Разработка усовершенствованной технологии производства сортового проката из труднодеформируемых материалов

УДК 621.771

А. И. Виноградов

РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СОРТОВОГО ПРОКАТА ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

A. I. Vinogradov

THE DEVELOPMENT OF IMPROVED TECHNOLOGY FOR THE PRODUCTION OF PROFILED STEEL OUT OF HARD-DEFORMED MATERIALS

В статье представлены новые теоретические решения по снижению неравномерности деформации и повышению ее эффективности при прокатке непрерывно-литой заготовки из труднодеформируемых сталей, приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований усовершенствованной технологии получения круглого сортового проката из стали ШХ-15, а также результаты испытаний калиброванного металла, полученного из этой стали.

Сортовая прокатка, непрерывно-литая сортовая заготовка, труднодеформируемые материалы, неравномерность деформации, эффективность деформации, изменение структуры.

The paper presents new theoretical solutions in reducing deformation irregularities and improving rolling efficiency for steel bars out of hard-deformed materials as well as the results of the theoretical and experimental research of improved technology for making round profiles out of ШХ-15 steel and the results of trials for calibrated metal out of this kind of steel.

Profiled rolled steel, cast steel bar, hard-deformed materials, deformation irregularity, deformation efficiency, structure change.

Развитие современной металлургии направлено на улучшение свойств изделий: прочности, пластичности, жаростойкости, хладостойкости, надежности, долговечности и других путем легирования стали и применения специальных металлов и сплавов. Эти материалы: легированные, качественные, нержавеющие стали, титан и его сплавы и другие, обладают особыми физико-химическими свойствами, делающими технологию получения из них сортового проката многоэтапной и затратной.

Основными проблемами, возникающими при обработке труднодеформируемых материалов, являются низкая пластичность, высокая твердость, особенности формирования микро- и макроструктуры. Это приводит к необходимости более частого проведения специальных, сложных видов термообработки, вызывает более интенсивный износ инструмента и отрицательно сказывается на качественных показателях готовых изделий.

Еще одной проблемой обработки таких материалов является сложный химический состав, в значительной мере определяющий возможность механического или химического удаления окалины с поверхности. В окалине труднодеформируемых материалов присутствуют сложные соединено

ния широкого спектра элементов, составляющих основу их специальных свойств. Эти соединения создают промежуточный слой между основным металлом и окалиной и способствуют их прочному сцеплению. Такой слой усложняет удаление окалины при любом способе обработки поверхности и требует оптимизации подготовительных операций.

В связи со спецификой свойств труднодеформируемых материалов традиционные методы получения из них сортового проката непригодны, т. к. они не позволяют получить продукцию высокого качества.

Проведенный анализ [1] показал, что наиболее целесообразно решение практических задач моделирования и совершенствования режимов деформации заготовки выполнять с использованием матричного подхода [2], поскольку он позволяет описывать нетиповые элементы калибра при сортовой прокатке, учитывать их влияние на степень деформации, находить технологические резервы процессов пластической деформации, анализировать изменение структуры металла на протяжении всей технологической цепочки.

Основным элементом эффективной технологии

получения высококачественного сортового проката из непрерывно-литой заготовки является усовершенствованная калибровка валков. Эффективная калибровка должна обеспечивать такое формоизменение металла при деформации в калибрах, чтобы отношение деформации вытяжки к деформации уширения было максимально возможным, т. к. при выполнении этого условия литая структура металла лучше прорабатывается, в ней устраняются дефекты несплошности, возникающие при непрерывной разливке, улучшается структура металла. При разработке калибровки для специальных, качественных и труднодеформируемых материалов важность выполнения вышеперечисленных условий еще больше возрастает.

Существующие в настоящее время критерии оценки и сравнения вытяжных калибров сводятся, как правило, к использованию характеристик вытяжной способности. В то же время решение указанной задачи возможно с помощью матричного показателя интегральной эффективности формоизменения в калибрах и матричного показателя интегральной неравномерности формоизменения в калибрах.

Графическая интерпретация определения технологичности при прокатке в калибре из заданного исходного сечения а требуемого сечения Ь в проекции на плоскость изображена на рис. 1 (схематично в виде двухмерных векторов на плоскости представлены многомерные векторы, характеризующие форму и размеры исходного сечения и

Рис. 1. К определению коэффициента интегральной эффективности формоизменения в калибре

калибра). Очевидно, соотношение разности величин векторов а и Ь (разности норм) к метрике

р|а, ь| является безразмерным параметром, характеризующим процесс формоизменения в вытяжном калибре, поскольку при малой величине этого соотношения эффективность такого формоизменения в вытяжном калибре низка, а при большой величине этого соотношения эффективность высока. При этом компоненты векторов, а следовательно, нормы и метрика интегрально учитывают особенности контура калибра.

Данное соотношение названо интегральным показателем эффективности формоизменения металла в вытяжном калибре, или коэффициентом интегральной эффективности вытяжного калибра Хиэф:

-^ИЭФ=~ I '

Р

векторов а и Ь;р(а, Ь) - метрика, определяющая расстояние между векторами.

Практика перехода на непрерывно-литую заготовку для труднодеформируемых материалов выявила проблему обеспечения равномерной деформации по сечению металла для рациональной проработки литой структуры. Поэтому при разработке модели калибровки сортовых станов особое внимание было уделено возможности оценки неравномерности деформации по контуру калибра (неравномерности формоизменения), а также возможного ее снижения.

Для сравнительного анализа систем калибров предлагается использовать интегральный показатель, оценивающий неравномерность формоизменения одним числом.

Рассмотрим сущность интегрального показателя неравномерности формоизменения. Будем считать формоизменение «идеальным», если ком-туры поперечных сечений до и после деформации строго гомотетичны и, значит, компоненты матрицы формоизменения равны между собой. Однако на практике при сортовой прокатке компонен-

ты матрицы формоизменения А,,- отличаются друг от друга.

Использовав статистические характеристики: дисперсию В и среднеквадратическое отклонение а, получили формулу для определения критерия неравномерности формоизменения, которую можно представить в виде:

^инф =0 + 9)

где Мп отражает поправку, связанную с дискретностью описания контура.

Интегральный коэффициент неравномерности формоизменения АГИПф будет тем меньше, чем меньше будут отличаться компоненты матрицы формоизменения от шаровой матрицы.

Таким образом, величина среднеквадратиче-ского отклонения компонент матрицы формоизменения количественно может отражать неравномерность формоизменения в калибре.

Учитывая важность оценки неравномерности формоизменения в системах калибров, включающих два смежных калибра, был предложен интегральный коэффициент неравномерности формоизменения для деформации металла в двух калибрах. При этом, рассматривая для двух смежных калибров две матрицы формоизменения, имеющие диагональный вид, были использованы индексы г, 7 для компонентов различных матриц:

^инф =0 + 9)

где индекс у = 1 показывает очередность калибров в системе (значение у определяет компоненты матрицы для второго смежного калибра, значение / - 1 определяет компоненты матрицы для первого смежного калибра). 132

Значение Кт № интегрально определяет неравномерность формоизменения металла в калибрах с учетом особенностей формы и размеров калибров и исходных сечений.

Анализ технологических режимов деформации непрерывно-литой сортовой заготовки из шарикоподшипниковых и пружинных марок сталей

Замена катаной заготовки на непрерывно-литую - одна из главных тенденций развития современного прокатного производства. Такая заготовка имеет ряд существенных преимуществ: равномерную структуру (а значит, и свойства) металла по длине, меньший расходный коэффициент при производстве, стабильность технологии прокатки, высокую прогнозируемость свойств готовых профилей. Однако особенности образования дендритной структуры по поперечному сечению заготовки, равномерное распределение дефектов усадки по всей длине заготовки, наличие в центральной части усадочных пор и химической неоднородности приводят к трудностям получения проката из качественных и труднодеформируемых марок сталей и необходимости применения больших обжатий и вытяжек, чем при использовании катаной заготовки.

Для описания процессов формоизменения при сортовой прокатке непрерывно-литых заготовок применен матричный метод моделирования, позволивший учесть комплекс технологических факторов формоизменения. С использованием разработанных критериев было проведено сравнение формоизменения полосы при производстве катанки 0 12 на стане 250 из стали ШХ-15 в различных системах калибровки:

1) квадрат-ромб в черновых клетях и однора-диусный овал-круг в промежуточных и чистовых клетях;

2) квадрат-ромб в черновых и промежуточных клетях и однорадиусный овал-круг в чистовых клетях;

3) овал-круг во всех клетях стана.

Сравнительный анализ используемых систем

калибровки с помощью критериев технологичности приведен на рис. 2 и 3.

0,6 -

8 О

о

Н 4 О

о « к о

аЗ О О« д

и «

13

я я

•е

т

о «

Рис. 2. Неравномерность формоизменения для различных систем калибровок 11-я система калибровки; И 2-я система калибровки;  3-я система калибровки

Из рис. 3 видно, что для первой системы калибровки наибольшая эффективность формоизме-

Критерии технологичности (^иэф и ^инфХ увязанные с компонентами матриц, позволили совер-

................"""г"1

9 10 11 12 13 14 15

Номер клети

Рис. 3. Эффективность формоизменения для различных систем калибровок 1-я система калибровки; — — 2-я система калибровки; — - - 3-я система калибровки

нения приходится на 4^9-ю клети, а для третьей системы формоизменение наиболее эффективно в первых клетях стана. Вторая система калибровки характеризуется более равномерным формоизменением по сравнению с первой и третьей системами калибровки.

шенствовать калибровки для металлов, чувствительных к неравномерности деформации по контуру калибра. В частности, использование критерия КШФ позволило откорректировать контуры калибров с высоким коэффициентом неравномерности, минимизировав тем самым неравномер-

ность деформации по контуру. Кроме того, перераспределение деформации по контуру калибра позволило снизить количество окалины на поверхности готового профиля, что улучшило степень очистки круглого профиля при последующих операциях подготовки поверхности к волочению.

Оптимизация профилей калибров, проведенная с использованием данного критерия, позволила разработать усовершенствованную систему калибровки при производстве круглого сортового проката из шарикоподшипниковых сталей, предназначенного для производства ответственных изделий машиностроения.

Кроме того, представленные критерии позволили аналитически определить минимально допустимую кратность обжатий (вытяжку) для различных марок стали, обеспечивающих получение профилей с соблюдением требований нормативной документации для различных групп марок стали (рис. 4).

Исследования, проведенные на стане 250 ОАО «Северсталь»1 с использованием предложенных критериев позволили выявить оптимальную схему деформирования, при использовании которой

обеспечивается равномерная деформация по клетям, хорошая прорабатываемость структуры, наименьшая вероятность образования дефектов и минимальное количество окалины на поверхности полосы.

Для обеспечения оптимального сочетания качественных показателей сортового проката необходимо при его прокатке сформировать его оптимальную структуру. Использование достоверного математического аппарата изменений в структуре металлов в значительной степени упрощает задачу определения основных механических характеристик готовых изделий. Кроме того, моделирование структурных изменений является основой прогнозирования свойств металлов при его пластической и термомеханической обработке.

Зеренная структура металла имеет вид, представленный на рис. 5. Изменения пространственной формы и взаиморасположения зерен характеризуются следующими параметрами:

- продольными ) и поперечными (Д) размерами зерен, мкм;

, А+А

- средним размером зерна а, = —--, мкм;

Вытяжка

Рис. 4. Зависимость допустимого минимального диаметра сортового проката от вытяжки для НЛСЗ различного размера поперечного сечения

коэффициентом анизотропии формы зерна

Исследования проводились с участием канд. техн. на-ук В. А. Монида. 134

-углом отклонения продольной оси зерна от оси изделия (ср, ), град.

Рис. 5. Схема расположения зерен

Проведенный анализ [3] изменений геометрических параметров структуры металла при наклепе, частичной рекристаллизации и полной рекристаллизации во время многоэтапной сортовой прокатки и межклетевой изотермической выдержки позволил на основе статистических методов обработки данных разработать методику прогнозирования изменений геометрических характеристик зерен металла в процессе пластической деформации, которая может быть представлена в виде последовательности следующих шагов.

1. Проведение статистического исследования структуры исходного материала (до деформации);

определение среднего размера зерна а1н, среднего

коэффициента анизотропии формы зерна кн, среднего значения угла отклонения продольной оси зерна от оси изделия фн.

2. Вычисление средних значений геометрических параметров зерна после деформации, пользуясь отношениями:

где с/к - средний размер зерна металла после деформации; кК - средний коэффициент анизотропии формы зерна после деформации; фк - средний угол отклонения продольной оси зерна металла от оси изделия после деформации; 8 - степень деформации; А - коэффициент, зависящий от марки стали (определяется экспериментально).

3. Определение параметров статистического распределения геометрических характеристик зерен после деформации:

- для размеров зерен - параметры нормального распределения по формулам

а « а?к, а я — ;

4

- для коэффициентов анизотропии - параметры нормального распределения по формулам

Тк а

а « к , а » — ;

4

- для углов отклонения - параметры распределения Лапласа по формулам

_к 90 - а , о =- .

5

4. Построение функций плотности распределения этих характеристик для деформированной структуры:

-для размеров зерен и коэффициентов анизотропии формы по формуле

/00 =

1

ехр

(х - а)2

к' =

2

Ае 3

-к":

(1-е)2 А2 г3

^^-а-ю^-о-в)

(1-е) А2 г3

1

фн

-1-

4 " 4

(1-8)Л2 83 (1 -£)/|283

+ 1ёфН

= 0,

-для углов отклонения продольной оси зерна от оси изделия по формуле

стТ2

ехр

-J2\x-i

а

При разработке описанной математической модели использована известная методика анализа зеренной структуры аустенита при горячей прокатке [4], позволяющая фиксировать, измерять и анализировать структуру, сформировавшуюся на отдельных стадиях горячего деформирования.

Расчет характеристик продеформированной

структуры б?кДк,фк, а также плотности распределения этих параметров был сопоставлен с экспериментальными данными (рис. 6), что позволяет использовать полученные характеристики при прогнозировании механических характеристик

0.15"

0.1"

0.05"

Рис. 6. Графики функций плотности распределения вероятностей размера

зерна с1к стали ШХ-15: /(^-построена по экспериментальным данным, ф(*) — получена с помощью отношений

труднодеформируемых материалов при их пластической деформации.

Результаты внедрения новых схем формоизменения и новых способов анализа структуры в СПЦ ОАО «Северсталь» позволили существенно снизить количество дефектов металлургического и

прокатного происхождения. Это подтверждают исследования структуры и свойств проволоки из стали ШХ-15 для тел вращения, изготовленной по усовершенствованной технологии [5].

Производство шариков и других тел вращения для подшипников традиционно является сложным, многоступенчатым процессом. Отработанная технология их изготовления включает выплавку стали в электропечах с последующим вакуумирова-нием, прокатку на блюмингах, непрерывно-заготовочных и сортовых станах, калибровку на калибровочных линиях и собственно изготовление тел вращения и подшипников. Данная «классическая» технология предполагает использование катаной заготовки для сортовых станов, что гарантирует необходимую степень деформации металла.

В 2005-2006 гг. на ОАО «Северсталь» и ОАО «Череповецкий сталепрокатный завод» проходила опытно-промышленное освоение технология производства калиброванного металла из сталей ШХ-15В ГОСТа 801-78 и тел вращения из этого металла, полученного из непрерывно-литой заготовки.

Для производства непрерывно-литых заготовок с размерами поперечного сечения 150 х 150 применялся технологический маршрут, включающий сталеплавильную печь, печь-ковш, вакуум-дегазатор и МНЛЗ фирмы «Текинг-Рокоп». Исследования дефектов макро- и микроструктуры непрерывно-литой заготовки под прокатку показали полное соответствие металла действующей нормативной документации.

При отработке новой технологии производства круглого сортового проката диаметрами 8 и 9 мм особое внимание было уделено трансформации макро- и микроструктуры металла, выкатываемо-сти дефектов на прокатном переделе. Для совершенствования технологии и получения сортового проката высокого качества были применены схемы деформации, разработанные с использованием критериев неравномерности и эффективности. Для анализа и прогнозирования микроструктуры использовалась методика, приведенная выше.

Результаты контроля микроструктуры представлены в таблице.

Таблица

Микроструктура сортового проката из НЛСЗ

Заготовка Карбидная сетка Карбидная ликвация Структурная полосчатость Сульфиды Оксиды Гло-були

Максимальный балл

ШХ15-В (диам. 8 мм) 3,0 1,0 1,0 1,5

ШХ15-В (диам. 9 мм) 3,0 0,5 2,5 1,0 1,0 1,5

Не более

Требования ГОСТа 801-78 3,0 3,0 4,0 2,0 2,0 2,0

Как видно из таблицы, загрязненность стали неметаллическими включениями и характеристики карбидной неоднородности находятся в допустимых пределах.

Еще одним показателем качественных изменений сортового проката, полученного по усовер-

шенствованной технологии, являются данные по обрывности калиброванного металла при его последующем изготовлении. Удалось существенно снизить обрывность проволоки, исключив из причин обрывов большинство дефектов металлургического и прокатного происхождения (рис. 7).

Переработка данного металла на ОАО «ЧСПЗ» проходила по отработанной технологии, включающей следующие операции:

-подготовка поверхности к сфероидизирую-щему отжигу;

- сфероидизирующий отжиг;

- подготовка поверхности к волочению;

-калибровка на размеры 8,1 мм и 7,1 мм соответственно;

- контроль качества поверхности, испытание на излом;

- рекристаллизационный отжиг;

-аттестация калиброванного металла на соответствие требованиям ГОСТа 801-78.

Готовая продукция по всем показателям соответствовала требованиям ГОСТа 801-78. Однако ввиду того, что из данного калиброванного металла производится продукция ответственного назна-

Тип заготовки

Рис. 7. Средняя обрывность калиброванного металла 0 8,1 и 7,1 мм из ШХ-15, полученной из пазличной заготовки:

1 - катанка, полученная из слитка;

И 2 - катанка, полученная из НЛСЗ квадрат 100 («рядовая» калибровка);

3 - катанка, полученная из НЛСЗ квадрат 100 («усовершенствованная» калибровка);

а 4 - катанка, полученная из НЛСЗ квадрат 150

чения, испытания были продолжены на ЗАО «Вологодский подшипниковый завод». На заводе из калиброванного металла диаметром 7,1 мм и 8,1 мм была изготовлена партия подшипников 6206.Р6(^6, 6207.Р6С>6. Данная партия была подвергнута испытаниям по методике М.В.9001.8.2.4.027.062-2002 «Проведение стендовых испытаний подшипников специального применения».

Подшипники, изготовленные по разработанной технологии, прошли успешное испытание на стендах на длительную стойкость. Они уверенно отработали без разрушения срок, значительно превышающий базовую номинальную долговечность.

Таким образом, впервые в России освоено производство горячекатаного проката подшипниковой стали, изготовленного из непрерывно-литой заготовки и предназначенного для изготовления шариков подшипников качения.

Выводы

Для анализа процесса формоизменения труд-нодеформируемых материалов предложены и реализованы показатели интегральной неравномерности и интегральной эффективности формоизменения, учитывающие особенности формы контуров калибров и сечений проката. Математическая модель формоизменения труднодеформируемых материалов адаптирована для условий сортопрокатных станов ОАО «Северсталь».

Разработаны новые варианты калибровки валков клетей среднесортного стана 250, обеспечивающие производство в этих клетях качественного сортового проката для производства тел вращения подшипников качения. По результатам исследова-

ний в сортопрокатном цехе ОАО «Северсталь» реализован процесс прокатки из непрерывно-литых заготовок круглых профилей из рядовых, качественных и труднодеформируемых сталей.

Эффективность новых технологических решений подтверждена результатами внедрения их в производство в сортопрокатном цехе ОАО «Северсталь», а также результатами исследований проволоки и калиброванного металла, полученных из HJ1C3, проведенными в том числе и сторонними исследователями.

Список литературы

1. Виноградов А. И., Монид В. А. Совершенствование технологии производства качественного сортового проката из непрерывно-литой заготовки. - Череповец: ЧГУ, 2008.

2. Луценко А. Н., Тулупов О. Н., Виноградов А. И., Монид В. А. Повышение качества сортовых профилей, прокатываемых из непрерывно-литой заготовки, на основе век-торно-матричной модели формоизменения металла // Производство проката. - 2006. - № 8. - С. 23 - 28.

3. Виноградов А. И., Сарычева И. А. Матричная модель изменения структуры деформируемого металла // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования». Вологда, 10-12 ноября 2007 г. - Вологда, 2007. -С. 66 - 70.

4. Моляров В. Г. Геометрическая модель измельчения зеренной структуры в результате рекристаллизации горячекатаной стали // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. - № 9.

5. Зиборов А. В., Луценко А. Н., Балдаев Б. Я. и др. Производство проката подшипниковой стали из непрерыв-но-литой заготовки // Производство проката. - 2006. - № 4. -С. 15-18.

Виноградов Алексей Иванович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Машины и агрегаты металлургических заводов» Череповецкого государственного университета. Тел.: 8(8202) 51-83-05; e-mail: vai@chsu.ru

Vinogradov Alexey Ivanovich - Candidate of Science (Technology), Head of the Department of Machines and Aggregates in Metallurgical Plants, Cherepovets State University. Tel.: 8(8202) 51-83-05; e-mail: vai@chsu.ru