CC BY
50
Sobolev Yakov Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, Yasobo-lev@ mail.ru, Russia, Moscow, University of Engineering
Krivko Georgiy Georgievich, head of division, info@, tmnpo. ru, Russia, Moscow, NPO "Technomash"
Vaicehovich Sergey Michailovich, candidate of technical sciences, head of sector, info@,tmnpo. ru, Russia, Moscow, NPO "Technomash "
УДК 621.77
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРОИЗВОДСТВА НА СВОЙСТВА КАТАНКИ ДИАМЕТРОМ 16,5 ММ ИЗ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОСАДКИ
К.Б. Лабер, Х.С. Дыя, С.З. Савицкий
Представлены результаты исследований влияния технологических условий производственного процесса на свойства катанки из стали для холодной осадки. Исследования были проведены для катанки диаметром 16,5 мм из стали 20МпВ4. Проанализированы условия многоэтапного контроллированного ускоренного охлаждения полосы непосредственно в потоке стана и после процеса прокатки на рольганге 8ТЕЬМОЯ. Область проведенных в работе исследований включала также анализ влияния применяемых условий охлаждения на температуру, микроструктуру и свойства исследуемой марки стали. Также представлены результаты холодной осадки исследуемого материала с целью определения его склонности к дальнейшей холодной деформации.
Ключевые слова: прокатка катанки, сталь для холодной осадки, микроструктура, механические свойства, условия прокатки.
1. Введение. Удержание доминирующей позиции на рынке производства катанки является возможным только при постоянном расширении сортамента и улучшения качества продукции по механическим свойствам и точности размеров [1].
По мнению авторов работы [1], существующие в стране технологические линии и применяемая на них технология продукции в настоящее время не позволяет изготовлять катанку, соответствующую постоянно увеличивающимся требованиям потребителей по уровню и стабильности ме-
73
ханических свойств, т.е. катанки с уровнем свойств, соответствующим мировому.
Одним из важнейших параметров процесса прокатки является температура деформируемой полосы. Знание и возможность управления распределением температуры в материале на каждом этапе прокатки позволяет проводить прокатку так, чтобы получить изделие с заданной микроструктурой и уровнем механических свойств, что подтверждают результаты работ [2-4]. На распределение температуры полосы в процессе прокатки влияет много факторов, среди них величина деформации, условия теплообмена и способ ее охлаждения в разных устройствах. Точное определение условий теплообмена, коэффициентов теплообмена и температуры на каждом этапе прокатки является существенным, но сложным заданием. Это определено деформацией и сложными условиями теплообмена [5].
Катанку из стали для холодной осадки применяют для изготовления соединительных элементов, таких, как шурупы, гайки, болты и другие. Катаные изделия из этих сталей должны характеризоваться однородной микроструктурой и постоянными механическими свойствами наравне с высоким качеством поверхности и малыми отклонениями по размерам, а также хорошей склонностью к дальнейшей холодной деформации (глубокой осадке). Эти стали должны быть легко свариваемы (основной способ соединения) и должны обеспечить дешевое производство изделий сложной формы без дефектов [6].
Склонность стали к пластической деформации определяют при осадке. Катанка этого типа должна характеризоваться относительной пластической деформацией минимум 0,5 и показателем высоты образца после осадки 50 % [7]. В связи с постоянно растущими требованиями потребителей необходимо стремиться к постоянному повышению свойств изготавливаемой катанки.
2. Цель и область работы. Целью работы был анализ влияния технологических процессов на свойства катанки диаметром 16,5 мм из стали для холодной осадки для технологических условий одного из цехов прокатки катанки. В качестве материала для исследований использовали стали 20МпВ4 [8].
В работе были проанализированы параметры многоэтапного контролированного охлаждения полосы в процессе прокатки катанки, влияния величины потоков охлаждающей среды в процессе прокатки катанки и его давление в устройствах для ускоренного и контролированного охлаждения полосы непосредственно в потоке стана, а также параметры охлаждения катанки на рольганге 8ТЕЬМОЯ.
Область проведенных исследований охватила также анализ влияния условий охлаждения на температуру, свойства и микроструктуру исследуемой стали. Механические свойства анализируемой марки стали были
определены в статическом испытании на растяжение на разрывной машине Zwick Z/100, металлографические исследования были проведены на микроскопе Nikon Eclipse MA-200.
На последнем этапе исследований была проведена осадка исследуемой марки стали с целью определения ее склонности к дальнейшей холодной пластической деформации. Эти исследования были проведены на прессе PWH-250r.
3. Характеристика анализируемого цеха прокатки катанки. В анализируемом цеху является возможным проводить прокатку при больших скоростях деформации аж до 120 м/с. При прокатке катанки из стали 20MnB4 диаметром 16,5 мм скорость прокатки в последней прокатной клети составляет 20 м/с. В качестве садки используют полосу из непрерывного среднего стана (с температурой 1050 °C (рис. 1 (P1) - для анализируемого процесса). Цех оборудован устройством для охлаждения полосы путем распыления воды непосредственно в потоке стана. Первая охладительная зона расположена после черновой прокатки на непрерывном среднем стане. Заданием этой зоны является охлаждение полосы перед входом в 10-клетьевой прокатный блок. Заданием следующей охладительной зоны, расположенной после 10-клетьевого прокатного блока, является снижение температуры полосы перед следующим этапом прокатки в 4-клетьевом чистовым блоком.
Между чистовым блоком и устройством для наматывания катанки в бунты находится третья охладительная зона. Все устройства для охлаждения водным распылением оборудованы индивидуальным пультом управления. Прокатная линия заканчивается холодильной установкой STELMOR, которая характеризуется большим диапазоном управления параметрами работы. Регулируемое водное охлаждение в потоке стана и управлением воздушным охлаждением путем изменения длины области обдувания на рольганге STELMOR, так же, как и плавное регулирование количества подаваемого воздуха, позволяет управлять микроструктурой и свойствами изготавливаемой катанки в широком диапазоне.
Общая схема расположения устройств в анализируемом прокатном цеху представлена на рис. 1.
4. Анализ результатов исследований. Для анализа параметров многоэтапного контролированного охлаждения полосы в процессе прокатки катанки диаметром 16,5 мм из стали 20MnB4 было использовано специальное программное обеспечение, установленное в цеху, регистрирующее все параметры процесса прокатки.
Изменение температуры поверхности полосы, среднее давление и величина потоков охлаждающей среды в первой зоне представлено на рис. 2 - 4.
Последняя прокатная клеть непрерывного среднего стана
Рис. 1. Общая схема расположения установок в анализируемом прокатном цеху: Р1-Р8 - места измерения температуры прокатываемой полосы
О 1100 - 1050
го
а >
I-
гс а 0 с
0
1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550
,. 1
"1 V*
г" г к М
0 2000
-Пирометр на входе
4000
6000
Пирометр на выходе
8000 10000 12000 -Фотокамера на входе Время 1, [с]
Рис. 2. Изменение температуры поверхности полосы в зоне охлаждения № 1
а.
гс
сь о
ГС С1
5.5 5.25 5
4.75 4.5 4.25 4
3.75 Н 3.5 3.25 3
2.75 2.5
0
2000
4000
6000
8000
— зона охлаждения №1
— Фотокамера на входе
10000 12000
Время 1 [с]
Рис. 3. Изменение давления воды в зоне охлаждения № 1
2000
4000
6000
8000
10000 12000
-зона охлаждения №1
■ Фотокамера на входе
Время [с]
Рис. 4. Изменение потока воды в зоне охлаждения № 1
Средние значения анализируемых параметров процесса ускоренного охлаждения в каждой зоне представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры процессы многоэтапного охлаждения полосы в процессе прокатки катанки диаметром 16, мм из стали 20МпВ4
0
Зона охлаждения 1 2 3
Давление Р, бар 3,66 4,35 0,14
Поток Б, л/мин 1541 1725 41
Температура вход 1041(Р2) 928(Р4) 858 (Р6)
Т, 0С выход 932 (Р3) 865 (Р5) 859 (Р7)
где ( ) - места измерения температуры согласно рис. 1
Проанализировав представленные на рис. 2 - 4 и в табл. 1 данные, можно сделать вывод о том, что в процессе прокатки катанки диаметром 16,5 мм из стали 20МпВ4 среднее давление воды в первой зоне охлаждения составляет 3,66 бар, а средняя величина потока воды на уровне 1541 л/мин. Средняя температура поверхности полосы перед первой зоной охлаждения составила 1041 °С, на выходе из зоны температура снизилась до уровня 932 °С.
Анализируя данные по зоне охлаждения № 2, можно сделать вывод о том, что в процессе прокатки среднее давление воды составило 4,35 бара, а средняя величина потока воды - 1725 л/мин. Средняя температура поверхности полосы на входе в зону охлаждения составила 928 °С, а на выходе из зоны снизилась до 865 °С.
Для зоны охлаждения № 3 видно, что при прокатке катанки из стали 20МпВ4 диаметром 16,5 мм эта зона не была задействована в ускоренном охлаждении полосы.
Из полученных результатов следует, что установленные в цеху устройства для ускоренного охлаждения не были использованы в полной ме-
77
ре. В данном случае для ускоренного контролированного охлаждения были задействованы только две зоны охлаждения.
На рис. 5 представлена термограмма распределения температуры катанки диаметром 16,5 мм из стали 20МпВ4 перед устройством для сматывания катанки, которое расположено на входе в рольганг 8ТЕЬМОЯ. На основании анализа данных, представленных на рис. 5, можно сделать вывод о том, что средняя температура поверхности катанки на входе в рольганг 8ТЕЬМОЯ составила 860 °С (см. рис. 1, (Р8)).
Охлаждение анализируемой марки стали на линии 8ТЕЬМОЯ проводилось при опущенных покровах и выключенных вентиляторах.
Рис. 5. Термограмма распределения температуры катанки диаметром 16,5 мм из стали 20МпВ4 перед сматывающим устройством
На рис. 6 представлена микроструктура готовой катанки.
Шшшшшмшй
J^rKii ¿J $ № J _ _
Рис. 6. Микроструктура катанки диматером 16,5 мм из стали 20МпВ4: а - поперечное сечение; б - продольное сечение
Средняя величина зерна феррита была рассчитана на основании фотографий микроструктуры, выполненных в пунктах, обозначенных на рис. 7 на шлифе поперечного сечения катанки, на основании польской нормы PN-EN ISO 643 [9]. Результаты расчетов представлены в табл. 2.
Рис. 7. Поперечное сечение катанки диаметром 16,5 мм с нанесенными точками измерения величины зерна
Таблица 2
Распределение величины зерна феррита в катанке диаметром 16,5 мм
Место измерения 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Среднее
Величина зерна феррита 0„ [|т] 22,2 21,2 20,8 19,4 17,5 22,2 20,4 19,5 18,1 21,0 19,8 18,8 17,7 19,9
Из проведенных металлографических исследований видно, что полученная катанка имеет неоднородную перлитно-ферритную структуру, а средний размер зерна феррита в поперечном сечении составляет 20 мкм.
Полученная катанка из стали 20МпВ4 имеет полосчатую структуру, которая характеризуется ферритом и перлитом, расположенными полосами попеременно. Причиной возникновения полосчатости может быть недостаточно быстрое охлаждение катанки, которое влияет на диффузию углерода в структуре и появлению больших полос феррита. С целью уменьшения этого дефекта следует увеличить скорость охлаждения полосы, уменьшая время диффузии углерода. Стали с полосчатой структурой характеризуются анизотропией свойств, снижая качество готового изделия.
На следующем этапе были проведены исследования механических свойств катанки диаметром 16,5 мм из стали 20МпВ4, изготовленной по технологии прокатки, соответствующей польской норме РК-ЕК 1000-1 [10]. Средние значения некоторых механических свойств представлены в табл.3.
Следующий этап исследований заключался в определении способности данной марки стали к дальнейшей холодной деформации. С этой целью были проведены испытания холодной осадки по польской норме РК-83/Н-04411 [7]. Исследования проводили на образцах начальной высоты 1,5Б и 2,0Б, где Б - диаметр готового изделия.
Согласно актуальной норме [7] катанка из стали для холодной осадки должна характеризоваться относительной деформацией минимум 50 % и показателем высоты образца после осадки 0,5. Однако в связи с по-
вышением требований потребителей эти показатели были увеличены до 66 % относительной деформации при показателе высоты образца после осадки 0,3 и даже до 75 % при показателе высоты 0,25.
Таблица 3
Средние значения некоторых механических свойств катанки диаметром 16,5 мм 20МпВ4
Предел пластичности от, МПа Предел прочности при растяжении ов, МПа Относительное удлиннение 8, % Относительное сужение Ф, %
352 542 32,3 60,2
Общий вид образцов после холодной осадки представлен на рис. 8.
Рис. 8. Вид образцов после холодной осадки: а - образцы высотой 1,5 В; б - образцы высотой 2,0 В;
1 - относительная деформация 50 %,
2 - относительная деформация 66 %,
3 - относительная деформация 75 %
На основании результатов холоднодной осадки можно сделать вывод о том, что применяемая технология прокатки катанки диаметром 16,5 мм из стали 20МпВ4 позволяет получить свойства готового изделия, соответствующие 50 % относительной деформации. При большей степени деформации в материале появляются мелкие трещины (рис. 8), что исключает возможность дальнейшего деформирования изделия. Причинами появления этих трещин, кроме параметров процесса прокатки и охлаждения, также могут быть поверхностные дефекты, возникающие в процессе прокатки, либо дефекты металлургического происхождения. Как следует из
80
данных, предоставленных прокатным цехом, эти трещины могут достигать больших размеров. На рис. 9 представлена типичная трещина, возникшая при холодной осадке с относительной деформацией 75 %.
Рис. 9. Образец из стали 20МпВ4 после холодной осадки с относительной деформацией 75 %%
На последнем этапе были проведены исследования точности размеров готовой катанки по требованиям актуальных польских норм. Диаметр полученной по применяемой технологии катанки составил 16,7 мм. Такое отклонение соответствует требованиям актуальных норм, хотя и с положительным отклонением.
Мировая промышленная практика стремится производить прокатные изделия с отрицательным допустимым отклонением от размеров, что позволит уменьшить массу готовых изделий и сэкономить на материале [11].
5. Подведение итогов и выводы. В доступной технической литературе нет разработок, касающихся технологии прокатки катанки из стали для холодной осадки. В связи с этим обоснованным является разработка новых технологий прокатки этих марок стали, обеспечивающих получение готового изделия с требуемой микроструктурой и уровнем механических свойств, т.е. катанки, не уступающей уровню мировых производителей.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- установленная в исследуемом цеху прокатки катанки система для ускоренного контролированного охлаждения не используется в полной ме-
- производимая на данный момент катанка из стали 20МпВ4 имеет полосчатую перлитно-ферритную структуру, которая негативно влияет на свойства готового изделия;
- средний размер зерна феррита в готовом изделии, изготовленном по требованиям актуальных польских норм, составил 20 мкм;
- предел пластичности катанки составил 352 МПА, предельная прочность на растяжение - 542 МПа, относительное удлиннение - 32,3 %,
ре;
а сужение - 60,2 %;
- применяемая на данный момент технология прокатки катанки из стали 20MnB4 обеспечивает проведение дальнейшей холодной деформации с относительной деформацией 50 %. При большей относительной деформации в материале возникают трещины, которые не позволяют проводить дальнейшую обработку металла.
Научная работа профинансирована из средств Национального центра исследований и развития в 2013-2016 гг. как Проект прикладных исследований № PBS2/A5/0/2013.
Список литературы
1. Grosman F. Technologiczne aspekty walcowania walcowki z nowoczesnych stali / Grosman F. , Wozniak D. // Hutnik - Wiadomosci Hutnicze. 2002. №11. S. 408-414.
2. Laber K. Modelowanie i optymalizacja procesow regulowanego walcowania i kontrolowanego chlodzenia wyrobow walcowni bruzdowych / Laber K. // Metalurgia 2009 - Nowe technologie i osi^gni^cia. Cz?stochowa, 2009. S. 99-122.
3. Laber K. The effect of the normalizing rolling of S355J2G3 steel round bars on the selected mechanical properties of finished product / Laber K., Dyja H // Solid State Phenomena. 2010. Vol. 165. Pp. 294-299.
4. Laber K. Wplyw warunkow przyspieszonego chlodzenia w ci^gu walcowniczym na mikrostruktur? pr^tow okr^glych gladkich o srednicy 30 mm / Laber K., Dyja H., Kwapisz M.// Hutnik-Wiadomosci Hutnicze. 2011. №5. - S. 392-395.
5. Laber K. B. The influence of rolling temperature on the energy and force parameters during normalizing rolling of plain round bars / Laber K. B., Dyja H. S., Mroz S. J. // Materials Science Forum. 2010. Vol. 638-642. Pp. 2628-2633.
6. Laber K. Analysis of the technology of rolling 5,5 mm-diameter wire rod of cold upsetting steel in the morgan block mill / Laber K., Dyja H., Kalamorz M. // 11th International Symposium of Croatian Metallurgical Society „Materials and Metallurgy" SHMD'2014, June 22-26 Sibenik 2014, Croatia.
7. Polska Norma PN-83/H-04411: Proba sp?czania metali, Polski Komitet Normalizacji Miar i Jakosci, Wydawnictwa Normalizacyjne „Alfa", Warszawa 1983.
8. Polska Norma PN-EN 10263-4:2004: Stal - Walcowka, pr?ty i drut do sp?czania i wyciskania na zimno. Czesc 4: Warunki techniczne dostawy stali do ulepszania cieplnego. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 2004.
9. Polska Norma PN-EN ISO 643: Stal. Mikrograficzne okreslanie wielkosci ziarna. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 2005.
10. Polska Norma PN-EN 1000-1: Metale. Proba rozciagania. Cz?sc 1: Metoda badania w temperaturze otoczenia. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 2004.
11. Lesik L. Wytwarzanie pr?tow okr^glych w zaw?zonym zakresie tolerancji wymiarowej / Lesik L. , Mroz S., Dyja H. // Nowe Technologie i Osi^gni^cia w Metalurgii i Inzynierii Materialowej, Seria: Metalurgia. №19. Czestochowa, czerwiec 2001. S. 65-68.
Лабер Конрад, Блажей, канд. техн. наук, доц., laher'a,wip.pcz.pl, Польша, Ченстохова, Ченстоховский Технологический университет,
Дыя Хенрик Станислав, д-р техн. наук, проф. зав. кафедрой, dyja@w ip.pcz.pl, Польша, Ченстохова, Ченстоховский технологический университет,
Савицкий Сильвестр Здислав, канд. техн. наук доц., sylsaw@wip.pcz.pl Польша, Ченстохова, Ченстоховский технологический университет,
ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL CONDITIONS ON THE PROPERTIES OF 16.5 MM-DIAMETER WIRE ROD OF COLD UPSETTING STEEL
K.B. Laher, H.S. Dyja, S.Z. Sawicki
The paper presents the results of the analysis of influence of technological conditions on the properties of wire rod of cold upsetting steel. The study was carried out for 16.5 mm in diameter wire rod of the 20MnB4 steel grade. An analysis of the parameters of multistage controlled strip cooling during the rolling process, as well as in the STELMOR line has heen made in the paper. The scope of the investigations carried out encompassed also the analysis of the effect of the employed cooling conditions on the temperature, properties and microstructure of the steel under study. The paper presents also research results of the upsetting tests for the determination of the possibility of further cold working of the obtained wire rod.
Key words: wire rod rolling, cold upsetting steel, microstructure and mechanical properties, rolling conditions
Laher Konrad Btazej, associate Professor, laher@wip.pcz.pl, Poland, Czestochowa, Czestochowa University of Technology,
Dyja Henryk Stanisiaw, doctor of technical sciences, professor, head of chair dy-ja@wwip.pcz.pl, Poland, Czestochowa, Czestochowa University of Technology,
Sawicki Sylwester Zdzistaw, Associate Professor, sylsaw@wip.pcz.pl, Poland, Czes-tochowa, Czestochowa University of Technology,
