Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса диссертационного исследования 11
1.1 Анализ влияния технологических факторов на величину потерь при производстве заготовок из слитков 11
1.1.1 Влияние металлургических факторов на качество поверхности заготовок 13
1.1.2 Влияние температурно-временных условий нагрева и прокатки слитков на качество поверхности заготовок 18
1.1.3 Влияние режимов обжатий слитков на блюминге на качество поверхности заготовок 24
1.1.4 Влияние технологических факторов на величину торцевой утяжки 26
1.2 Режимы нагрева слитков с «жидкой» сердцевиной 31
1.3 Выводы и постановка задачи исследования 38
2 Методика исследования 40
2.1 Выбор объекта исследования 40
2.2 Методика статистического исследования влияния технологических факторов на качество поверхности заготовок 41
2.3 Методика исследования влияния геометрических факторов при реверсивной прокатке на формоизменение торцевой утяжки раскатов 47
2.4 Выводы
3 Исследование влияния технологических факторов на качество поверхности заготовок 49
3.1 Исследование влияния металлургических факторов на качество поверхности заготовок 50
3.1.1 Исследование влияния дискретных факторов 50
3.1.2 Исследование влияния непрерывных факторов 52
3.2 Исследование влияния температурно-временных условий нагрева и прокатки слитков на качество поверхности заготовок 67
3.3 Выводы 77
4 Разработка технологии нагрева слитков с «жидкой» сердцевиной для качественных кипящих марок сталей 78
4.1 Выбор продолжительности нагрева слитков 78
4.2 Исследование влияния технологии нагрева слитков на качество поверхности заготовок 85
4.3 Исследование влияния технологии нагрева слитков на макроструктуру заготовок 86
4.4 Исследование влияния технологии нагрева слитков на ликвацию химических элементов по высоте слитка 94
4.5 Исследование влияния технологии нагрева слитков на механические свойства проката 100
4.6 Оценка расхода энергоносителей при нагреве слитков по различным технологиям 101
4.7 Выводы 102
5 Исследование влияния геометрических факторов при прокатке на величину торцевой утяжки блюмов, слябов 104
5.1 Лабораторные исследования 104
5.1.1 Влияние формы очага деформации и положения полосы при прокатке на величину торцевой утяжки слитка уширенного книзу 104
5.1.1.1 Закономерности изменения величины и формы торцевой утяжки донной части раската при односторонней прокатке слитков головной частью вперёд 107
5.1.1.2 Закономерности изменения величины и формы торцевой утяжки донной части раската при односторонней прокатке слитков головной частью вперёд 116
5.1.1.3 Закономерности изменения величины и формы торцевой утяжки донной части раската при реверсивной прокатке слитков 119
в раскате в зависимости от формы очага деформации 122
5.1.3 Построение математической модели развития торцевой утяжки 125
5.2 Экспериментальные исследования 130
5.3 Выводы 141
Основные выводы 143
Список использованных источников
- Влияние металлургических факторов на качество поверхности заготовок
- Методика исследования влияния геометрических факторов при реверсивной прокатке на формоизменение торцевой утяжки раскатов
- Исследование влияния температурно-временных условий нагрева и прокатки слитков на качество поверхности заготовок
- Исследование влияния технологии нагрева слитков на механические свойства проката
Введение к работе
В настоящее время во всём мире существует тенденция к увеличению доли непрерывнолитои стали и соответственно к снижению доли слитков, разлитых в изложницы. Однако, при существующем уровне технологии, получение проката с требуемыми свойствами для некоторых качественных марок стали возможно только при производстве из слитков, разлитых в изложницы. Характерной особенностью производства проката из слитков является более низкое качество поверхности и повышенная величина отходов за счёт технологической обрези на ножницах после блюминга по сравнению с прокатом, произведённым из непрерывнолитых заготовок.
Исследованиям, направленным на улучшение качества проката и снижению отходов при их производстве, уделяется достаточно пристальное внимание. В последнее время проведены исследования на комбинате «Криворожсталь» (Украина), на Электрометаллургическом заводе «Днепроспецсталь» (Украина). Ранее, исследования влияния технологических факторов на качество поверхности проката проводились на Нижнетагильском металлургическом комбинате под руководством В.А. Паршина, на Челябинском металлургическом комбинате (Л.И. Шлейнинг и др.). Снижению технологической обрези после прокатки на блюминге посвящены работы В.В. Гетманца, В.Я. Шевчука и др.
7 Данная работа направлена на улучшение качества поверхности заготовок
качественных конструкционных кипящих сталей по ГОСТ 10702-78 и
снижению отходов при их производстве в условиях ОАО «ЗСМК».
Актуальность работы. Прокат конструкционных кипящих сталей по ГОСТ 10702-78 марок Юкп, 15кп, 20кп на ОАО «ЗСМК» на сегодняшний день является одним из наиболее рентабельных видов продукции. Проблема улучшения качества проката является особенно актуальной в современных условиях в связи с возрастающими требованиями к качеству продукции и угрозой потери рынка при несоблюдении условий заказчика. Наряду с проблемой улучшения качества проката не менее остро стоит проблема снижения потерь при производстве данного вида продукции, поскольку повышенные требования к качеству продукции обуславливают и повышенные потери. Таким образом, исследования, направленные на улучшение качества заготовок из конструкционных кипящих сталей по ГОСТ 10702-78 и снижения потерь при его производстве, являются на сегодняшний день актуальными.
Цель работы: Теоретическое обоснование для разработки мероприятий по улучшению качества заготовок конструкционных кипящих марок сталей по ГОСТ 10702-78 и снижения потерь при их производстве.
Основные задачи:
1) Исследование зависимостей качества поверхности заготовок от условий выплавки и разливки стали, нагрева и прокатки слитков;
2) Проведение экспериментального исследования влияния технологии
нагрева уширенных книзу слитков кипящей стали с «жидкой» сердцевиной на макроструктуру заготовок, ликвацию химических элементов по высоте слитка, механические свойства проката;
3) Разработка математической модели формирования и развития торцевой
утяжки в зависимости от геометрических факторов при реверсивной прокатке.
Научная новизна:
Определены зависимости качества поверхности заготовок конструкционных кипящих марок сталей от технологических факторов сталеплавильного и прокатного переделов. Разработана математическая модель формирования и развития торцевой утяжки донной части уширенного книзу слитка в зависимости от геометрических факторов при реверсивной прокатке.
Практическая значимость:
1)Разработана технология использования слитков конструкционных кипящих сталей с «жидкой» сердцевиной для производства заготовок по ГОСТ 10702-78.
2) Для оптимизации режимов обжатий слитков с точки зрения уменьшения величины технологической обрези разработана математическая модель образования и развития торцевой утяжки донной части уширенного книзу слитка при реверсивной прокатке.
9 Реализация результатов:
На основе выполненных исследований внедрена технология использования слитков конструкционных кипящих сталей с «жидкой» сердцевиной для производства заготовок по ГОСТ 10702-78.
Внедрение технологии позволило: увеличить выход годной заготовки на 4 % за счёт снижения отсортировки по дефектам поверхности (рванинам), уменьшить расход топлива на нагрев слитков на 6 кг у.т./т. Экономический эффект от внедрения результатов работы в ценах 2003 г. года составил 219,3 тыс. руб.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
1) Результаты исследования влияния технологических факторов
сталеплавильного и прокатного переделов на качество поверхности заготовок
углеродистых конструкционных кипящих сталей по ГОСТ 10702-78.
Результаты исследования влияния технологии нагрева слитков с «жидкой» сердцевиной на макроструктуру заготовок, ликвацию химических элементов по высоте слитка, механические свойства проката.
Результаты исследования механизма образования и развития торцевой утяжки в зависимости от геометрических факторов при реверсивной прокатке.
Автору принадлежит: постановка задачи исследований; анализ влияния технологических факторов на качество поверхности заготовок; проведение лабораторных экспериментов для изучения механизма образования и развития
10 торцевой утяжки в зависимости от геометрических факторов при реверсивной
прокатке; участие в опытно-промышленных исследованиях влияния технологии
нагрева слитков на макроструктуру заготовок, ликвацию химических элементов
по высоте слитка, механические свойства проката; обобщение и научное
обоснование полученных результатов, формулировка выводов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк 2003 г.); 4-й совместной научно-технической конференции молодых специалистов УК «Евразхолдинг (г. Новокузнецк, 2005 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 5 печатных работах, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, приложения. Изложена на 159 страницах, содержит 35 рисунков, 30 таблиц, список использованных источников из 84 наименований.
Влияние металлургических факторов на качество поверхности заготовок
Содержание и соотношение химических элементов в стали определяет механические свойства проката, в том числе пластичность. Пластичность в свою очередь оказывает значимое влияние на устойчивость металла к образованию поверхностных дефектов (рванин, трещин) при прокатке.
На пластичность углеродистых сталей оказывает влияние содержание углерода - основного элемента стали, а также содержание постоянных примесей (марганец, кремний, фосфор, сера, азот, водород, кислород) и примесей цветных металлов (медь, цинк и др.).
Наибольшее влияние в производственных условиях на качество поверхности проката углеродистой стали различных марок оказывает содержание следующих химических элементов: углерод, марганец, сера, фосфор [3+16].
С увеличением содержания углерода пластичность стали уменьшается, при этом наибольшее снижение пластичности наблюдается для низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,3%). Сера повышает склонность стали к горячему трещинообразованию, так как образующиеся при затвердевании металла сульфиды железа располагаются преимущественно по границам зёрен, ослабляя связь между ними. Влияние марганца на качество поверхности проката обусловлено его способностью нейтрализовать отрицательное влияние серы, так как марганец связывает серу в тугоплавкие сульфиды. Фосфор повышает температуру перехода из вязкого в хрупкое состояние, вызывает «синеломкость» стали.
Статистическими исследованиями, проведёнными на Нижнетагильском металлургическом комбинате группой авторов под руководством В.А. Паршина, установлено значимое влияние содержания углерода, серы и фосфора на пластичность и трещиноустойчивость стали марки Ст.20 [3]. Полученное уравнение регрессии свидетельствует, что увеличение содержание вышеперечисленных элементов в готовой стали отрицательно влияет на качество поверхности проката. При этом практические наблюдения, приведённые в этой же работе, свидетельствуют о неоднозначном влиянии содержания углерода и серы на трещиночувствительность стали Ст.20 в производственных условиях. По мнению авторов, это свидетельствует о большой роли неучтённых параметров, смягчающих или усиливающих действие углерода и серы.
По результатам исследований влияния технологических факторов на качество поверхности проката, проведённых на Украине (комбинат «Криворожсталь») А.В. Кекухом, В.К. Спиняковым, И.Е. Полуновским и др. [4], выявлено наиболее существенное влияние содержания углерода и отношения марганца к сере в готовой стали (рисунок 2).
Следует отметить, что рекомендуемые различными авторами предельные значения, как содержания серы в готовой стали, так и отношения Mn/S отличаются довольно значительно. Так в работе [5] М.И. Колосов, А.И. Строганов, Ю.Д. Смирнов, Б.П. Охримович утверждают, что сера повышает склонность стали к горячим трещинам при её содержании более 0,025%-0,030%.
По данной формуле при температуре прокатки 1130С и содержании фосфора 0,020% для получения минимальной доли хрупкого излома необходимо содержание серы поддерживать в пределах не более 0,013%; при той же температуре прокатки и содержании фосфора - 0,015% оптимальное значение содержания серы составляет 0,021% и ниже.
Согласно рекомендациям М.И. Колосова и др. отношение марганца к сере должно быть не менее 15-И7 [6], по данным R.A. Mosser наилучшие результаты для низкоуглеродистой стали получены при Mn/S=30/1 [8].
По вопросу влияния температуры разливки слитков противоположные результаты получены на Западно-Сибирском и Магнитогорском металлургическом комбинатах. В ходе проведения научно-исследовательской работы под руководством М.Е. Фрейдензона на Западно-Сибирском металлургическом комбинате установлено, что разливка металла с температурой на нижнем пределе оказывает благоприятное с точки зрения уменьшения дефектообразования влияние: проведение разливки при такой температуре, чтобы после разливке в ковше была скрапина, по сравнению с разливкой в чистом ковше, позволяет улучшить качество поверхности блюмов [9]. И.Я. Тарновский, В.Е. Пальмов, В.А. Тягунов и др. напротив констатируют, что на Магнитогорском металлургическом комбинате с понижением температуры разливки, качество поверхности слябов ухудшается [10]. Таким образом, в настоящее время отсутствует единое мнение о качественном и количественном влиянии металлургических факторов на качество поверхности заготовок, в частности химического состава стали, температуры разливки и др. Это в свою очередь говорит об актуальности проведения дальнейших исследований по данному вопросу.
По мнению большинства исследователей среди параметров, характеризующих нагрев слитков, на качество поверхности проката наиболее существенное влияние оказывают: задержка в выдаче слитков относительно графика («пересиживание») - [3, 4], температура посада слитков в нагревательные колодцы [3, 7,17,18].
При этом относительно влияния «пересиживания» на Нижнетагильском металлургическом комбинате [3] и комбинате «Криворожсталь» [4] получены противоположные результаты. По данным В.А. Паршина, Е.Г. Зудова, В.Л.
Колмогорова на Нижнетагильском металлургическом комбинате задержка в выдаче слитков относительно графика оказывает резко отрицательное воздействие на качество поверхности проката: при увеличении длительности нагрева слитков сверх норматива на 1+3 ч число угловых рванин на слябах кипящей и полуспокойной стали возрастает в 4+6 раз [3]. При этом А.В. Кекух, В.К. Спиняков, И.Е. Полуновский установили, что на комбинате «Криворожсталь» (Украина) вьщача слитков в прокатку позже графика может оказать, как положительное, так и отрицательное влияние в зависимости от марки стали, массы слитка и других факторов (таблица 1). В частности положительное влияние «пересиживания» отмечено при нагреве слитков рядовой полу спокойной марки Зпс [4].
Методика исследования влияния геометрических факторов при реверсивной прокатке на формоизменение торцевой утяжки раскатов
Для исследования закономерностей изменения величины и формы торцевой утяжки в процессе прокатки необходимо исследовать течение металла в различных слоях раската.
Наиболее простым и эффективным способом исследования закономерностей течения металла на сегодняшний день является метод координатной сетки. Такой способ достаточно эффективен, как при лабораторных [77, 78], так и при промышленных исследованиях [26, 79, 80]. Сущность данного метода заключается в нанесении координатной сетки со строго определёнными размерами ячейки на слиток или заготовку перед прокаткой. В этом случае по изменению размеров ячеек после окончания прокатки можно судить о закономерностях течения металла различных зон раската.
В качестве объекта исследования выбрали уширенные книзу лабораторные свинцовые слитки размерами: нижнее сечение - 55x62 мм, верхнее сечение - 49x55 мм, высота - 163 мм. Размеры свинцовых слитков в масштабе 1:15 моделируют промышленные слитки массой 11,5 т, прокатываемые на блюминге «1250» ОАО «ЗСМК». Прокатка лабораторных слитков производилась на стане «80», размеры калибров и катающие диаметры которого в масштабе 1:15 моделируют размеры блюминга «1250» ОАО «ЗСМК». Таким образом, соблюдалось условие геометрического подобия. Для исследования коэффициентов вытяжки по длине раската на поверхность образцов наносили координатную сетку с шагом 10 мм и с шагом 2 мм (рисунок 4). По изменению размеров ячеек координатной сетки рассчитывали коэффициенты вытяжек участков по длине и ширине раската.
Для исследования вытяжек осевых слоев раската образцы перед прокаткой разрезались на равные доли в продольном направлении, на которые также наносилась координатная сетка. Полученные части разрезанных образцов спаивались при помощи сплава Вуда. После прокатки образцы рассоединялись и фиксировалось изменение размеров ячеек.
1) В качестве объекта исследования выбрали технологию производства заготовок стали 20кп, что обусловлено следующим: - наиболее массовым производством данной марки стали по сравнению с другими конструкционными кипящими марками стали; - повышенной отсортировкой по дефектам поверхности относительно других марок стали; - наличием резерва для снижения величины обрези с донной части раската за счёт уменьшения торцевой утяжки.
2) Для статистического исследования влияния технологических факторов на качество поверхности заготовок выбрали методику, позволяющую минимизировать величину ошибки и заключающуюся в следующем: - На первом этапе с помощью дисперсионного анализа определяется значимость влияния дискретных факторов; - На втором этапе производится анализ влияния непрерывных факторов с помощью множественного регрессионного анализа. При этом в случае выявления значимого влияния дискретного фактора в дальнейшем формирование выборок плавок для исследования влияния непрерывных факторов производится отдельно для каждого значения дискретного фактора.
3) Для исследования закономерностей течения металла при прокатке в лабораторных условиях воспользовались методом координатной сетки. Данный метод является на сегодняшний день наиболее простым и эффективным способом исследования закономерностей течения металла и достаточно эффективен, как при лабораторных, так и при промышленных исследованиях. Сущность данного метода заключается в нанесении координатной сетки со строго определёнными размерами ячейки на слиток или заготовку перед прокаткой. В этом случае по изменению размеров ячеек после окончания прокатки можно судить о закономерностях течения металла различных зон раската.
Исследование влияния температурно-временных условий нагрева и прокатки слитков на качество поверхности заготовок
Объектом исследования явились 125 плавок стали 20кп, из которых слитки 65 плавок нагревались по традиционной технологии, а слитки 60 плавок - по технологии с незатвердевшей сердцевиной. Время нагрева слитков по традиционной технологии изменялось в пределах 340+500 мин. и в среднем составило 400 мин., время нагрева слитков по технологии с повышенным теплосодержанием изменялось в пределах 150+250 мин и в среднем составило 190 мин.
Проверку значимости технологии нагрева слитков провели с использованием дисперсионного анализа. Расчётное значение критерия Фишера составило FPAC4 = 7,25 при критическом значении 3,92. Таким образом, установлено, что технология нагрева слитков оказывает значимое влияние на качество поверхности заготовок. При нагреве слитков по технологии с «жидкой» сердцевиной отсортировка заготовок по поверхностным ниже, чем при нагреве по традиционной технологии для слитков горячего посада в среднем на 5абс.%. Это вызвано меньшим угаром поверхностных слоев в результате чего снижается риск вскрытия близко расположенных к поверхности газовых пузырей, которые при прокатке могут привести к возникновению рванин. Удельный угар металла, рассчитанный по уравнению В.И. Губинского [78], приведённому в гл. 3.2 составил: для среднего времени нагрева по традиционной технологии (400 мин.) - 21 кг/м , для среднего времени нагрева по технологии для слитков с «жидкой» сердцевиной (190 мин) - 9 кг/м .
Таким образом, по рассматриваемой выборке плавок нагрев слитков по технологии с «жидкой» сердцевиной позволил снизить угар металла в 2,3 раза, что привело к снижению отсортировки заготовок по дефектам поверхности на 5% (абс.) или 25% (отн.).
Исследование влияния технологии нагрева слитков на макроструктуру заготовок
Как было показано в главе №1, ряд авторов [21, 42] полагают, что применение технологии нагрева слитков с «жидкой» сердцевиной может ухудшить макроструктуру проката, привести к браку по расслою и усадочным дефектам.
Для исследования влияния технологии нагрева слитков на макроструктуру заготовок проведён промышленный эксперимент в обжимном цехе ОАО «ЗСМК». Чётные слитки плавки №431271 сталь 20кп нагревалась по традиционной технологии для слитков горячего посада, нечётные слитки этой же плавки - по графику с «жидкой» сердцевиной. Для исключения влияния условий разливки и влияния теплотехнического состояния ячейки нагревательных колодцев для анализа взяли слитки второй половины плавки (№20,21), которые нагревались в одной ячейке.
От головной части всех заготовок, полученных из слитков №20 (нагрев по традиционной технологии для слитков горячего посада) и №21 (нагрев по технологии с повышенным теплосодержанием), были отобраны пробы. Сравнительная оценка макроструктуры заготовок от слитков, нагретых по различным технологиям, существенных отличий не выявила. Макроструктура заготовок представлена на рисунках 15-17, описание макроструктуры - в таблице 14.
Согласно требованиям ГОСТ 10702 макроструктура углеродистой стали не должна иметь подусадочной раковины и рыхлости, пузырей, расслоений, трещин, шлаковых включений и флокенов, видимых без применения увеличительных приборов. Кроме того, в макроструктуре кипящей стали не допускается ликвационный квадрат, выходящий на поверхность. Брак по несоответствию макроструктуры заготовок требованиям ГОСТ 10702 на обеих партиях металла отсутствовал.
Исследование влияния технологии нагрева слитков на механические свойства проката
Выбор режимов обжатий осуществляли с таким расчётом, чтобы охватить возможно больший интервал изменения формы очага деформации (Ьд/Нср) и при этом исследовать влияние направления прокатки. Режимы обжатий представлены в таблицах 16,17.
Область изменения параметра ЬЦ/НСР составила: при прокатке в пластовых проходах - 0,20-4,04, при прокатке в ребровых проходах - 0,14- 0,50. Всего прокатано 3 серии по 15 слитков в каждой: 1 серия на слябы и 1 серия на блюмы. В каждой серии 5 слитков подвергали односторонней прокатке с задачей слитка в валки головной частью вперёд, 5 слитков - односторонней прокатке с задачей в валки донной частью вперёд, 5 слитков - реверсивной прокатке.
Сравнительному анализу подвергали вогнутость торца донной части раската.
Исследовали влияние формы очага деформации и положения полосы при прокатке на величину торцевой утяжки донной части раската при прокатке головной частью вперёд.
По полученным данным в зависимости от характера формоизменения торцевой утяжки прокатку можно условно разделить на три периода.
В первом периоде, характерном для пластовых проходов при Ьд/Нср=0,2(Н0,45 происходит образование и интенсивное развитие вогнутости торцов (рисунок 21). Увеличение размеров торцевой утяжки в этот период происходит интенсивнее, чем общая вытяжка полосы (таблицы 18, 19), что вызвано большей вытяжкой поверхностных слоев раската по отношению к осевому слою.
Меньшая вытяжка осевого слоя раската по отношению к приконтактным слоям вызвана неполным проникновением пластической деформации вглубь слитка.
Характер распределения зон интенсивной деформации в очаге деформации при этом примет вид, представленный на рисунке 22. То есть в осевой части раската существуют зоны (зоны 2 на рисунке 22), в которые активные пластические деформации от действия валков не проникают и в которых имеют место только упругие деформации. Во втором периоде, характерном для пластовых проходов при Ьд/Нср 0,45 закономерность изменения величины торцевой утяжки изменяется. В этом случае торцевая утяжка растёт медленнее общей вытяжки полосы.
Следует отметить, что отставание роста торца утяжки от общей вытяжки полосы незначительно, поэтому изменение формы и размеров торцевой утяжки происходит в основном за счёт общей вытяжки полосы (таблицы 18, 19). В этом периоде прокатки деформация уже полностью проникает на всю толщину раската, что вызывает большую вытяжку осевого слоя по отношению к поверхностным слоям,
В третьем периоде, характерном для прокатки в ребровых проходах при Ьд/Нср=0,14- -0,50 характер продольной деформации аналогичен первому периоду. При этом, поскольку в отличие от первого периода на исходной заготовке уже наличествует торец отличной от прямоугольной формы, то форма торцевой утяжки после прокатки в калибре (рисунок 23) отличается от формы торцевой утяжки после прокатки на гладкой бочке, В этот период существенного изменения величины торцевой утяжки не происходит (таблицы 112 18, 19), так как образующаяся выпуклость центральной части поверхностного слоя незначительна и компенсируется увеличением исходной вогнутости за счёт общей вытяжки полосы.
Таким образом, утверждение авторов работы [55] (см. раздел 1.3) о значительной компенсации величины торцевой утяжки в ребровых проходах не подтвердилось. Не подтвердилось также и утверждение авторов работы [29] (см. раздел 1.3) о том, что при значении фактора Ьд/НСр 0,3 вытяжка полосы в целом отсутствует и весь объём металла идёт на местное уширение в приконтактных слоях.
Так как при прокатке в ребровых проходах (третий период прокатки) изменения величины торцевой утяжки практически не происходит, то построили график зависимости торцевой утяжки от формы очага деформации для первых двух периодов (прокатка в пластовых проходах) - рисунок 24. За