Выбор характеристик для отображения влияния химсостава стали на показатели механических свойств и микроструктуры высокоуглеродистой канатной катанки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.789

Шубин И.Г., Румянцев М.И., Торопицина У.А., Демвдова О.О.

ВЫБОР ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ХИМСОСТАВА СТАЛИ НА ПОКАЗАТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МИКРОСТРУКТУРЫ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ

КАНАТНОЙ КАТАНКИ

Технологический процесс производства катанки должен обеспечить стабильность воепроизвод -ства заданного комплекса показателей качества при ее массовом изготовлении Для достижения указанной цели важное значение имеет модель взаимосвязи показателей качества с технологическими факторами процесса, построение которой включает разработку системы уравнений регрессии

Комплекс показателей качества высокоуглеродистой канатной катанки включает характеристики механических свойств (относительное сужение у, относительное удлинение 5і0, временное сопротивление разрыву а#) и микроструктуры (количество пластинчатого перлита 1 балла Бт, величина обезуглерожеиного слоя Дсо). Как известно [1, 2 и др.], к факторам, влияющим на

изменение показателей качества, и в том числе указанных, относятся температурный и скоростной режимы прокатки, режим нагрева заготовок и охлаждения готовой катанки, способ выплавки и разливки стали, а также ее химический состав.

Необходимость учета химсостава стали как фактора свойств проката усложняет задачу, т. к. одним из условий обеспечения высокой точности множественной аппроксимации является отсутствие корреляции между параметрами, включенными в уравнение [3]. Однако на практике между массовыми долями различных элементов существуют значимые корреляционные связи Так, для катанки из стали, полученной способом ДСА (мартеновская печь), наблюдается значимая корреляция (табл. 1) временного сопротивления раз -

Таблица 1

Матрица корреляции для катанки, прокатанной из стали, полученной способом ДСА

с БІ Мп Б Р Сг М Си N2 А1 Ті А8 Мо V W ст8 510 со Б11"

С 1

БІ 0,164 1

Мп 0,020 -0,066 1

Б -0,257 -0,33С 0,276 1

Р -0,258 -0,074 -0,067 0,258 1

Сг -0,233 -0,035 -0,248 0,120 0,239 1

М 0,066 0,064 0,050 0,019 -0,014 0,244 1

Си 0,002 0,164 -0,083 -0,042 0,150 0,112 0,466 1

N2 0,069 -0,006 0,177 0,111 0,086 0,030 0,138 0,203 1

А1 0,035 0,206 0,072 -0,138 -0,095 -0,074 0,058 0,006 -0,149 1

ТІ 0,269 0,374 -0,218 -0,45С -0,044 -0,052 -0,038 -0,104 -0,159 0,218 1

А8 -0,109 -0,200 0,077 0,323 0,429 0,106 0,009 0,105 0,257 -0,245 -0,151 1

Мо 0,068 0,060 -0,112 -0,295 -0,094 -0,048 -0,062 -0,088 -0,173 0,106 0,448 -0,095 1

V 0,190 0,125 -0,217 -0,299 -0,055 -0,037 -0,071 -0,124 -0,116 0,029 0,426 -0,089 0,393 1

W 0,001 -0,022 -0,077 0,011 -0,020 -0,038 -0,042 -0,012 -0,021 0,067 0,135 -0,041 0,679 0,250 1

0,824 0,202 0,036 -0,225 -0,166 -0,198 0,041 0,015 0,062 0,043 0,294 0,037 0,063 0,239 -0,008 1

810 -0,613 -0,063 -0,052 0,125 0,103 0,115 -0,057 0,020 -0,071 -0,092 -0,178 -0,094 -0,080 -0,126 0,003 -0,578 1

V -0,693 0,077 0,049 0,037 0,132 0,008 -0,113 -0,089 -0,120 -0,009 -0,049 -0,139 0,008 -0,032 0,004 -0,554 0,602 1

Дсо -0,162 -0,051 0,012 0,132 0,073 0,026 0,009 0,071 0,042 -0,143 -0,01 С 0,063 -0,057 -0,068 -0,028 -0,202 0,024 0,044 1

Блп 0,366 0,031 -0,013 -0,090 -0,169 -0,183 -0,033 -0,184 -0,122 -0,024 0,135 -0,077 0,143 0,000 0,060 0,297 -0,222 -0,219 -0,129 1

Примечания: 1.Число наблюдений п=618.

2. Минимальный статистически значимый коэффициент корреляции с доверительной вероятностью 99,9% тп=0,132.

рыву с углеродом, кремнием, серой, фосфором, хромом и титаном. В то же время массовая доля, например хрома, имеет статистически значимые связи с долями углерода, марганца и фосфора. Для катанки из стали, полученной способом ДСП (электросталеплавильный агрегат), количество пластинчатого перлита зависит (табл. 2) от содержания углерода, фосфора и алюминия, а массовая доля последнего имеет значимую корреляцию с долями и углерода, и фосфора.

Проблему значимой корреляции между пара -метрами, включаемыми в уравнение множественной регрессии для отображения влияния химсостава на свойства проката, можно преодолеть

применением так называемого углеродного эквивалента. Углеродный эквивалент является, по существу, комплексной характеристикой химсостава, которая одним числом характеризует влияние сразу нескольких элементов. Применительно к производству катанки в литературе [4—7] упоминаются следующие углеродные эквиваленты:

Сэ1 = с + Мп/5; (1)

СЭ2 = С + Мп/5 + Б1/7 + (Сг + N1 + Си)/12; (2)

Сэз = С + Мп/6 + Б1/24 + Сг/5 + N1/40 +

+Си/13 + У/14 + Р/2; (3)

Сэ4 = С + Мп/6 + (Сг + У + Мо)/5 +

+(Си + N0/15; (4)

Сэ5 = С + Мп/6 + Б1/10; (5)

СЭ6 = С + 0,3*Мп + 0,12. (6)

Комплексная характеристика химсостава в виде углеродного эквивалента или подобного ему показателя должна включать те элементы, которые значимо влияют на изучаемое свойство проката. С этой точки зрения в показателях (1)—

(6), во-первых, используются элементы, которые, как следует из табл. 1 и 2, не оказывают значимого влияния на свойства и микроструктуру канатной катанки. Во-вторых, в них отсутствуют эле -менты, влияние которых можно расценить как значимые. Для разработки альтернативных ком -плексных характеристик химсостава применили подход, предложенный в [8]. Суть его состоит в том, что такую характеристику целесообразно разрабатывать на основе показателя Неймарк [9] с учетом только тех компонентов химсостава, влияние которых на показатели качества продукции является статистически значимым. В общем случае формулу для расчета характеристики Ху влияния химсостава на показатель качества У можно записать следующим образом:

т X

Ху = Ки ,

!=1 Л1

где X и А - массовая доля и атомный вес элемента, для которого обнаружена значимая корреляционная связь с показателем качества; т -число элементов, проявляющих значимую корреляционную связь; Км - масштабный коэффициент . Принимается равным 1, 10 или 100.

Получили следующие уравнения в зависимо -сти от с пос оба производства стали (ДСП, ДСА):

ХаДС4 = 0,833С + 0,356$ + 0,312$ +

а в •> •> •> (7)

+0,323Р + 0,192Сг + 0,196 V + 0,20977;

ХЯДСА = 0,83 3С + 0,20977; (8)

010 ’ ’ ’ 4 '

XЛСА = 0,833С + 0,323Р + 0,133 As; (9)

Таблица 2

Матрица корреляции для катанки, прокатанной из стали, полученной способом ДСП

с,% Б1,% Мп,% Б,% Р,% Сг,% N1,% Си,% N2,% А1,% Аб,% 8 “•% Б"",% со,% у,% а10,%

с,% 1

Б1,% 0,002 1

Мп,% 0,045 -0,247 1

Б,% -0,175 0,074 -0,115 1

Р,% 0,078 -0,129 0,279 0,108 1

Сг,% 0,041 -0,055 0,157 0,029 0,398 1

N1,% -0,007 0,040 -0,001 0,036 -0,001 0,416 1

Си,% 0,035 -0,021 0,144 -0,018 0,042 0,465 0,759 1

№,% 0,248 0,164 -0,230 -0,081 -0,109 -0,304 0,023 -0,166 1

А1,% 0,167 0,032 0,042 -0,078 -0,212 -0,121 0,134 0,303 0,024 1

Аб,% -0,101 0,191 -0,164 0,179 -0,143 -0,493 -0,013 -0,223 0,414 -0,009 1

8 “,% 0,793 0,093 0,001 -0,202 0,129 0,009 0,069 0,037 0,251 0,095 0,089 1

5"",% 0,313 -0,038 0,078 -0,082 0,158 0,102 -0,028 0,102 0,070 0,158 -0,063 0,282 1

со,% -0,082 -0,080 0,044 0,053 0,268 -0,081 -0,091 -0,077 0,070 -0,010 0,071 -0,072 -0,054 1

у,% -0,616 -0,076 0,093 -0,020 0,044 0,327 0,059 0,139 -0,411 -0,157 -0,254 -0,656 -0,201 0,005 1

а10,% -0,515 -0,025 -0,029 0,038 -0,067 0,015 0,005 -0,023 -0,109 -0,126 0,009 -0,642 -0,218 0,038 0,509 1

Примечания: 1. Число наблюдений п=479.

2. Минимальный статистически значимый коэффициент корреляции с доверительной вероятностью 99,9% гт1п=0,149.

Бпп, % V ’ % а в, МПа

X ЛСА = 0,833С + 0,312$ + 0,383А/;

&СО

X л°А = 0,83 3С + 0,323Р + 0,192Сг +

Ьпп ’ ’ ’

(10)

(11)

+0,157 Си + 0,209ТІ + 0,104Мо;

Х*сп = 0,833С + 0,312$ + 0,714^2; (12)

Х,дсп = 0,833С; °10 ’ ’

(13)

X^cп = 0,833С + 0,192Сг + +0,714 Ы2 + 0,383А/ + 0,133 Аэ; X 5СП = 32,3Р;

(14)

(15)

X л°п = 0,833С + 0,323Р + 0,383 А/. (16)

Ьпп ’ ’ ’ 4 '

При выводе зависимости (15) приняли мас-

1250

1200

1150

1100

1050

1000

950

900

850

800

750

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Эквивалент, %

а

1 ,0

+ • <л » *

* А\

Ф %/■ * •!

+к +1і- -Ж J-L

++А 14—К -у * ЗИЯЙ

*

+ +: ш^Ш^^ШЯВжах / а

□ 1 * 2 д 3 0 4 0 5 *6 + 7 1 -

+ .у £Е± ДЗИ

Ц

20 •

1,1

18 •

16

: 14

1 12

10

0,4

жх

+П-Ч>-ЖХЮ<0-аЖООЭ<-ЖХ—

□ кХПА Ш А

п п пЬсс^ооковха * ■н+: юсГ^жапо жжхх * *

■ 1 * 2

х 3 Ж 4

о 5 □ 6

+ 8

0,5

0,6

0,7 0,8

Эквивалент, % б

0,9

1,0

1,1

0,40

1

—1 ■ 1 ‘2 Х3 —

1 Ж 4 о 5 □ 6

^ + 9

0,50

0,60

0,70 0,80

Эквивалент, %

В

0,90

1,00

1,10

2,0

1

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

■ 1 А 2

х 3 ж 4

05 □ 6

+ 10

0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

Эквивалент, % Г

0,90

1 ,00

1,10

Эквивалент, %

д

Рис. 1. Влияние характеристик химсостава на показатели механических свойств и микроструктуры катанки из стали, полученной способом ДСА:

1, 2, 3, 4, 5, и 6 - углеродные эквиваленты, рассчитанные по формулам (1)-(6) соответственно;7, 8, 9, 10 и 11 - характеристики, рассчитанные по формулам (7)-(11) соответственно

СО

8

6

0

штабный коэффициент ^^=100, в остальных случаях Км =10.

Все характеристики химсостава влияют на исследуемые показатели качества одинаковым образом. И для катанки из стали, полученной способом ДСА (рис. 1), и для катанки из стали, полученной способом ДСП (рис. 2) их увеличе-

ние приводит к возрастанию временного сопротивления и к снижению показателей пластичности (5 ю и у). Ив том, и в другом случае при возрастании характеристик химсостава наблюдается тевденция к увеличению доли пластического перлита, но практически не изменяется величина обезуглероже иного слоя.

ск< 1 ♦

+ ; ■ь Я ХШ ж ♦ ♦♦ 1

4- ., ++ #■+ К АІ У

■ ■ , ~Ьг

Вх£1

0,4

0,5

0,6

0,7 0,8 0,9

Эквивалент, %

+ 12 □ 1

▲ 2 Х3

Ж 4 05

♦ 6

1,0

1,1

1,2

18

16

14

12

10

0,4

0,5

0,6

0,7 0,8 0,9

Эквивалент, % б

1 ,0

1,1

1,2

0,4

1 . □ 1 А2 X 3 Ж 4 0 5 ♦ 6 +14

4- + £ > і t

+ + п<ж< *

*+-1-А— «же Ф

0,5

0,6

0,7 0,8 0,9

Эквивалент, % В

1,0

1,1

1,2

Эквивалент, %

Д

3,0

2,5

2,0

2

2

^ 1,5 и <

1,0

0,5

1 □ 1 А2 X 3 Ж 4 • 5 Ф6 + 16

+ +

1 «н

+ * 1 " шшлі ^ ♦

+ + + + + + + + + 1 Ж ▲« «*ня «м * і «1 ♦ к «ми*

+ + + + + + + + + ±> + + + ^Ь—■ + + жям«ряк<и ♦ ♦

0,0

++++++ + + I + + +

І I

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Эквивалент, %

1,1 1,2

Рис. 2. Влияние характеристик химсостава на показатели механических свойств и микроструктуры катанки из стали, полученной способом ДСП:

1, 2, 3, 4, 5, и 6 - углеродные эквиваленты, рассчитанные по формулам (1)-(6) соответственно;12, 13, 14, 15 и 16 -характеристики, рассчитанные по формулам (12)-(1б) соответственно

1250

1200

1150

1100

(О

П. 1050 вЕ

£ 1000 950

8

6

Чтобы сравнить, насколько полно та или иная характеристика учитывает влияние химсостава на показатели качества, рассчитали значения коэффициента достоверности аппроксимации Я2 для соответствующих парных линейных зависимостей С доверительной вероятностью 95% значимость Я2 наблюдаетсятолько для показателей механических свойств (табл. 3).

По сравнению с углеродными эквивалентами (1)—(6) предлагаемые характеристики в качестве факторов, как правило, дают более высокие значения Я2. И хотя указанное различие находится в пределах 1,5-6,3%, можно считать, что они более точно отображают влияние элементов химсостава на показатели качества катанки Кроме того , в пользу применения разработанных характе-ристик сввдетельствует и тот факт, что они включают именно те элементы химсостава, которые присутствуют в данных марках стали и оказывают значимое влияние на свойства и мик-

Таблица3

Оценка точности описания влияния химсостава на показатели качества

Характе- Коэффициент достоверности аппроксимации Я2

ристика ДСП ДСА

химсостава <зв, МПа 5 тс, % V, % <зв, МПа 510, % V, %

X 0,6411 0,2641 0,3387 0,6824 0,3791 0,4888

СЭ! 0,6154 0,2676 0,3548 0,6754 0,3764 0,4673

СЭ2 0,6213 0,2633 0,3405 0,6791 0,3736 0,4584

Сэз 0,6163 0,2614 0,3250 0,6801 0,3780 0,4730

СЭ4 0,6138 0,2608 0,3271 0,6770 0,3774 0,4755

СЭ5 0,6249 0,2664 0,3629 0,6792 0,3749 0,4609

Сэб 0,6004 0,2594 0,3394 0,6693 0,3745 0,4579

роструктуру канатной катанки.

Использование разработанных характеристик повысит точность создаваемой модели взаимосвязи показателей качества с технологическими факторами процесса производства канатной катанки.

Библиографический список

1. Матвеев Б.Н. Методы повышения качества сорта и катанки // Производство проката. 2001. № 1. С. 40-47.

2. Исследование качества катанки, прокатанной на стане 150 с использованием низкотемпературного блока клетей / Гор-баневА.А., ЮнаковА.М., Шарф Й. и др. // Производство проката. 2000. № 2. С. 20-27.

3. Четыркин Е.М., Калихман И.Л. Вероятность и статистика. М.: Финансы и статистика, 1982. 318 с.

4. Формирование оптимальной микроструктуры в высокоуглеродистой катанке / Парусов В.В., Сычков А.Б., Жигарев М .А., Перчаткин А.В. // Сталь. 2005. № 1. С. 82-85.

5. Прокат изстали повышенной прочности. Общиетехническиеусловия: ГОСТ 19281-89. М.: Сганщартинформ, 1989. С. 18.

6. Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия: ГОСТ 5781-82. М.: Стан-дартинформ, 1982. С. 16.

7. Прокат периодического профиля из арматурной стали: СТО-АСЧМ 7-93. Магнитогорск, 1993. С. 28.

8. Румянцев М .И, Цепкин А.С., Чернусь П.С. Возможности совершенствования технологии производства жести электролитического лужения на основе учета возмущений химического состава стальной основы // Материалы 62-й научнотехнической конференции по итогам НИР за 2002-2003 гг. Т. 1 / Под ред. Г.С. Гуна. Магнитогорск: МГТУ, 2003. С. 46-48.

9. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике: Справочник / Под ред. Б.Е. Неймарк. М.; Л.: Энергия, 1967. 240 с.

УДК 621.771.63

Солодова Е.М., Шемшурова Н.Г., Локотунина Н.М.

ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ПРОФИЛЯ ОБШИВЫ ГРУЗОВОГО ПОЛУВАГОНА

В последние годы состояние транс портных средств подходит к критическому уровню: зачастую вагоны не отвечают запросам потребителей по механическим и геометрическим характеристикам, грузоподъемности, скорости доставки, трудоемкости погрузочно-разгрузочных работ.

В значительной мере в вагоностроении исполь-зуются профили высокой жесткости (ПВЖ) - лис -товые профили с периодически повторяющимися продольными или поперечными гофрами, характе -

ризующиеся высокой конструктивной готовностью и низкой материалоемкостью. Они являются важными деталями конструкции грузовых полувагонов производства ФГУП «ПО Уралвагонзавод».

Основным недостатком ПВЖ с продольными гофрами является пониженная жесткость в поперечном направлении. Для повышения жесткости в обоих направлениях предложено наносить и продольные, и поперечные гофры на одно и то же место заготовки, такие профили получили