Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Производство холоднокатаной листовой стали с шероховатой поверхностью
1.1. Особенности процесса формирования микрогеометрии полосы при холодной прокатке 6
1.2. Производство листа с шероховатой поверхностью на станах холодной прокатки 7
1.2.1. Шероховатость рабочих валков стана холодной прокатки 7
1.2.2. Влияние процесса холодной прокатки на формирование микрогеометрии полосы 8
1.2.3. Зависимость микрогеометрии поверхности листа от способа формирования микрогеометрии поверхности инструмента 10
1.3. Моделирование формирования шероховатости полосы при холодной прокатке 17
1.3.1. Способы описания микрогеометрии поверхности 17
1.3.2. Моделирование формирования микрогеометрии полосы при прокатке в шероховатых валках 18
1.3.3. Модели микрорельефа рабочего валка при холодной прокатке 20
1.4. Постановка цели и задач исследования 23
ГЛАВА 2. Математическое моделирование процесса формирования микрорельефа листа при холодной прокатке на текстурированных валках
2.1. Математическое описание микрорельефа поверхности валка 25
2.2. Параметры микрорельефа 27
2.3. Определение коэффициента отпечатываемое 31
2.4. Теоретический учет износа шероховатости валков 39
Выводы 43
Глава 3. Исследование влияния режимов прокатки и подготовки валков на формирование микрорельефа поверхности холоднокатаного листа
3.1. Методика проведения исследований 44
3.2. Исследование микрорельефа поверхности валков и полосы 46
3.3. Исследование коэффициента отпечатываемое 55
3.3Л. Исследования на 2-клетевом реверсивном стане 55
3.3.2. Исследования на стане 2500 холодной прокатки 57
3.4. Исследование износа микрорельефа валков 58
3.5. Исследование влияния процесса текстурирования на твердость валков 62
Выводы 64
Глава 4. Разработка и совершенствование технологии производства листовой стали с шероховатой поверхностью в лпц-5 оао «ммк»
4.1. Постановка задачи внедрения 66
4.2. Совершенствование режимов прокатки с учетом влияния изменения шероховатости валков на усилие прокатки 68
4.3. Обеспечение требуемой шероховатости поверхности полосы 72
Выводы 80
Заключение 81
Список литературы
- Шероховатость рабочих валков стана холодной прокатки
- Определение коэффициента отпечатываемое
- Исследования на 2-клетевом реверсивном стане
- Совершенствование режимов прокатки с учетом влияния изменения шероховатости валков на усилие прокатки
Введение к работе
Повышение качества поверхности холоднокатаного листа — одна из важнейших проблем прокатного производства в настоящее время. Одним из основных показателей качества поверхности стальной холоднокатаной полосы для глубокой вытяжки является состояние микрогеометрии, которое оказывает существенное влияние на свариваемость при термической обработке, штампу ем ость и смачиваемость маслами.
Микрогеометрия поверхности тонкого листа формируется главным образом при холодной прокатке в последней клети стана и в дрессировочной клети путем частичной передачи микрогеометрии поверхности рабочих валков на прокатываемую полосу.
Для достижения высокого качества холоднокатаной полосы особое значение имеют шероховатость валков и ее изменение при износе валков во время процесса прокатки. В настоящее время известен ряд способов нанесения шероховатости на поверхности бочек прокатных валков: дробеструйный, электроэрозионный, лазерный, электронно-лучевой. Задача выбора способа обработки валков состоит в улучшении качества поверхности листа, при этом не должны увеличиваться длительность и затраты на обработку валков.
Микрогеометрия поверхности рабочих валков оказывает существенное влияние не только на качество холоднокатаной полосы, но и на устойчивость процесса холодной прокатки. При прокатке на 2-клетевом реверсивном стане устойчивость и качество процесса прокатки должны быть обеспечены путем выбора режима прокатки с учетом микрогеометрии рабочих валков. Высокую производительность стана можно обеспечить путем перераспределения обжатий и натяжений по клетям с целью равномерной загрузки клетей. Это особенно важно при прокатке «тяжелых» типоразмеров полос, для которых характерны высокие удельные давления, а максимальная скорость ограниче- на требованием стабильности контактных условий в очаге деформации.
При дрессировке холоднокатаной полосы часто бывает необходимо обеспечить шероховатость поверхности согласно требований стандарта. Для получения требуемой микрогеометрии надо учитывать не только износ рабочих валков в течение межперевалочной кампании, но и механические свойства металла. Учет всех параметров позволит контролировать шероховатость с достаточной степенью точности и снизить до минимума выход несоответствующей продукции.
Шероховатость рабочих валков стана холодной прокатки
Для достижения высокого качества холоднокатаной полосы особое значение имеют шероховатость валков и ее изменение при их износе в процессе прокатки.
Методы обработки поверхности валков с целью придания им шероховатости необходимо выбирать в соответствии с эксплуатационными требований к валкам и качеству проката. В настоящее время известен ряд способов нанесения шероховатости на поверхности бочек прокатных валков: дробе-метный, электроэрозионный, лазерный, электронно-лучевой. Параметры микрогеометрии поверхности рабочих валков, формируемые при различных способах нанесения шероховатости, существенно различаются.
Дробеметный способ
Дробеметный способ повышения шероховатости валков является в настоящее время наиболее широко применяемым в прокатном производстве России. Этим способом можно достигнуть средней величины шероховатости валка Ла=1,5-6,0 мкм при статистическом распределении пиков и впадин [32]. Недостатком способа является невозможность получения низкой и высокой шероховатости валка. Весьма высокую шероховатость, т.е. более 5 мкм можно придавать лишь валкам с твердостью HS 90 [33]. Снижение твердости на 3-4 HS увеличивает Ra. на 0,4 - 0,5 мкм, поэтому необходим тщательный контроль твердости валков во время подбора комплекта [34]. На показатели шероховатости также влияют небольшие колебания размеров внутри фракций абразива и скорости частиц.
Дробеметная насечка валков не обеспечивает высокой плотности пиков. Например, при твердости валков HS=94 и средней величине шероховатости Ra=3 мкм можно достигнуть плотности порядка 70 см . Изотропность такой шероховатости не превышает 0,6-0,7, а неравномерность ее по длине бочки при 7?а=3-3,5 мкм составляет ± 0,5 мкм [35]. Основным достоинством дробеметного способа является высокая производительность агрегата. Длительность обработки дробеметным способом одинакова для всех придаваемых шероховатостей. Для рабочего валка при восьми проходах рабочего лопастного колеса она составляет около 15 мин.
Электроразрядный способ
Наряду с электроэрозионным способом широко применяется метод электроразрядной обработки валков. Роль анода в ванне из коррозионно-стойкой стали выполняет токопроводящая рабочая жидкость, которая соединена с положительным полюсом источника выпрямленного тока, а валок — с отрицательным полюсом. После погружения валка в жидкость на глубину 10-12 мм и включения источника питания между жидким анодом и валком ус тойчиво устанавливается процесс зарождения электрических разрядов. Одинаковые условия их зарождения, большая плотность разрядов (50 - 100 см"1) и их равномерность по всей площади контакта позволяют достичь формирования равномерного микрорельефа поверхности валка [36,37].
Обработка рабочей поверхности валков тонколистовых станов холодной прокатки электрическими разрядами позволяет получить шероховатость с высокими качественными и эксплуатационными характеристиками: разница величины Ra по длине бочки не превышает 2-3 %; изотропность шероховатости 0,9-1,0; плотность пиков на 1 см в зависимости от величины Ra составляет 80-200 [38]. Коэффициент отпечатываемости шероховатости валка на полосе составляет на дрессировочном стане 0,43-0,5 для стали 08Ю с разной степенью обезуглероживания поверхностного слоя. Для клети 4 непрерывного стана 1400 этот коэффициент составляет 0,5-0,56.
Лазерный способ
Способ лазерной обработки валков («Лазертекс») разработан Национальным центром металлургических исследований (Германия). В способе «Лазертекс» лазерный луч через линзу фокусируется на поверхности валка и прерывается посредством вибропреобразователя. При этом валок вращается с частотой 100-150 об/мин и смещается в осевом направлении. Лазерный луч направлен в одну точку с тем, чтобы оптический путь оставался постоянным. В фокусе лазерного луча на поверхности валка материал расплавляется. Через сопло в этот фокус, как правило, направляется защитный газ СОг, N2 или 02. Под действием этого газа возникают глубокие микровпадины, а остальной расплавленный металл в этих условиях окисляется. Заданная шероховатость достигается регулированием частоты вращения валка, мощности лазера (как правило, 400-2500 Вт с точностью ±2 %), расхода защитного газа (1-30 л/мин), а также положения фокуса лазерного луча [39].
Определение коэффициента отпечатываемое
Считая, что микровпадина располагается параллельно образующей бочки валка и распространяется на всю ширину прокатываемой полосы, принимаемую за единицу, запишем dS = cosa. (2.10) Уравнение пластичности имеет вид q{l-ftga)-p = 2k, (2.11) где к — пластическая постоянная металла. Подставив выражение dS и условие (2.9) в уравнение (2.11), получим d{pF)-{p + 2k)X+fcigadF V. (2.12) \ ftga В общем случае при произвольной конфигурации микровпадины угол а является функцией координаты у, а именно: a{y)=arctg -— . (2.13) \2dyJ
Производная — определяется геометрией микровпадины. Поэтому dy для решения уравнения (2.11) предварительно надо определить зависимость а(у). Для учета упрочнения деформируемого в микровпадине металла величину 2к также следует рассматривать как функцию координаты у, причем значение 2к{у) должно зависеть от степени деформации металла.
Проведем ось у через ось симметрии одной параболы, образующей микропрофиль. Ось х направим вдоль средней линии (рис.2.5). Выделим элемент микропрофиля, ограниченный параболой. Ордината профиля определяется следующим выражением: у = а х + Л2 -Z ср Площадь сечения выделенного элемента определяется следующим об разом: ер т F=2x = 2 Тогда, ( [y+z, \ а \ J dF dy [ dl y+z s. a 2 dy \y sl \a (2.14) Выразим ординату микропрофиля через F: aS, 12 I 2) Подставим (2.15) в (2.14); dF_ 1 dy aSl + (3 U (2.15) V 12 4 12 Следовательно, a(F) = ara& (2.16) В результате приближенного решения дифференциального уравнения (2.13) с учетом (2.16) при граничных условиях р р при F = FH и р - 0 при F = Fe получим FH+Sm-f/a n_UK+i) 2k Fu (2.17) 9SRa гдей = —-; (2.18) Fcx 1мм - площадь свободной поверхности металла; FHx 1мм - площадь номинальной поверхности контакта валка с прокатываемым металлом.
Интеграл в (2.17) не имеет решений в элементарных функциях, поэтому необходимо использовать приближенные численные методы.
Принимая FH = Sm и подставляя (2.18) в (2.17), получим: m 2к S. т Jl J i+f4i\2Sm-//a S„(faS„+l) 5.(М„+і) S -fl" eMlS.-ff ,). (2.19) /f (F + Smlfa{F + Sm) + l)F s -" dF { (F + S„ - flaYs -4 e s Для установления зависимости между коэффициентом напряженного состояния — и коэффициентом отпечатываемое Л необходимо выразить
Я через параметр Fc значение т, при котором j (уг - mfdx — min , Определим положение средней линии для микропрофиля полосы, т.е. (2.20) где ул - функция микрорельефа полосы в системе координат хОу, проведенной через среднюю линию микрорельефа валка (рис.2.6). Выражение (2.18) принимает минимальное значение при т aF02{2Fc 3Sj 125. Определим Raa по формуле (2.7): Ran - — f s ) -axa+Zj2xm— + где 01 = - jsl + 3F -2Ft3 jsm - абсцисса пересечения функции yl с осью х, в системе координат х у, проведенной через среднюю линию микропрофиля полосы. Коэффициент отпечатываемое определим по формуле:
Из выражений (2.19) и (2.21) можно определить коэффициент отпечатываемое А при известном значении коэффициента напряженного состоя-Р ния На рис.2.7 представлены графики зависимости коэффициента отпечатываемое от коэффициента напряженного состояния р/2к, построенные по рассматриваемой модели и линейной модели В.Л. Мазура [24]. В высоких и низких областях значений Я значения р/2к существенно расходятся (до 50 %), поэтому применение модели В.Л. Мазура для параболического профиля дает большую погрешность в расчетах.
Исследования на 2-клетевом реверсивном стане
Исследования микрогеометрии листа проводились на 4-клетевом непрерывном стане 2500 холодной прокатки, 2-клетевом реверсивном стане холодной прокатки и дрессировочных станах 1700 и 2500 цеха холодной прокатки листа ЛПЦ-5 ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" («ММК»).
Эксперименты проводили на промышленных партиях низкоуглеродистой стали следующих марок: 08Ю, 08пс, 08кп, 08ЮВ, 08ЮР, FePOl, FeP03, SPCC(M), St 12В.
Шероховатость поверхности определяли по среднему арифметическому отклонению высоты всех микровыступов от средней линии профиля по ГОСТ 2789-59 (Ra) и количеству пиков (Рс) на 1 см при базовой длине 0,8 мм. При определении количества пиков за пик принимался микровыступ высотой более величины Ra..
Показатели Ra и Рс поверхности валков контролировали переносным профилометром «Surtronic 3+» в середине бочки валка и на расстояниях по 500 мм от середины. Показатель Ra определяли с точностью до 0,01 мкм [77,78]. Показатель Рс определяли с точностью до 1 см 1 без фильтра (с=0). Все измерения проводились при базовой длине 1—0,8мм. Твердость бочки валков измеряли склероскопом с точностью ±1 мкм по Шору. Шероховатость поверхности рабочих валков контролировали перед завалкой в клеть и после вывалки их из клети.
Шероховатость поверхности металла определяли на образцах размером 100x100 мм, вырезанных из середины полосы. Образцы холоднокатаного отожженного недрессированного металла вырезались на дрессировочных станах. Пробы дрессированного металла отбирались на агрегатах резки. Контроль шероховатости осуществляли с обеих сторон полосы, в середине и на расстояниях по 100 мм от кромок. Шероховатость полос измеряли в двух направлениях (вдоль и поперек прокатки) с верхней и нижней сторон полосы стационарным профилометром-профилографом 250 и профилометром 170622. Параметры шероховатости Ra и Рс определяли по десяти замерам как среднее арифметическое значение (Среднее квадратическое отклонение - в пределах от 0,01 до 0,02).
Микрофотографии поверхности листа и рабочих валков получали на электронном микроскопе с 100- и 75-кратным увеличением. Фотографии микрогеометрии валков получали с реплик, снятых с поверхности валков и изготовленных из протакрила.
Подготовка рабочих валков для прокатки и дрессировки проводилась следующим образом. Валки шлифовали до 7-8-го класса чистоты поверхности (Яа=0,6-0,8 мкм). Придание шероховатости рабочим валкам осуществлялось одним из двух способов: насечкой чугунной дробью или текстурирова-нием на электроэрозионном станке «Геркулес».
При прокатке на непрерывном 4-клетевом стане 2500 получали полосы толщиной 0,6-3,0 мм (подкатом служила полоса толщиной 2-6 мм). Диаметр рабочих валков составлял 500-470 мм, опорных 1300-1220 мм; твердость вал ков была соответственно 92-85 и 60-70 HSh, В 1-й и 4-й клети были установлены шероховатые рабочие валки, во 2-й и 3-й клети - шлифованные.
При прокатке на реверсивном 2-клетевом стане получали полосы толщиной 0,5-1,5 мм (подкатом служила полоса толщиной 2-3 мм). Диаметр рабочих валков толщиной 0,5-1,5 мм составлял 500-480 мм, опорных 1300-1220 мм; твердость валков была соответственно 92-85 и 60-70 HSh.
Дрессировку полос проводили на дрессировочных станах 1700 и 2500 на насеченных и текстурированных рабочих валках с твердостью 92-90 HSh. Твердость опорных валков составляла 60-70 HSh.
Измерения шероховатости полосы после холодной прокатки производили на пробах, отбираемых от каждого четвертого рулона на протяжении межперевалочной кампании.
Прокатка осуществлялась при обжатии 15-20% в 4-ой клети стана 2500, 0,8-1,5% при дрессировке, 10-15% при прокатке в 4-ом проходе на реверсивном стане. Скорость прокатки - 12-16 м/с, дрессировки - 15-20 м/с.
На рис.3.1-3.2 представлены микрофотографии реплик, снятых с поверхности текстурированных и насеченных валков. Из рис.3 Л видно, что текстурированный валок имеет микрорельеф с равномерно чередующимися пиками и впадинами. На валке, насеченном дробью (рис.3.2), наблюдаются параллельные полосы, образованные шлифовальным кругом. На фотографии насеченного валка большие впадины, образованные попаданием дроби чередуются с участками шлифованной поверхности
Совершенствование режимов прокатки с учетом влияния изменения шероховатости валков на усилие прокатки
В связи с повышенным коэффициентом трения в начале кампании рабочих валков реверсивного стана наблюдаются повышенные давления и увеличение выделения тепла в очаге деформации клети I, что приводит к ухудшению условий смазки и снижению стабильности процесса прокатки. Превышение допустимой скорости создает предпосылки для возникновения аварийных ситуаций и образования участков микросхватывания валков с полосой (дефект поверхности «риски»). Необходимая стабильность в этом случае может быть обеспечена только путем снижения скорости прокатки.
Для компенсации влияния изменения шероховатости необходимо осуществлять перераспределение обжатий. При этом обеспечивается выравнивание нагрузок клетей по усилию, снижение давлений и выделения тепла в клети I, вследствие чего максимальная допустимая скорость прокатки повышается. Как видно из табл.4.1, необходимое для компенсации изменение обжатия оказывается незначительным по величине, однако достигаемое при этом повышение скорости весьма существенно (в рассматриваемом случае с 14,6 до 16,3 м/с).
Таким образом, учет изменения микрогеометрии рабочих валков позволяет в начале межперевалочной кампании существенно повысить производительность стана холодной прокатки при соблюдении требуемого качества поверхности полосы и обеспечении высокой стабильности процесса прокатки.
Режимы 2, 5, 9 и 12 являются наиболее приемлемыми по распределению усилия прокатки по клетям. Полученные данные свидетельствуют о том, что путем перераспределения обжатий можно достаточно эффективно управлять величиной усилия прокатки в клетях стана (рис.4.3).
Для определения параметров шероховатости валков необходимо знать кривую износа поверхностного слоя и коэффициент отпечатываемости параметра Ra, Согласно проведенным исследованиям на коэффициент отпечатываемости наибольшее влияние оказывает величина коэффициента напряженного состояния pjlk . Существенное влияние оказывает также параметр Рсв, с увеличением которого растет коэффициент отпечатываемости. Влияние параметра Rae незначительно, поэтому им можно в данном случае пренебречь.
Для расчета коэффициента отпечатываемости необходимы следующие исходные данные; к - пластическая постоянная прокатываемого металла; /- коэффициент трения; ЯаБ и Рс - параметры шероховатости валка.
Параметр к определен с учетом упрочнения [87]. Определим коэффициент трения при прокатке на шероховатых валках на 2-клетевом реверсивном стане методом давлений [88, с.217-218]. В качестве модели используем алгоритм и программу для ЭВМ, разработанные Г.А. Медведевым применительно к условиям данного стана, В табл.4.2 приведен пример расчета.
Значения коэффициента трения рассчитаны с помощью методики, описанной выше. Из рис.4.4 видно, что в ходе прокатки происходит значительное снижение коэффициента трения, связанное с износом поверхностного слоя валков. Причем, снижение коэффициента трения наблюдается как для насеченных, так и для шлифованных валков, хотя и менее интенсивно. ЕЕ Для параболической модели шероховатости (см. гл.2) при прокатке низкоуглеродистой стали в 4-м проходе была построена номограмма (Рис.4.5) для расчета коэффициента отпечатываемости от удельного давления и значения Рс.
Номограмма для определения коэффициента отпечатываемости в зависимости от давления при прокатке и значения Рс поверхности валков
Результаты расчетов коэффициента отпечатываемости для выбранных технологических режимов приведены в табл.4.3.
Данные, полученные на 2-клетевом реверсивном стане (табл.4.1) применимы к условиям 4-клетевого стана. Рабочие валки этих станов имеют одинаковый диаметр; сортамент станов, в основном, совпадает. Позтому можно принять, что при одинаковых обжатиях усилия прокатки в последнем проходе на станах будут равны.
Минимальное удельное давление в последнем проходе зависит от обжатия и прокатываемого сортамента и составляет 500 МПа, поэтому при Рс = 90см 1 имеем коэффициент отпечатываемости 0,37. Таким образом, для обеспечения шероховатости полосы Ra = 1,1 мкм, необходимо обеспечить минимальную шероховатость на валках Rae = 1,1/0,37 = 3,0 мкм.
Кампания рабочих валков 4-клетевого стана 2500 1,5 тыс.т, а реверсивного стана 122 км (300-800 т). Износ шероховатости составляет 1,2 мкм/тыс.т (см.гл.З).
Таким образом необходимо выбрать следующие параметры шероховатости текстур ированных валков: - для клети №1 2-клетевого реверсивного стана 4,7 мкм; - для клети №2 4-клетевого стана 4,9 мкм.
Процесс электроэрозионного текстурирования рабочих валков должен обеспечить: - получение необходимой микрогеометрии валков; - получение поверхности прокатываемой и дрессируемой полосы в соответствии с требованиями ГОСТ и ТУ; - получение износостойкой поверхности валков; - максимальную производительность электроэрозионного станка; - минимальный расход вспомогательных материалов (электродов, диэлектрической жидкости и т.п.).
С этой целью необходимо внести изменения в традиционную технологию подготовки валков, позволяющие улучшить показатели текстурирова-ния.
По традиционной технологии для обеспечения равномерной шероховатости по всей длине бочки валка после окончания полного прохода производятся дополнительные проходы для концевых участков длиной 350 мм.
Данная технология не может быть применена для подготовки рабочих валков стана 2500 холодной прокатки. При длине бочке 2500 мм фактическая ширина прокатываемых полос не превышает 1850 мм.
