Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние научной проблемы и постановка задачи исследования 9
1.1 Влияние окалины на качество толстолистового проката 10
1.1.1 Влияние химического состава стали 13
1.1.2 Влияние температурных режимов нагрева и прокатки 15
1.1.3 Влияние состава печной атмосферы 19
1.2 Влияние процессов окисления на работу нагревательной печи и прокатного стана 20
1.2.1 Влияние окалины на эксплуатацию нагревательных печей 21
1.2.2 Влияние окалины на эксплуатацию оборудования для обработки металлов давлением 23
1.2.3 Системы окалиноудаления для толстолистового проката 26
1.3 Методы исследования и расчетов процессов окисления стали 29
Выводы и постановка задач исследования 34
2 Разработка прогнозной математической модели процессов нагрева стали для прокатки 37
2.1 Расчет внешнего теплообмена в методической печи 37
2.2 Расчет внутреннего теплообмена 39
2.3 Разработка малоокислительных режимов нагрева слябов в методических печах для прокатки
2.4 Совершенствование конструкции методических печей для нагрева металла под прокатку 54
Выводы 57
3 Оборудование и методика экспериментальных исследований 58
3.1 Выбор марок стали для исследований 58
3.2 Опытные установки, оборудование и методики проведения экспериментов 60
3.2.1 Исследования высокотемпературного окисления углеродистых, низко- и среднелегированных марок сталей 60
3.2.2 Исследование температур плавления окалины углеродистых, низко- и среднелегированных марок сталей 62
3.2.3 Исследование влияния температурно-деформационных режимов прокатки на удаление окалины с поверхности углеродистых, низко- и среднелегированных сталей 64
3.3 Обработка экспериментальных данных 66
Выводы 68
4 Экспериментальные исследования кинетики высокотемпературного окисления сталей и свойств окалины 69
4.1 Результаты исследования высокотемпературного окисления углеродистых, низко- и среднелегированных марок сталей 69
4.1.1 Окисление конструкционных углеродистых сталей 69
4.1.2 Окисление низколегированных кремнемарганцовистых сталей 71
4.1.3 Окисление кремнистой рессорно-пружинной стали 60С2 73
4.2 Результаты исследования температур плавления окалины углеродистых, низко- и среднелегированных марок сталей 75
4.3 Результаты исследования влияния температурно- деформационных режимов прокатки на удаление окалины с поверхности углеродистых, низко- и среднелегированных сталей 78
4.4 Строение поверхности раздела окалина-сталь 87
4.5 Механизм образования поперечной рябизны на поверхности проката 90
Выводы 92
5 Совершенствование температурного режима нагрева стали марки 60С2А в условиях ОАО «НКМК» для прокатки 94
5.1 Предпосылки совершенствования температурного режима нагрева слитков стали марки 60С2А 94
5.2 Совершенствование температурного режима нагрева 101
Выводы 105
Общие выводы 107
Список использованных источников 109
Приложение 120
- Влияние процессов окисления на работу нагревательной печи и прокатного стана
- Совершенствование конструкции методических печей для нагрева металла под прокатку
- Исследование влияния температурно-деформационных режимов прокатки на удаление окалины с поверхности углеродистых, низко- и среднелегированных сталей
- Результаты исследования влияния температурно- деформационных режимов прокатки на удаление окалины с поверхности углеродистых, низко- и среднелегированных сталей
Введение к работе
Актуальность работы
За последние 14 лет мировое потребление стали выросло с 771 млн. т. в год до 1240 млн. т. в год [1]. По данным International Iron and Steel Institute, мировое производство стали в 2006 г. увеличилось на 8,8 % по сравнению с показателем 2005 г. Как отмечает институт, это самый высокий уровень производства стали в мировой истории. Российское производство стали в 2006 г. составило 70,6 млн. т., что на 5,9 % выше уровня производства в 2005-м году.
Наибольший удельный вес в торговом сортаменте металлопродукции занимают полуфабрикаты и горячекатаный лист. При этом производство горячекатаного листа в 2005 г. составило 49,8 млн.т., а толстолистового проката 25,5 млн. т. [2].
Толстолистовой прокат является одним из наиболее распространенных видов металлопродукции, широко применяется в судостроении и вагоностроении, производстве труб для нефтяной и газовой промышленности, строительной индустрии и машиностроении.
При современных масштабах производства стали и всевозрастающей потребности в ней перед металлургическими предприятиями на передний план выдвигается задача повышения качества толстолистового проката, резкого снижения потерь металла при его производстве и обработке.
Существенной проблемой является окисление, приводящее к потерям полезной массы металла и снижению качества поверхности металлопродукции. Ориентировочные оценки показывают, что при угаре порядка 1 % стали на стадии нагрева слябов под прокатку, в мировом масштабе потери горячекатаной толстолистовой стали достигают 500 тыс. т.
В различное время вопросам совершенствования производства и повышения качества толстолистовой стали большое внимание уделено в фундаментальных трудах ученых М.Я. Бровмана [3, 4], А.И. Целикова [5, 6], Полухина П.И. [7], В.Н. Перетятько [8], Ю.В. Коновалова [9], М.М. Сафьяна [10], Ф.А. Ксензука [11], А.П. Грудева [12], Н.А. Челышева, А.П. Чекмарева, М.А. Зайкова
[13] и др. Последние достижения и опыт производства листовой стали представлены в работах [14-16]. В рамках обеспечения ресурсосбережения при производстве черных металлов важное место занимают мероприятия по уменьшению окалинообразования в прокатном производстве. В настоящее время в условиях жесткой конкуренции металлургических предприятий, производящих толстолистовую продукцию на внешний и внутренний рынок, повсеместной борьбы за снижение себестоимости, повышение качества стального проката, обеспечение энерго- и ресурсосбережения при его производстве является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.
Работа выполнена 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 № 02.442.11.7225, в соответствии с планом НИР и ОКР ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» на 2006г. (приказ от 10.01.2006 г. №3, договор от 1.02.2006г. № 5-6/4070356).
Цель работы: Разработка ресурсосберегающих технологий нагрева стали в печах и рациональных режимов деформационного окалиноудаления при прокатке, обеспечивающих повышение качества поверхности толстолистового проката.
Основные задачи:
Разработать прогнозную математическую модель нагрева под прокатку слябов в методических печах с учетом процессов окалинообразования.
Разработать малоокислительные режимы нагрева слябов в методических печах на основе экспериментального исследования кинетики высокотемпературного окисления и температур плавления окалины углеродистых, низко- и среднелегированных марок сталей.
В лабораторных условиях исследовать особенности удаления окалины с поверхности металла при прокатке сталей марок Зпс, ЗОХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2, установить роль влияния таких факторов как: темпера-
туры нагрева, степень деформации. Установить и научно обосновать механизм этого влияния.
4. На основании систематизации результатов полученных экспериментальных и теоретических исследований разработать мероприятия по повышению качества толстолистового проката и внедрить результаты исследований в практику производства толстолистовой стали на ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и учебный процесс при подготовке студентов специальностей 150103-Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей, 150106-Обработка металлов давлением, 150201-Машины и технология обработки металлов давлением в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Научная новизна:
Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель нагрева под прокатку слябов в методических печах с учетом окалинообразования.
Установлены температуры плавления окалины 12 марок сталей, исследована роль влияния на нее легирующих элементов стали.
Исследованы особенности удаления окалины с поверхности металла при прокатке сталей марок Зпс, 30ХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2. Установлена роль влияния таких факторов как: температуры нагрева, степень деформации. Научно обоснован механизм этого влияния. Выявлены три характерных типа строения поверхности раздела окалина-сталь.
Установлен механизм и причины образования поперечной рябизны на поверхности стали при прокатке металла покрытого слоем окалины.
Практическая значимость:
1. Для осуществления прогнозных расчетов ресурсосберегающих, малоокислительных режимов нагрева слябов в методических печах разработана и реализована на ЭВМ математическая модель, получены константы скорости окисления 15 различных марок сталей.
Усовершенствована конструкция методической печи с комбинированным подом для нагрева стальных заготовок с различным начальным тепловым состоянием (Патент РФ 43267).
Для сталей марок Зпс, ЗОХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2 даны конкретные рекомендации по выбору конечной температуры нагрева и степени деформации в первых проходах, обеспечивающие наилучшее удаление окалины.
Реализация результатов:
Результаты исследования влияния температурно-деформационных режимов прокатки на удаление окалины с поверхности стали и разработанные рекомендации приняты к внедрению в практику нагрева слябов и прокатки толстых листов на листостане «2150» ОАО «НКМК». Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов составляет 540 тыс. руб. в год.
Рекомендации по совершенствованию температурного режима нагрева слитков стали марки 60С2(А) в регенеративных нагревательных колодцах приняты к внедрению на ОАО «НКМК».
Математическая модель процессов нагрева и окисления слябов в методических печах внедрена в учебный процесс в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» и используется при подготовке студентов специальности 150103-Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований температуры плавления окалины 12 различных марок сталей.
Результаты экспериментальных исследований удаления окалины с поверхности металла при прокатке сталей марок Зпс, ЗОХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2.
Механизм влияния температуры нагрева на удаление окалины с поверхности стали при прокатке.
Автору принадлежит: постановка задачи исследований; проведение экспериментов по исследованию кинетики высокотемпературного окисления
15-ти различных марок сталей; особенностей удаления окалины с поверхности металла при прокатке сталей марок Зпс, ЗОХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2; обработка, анализ, обобщение и научное обоснование полученных результатов, формулировка выводов и рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Наука и молодежь на рубеже тысячелетий: Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (СибГИУ, Новокузнецк, 2000 г.); Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (СибГИУ, Новокузнецк, 2001 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, январь, 2002 г.); Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (СибГИУ, Новокузнецк, 2003 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество» (СибГИУ, Новокузнецк, 2003 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование технологий производства цветных металлов» (Красноярск, 2005 г.); II Международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2005 г.), в том числе 2 - региональных, 4 - всероссийских и 1 - Международная.
Публикации: Результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах в журналах и сборниках научных трудов, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и приложений. Изложена на 152 страницах, содержит 39 рисунков, 13 таблиц, список использованных источников из 123 наименований.
Влияние процессов окисления на работу нагревательной печи и прокатного стана
Окалина усложняет обслуживание нагревательных печей, вызывает необходимость периодической чистки подин; взаимодействуя с огнеупорами, вызывает их разрушение. Как правило, если температура нагрева стали не превышает 1300 С, то окалина находится в твердом виде и интенсивность ее взаимодействия с огнеупорами невысокая. При температурах более 1300 С образуется жидкая окалина, интенсивность взаимодействия ее с огнеупорами при этом существенно возрастает, причем периклазовые (магнезиальные) подины зарастают, а корундовые и высокоглиноземистые - быстро изнашиваются [44].
Нагрев стали, легированной марганцем, может способствовать повышенной интенсивности износа футеровки, поскольку образующийся оксид марганца, взаимодействуя с огнеупорами, образует легкоплавкий родонит (MnO SiCb) с температурой плавления 1291 С [45].
Минимальная стойкость кладки характерна при нагреве сталей с повышенным содержанием кремния, особенно трансформаторной, причем при нагреве таких сталей интенсифицируется разрушение не только пода, но и свода, а также стен. Это явление связано с разбрызгиванием легкоплавкой окалины [46].
Применение комбинированной футеровки повышает ее стойкость и продолжительность эксплуатации в некоторых случаях в 2 и более раз.
Сокращение длины и исключение участков монолитного пода значительно упрощает обслуживание печи. Положительный эффект дает применение канализированного пода [8]. При этом окалина со слябов, нагретых на монолитном поду, удалятся значительно трудней по сравнению с окалиной, образовавшейся на слябах, нагретых на глиссажных трубах.
Незначительная часть окалины может выноситься из рабочего пространства продуктами сгорания, оседать в рекуператорах и дымовом тракте, засоряя их. В воздушную атмосферу уносится весьма малая доля частиц окалины [47].
Неоднозначно окалина влияет на теплообменные процессы. Образуясь на поверхности стали она оказывает теплоизолирующий эффект: при нагреве в печах - отрицательный (замедляет интенсивность подвода тепла к поверхности), а при транспортировании сляба к стану, охлаждении - положительный (замедляет интенсивность отвода тепла). Г.П. Иванцов и Д.В. Будрин отмечают замедление скорости нагрева окисленной стали при температуре 1000 С в 1,11, 1,22 и в 1,33 раза, при образовании слоя окалины толщиной 0,35, 0,70 и 1,05 мм соответственно [48].
Реакция окисления железа экзотермическая. Образование оксида FeO сопровождается выделением тепла в количестве 4815 - 5024 кДж/кг, а оксидов Fe304 и Fe203 соответственно - 5820 - 6636 и 6406 - 7453 кДж/кг [23]. Г.Г. Немзер отмечает, что при угаре 1 кг стали выделяется 5000 - 7000 кДж тепла, что составляет не более 3 - 5 % от энтальпии стали при 1200 С [49, 50].
В общем случае результирующее действие перечисленных выше взаимно компенсирующих факторов может быть двояким. Если тепловыделение от окисления велико, а толщина окалины незначительна, то происходит ускорение нагрева металла. В тоже время, если тепловыделение незначительно и толщина оксидной пленки велика, то скорость нагрева замедляется.
Окисление поверхности стали сопровождается увеличением степени ее черноты, что способствует повышению скорости нагрева. Однако, увеличение продолжительности нагрева стали до 2 ч и более и температуры приводит к снижению спектральной степени черноты окалины в коротковолновом (менее 8-6 мкм) диапазоне спектра [51]. При температурах более 1270 - 1300 С и значительном времени нагрева шероховатость окалины снижается почти в 7 раз, и окалина приобретает характерный блеск (становится как бы зеркальной), что снижает ее степень черноты и повышает отражательную способность, замедляя интенсивность подвода тепла к поверхности металла.
Слой окалины, выполняющий роль теплового сопротивления, приводит к перепаду температур по его толщине, что в свою очередь снижает точ ность измерения температуры поверхности металла пирометрами [52]. В частности, по данным работы [8] при нагреве слябов в двухрядных методических печах фактическая температура поверхности металла на 40 С ниже, чем температура поверхности окалины, замеренная оптическим пирометром. По результатам расчетов [53] при нагреве до 1250 - 1280 С стальной плиты толщиной 45 мм, покрытой 1-мм слоем окалины, при постоянном коэффици-енте теплоотдачи на уровне 350 Вт/(м К) через 2 мин от начала нагрева перепад температур по толщине окалины достигает 40 С, а в конечной стадии нагрева снижается до 5 - 6 С. Э.И. Спивак отмечает, что перепад температур по толщине окалины может достигать 100 С [54].
Совершенствование конструкции методических печей для нагрева металла под прокатку
Многовариантные расчеты на разработанной модели выявили ряд конструктивных несовершенств эксплуатируемых методических печей, приводящих к повышенному угару стали при нагреве. В частности существующие конструкции методических печей не позволяют одновременно нагревать металл с различным начальным тепловым состоянием, например поступивший со склада с холодного посада и непосредственно после непрерывной разливки с горячего или теплого посада.
Реализация нагрева заготовок с различным начальным тепловым состоянием возможна при применении для нагрева перед прокаткой методических печей с комбинированным подом [17], в которых на 1/4 длины печи L, м (в начале по ходу металла) нагрев заготовок осуществляют на шагающих во-доохлаждаемых балках, а 3/4 длины печи на шагающем поду. Загрузку заготовок проводят в начале печи. Металл на поду располагается с зазором. В печах такой конструкции нагрев заготовок осуществляют с холодного посада в среднем 10-20 С или с теплого - 400-600 С. Температуру печи tne4„ в конце сварочной зоны поддерживают на уровне 1200-1350 С. При нагреве заготовок с холодного состояния (со склада) максимальную температуру в начале печи устанавливают на уровне 600-900 С в зависимости от марки нагреваемой стали (обычный режим работы печи), она ограничена опасностью разрушения и коробления металла от температурных напряжений, возникающих при значительных перепадах At между температурой поверхности tn0B и центра tu заготовок. При нагреве заготовок с теплого посада (после разливки на машинах непрерывного литья заготовок) температура в начале печи не ограничена фактически для всех марок сталей (форсированный режим работы печи). Время нагрева теплой заготовки на 25-40 % меньше холодной, а производительность печи выше по сравнению с нагревом холодной. Таким образом, если осуществлять посад холодных заготовок в начале печи, работающей по форсированному режиму, возникает опасность образования брака по трещинам, коробления металла, а посад теплых заготовок в печь работающую по обычному режиму приводит к неоправданно высокой продолжительности нагрева, повышению конечной температуры нагрева стали, увеличению угара металла, перерасходу топлива.
Недостатками печей рассмотренных конструкций являются: отсутствие возможности одновременного нагрева заготовок с различным начальным тепловым состоянием в связи с необходимостью организации различных тепловых и температурных режимов. В связи с этим предложен вариант усовершенствования конструкции печи, на который получен патент РФ № 43267. Он заключается в установке в боковой стенке печи, непосредственно в начале участка с шагающим подом, окна, через которое загружают теплые заготовки с температурой до 400-600 С. Холодные заготовки загружают в начале печи на шагающие балки. Таким образом, обеспечивается меньшее время нагрева теплых заготовок по сравнению с холодными, что увеличивает производительность печи.
Печь работает следующим образом. Система отопления содержит го-релочные устройства 2, продукты сгорания покидают рабочее пространство в начале печи через канал 8. Холодные заготовки 4 с температурой 10-20 С загружают в начале печи 1 на шагающие балки 7. Теплые заготовки 9 с температурой 400-600 С загружают через боковое окно 6 в начале шагающего пода 5. Выгрузку нагретых заготовок осуществляют в конце печи 3. На рисунке 2.6, а представлен температурный режим нагрева холодных заготовок, а на рисунке 2.6, б температурный режим нагрева теплых заготовок. 1. Разработана и реализована на ЭВМ прогнозная математическая модель нагрева слябов в методических печах с учетом процессов окалинооб-разования. 2. Для нагрева слябов в реконструированных трехзонных методических печах листостана 2150 ОАО «НКМК» разработаны малоокислительные температурные режимы. 3. Предложена конструкция методической печи с комбинированным подом, для нагрева металла с различным начальным тепловым состоянием (патент РФ № 43267).
Исследование влияния температурно-деформационных режимов прокатки на удаление окалины с поверхности углеродистых, низко- и среднелегированных сталей
Для изучения влияние температуры нагрева и степени обжатия при прокатке на удаление окалины с поверхности металла образцы нагревали до 1050, 1150 и 1250 С. После нагрева и 60-минутной выдержки в электрической печи СУОЛ-0,25.1/12,5-И1 с нагревателями из карбида кремния образцы прокатывали на лабораторном дуо-реверсивном прокатном стане с гладкими валками диаметром 140 мм (рисунок 3.5). Обжатия при этом составляли 10, 20, 30 %, а скорости деформации 1,7-2,1 1/с. После определения угара образцы распиливали на две части и изготавливали шлиф поперечного разреза. С целью изготовления более качественного шлифа (отсутствия «заваливания» кромок), его заливали в оправке эпоксидным клеем. Состояние поверхности раздела изучали на нетравленых шлифах. После полировки структуру металла выявляли травлением в 4%-ном растворе HNO3 в этиловом спирте. До и после нагрева и прокатки штангенциркулем измеряли геометрические размеры образцов, а также: массу исходного образца (т(), массу образца с окалиной после охлаждения образца после прокатки (т2), массу окалины, отделившуюся в процессе прокатки (гпз), массу образца после прокатки и стравливания остатков налипшей окалины (гщ). Зная эти массы рассчитывали массу окалины (т5) оставшуюся на образце после прокатки.
По полученным данным определяли количество окалины, отделившейся от образцов после единичного обжатия. Согласно разработанной методике определяли: где hi и h2 - высота образца до и после обжатия соответственно; где F - суммарная площадь поверхности, см2; массу не удалившейся (оставшейся на образце) после прокатки окалины с 1 см2 общую массу образовавшейся окалины на 1 см ; процент окалины по массе, удаленной после 1 прохода Зависимость величины поверхностного угара У, г/см от температур-но-временного фактора (температуры и времени нагрева) определяли по уравнению: где т - продолжительность окисления, мин; к - константа скорости окисления, г/(см мин ). Константу скорости окисления к, определяли по соотношению где А - эмпирический коэффициент, зависящий от химического состава стали, состава атмосферы и других факторов, г/(см мин ); коэффициент В имеет размерность К. Соотношения (3.6) и (3.7) могут быть преобразованы к виду: где А и В; - эмпирические коэффициенты, для исследуемых марок сталей. По результатам экспериментов определяли эмпирические коэффициенты А и В для расчета константы скорости окисления в зависимости от температуры. Их количественные значения находим из графической зависимости 1п& =Д1/7), которая в логарифмических координатах имеет вид прямой линии [19,21]. Однако графическое решение уравнения не всегда является корректным для использования, поскольку кинетика окисления стали в различных температурных интервалах не одинакова. Большую роль играет температура образования вюстита FeO 700...800 С [19-23]. На кинетику окисления оказывает существенное влияние оплавление окалины при температурах нагрева более 1300 С. Поэтому проводили дополнительную обработку экспериментальных данных с применением метода наименьших квадратов, а температурный интервал исследований определили в области 880-1200 С (область устойчивого существования вюстита). Статистическую обработку полученных результатов, интерполирование и экстраполирование для проведения анализа данных при идентичных степенях деформации проводили с применением пакета программ Statistica 6.0. 1. При проведении экспериментальных исследований использовано современное оборудование и распространенные методики, позволяющие получить достоверные результаты экспериментов. 2. Разработана методика исследования удаления окалины с поверхности металла при прокатке сталей при высоких температурах.
Результаты исследования влияния температурно- деформационных режимов прокатки на удаление окалины с поверхности углеродистых, низко- и среднелегированных сталей
Условия, в которых проведены опыты в настоящей работе приближены к промышленным при прокатке стали на гладкой бочке и существенно отличаются от условий исследований прочности сцепления окалины с металлом посредством осадки нагретых образцов, испытаний на разрыв соединения сталь - окалина, деформации образцов при комнатной температуре, проведенных в работах [20, 36]. Целенаправленный выбор условий экспериментов позволяет учесть влияние на удаление окалины с поверхности стали следующих факторов: степени деформации, содержания легирующих элементов, температуры нагрева стали, обеспечивающих формирование окалины, толщина и свойства которой, а также состояние поверхности сталь - окалина приближены к промышленным условиям. При этом, как показал анализ специальной технической литературы, необходимо учитывать, что перечисленные факторы оказывают неоднозначное влияние на удаление окалины с поверхности стали.
Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 4.4 и на рисунках 4.6-4.8.
Анализируя полученные данные можно сделать вывод, что наилучшее отделение окалины наблюдается у углеродистой стали марки 3 пс в исследуемом интервале температур и степеней деформации при единичном обжатии удаляется от 27,4 до 69,6 масс. % окалины. Увеличение степени деформации приводит к снижению количества отделившейся окалины во всех температурных интервалах. Наилучшее удаление окалины наблюдается при температуре нагрева 1050 С. Для стали марки 3 пс характерен наиболее интенсивный, по сравнению с другими исследуемыми, угар при температурах 1050 - 1175 С (рисунок 4.4), а толщина S, мм окалины в этом температурном интервале достигает 0,5 - 0,6 мм.
Поверхность раздела сталь - окалина достаточно ровная, а следы глубокого проникновения оксидов внутрь металла по границам зерен или наличие развитой смешанной зоны отсутствуют во всем исследуемом температурном интервале (рисунки 4.5, 4.6). Полученные результаты близки к данным опытов [20], где для углеродистой стали с содержанием С = 0,12 % установлено, что увеличение степени деформации с 10 до 50 % при температуре 1000 С приводит к росту сцепления окалины со сталью примерно с 1 до 3 МПа. Соответственно, для этой марки стали нагрев до температур 1250 С с точки зрения опасности образования вкатанной окалины безопасен. Для максимального удаления окалины в первых пропусках рекомендуется применение не высоких степеней деформации на уровне 5 - 10 % и менее.
С точки зрения окалиноудаления хромистая сталь марки 40Х относительно других исследуемых в наименьшей степени чувствительна к температуре нагрева и степени деформации. В первом проходе с ее поверхности удаляется от 20,7 до 29,4 масс. % окалины. Угар стали марки 40Х мене всех чувствителен к росту температуры, толщина слоя окалины в интервале температур изменяется от 0,32 до 0,68 мм, а при температуре 1250 С угар этой стали минимален по сравнению с другими марками, исследуемыми в данной работе. Такое влияние температуры на угар связано с повышенным содержанием в стали хрома на уровне 0,94 %. Как известно, хром при окислении образует оксид СггОз, а при взаимодействии с железом сложный оксид шпинельного типа FeCr204, обладающий защитными свойствами, способствует снижению угара стали [20, 22, 76, 107]. Как видно из рисунка 4.6, поверхность раздела сталь - окалина у марки 40Х менее ровная по сравнению со сталью Зпс, однако, выраженные следы зернограничного проникновения оксидов в сталь отсутствуют, развитой смешанной зоны так же не наблюдается. Относительно не высокая отделяемость окалины от стали, на наш взгляд, связана с влиянием повышенного содержания хрома, в частности, в работе [20] отмечено, что хром, никель и молибден увеличивают прочность сцепления окалины со сталью. Определенную роль при этом, вероятно, играет твердость окалины, поскольку более твердая окалина сильнее вдавливается в металл и соответственно прочность сцепления ее больше, чем мягкой окалины. В частности, в работе [108] установлено, что твердость окалины, образующейся на углеродистых сталях марок 35, 45 составляет 52 и 51 HRC соответственно, а стали марки 40Х - 54 HRC. Как видно из таблицы 4.4, нагрев до температуры 1250 С даже способствует некоторому улучшению отделяемости окалины, что можно объяснить снижением ее твердости, или в общем случае соотношения твердости окалины и стали при данной температуре нагрева и соответственно вдавливанию в сталь. Соответственно, можно сделать вывод, что для стали марки 40Х с точки зрения качества окалиноудаления высокотемпературный нагрев до 1250 С безопасен, интенсивность обжатия в первых проходах существенного влияния не оказывает.
Сталь марки 15ХСНД легированная хромом, кремнием, никелем и медью в исследуемом температурном интервале имеет зависимость угара от температуры, близкую к линейной, причем при температурах 1050 - 1100 С она окисляется менее интенсивно, чем остальные использованные марки, что связано с влиянием легирующих элементов, способствующих формированию защитных свойств оксидных пленок. Удаляемость окалины с этой марки стали значительно зависит от температуры. В частности, наиболее благоприятной является температура нагрева 1150 С. При ней примерно 32 % окалины удаляется после одиночного обжатия, причем увеличение степени обжатия с 16 до 29 % влияния фактически не оказывает. Наихудшее удаление окалины с этой стали наблюдается при высокотемпературном нагреве до 1250 С и степени деформации более 30 % и нагреве до 1050 С и степени деформации 10 %. Фактически при температурах нагрева 1050 и 1250 С зависимость удаляемости окалины от степени деформации носит экстремальный характер и уменьшается с уменьшением и увеличением определенной величины, составляющей 23 - 25 %. Такая сложная и неоднозначная зависимость может быть объяснена следующим образом: нагрев до температур 1250 С приводит к значительному проникновению оксидов в глубь металла, что отчетливо видно из рисунка 4.6. Проникновение оксидов происходит по границам зерен на глубину до 0,10 - 0,15 мм. Интенсивное проникновение оксидов вглубь металла связано с отрицательным влиянием повышенного содержания в стали меди и никеля [36]. Оно вызвано легкоплавкостью сульфида никеля [40] и оксида меди СигО. При этом формируется крайне не ровная поверхность раздела сталь - окалина, что увеличивает сцепляемость окалины со сталью. При деформации стали отделение окалины происходит не по поверхности раздела сталь - окалина, а по наименее прочным слоям окалины. По данным Ю.В. Гончарова, для углеродистых сталей отрыв окалины по границе вюстит - металл происходит при температурах не более 1070 - 1090 С, а при более высоких - по границе вюстит - магнетит [32]. Уменьшение температуры нагрева способствует снижению проникновения оксидов вглубь металла. При температуре 1050 С количество не удаленной окалины на образцах после прокатки также достаточно велико.
