Оборудование и технология для термоправки термомеханического упрочнения фасонного профиля

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.771.25:669.017:669.15 Сычков А.Б., Малашкин С.О.

ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ТЕРМОПРАВКИ -ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ФАСОННОГО ПРОФИЛЯ

Аннтотация В статье приводится анализ современного подхода в металлургической практике к обеспечению двух качественных характеристик фасонного проката из низкоуглеродистых и низколегированных марок стали - его прямолинейности и механических свойств. При этом представлены различные технические решения, предлагаемые некоторыми фирмами-изготовителями энергетического оборудования и металлургическими заводами. Уделяется особое внимание совмещению двух термических технологических процессов: термоправке искривленных раскатов (ТП) и термомеханическому упрочнению (ТМУ) проката в потоке производства непосредственно на прокатном стане или после деформирования металла перед или на холодильнике.

Методы ТП-ТМУ эффективны для правки и упрочнения сложных симметричных и несимметричных фасонных профилей. Требуемый уровень механических свойств, мелкозернистая структура достигаются за счет использования интенсивного водяного охлаждения с тепла прокатного нагрева (процесс закалки с самоотпуском) путем дифференцированного охлаждения различных частей профиля в разное время процесса.

Ключевые слова: термоправка, фасонный профиль, термомеханическое упрочнение, мелкозернистая структура, самоотпуск.

В настоящее время производство фасонного проката сопровождается двумя основными проблемами.

Первая из них - это наличие на профилях, особенно несимметричного сечения (неравнополочные уголки, полособульбовый судостроительный профиль, тавровое сечение и т.п.), местного и/или общего искривления формы и даже размеров. Это связано с окончательным охлаждением металла после прокатки или на холодильнике в двуфазовой области - в межкритическом (у^а) интервале температур (МКИТ), в котором и возникают растягивающие внутренние напряжения и вызывающие искривление раскатов. Применение роликово-правильных машин (РПМ) для исправления искривлений после окончательного охлаждения раскатов в ряде случаев неэффективно.

Вторая проблема заключается в высокой температуре окончания прокатки (т.н. температура конца прокатки), которая формирует крупное зерно аусте-нита и наследственно крупное действительное фер-ритно-перлитное зерно, что обусловливает край-не низкие значения предела текучести и отношения пределов текучести и прочности металла фасонных профилей, которые зачастую ниже требований НД, и такой металл забраковывается. К нему относятся марки стали типа 09Г2, 09Г2С, 25Г2С и др. Методы снижения размеров действительного зерна заключаются в понижении температуры конца прокатки, что в большинстве случаев ограничивается энергосиловыми возможностями установленного оборудования, и ускоренном охлаждении раскатов после окончания деформирования профилей с использованием форсуночных устройств водяного охлаждения и процесса

прерванной или прерывистой закалки с прокатного нагрева с самоотпуском.

Последний технологический процесс, представляющий собой разновидность поточного термического или термомеханического упрочнения раскатов, наиболее эффективен как для правки профилей с целью исключения их искривления, так и для их упрочнения - повышения не только предела текучести и отношения пределов текучести и прочности, но и для обеспечения фасонным профилям свойств прочности, соответствующих более высокому классу прочности, которое ранее достигалось только за счет увеличения содержания легирующих упрочняющих элементов. Легирование значительно удорожает металлопродукцию заданного класса прочности.

Структура неохлажденного проката, полученного с высокой температурой конца прокатки, представляет собой разнозернистый (размер действительного зерна достигает № 5 и 4 по ГОСТ 5639-82); даже при неинтенсивном воздушном охлаждении возможно появление видманштеттовой структуры или бейнит-ной структуры взамен перлита. Такой прокат характеризуется крайне неоднородными механическими свойствами по своей длине, возможно хрупкое разрушение металла. Так, например, в соседних участках проката из стали 09Г2С могут наблюдаться предел текучести 320 (при норме не менее 345 МПа), отношение пределов прочности и текучести - 0,55 и 450 МПа. После ускоренного водяного охлаждения размер действительного зерна снижается до № 7-8 с формированием однородной ферритно-перлитной структуры и получением равномерных механических

свойств - предел текучести для проката из стали марки 09Г2С - 370-380 МПа, отношение пределов текучести и прочности - на уровне 0,66. После интенсивного водяного охлаждения, характерного для термоупрочнения, формируется слоистая квазикомпозитная структура - структура закалки с самоотпуском, и для проката из стали марки 09Г2С предел текучести равен 450 и более МПа, отношение пределов текучести и прочности - на уровне 0,72-0,75. У металла наблюдается при этом высокая пластичность и сопротивление хрупкому разрушению даже при отрицательных температурах.

На практике известны случаи применения интенсивного водяного охлаждения фасонных профилей, обеспечивающих получение обоих эффектов - и термоправки, и термоупрочнения; используется также и комбинированное воздействие - механическая правка, термическое упрочнение, возможно поверхностное (например, рельсы трамвайные и железнодорожные). Более часто на практике наблюдается такая обработка на мелких фасонных профилях наиболее симметричной формы (равнополочные уголки, швеллеры т.п.). Ниже представлен обзор методов термоправки - термомеханического упрочнения (ТП-ТМУ) фасонных профилей или уже применяемых на практике, или предлагаемых для использования некоторыми научно-технологическими организациями России, ближнего и дальнего зарубежья. В ряде случаев эти разработки проводились очень давно - до 30 лет назад, но тем не менее они не потеряли свою актуальность.

1. Энергосталь-УкрНИИМет

Предлагается применение универсальных водяных охлаждающих устройств струйного и в потоке сплошной воды фасонных профилей без существенных изменений оснастки при переходе на другие типоразмеры профилей. Охлаждение в две стадии - на первой более массивных участков сечения, на второй - всего сечения. Устройство устанавливается непосредственно после последней клети стана. Имеется опыт внедрения установок термоправки на металлургических заводах СНГ-Нижнесергинский метизно-металлургический завод (НСММЗ), Макеевский металлургический комбинат (МакМК), Енакиевский металлургический завод [1].

Установка по расчету необходимого количества секций охлаждения достаточной длины (уточняется при проектировании), для осуществления транспортирования проката через секции охлаждения устанавливаются трайберы с фасонными роликами, соответствующими по форме проката, секции снабжаются универсальными форсночными устройствами со щелевыми или круглыми отверстиями. Необходима система минимальной автоматизации управления процессом правки-упрочнения.

Необходима оценка системы водоснабжения и ее подготовки для обеспечения требуемых расхода и давления (до 20 бар ориентировочно) воды и чистоты воды по механическим взвесям и наличию масла с целью предотвращения засорения форсуночных устройств. Кроме того, следует обеспечить охлаждение воды, особенно в летний период, до необходимого уровня (примерно 23-25оС). Требуется проложить трассу для сброса отработанной воды с секций охлаждения на участке между последней клетью стана и холодильником.

На рис. 1 и 2 представлена схема двустадийного охлаждения фасонных профилей (первая стадия -охлаждение утолщенных элементов профиля, вторая стадия - общее охлаждение всего профиля).

Рис. 1. Исходный неправленный неравнополочный уголок с искривлением в двух плоскостях — вертикальной и горизонтальной

Рис. 2. Схема охлаждения элементов сечения углового профиля: а — первая стадия процесса; б — вторая стадия процесса.

На рис. 3 представлено устройство для охлаждения неравнополочного уголка.

На рис. 4 и 5 представлены универсальные устройства для ТП-ТМУ различных профилеразмеров, прокатываемых на одном сортовом стане, конструкции УкрНИИМет.

2. Группа компаний «Корад» (Россия, г. Москва) Предлагается установка охлаждающих устройств за последней клетью стана с использованием тянущих роликов, причем первый трайбер за прокатной клетью должен иметь вертикальные ролики для осуществления частичной механической правки по ширине и направления раскатов по отводящему рольгангу к холодильнику.

Опыта внедрения подобных установок на металлургических заводах нет.

Установить охлаждающие устройства либо форсуночного типа, либо какого-либо иного - это предмет разработки технического предложения с полной автоматизацией приводов и системы управления термоправкой - термоупрочнением фасонных профилей. Предусматривается установка универсальной или комбинированной (попеременно работающей как горизонтальная или как вертикальная клети) клетей.

После анализа представленной информации принимается решение по водообеспечению и качеству охлаждающей воды. Одним из ресурсосберегающих решений может быть применение водо-воздушного охлаждения, возможно с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Предлагается использовать последнюю клеть в группе в качестве трайб-аппарата для создания межклетевого натяжения. Между последней чистовой и последней тянущей клетью размещаются секции охлаждения, обеспечивающие температуру профиля на выходе из тянущей клети не более 650°С и разность температур по элементам сечения профиля не более 50°С. Исключение коробления профилей после правки и охлаждения за счет выравнивания температуры по сечению профиля и завершения фазовых превращений должны заканчиваться в межклетевом пространстве под действием растягивающих напряжений. Для их создания в требуемом профиле предлагается в качестве тянущих роликов использовать комплект валков, идентичных для чистовой клети.

3. Центр новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов ОАО «ВНИИМТ»

(Россия, г. Екатеринбург) Сущность предложения - применение форсуночного экономного дифференцированного по разным сечениям профилей водо-воздушного секционного охлаждения [2].

Имеется опыт внедрения термоправящих и упрочняющих устройств в потоке станов - на Нижне-салдинском метзаводе (рельсовые подкладки), колесо-бандажный цех НТМК (закалка ж/д колес).

Установка секции охлаждения - термоправки/термоупрочнения равнополочных (по ГОСТ 8509) и неравнополочных уголков (ГОСТ 8510), швеллеров (ГОСТ 8240), предлагаемая для стана 350 ЧерМК, состоит из 5-ти секций длиной 5-6 м; для уголков предлагается по три форсунки сверху и снизу - 2-е из них интенсивно охлаждают массивную вершину сни-

Рис. 3. Схема струевого устройства для охлаждения не-равнополочного уголка конструкции УкрНИИМет: 1, 2, 3 — коллектора; 4, 5, 6, 7 — направляющие

Рис. 5. Универсальные устройства для ТП-ТМУ фасонных

профилей конструкции УкрНИИМет: 1 — основание; 2 — щели для сброса воды; 3 — охлаждаемый

профиль; 4, 10, 11 — коллектора; 5 — стенка желоба; 6 — фланец; 7 — винт; 8 — подпятник, гайки; 9 — фиксатор; 12 — направляющая; 13 — тяга

Рис. 4. Универсальные устройства для ТП-ТМУ фасонных профилей конструкции УкрНИИМет: 1, 2, 3 — коллектора; 4 — несущая балка; 5 — ребро короба; 6, 7 — винт; 8, 13 — гайки; 9 — фиксаторы винтов; 10 — оси; 11 — планки; 12 — фиксаторы планок; 14 — стол

зу и сверху; для швеллеров - до 5-ти форсунок сверху + 3-и форсунки снизу. Расход общий воды на 5 секций - до 1400 м3/ч, давление воды - 1.5-2.0 бар, расход воздуха - 40 м3/ч. Скорость прокатки - 9-15 м/с.

По заверению представителей фирмы, им не требуется повышенное количество, давление и качество охлаждающей воды.

4. STG, Италия Предлагаются разные решения для правки симметричных и несимметричных профилей относительно вертикальной оси при их прокатке:

- для симметричных профилей (равнополочные уголки, швеллер, двутавр) - через систему направляющих роликов на отводящем рольганке к холодильнику и механическое натяжение раската на холодильнике путем применения противовесов (предполагает минимальное расстояние между последней клетью стана и холодильником), используются фасонные реечные перекладывающие устройства на холодильнике;

- для несимметричных (неравнополочный уголок, полособульб) профилей - система форсуночного водяного охлаждения в две стадии: на первой - интенсивное охлаждение массивной части профиля с воздушной отсечкой воды от других участков профиля, на второй - общее охлаждение всех частей сечения профиля.

5. Bascotecniasteel, Испания Предлагается после последней клети стана с универсальными валками устанавливать направляющее механическое устройство, которое центрирует и обеспечивает частичный эффект механической правки. При этом расстояние между последней клетью стана и холодильником составляет максимум 10 м. Близко к предложению фирмы STG для симметричных фасонных профилей.

6. Опыт ОАО «Молдавский металлургический завод» ТП-ТМУ осуществлялась на проектной стационарной установке типа «усовершенствованный Т1югтех» для термического упрочнения арматурного проката в прутках. Техническое решение заключалось в использовании кустарной самодельной установки, конструкция которой включала в себя следующее. Для каждого профилеразмера

уголка большего размера прокатываемого профиля, в несущих уголках прорезались или круглые, или щелевые прорези. Несущие уголки помещались в ванну секции охлаждения линии «усовершенствованный ^егтех», а между ними по входным направляющим подавался прокат, который надо было подвергнуть термическому воздействию. В работу в зависимости от профиля и цели водяного охлаждения вводились от 2 до 4-5 секций. Для обеспечения эффекта термической правки проводится охлаждение в первый период только массивных участков у вершин(ы) профиля, а затем в последующих секциях все участки профиля равномерно. Для упрочнения фасонных профилей применяют более интенсивное охлаждение. Особенно в последних секциях. Выбор интенсивности охлаждения осуществляется эмпирически. Эффект ТП заключался в отказе от применения РПМ, а термоупрочнения - для проката из стали типа 09Г2С предел текучести обеспечивался не менее 450 вместо 330 МПа.

Все ресурсы имеются в составе прокатного стана и линии термического упрочнения проката в прутках.

В условиях ОАО «ММЗ» внедрение технологии ТП-ТМУ фактически беззатратное.

Заключение

Данные, приведенные в настоящей статье, доказывают принципиальную возможность применения для правки и упрочнения сложных симметричных и несимметричных фасонных профилей эффективных и дешевых методов термического воздействия с использованием интенсивного водяного охлаждения и тепла прокатного нагрева. При этом обеспечивается требуемая мелкозернистая или квазикомпозитная структура и удовлетворительный комплекс механических свойств. Для этого необходима организация проведения НИР и опытно-промышленного опробования различных вариантов ТП-ТМУ фасонных профилей для каждого конкретного стана и оборудования.

Список литературы

1. Разработка технологического процесса, изготовление, поставка, монтаж и освоение оборудования для термической правки -термомеханического упрочнения фасонных профилей на станах 400 и 560. Харьков: УкрГНТЦ «Энергосталь», 2010. 10 с.

2. Референция центра новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов. Екатеринбург: ВНИИМТ, 2010. 2 с.

Сведения об авторах

Сычков Александр Борисович - д-р техн. наук, проф. кафедры литейного роизводства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова». E-mail: absychkov@mail.ru

Малашкин Сергей Олегович - аспирант каф. литейного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: malashckin.serzh@yandex.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

THE EQUIPMENT AND TECHNOLOGY FOR THERMOEDITING -THERMOMECHANICAL HARDENING OF THE SHAPED PROFILE

Sychkov Alexander B. - D.Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: absych-kov@mail.ru

Malashkin Sergey O. - Postgraduate student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: malash-ckin.serzh@yandex.ru

Abstract. In article the analysis of the modern approach is provided in metallurgical practice to support of two qualitative characteristics of .shaped rolling from low-carbon and low-alloyed .steel grades - its linearity and mechanical properties. Thus different technical solutions proposed by some firms manufacturers of the energetic equipment and steel works are provided. Special attention is paid to combination of two thermal technological processes: to thermoediting of curved peals (TP) and thermomechanical hardening (TMU) of rolling in a production flow directly on the rolling mill or after deforming of metal before or on the refrigerator.

The TP-TMU methods are effective for editing and hardening of difficult symmetric and asymmetrical shaped profiles. The required level of mechanical properties, compact-grained structure is reached due to use of intensive water cooling from heat from rolling heating (process of hardening with self-tempering) by differentiated cooling of different parts of a profile in different time of process.

Keywords: thermoediting, shaped rolling, thermomechanical hardening, compact-grained structure, self-tempering.

References

1. Process design, manufacture, supply, installation and development of equipment for thermal straightening - thermomechanical hardening shaped sections on mills 400 and 560. Kharkov UkrSSEC "Energostal", 2010. 10 p.

2. Reference center cooling systems and new technologies thermostrengthening metals. Yekaterinburg: VNIIMT, 2010, 2 p.

♦ ♦ ♦