CC BY
20
УДК 621.771.25:669.017:669.15
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ БУНТОВОГО ПРОКАТА НА УСТАНОВКЕ ОЬЕЕБЬЕ 3500
Сычков А.Б., Малашкин С.О., Камалова Г.Я., Шекшеев М.А., Барышников М.П., Ишимов А.С.
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Россия
Введение
Основными технологическими параметрами двустадийного охлаждения на линии Stelmor является температура аустенитизации, эквивалентная на линиях Stelmor температуре виткообразования, и скорость охлаждения на воздушной стадии охлаждения с применением интенсивного вентиляторного воздуха. Температура аустенитизации варьируется в пределах 900-980 оС. Скорость охлаждения на поверхности бунтового проката на стандартных линиях Stelmor невысокая - до 15-20 оС/с. При этом слои металла от поверхности к центру поперечного сечения охлаждаются в меньшей степени. В соответствии с этим, в разных участках по радиусу формируется и различная микроструктура. С увеличением диаметра высокоуглеродистого проката это выражается в снижении степени сорбитизации металла к середине сечения. Эта проблема исходит от маломощности вентиляторных систем воздушного охлаждения действующих линий двустадийного охлаждения. Поэтому не всегда удается равномерно охладить прокат по поперечному сечению, особенно крупных диаметров, а в структуре присутствуют избыточное содержание нежелательных структур феррита или цементита. Вследствие вышеуказанного, актуален вопрос о модернизации действующего оборудования на линии Stelmor в направлении увеличения мощности и эффективности распределения воздушных потоков по ширине транспортера витков с повышением КПД воздушной системы охлаждения (примерно с 30 до 95 %) [1-8].
В процессе двустадийного охлаждения на линии Stelmor необходимо выбрать рациональный режим охлаждения проката на водяной и воздушной стадиях охлаждения, а именно, температуру виткообразования (аустенитизации) и скорость воздушного охлаждения при вентиляторном охлаждении.
В настоящей статье рассмотрен актуальный вопрос получения путем интенсивного воздушного охлаждения однородной сорбитизированной структуры и свойств высокоуглеродистого проката в бунтах большого диаметра (16 мм). Для этого использовался способ физического моделирования на установке температурно-деформационного имитационного моделирования GLEEBLE 3500 [9-11].
Теория, материалы и методы исследования, технические и технологические разработки
Предметом исследования является прокат в бунтах большого диаметра (до 16 мм) для изготовления профилированной проволоки диаметром 9,6 мм низкой релаксационной способности для армирования железобетонных шпал нового поколения [12] из микролегированной бором стали марки 80Р. Для такого проката в бунтах требуется максимально возможное
5
наличие в структуре сорбитообразного перлита 1 балла по ГОСТ 8233-56, однородно и равномерно распределенного по поперечному сечению проката. Это может быть обеспечено интенсивным и равномерным воздушным охлаждением на линии Stelmor. Однако, традиционная технология термической обработки (ТО) катанки диаметром 16 мм из стали марки 80Р на линии «стандартный» Stelmor в условиях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» представляет собой водяное охлаждение до температуры виткообразования (аустенити-зации) 840-880 оС с дальнейшим воздушным вентиляторным охлаждением витков катанки 15-тью вентиляторами мощностью по 110 кВт при скорости роликового транспортера 0,15 м/с. Такой вариант технологии ТО не обеспечивал получения однородной структуры сорбитообразного перлита 1 балла по ГОСТ 8233-56, в связи с низкими мощностью и КПД вентиляторных систем. На практике микроструктура проката состоит на поверхности из перлита 1 балла в количестве 30-40 %, а в центре сечения - 10-20 %. Требования НД - обеспечение количества сорбитообразного и тонкодисперсного перлита по всему сечению в количестве не менее 70 %. Нами были предоставлены рекомендации, заключающиеся в увеличении температуры аустенитизации до 950-980 оС; скорости роликового транспортера до 0,5-0,8 м/с и заменой вентиляторов на новые мощностью до 200-220 кВт с КПД 90-95 % вместо 30-35 %, которые должны обеспечить требуемый эффект [4-6].
Проверку эффективности предложенной технологии термической обработки катанки на линии Stelmor осуществляли при помощи физического моделирования параметров такой обработки на установке Gleeble 3500 в условиях НИИ Наносталей «МГТУ им. Г.И. Носова».
Алгоритм охлаждения опытных образцов на установке Gleeble 3500 (внешний вид и испытательная камера установки см. в работах [9-11]) следующий:
1. Тип и размеры испытательного образца представлен на рис. 1. Допускается обточка образца диаметром 16 мм до минус 2 мм для обеспечения геометрии профиля для надежного захвата концов образца в горизонтальной плоскости медными зажимами установки.
—* —
45
Рис. 1. Схема испытательного образца бунтового проката диаметром 16 мм для установки ИееЫе 3500
2. Для замера температурно-временных параметров нагрева и охлаждения опытных образцов к центральной части цилиндрической части поверхности в просверленные по заданной схеме отверстия посередине сечения или с торцевой части привариваются хромель-алюмелевые термопары, места приварки теплоизолируются специальным клеящим огнеупорным составом.
3. Режимы нагрева и охлаждения испытательных образцов были следующие:
- время нагрева до температуры 980 оС составляло до 4 мин;
- время выдержки при указанной выше температуре - 2-4 мин;
- интенсивность охлаждения серединного сечения варьировалась давлением воздуха, равного 20, 30, 40 и 60 psi (соответственно - 140, 210, 280 и 420 Па), что обеспечивало следующие скорости охлаждения поверхностного слоя - примерно 15-32, 20-39, 23-43 и 2547 оС/с.
Типовые кривые охлаждения испытательных образцов представлены на рис. 2. Диапазон температур фазовых превращений с теплом рекалесценции составил 550-625 оС.
Данное исследование проводилось с целью определения оптимальной интенсивности охлаждения, при которой достигается однородная структура по сечению проката. Было осуществлено несколько опытных режимов.
Режим 1 (рис. 3): электроконтактный нагрев - до 980 оС, выдержка - 2 мин и охлаждение - со скоростью 24 оС/с. Такой режим охлаждения приближен к требуемой интенсивности охлаждения при производстве катанки из стали марки 80Р. На поверхности поперечного сечения катанки наблюдаются колонии перлита 1 балла в количестве 60-70 %, окруженные разорванной сеткой феррита и небольшими участками феррита в виде игл по границам колоний. В центре сечения доля перлита первого балла составляет 60-70 % с наличием перлита 23 балла и участками феррита.
Рис. 2. Кривые охлаждения опытных образцов проката в бунтах диаметром 16 мм
а) б)
Рис. 3. Микроструктура стали марки 80Р, охлажденной по режиму № 1:
а - поверхность; б - центр
Режим 2 (рис. 4): электроконтактный нагрев - до 980 оС, выдержка - 2 мин и охлаждение со скоростью 31 оС/с. На поверхности доля перлита 1 балла составляет 70-80 %, наблюдается разорванная ферритная сетка. В центре доля перлита равняется 60-70 % с наличием перлита 2-3 балла и участками феррита.
90 мкм ........... 90 мкм
а) б)
Рис. 4. Микроструктура стали марки 80Р, охлажденной по режиму № 2:
а - поверхность, б - центр
Режим 3 (рис. 5): электроконтактный нагрев - до 980 оС, выдержка - 2 мин и охлаждение со скоростью 41 оС/с. На поверхности доля перлита 1 балла - 70 %, 10 % перлита 2 балла, 10 % троостосорбит и наблюдается разорванная сетка феррита и участки бейнита. В центре доля перлита составляет 60-70 % с наличием перлита 2-3 балла и участками феррита.
а) б)
Рис. 5. Микроструктура стали марки 80Р, охлажденной по режиму № 3:
а - поверхность; б - центр
Скорость воздушного охлаждения, равная 24, 31 и 41 оС/с обеспечивается на установке Gleeble 3500 давлением воздушного обдува на уровне 20, 30 и 40 psi (140, 210 и 280 Па), соответственно.
Опробование предложенных режимов по результатам физического моделирования и металлографический анализ (рис. 6) показали, что по сравнению с резко неоднородной структурой проката диаметром 16 мм, произведенной по традиционной схеме обработки на линии Stelmor (tB/y = 840-880 оС, Утр = 0,15 м/с, в работе 14 вентиляторов) и измененной технологической схемой (¿в/у = 840-880 оС, Утр = 0,15 м/с, все вентиляторы отключены -фактически это режим прокатной нормализации), опытный режим (¿в/у = 900-940 оС, Утр =
0,5-0,8 м/с, в работе 14 вентиляторов с максимальной нагрузкой) характеризуется максимальной однородностью структуры, высокой дисперсностью перлита: межпластинчатое расстояние в перлите по режимам, соответственно составило 0,28 мкм при прокатной нормализации; 0,23 мкм при скорости транспортера 0,5 м/с и повышенной температурой виткообра-зования и охлаждении вентиляторами; 0,15 мкм при скорости транспортера 0,8 м/с и повышенной температурой виткообразования и охлаждении вентиляторами [4, 5].
Рис. 6. Микроструктура стали марки 80Р: а) микроструктура по действующему режиму охлаждения (0,30 мкм); б) микроструктура по рекомендованному режиму охлаждения (0,15 мкм)
Результаты исследования и их обсуждение
Проведенное физическое моделирование бунтового проката диаметром 16 мм из стали марки 80Р установило, что оптимальное охлаждение происходит с интенсивностью 31 оС/с, когда в долевом соотношении разница количества перлита 1 балла между поверхностью и центром составляет не более 10 %. При этом данная интенсивность охлаждения обеспечивает наибольший процент диффузионного превращения в структуре (60-80 %). Наличие прожилок феррита свойственно стали эвтектоидного состава после эффективного охлаждения. Кроме того, режим № 2 является наилучшим, с точки зрения отсутствия трооститных и бейнитных участков, которые ухудшают пластические свойства проката, в отличие от режима № 3.
Заключение
Физическим моделированием на установке ИееЫе 3500 определен эффективный режим воздушного охлаждения катанки диаметром 16 мм из высокоуглеродистой стали марки 80Р, обеспечивающий наличие в структуре однородного (разброс количества перлита первого балла в поверхностных слоях и центре поперечного сечения проката не более 10 %) мелкодисперсного сорбитообразного перлита, который обладает оптимальным сочетанием прочностных и пластических характеристик, высокой способностью к деформированию. При производстве катанки из стали марки 80Р крупного диаметра (до 16 мм) необходимо обеспечить интенсивное воздушное охлаждение со скоростью порядка 31 оС/с с температуры ау-стенитизации 980 оС.
Эффективность физического моделирования подтверждена опытно-промышленным опробованием предложенных режимов ТО.
Список литературы
1. Повышение равномерности охлаждения витков катанки на роликовом транспортере современного проволочного стана / А.А. Горбанев, В.В. Филиппов, С.М. Жучков и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2002. № 3. С. 44-47.
2. Евтеев Е.А., Клековкин А.А., Подольский Б.Г. Реконструкция участка воздушного охлаждения катанки стана 150 // Сталь. 2010. № 3. С. 63-66.
3. Участок охлаждения катанки / Е.А. Евтеев, А.А. Горбанев, Б.Г. Подольский и др. Патент РФ № 2116849 от 10.08.1998. 7 с.
4. Усовершенствование сквозной технологии производства бунтового проката из стали марки 80Р в условиях ОАО «ММК» / А.Г. Корчунов, В.А. Бигеев, А.Б. Сычков и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013. № 2 (42). С. 29-35.
5. Особенности технологии производств высокоуглеродистой катанки / А.Б. Сычков, В.В. Парусов, Ю.А. Ивин и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1(45). С. 38-42.
6. Сычков А.Б., Малашкин С.О., Жигарев М.А. Развитие устройств и способов для термической обработки катанки // Сталь. 2015. № 10. С. 50-54.
7. Парусов В.В., Сычков А.Б., Парусов Э.В. Теоретические и технологические основы производства высокоэффективных видов катанки. Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2012. 376 с.
8. Металлургические и металловедческие аспекты производства высокоуглеродистой катанки. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. 257 с.
9. Использование комплекса Gleeble 3500 для определения критических точек микролегированной стали 80Р / Д.М. Чукин, А.И. Мешкова, А.С. Ишимов, М.С. Жеребцов // Между-нар. науч.-исследов. 2012. № 5-2 (5). С. 131-133.
10. Рекомендации по снижению насыщения водородом металла слябов на основе результатов физического моделирования / В.А. Бигеев, А.О. Николаев, А.Б. Сычков, М.А. Шекшеев, Д.М. Чукин // Металлург. 2016. № 2. С. 42-45.
11. Recommendation on alleviating the saturation of slab metal by hydrogen based on result of physical modeling / V.A. Bigeev, A.O. Nikolaev, A.B. Sychkov, M.A. Shecsheev, D.M. Chukin // Metallurgist. 2016. Vol. 60. Issue 1-2, May. P. 164-169.
12. Производство высокопрочной стальной арматуры для железобетонных шпал нового поколения / Под общей редакцией М.В. Чукина. М.: Металлургиздат, 2014. 276 с.
УДК 621.778.371
ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ КРУГЛЫХ ПРУТКОВ Паршина А.А.
ФГАОУВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина». г. Екатеринбург, Россия.
Определение энергосиловых параметров волочения необходимо для проектирования этого процесса, и, в частности, для построения маршрутов волочения, определения запаса прочности конца прутка, выходящего из волоки, нахождения и минимизации энергозатрат,
10
