Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ процессов производства холоднокатаной ленты 7
1.1. Анализ существующих способов получения качественной стальной ленты 7
1.2. Анализ способов получения качественного сварного шва при производстве полосового проката 9
1.3. Анализ процессов продольного роспуска полосы при производстве стальной ленты 17
1.4. Способы прокатки полос со сварными швами при производстве стальной ленты 18
1.5. Выводы. Постановка цели и задач исследования 21
2. Экспериментально-аналитическое исследование процесса формирования сварного шва при производстве стальной ленты 24
2.1. Формирование сварного соединения при сварке полос из различных марок стали 24
2.2. Конструирование многослойного сварного шва 30
2.3. Исследование свойств сварных швов 40
2.3.1. Исследование структуры и свойств сварного соединения 40
2.3.2. Разработка методики испытаний сварных соединений на прочность 45
2.4. Выводы 50
3. Исследование процесса продольного роспуска полосы при резке на дисковых ножницах 52
3.1. Анализ процесса роспуска горячекатаного подката из малопластичных марок сталей при производстве ленты 52
3.2. Исследование процессов продольного роспуска полос по разработанным способам 53
3.3. Выводы 65
4. Исследование технологии прокатки полос с многослойным сварным соединением из малопластичных марок стали 66
4.1. Анализ процесса деформирования многослойного сварного соединения при прокатке 66
4.2. Результаты моделирования 84
4.3. Описание технологии производства ленты из прочных марок стали 87
4.4. Выводы 94
Заключение 96
Список использованных источников 98
- Анализ способов получения качественного сварного шва при производстве полосового проката
- Разработка методики испытаний сварных соединений на прочность
- Исследование процессов продольного роспуска полос по разработанным способам
- Описание технологии производства ленты из прочных марок стали
Введение к работе
В настоящее время совершенствование производства холоднокатаного полосового металла идет по пути модернизации и внедрения агрегатов, работающих по непрерывному или бесконечному принципу.
Цех углеродистой ленты (ЛПЦ-8) ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» был пущен в эксплуатацию в конце 1982 года. Первоначально он проектировался для производства толстой холоднокатаной ленты толщиной 1,8...4,0 мм и шириной 10...450 мм из углеродистых сталей, включительно до стали марки 50. В связи с этим в состав цеха вошло традиционное оборудование, характерное для производства холоднокатаного конструкционного листового проката: агрегат укрупнения и продольного роспуска полосы (АУР) со сварочным комплексом Л-1700Ш, непрерывный травильный агрегат (НТА) с соляно-кислым травлением и со сварочным комплексом КСО-3201, расположенным в головной части агрегата, непрерывный пятиклетевои прокатный стан 630 с гидравлическими нажимными устройствами в четырехвалковых клетях, одностопные газовые колпаковые печи с массой садки до 50 т, двукле-тевой прокатно-дрессировочный стан 630 и 5 агрегатов продольной резки (АПР) фирмы «Зундвиг» с линиями упаковки.
В процессе строительства цеха государством была поставлена задача освоения производства холоднокатаной ленты из углеродистых сталей, а также легированных марок стали с повышенным содержанием углерода. Известные технологии оказались неприемлемыми в условиях высокопроизводительных технологических агрегатов цеха ленты ОАО «ММК».
Таким образом, для освоения производства ленты из указанных прочных марок сталей необходимо было разработать технологию, вклю-
чающую как технологию производства горячекатаного подката из этой стали, так и технологию его переработки в холоднокатаную ленту на ОАО «ММК» в условиях высокопроизводительного неспециализированного технологического оборудования для производства ленты.
В настоящее время в цехе углеродистой ленты ОАО «ММК» ленту изготавливают из широкого спектра марок сталей следующего сортамента: низкоуглеродистой стали марок 08кп, 08пс, 08, Юкп, Юпс, 10; углеродистой качественной конструкционной стали марок 15-70 по ГОСТ 1050; качественной низкоуглеродистой стали 08ю по ГОСТ 9045; качественной конструкционной легированной стали марки 65Г по ГОСТ 14959; низколегированных (10ЮА, 15ХГЮА, 20Х); углеродистой качественной конструкционной легированной стали марок 20Х, ЗОГ, 30Г2, 15ХГЮА, 25ХГСА, ЗОХГСА, 7ХНМ, 50ХФСА по ГОСТ 4543-71 и ТУ14-1-4333-87, ТУ14-4-1551-89. Толщина прокатываемых полос изменяется в пределах 0,5...4,5 мм, ширина - 250...475 мм (в линии АУР) до 10...460 мм (на готовой ленте). Такой широкий диапазон по толщине, ширине и маркам сталей требует разработки новых подходов к созданию технологий и универсального оборудования для производства холоднокатаной стальной ленты.
Анализом и исследованиями в области прокатки полос со сварными соединениями занимались ученые Полухин В.П., Пименов А.Ф., Куприн М.И., Мазур В.Л., Рысс Б.А., Добронравов А.И., Новицкий А.Ф., Файнберг Л.В., Злов В.Е. Изучению вопросов получения качественной стальной ленты посвящены работы Бояршинова М.И., Петрова В.А., Александрова В.В., Райза М.Ш. и ряд других ученых.
Большинство работ связано с исследованием проблем прокатки сваренных встык полос из низкоуглеродистых марок сталей. В то же время практически отсутствуют данные по исследованию процесса прокатки полос со сварными соединениями из углеродистых и легирован-
ных марок стали с повышенным содержанием углерода на непрерывных станах холодной прокатки. С другой стороны, недостаточно изучены вопросы сквозной технологии производства холоднокатаной ленты из широкого спектра марок стали и изготовление ее с заданными эксплуатационными свойствами. В связи с этим возникают проблемы получения качественного сварного шва при укрупнении полос, их транспортировки через непрерывный травильный агрегат, безобрывной прокатки, качественного продольного роспуска широких полос на нетрадиционном высокопроизводительном оборудовании для лентопрокатного производства.
Для решения этих вопросов необходим комплексный анализ технологического процесса производства холоднокатаной ленты, чему и посвящена данная работа.
Внедрение результатов настоящей работы позволило освоить технологию производства холоднокатаной ленты из углеродистых и легированных марок стали с повышенным содержанием углерода на существующем оборудовании цеха углеродистой ленты ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Автор выражает особую признательность и благодарность за помощь, оказанную в подготовке настоящей работы к.т.н. Смирнову П.Н.
Анализ способов получения качественного сварного шва при производстве полосового проката
Для повышения производительности изготовления холоднокатаной ленты в качестве одной из основных технологических операций возможно применение операции укрупнения рулонов. На современных зарубежных и отечественных станах масса рулона достигает 18...45 т за счет прокатки крупных слябов. Прокатка рулона большой массы обеспечивает стабильность в работе непрерывного прокатного стана, достижение большой производительности и высокого качества листовой продукции. Кроме того, соединение концов рулонов необходимо для обеспечения непрерывности процесса химического травления подката.
Достаточно перспективным можно считать соединение концов полос лазерной сваркой. Однако в настоящее время этот метод не получил широкого применения вследствие относительно высокой стоимости оборудования и сложности сварки толстого проката [4].
В листопрокатном производстве для соединения заднего и переднего концов, следующих друг за другом в технологическом потоке рулонов, можно использовать сшивку концов внахлест или сварку встык [5]. Соединение внахлест используется, например, при производстве тонких полос, фольги. Так, согласно работе [6] на соединенных концах полос предварительно изготавливаются путем вырубки ряды симметричных впадин-выступов в форме ласточкиного хвоста. После этого концы накладываются друг на друга с расположением выступов над впадинами и прижимаются друг к другу. При сварке внахлест превышение толщины шва над толщиной полосы может достигать до 10... 100 %. Указанный метод соединения концов полос внахлест неприемлем для прокатки, и сшитые участки необходимо после травления вырезать.
Использование стыкового соединения более распространено. Возможно укрупнение рулонов полос уже на стадии горячей прокатки. Согласно работе [7] сварку встык осуществляют прижатием торцов полос друг к другу и расплавлением металла с помощью горючего газа из горелки. Известно использование индукционного нагрева для соединения полос при горячей прокатке [8]. Однако сварка полос на стадии горячей прокатки не получила широкого распространения вследствие сложности её реализации для малопластичных марок стали.
Существует несколько способов сварки встык: электродуговая сварка встык плавящимся или неплавящимся электродом, шовно-стыковая сварка и сварка встык методом непрерывного оплавления.
При первых двух вариантах [9,10] кромки концов лент располагают встык над электродом, размещая между ними полоску из материала припоя, а затем пропускают периодический ток. После этого перемещают электрод вдоль стыка, соединяя кромки ленты расплавом припоя, либо отдельные слои сварного шва сваривают металлом разного химического состава.
На формирование сварочной ванны и шва влияет характер переноса электродного металла при его плавлении. Перенос расплавленного металла с электрода в сварочную ванну осуществляется под действием электродинамических сил и газовых потоков, образующихся в столбе дуги [11]. В то же время скорость плавления электрода жестко связана со сварочным током. При сварке различных марок стали, а также проката с разной толщиной и шириной требуется неодинаковая скорость плавления электрода. Это приводит к образованию швов с чрезмерно большой выпуклостью. При сварке неплавящимся электродом отсутствует перенос расплавленного металла через дуговой промежуток. При этом нет жесткой связи со сварочным током. В то же время используемые, как правило, вольфрамовые электроды имеют высокую стоимость обслуживания, и их стойкость в значительной степени зависит от рода тока и его полярности.
В качестве основного способа соединения концов полос при производстве полосовой стали применяется стыковая сварка непрерывным оплавлением. На большинстве действующих станов увеличение массы рулонов производится в линиях НТА путем сварки горячекатаных полос на стыкосварочных машинах. Каждый укрупненный рулон состоит, как правило, из 2...5 полос и имеет 1...4 сварных шва. Таким образом, условия получения качественного сварного соединения являются определяющими с точки зрения устойчивости последующего технологического процесса производства холоднокатаной ленты.
Традиционно требования, предъявляемые к сварным швам у изделий, подвергаемым последующей непрерывной обработке, заключаются в том, что свойства металла сварного шва должны совпадать или лишь незначительно отличаться от свойств основного металла. При этом швы должны обладать не только равной прочностью, но и одинаковыми пластическими и усталостными свойствами, стойкостью против хрупкого разрушения. Основным условием получения прочного и пластичного соединения полос является отсутствие в стыке окисных пленок, а также значительных структурных различий в околостыковой зоне. Такой подход обеспечивает возможность непрерывной транспортировки полосы через травильный агрегат и безобрывную прокатку сварных соединений с минимальной потерей производительности стана при производстве холоднокатаной ленты из малоуглеродистых марок стали.
В литературе достаточно подробно освещены вопросы, характеризующие процессы формирования сварных соединений полос из низкоуглеродистых марок стали. Среди основных факторов, определяющих возможность получения качественного сварного соединения, обеспечивающего безобрывность при последующей переработке полос (транспортировке через травильный агрегат и прокатке), можно выделить следующие [5,12]:
Разработка методики испытаний сварных соединений на прочность
Традиционно для анализа прочностных характеристик полученного сварного соединения производят вырезку образцов. В настоящее время нет однозначной рекомендации по выбору наиболее рационального метода контроля и оценки качества шва. В процессе работы технологической линии предпочтительнее проводить постоянный контроль всех швов. Простота и наглядность получаемых результатов послужили причиной широкого применения разрушающего контроля сварного соединения. Испытания при этом проводят на выборочных образцах при настройке сварочной машины, её перенастройках, связанных с изменением типоразмера и марки стали свариваемых полос, а также не менее одной контрольной проверки в течение смены. Механические испытания сварных соединений и его отдельных зон предусматривает ГОСТ 6996. Испытание на растяжение служит для определения временного сопротивления наиболее слабого участка сварного соединения. Испытание на изгиб (рис. 2.9) проводят со снятым до толщины основного металла усилением шва, при этом измеряют угол изгиба, при котором образовалась первая трещина в растянутой зоне. Для сталей, склонных к хрупкому разрушению, определяется число знакопеременных гибов образца согласно ГОСТ 214271-75 [13].
В практике производства холоднокатаных полос в качестве анализа пригодности полученных сварных соединений для дальнейшей переработки наибольшее распространение получил метод изгиба шва на угол 90. Как правило, сварной шов, выдерживающий такой изгиб без разрушения, обеспечивает безобрывность при дальнейшей обработке в травильных линиях и при прокатке на непрерывных станах (рис. 2.10).
Как показал опыт освоения производства ленты в условиях цеха ленты ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», при испытаниях сварных швов из углеродистых и легированных сталей с повышенным содержанием углерода (например, 65Г) указанный метод контроля неприемлем. В отдельных случаях шов, подвергнутый изгибу на 90 и выдерживающий его без разрушения, в дальнейшем рвался либо при транспортировке через НТА, либо при прокатке на пятиклетевом стане 630. Поэтому возникла необходимость разработки новой методики оценки качества сварного соединения.
В процессе освоения технологии сварки было установлено, что в отличие от низкоуглеродистых сталей для сварного шва, например, из стали марки 65Г необходима его обязательная термообработка. Кроме того, сам факт проведения термообработки не всегда является определяющим с точки зрения обеспечения качественного сварного соединения. Это может быть связано, например, с тем, что могут свариваться концы полос, существенно отличающиеся по своим прочностным свойствам, микроструктуре и толщине. Особенность сварки полос из прочных марок стали заключается в том, что необходим учет условий получения горячекатаного подката. Таким образом, в стыкосварочной машине могут оказаться концы полос с большим разбросом пластических (прочностных) характеристик.
Другим фактором, влияющим на получение качественного сварного шва на полосах из рассматриваемых марок стали, является их значительная разнотолщинность в зоне соединения, достигающая 0,5... 1,0 мм. Разнотолщинность также связана с особенностью технологии получения горячекатаной полосы из углеродистых и легированных марок стали с повышенным содержанием углерода.
Поэтому совпадение геометрических и прочностных параметров стыкуемых концов полос носит вероятностный характер. Следовательно, контроль качества сварного соединения полос таких марок стали является обязательным. При этом очевидно, что необходимо подвергать испытанию несколько участков сварного шва по его длине.
На следующем этапе разработки методики испытаний сварного соединения был проведен анализ условий транспортировки полосы со сварными швами через непрерывный травильный агрегат [43]. Особенностью конструкции НТА в цехе ленты ОАО «ММК» является наличие двух накопителей полосы, создающих ее запас для обеспечения непрерывного травления в технологической части агрегата. Накопление полосы осуществляется с помощью барабана, перемещающегося в горизонтальном направлении на расстояние, обеспечивающее требуемый ее технологический запас (до 200 м). При попадании в накопитель полоса со значительным натяжением огибает направляющие ролики малого диаметра с различным углом охвата. Происходит знакопеременный изгиб полосы с растяжением, что является основной причиной либо разрушения сварного шва, либо образования в нем микротрещин. Исходя из этого, был сделан вывод, что методика испытания сварного соединения должна быть максимально приближена к протекающим в технологической линии процессам. Следовательно, при испытании сварных швов из рассматриваемых марок стали полоса должна подвергаться изгибу на некоторой оснастке, имитирующей ее охват при транспортировке через НТА.
В процессе исследований было установлено, что при испытании сварной шов должен располагаться на некотором расстоянии от края гу 49
бок тисов, т.е. изгиб должен осуществляться не на 90, как для «мягких» марок сталей, а на некоторый радиус, определяемый используемой технологической оснасткой (рис. 2.11).
Исследование процессов продольного роспуска полос по разработанным способам
Неравномерно деформированная кромка перемещается по радиусу R-i в плоскости полосы (рис. 3.7).
Изменяя разность деформации по краям кромки, можно регулировать радиус движения кромки: увеличивая разность деформации до 10 %, уменьшают радиус R2, уменьшая эту разность до 2 %, увеличивают радиус Я?3 Уменьшение деформации кромки от края, прилегающего к зоне реза, к свободному краю на величину менее 2 % приводит к отклонению кромки от зоны реза по большему радиусу. При этом зона измельчения кромки располагается на большем расстоянии от зоны реза, что приводит к необходимости увеличения ширины кромки из-за большего пути транспортирования и увеличения расхода металла. Увеличение этого значения более 10 % вызывает изгиб кромки с малым радиусом, затрудняя ее утилизацию. Изменение разности обжатия по ширине кромки осуществляют изменением конусности ролика.
С учетом широкого сортамента цеха углеродистой ленты ОАО «ММК» как по маркам сталей, так и по прокатываемым толщинам для обеспечения заданного направления обрезаемой кромки полосового металла разной толщины к дисковым ножницам, а также устранения ударных нагрузок были разработаны устройство для обрезки кромок (рис. 3.8) [57] и способ обрезки кромок металлических полос (рис. 3.9) [58].
Взаимодействующими один с другим дисковыми ножами от полосы обрезают кромки. Ролик с упругим слоем прижимают к внешнему дисковому ножу. Между упругим слоем ролика и дисковым ножом размещают обрезаемую кромку. Усилием прижатия упругий слой ролика деформируют, при этом часть упругого слоя опирается на кромку, еще не обрезанную от полосы, а другая часть деформированного упругого слоя ролика воздействует на уже обрезанную кромку, отгибая ее вниз. Отогнутую кромку направляют роликом к кромкокрошительным ножницам или в кромко-моталку.
Усилием прижима изменяют деформацию упругого слоя, и следовательно, направление кромки. С увеличением деформации усилие на обрезанную кромку повышают и отгибают ее более круто вниз. При уменьшении деформации упругого слоя отгибание кромки также уменьшают. Усилие прижатия упругого слоя изменяют узлом прижима или перемещением валов — сближая валы, деформацию увеличивают.
Разработанное устройство обладает свойством саморегулирования, так как при изменении толщины обрезаемой кромки (при смене сортамента полосового металла) при одном и том же положении ролика с упругим слоем давление его деформированной части на обрезанную кромку изменяется. С увеличением толщины полосы - увеличивается и с уменьшением толщины полосы - уменьшается, что обеспечивает одинаковое заданное направление кромок разной толщины.
Согласно разработанному способу кромку от полосы отделяют в две стадии. На первой стадии парами ножей осуществляют криволинейные резы с обоих торцов полосы. Резы осуществляют по синусоиде, причем с противофазой. Заглубления вершин синусоид от края полосы соответствуют величине обрезаемой кромки.
Окончательно отделяют кромку от полосы и измельчают ее парами дисковых ножей по линии, проходящей через вершины заглублений (вершины синусоид).
Был исследован разработанный процесс обрезки кромки полосы на агрегате продольной резки цеха углеродистой ленты ОАО «ММК», оборудованном узлом последовательного размещения пар ножей (контрре-зом). При этом обрезали кромки от полосы из стали марки 65Г размерами 1,0...4,0 х 250...465 мм. Временное сопротивление разрыву металла полос составляло ав = 800... 1200 МПа при относительном удлинении 4 = 2...3 %. В первой паре ножей кромки обрезали по синусоидам с заглублением вершин от края полосы на 2,5 мм на каждой кромке. Затем осуществляли окончательную обрезку кромки по прямой линии, проходящей через вершины заглублений, следующей парой диснавливают с поворотом относительно друг друга для сдвига криволинейных резов противоположных кромок по синусоидам на половину периода (в противофазе).
Для повышения производительности процесса обрезки кромок полос за счет упрощения процесса настройки ножей дисковых ножниц был разработан способ обрезки кромок металлических полос (рис. 3.11) [59].
Кромка обрезается последовательно двумя парами дисковых ножей. Второй парой ножей осуществляется наклонный рез под углом 2... 10 с выходом окончательного реза на плоскость первого надреза полосы. При этом форма края полосы имеет скругленные грани без заусенцев.
Описание технологии производства ленты из прочных марок стали
В результате получения многослойного сварного шва на полосах из малопластичных марок стали стало возможным осуществление безобрывной переработки полосы в ленту как на стадии травления, так и в результате последующей холодной прокатки. Как было отмечено ранее, в зоне сварного соединения из рассматриваемых малопластичных марок стали (в силу особенности получения горячекатаного подката) могут быть состыкованы полосы со значительной разнотолщинностью. Как правило, на АУРе стыкуются полосы, у которых задний конец рулона тоньше, чем передний. В головной части НТА на сварочном комплексе КСО-3201 возникает обратная ситуация с тонким задним и толстым передним концами полос. В результате при задаче в непрерывный пяти-клетевой стан 630 цеха углеродистой ленты ОАО «ММК» создается положение, когда в первую клеть первоначально попадает тонкий участок. Причем, разнотолщинность полос в стыке может достигать 0,3...0,8 мм (традиционно при сварке концов полос из низкоуглеродистых марок стали разнотолщинность составляет 0,1...0,15 мм). В этой ситуации из-за образовавшегося перепада толщин в стыке происходит ударное заполнение очага деформации, которое может привести к поломке валковой арматуры и порыву по шву (рис. 4.1).
Проведенная оценка разнотолщинности четырехполосных руло-новпо диаграммам толщины ленты за пятой клетью стана 630 ОАО «ММК», исследование геометрии и механических свойств сварных соединений концов полос после прокатки и статистические данные прокатываемое стыков полос показали следующее.
В процессе холодной прокатки изменение продольной геометрии шва будет аналогично характеру распределения прочностных характеристик вдоль сварного соединения. Следовательно, из очага деформации может выходить полоса переменной высоты, уровень разнотолщинности которой будет тем выше, чем больше разброс механических характеристик. С учетом имеющейся исходной разнотолщинности может наблюдаться значительное увеличение абсолютной разности толщин состыкованных полос и самого сварного шва, в результате чего возникает значительная неравномерность деформации, которая может привести к обрыву сварного соединения. Поэтому необходимо либо уменьшить уровень начальной разнотолщинности полос в зоне сварного соединения (что затруднительно в силу особенностей получения горячекатаного подката из указанных марок стали), либо обеспечить такую конструкцию сварного шва и режим прокатки, чтобы в момент изменения (рывка) натяжений при прокатке разнотолщинного металла уменьшить неравномерность деформации в районе сварного шва.
Для исключения влияния разнотолщинности стыкуемых полос и собственно шва в ходе исследований после зачистки грата, свариваемые полосы подбирались с минимальной разнотолщинностью. При этом обрезали концы до выхода на номинальную толщину, на эту же толщину настраивали гратосниматель. Таким образом, возмущения в процессе прокатки вносили только различия структуры и свойств металла полос и шва.
Анализ диаграмм разнотолщинности готовой холоднокатаной ленты различных групп марок сталей показал, что отклонение от номинала основных полос рулонов (без учета зоны шва) не имеет большого различия и находится в одном поле допусков. Диаграммы толщины стыков имеют существенную разницу. Причем всплески толщин швов низкоуглеродистых сталей превосходят поле допусков полосы в 2...3,5 раза, среднеуглеродистых в 3...4 раза, а стали с повышенным содержанием углерода, соответственно, в 3,5...5,5 раз (рис. 4.2).
Анализ сопоставленных диаграмм разнотолщинности, распределения механических свойств по зонам шва подтверждает вывод о том, что различные пластические свойства металла шва и основного металла приводят к различным условиям деформации при прокатке. При этом прокатываемость швов зависит в большей степени от разности механических свойств металла шва и основного металла.
Так как в случае прокатки полос с разработанным многослойным сварным швом в очаге деформации одновременно деформируются слои с разными свойствами, то имеет место резко выраженная неравномерность деформации, приводящая к возникновению дополнительных напряжений, изменяющих общее напряженное состояние, в результате чего может произойти обрыв в зоне стыка. В связи с этим была поставлена задача оценить максимально возможный уровень разнотолщинности в зоне стыка для безобрывной прокатки, и при этом определить соотношение мягкой и твердой компонентов сварного соединения (наружные и внутренний слои шва) для исключения ударного заполнения очага деформации.
В момент касания толстой полосы с поверхностью валков в результате удара может произойти обрыв в сечении контакта тонкой и толстой полос. Так как прокатке подвергается многослойный шов, то изменение усилия прокатки во времени будет иметь более сглаженный вид (рис. 4.3). Таким образом, возможность безобрывной прокатки определится уровнем прочности сварного соединения тонкой и толстой полос, а также величиной разнотолщинности в зоне стыка. В этом случае целесообразно рассмотреть прохождение такого сварного шва с учетом теории совместной пластической деформации разных металлов (СПДРМ), разработанной Г.Э. Аркулисом [60, 61].
Теоретическому исследованию очага деформации при совместной прокатке разнородных металлов посвящено достаточно много работ [62-65]. В то же время отсутствует анализ процесса деформирования многослойного сварного соединения при прокатке.
