Традиционные и современные технологии получения проката. Современные технологии производства проката и формирование структуры и свойств. Машины для правки профилей и рельсов

" onclick="window.open(this.href," win2 return false >Печать
E-mail

Подробности Категория: Сортовой прокат

Сортовой прокат

В машиностроении, строительстве, на транспорте широко применяется металлический прокат : листы, полосы, ленты, рельсы, балки и т. д. Его получают в результате обжатия слитка металла в горячем или холодном состоянии между вращающимися валками прокатного стана. Таким образом обрабатывают сталь, цветные металлы и их сплавы.

Профиль проката (форма его поперечного сечения ) зависит от формы валков. На рисунках показаны основные профили продукции прокатного производства, называемой сортовым прокатом.

Различают следующие профили сортового проката : простые (круг, квадрат, шестиугольник, полоса, лист ); фасонные (рельс, балка, швеллер, тавр и др.); специальные (колеса, арматурная сталь и др.).

Чаще всего сортовой прокат используется в качестве заготовок для различных деталей. Например, из шестигранного прутка делают болты, гайки. Из круглого проката вытачивают цилиндрические детали на токарных станках. Уголковый прокат применяется в производстве рам, каркасов, стеллажей и т. д.

Прокаткой можно придать заготовке форму готовой детали, тем самым избежать дополнительной обработки и, следовательно, уменьшить отходы металла, сэкономить время.

Ниже представлены несколько образцов распространённых видов проката: труба, арматура, балка, швеллер, лист, уголок, полоса и т.д.

Сортовой прокат - один из видов полуфабрикатов . Так называют продукт труда, предназначенный для дальнейшей обработки и получения готовых изделий.
С некоторыми видами полуфабрикатов вы уже знакомы - это пиломатериалы, фанера, проволока.
Листовой прокат подразделяется на тонколистовой (до 4 мм) и толстолистовой (свыше 4 мм

Виды и свойства стали

Сталь - это сплав железа с углеродом (до 2%) и другими химическими элементами. Она широко применяется в машиностроении, на транспорте, в строительстве, быту.
В зависимости от состава различают углеродистую и легированную сталь. В углеродистой стали содержится 0,4...2% углерода. Углерод придает стали твердость, но увеличивает хрупкость, снижает пластичность. При добавлении в сталь во время плавки других элементов: хрома, никеля, ванадия и др. - изменяются ее свойства. Одни элементы повышают твердость, прочность, другие - упругость, третьи придают антикоррозийность, жаропрочность и др. Стали, в которых есть эти элементы, называются легированными. В марках легированной стали добавки обозначают буквами: Н - никель , В - вольфрам , Г - марганец , Д - медь , К - кобальт , Т - титан .

По назначению различают конструкционную, инструментальную и специальные стали.
Конструкционная углеродистая сталь бывает обыкновенного качества и качественная. Первая - пластичная, но обладает невысокой прочностью. Применяется для изготовления заклепок, шайб, болтов, гаек, мягкой проволоки, гвоздей. Вторая отличается повышенной прочностью. Из нее изготавливают валы, шкивы, ходовые винты, зубчатые колеса.
Сталь инструментальная обладает большей твердостью, прочностью, чем конструкционная, и применяется для изготовления зубил, молотков, резьбонарезных инструментов, сверл, резцов.
Специальные стали - это стали с особыми свойствами: жаропрочные, износостойкие, нержавеющие и др.
Все виды сталей маркируются определенным образом. Так, конструкционная сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст . и порядковым номером от 0 до 7 (Ст. О , Ст. 1 и т. д.- чем выше номер стали, тем выше содержание углерода и предел прочности), качественная - двумя цифрами 05 , 08 , 10 и т. д., показывающими содержание углерода в сотых долях процента. По справочнику можно определить химический состав стали и ее свойства.
Свойства стали можно изменять с помощью теплового воздействия - термической обработки (термообработки). Она заключается в нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем быстром или медленном охлаждении. Диапазон температур может быть широким в зависимости от вида термообработки и содержания углерода в стали.
Основные виды термообработки - закалка, отпуск, отжиг, нормализация .
Для повышения твердости стали применяют закалку - нагревание металла до определенной температуры (например, до 800 °С) и быстрое охлаждение в воде, масле или других жидкостях.
При значительном нагревании и быстром охлаждении сталь становится твердой и хрупкой. Хрупкость после закалки можно уменьшить с помощью отпуска - остывшую закаленную стальную деталь вновь нагревают до определенной температуры (например, 200...300°С), а затем охлаждают на воздухе.
У некоторых инструментов закаливают только их рабочую часть. При этом повышается долговечность всего инструмента.
При отжиге заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и медленно (в этом главное отличие от закалки) охлаждают . Отожженная сталь становится мягче и поэтому лучше обрабатывается.
Нормализация - разновидность отжига, только охлаждение происходит на воздухе . Этот вид термообработки способствует повышению прочности стали.

Термическую обработку стали на промышленных предприятиях выполняют рабочие-термисты . Термист должен хорошо знать внутреннее строение металлов, их физические, технологические свойства, режимы термообработки, умело пользоваться термическими печами, строго соблюдать правила безопасности труда.

Важнейшие механические свойства стали - твердость и прочность . На твердость сталь испытывают при помощи специальных приборов-твердомеров . Метод измерения основан на вдавливании в образец более твердого материала: шарика из твердой стали, алмазного конуса или алмазной пирамиды.

Значение твердости НВ определяют делением нагрузки на площадь поверхности отпечатка, оставляемого в металле (метод Бринелля ) (рис. справа, а ),

или по глубине погружения в металл алмазного острия, стального шарика (метод Роквелла ) (рис. 6 ).

Прочность стали определяют на разрывных машинах испытанием образцов специальной формы, растягивая их в продольном направлении вплоть до разрыва (рис. слева). Определяя прочность, делят наибольшую нагрузку, которая предшествовала разрыву образца, на площадь его первоначального поперечного сечения.

В сочетании со свободной прокаткой (по свободным размерам) это позволило повысить гибкость производственного процесса. Внедрение непрерывного литья балочных заготовок с размерами, близкими к размерам готового профиля, внесло заметные изменения в процесс производства крупносортного проката. Число проходов при прокатке уменьшилось, прокатные станы снизили свои габариты, процесс прокатки упростился, его экономические показатели улучшились, а энергопотребление сократилось. Кроме того, при прокатке рельсов и балок такие мероприятия, как контроль температурного режима и охлаждение профилей, а при прокатке рельсов также и возможность их упрочнения в линии стана, привели к повышению качества продукции.

Комбинированные мелкосортно-проволочные прокатные станы

На протяжении последних 25 лет максимальная скорость проката на выходе из станов для прокатки катанки возросла с 80 м/с до 120 м/с в результате совершенствования технологии, стимулированного требованиями увеличения производительности. Важнейшим шагом на этом пути, сопровождаемым повышением призводственной гибкости и размерной точности проката, стало внедрение процесса термомеханической прокатки.

Кроме того, масса бунтов катанки увеличилась до 2 т и более. Еще одним направлением совершенствования процесса прокатки катанки было расширение использования непрерывнолитых заготовок. Так как, исходя из металлургических соображений, желательно использовать заготовки максимального поперечного сечения, то даже при минимальной скорости на входе прокатного стана в этом случае требуется повысить скорость на выходе.

Совершенствование процесса за последние 25 лет позволило проводить охлаждение отдельных ниток проката в линии стана и реализовать термомеханическую прокатку катанки, а в результате получать продукцию, более ориентированную на требования заказчиков, т. е. достигать и контролировать требуемые механические свойства продукции уже на стадии горячей прокатки.

Тенденции современного рынка, особенно, рынка высококачественных сталей, проявляются в уменьшении спектра размеров готовой продукции в сортаменте стана и в большем разнообразии марок стали. Для соответствия этим тенденциям необходимо применять различные стратегии прокатки. Производительность прокатного стана в значительной степени зависит от продолжительности процесса переналадки, обусловленного переходом на прокатку другого готового размера или при изменении марки прокатываемой стали.

Мультилинейная технология прокатки. Данная технология, применяемая с целью повышения производительности и производственной гибкости станов для прокатки высококачественной катанки, позволяет использовать стандартизованную калибровку валков, вплоть до чистовых блоков (рис. 1). Это исключает простои обжимных клетей, клетей промежуточной группы и чистовых блоков мелкосортнопроволочного стана, наблюдаемые в традиционных цехах при переналадке стана, связанной с переходом на прокатку другого размера.

Рис. 1. Мультилинейная технология прокатки с использованием петлевого устройства: варианты прокатки на мелкосортно-проволочном стане фирмы Acominas, Бразилия

Основой концепции является комбинация из петлевого устройства, восьмиклетевой блочной группы и блока FRS (FlexibleReducingandSizing) с четырьмя клетями и устройством для быстрой перевалки (рис. 2).

Рис. 2. Блок FRS

Устройство для быстрой перевалки блока FRS позволяет выполнить переход на прокатку другого размера за 5 мин. Так как после перевалки для настройки требуется минимальное время, можно составить гибкую программу прокатки продукции разных размеров из различных марок стали.

Новая концепция прокатного стана обеспечивает также возможность перехода от традиционной прокатки к термомеханической путем простого нажатия кнопки на пульте управления. Выбор маршрута прокатки и направление прокатываемого металла по маршруту, оборудованному выдвижными устройствами для охлаждения и выравнивания температуры (см. рис. 1), позволяет перейти на другой размер проката или другую марку стали в соответствии с принятой стратегией прокатки без вмешательства операторов и без какой-либо настройки оборудования вручную. Эта концепция предполагает также значительное сокращение простоев оборудования .

Общую концепцию дополняет технологическая система контролируемого охлаждения ССТ (Controlled Cooling Technology), которая позволяет моделировать температурные условия прокатки, формирование микроструктуры и требуемые механические свойства. Только после завершения моделирования начинают реальный процесс прокатки с регулированием его параметров в линии стана и автоматическим регулированием режима охлаждения в секциях холодильников .

Для выполнения требований, связанных с ужесточением допусков на размеры горячекатаных профилей и катанки, отказались от трех- и четырехниточной прокатки и вернулись к прокатным станам максимум с двумя нитками, которые разделяются на чистовые однониточные линии как можно раньше по ходу процесса.

В последние несколько лет отмечено также более широкое использование прецизионных систем прокатки с целью получения еще более жестких допусков на размеры сортового проката и катанки.

Гидравлические системы регулирования размеров поперечного сечения проката. На сортовых станах применяют гидравлические системы регулирования размеров, например систему автоматизированного контроля ASC (Automatic Size Control), разработанную в дополнение к механическим системам прецизионного контроля размеров. Эти системы (рис. 3) используют только две клети в станах с чередующимися вертикальными и горизонтальными клетями и позволяют прокатывать весь сортамент продукции (круглые, плоские, квадратные, шестигранные и угловые профили) с допусками, соответствующими 1/4 стандарта DIN 1013.

Рис. 3. Прецизионная система ASC регулирования размеров сортового проката

Обе клети снабжены гидравлическими нажимными устройствами и обеспечивают полностью автоматизированный контроль с использованием мониторов. Регулирование распространяется на всю длину прокатываемой продукции. Специальное измерительное устройство, размещенное между клетями, обеспечивает прокатку без натяжения. Для перехода на другой размер достаточно выдвинуть из линии стана только кассеты с валками и проводками и заменить их в течение 5 мин на другие, используя устройство быстрой перевалки. Регулирование зазора между валками полностью автоматизировано. На участке подготовки валков заменяют только бочки валков и проводки.

Технология прокатки в трехвалковых клетях

Данную технологию начали применять в промышленных масштабах при прокатке сортовых профилей в конце 1970-х годов и затем постоянно совершенствовали .

Особенностью этой технологии является сочетание обжимных и калибровочных проходов в одном блоке клетей (в чистовом блоке при прокатке прутков и в черновом блоке при производстве катанки). Этот блок называется RSB (Reducing and Sizing Block). В соответствии с технологией была внедрена прокатка со свободными размерами, что позволило получать широкий сортамент размеров готовой продукции с довольно жесткими допусками, используя единую калибровку валков, только посредством регулирования положения валков. С одной системой чистовых калибров блок RSB дает возможность получать продукцию с размерной точностью, укладывающейся в допуски 1/4 стандарта DIN 1013 (рис. 4) .

Рис. 4. Пятиклетевой блок RSB (370 мм)

Бесконечная прокатка

Бесконечный процесс ECR (Endless Casting Rolling) (рис. 5), объединяет в одной производственной линии процессы непрерывного литья и прокатки благодаря использованию туннельной печи. В результате интеграции термического оборудования в единый производственный комплекс длительность технологического процесса от жидкой стали до готовой продукции не превышает 4 ч. Процесс ECR можно использовать на станах для прокатки заготовок и фасонных профилей, а также на станах для прокатки сорта и катанки. Линия ECR включает машину непрерывного литья, печь с роликовым подом, прокатный стан с черновой, промежуточной и чистовой группами клетей, холодильник, участок термической обработки, оборудование для резки, контроля качества поверхности, упаковки (формирования и обвязки пакетов).

Рис. 5. Бесконечный процесс литья и прокатки длинномерных профилей (ECR)

В печи с роликовым подом происходит выравнивание температуры металла и нагрев его до температуры прокатки. Кроме того, печь выступает в роли буферного оборудования в случае нарушения работы прокатного стана.

Линия прокатки оборудована бесстанинными клетями и гидравлическим устройством для быстрой перевалки, позволяющим полностью автоматизировать эту операцию. Изменение формы или размеров прокатываемой продукции может быть выполнено за несколько минут. Компьютеризованная управляющая система высшего уровня предварительно рассчитывает и задает номинальные параметры процесса прокатки. На выходных сторонах промежуточных и чистовых групп установлены триангуляционные лазерные датчики, которые измеряют форму и размеры проката. Результаты измерений поступают на монитор системы управления работой стана для расчета корректирующих воздействий на параметры процесса. Компьютеризованная управляющая система высшего уровня накапливает архив производственной информации с целью получения продукции гарантированного качества.

На выходе производственной линии располагается оборудование для термической обработки в потоке стана, для горячей и холодной правки, а также для смотки в бунты. Работой всей линии (от литейного агрегата до термообработки и отделки) управляет автоматизированная система.

Первый агрегат ECR для бесконечной прокатки длинномерной продукции из специальных сталей был введен в действие в 2000 г. .

«Ноу-хау» и оборудование, использованные на агрегате бесконечной прокатки, послужили основой создания сортовых станов с высокой производительностью и повышенным выходом годного. На агрегате EBROS (Endless Bar Rolling System – бесконечная прокатка сортовых профилей) нагретые заготовки соединяют стыковой сваркой. После удаления грата со сварного шва «бесконечная» заготовка поступает в клети прокатного стана. Так как рабочий цикл исключает время холостых простоев и появление обрези, то производительность агрегата повышается на 10-15 %, а выход годного возрастает на 2-3 % .

Станы для производства сортового проката

Как и при производстве катанки, на сортовых прокатных станах в настоящее время применяют только непрерывнолитую заготовку. Исходя из соображений размерной точности проката, при прокатке сортовых профилей придерживаются тенденции отказа от многониточных станов. Подавляющее большинство современных сортовых станов спроектированы и работают как однониточные, с чередованием горизонтальных и вертикальных клетей.

Чтобы обеспечить высокую производительность при прокатке арматурных профилей и соблюдение требуемых жестких допусков на размеры сортового проката из высококачественных и коррозионностойких сталей, прокатку этих видов металлопродукции осуществляют в настоящее время раздельно. Как и при производстве катанки, в производство сортового проката за последние 25 лет внедрены технологические прокатки с контролируемой температурой и термомеханическая прокатка. В настоящее время моталки Гаррета могут сматывать в бунты готовые профили диаметром до 70 мм.

Чтобы избежать возникновения «узких мест» в производственном процессе, при производстве профилей как в мерных длинах, так и в бунтах отделочные операции выполняют на непрерывных линиях. Для контроля качества и обеспечения его высокого уровня применяют лазерные датчики и токовихревые дефектоскопы, контролирующие размеры и выявляющие поверхностные дефекты горячекатаного проката .

Крупносортные и рельсобалочные станы

Основной задачей крупносортных станов является экономически эффективное производство высококачественной продукции. При производстве крупносортного проката можно придерживаться одной из двух концепций: первой соответствуют непрерывные станы, второй – реверсивные станы с последовательным расположением клетей и чистовой калибрующей клетью. На непрерывных станах может быть применен процесс ECR.

Технология прокатки на реверсивных станах тандем

Данная технология пригодна для производства средних и крупных сортовых профилей, балок высотой до 1000 мм (с шириной полки до 400 мм), уголков, специальных профилей и рельсов.

Реверсивные прокатные станы тандем включают двухвалковую обжимную клеть, группу из трех последовательно установленных идентичных универсальных/двухвалковых клетей, чистовую универсальную/двухвалковую клети и линию отделки с холодильником, правильной машиной, ножницами, штабелерами и упаковочными машинами.

По сравнению с концепцией без отдельно стоящей чистовой клети такая конфигурация стана обладает следующими преимуществами:

компактное расположение прокатного оборудования – обжимной клети, промежуточной группы клетей тандем и отдельно стоящей чистовой клети;
работающая в непрерывном режиме калибровочная клеть на выходе стана позволяет достигать довольно жестких допусков на размеры проката и значительно снизить износ валков;
уменьшается число прокатных клетей и улучшается использование валков и проводок;
повышается гибкость применяемой калибровки валков благодаря использованию идентичных, взаимозаменяемых универсальных/двухвалковых клетей;
уменьшается номенклатура запасных частей и деталей вследствие идентичной конструкции клетей;
бесстанинные клети с гидравлическими нажимными устройствами, которые могут работать под нагрузкой (SCC – Stand Core Concept); в дополнение к стандартной системе автоматического регулирования размеров профиля можно использовать системы регулирования более высокого уровня с выходом на монитор, связанный с установленным в линии стана триангулометрическим лазерным датчиком для измерения профиля проката;
короткое время переналадки стана при переходе на прокатку другого размера (20 мин).

При прокатке среднесортных профилей (НЕ 100-260, IPE 100-550, уголки 100-200) можно отметить следующие преимущества прокатки на реверсивных станах тандем по сравнению с традиционной прокаткой на стане без отдельно стоящей калибровочной клети:

плановые простои, связанные с перевалкой валков, сокращаются до 40 %;
трудоемкость работ и расходы, связанные с перевалкой валков и заменой вводных и выводных проводок, уменьшаются до 20 %;
расходы на валки снижаются на 40-60 % в зависимости от готового прокатываемого профиля.

Технология прокатки на универсальных станах и ХН-станах

В соответствии с основными тенденциями на мировом рынке крупносортного проката все ббольшим спросом пользуются сортопрокатные цехи с сокращенным технологическим циклом и низкими производственными расходами. Освоение литья балочных заготовок и сочетание литья заготовок, близких по размерам к готовому профилю, с последующей их прокаткой подготовили предпосылки для объединения процессов литья и прокатки в интегрированную линию для производства широкого сортамента крупносортных профилей, включая пользующиеся большим спросом шпунтовые профили .

При прокатке крупносортных профилей использование современных универсальных клетей в составе реверсивного стана тандем (технология прокатки ХН) стало доминирующим решением (рис. 6). При прокатке в каждом проходе используют все три клети, причем первая универсальная клеть имеет калибровку по схеме Х, а вторая универсальная клеть, выступающая в роли чистовой клети, – калибровку по схеме Н, соответствующую готовому профилю.

Рис. 6. Реверсивная группа стана с последовательным расположением клетей (тандем) для прокатки по схеме ХН

На крупносортных и рельсобалочных станах используют прокатку в реверсивной группе универсальных клетей тандем не только для получения балок и других крупносортных профилей (швеллеров, уголков, профилей для судостроения, специальных профилей и шпунтов), но и как компактную группу клетей для экономичного производства рельсов, предназначенных для работы в условиях тяжелонагруженных и высокоскоростных железных дорог (рис. 7). Эта технология дала возможность производить рельсы с повышенной размерной точностью, улучшенным качеством поверхности при меньшем износе прокатных валков.

Рис. 7. Крупносортный и рельсобалочный стан с линиями термообработки и отделки

Особенности производства рельсов

Рельсы – это прокатная продукция, к которой предъявляют чрезвычайно высокие требования. Спецификации на физические свойства и геометрические параметры, например кривизну, допускаемые отклонения размеров, состояние поверхности, микроструктуру и уровень остаточных напряжений имеют первостепенное значение. Чтобы удовлетворить эти требования, прокатанные рельсы при отделке обрабатывают на машинах горизонтальной и вертикальной правки. Машину горизонтальной правки используют также при производстве крупносортных профилей. В настоящее время имеется возможность производить и отгружать рельсы длиной до 135 м. Рельсы, предназначенные для тяжелых условий эксплуатации, подвергают специальной термической обработке для придания их головкам особой износостойкости по всей длине рельса.

На среднесортных станах (рис. 8) используют как универсальные, так и двухвалковые клети для прокатки стальных строительных профилей – балок, швеллеров, уголков, полосовой стали и специальных профилей.

Рис. 8. Планировка среднесортного стана

Прокатка балок и профилей из балочных заготовок

После того как стало возможным непрерывное литье балочных тонкостенных заготовок, обжатия и усилия при прокатке удалось уменьшить.

Пример, приведенный на рис. 9, показывает, что балочная заготовка со стенкой высотой примерно 810 мм и толщиной 90 мм может быть обжата до размеров, допустимых на входе в универсальную чистовую клеть. Число ребровых калибров зависит от степени деформации балочной заготовки, необходимой для осуществления прокатки в универсальной клети. Возможная схема обжатия балочной заготовки показана на рис. 9 .

Рис. 9. Максимальное и минимальное изменение формы полок и стенки при прокатке балок из балочных заготовок

Показаны также максимальные и минимальные пределы обжатия полки и стенки профиля. Во всех четырех случаях проиллюстрированы коэффициенты вытяжки, при которых получают наиболее крупный балочный профиль (с наибольшей высотой стенки), и обжатия в вертикальных (эджерных) валках для получения профиля минимального размера (с минимальной площадью поперечного сечения).

После освоения прокатки балочных заготовок и внедрения технологии компактного производства балок CBP (CompactBeamProduction) встал вопрос о том, можно ли (и как именно) использовать балочные заготовки при производстве шпунтовых профилей.

Калибровка валков, показанная на рис. 10, представляет процесс прокатки шпунтов Ларсена (корытообразных) на стане с универсальной клетью, предусматривающей два прохода в горизонтальных валках для получения универсального балочного профиля и два прохода в вертикальных (эджерных) валках группы реверсивных клетей тандем для формирования профиля с формой и размерами, требуемыми на входе в чистовую клеть .

Рис. 10. Прокатка шпунтовых профилей (профиль Ларсена) из балочных заготовок

В настоящее время, как было отмечено выше, балочные профили прокатывают из заготовок с использованием технологической схемы ХН. Кроме того, балочные заготовки применяют для производства шпунтов Ларсена и рельсов. Весь сортамент стандартных балочных профилей может быть прокатан всего из четырех размеров непрерывнолитых балочных заготовок. Дальнейшая оптимизация процесса прокатки балок шла по пути приспособления известной технологии компактного производства горячекатаной полосы (CSP) к производству балок. Этот процесс, получивший название CBP, позволил значительно уменьшить число проходов при прокатке.

Кроме того, можно прокатывать рельсы Виньеля (с плоской подошвой) из балочных заготовок, как показано на рис. 11. В этом случае значительно сокращается число проходов по сравнению с классической схемой прокатки рельсов в двухвалковых клетях .

Рис. 11. Калибровка валков для прокатки рельсов Виньеля из балочных заготовок

При производстве рельсов закалка головок и термическая обработка в линии стана стали традиционными операциями для получения продукции требуемого качества .

Гидравлические нажимные системы

Современные заготовочные и крупносортные станы, в состав которых включены универсальные/двухвалковые клети, оборудованы автоматизированными гидравлическими нажимными системами, которые позволяют прокатывать готовую продукцию с очень жесткими допусками. Станина со стороны оператора выполнена перемещаемой и имеет возможность выдвигаться вместе с валками (которые могут иметь различную длину бочки) и проводками (рис. 12). Настройка стана при переходе на прокатку другого размера занимает всего 20 мин, что делает экономически оправданным производство малых партий продукции.

Рис. 12. Компактная универсальная/двухвалковая клеть

С помощью цифровой системы управления технологическим процессом (TSC– TechnologicalControlSystem) (рис. 13) установка валков посредством гидравлических устройств может поддерживаться постоянной по всей длине прокатываемого профиля. Каждый гидравлический цилиндр позиционируют так, чтобы зазоры между горизонтальными и вертикальными валками соответствовали предварительно рассчитанным номинальным значениям. Гидравлическая система регулирования межвалкового зазора (HGC – Hydraulic Gap Control) позволяет также предотвратить разрушение валков и станины при возникновении перегрузок. Кроме того, в процессе прокатки нижний валок позиционируют относительно верхнего валка. Деформация клетей, происходящая под действием различных усилий прокатки, компенсируется в ходе прокатки с помощью системы атоматического регулирования размеров проката (AGC – Automatic Gage Control). Все это позволяет применять воспроизводимые и относительно простые схемы калибровок.

Рис. 13. Система управления технологическим процессом

Холодильник с аэрозольным охлаждением, линия селективного охлаждения и лазерная система измерения профиля

Использование водяного тумана в качестве охлаждающей среды на определенном участке холодильника ускоряет процесс охлаждения и обеспечивает следующие преимущества:

конкретное влияние на кривую охлаждения (рис. 14);
меньшая площадь холодильника;
сокращение капитальных затрат;
низкие эксплуатационные расходы;
возможность применения модульной системы охлаждения с избирательным включением-выключением секций;
повышение производительности холодильников в действующих цехах .

Рис. 14. Сравнение различных методов охлаждения и холодильник с аэрозольным охлаждением

Для равномерного распределения температуры в стальном профиле при прокатке двутавровых балок и рельсов между выходной стороной стана и холодильником устанавливают устройство селективного охлаждения, геометрия которого соответствует форме и размерам профиля. В сочетании с системой управления технологическим процессом такое решение дает возможность охлаждения конкретных участков поперечного сечения прокатанного профиля (рис. 15).

Рис. 15. Селективное охлаждение рельсов и балок

Это не только улучшает прямизну прокатанных профилей на холодильнике, но и снижает остаточные напряжения в металле вследствие более равномерного протекания структурных превращений.

Кроме того, могут быть повышены механические свойства проката. Секции избирательного охлаждения могут быть смонтированы и на холодильниках действующих цехов.

Готовые рельсы, балки и другие профили после прокатки измеряют в горячем состоянии методом светоделения. Лазерный луч, направленный на поверхность измеряемого профиля, отражается и улавливается быстродействующим датчиком с высокой разрешающей способностью. Расстояние до поверхности профиля рассчитывается в зависимости от позиции, в которой отраженный луч улавливается датчиком. На основе результатов измерений может быть очерчен контур измеряемого профиля.

Машины для правки профилей и рельсов

Современные машины CRS валкового типа и компактной компоновки для правки профилей (рис. 16, а) оборудованы девятью двухопорными сборными правильными роликами с фиксированным расположением. Все девять роликов имеют индивидуальные приводы. Гидравлические цилиндры могут регулировать положение роликов под нагрузкой или зазора между ними. По сравнению с традиционным правильным оборудованием такие машины имеют следующие преимущества:

равномерное и симметричное приложение нагрузки, а также более благоприятное распределение в профилях остаточных напряжений;
компенсация упругого пружинения роликов путем регулирования их положения с помощью гидроцилиндров;
гидравлический механизм осевой установки каждого из роликов;
сборка правильных роликов с минимальными зазорами и максимальная точность их установки в процессе правки;
автоматизированная замена роликов, занимающая не более 20 мин.

Рис. 16. Правильная машина для стальных профилей (а) и рельсов (б), скомпонованная по схеме Н-V

Машины для правки рельсов (рис. 16, б) состоят из горизонтального и вертикального блоков и отличаются повышенной жесткостью конструкции и индивидуальным приводом правильных роликов. В сочетании с машинами для правки рельсов вне линии стана и специальными системами контроля натяжения между правильными роликами эти машины позволяют достигать минимального уровня остаточных напряжений в рельсах, что значительно увеличивает срок их эксплуатации.

Отличительными особенностями машин для правки рельсов являются:

беззазорная сборка правильных роликов, втулок и опор на регулируемых валах;
монтаж правильных втулок на валах с помощью байонетных колец и гидравлических систем высокого давления;
автоматизированная настройка машины при изменении размеров продукции;
замена правильных роликов в течение 30 мин.

Перспективы

Возрастающие требования, предъявляемые потребителями длинномерного сортового проката в отношении свойств и точности размеров, а также необходимость внедрения ресурсосберегающих технологий заставили технологов освоить производство готовой продукции непосредственно с прокатного нагрева и без дополнительной термической обработки. В некоторых случаях это обеспечивает достижение таких свойств материала, которые невозможно получить при использовании традиционных процессов термической обработки.

Прогресс в области современной контрольно-измерительной аппаратуры и средств автоматизации, а также совершенствование конструкции прокатных станов позволили добиться высокого уровня автоматизации производственного процесса. Следствием этого стал ряд важных достижений, в том числе увеличение выхода годного, повышение качества продукции и обеспечение более стабильных свойств, возможность мгновенного реагирования на отклонения в ходе технологического процесса, точная настройка прокатного оборудования, снижение брака и надежное документирование всего технологического процесса для обеспечения гарантированного качества продукции.

П.-Й. Мок
К. Оверхаген
У. Стелмахер

На протяжении последних лет при совершенствовании технологии сортовой прокатки основное внимание уделялось получению требуемых свойств сортового проката и катанки непосредственно с прокатного нагрева и возможности дальнейшей обработки проката без предварительной термической обработки. В сочетании со свободной прокаткой (по свободным размерам) это позволило повысить гибкость производственного процесса. Внедрение непрерывного литья балочных заготовок с размерами, близкими к размерам готового профиля, внесло заметные изменения в процесс производства крупносортного проката. Число проходов при прокатке уменьшилось, прокатные станы снизили свои габариты, процесс прокатки упростился, его экономические показатели улучшились, а энергопотребление сократилось. Кроме того, при прокатке рельсов и балок такие мероприятия, как контроль температурного режима и охлаждение профилей, а при прокатке рельсов также и возможность их упрочнения в линии стана, привели к повышению качества продукции.

сортовой прокат,
мелкосортно-проволочный стан,
крупносортный стан,
рельсобалочный стан,
процесс прокатки,
отделка,
термическая обработка.

Burkhardt, M.; Müller, H.; Ellis, G.: Iron Steel Techn. (2004) Nr. 2, S. 50/55.
Brune, E.; Koller, F.; Kruse, M.; Mauk, P.J.; Plociennik, U.: stahl u. eisen 114 (1994) Nr. 11, S. 87/92.
Filippini, S.A.; Ammerling, W.J.: Further developments in wire rod and bar production using the 3-roll technology, Proc. AISTech 2008, 5.–8. Mai 2008, Pittsburgh, USA, Vol. 2.
Hüllen, P. van; Ammerling, J.: Targets, imple mentation and operating results of the modernization project of a bar mill for engineering steel, Proc. 3. Europ. Rolling Conf., METEC Congress 2003, 16.–20. Juni 2003, Düsseldorf, S. 171/76.
Alzetta, F.: Iron Steelmak. 29 (2002) Nr. 7, S. 41/49.
Austen, T.; Ogle, D.; Hogg, J.: EBROS – endless bar rolling system, Proc. AISE Annual Convention and Steel Expo 2002, 30. Sept. – 2. Okt. 2002, Nashville, USA, S. 1/24.
Knorr, J.S.: BHM – Berg- und Hüttenm. Monatshefte 146 (2001) Nr. 1, S. 2/6.
Hensel, A.; Lehnert, W.; Krengel, R.: Der Kalibreur (1996) Nr. 57, S. 37/47.
Mauk, J.: Verfahren zum Walzen schwerer Profile – Vergleich und Bewertung aus umformtechnischer Sicht, Proc. 27. Verformungskundliches Kolloquium, 8.–11. März 2008, Planneralm, Österreich, Montanuniversität Leoben, S. 155/80.
Engel, G.; Feldmann, H.; Kosak, D.: Der Kalibreur (1987) Nr. 47, S. 3/24.
Cygler, M.; Engel, G.; Flemming, G.; Meurer, H.; Schulz, U.: MPT – Metallurgical Plant and Technology Intern. 17 (1994) Nr. 5, S. 60/67.
Pfeiler, H.; Köck, N.; Schroder, J.; Maestrutti, L.: MPT – Metallurgical Plant and Technology Intern. 26 (2003) Nr. 6, S. 40/44.
Moitzi, H.; Köck, N.; Riedl, A.: Modernste Schienenproduktion – Technologiewechsel an der Schienen walzstraβe, 28. Verformungskundliches Kolloquium, 13. Feb. 2009, Planneralm, Österreich, Montanuniversität Leoben, S. 53/60.
Lemke, J.; Kosak, T.: Walzen von Profilen aus Beam Blanks, Freiberger Forschungshefte, Reihe B, Bd. 306, 2000, S. 198/214.

Суть металловедческих идей с технологической точки зрения заключается в формировании оптимальной для конкретной продукции структуры и в воздействиях на сам процесс формирования структуры. Поскольку структура металла определяется составом и технологией, их нельзя рассматривать по отдельности, так как состав стали должен соответствовать технологической схеме.
Известен ряд воздействий на структуру стали:
- легирование - изменение структуры;
- микролегирование - воздействие на процессы роста зерна, рекристаллизации; дисперсионное твердение и др.;
- введение в металл частиц, изменяющих процессы формирования структуры (например, оксидов титана);
- воздействие на процесс кристаллизации (охлаждение, мягкое обжатие и др.);
- термические и деформационные воздействия на металл в твердом состоянии.
В этом материале рассматриваются в основном термодеформационные воздействия на сталь в твердом состоянии, с учетом необходимых изменений ее химического состава.
Первой из применяемых технологических схем производства металлопроката для электросварных труб была горячая прокатка, после которой сталь имеет грубую структуру и невысокий уровень свойств. Для выхода из создавшейся ситуации была применена термическая обработка (нормализация или закалка с последующим высоким отпуском).
Нормализация не обеспечивает высокого комплекса свойств трубных сталей (в основном - сочетания прочности, хладостойкости и свариваемости). В результате проведения металловедческих исследований был сформулирован ряд идей по составу сталей: стали с карбонитридным упрочнением (например, 16Г2АФ) и стали, закаливающиеся на воздухе на мартенсит (например, 12Х2Г2НМ), и др.
Закалка с отпуском - это уже двойная термическая обработка, что связано с высокими затратами и низкой производительностью. Кроме того, для повышения прокаливаемости необходимо дополнительное легирование (следовательно, повышение стоимости стали).
Закалка крупногабаритного проката - весьма сложный процесс, поскольку это связано с решением проблем неоднородности охлаждения и коробления металла. Кстати, Челябинск Профит http://cheliab-profit.ru/ реализует подобную продукцию.
Эксперименты с режимами горячей прокатки привели к созданию контролируемой прокатки, важнейший результат применения которой - измельчение зерна. Идея КП развивалась несколько десятилетий, что привело к созданию различных технологических схем и соответствующих им составов сталей.
Разработка технологии ускоренного охлаждения проката за счет управления фазовыми превращениями резко увеличила возможности термомеханической прокатки по уровню прочности, вязкости, удовлетворению специальным требованиям, сортаменту и назначению проката.
Замедленное охлаждение проката позволило удалить диффузионно-подвижный водород из проката, снять напряжения и улучшить его сплошность и пластичность. Создается впечатление, что это последний этап технологии и все технологические операции, начиная от нагрева под прокатку до охлаждения практически до температуры окружающей среды, регламентированы с точки зрения оптимизации формирования структуры.
Специалисты компании JFE Steel Corporation (Япония) предложили еще одно из возможных технологических воздействий (между завершением ускоренного охлаждения и началом замедленного охлаждения), нагрев проката в потоке (технология НОР - heat-treatment on-line process).
Следовательно, не все возможности исчерпаны, могут появиться и новые идеи.

25.11.2019

Пиломатериалы – изделия, которые получают из бревен путем их продольного распиливания. Части, которые получены на первом этапе производства, далее при необходимости...

25.11.2019

Каждому современному человеку рано или поздно приходится решать, куда поставить компьютерный стол. Оцениваем свободное место в квартире и вперед – подбирать модель,...

25.11.2019

Вопрос, где в квартире расположить ковры, не менее важен, чем умение правильно выбрать ковер. Как это сделать расскажет данная статья....

25.11.2019

В каждой отрасли, где происходит производство жидкой или вязкой продукции: в фармацевтическом деле, в косметической отрасли, в пищевом и химическом секторах – везде...

25.11.2019

На сегодняшний день обогрев зеркал является новой опцией, позволяющей сохранить чистую поверхность зеркала от горячего пара после приёма водных процедур. Благодаря...

25.11.2019

Штрих код является графическим символом, изображающим чередование полосок чёрного и белого цвета либо других геометрических фигур. Его наносят в составе маркировки...

25.11.2019

О том, как грамотно выбирать топку для камина, задумываются многие хозяева загородных жилых имений, которые хотят создать в своём доме максимально уютную обстановку,...

25.11.2019

И в любительском, и в профессиональном строительстве весьма востребованными являются профильные трубы. С их помощью сооружают способные выдерживать большие нагрузки...

25.11.2019

Даже совсем новичкам если зайти на официальный сайт, сразу станет понятно, что тут все просто пропитано азартом, обстановка полностью располагает к игре....

Наблюдается переходна более новый качественный виток развития. Это обусловлено многими факторами: от создания, внедрения и развития прогрессивных технологий, в том числе и в сталеплавильном производстве, до изменения самой концепции в отношении к прокатному производству. Одним из наиболее важных факторов данного развития в прокатном производстве является возникшая возможность осуществлять абсолютный контроль температурно-деформационным процессом при прокатке на станах последнего поколения. Данная тенденция наиболее ярко проявляется на прокатных станах, предназначенных для производства катанки и мелкого сорта. Постараемся оценить, чем это обусловлено, учитывая возможности, которые предоставляет использование новых подходов в технологии прокатки катанки. В процессе горячей прокатки происходит высокотемпературная термомеханическая обработка металла (ТМО). Однако под ТМО, как правило, понимается не только физическая сущность процесса, но и целенаправленное комплексное воз действие на структуру металлического сплава совокупностью операций деформации, нагрева и охлаждения, в результате которых и происходит формирование окончательной структуры металлического сплава, а, следовательно, и его свойств. Существует большое количество разновидностей термомеханической обработки стали. Их можно разделить на следующие группы:

Режимы термомеханической обработки, при которых деформация осуществляется в аустенитном состоянии. К этой группе относятся наиболее известные и изученные методы упрочнения: высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).
Термомеханическая обработка с деформацией в ходе превращения переохлажденного аустенита.

Режимы термомеханической обработки, связанные с деформацией, осуществляемой после превращения аустенита в мартенсит или бейнит. Примером такой обработки является метод упрочнения, связанный с деформационным старением мартенсита. Для упрочнения стали могут применяться различные комбинации режимов термомеханической обработки, например ВТМО с НТМО, ВТМО с деформационным старением мартенсита и др. Термомеханическая обработка чаще всего является окончательной операцией при изготовлении деталей. Но она может использоваться и как предварительная операция, которая обеспечивает формирование благоприятной структуры при проведении окончательной термической обработки, включающей закалку на мартенсит и отпуск. Традиционно при рассмотрении задачи достижения требуемых свойств в готовой продукции из металлического сплава используют влияние химических элементов на свойства металла и термическую обработку. При этом формирование структуры при нагреве, а в особенности при прокатке, долгое время оставалось «черным ящиком». А ведь именно эти процессы влияют на формирование структуры в готовой продукции. На практике технологи использовали для получения необходимых механических свойств, в готовом прокате применяли только такие механизмы при изготовлении сталей как легирование и термообработка. В качестве примера приведем недостатки использования традиционных способов изготовления готового проката из рядовых марок сталей. У данного класса сталей структура состоит из феррита с известной незначительной долей перлита. При желании получать менее металлоемкие конструкции и изделия из стали, обладающие повышенной надежностью при низкой себестоимости изготовления, встает проблема повышения прочности проката, полученного в горячекатаном состоянии. Если для увеличения прочности используют только повышение доли перлита путем повышения содержания углерода, то эта возможность ограничена, так как с увеличением прочности благодаря повышению содержания углерода пластичность, вязкость и свариваемость стали резко снижаются, что приводит к отказу от данного проката, так как наряду с прочностью в прокате необходимо также обеспечение вышеперечисленных свойств металла. Изготовление проката из высоколегированных сталей приводит к резкому удорожанию готовой продукции в связи с высокой ценой легирующих элементов и ухудшением технологичности переработки (дополнительная зачистка и т.д.). Дополнительная термообработка после прокатки, такая как закалка+отпуск, позволяет получить повышение прочностных и пластических свойств стали, но этот эффект можно получить только для низколегированных марок сталей. При этом также происходит увеличение себестоимости готовых изделий из стали. Первым шагом использования особого состояния горячекатаного проката, полученного в процессе деформации, явилось использование установок ускоренного охлаждения после прокатки, в особенности применение водяного охлаждения. Использование данной технологии непосредственно в линиях прокатки позволило снизить влияние полного протекания процессов рекристаллизации, ранее формировавших структуру и механические свойства в готовом прокате.

Следующим шагом в повышении механических свойств стало использование так называемого процесса контролируемой прокатки с использованием принципов термомеханической обработки. Рассмотрим более подробно использованием данных принципов в процессе ТМО. В зависимости от того, как проводить прокатку и нагрев в первую очередь зависит эффективность влияния химического состава и термообработки на конечные свойства металлопроката. Химический состав оказывает большое влияние на изменения структуры и в процессе ТМО, и его влияние на механические свойства должно рассматриваться с позиций всех этапов обработки металла: от нагрева до охлаждения. Термическая обработка с прокатного нагрева лишь фиксирует состояние структуры, полученной на прокатном стане, и хотя здесь существует множество вариантов ее проведения с получением различных комплексов свойств, повышение их значений ограничено данной структурой в процессе прокатки. Термическая обработка вне прокатного стана с удорожанием энергоносителей становится все более нецелесообразной. Ряд режимов термомеханической обработки могут обеспечить наряду с высокими прочностными свойствами повышенную пластичность и вязкость. Нередко использование ТМО позволяет получить комплекс механических свойств, который не может быть достигнут способами обычной термической обработки и традиционного легирования. Изменяя условия деформирования при ТМО, можно регулировать плотность и характер распределения дефектов кристаллического строения, что позволяет управлять структурой и свойствами стали в широких пределах. Именно эти причины и явились основанием столь быстрого развития и заинтересованности, производителей металлопродукции процессом ТМО. Необходимо отметить перспективность развития процесса ТМО при производстве катанки. Это обусловлено особенностями производства и геометрическими размерами (высокие скорости деформации и особо малое сечение в отличие от других видов металлопродукции получаемых путем горячей прокатки). Дело в том, что только при прокатке катанки для большого марочного сортамента возможно осуществление и управление процессами горячего наклепа и рекристаллизации, что из-за отсутствия высоких скоростей деформации при производстве других видов проката неосуществимо в линии прокатки, либо возможно при наложении определенных ограничений (ограниченный марочный сортамент,как правило, стали аустенитного класса или низкие температуры прокатки). Это позволяет управлять прочностными свойствами горячего проката, а высокая степень деформации в совокупности с химсоставом и термообработкой пластическими. К особенностям прокатки катанки можно отнести еще один очень важный с позиций термомеханической обработки фактор — время между деформациями может достигать очень малых значений, в особенности в последних клетях, вплоть до 0,0005 с. Для сохранения структуры, полученной в процессе ТМО, большое значение имеет способ осуществления охлаждения после прокатки. При этом возникают две задачи: транспортирование проката к охлаждающему устройству и охлаждение металла по всему сечению для обеспечения равномерности структуры, а, следовательно, и свойств по сечению готового проката. Небольшое поперечное сечение катанки (диаметр до 8 мм) позволит нам рассматривать его как термически тонкое тело.

Таким образом, получив необходимую структуру на прокатном стане, мы можем ее зафиксировать во всем поперечном сечении и по всей длине, что улучшает однородность свойств и качество горячего проката. При необхо димости, изменяя интенсивность охлаждения после прокатки, можно также добиться различной структуры по слоям поперечного сечения и получить определенные свойства. Так как скорость отвода тепла в большем сечении из внутренних слоев ограничена, то сохранить преимущества наведенной структуры в процессе прокатки проблематично, а иногда и вовсе невозможно. При проведении эксперимента на прокатном стане наиболее важным моментом является учет наиболее влияющих на структуру факторов. Для этого необходимо осуществить математическое моделирование процесса прокатки, позволяющее определять значения влияющих на структуру параметров. Для последующей оценки их влияния на структуру могут быть использованы такие уже известные данные как:
- влияние температуры и выдержки в печи на рост зерна в заготовке;
- влияние величины зерна и температуры металла на превращения из аустенита;
- изменение структуры горячедеформированного аустенита при последеформационной выдержке;
- структурообразование при горячей
прокатке.

Для определения влияния параметров прокатки на структуру горячедеформированного металла необходимо создание термокинетической модели проволочного стана, на котором проводится эксперимент. На основании чего, исходя из скорости конца прокатки и промежуточных температур в линии стана, определяются значения: скорости деформации; температуры деформации; время между деформациями. При осуществлении процесса контролируемой прокатки температурный режим является одним из наиболее важных факторов в целенаправленном воздействии на структуру и конечные свойства в производстве катанки. Существует несколько путей непосредственного регулирования температуры раската в процессе прокатки: изменение температуры нагрева, регулирование скоростью прокатки, межклетевое охлаждение и нагрев раската. Чаще всего для воздействия на температуру раската во время прокатки используют два первых рычага воздействия. Для применения межклетевого охлаждения и нагрева необходима установка
дополнительного оборудования. Помимо этого требуется предварительная оценка возможностей охлаждения (при скоростях прокатки выше 30 м/с и межклетевом расстоянии не более 1 м — время для обеспечения необходимого теплосъема ограничено). Также большой задачей является знание влияния температурных полей раската в процессе прокатки для определенного марочного сортамента на структуру металла, в частности
на величину зерна. При использовании управления над температурой прокатки необходимо учитывать, что диапазон возможного регулирования имеет определенные ограничения. От теплового режима зависят энергосиловые параметры прокатного стана, усилия, действующие на валки (шайбы) и другие детали рабочих клетей, точность размеров профиля, форма и качество поверхности готового проката, стойкость прокатных валков, стабильность всего технологического процесса. При этом он непосредственно связан с режимами обжатий, скоростей и натяжений. На большинстве прокатных станах не производится непосредственное измерение температуры промежуточного раската во всей длине стана. Это связано как с дороговизной установки, так и условиями эксплуатации приборов, что зачастую не позволяет точно определить температуру металла, может приводить к поломке измерительной техники при аварийном отклонении металла от линии прокатки. Также при использовании междеформационного охлаждения даже определение температуры поверхности раската не дает точную картину о среднемассовой температуре металла, которая, в свою очередь, является наиболее значащей для оценки вышеуказанных параметров. Температура при прокатке металла распределена по сечению не равномерно, а так как непосредственным измерением это распределение определить не имеется возможности, то целесообразно прибегать к расчету тепловых характеристик. Тепловой режим рассчитывается с учетом теплового баланса, зависящего от всех видов теплообмена, имеющих место при горячей прокатке: потеря тепла теплопроводностью при контакте с шайбами и водяным охлаждением, конвекцией и излучением. Наибольшей проблемой определения теплопереноса при прокатке является установление закономерностей изменения температур в любой точке раската в течение времени от нагрева до получения готовой катанки. Изменение температуры раската во время прокатки связано с протеканием всех видов тепловых процессов: теплопроводностью, конвекцией и излучением. При этом каждый из видов теплопереноса вносит свой вклад, который не всегда удается точно установить. Деформация металла путем прокатки с позиции теплопереноса состоит из большого количества различных этапов (циклов). На каждом таком этапе действуют определенные процессы со свойственными только для данного участка условиями. Результирующий эффект сложного теплопереноса зависит не только от интенсивности конкретных видов переноса, но и от особенностей их взаимодействия (последовательного или параллельного, стационарного или нестационарного). В отличиe от стационарного режима, при котором температурное поле не изменяется во времени, тепловой процесспрокатки характеризуется как нестационарный. При этом температурное поле раската является функцией времени. Нестационарный процесс связан с изменением энтальпии во времени. При этом интенсивность отвода теплоты непостоянна во времени. Решить задачу нестационарной теплопроводности — это значит найти зависимости изменения температуры и количества переданной теплоты во времени для
любой точки тела. Каждый из процессов нестационарного теплообмена описывается системой дифференциальных уравнений. Однако данные уравнения описывают бесчисленное множество процессов теплоотдачи, выведенные из рассмотрения элементарного участка в физическом теле. Чтобы решить конкретную задачу, связанную с изменением температуры металла при прокатке, необходимо на каждом этапе рассмотреть протекающие тепловые и дать полное их математическое описание всех частных особенностей, свойственных для данного случая. Для этого необходимо решать систему дифференциальных уравнений при определении следующих краевых условий:
- Геометрические условия, характеризующие форму и размеры раската.
- Физические условия, характеризующие физические свойства среды и раската.
- Граничные условия, характеризующие особенности протекания процесса
на границах тела.
- Временные условия, характеризующие особенности протекания процесса
во времени.

Решение данной системы уравнений позволит получить описание поля температур раската на любом участке прокатного стана в любой момент времени. Данная задача определения температурных полей по сечению раската в любой момент прокатки была решена для мелкосортнопроволочного стана 300 No3 ОАО «ММК». В качестве примера
приведена диаграмма на рисунке 1 распределения температуры по сечению
промежуточного раската. Использование результатов данной модели позволило оценить существующий температурно-деформационный режим
прокатки, а путем изменения основных факторов прокатки — прогнозировать и получать необходимый режим с позиции формирования необходимой структуры. С целью получения нового уровня свойств на катанке предназначенной для армирования, на ОАО «ММК» на стане 250#2 были проведены исследования с использованием температурно деформационной модели и вновь установленной установки водяного охлаждения. Установка в 2004 году новой линии водяного охлаждения на стане 250#2 (производства НПП «Инжмет») позволила провести экспериментальные исследования с целью получения термомеханически упрочненной арматуры малых диаметров. Получение термомеханически упрочненной арматуры на стане 250No2 заключалась в проведении процесса закалки поверхностного слоя катанки в линии водяного охлаждения, расположенной после чистовой клети No16 в потоке прокатного стана. Далее прокат укладывается моталкой в виде витков на сетчатый транспортер, после чего собирается на виткосборнике в бунты массой до 300 кг. Охлаждение осуществляется с помощью форсунки высокого давления и в последовательно расположенных трубках, на входе и выходе которых охлаждение катанки прерывается отсечными устрой ствами. Длина активной зоны охлаждения зависит от диаметра прокатываемой катанки и может составлять ≈ 7,2 м и ≈9,7 м.
Термомеханическое упрочнение катанки можно условно разделить на три этапа. На первом этапе катанка, выходящая из чистовой клети No16, попадает в линию термоупрочнения, где подвергается интенсивному охлаждению водой. Данный процесс должен обеспечивать охлаждение поверхности катанки со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, необходимую для получения в поверхностном слое катанки структуры мартенсита. Однако при этом технология процесса термоупрочнения должна обеспечивать такую температуру в центральных слоях катанки, при которой сохраняется аустенитная структура во время охлаждения. Этот процесс можно выделить во второй этап, который позволит при дальнейшем ее охлаждении со скоростью меньшей критической скорости получить в сердцевине катанки феррито-перлитную структуру, что обеспечит высокую пластичность полученной арматуры (рис. 2). На третьем этапе высокая температура центральных слоев катанки после окончания операции интенсивного охлаждения будет способствовать протеканию процесса самоотпуска закаленного поверхностного слоя. Данный процесс, в свою очередь, также позволяет повысить пластичность поверхностного слоя при сохранении его высокой прочности
Металл, расположенный между поверхностным и центральным слоем, имеет промежуточную скорость охлаждения, которая приводит к получению слоя с бейнитной структурой. В результате такого охлаждения получается, что катанка в поперечном сечении представляет собой две зоны в виде кольца: с мартенситной и бейнитной структурой и феррито-перлитной в центральной
части. В результате опытных прокаток на стане 250#2 была получена катанка с указанной структурой (рис. 3).
Исследование структуры шлифов термомеханически упрочненной катанки
показало у полученного проката, как правило, наличие одного или нескольких подкаленных слоев серповидной формы. Это, по видимому, связано с тем, что охлаждение производится только одной форсункой в один цикл охлаждения. В таких условиях при возникновении ситуации «случайного» омывания какой-то одной области проката в единственной камере охлаждения в дальнейшем отсутствует возможность проведения еще нескольких циклов охлаждения, которые позволили бы произвести более равномерное охлаждение катанки по сечению. Дальнейшее охлаждение катанки на сетчатом транспортере без осуществления направленной продувки воздухом также приводит к неравномерному температурному полю как по сечению, так и по длине бунта катанки. Также из опыта проведенных
прокаток было выявлено изменение температуры катанки после водяного охлаждения по длине бунта (изменение температуры по одному бунту
∆Т=30—50 °С). Так как время и условия охлаждения по всей длине бунта одинаково, был сделан вывод, что причиной данной разницы температур является неравномерность нагрева по длине заготовок в нагревательной печи прокатного стана.

Измерение температуры заготовки на выходе из печи и после черновой группы (изменение температуры составляло ∆Т=50—80 °С) впоследствии подтвердили это предположение. Перичисленные выше факторы в итоге приводят к большой неравномерности структурных составляющих по длине проката, что напрямую обуславливает значительный разброс (до 50—80 Н/мм2) механических свойств в пределах партии. Такая структура в катанке из рядовых низкоуглеродистых марок стали, позволяет получить уникальный комплекс механических свойств: высокий предел текучести при хорошей пластичности, что не всегда можно получить даже на катанке из некоторых низколегированных марок стали при стандартной прокатке и охлаждении на воздухе (рис. 4). Получение вышеуказанной катанки требует точного соблюдения технологии термоупрочнения. Настройка линии водяного охлаждения зависит от множества факторов: марки стали, необходимых механических свойств, диаметра катанки, состава оборудования линии охлаждения, настройки форсунки высокого давления, скорости прокатки, расхода и давления воды (рис. 5).
Для определения технологических параметров в зависимости от перечисленных факторов были проведены экспериментальные исследования с измерением температуры самоотпуска. От полученных во время экспериментальных прокаток бунтов катанки отбирались пробы для механических испытаний и металлографического анализа полученной микроструктуры. Полученные результаты показывают, что существует достаточно большой диапазон изменения механических свойств. При этом наблюдается такая же тенденция как при повышении содержания углерода в углеродистых марках стали: при повышении прочностных свойств — уменьшаются пластические (рис. 5).
Исходя из марочного сортамента, уровня механических свойств и номинального диаметра, возможно получение оптимального технологического режима, удовлетворяющего запросы потребителей. Одной из наиболее перспективной областью применения термомеханически
упрочненной арматуры малых диаметров является использование ее для
связки арматурного каркаса в высокопрочных железобетонных плитах. Областью применения данной арматуры могут в перспективе быть и другие различные ж/б конструкции, фундаменты и т.д. На сегодняшний день это может обеспечить совершенствование нормативно-технической документации (ГОСТ, ТУ и т.д.) и исследование возможностей использования этого нового вида продукции. Проведенные исследования позволили определить основные параметры процесса термомеханического упрочнения катанки малых диаметров. Впоследствии при пуске на ОАО «ММК» стана 170 после адаптации полученных результатов к условиям прокатки на новом стане позволит освоить данный сортамент при массовом производстве.
ВЫВОДЫ
- Рассмотрены процессы, происходящие при деформации металла в горячем состоянии. Определены факторы, наиболее влияющие на формирование структуры металла после деформации.
- Показана перспективность развития процесса ТМО при производстве катанки с учетом ее геометрических размеров и особенностей производства: особо малое сечение и высокие скорости деформации в отличие от других видов металлопродукции получаемых путем горячей прокатки.
- Показаны результаты использования такого инструмента, как моделирование температуры с целью получения необходимых механических свойств катанки при горячей прокатке с учетом существующих технологических возможностей стана, а также с точки зрения влияния горячей пластической деформации и химического состава на структуру.
- Приведены результаты применения использования термомеханической обработки при прокатке на структуре готовой катанки.

Температуры начала и конца горячей деформации определяются в зависимости от температур плавления и рекристаллизации. Прокатка большинства марок начинается при температуре 1200…1150 0 С, а заканчивается при температуре 950…900 0 С.

Существенное значение имеет режим охлаждения. Быстрое и неравномерное охлаждение приводит к образованию трещин и короблению.

При прокатке контролируется температура начала и конца процесса, режим обжатия, настройка валков в результате наблюдения за размерами и формой проката. Для контроля состояния поверхности проката регулярно отбирают пробы.

Отделка проката включает резку на мерные длины, правку, удаление поверхностных дефектов и т.п. Готовый прокат подвергают конечному контролю.

Процесс прокатки осуществляют на специальных прокатных станах.

Прокатный стан – комплекс машин для деформирования металла во вращающихся валках и выполнения вспомогательных операций (транспортирование, контроль и т.д.).

Оборудование для деформирования металла называется основным и располагается на главной линии прокатного стана (линии рабочих клетей).

Рисунок 1 — Схема прокатного стана

1 – прокатные валки; 2 – плита; 3 – трефовый шпиндель; 4 – универсальный шпиндель; 5 – рабочая клеть; 6 – шестеренная клеть; 7 – муфта; 8 – редуктор; 9 – двигатель

Главная линия прокатного стана состоит из рабочей клети и линии привода, включающей двигатель, редуктор, шестеренную клеть, муфты, шпиндели.

Прокатная клеть

Прокатные валки 1 установлены в рабочей клети 5, которая воспринимает давление прокатки. Определяющей характеристикой рабочей клети являются размеры прокатных валков: диаметр (для сортового проката) или длина (для листового проката) бочки. В зависимости от числа и расположения валков в рабочей клети различают прокатные станы: двухвалковые (дуо-стан), трехвалковые (трио-стан), четырехвалковые (кватро-стан) и универсальные (рисунок 2).

В двухвалковых клетях (рисунок 2, позиция а) осуществляется только по одному пропуску металла в одном направлении. Металл в трехвалковых клетях (рисунок 2, позиция б) движется в одну сторону между нижним и верхним, а в обратную – между средним и верхним валками.

В четырехвалковых клетях (рисунок 2, позиция в) устанавливаются опорные валки, которые позволяют применять рабочие валки малого диаметра, благодаря чему увеличивается вытяжка и снижаются деформирующие усилия.

Универсальные клети (рисунок 2, позиция г) имеют неприводные вертикальные валки, которые находятся между опорами подшипников горизонтальных валков и в одной плоскости с ними.

Шестеренная клеть 6 предназначена для распределения крутящего момента двигателя между валками. Это одноступенчатый редуктор, передаточное отношение которого равно единице, а роль шестерен выполняют шестеренные валки.

Шпиндели предназначены для передачи крутящего момента от шестеренной клети прокатным валкам при отклонении от соосности до 10…12 0 . При незначительном перемещении в вертикальной плоскости применяют шпиндели трефового типа 3 в комплекте с трефовой муфтой. Внутренние очертания трефовых муфт отвечают форме сечения хвостовика валка или шпинделя. Муфтой предусмотрен зазор 5…8 мм, что допускает возможность работы с перекосом 1…2 0 . При значительных перемещениях валков в вертикальной плоскости ось шпинделя может составлять значительный угол с горизонтальной плоскостью, в этом случае применяют шарнирные или универсальные шпиндели 4, которые могут передавать крутящий момент прокатным валкам при перекосе шпинделя до 10…12 0 .

Рисунок 2 — Прокатные клети

В качестве двигателя прокатного стана 9 применяют двигатели постоянного и тока, тип и мощность зависят от производительности стана.

Редуктор 8 используется для изменения чисел оборотов при передаче движения от двигателя к валкам. Зубчатые колеса – обычно шевронные с наклоном спирали 30 0 .

По назначению прокатные станы подразделяют на станы для производства полупродукта и станы для выпуска готового проката.

Нагрев металла осуществляют в пламенных и электрических печах. По распределению температуры печи могут быть и . В камерных печах периодического нагрева температура одинакова по всему рабочему пространству. В методических печах температура рабочего пространства постоянно повышается от места загрузки заготовок до места их выгрузки. Металл нагревается постепенно, методически. Печи характеризуются высокой производительностью. Применяются в прокатных и кузнечно-штамповочных цехах для нагрева слитков из цветных металлов. Крупные слитки перед прокаткой нагревают в – разновидности камерных, пламенных печей.

В качестве транспортных устройств в прокатном производстве используют:

слитковозы и различного вида тележки для подачи слитков и заготовок от нагревательных устройств к стану;
рольганги – основное транспортное средство прокатных цехов ( с последовательно установленными вращающимися роликами обеспечивают продольное перемещение металла; при косом расположении роликов возникает возможность поперечного движения полосы);
манипуляторы, предназначенные для правильной задачи полосы в калибр;
кантователи, предназначенные для поворота заготовки вокруг горизонтальной оси.