 |
Термическая и термомеханическая обработка толстых листов
|
|
|
|
ЛИСТОПРОКАТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
План:
1. Термическая и термомеханическая обработка толстых листов
2. Термическая и термомеханическая обработка горячекатаных полос
3. Термическая обработка холоднокатаных полос
4. Термическая обработка жести
5. Требования, предъявляемые к точности и качеству проката, получаемого на многовалковых станах [57]
Термическая и термомеханическая обработка толстых листов
Целью термической обработки является формирование необходимого кого состояния стали, которое обеспечивает заданный комплекс толстолистового проката и позволяет максимально полно реализовать потенциальные возможности металла. Практические задачи термической и термомеханической обработки при производстве толстого листа сводятся к повышению прочности или к достижению оптимального сочетания прочности, ости и вязкости, либо к повышению только ударной вязкости, хладостойкости и т.п.
Основными видами термообработки толстых листов толщиной до 50 мм металлургических предприятиях долгое время были нормализация (80°/о) и с отпуском (10°/о от общих объемов термообработки толстого листа).
Нормализация заключается в нагреве листов до точки Асз+(50÷100) выдержке для завершения фазовых превращений и охлаждении на во Нормализация обеспечивает измельчение ферритно-перлитной структуры и тем самым повышает пластичность и ударную вязкость металла при нормальноа повышенной температурах. Нормализацию считают малоэффективной упрочняющей обработкой. Целесообразно её применять для листов толщиной до 20 мм, а применяют её вплоть до толщины листов 160 мм. Преимуществом нормализации является простота как технологии, так и применяемого оборудования, а так же то, что она обеспечивает сохранение свойств металла при переработке у потребителей.
|
|
|
Усовершенствованием нормализации является использование в ней прокатного нагрева. Такая технология реализована на стане 3600 ОАО сталь». Листы непосредственно после прокатки поступают к проходным роликовым печам (см. рис.6.32) и загружаются в них при температуре 500-600°С. Применение нормализации с прокатного нагрева обеспечивает повышение пропускной способности печей на 30-50% по сравнению с нагревом холодного металла.
Применяют ускоренное охлаждение толстых листов при нормализации средством обдува их воздухом или водовоздушной смесью с помощью вентиляторов. Это обеспечивает увеличение пропускной способности холодильников.
Температуры нагрева листов под термическую обработку прив в табл.6.9.
Закалка с высоким отпуском (улучшение) заключается в нагреве листов до температуры Асз+(30÷50)°С, необходимой выдержке и быстром охлаждении в воде с последующим отпуском при температуре Ас1+(20÷100)°С (табл.6.9). Закалка с отпуском более сложный процесс, чем нормализация.
Оптимальным режимом закалки толстых листов из углеродистых и низколегированных марок стали является двухстадийное охлаждение: скорость охлаждения в интервале 900-400°С не менее 80-100°С/с, ниже 400°С —30-40°С/с. В этом случае обеспечивается требуемое качество закалки листов при значительной экономии охлаждающей воды.
Таблица 6.9
Температуры нагрева толстых листов под термическую обработку
| Марка стали | Температура,°С | |
| при нормализации (Н), при закалке (З) | при отпуске | |
| Углеродистые стали | ||
| 08кп, 10кп, 15кп, 08, 10,15 | 920-940(Н) | - |
| 20, Ст3пс, Ст3сп | 900-920(Н) | - |
| 35, 40, 45 | 820-840(Н) | - |
| Низкоуглеродистые стали | ||
| 14Г2, 14ХГС, 17ГС, 17Г1С, 16ГС | 940-960(Н) | - |
| 09Г2С, 09Г2СД | 920-940(Н, З) | 660-690 |
| 10Г2С1, 10Г2С1Д | 930-950(Н, З) | 670-690 |
| 10ХСНД, 15ХСНД | 900-930(Н, З) | 690-710 |
| 15Г2СФ, 15Г2СФД | 670-700 | |
| Легированные конструкционные стали | ||
| 30Г, 30Х | 860-880(Н) | - |
| 35Х, 40Х, 45Х | 840-860(Н) | - |
| 20ХГСА, 35ХГСА | 820-840(Н) | - |
| 50Г, 60Г, 65Г, 70Г | 780-880(Н) | - |
Завершающей операцией улучшающей термообработки листов является отпуск. Прокат из малоуглеродистых и низкоуглеродистых марок сталей подвергают отпуску при температуре 660-710°С (см. табл.6.9) с длительностью пребывания металла в печи 3-4мин/мм толщины листа. При этом происходит снижение прочностных свойств и повышение пластических.
|
|
|
Закалка с отпуском обеспечивает получение мелкодисперсных структур металла и сопровождается повышением как прочностных, так и вязких свойств стали одновременно. Это наиболее эффективный вид термообработки толстых листов.
Для нагрева металла под термообработку используют проходные роликовые печи (в подавляющем большинстве случаев), камерные печи, колпаковые печи (редко).
Закалку металла производят в закалочных баках при толщине листов h = 50-100 мм, закалочных прессах при h = 4-40 мм, ролико-закалочных машинах при h = 4-50 мм. Ролико-закалочные машины (РЗМ) позволяют обеспечить интенсивное и равномерное охлаждение листов с минимальными искажениями их формы, сократить паузы между выходом листов из печи и началом охлаждения, подвергать упрочняющей термообработке углеродистые и низколегированные стали с низкой прокаливаемостью. Система охлаждения РЗМ спрейерная. Она состоит из ряда коллекторов, расположенных между транспортными роликами сверху и снизу. Достигаемая скорость охлаждения 160°С/с. С увеличением толщины листов скорость охлаждения снижается, что компенсируют увеличением расхода воды.
Термообработка в технологическом потоке - ускоренное охлаждение и закалка стали. Существует много разновидностей такой термообработки. Различия заключаются в конструкции применяемых для охлаждения установок и режимах охлаждения.
Термическому упрочнению подвергают листы толщиной до 60 мм (реже -до 150-180 мм) из конструкционных низколегированных марок стали.
Устройства ускоренного охлаждения устанавливают за чистовой клетью на расстоянии 20-45 м, длина установок от 30 до 40 м. Они, как правило, состоят из отдельных модулей, что позволяет изменять скорость охлаждения. Возможно применение в одной установке и струйного, и ламинарного охлаждения.
|
|
|
На заводе фирмы «Кавасаки сэйтэцу» в Мидзусиме (Япония) на толстолистовом стане реализована многоцелевая охлаждающая установка MACS-РЗМ, состоящая из установки регулируемого охлаждения длиной 40 м и РЗМ (рис.6.40-6.42) [15].
Для охлаждения верхней поверхности раската в установке ускоренного охлаждения предусмотрены трубчатые сопла, создающие мощные струи, прo-бивающие и перемешивающие слой воды на листе. Для охлаждения нижней поверхности используют струйное сопло (см. рис.6.41)
В РМЗ предусмотрены валки с лопастями, которые вращаясь создают равномерный охлаждающий слой воды на поверхности раската (рис. 6.42) 
Установка предназначена для охлаждения листов толщиной 10-45мм, используемых для судостроения, напорных трубопроводов, теплоэлектростанций, сосудов, работающих под высоким давлением.
Впервые в промышленных условиях ТЛС в ССР установка ускоренного охлаждения реализована Институтом черной металлургии (ИЧМ, г. Днепропетровск) на стане 3600 ОАО "Азовсталь". Установка длиной 35м расположена на расстоянии 44м от чистовой клети (см. рис.6.32, 6.43) и предназначена для ускоренного охлаждения листов толщиной 12-50мм от температуры конца прокатки 950-1000°С и ниже.
Установка разделена на пять последовательно встроенных в рольганг секций (рис. 6.44), состоящих из четырех блоков, каждый из которых имеет верхнее и нижнее охлаждение.
Сверху листы охлаждают из 20 ванн с центральными коллекторами, подающими на поверхность листа с высоты 1,2м сплошной либо турбулентный поток воды. Снизу лист охлаждают в открытых ваннах (см. рис.6.44), расположенных в промежутках между роликами. Нижние ванны представляют собой емкости со встроенными в днище затопленными коллекторами.
Раскаты после прокатки от чистовой клети транспортируются (см. рис.6.43) к установке, проходят через нее и поступают на рольганг. Начинается охлаждение на воздухе (технология прерванного охлаждения).
Далее после зачистки концов раскатов они поступают на шлепперный хо-лодильник и в нормализационные печи для отпуска (технологический поток 5). Кроме этого, установку ИЧМ используют для снижения температуры раската перед нормализацией при горячем посаде (технологический поток 4).
|
|
|
Технология термического упрочнения толстых листов позволяет выпускать широкий сортамент стали улучшенного качества: лучшей свариваемости при повышенном уровне механических свойств и снижении себестоимости продукции за счет сокращения времени на операции термообработки, энергозатрат и легирующих элементов. Термомеханическая обработка является совокупностью операций нагрева, деформации и охлаждения металла (в различной последовательности), в результате которых формируются окончательная структура и свойства металла.
Варьируя для определенной марки стали четыре основных параметра деформации - степень, скорость, температуру и длительность последеформационной паузы, можно получить полный набор структурных состояний: от состояния горячего наклепа до полного рекристаллизованного.
Технический прогресс в машиностроении, строительстве и трубопроводном транспорте, когда трубы большого диаметра стали работать в условиях высоких давлений и зачастую при низких температурах, выдвинул высокие требования к низколегированным сталям, что привело к созданию нового поколения низколегированных сталей (малоперлитных). В этих сталях предусмотрено снижение углеродного эквивалента до С3 0,43, который определяют так
Сэ=С+ 
+ 
15B
Снижение Сэ происходит за счет уменьшения углерода в стали до 0,08-0,13о/о, а необходимая прочность стали достигается благодаря введению микродобавок ванадия, ниобия и титана в сумме <_ 0,1+0,15о/о. Эти добавки вызывают эффект дисперсионного упрочнения за счет образования при охлаждении после прокатки чрезвычайно мелких частиц карбонитридных фаз указанных элементов [17].
Химический состав разработанных сталей приведен в табл.6.10.
Таблица 6.10
Химический состав (%) сталей 08Г2МФБ и 09Г2ФБ
| Сталь | C | Mn | Si | S | P | Mo | |||||
| 08Г2МФБ | 0,07-010 | 1,6-1,7 | 0,2-0,4 | 0,008 | 0,020 | 0,12-0,18 | |||||
| 09Г2ФБ | 0,08-0,11 | 1,45-1,65 | 0,15-0,30 | 0,008 | 0,020 | - | |||||
| V | Nb | N | Al | Cr | Ni | Cu | Ti | ||||
| 0,04-0,08 | 0,03-0,05 | 0,01-0,014 | 0,02-0,05 | 0,03 | 0,5 | 0,03 | - | ||||
| 0,05-0,08 | 0,02-0,04 | - | 0,02-0,05 | 0,03 | 0,5 | 0,03 | 0,01-0,035 | ||||
Создание малоперлитных сталей потребовало разработки новой технологии прокатки, получившей название контролируемая прокатка.
Контролируемая прокатка, наряду с достижением требуемой формы и размеров проката, обеспечивает определенную микроструктуру, а следователь-но, и комплекс механических свойств металла. Контролируемая прокатка охватывает процесс нагрева слябов, прокатку и охлаждение готовых листов. При обычной температуре нагрева слябов 1200-1250°С происходит рост зерен аустенита, что оказывает негативное влияние на один из наиболее важных показателей - хладостойкость металла. Поэтому при контролируемой прокатке tн=1050-1180°С, что предотвращает рост зерен аустенита и обеспечивает рас-творение карбидов ниобия.
|
|
|
Схема технологических операций и структурных изменений металла при контролируемой прокатке на стане 3600 показана на рис.6.45.
Прокатку в черновой клети проводят по продольно-поперечной схеме за 9-11 про-ходов с разбивкой ширины на 1000 толщину подката, равную примерно трехкратной толщине го-тового листа. tчернКП= 950-1020°С. Черновая прокатка сопровождается многократной рекристаллизацией металла с измельчением зерна аустенита. Кратность толщины подката при передаче в чистовую клеть для прокатки штрипсов толщиной до 30 мм составляет 3,5 от конечной его толщины, а при большей толщине —3.
После черновой клети прокат охлаждают на воздухе без обдува с целью обеспечения после чистовой прокатки tчисткп= 720-740°С.
На второй стадии прокатки (в чистовой клети) рекристаллизация отсутствует, зерна аустенита приобретают вытянутую форму (см. рис.6.45). Прокатку в чистовой клети проводят за 5-7 проходов при eS = 60-70°/о, tчисткп = 700-50С.
На второй стадии начинаются полиморфные превращения, деформация происходит в двухфазной зоне (феррит + аустенит). Мелкодисперсность аустенита феррита повышает прочностные свойства металла при достаточной его вязкости.
При наличии на ТЛС установки ускоренного охлаждения металла за чистовой клетью, температуру листов снижают до 550-650°С, что уменьшает количество перлита и несколько повышает механические свойства. При дополнительном легировании стали молибденом, никелем и медью дополнительное охлаждение позволяет получить листы категории прочности Х100 (σВ=700-850 МПа; σТ=688-700 МПа).
Контролируемая прокатка листов на традиционных ТЛС сопровождается падением производительности прокатного стана на 30-40%.
В связи с этим в мире приступили к сооружению специализированных ТЛС. Таким станом в Украине стал стан 3000 ОАО «МК им.Ильича». Его упрощенная схема показана на рис.6.46.
Стан 3000 введен в эксплуатацию в 1985 г. Он предназначен по проекту для прокатки листов h=8-25мм, b=1500-2700мм. Исходная заготовка: слябы сечением 200÷315х1250÷1400х2500÷2800 мм, массой до 13 т из сталей типа (06-14) Г2САФБ. Обе клети кварто. Dp=1000 мм; Dоп =2100 мм; Lб =3000 мм. Максимальная сила прокатки 70 МН. Привод рабочих валков индивидуальный. Мощность каждого двигателя в черновой клети 8000кВт, в чистовой-11200 кВт. Проектная мощность стана 2,5 млн.т/год. Особенностью стана являются более мощные, чем на обычных ТЛС, клети и главный привод, наличие участка воздушного охлаждения (байпаса), а также охлаждающей установки за чистовой клетью. Байпас позволяет без потери производства охладить подкат после черновой прокатки до требуемой температуры без принудительного обдува. Скорость движения раската зависит от требуемой температуры начала прокатки в чистовой клети.
Охлаждающая установка длиной 22,5 м расположена на расстоянии 63,5 м от чистовой клети, имеет верхнее ламинарное охлаждение и коллекторное струйное охлаждение снизу. Скорость транспортировки листов в установке 0,34-3,6 м/с.
Режим обжатий при прокатке штрипса на стане 3000 приведен в табл.6.11.
В Украине и России действует маркировка категорий и классов прочности трубных марок стали, показанная в табл.6.12.
Мировые тенденции развития производства сварных труб и штрипсов для них — увеличение толщины стенки (штрипса), все более высокие показатели прочности и вязкости металла при низких температурах, коррозионная стойкость, хорошая свариваемость труб.
На рис.6.47 показана динамика развития технологии производства штрипсов. Из рисунка видно, что постепенно происходило снижение углерода в стали и увеличение числа легирующих элементов. Сталь категории Х100 хорошо подвергается сварке, что объясняется снижением содержания в ней углерода.
Таблица 6.11
Режим обжатия при контролируемой прокатке штрипсов
из сталей типа 09Г2ФБ(БТ) на стане 3000
| Клеть | Расположение раската | Проход | h0,мм | h1,мм | Δh,мм | e, % |
Сляб 300  1850мм®лист15,7 2192мм
| ||||||
| Кантовка | ||||||
| - | ||||||
| - | ||||||
| - | 7,1 | |||||
| Кантовка | ||||||
| 11,9 | ||||||
| 13,5 | ||||||
| 15,6 | ||||||
| 17,8 | ||||||
| 25,6 | ||||||
| 19,1 | ||||||
| 18,4 | ||||||
| 16,1 | ||||||
| 15,4 | ||||||
| 18,5 | 3,5 | 15,9 | ||||
| 18,5 | 15,7 | 2,8 | 15,1 | |||
| 15,7 | 15,7 | |||||
| Сляб 300 1850мм®лист18,7 2192мм
| ||||||
| 7,1 | ||||||
| Кантовка | ||||||
| - | 12,7 | |||||
| - | 13,6 | |||||
| - | 15,7 | |||||
| - | 17,3 | |||||
| - | 17,7 | |||||
| - | 18,6 | |||||
| - | 19,3 | |||||
| - | 16,4 | |||||
| - | 16,1 | |||||
| - | ||||||
| - | ||||||
| - | 18,7 | |||||
| - | 15,4 | |||||
| - | 18,7 | 3,3 | ||||
| - | 18,7 | 18,7 | ||||
| Сляб 300 1850мм®лист21,6 2192мм
| ||||||
| 7,1 | ||||||
| Кантовка | ||||||
| - | 12,7 | |||||
| - | 14,6 | |||||
| - | 15,9 | |||||
| - | 18,9 | |||||
| - | ||||||
| - | 19,8 | |||||
| - | 16,9 | |||||
| - | ||||||
| - | 17,2 | |||||
| - | ||||||
| - | 36,6 | 7,4 | 16,8 | |||
| - | 36,6 | 30,6 | 16,4 | |||
| - | 30,6 | 25,6 | 16,3 | |||
| - | 25,6 | 21,3 | 15,6 | |||
| - | 21,6 | 21,6 |
Таблица 6.12
Сравнительная таблица механических свойств трубных сталей
различных категорий и классов прочности
| Марка стали | Класс прочности по ГОСТ1) | Специфи-кация по АРI2) | Механические свойства | |||
| σт | σв | |||||
| PSI | МПа | PSI | МПа | |||
| А 25 | ||||||
| Grade A | ||||||
| Grade B | ||||||
| Ст3 | К38 | |||||
| Х42 | ||||||
| Х46 | ||||||
| 12Г2С | К50 | |||||
| 13ГС | К52 | |||||
| Х52 | ||||||
| 13ГС-У | К52 | |||||
| Х56 | ||||||
| 13Г1С-У | К55 | |||||
| Х60 | ||||||
| 09Г2ФБ | К56 | |||||
| 10Г2ФБ | К60 | |||||
| Х65 | ||||||
| 10Г2ФБ | К60 | |||||
| 03Г1Б | Х70 | |||||
| 08Г2ФБ | К65 | Х80 | ||||
| 08Г2БТ | Х100 | 688-700 | 700-850 | |||
| 1)За основу принято временное сопротивление разрыву, МПа. 2)За основу принят предел текучести, тысяча фунтов на квадратный дюйм (PSI). |
Будущее за сталью категории прочности х100. Химический состав этой стали: 0,06-0,08% Mn; 0,26-0,35%Si; 0,15-0,28Mo; 0,16-0,33% Ni; 0,20-0,22% Cu; 0/05% Nb; 0.015-0.018% Ti; 0,003-0,005%N; Cэ=0,43-0,46 (как рассчитывается Сэ)
Контрольные вопросы:
1. Что является целью термической и термомеханической обработок толстых листов, произведенных на ТЛС?
2. Что собой представляет термомеханическая обработка на ТЛС, какими основными параметрами можно при ней варьировать?
Список литературы:
1. Зайков М.А. Процесс прокатки / М.А. Зайков, В.П. Полухин, А.М. Зайков, Л.Н. Смирнов.-М.: «МИСИС», 2004.-640с.
2. Золотухин Н.М. Нагрев н охлаждение металла / Н.М. Золотухин.-М.: Ма-шиностроение, 1973.-192с.
3. Гущин С.Н. Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производ-ства / С.Н. Гущин, А.С. Телегин, В.И. Лобанов, В.И. Корюков.-М.: Металлургия, 1993.-Зббс.
4. Иванцов Г.П. Нагрев металла / Г.П. Иванцов.-Свердловск-Москва: Метал-лургиздат, 1948.-191с.
5. Глинков М.А. Основы общей теории печей / М.А. Глинков.-М.: Металлур-гиздат, 1962.-575с.
6. Коновалов Ю.В. Температурный режим широкополосных станов горячей прокатки / Ю.В. Коновалов, А.Л. Остапенко.-М.: Металлургия, 1974.-176с.
7. Коновалов Ю.В. Расчёт параметров листовой прокатки / Ю.В. Коновалов, А.Л. Остапенко, В.И. Пономарев.-М.: Металлургия, 1986.-430с
|
|
|
