления прокатных валков являются: выбор марки стали, выплавка, кристаллизация, ковка, предварительная и окончательная термическая обработка. Свойства рабочего
слоя формируются в процессе всех указанных операций. В связи с этим актуален вопрос разработки комплексной ресурсосберегающей технологии изготовления валков холодной прокатки.
Ковка слитков, предварительная термическая обработка валков холодной прокатки
Литая хромистая валковая сталь характеризуется крупным зерном, сеткой карбидов, физической и химической неоднородностью, высокой анизотропией свойств по сечению слитка. Ковка позволяет в значительной мере устранить эти недостатки. За счет ковки уменьшается неоднородность строения стали, завариваются поры, газовые пузыри и другие дефекты, присущие литой структуре. В процессе ковки измельчается зерно, разрушается карбидная сетка, достигается оптимальное расположение волокон в поковке, повышаются механические свойства в продольном и поперечном направлениях, уменьшается анизотропия свойств по сечению поковки [66].
Нагрев под ковку является ответственной операцией технологии изготовления поковок валков. За счет него обеспечивается удовлетворительная технологическая пластичность стали в процессе ковки, окончание в требуемом интервале температур, соответствующее качество поковок. Основное количество хрома в процессе нагрева переходит в твердый раствор; кроме этого остается небольшое количество легированных хромом карбидов. Чем больше выдержка и выше температура нагрева, тем меньше в деформированной стали свободных карбидных включений.
Результаты выполненных исследований и заводской опыт показывают, что температура нагрева под ковку слитков и заготовок из сталей марки 9Х и 9X2 должна составлять 1150 С [15]. При более высокой температуре, особенно с увеличением времени выдержки, возможно образование межкристаллических пленок, которые могут послужить причиной разрушения валков с образованием излома раковистого вида. Интенсивные обжатия при ковке можно выполнять до 850...820 С, а окончательные операции - в интервале 820...760 С. Очень важно соблюдение рациональных режимов ковки. Скоростной нагрев с температуры посадки в печь, с одной стороны, может привести к возникновению термических напряжений, вызывающих в ряде случаев внутренние трещины, а с другой стороны, при слишком медленном нагреве возможен рост зерна, а иногда и пережог стали.
Решающее влияние на структуру кованного металла оказывает выбор оптимальной скорости охлаждения с температуры конца ковки. В случае недостаточного переохлаждения возможно частичное формирование карбидной сетки. Высокие скорости охлаждения (с охлаждением ниже температуры мартенсит-ного превращения) могут привести к проявлению в поковках флокенов [17].
Технология ковки неодинакова на различных заводах и зависит от типа и мощности оборудования, размеров валков, технико-экономических показателей и др. [45, 15]. Основными заводами-изготовителями поковок валков являются НКМЗ, ЭЗТМ, УЗТМ, Юргинский машиностроительный и Ижорский заводы. Операция ковки - достаточно сложный и трудоемкий процесс, требующий затрат.
Одной из наиболее ответственных технологических операций в производстве валков холодной прокатки является термическая обработка [28]. Она состоит из двух этапов: предварительной термической обработки (выполняемой непосредственно после ковки) и окончательной. К предварительной термической обработке поковок валков относят отжиг, улучшение, нормализацию с отжигом и др. Она формирует свойства сердцевинной части валка, обеспечивает предотвращение образования флокенов и создает условия для механической обработки поверхностных слоев. Предварительная термическая обработка (улучшение) приводит к полной ликвидации остатков карбидной сетки, измельчению карбидной фазы и образованию структуры зернистого или сорбито-образного перлита [63].
По оптимизации технологии предварительной термической обработки в настоящее время нет единого мнения. На машиностроительных заводах применяют различные варианты предварительной термической обработки поковок валков холодной прокатки [28, 66].
На ЭЗТМ, УЗТМ, Ижорском и Алма-Атинском заводах тяжелого машиностроения в качестве предварительной термической обработки валков применяют отжиг с последующим термическим улучшением [66, 103]. Для гарантированного получения мелкодисперсной перлитной структуры по всему сечению и полной ликвидации карбидной сетки часто после отжига применяют улучшение [28].
На ЭЗТМ и Ижорском заводах поковки валков после ковки загружают в термическую печь на накопление. Выдержка при температуре накопления 600...650 С поковок диаметром до 250 мм - в пределах 4 ч. Аустенитизацию осуществляют при 780...800 С, что лишь немного выше температур критических точек Ась составляющих 740 С для стали марки 9X2 и 745 С для 9Х [28]. При столь невысоком нагреве карбидная фаза не может полностью перейти в твердый раствор. Создается большое число центров превращения при последующем охлаждении. Температурная остановка при 650 С соответствует минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в валковых сталях. В реальных условиях процесс превращения протекает при непрерывном охлаждении с некоторым замедлением при 650 и 400 С. Эти температурные остановки не оказывают серьезного влияния на структуру металла, а большая продолжительность их может быть объяснена необходимостью обезводороживания поковок валков.
После грубой механической обработки валки подвергают термическому улучшению. На ЭЗТМ валки диаметром до 200 мм загружают в печь, нагретую до 850 С [66]. Температура аустенитизации (870...890 С) значительно выше температуры критических точек, благодаря чему карбидная фаза (Fe, Сг)3С почти полностью растворяется в аустените и возрастает прокаливаемость стали. После аустенитизации проводят закалку в масле. Выдержка (в минутах) в масле составляет 0,7...1,0 от диаметра бочки валка (в сантиметрах) и зависит от особенностей его конструкции и марки стали. Немедленно после закалки проводят отпуск, обеспечивающий требуемую твердость шеек (HS 30...55). Температура отпуска несколько ниже температуры критической точки Асі (700...720 С). При такой температуре высокого отпуска образуется структура сорбита или зернистого перлита.
Исследование списанных и вышедших из строя валков, изготовленных по старой технологии
За период с 1 января 2002 г. по 31 декабря 2003 г. была проведена экспертная оценка качества рабочих валков непрерывных станов "400" цеха ленты холодной прокатки (ЦЛХП) по эксплуатационной стойкости. Сведения об эксплуатационных характеристиках рабочих валков представлены в табл. 2.1.
По данным табл. 2.1 за 2002 год в ЦЛХП было введено в эксплуатацию 375 валков производства РМЦ. Средняя стойкость составила .414 т прокатываемой ленты на валок, что в 2 раза меньше стойкости валков, изготовленных на Электростальском заводе тяжелого машиностроения (ЭЗТМ). Средний съем закаленного слоя составил 1,3...1,5 мм при возможном использовании 10... 15 мм. Анализ списания валков показал, что основными причинами выхода их из строя являются отслоения, выкрошка, навары, сетка, т.е. дефекты валков. По причине естественного износа не списано ни одного валка, хотя ресурс усталостной прочности и глубина закаленного слоя позволяет прокатывать в 4...5 раз больше ленты.
В 2003 году в ЦЛХП было введено в эксплуатацию 896 валков. Средняя стойкость была меньше, чем в 2002 г. и составила 264,6 т прокатываемой ленты на валок. Средний съем закаленного слоя составил 1,6...1,8 мм. Основными причинами выхода валков из строя являются дефекты валков.
Проведенный статистический анализ показал, что по причине отслоений было списано около 60 % валков, по трещинам и выкрошке - 30 %, остальные валки вышли из строя из-за поломки шеек и трефов. Результаты исследований, посвященных анализу повреждения валков, показали, что основной причиной выхода их из строя является разрушение поверхностного слоя бочки, носящее контактно-усталостный характер.
Поломки валков вызываются наличием значительных остаточных напряжений в результате неудовлетворительной термической обработки; металлургическими дефектами, понижающими прочность материала валков; внутренними напряжениями, появляющимися в результате прокатки и термического воздействия в период неустановившегося теплового режима валка, характеризующегося перепадами температуры в его сечениях.
В первую очередь возникновение дефектов зависит от факторов, связанных с изготовлением валков. К этим факторам относятся: химический состав, технология выплавки валковой стали и термическая обработка.
С целью выявления причин низкой эксплуатационной стойкости валков был проведен статистический анализ химического состава стали по содержанию каждого элемента (С, Si, Мп и Сг), а также твердости бочки и шеек готовых валков. Полученные данные представлены в виде диаграмм (рис. 2.1 - 2.6).
Проведенные исследования показали, что по содержанию углерода только 39 % валков соответствует требованиям ГОСТ 35441-79. Более 50 % валков имеет содержание углерода менее 0,8 % и 5 % валков - более 0,95 %. По содержанию кремния соответствует стандарту 60 % валков. По содержанию марганца не соответствует 7 % валков. Содержание хрома в стали соответствует стандарту на 95 %. Поверхностная твердость бочки соответствует по ГОСТ 3541 - 57 классу твердости Б только у 1% валков. Твердость шеек удовлетворяет требованиям стандарта у 83 % валков.
Для выявления причин изменения химического состава провели анализ содержания основных элементов в процессе нескольких переплавов валка из стали марки 9Х (табл. 2.2). Установили, что после третьего переплава химический состав стали не соответствует марки 9Х по кремнию.
При ЭШП, как и при других сталеплавильных процессах, физико-химические реакции протекают в системе газ - шлак - металл. Сложность исследования процесса состоит в том, что расходуемый электрод одновременно является одним из элементов источника тепла. В процессе переплава контактируют весьма развитые поверхности металла и шлака (металл в виде капель). Невысокая скорость переплава в охлаждаемом кристаллизаторе способствует тому, что протекание физико-химических реакций приближается к равновесным. Это способствует хорошему обессериванию, но в условиях неполной изоляции зоны плавления металла от атмосферы воздуха может усиливаться развитие окислительных процессов, приводящих к изменению состава шлака и снижению его рафинирующей способности.
Источниками кислорода при ЭШП являются [49]: атмосфера воздуха; собственный кислород в металле; окалина на поверхности электрода; используемый шлак.
Передача кислорода в металл происходит за счет окисления поверхности расходуемого электрода и поверхности шлаковой ванны, кроме того, на поверхности электрода может присутствовать окалина. Количество кислорода зависит от глубины погружения электрода в шлак. При погружении электрода в шлак на глубину 10 мм количество кислорода в три раза больше, чем при глубине погружения 40 мм [42]. Предварительная очистка электрода от окалины снижает количество внесенного кислорода и снижает угар кремния.
Наличие в шлаке оксидов, термодинамически менее устойчивых, чем образованные легирующими элементами переплавляемого металла может привести к окислению последних и переходу их в шлак, а также поступлению в металл элементов, восстановленных из шлака.
При переплаве стали 9Х установлено сильное окисление кремния, и количество его в слитке колеблется по высоте, в нижней части его минимальной количество, а по мере переплава может выравниваться, но угар кремния достигает 20...30 %. Причиной сильного окисления кремния является высокое содержание оксида кальция во флюсе, что способствует протеканию реакции образования Si02 с восстановлением железа.
В процессе переплава исследовали химический состав исходного флюса и отработанного. В табл. 2.3 приведено изменение химического состава флюса АНФ-6 до переплава и после.
Разработка предварительной термической обработки заготовок прокатных валков
Одним из способов, улучшающих качество металла, является его предварительная термическая обработка - улучшение, состоящая из закалки валка в масле и последующего высокого отпуска. Цель улучшения заключается в подготовке металла к дальнейшей закалке, ликвидации карбидной сетки, измельчении карбидов и образовании структуры однородного мелкозернистого перлита. При такой обработке предотвращается возможность образования флокенов, несколько снижается твердость. Структура зернистого перлита вследствие по ниженной твердости облегчает механическую обработку и является оптимальной исходной структурой для окончательной термической обработки.
Главными процессами при улучшении являются аустенизация с последующим перлитным превращением. Получение равномерной мелкозернистой структуры достигается нагревом, вызывающим растворение избыточных карбидов, и последующим ускоренным охлаждением, исключающим возможность повторного выделения карбидов по границам зерен в виде сетки [63]. Карбиды хромистой стали относительно трудно растворяются в аустените, и, следовательно, для их растворения нужна высокая температура и большая выдержка, даже если сталь имеет нормальную структуру пластинчатого перлита без значительной карбидной сетки. В хромоуглеродистых сталях перлит превращается в аустенит при 740...760 С, при этом в аустенит переходит лишь то количество карбидов, которые соответствуют эвтектоидному составу (0,7...0,72 % С). Остальные карбиды растворяются по мере роста температуры. Нерастворенные карбиды являются центрами кристаллизации при охлаждении стали. Образование аустенитной фазы начинается около карбидов, лежащих на границах фер-ритного и перлитного зерна, и распространяется в пределах старых зерен. Величина зерна, полученного после завершения процесса образования аустенита, зависит от величины зерна перлита и степени дисперсности карбидных частиц.
Для сталей 9Х и 9X2 температура относительного выравнивания концентрации аустенита 870...890 С является верхним пределом, при котором возможно образование зернистого перлита. Для обеспечения полного превращения перлита в аустенит необходимо обеспечить полное выравнивание температуры по всему объему заготовки валка [3].
При охлаждении происходит превращение аустенита в эвтектоидную смесь кристаллов феррита, цементита и карбидов; формируется перлит. Последующий высокий отпуск при 700...720 С создает условия для формирования структуры зернистого перлита.
Экспериментально исследовав различные варианты предварительной термической обработки заготовок прокатных валков сталей марок 9Х и 9X2, установлен следующий режим улучшения: 1. Нагрев валка до температуры 350.. .600 С, выдержка в течение одного часа. 2. Нагрев со скоростью 100 С/ч до температуры 870...890 С, охлаждение с печью в течение 2 - 3 ч до температуры 200.. .450 С. 3. Выдержка и выравнивание в течение 1- 2 ч. 4. Нагрев со скоростью 100 С/ч до температуры 700...720 С. 5. Выравнивание 4...6 ч, выдержка 4.. .6 ч. 6. Охлаждение со скоростью 30 С/ч до температуры 600 С. 7. Охлаждение до температуры 500 С. Рис. 3.4. Кассета для проведения улучшения валков Для осуществления операции улучшения рассчитаны и сконструированы специальные маслоохладительные установки и кассеты (рис. 3.4). Из двух валков после улучшения выпилены темплеты и проведено комплексное исследование микроструктуры. Микроструктура исследованного образца (рис. 3.5.) соответствует баллу 7 (70 % зернистого перлита, 30 % пластинчатого перлита). В поверхностном слое валков после окончательной термической обработки формируются сжимающие остаточные напряжения, а во внутренних областях - опасные растягивающие. Для своевременного выявления внутренних дефектов заготовок-валков проводили обязательный ультразвуковой контроль (УЗК) сплошности металла как промежуточная операция между механической и термической обработкой заготовок и как окончательная операция контроля готовых валков. УЗК проводили дефектоскопом УД2-102 "ПЕЛЕНГ". Методика применения УЗК рассчитана на выявление внутренних дефектов с эквивалентной площадью 5 мм - типа шлаковых включений, рыхлости, раковин, трещин и любых других несплошностей металла [116]. В случае обнаружения дефектов в пределах толщины поверхностного слоя, который после последующей обработки должен быть удален, валок признается годным при условии подтверждения выведения дефектов повторным УЗК. Наличие любых дефектов с глубиной залегания к моменту закалки до 75 мм, а также крупных дефектов с эквивалентной площадью более 80 мм2 на глубине более 75 мм и множества мелких дефектов исключает возможность дальнейшего использования прокатного валка. Такие валки подлежат отбраковке.
Мероприятия по рациональной эксплуатации валков холодной прокатки ленты
По результатам проведенных исследований по эксплуатации рабочих валков непрерывных станов "400" ЦЛХП были разработаны мероприятия для обеспечения высокого качества продукции и стойкости валков. Для уменьшения внеплановых перевалок и увеличения стойкости рабочих валков рекомендовано: - использовать валки с твердостью бочки не менее 80 HSD, для чистовой клети не менее 90 HSD; - комплектовать валки по клетям с учетом диаметра и твердости; - движение валков по сроку эксплуатации осуществлять в сформированных парах; - применять СОЖ с процентным содержанием жирности не менее 2 % по маслам; - установить строгий контроль за суточным естественным отпуском валков; - применять обязательный принудительный отпуск валков в масле после 3 компаний; - применять предварительный подогрев валков до 50...60 С перед установкой в клеть; - применять норму съема закаленного слоя 0,2-2,5 мм при износе валка; - установить контроль за ревизией подушек и подшипников валков; - пересмотреть рекомендуемые нормы плановых перевалок по группам толщин при прокатке малотоннажного разнообразного сортамента ленты; - рационально составлять сменное производственное задание на сортамент прокатываемой ленты с целью исключения частой перестройки стана под каждый размер ленты. - автоматизировать учет показателей работы валков при часто меняю щемся сортаменте ленты для определения рациональных условий их работы. Для исключения поперечной разнотолщинности прокатываемого профиля необходимо: - осуществлять строгий контроль за правильным применением профиля валков в соответствии с прокатываемым размером ленты; - соблюдать плановые перевалки с целью применения валков необходимого профиля и соблюдение режимов обжатий; - проводить перевалки валков в зависимости от стойкости валков по параметру шероховатости; - исключить насечки валков наждачным электрокорундовым полотном в процессе прокатки. Эти рекомендации позволили совместно с другими технологическими мероприятиями по производству валков повысить их стойкость до 730-1000 т прокатываемой ленты на валок.
Изучив условия эксплуатации рабочих валков по производительности прокатного стана и эффективности эксплуатации валков, установлено, что стойкость валков зависит от: правильной организации валкового хозяйства (режима и норм перевалок, перешлифовок и отдыха, маршрута передвижения валков по клетям, ревизии подшипников); ряда субъективных факторов (опыта и мастерства вальцовщиков, соблюдения ими технологических инструкций и норм). С целью уменьшения внеплановых перевалок и увеличения стойкости рабочих валков предложены мероприятия по их рациональной эксплуатации. По результатам исследований разработана сквозная технологическая инструкция ТИ 176-РМ-70-76 «Электрошлаковое литье и закалка на установке ТВЧ валков станов холодной прокатки». Выполнение всех предложенных рекомендаций по совершенствованию технологии изготовления рабочих валков и эксплуатации позволили повысить их стойкость с 264 - 300 до 730 - 1000 т прокатываемой ленты на валок. Выполненная диссертационная работа посвящена разработке новой технологии изготовления валков холодной прокатки ленты методом электрошлакового литья. Для успешного решения поставленной задачи в работе осуществлен ряд экспериментальных и теоретических исследований, позволивших получить новые данные и сделать обобщающие выводы. 1. Экспериментальными исследованиями установлены закономерности изменения химического состава стали марок 9Х и 9X2 при нескольких переплавах отработанных валков на флюсе АНФ-6 и выявлено существенное окисление кремния. На основе полученных экспериментальных данных для сохранения кремния в металле заготовки предложено использовать флюс с содержанием кремнезема, например АНФ-32 содержащий 5...9 % Si02. Разработана технология формирования электрода из отработанного валка, позволяющая получать заготовку с химическим составом, соответствующим маркам 9Х и 9X2. Получены данные о влиянии химического состава на твердость и эксплуатационную стойкость валков. 2. Изучено влияние конструктивных параметров кристаллизатора на глубину шлаковой ванны. По результатам исследований выявлено, что несоответствие размеров кокилей кристаллизатора приводит к возникновению в отливке дефектов (пористость, шлаковые включения). Предложена новая конструкция кристаллизатора для электрошлакового литья, позволяющая улучшить качество поверхности выплавленной заготовки, а также обеспечивающая качество металла шеек валков.
