CC BY
65
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2007 р. Вип. №17
УДК 621.785:539.4:62-436.1
Ткаченко Ф.К.1, Ефременко В.Г.2, Ткаченко К.И.3, Ефременко А.В.4
ОСОБЕННОСТИ САМООТПУСКА ЗАКАЛЕННЫХ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ В УСЛОВИЯХ ШАРОПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА ОАО «МК «АЗОВСТАЛЬ»
Представлены результаты определения скорости охлаждения на стадии самоотпуска закаленных мелющих шаров диаметром 100 и 120 мм при использовании принятой на ОАО «МК «Азовсталъ» технологии. Полученные результаты проанализированы применительно к напряженному состоянию шаров. Показано, что применяемая технология обеспечивает достаточно полное снятие закалочных напряжений в шарах из стали М74 и их высокую устойчивость к расколам при эксплуатации.
Стальные мелющие шары, производимые на ОАО «МК «Азовсталь» методом поперечно-винтовой прокатки, подвергаются термоупрочнению с прокатного нагрева закалкой в воде с последующим самоотпуском [1,2]. Самоотпуск является важной составляющей технологии термоупрочнения металлопроката [3]. На стадии самоотпуска происходит завершение структурообра-зования в шарах, а также релаксация напряжений, возникающих в изделиях в процессе закалки. Высокий уровень остаточных напряжений в шарах приводит к их растрескиванию по завершению термообработки, а также способствует раскалыванию шаров в мельницах [4-6]. Проблема максимально полного снятия напряжений становится весьма актуальной с учетом тенденции существенного роста твердости выпускаемых украинской промышленностью мелющих шаров. В работе [7] на основе аналитического исследования напряженно-деформированного состояния термоупрочняемых шаров показано, что при обработке шаров из стали М74 (75Г) на твердость не менее 55 HRC (535 НВ) для предотвращения закалочных трещин скорость остывания шаров на стадии самоотпуска не должна превышать 18 °С/ч. Несмотря на достаточное количество публикаций по технологиям термоупрочнения шаров [8-10], в них отсутствуют данные о реальных скоростях охлаждения изделий при самоотпуске в условиях промышленного производства, что затрудняет оценку эффективности применяемых технологических решений.
Целью данной работы являлось определение скорости охлаждения мелющих шаров на стадии самоотпуска в условиях шаропрокатного отделения ОАО «МК «Азовсталь».
Исследования проводились в ходе разработки технологии термоупрочнения катаных шаров 0 100 и 120 мм с использованием закалочного барабана, установленного в потоке стана СПШ-125 при реконструкции шаропрокатного отделения цеха рельсовых скреплений ОАО «МК «Азовсталь» [11]. Целью реконструкции являлось повышение поверхностной твердости шаров до уровня 3-й группы ДСТУ 3499 (0 100 мм - не менее 495 НВ, 0 120 мм - не менее 477 НВ). При использовании старой технологии термоупрочнения на твердость по 2-й группе (360...400 НВ) закаленные шары собирали в сваренные из листовой стали накопительные бункера емкостью 120 т, где остывали в течение не менее 14 ч [12]. Поскольку в процессе самоотпуска бункера не накрывались крышкой, шары верхней части бункера охлаждались гораздо быстрее шаров из центральной части. Это не отражалось отрицательно на ударостойкости шаров и их склонности к послезакалочному растрескиванию, поскольку начальная температура их самоотпуска (tc/0) была достаточно высокой (470...530 °С), чтобы снять напряжения даже при таких условиях самоотпуска. Учитывая необходимость повышения твердости шаров на 100... 150 НВ, а также тот факт, что рост твердости может быть обеспечен лишь за счет снижения температуры самоотпуска, реконструкция отделения предусматривала улучшение условий самоотпуска как за счет наружной теплоизоляции бункеров минеральной ватой, так и за счет оснащения бункеров футеро-
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, д-р техн. наук, доц.
3 ГТГТУ, аспирант
4 ГТГТУ, студент
ванными (с внутренней прослойкой ваты) крышками. Крышка устанавливается на бункер перед началом прокатки шаров и остается на бункере в течение всего заполнения его шарами (8... 10 ч) и последующего самоотпуска. Кроме того, емкость бункеров была увеличена на 30...50 т, что позволило компенсировать потерю трех бункеров, выведенных из эксплуатации при установке нового оборудования и коммуникаций.
Динамику снижения температуры шаров в процессе их самоотпуска оценивали в разные периоды 2005-2006 гг. при отработке режимов термоупрочнения шаров 0 100 и 120 мм на 3-ю группу твердости. Начальная температура самоотпуска составляла 270-315 °С, что обеспечивало достижение твердости 500...530 НВ в готовых изделиях. Контрольные бункера емкостью 160 т были заполнены практически на 100 %, т.е. под самую крышку. В одном случае (октябрь 2005 г.) масса шаров 0 120 мм в бункере составляла 12 т, а начальная температура их самоотпуска -400...430 °С (за 24 ч выдержки температура шаров снизилась до 173... 177 °С). Замеры температуры производили с помощью оптического пирометра "ОПИР" на шарах, взятых из верхнего слоя бункера при периодическом кратковременном снятии крышки. Как следует из рисунка 1, независимо от диаметра шаров и времени года (т.е. температуры воздуха в шаропрокатном отделении) кривые охлаждения шаров при полной загрузке бункера располагаются достаточно близко друг к другу, отражая сходство в динамике снижения температуры изделий. Средняя температура шаров линейно связана с временем от момента заполнения бункера (х) выражением 1= -1,533т + 288.
Близкой оказалась и динамика скорости охлаждения (V) по мере нарастания длительности самоотпуска. Как видно из рисунка 2, эту динамику можно аппроксимировать логарифмической зависимостью У= -1,224/и(т) + 5,67. Наиболее высокую скорость охлаждения (6...7 °С/ч) фиксировали в первые 2...3 часа самоотпуска. После выдержки в течение 10 ч ее значения не превышали 4,0 °С/ч, по истечении 20 ч - 2,5 °С/ч, а после двух суток - 1,0 °С/ч. Средняя скорость остывания шаров в заполненном бункере в течение 80-часовой выдержки составила 1,52 °С/ч; в случае 8 %-го заполнения (12 т шаров) эта скорость возросла до 10,20 °С/ч.
■ 1 (январь, 120 мм) ■2 (март, 120 мм) ■3 (июнь, 100 мм) •4 (июнь, 100 мм) •5 (июль, 100 мм) —+—6 (12 т, октябрь, 120 мм)
.т 11
О
О 10
af
1 с; 9
X
о 8
л
н о 7
о Q. 6
О
^ О 5
4
3
2
1
0
□ лето 2006 х зима 2006 А осень 2005,12 т
у = -1,22Ln(x) + 5,67 R2 = 0,5054
90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Время от заполнения бункера, ч
Время отзаполнения бункера, ч
Рис.1 — Изменение температуры шаров верхних слоев в бункере в процессе самоотпуска под крышкой.
Рис.2 — Изменение скорости охлаждения шаров в бункере в процессе самоотпуска под крышкой.
Спустя сутки от начала самоотпуска минимальная температура шаров опустилась ниже мартенситной точки, составив 225 °С, а через 48 ч - 185 °С (рис.1). Анализировали степень завершенности фазовых превращений, накладывая кривые охлаждения центра и поверхности шара диаметром 120 мм на диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита в стали М74. Кривые охлаждения для случая термоупрочнения шара по схеме прерванной закалки строили с применением математической модели, описанной в [13, 14]; изотермическая диаграмма стали М74 взята из работы [15]. Как было установлено, самоотпуск с начальной температурой 400 и 275 °С обеспечивает полное завершение распада переохлажденного аустенита в области верхнего
(400 °С) и нижнего (275 °С) бейнита уже по истечении 2000 с (33,3 мин) после выравнивания температуры по сечению шара. Следовательно, в течение большей части самоотпуска в шаре протекает лишь снятие напряжений, вызванных неодновременностью охлаждения и протекания полиморфного у—ж превращения в поверхностных и центральных слоях шара в процессе закалки. Увеличение скорости охлаждения на стадии самоотпуска приводит к неполной релаксации напряжений за счет торможения распада мартенсита и снижения способности металла к микропластической деформации, что имеет место при быстром прохождении температурного интервала (300...200 °С), в котором сталь обладает повышенной пластичностью, а атомы углерода - достаточной диффузионной подвижностью в решетке железа и стали.
Моделирование напряженного состояния в термоупрочняемом шаре 0 120 мм проводили по методике [16]. Анализ изменения радиальных напряжений показывает (рис.3), что с увеличением продолжительности закалки от 88 с до 100 с и далее - до 120 с (что соответствует 1;с/о= 400, 330 и 275 °С) происходит снижение уровня сжимающих напряжений на поверхности извлекаемого из воды шара; при этом в центре растягивающие напряжения сменяются сжимающими за счет развития перлитного превращения. Через несколько десятков секунд после прерывания закалки в шаре происходит выравнивание температуры по сечению. Этому моменту соответствует значительное увеличение абсолютных значений напряжений в шаре: на поверхности они имеют сжимающий характер, достигая -480...-570 МПа, а в центре - растягивающий, составляя 250...400 МПа.
Изменение напряженного состояния в шаре при самоотпуске рассчитывали, задаваясь реальной скоростью охлаждения шаров в бункерах ОАО «МК «Азовсталь». Было установлено, что с течением времени напряжения в шаре снижаются по экспоненциальному закону, причем наиболее интенсивно - в первые 5 часов, постепенно выходя затем на горизонталь (рис.4). Чем выше начальная температура самоотпуска, тем ниже уровень стабилизации напряжений, и тем раньше он достигается. Как видно из рисунка 4, при 1;с/о= 380 °С достаточно 10 ч, чтобы кривая растягивающих напряжений в центре практически вышла на горизонталь при отт=53,5 МПа. Для 1;с/о=330 °С отт составляет близкое значение 55 МПа, но для его достижения требуется примерно 25 ч. При обработке на 1:с , =275 °С остаточные напряжения повышаются до 74 МПа. а их стабилизация на этом уровне происходит примерно через 42 ч.
Рис.3 — Влияние продолжительно- Рис.4 — Изменение радиальных напряжений в
сти закалки на радиальные напряжения в шаре 0 120 мм в процессе самоотпуска в зависимо-шаре 0 120 мм при извлечении шара из сти от начальной среднемассовой температуры шара, воды (зак.) и сразу после выравнивания температуры по его сечению (с/о).
Следует отметить, что самоотпуск должен проводиться при достаточно высокой степени
заполнения бункера шарами. Так, при термоупрочнении опытной партии шаров 0 120 мм объемом 12 т, предназначенной для испытаний в мельнице шлакопомольного отделения МК "Азов-сталь", шары были собраны для самоотпуска в пустом бункере, чтобы избежать их перемешивания с шарами 2-й группы. В связи с этим средняя скорость их охлаждения при самоотпуске возросла с 1,5 до 10,2 °С/ч. Последнее значение скорости соответствует изложенным в работе [7] рекомендациям по предотвращению закалочного растрескивания шаров 3-й группы (не более 18 °С/ч). Действительно, трещины на шарах не были обнаружены, однако при испытаниях в мельнице определенная их часть (1 %) раскололись, при этом многие из разрушенных шаров имели высокое качество макроструктуры (рис.5, а), что указывает на превалирующую роль напряженного состояния в их разрушении. Можно предположить, что эти шары остывали, находясь в бункера на периферии основной массы (конуса), в связи с чем скорость их охлаждения была еще более высокой. Как следует из рис.5, ускорение самоогпуска в 2 раза относительно средней скорости остывания (10,2 сС/ч) вызывает увеличение остаточных растягивающих напряжений в центре шара с 303 до 475 МПа, повышая вероятность их раскола в мельнице.
центр
поверхность
Скорость охлаждения, °С/ч
а) б> в)
Рис.5 - Поверхность разрушения (а), макроструктура (б) шара 0 120 мм, влияние скорости охлаждения при самоотпуске шаров с начальной температуры 420 °С на радиальные напряжения на поверхности и в центре шара (в).
Выводы
1. Принятая на ОАО «МК «Азовсталь» технология термоупрочнения катаных мелющих шаров 0 100 и 120 мм, предусматривающая самоотпуск в утепленных бункерах емкостью 150... 160 т с начальной температурой 260...300 °С и со средней скоростью охлаждения 1,52 °С/ч в течение не менее 48 ч, обеспечивает максимально полное снятие закалочных напряжений и высокую устойчивость шаров при эксплуатации в условиях многократных ударных нагрузок.
2. Уменьшение заполнения бункера шарами сопровождается повышением уровня остаточных напряжений и может вызывать раскалывание шаров в мельнице. Направлением дальнейших исследований является изучение возможности удаления водорода из шаров в процессе их самоотпуска.
Перечень ссылок
1. Современная технология производства стальных мелющих шаров с улучшенными эксплуатационными характеристиками / В.Г.Ефременко, Ф.К.Ткачеико, И.В.Ганошеико и др. // Металлургические процессы и оборудование. - 2005. - № 1. - С. 11-13.
2. Разработка и освоение новой технологии закалки мелющих шаров с прокатного нагрева / А.Н.Клименко, В.Л.Кострыкин, А.П.Сичевой и др. // Сталь. - 1986. - № 11. - С. 71-72.
3. Стародубов К.Ф. Термическое упрочнение проката / К.Ф.Стародубов, И.Г.Узлов, В.Я.Савенков. - М.: Металлургия, 1970. - 368 с.
4. Характер трещинообразования в стальных мелющих шарах при термоупрочнении / В.Г.Ефременко, Ф.КТкаченко, Ф.С.Пинъко и др. // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. наук, трудов ПГАСиА. - Днепропетровск, 2005. - Вып. № 22, часть 1. - С.240-244.
5. Ефременко В.Г.. Структурные факторы эксплуатационного разрушения стальных мелющих шаров по механизму фрагментации / В.Г.Ефременко // Металознавство та тср\пчна обробка метал1в. -2004. - № 1 (24). - С.62-69.
6. Гуляева Т.П. Качество мелющих шаров из легированных марок стали / Т.П.Гуляева, Т.П.Седоволосая, А.П.Данилов II Известия вузов. Черная металлургия.-1995.-№6.-С.75.
7. Ефременко В.Г.. Развитие теоретических и технологических основ производства и упрочнения стальных мелющих шаров с целью повышения их качества и эксплуатационной долговечности / В.Г.Ефременко II Автореферат на соискание научн. степени докт. техн. наук. - Мариуполь: ПГТУ, 2005. - 42 с.
8. Производство катаных мелющих шаров / В.К.Соленый, В.П.Кострыкин, В.И.Багузин и др. //Сталь . - 1985. -№ 11. -С.58-60.
9. Подберезный Н.П. Производство мелющих шаров особо высокой твердости / Н.П.Подберезный, В.А.Изюмский, Ю.КОлейник //Металл и литье Украины.-1996.-№ 9-10-С.29-31.
10. Зеликович А.Я. Улучшение качества термически обработанных мелющих шаров / А.Я.Зеликович, А.М.Токмаков II Сталь. - 1994. - № 2. - С.64-65.
11. Опыт освоения комбинатом "Азовсталь" технологии производства катаных мелющих шаров диаметром 120 мм с твердостью по 3-й группе ДСТУ 3499 / В.Г.Ефременко, И.В.Ганошенко, Ф.КТкаченко и др. // Металлургические процессы и оборудование, 2006 г. - №3. - С.25-28.
12. Исследование технологии термической обработки и качества стальных катаных мелющих шаров диаметром 60 и 80 мм / В.А.Гринъ, Ж.В.Башкатова, М.Г.Гаврилец и др. // Металлург, и горнорудн. пром-сть.-1988. - №5 - С. 24-26.
13. Ефременко В.Г. Компьютерное моделирование структурных превращений в стальных шарах при термоупрочнении по схеме прерванной закалки / В.Г.Ефременко, Ф.КТкаченко,
A.В.Ефременко II Теория и практика металлургии. - 2003. - № 5-6. - С. 119-123.
14. Ефременко В.Г. Экспериментально-аналитическое прогнозирование структурного состояния металла по глубине закалённых стальных изделий / В.Г.Ефременко // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. наук, трудов ПГАСиА. - Днепропетровск, 2003,- Вып. №22, часть 1,-С. 130-135.
15. Сталь для рельсов повышенной прочности / Д.КНестеров, Н.Ф.Левченко,
B.Е.Сапожков и др. // Сталь. - 1989. - № 12. - С.67-70.
16. Ефременко В.Г. Анализ напряженно-деформированного состояния термоупрочняемых стальных шаров / В.Г.Ефременко II Вюник Призов, держ. техн. ун-ту: 36. наук, праць. - Мар1у-поль, 2004. - Вип. № 14,- С. 136-142.
Рецензент А.М.Скребцов д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 12.02.2007
