СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА
METHOD OF PRODUCING ROLLED SHEET

Изобретение относится к области прокатного производства и может быть использовано для получения металлических холоднокатаных и горячекатаных листов с повышенными механическими свойствами.
Известен способ получения листового проката, включающий последовательную деформацию слитка из прямоугольного в поперечном сечении профиля в волнообразный и снова прямоугольный, согласно которому волнообразный профиль придают слитку в волнообразном калибре, симметричном относительно его горизонтальной плоскости [Авт. свид. СССР №624665, МПК В21В 1/38, 1978].
Известен также способ прокатки полос, при котором получают рифленую заготовку с чередованием выступов и впадин, а затем деформируют ее в гладких прокатных валках до получения заготовки с плоской поверхностью, причем осуществляют многократное преобразование формы поверхности от плоской к рифленой в нечетных проходах и от рифленой к плоской в четных и замену впадин рифленой заготовки в каждом предыдущем нечетном проходе выступами последующего нечетного прохода, перекрывающими упомянутые впадины [Авт. свид. СССР №869871, МПК В21В 1/22, 1981].
Недостатки указанных способов состоят в том, что они не обеспечивают полного разрушения строчечности структуры литой заготовки, повышения уровня и изотропности механических свойств листового проката.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ получения полосового проката, включающий предварительную прокатку литой заготовки на стане горячей прокатки рифлеными валками с кольцевыми канавками на их рабочей поверхности с образованием на гладкой поверхности раската продольных выступов в чистовой клети и окончательную прокатку полосы гладкими валками вкатывнием продольных выступов в предварительно растянутую полосу за счет их обжатия, по которому окончательную прокатку горячекатаной полосы проводят или с ее предварительным травлением, или без него на отдельно стоящем реверсивном стане холодной прокатки с концевыми моталками, а вкатывание продольных выступов осуществляют частично или полностью. Кроме того, при холодной прокатке осуществляют упругое растяжение полосы на 20-80% от предела упругости материала полосы, высота выступов составляет 10-50% от толщины полосы в чистовом проходе, а шаг и ширина выступов составляет одно-трехкратный размер толщины полосы [Патент Российской Федерации №2162756, МПК В21В 1/22, 2001. - прототип].
Недостатки известного способа состоят в следующем. При продольной прокатке в гладких валках, а также в валках с кольцевыми канавками в заготовке не достигается полного разрушения строчечности структуры. Неметаллические и ликвационные включения, образующие строчки, лежащие в одной плоскости и ориентированные в готовых полосах вдоль направления прокатки, ослабляют металлическую матрицу, снижают механические и эксплуатационные свойства листового проката и изделий из него. Помимо этого полученные полосы и листы имеют низкие пластические и вязкостные свойства, существенную анизотропию механических свойств. Это снижает качество листового проката, в результате чего ограничиваются возможности его применения.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества листового проката.
Для решения поставленной технической задачи в известном способе получения листового проката, включающем продольную прокатку металлического раската с формированием на его поверхности чередующихся выступов, разделенных впадинами в виде канавок, и его последующую прокатку в валках с гладкой бочкой для получения плоской поверхности, согласно изобретению канавки расположены с постоянным шагом и ориентированны под углом 40-50° к оси прокатки, при этом площадь канавок составляет не менее 15% от площади поверхности раската, а их глубина равна 0,1-0,3 от толщины раската, канавки выполнены пересекающимися, образуя на поверхности выступы ромбической формы, причем шаг канавок превышает их глубину не менее чем в 3 раза.
Канавки формируют путем прокатки раската между двумя валками, на бочках которых выполнены геликоидальные ребра.
На Фиг.1 изображен в плане металлический раскат с выступами и канавками перед прокаткой в валках с гладкой бочкой; на Фиг.2 - сечение А-А на Фиг.1; на Фиг.3 - валок с геликоидальными ребрами; на Фиг.4 - фотография поверхности раската после двух проходов с обжатием в валках с геликоидальными ребрами.
1
Сущность изобретения состоит в следующем. При продольной прокатке металлического раската 1 (Фиг.1) на его поверхности формируют чередующиеся выступы 2, разделенные впадинами в виде канавок 3, ориентированных под углом φ=40-50° к оси прокатки O-O. Канавки 3 расположены с постоянным шагом Т (Фиг.2). Площадь s канавок 3 составляет не менее 20% от площади S поверхности раската 1. Глубина h канавок 3 составляет 0,2-0,5 от толщины Н раската 1 (Фиг.2). При этом отношение шага Т канавок к их глубине h составляет не менее 3, т.е.
Канавки 3 формируют путем прокатки изначально гладкого раската 1 в валках 4 (фиг.3), на бочках которых по винтовой линии выполнены геликоидальные ребра 5 со скругленной формой поперечного сечения. Смежные геликоидальные ребра 5 сопряжены по скругленной образующей. Геликоидальные ребра 5 на бочках валков могут быть выполнены как по однозаходной, так и многозаходной винтовой линии.
Канавки 3 могут быть выполнены пересекающимися и образующими на поверхности раската 1 выступы 2 ромбической формы (Фиг.1, Фиг.4).
1
Выполнение в процессе прокатки в валках 4 с геликоидальными ребрами 5 пересекающихся канавок 3 с постоянным шагом Т обеспечивает эффективное разрушение строчечных неметаллических включений, а также равномерное распределение по площади заготовки 1 упрочненных деформацией ее участков. Кроме того, поскольку упрочняющие заготовку 1 участки в зонах канавок 3 ориентированы под углом φ=40-50° к ее продольной оси О-О, механические свойства готового листового проката будут одинаковыми в продольном и поперечном направлениях, т.е. листовой прокат приобретет изотропность свойств.
Равномерная сетка из канавок 3, за счет локального деформационного измельчения микроструктуры и упрочнения объема металла, расположенного под канавками, придает листовому прокату свойства, подобные свойствам композиционного материала, упрочненного армирующими волокнами - его прочностные свойства за счет локального деформационного упрочнения по линиям канавок 3 возрастают. При этом вязкостные свойства несколько увеличиваются, поскольку основная часть металлического раската не подвергается локальному деформационному упрочнению, а при разделении поверхности раската 1 канавками 3 в кристаллической решетке металлической матрицы инициируется сброс имеющихся внутренних напряжений.
Если угол φ превышает 50°, то механические свойства листового проката в поперечном направлении больше, чем в продольном, а при φ менее 40°, наоборот, его механические свойства в поперечном направлении меньше, чем в продольном. То есть в обоих случаях происходит нарушение условия изотропности свойств и ухудшение качества листового проката.
Суммарная площадь s канавок 3 относительно площади поверхности S раската 1, а также глубина h канавок 3 относительно толщины Н раската 1 определяют степень упрочнения готового листового проката, а также сочетание вязкостных, прочностных и пластических свойств. При относительной площади канавок 3 менее 15% или при  имеет место резкое снижение прочностных свойств листового проката, степень разрушения строчечных неметаллических включений становится недостаточной. Это ухудшает качество готового листового проката. В то же время при  происходит снижение пластических и вязкостных свойств, что также ухудшает качество готового листового проката.
Экспериментально установлено, что при отношении шага Т канавок 3 к их глубине h будет менее 3, не исключается образование складок и дефектов типа «закат» в процессе последующей прокатки раската с чередующимися выступами ромбической формы на его поверхности в валках с гладкой бочкой. Это ухудшает качество листового проката.
Примеры реализации способа
1. Получение холоднокатаного листового проката
В индукционной электропечи производят выплавку дюралюминия следующего химического состава, мас.%:
Cu
Mn
Mg
Si
Fe
Al
4,5
0,7
0,8
0,7
0,6
Остальное
Полученный расплав разливают в плоские слитки толщиной H=15 мм и шириной B=50 мм. При кристаллизации в слитке формируется строчечность микроструктуры (продольно вытянутые силикатные включения).
Слитки подвергают продольной холодной прокатке в рабочих валках 4, на бочках которых выполнены геликоидальные ребра 5 в виде многозаходной резьбы с углом подъема винтовых линий φ=45°. Расстояние между смежными геликоидальными ребрами 5 составляет 20 мм (т.е. T=20 мм), а высота ребра 5 равна R=3 мм. Средняя ширина каждого из ребер 5, определяющая ширину и, следовательно, площадь канавок 3 на поверхности раската 1, составляет В=8 мм.
При внедрении геликоидальных ребер 5 в раскат 1 на всю высоту отношение шага Т канавок 3 к их глубине h (параметр F) составит:
1
В процессе прокатки в первом проходе геликоидальные ребра 5, внедряясь в раскат 1, формируют на его поверхности систему параллельных канавок 3 шириной В=8 мм (равной ширине ребра 5), ориентированных под углом φ=45° к оси прокатки О-О, имеющих постоянный шаг, равный T=20 мм, и глубину h=3 мм. При этом:
После первого прохода раскат 1 подвергают второму проходу без изменения межвалкового зазора, задавая его в валки 4 задним концом вперед. В процессе второго прохода внедряющиеся в раскат 1 геликоидальные ребра 5 формируют на его поверхности вторую систему параллельных канавок 3, пересекающих систему канавок, полученных при первом проходе. В результате пересечения канавок 3 на поверхности раската 1 образуются выступы 2 ромбической формы (Фиг1, Фиг.4). После осуществления двух проходов суммарная площадь s всех канавок 3 составляет 25% от площади поверхности S раската 1.
В процессе первого и второго проходов геликоидальные ребра 5 на валках 4, внедряясь в раскат 1, за счет реализации неравномерной (локальной) деформации разрушают строчечность силикатных включений.
Полученный раскат 1 отжигают. Поскольку деформация металла в зонах под канавками 3 существенно выше, в них формируется мелкозернистая микроструктура металла, обладающего более высокими прочностными свойствами.
Отожженный раскат 1 с выступами 2 ромбической формы (Фиг.1, Фиг.4) подвергают второй холодной прокатке с обжатием в валках с гладкой бочкой до получения листового проката конечной толщины 2,0 мм с гладкой поверхностью.
Благодаря тому, что шаг Т между канавками в 6,67 раз превосходит их глубину h, при прокатке в валках с гладкой бочкой не происходит образование дефектов типа «закат». Сетка мелкозернистой структуры в объеме листа повышает его прочность и ударную вязкость при обеспечении высокой пластичности и изотропности свойств.
Варианты осуществления примера 1 реализации способа и показатели их эффективности приведены в табл.1.
Из табл.1 следует, что при реализации предложенного способа (варианты 2-4) достигается повышение качества листового проката как за счет разрушения строчечности микроструктуры, так и повышения комплекса механических свойств. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты 1 и 5), а также реализации традиционной технологии холодной прокатки листов только в гладких валках (вариант 6) имеет место ухудшение качества листового проката.
Таблица 1.
Режимы получения холоднокатаного листового проката и их эффективность
№ п/п
φ, град
Относит, площадь канавок, %
<img file="00000006.tif" he="11" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000007.tif" he="11" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
Механические свойства
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>, МПа
δ<sub>4</sub>, %
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
1.
30
10
0,09
2,2
370
240
10
30
2.
40
15
0,10
3,0
430
280
14
80
3.
45
25
0,20
6,7
470
295
14
90
4.
50
30
0,30
5,0
450
290
13
90
5.
60
10
0,40
2,8
380
240
11
40
6
Прокатка листов только в гладких валках
365
235
12
30
2. Получение горячекатаного листового проката
В клеть дуо толстолистового реверсивного стана 2800 заваливают рабочие валки 4, на бочках которых с помощью токарной обработки выполнены геликоидальные винтовые ребра 5 с углом подъема винтовых линий φ=45°. Геликоидальные ребра 5 с шириной B=50 мм, определяющей ширину канавок 3 и занимаемую ими площадь на поверхности раската 1, имеют скругленную форму поперечного сечения. Смежные витки сопряжены между собой также по скругленной образующей. Высота ребер составляет R=30 мм, шаг между соседними витками ребер 5 равен T=180 мм. При внедрении в процессе прокатки ребер 5 в заготовку на всю их глубину имеем R=h. То есть:
Во вторую клеть (клеть кварто) реверсивного стана 2800 заваливают рабочие валки с гладкими бочками.
1
Непрерывно литой сляб толщиной H=150 мм из стали марки Ст3сп нагревают до температуры аустенитизации t=1250°С, задают в валки 4 клети дуо и обжимают с формированием на поверхности раската системы параллельных канавок 3 глубиной h=30 мм, ориентированных под углом φ=45° к оси прокатки O-O. Затем полученный раскат 1 кантуют и вновь прокатывают в клети дуо с тем же межвалковым зазором. После второго прохода на поверхности раската 1 образуются ромбические выступы 2 и пересекающиеся канавки 3, относительная глубина которых равна:
а суммарная площадь s канавок 3 составляет 20% от площади S поверхности раската.
В результате повышенной пластической деформации в зонах раската 1, расположенных под канавками 3, в процессе рекристаллизации формируется мелкозернистая микроструктура стали, для которой характерны повышенные прочностные и вязкостные свойства.
Раскат 1 с ромбическими выступами 2 и канавками 3 задают в клеть кварто и прокатывают до получения гладкой поверхности.
Затем раскат 1 вновь возвращают в клеть дуо для формирования на поверхности выступов 2 ромбической формы, разделенных пересекающимися канавками 3, после чего в клети кварто его опять прокатывают для получения гладкой поверхности. Цикл нанесения на поверхность раската 1 выступов 2 в клети дуо, а также последующего их сглаживания в клети кварто повторяют несколько раз до получения горячекатаного листа конечной толщины.
Благодаря упрочняющему воздействию локальной деформации в зонах канавок 3 достигается повышение прочностных и вязкостных свойств листового проката без потери пластичности (табл.2).
Таблица 2.
Механические свойства горячекатаных листов из стали марки Ст3сп
Способ получения
Показатели механических свойств
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>, МПа
δ<sub>4</sub>, %
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
Предложенный
560
360
35
170
Известный (прокатка только в гладких валках)
460
270
30
150
Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что за счет повышенной локальной деформации металлических материалов в зонах, находящихся под канавками, формируется более дисперсная микроструктура металла. Благодаря этому достигается повышение прочностных и вязкостных свойств горячекатаных и холоднокатаных листов без снижения пластичности. Локальная повышенная деформация при ориентации канавок под углом 40-50 градусов к оси прокатки обеспечивает разрушение строчечности расположения неметаллических включений, сохраняет изотропность механических свойств листов, полностью исключается образование дефектов типа «закат» в проглаживающих проходах раската, на поверхности которого имеются чередующиеся выступы и канавки.
В качестве базового объекта принята действующая технология производства листовой стали на реверсивном стане 2800. Использование предложенной технологии обеспечит повышение рентабельности производства стального листового проката на 5-7%.