CC BY
10
Обработка металлов давлением. Технологии и машины обработки давлением Metal forming.
Technology and equipment of metal forming
Научная статья УДК 621.789
DOI: 10.14529/met220304
ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАВНОМЕРНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАТАНКИ 5,5-6,5 мм ИЗ СТАЛИ МАРОК 70-75
А.Б. Моллер, a.moller@magtu.ru
С.А. Левандовский, s.levandovsky@magtu.ru
Д.А. Назаров, seo@kolibri-group.ru
Н.А. Баранов, nikita_ram96@mail.ru
М.Е. Ишметьев, matvey280798@gmail.com
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова Магнитогорск, Россия
Аннотация. В 2019 году была проведена модернизация линии воздушного охлаждения стана 170 ПАО «ММК». Она была направлена на получение сорбитизированной катанки непосредственно на стане. Применение такой продукции позволяет отказаться от одной промежуточной операции термической обработки в процессе производства проволоки, а также повысить стабильность механических свойств готовой проволоки, производимой из такой катанки. Учитывая особенности укладки катанки на линии воздушного охлаждения за прокатным станом, со стороны метизных предприятий предъявляются следующие требования к равномерности механических свойств получаемой катанки: не более 40 Н/мм2 по длине витка, 50 Н/мм2 по длине мотка, 60 Н/мм2 по плавке. При анализе образцов проката из стали марок 70-75 диаметром 5,5-6,5 мм было выявлено, что полное соблюдение требований метизных предприятий на действующих прокатных станах затруднено. По заказу ПАО «ММК» в рамках научных исследований по освоению технологии производства катанки на линии воздушного охлаждения была разработана математическая модель, адекватность которой была доказана с помощью разработки режимов прокатки на ее базе с последующей оценкой полученной продукции. При дальнейшем анализе полученного проката было обнаружено, что произведенная по новым режимам продукция в большей степени отвечает требованиям по неравномерности механических свойств по длине витка, мотка и партии.
Ключевые слова: сортовой прокат, катанка, сорбитизация, перлит, воздушное охлаждение, временное сопротивление металла разрыву, микроструктура, балл зерна
Для цитирования: Обеспечение равномерности механических свойств катанки 5,5-6,5 мм из стали марок 70-75 / А.Б. Моллер, С.А. Левандовский, Д.А. Назаров и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2022. Т. 22, № 3. С. 48-56. DOI: 10.14529/met220304
© Моллер А.Б., Левандовский С.А., Назаров Д.А., Баранов Н.А., Ишметьев М.Е., 2022
Original article
DOI: 10.14529/met220304
ENSURING UNIFORM MECHANICAL PROPERTIES OF WIRE ROD 5.5-6.5 mm FROM STEEL GRADES 70-75
A.B. Moller, a.moller@magtu.ru
S.A. Levandovsky, s.levandovsky@magtu.ru
D.A. Nazarov, seo@kolibri-group.ru
N.A. Baranov, nikita_ram96@mail.ru
M.E. Ishmetiev, matvey280798@gmail.com
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia
Abstract. In 2019, the air-cooling line of Mill 170 of PJSC MMK was upgraded. It was aimed at obtaining sorbitized wire rod directly on the mill. The use of such products makes it possible to abandon one intermediate heat treatment operation in the wire production process, as well as to increase the stability of the mechanical properties of the finished wire produced from such wire rod. Taking into account the peculiarities of laying wire rod on the air cooling line behind the rolling mill, the hardware enterprises impose the following requirements on the uniformity of the mechanical properties of the resulting wire rod - no more than 40 N/mm2 along the length of the coil, 50 N/mm2 along the length of the coil, 60 N/mm2 for melting. When analyzing samples of rolled products from steel grades 70-75 with a diameter of 5.5-6.5 mm, it was found that full compliance with the requirements of hardware enterprises at existing rolling mills is difficult. By order of PJSC MMK, as part of scientific research on mastering the technology of wire rod production on an air cooling line, a mathematical model was developed, the adequacy of which was proved by developing rolling modes based on it, followed by evaluation of the resulting product. Upon further analysis of the obtained rolled products, it was found that the products produced according to the new modes meet the requirements for uneven mechanical properties along the length of the coil, coil and batch to a greater extent.
Keywords: long products, wire rod, sorbitization, perlite, air cooling, tensile strength of metal, microstructure, grain grade
For citation: Moller A.B., Levandovsky S.A., Nazarov D.A., Baranov N.A., Ishmetiev M.E. Ensuring uniform mechanical properties of wire rod 5.5-6.5 mm from steel grades 70-75. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy. 2022;22(3):48-56. (In Russ.) DOI: 10.14529/met220304
Введение
Структура сорбитообразного перлита в условиях метизных заводов достигается патенти-рованием г/к проката диаметром 5,5-16,0 мм из высокоуглеродистых марок стали. Данная структура необходима для обеспечения безобрывного волочения горячекатаного подката с высокой степенью деформации и получения готовой проволоки ответственного назначения (арматурной, пружинной, канатной и др.) в соответствии с требованиями НД.
Применение сорбитизированной в исходном состоянии катанки позволит отказаться от одной промежуточной операции термической обработки в процессе производства проволоки, а также обеспечит стабильность механических свойств готовой проволоки всего размерного сортамента.
Сорбитизированная катанка характеризуется высокими прочностными пластическими
свойствами, что особенно важно при производстве проволоки без промежуточной операции патентирования [1].
На данный момент поставка металлопод-ката на метизные заводы осуществляется по ТУ, однако заложенное в требованиях ТУ содержание пластинчатого перлита 1-2 балла оказывается недостаточным для обеспечения стабильных и надежных эксплуатационных характеристик готовой проволоки и изделий, изготовленных из нее, а также не позволяет исключить промежуточные операции волочения и патентирования из технологического процесса изготовления проволоки.
Применение сорбитизированной катанки с повышенной степенью дисперсности перлита 1-2 балла (не менее 85 %) позволит исключить при производстве пружинной, канатной, арматурной, проволоки для сеток и СТАП-проволоки два передела, волочение
передельной заготовки и патентирование. Требуется обеспечение нового уровня дисперсности перлитной микроструктуры, равномерности механических свойств (не более 40 Н/мм2 по длине витка, 50 Н/мм2 по длине мотка, 60 Н/мм2 по плавке) и микроструктуры по длине мотка для снижения издержек сквозной технологии [2].
Модель расчета температуры
катанки на КВО
Модель расчета температуры катанки на КВО была разработана на основе определения теплового потока, излучаемого поверхностью катанки в окружающее пространство в пределах полусферического телесного угла и передаваемого конвекцией от катанки охлаждающему воздуху вентиляторов.
Тепловой поток, Вт, излучаемый поверхностью серого тела, определяли по закону Стефана - Больцмана:
<2И = о, 8(^/100)4 г, (1)
где О, = 5,77Вт/(м2 -К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;
в - степень черноты катанки (принято, что в « 0,8);
-к - температура катанки, К;
Г - площадь поверхности катанки в заданной зоне КВО, м2.
Таким образом, формула (1) позволяет определить тепловой поток, передаваемый за счет излучения от катанки в окружающее пространство. При этом величина теплового потока будет зависеть от того, какая часть витка катанки находится в заданной зоне КВО, и от температуры катанки в заданной зоне. Всего рассматривались две зоны по ширине КВО: зона с плотной укладкой катанки - «косички», и средняя зона, с более разряженной укладкой витков (центр). При желании количество рассчитываемых зон может быть увеличено в зависимости от конструкции дутьевых коллекторов [3].
Уравнение для расчета передачи тепла, Вт, конвекцией между катанкой и нагнетаемым воздухом имеет вид
Ок , (2)
где а - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 - К);
Лt - разница температур катанки и воздуха, градус;
Г - площадь поверхности катанки в заданной зоне КВО, м2.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией будем определять по формуле для случая обтекания пучка прутков потоком воздуха:
а = 0,177К
-I Re0'64
(3)
где d - диаметр катанки, м;
Кг - коэффициент, учитывающий плотность укладки витков катанки в разных зонах;
X - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК);
Яе - число Рейнольдса.
Для определения коэффициента теплопроводности в зависимости от температуры катанки было найдено уравнение регрессии для рассматриваемых марок стали:
- = 48,5 - 0,0225*
k,
(4)
где tk - температура катанки, °С.
Число Рейнольдса определяли по формуле
Яе = —, (5)
V
где ю - скорость нагнетаемого воздуха, м/с;
V - кинематическая вязкость воздуха, 15-10-6 м2/с при 20 °С.
Таким образом, мы можем определить тепловой поток от катанки в окружающее пространство за счет основных тепловых потерь от излучения и конвекции [4]. В то же время мы можем определить тепловой поток от катанки при падении ее температуры на заданную величину за определенное время в зависимости от теплоемкости катанки:
О = сык , (6)
где С - удельная теплоемкость катанки в зависимости от ее температуры, Дж/(кг-град);
Мк - масса катанки в заданной зоне КВО, кг;
7 - номер секции по длине КВО; -' - температура катанки в конце 7-й секции заданной зоны КВО, °С;
т'-1 - температура катанки в конце (7 - 1)-й секции заданной зоны КВО, °С;
т' - время нахождения катанки на 7-й секции КВО, с.
Отсюда, усредняя величину теплового потока в пределах одной секции, получаем
рекурентное уравнение с одним неизвестным, а именно текущей температурой катанки:
Ос = Ои Ок • (7)
Последовательно решая данное уравнение для каждой секции и в каждой зоне КВО, мы можем найти распределение температуры катанки по длине и ширине КВО.
При этом параметрами, управляющими величиной температуры катанки в заданной точке, будут:
- начальная температура катанки на вит-кообразователе;
- скорость транспортера секции КВО;
- скорость вентилятора в рассматриваемой секции, в процентах от максимальной;
- положение заслонок, перераспределяющих воздушный поток от вентилятора по зонам КВО, что влияет на скорость воздуха в заданной зоне [5].
Оценка механических свойств
Вырезка проб из отобранных колец катанки выполнялась согласно утвержденной методике - из колец, взятых из передней, задней частей и середины мотка вырезалось по 4 пробы длиной 500 мм по схеме (рис. 1)
3
Рис. 1. Схема вырезания проб Fig. 1. Scheme of sample cutting
Из вырезанных проб изготавливались образцы для проведения механических испыта-
ний в соответствии с требованиями и оценки микроструктуры согласно ГОСТ 8233-56.
Подготовка образцов
для механических испытаний
В ходе испытаний были оценены и сравнены с требованиями ТУ следующие механические характеристики катанки:
• временное сопротивление разрыву;
• величина относительного сужения;
• величина относительного удлинения.
В ТУ в качестве основного документа для проведения испытаний механических свойств указан ГОСТ 1497-84. Применялся ГОСТ 1497-84 - последняя актуальная редакция данного документа [6]. В качестве характеристики относительного удлинения указана -т. е. испытания должны проводиться на длинных образцах по ГОСТ 1497-84.
Из образцов полной длины с помощью болторезов были изготовлены образцы рабочей длины.
Разметка рабочей и начальной расчетной длины образцов производилась при помощи металлической линейки (ГОСТ 427-75). На образцах были сделаны насечки твердосплавной чертилкой и маркером контрастного с образцом цвета.
Проведение механических испытаний
Испытания проводились на машине Shimadzu AG-300KN-1 (класс точности 1 %) в НИИ Наносталей МГТУ им. Г.И. Носова.
Определялись характеристики: временного сопротивления, относительного сужения и относительного удлинения. Относительное удлинение расчетной длины образца измеряли с использованием видеоэкстензометра машины Shimadzu AG-300KN-1 (рис. 2) и при помощи ручного измерения (штангенциркулем). Относительное сужение измеряли при помощи штангенциркуля методом складывания образца после разрушения с замером узкого места. Временное сопротивление измеряли при помощи программного обеспечения универсальной испытательной машины Shimadzu AG-300KN-1 [7].
Были проведены испытания по сравнительной оценке механических свойств катанки 5,5 мм стали марки 70 (рис. 3).
В случае разрушения образца за пределами области расчетной длины учитываются показатели временного сопротивления и относи-
Рис. 2. Универсальная испытательная разрывная машина Shimadzu AG-300KN-1 Fig. 2. Shimadzu AG-300KN-1 Universal Tensile Testing Machine
Рис. 3. Образец до испытания и после разрыва Fig. 3. Sample before testing and after rupture
тельного сужения при возможности их достоверного определения, а относительное удлинение к анализу не принимается. По договоренности с участниками комиссионных испытаний для подобных образцов для анализа учитываются показатели временного сопротивле-
ния и относительного сужения при возможности их достоверного определения. Не принимаемые к анализу результаты в табл. 1 и 2 выделены цветом.
Результаты измерений представлены в табл. 1-6.
Таблица 1
Результаты механических испытаний катанки 5,5 мм из стали 70 (стандартный режим)
Table 1
The results of mechanical tests of wire rod 5.5 mm from steel 70 (standard mode)
Место Градусы Временное сопротивление ов, Н/мм2 Относительное сужение у, % Относительное удлинение, 8i0, %
Зад 0 1069 43 11,9
90 1063 45 8,7
180 1111 46 13,5
270 1007 42 10
Середина 0 1033 47 13,5
90 1022 - 8,5
180 1059 49 13,1
270 1085 50 10,4
Перед 0 1130 44 11,6
90 1035 - 8,6
180 1077 47 8,5
270 1085 44 12,5
Таблица 2 Результаты механических испытаний катанки 5,5 мм из стали 70 (экспериментальный режим) Table 2 The results of mechanical tests of wire rod 5.5 mm from steel 70 (experimental mode)
Место Градусы Временное сопротивление ов, Н/мм2 Относительное сужение у, % Относительное удлинение, S10, %
Зад 0 1054 44 13,6
90 1069 44 15,1
180 1048 42 13,5
270 1076 50 8,3
Середина 0 1073 46 13,1
90 1122 47 11,9
180 1110 48 12,2
270 1126 49 13,5
Перед 0 1056 43 17,2
90 1142 45 12,9
180 1058 45 12,5
270 1085 43 10,8
Таблица 3
Оценка временного сопротивления разрыву образцов катанки 5,5 мм из стали 70
(стандартный режим)
Table 3
Evaluation of the tensile strength of 5.5 mm wire rod samples from steel 70 (standard mode)
Параметры Расположение
0 90 180 270
Стандарт (действующий режим) Зад 1069 1063 1111 1007
Середина 1033 1022 1059 1085
Перед 1130 1035 1077 1085
MIN 1033 1022 1059 1007
Оценка равномерности по длине мотка в 1 точке MAX 1130 1063 1111 1085
СР. знач 1077 1040 1082 1059
Размах 97 41 52 78
Таблица 4
Оценка временного сопротивления разрыву образцов катанки 5,5 мм из стали 70
(стандартный режим)
Table 4
Evaluation of the tensile strength of 5.5 mm wire rod samples from steel 70 (standard mode)
Параметры Оценка равномерности по длине витка / по всей заготовке
MIN MAX СР. знач Размах
Стандарт (действующий режим) Зад 1007 1111 1063 104
Середина 1022 1085 1050 63
Перед 1035 1130 1082 95
MIN 1007
Оценка равномерности по длине мотка в 1 точке MAX 1130
СР. знач 1065
Размах 123
Таблица 5
Оценка временного сопротивления разрыву образцов катанки 5,5 мм из стали 70
(экспериментальный режим)
Table 5
Evaluation of the tensile strength of wire rod specimens 5.5 mm from steel 70 (experimental mode)
Параметры Расположение
0 90 180 270
Эксперимент 1 Зад 1047 1047 1069 1050
Середина 1036 1097 1035 1038
Перед 1021 1107 1059 1067
MIN 1021 1047 1035 1038
Оценка равномерности по длине мотка в 1 точке MAX 1047 1107 1069 1067
СР. знач 1035 1084 1054 1052
Размах 26 60 34 29
Таблица 6
Оценка временного сопротивления разрыву образцов катанки 5,5 мм из стали 70
(экспериментальный режим)
Table 6
Evaluation of the tensile strength of wire rod specimens 5.5 mm from steel 70 (experimental mode)
Параметры Оценка равномерности по длине витка / по всей заготовке
MIN MAX СР. знач Размах
Эксперимент 1 Зад 1047 1069 1053 23
Середина 1035 1097 1052 62
Перед 1021 1107 1063 87
MIN 1021
Оценка равномерности по длине мотка в 1 точке MAX 1107
СР. знач 1056
Размах 87
Выводы
На основе полученных данных можно заключить, что:
- механические свойства находятся в пределах требований актуальных ТУ;
- равномерность по величине временного
сопротивления разрыву не соблюдается ни для стандартного, ни для экспериментального режима.
Для стандартного режима: • по длине витка < 104 Н/мм2 (норма < 40 Н/мм2);
• по длине мотка < 97 Н/мм2 (норма < 50 Н/мм2);
• по плавке < 104 Н/мм (норма < 60 Н/мм2).
Для экспериментального режима (первый образец):
• по длине витка < 60 Н/мм2 (норма < 40 Н/мм2);
• по длине мотка < 87 Н/мм2 (норма из ТЗ < 50 Н/мм2);
• по плавке < 87 Н/мм (норма из ТЗ < 60 Н/мм2).
При анализе данных видно, что для экспериментального режима удалось достичь равномерности временного сопротивления раз-
рыву по длине мотка для следующих случаев:
• 0° - разброс 26 Н/мм2 (норма < 50 Н/мм2);
• 180° - разброс 34 Н/мм2 (норма < 50 Н/мм2);
• 270° - разброс 29 Н/мм2 (норма < 50 Н/мм2).
Также удалось приблизиться к требуемой равномерности временного сопротивления разрыву по длине витков, отобранных с заднего конца экспериментального образца 23 Н/мм2 при норме < 40 Н/мм2.
Продолжена работа над усовершенствованием режимов для получения требуемой равномерности по плавке.
Список литературы
1. Тулупов О.Н., Моллер А.Б. Эволюция методологического подхода к моделированию процессов сортовой прокатки в МГТУ им. Г.И. Носова // Сталь. 2014. № 4. С. 25-34.
2. Tulupov O.N., Moller A.B., Sarancha S.Y. Increasing of long products rolling efficiency: Modernization of stelmor air cooling line to obtain sorbitized wire rod // Solid State Phenomena. 2017. Vol. 265. P. 1116-1122. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.265.1116
3. Реконструкция линии воздушного охлаждения мелкосортного стана с целью снижения производственных издержек / С.Ю. Саранча, С.А. Левандовский, А.Б. Моллер и др. // Сталь. 2017. № 5. С. 38-42.
4. Moller A.B., Tulupov O.N., Fedoseev S.A. Improvement of surface quality of rolled section steel for springs manufacturing // Journal of Chemical Technology and Metallurgy. 2017. Vol. 52, no. 4. Р. 647-654.
5. Structural-matrix models for long product rolling processes: modeling production traceability and forming consumer properties of products / O.N. Tulupov, A.B. Moller, D.I. Kinzin et al. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2013. Т. 5 (45). С.46-50.
6. Rumyantsev M.I., Tulupov O.N. Further developments in simulation of metal forming processes // CIS Iron and Steel Review. 2018. Vol. 16. P. 21-24. DOI: 10.17580/cisisr.2018.02.04
7. Kinzin D.I., Levandovskiy S.A., Tulupov O.N. Analysis of efficiency of roll pass design options for roughing stands of section rolling mill // Solid State Phenomena. 2017. Vol. 265. P. 1136-1141. DOI: 10.4028/www. scientific .net/SSP.265.1136
References
1. Tulupov O.N., Moller A.B. Simulation of bar rolling: Experience at Nosov Magnitogorsk State Technical University. Steel in Translation. 2014;4(44):280-288. DOI: 10.3103/S0967091214040172
2. Tulupov O.N., Moller A.B., Sarancha S.Y. Increasing of long products rolling efficiency: Modernization of stelmor air cooling line to obtain sorbitized wire rod. Solid State Phenomena. 2017;265:1116-1122. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.265.1116
3. Sarancha S.Y., Levandovskii S.A., Moller A.B., Kinzin D.I., Tulupov O.N. Cost-saving reconstruction of the air-cooling line in a small-bar mill. Steel in Translation. 2017;5(47):334-338. DOI: 10.3103/S0967091217050126
4. Moller A.B., Tulupov O.N., Fedoseev S.A. Improvement of surface quality of rolled section steel for springs manufacturing. Journal of Chemical Technology and Metallurgy. 2017;52(4):647-654.
5. Tulupov O.N., Moller A.B., Kinzin D.I., Levandovskii S.A., Ruchinskaya N.A., Nalivaiko A.V. et al. Structural-matrix models for long product rolling processes: modeling production traceability and forming consumer properties of products. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2013;5(45):46-50.
6. Rumyantsev M.I., Tulupov O.N. Further developments in simulation of metal forming processes. CIS Iron and Steel Review. 2018;16:21-24. DOI: 10.17580/cisisr.2018.02.04
7. Kinzin D.I., Levandovskiy S.A., Tulupov O.N. Analysis of efficiency of roll pass design options for roughing stands of section rolling mill. Solid State Phenomena. 2017;265:1136-1141. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.265.1136
Информация об авторах
Моллер Александр Борисович, д-р техн. наук, проф. кафедры технологий обработки материалов, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; a.moller@magtu.ru.
Левандовский Сергей Анатольевич, канд. техн. наук, доц. кафедры технологий обработки материалов, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; s.levandovsky@magtu.ru.
Назаров Дмитрий Алексеевич, аспирант кафедры технологий обработки материалов, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; seo@kolibri-group.ru.
Баранов Никита Алексеевич, аспирант кафедры технологий обработки материалов, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; nikita_ram96@mail.ru.
Ишметьев Матвей Евгеньевич, магистрант кафедры технологий обработки материалов, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; matvey280798@gmail.com.
Information about the authors
Aleksandr B. Moller, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Department of Materials Processing Technologies, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; a.moller@magtu.ru.
Sergey A. Levandovsky, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof. of the Department of Materials Processing Technologies, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; s.levandovsky@ magtu.ru.
Dmitriy A. Nazarov, Postgraduate Student of the Department of Materials Processing Technologies, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; seo@kolibri-group.ru.
Nikita A. Baranov, Postgraduate Student of the Department of Materials Processing Technologies, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; nikita_ram96@mail.ru.
Matvey E. Ishmetiev, Master's Student of the Department of Materials Processing Technologies, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; matvey280798@gmail.com.
Статья поступила в редакцию 18.03.2022
The article was submitted 18.03.2022
