Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

Металлургия черных металлов

§ 3. Температура металла в конце прокатки

В процессе прокатки металл теряет тепло и темпера­тура его снижается. Кроме того, необходимо учитывать также, что на непрерывных прокатных станах металл прокатывается в одном направлении и передний конец полосы деформируется при более высокой температуре, а задний конец — при более низкой температуре. Отме­ченное имеет важное значение и должно учитываться при выборе температуры и режима нагрева стали под прокатку.

Температура металла в последнем проходе и после прокатки существенно влияет на механические свойства готового проката. Горячая прокатка сталей заканчива­ется при температурах выше 900—9500C. При указан­ной температуре в последнем проходе зерна металла получаются мелкими, что определяет высокую пластич­ность стали и требуемые прочностные свойства. Темпе­ратура конца прокатки влияет и на размеры готового проката. Как правило, высота заднего конца прокаты­ваемой полосы, имеющего меньшую температуру, полу­чается больше высоты переднего конца. С понижением температуры металла увеличивается его сопротивление деформации, что определяет повышение усилия прокат­ки и увеличение расстояния между валками в результа­те упругой деформации рабочей клети прокатного стана.

§ 2. Скорость нагрева металла

Качество готового проката зависит от общей продол­жительности нагрева металла в печи и скорости нагре­ва. Одним из основных требований, предъявляемых к нагреву, является равномерность распределения темпе­ратуры по сечению заготовки. Равномерность нагрева заготовок можно обеспечить длительной выдержкой металла в печи. Однако длительная выдержка при тем­пературе >8000C связана с образованием окалины, обезуглероживанием. Ускоренный нагрев для ряда ста­лей также нежелателен. Например, при нагреве высоко­легированных сталей в результате недостаточного внутреннего теплообмена образуются трещины по сече­нию заготовок, которые приводят к браку металла или снижению его механических свойств. Практически уста­новлена длительность нагрева слитков от 2 до 12 ч. При нагреве слитков, имеющих исходную температуру 800— 9000C, требуется ~2 ч для нагрева их до температуры прокатки. При нагреве холодных слитков необходимо принять такую скорость, чтобы термические напряжения не превышали критических значений. Например, если слитки с содержанием 0,3—0,45 % С нагревают до тем­пературы прокатки за 6—7 ч, то слитки стали с большим содержанием углерода следует нагревать с меньшей скоростью и длительность нагрева составит 8—9 ч.

Скорость нагрева зависит также от сечения нагре­ваемого металла. Минимально допустимая длительность нагрева сортовой заготовки слябов составляет, мин: т= = 0,1 Zh, где Z— удельная продолжительность нагрева, мин/см; h — толщина заготовки, мм.

Например, при нагреве квадратной заготовки со сто­роной 140 мм из сталей СтО—Стб Z=4, а для той же заготовки из легированной стали типа 10Х18Н9 Z= 12. Следовательно, длительность нагрева легированной ста­ли при прочих равных условиях в три раза больше дли­тельности нагрева углеродистой стали. В заводских ин­струкциях по нагреву приводятся таблицы групп марок сталей с указанием удельной продолжительности на­грева.

§ 1. Температура нагрева стали перед прокаткой

Горячая прокатка металлов и сплавов производится при нагреве выше температуры рекристаллизации; для стали температура нагрева составляет 0,8 Тпя (Tnл — температура плавления по абсолютной шкале). Напри­мер, для малоуглеродистой стали температура горячей прокатки должна быть не ниже ^=0,8(273+1530) = = 1442 K= 1169 0C.

При прокатке металла, имеющего температуру выше температуры рекристаллизации, ослабляются причины, вызывающие упрочнение — искажение кристаллической решетки, остаточные напряжения. Сопротивление ме­талла деформации в процессе прокатки остается на ис­ходном уровне, не снижается пластичность. Чем выше температура нагрева металла под прокатку, тем меньше деформирующее усилие и выше пластичность. Однако чрезмерно повышать температуру нагрева не рекомен­дуется. При температуре нагрева, близкой к температу­ре плавления стали, наблюдается быстрый рост зерен, что приводит к снижению пластичности и разрушению металла при небольших деформациях. При повышенной температуре нагрева стали в окислительной атмосфере наблюдается явление пережога — окисление границ зе­рен, что также приводит к разрушению металла. Пере­жог происходит тем легче, чем выше температура металла и чем больше окислительный потенциал атмо­сферы в печи. Особенно подвержены пережогу хромони — келевые стали, что в определенной степени объясняется низкой температурой плавления межзеренного вещества этого класса сталей. При пережоге происходит перерас­пределение серы, фосфора, кремния ме^ду аустенитом и жидкой фазой, образующейся на границах зерен под — плавлении межзеренного вещества. Межзеренное веще­ство обогащается указанными элементами, пластичность его снижается.

Температура нагрева заготовок из стали различного химического состава разная. Для углеродистых сталей максимальная температура нагрева должна быть на 100—150°С ниже линии солидуса диаграммы Fe — С. Чем выше содержание углерода, тем ниже температура нагрева стали. Температура нагрева стали с содержа­нием углерода <0,45% равна 1200°С; инструменталь­ная сталь с содержанием углерода до 1,0 % нагревается под прокатку до 1130 °С. Наибольшая температура на­грева под прокатку 1350 0C допускается для низкооугле- родистой стали (<0,1 %С). Температура нагрева в про­изводственных условиях уточняется в зависимости от типа прокатного стана, мощности главного привода, рас­стояния от печи до первой клети. Например, температу­ру нагрева заготовки из рядовой стали (0,45 %С) перед прокаткой на сортовых станах принимают равной 1200 °С, а перед прокаткой на листовых станах — 830— 12500C. В зависимости от степени легирования, содер­жания углерода и сечения заготовки температура нагре­ва металла перед прокаткой находится в пределах 1060—1350 0C.

Ниже приведена температура нагрева заготовок под прокатку для некоторых сталей, 0C: Углеродистая, низколегированная до 0,45 % С (40,

15Г—40Г)…………………………………………………………… . 1200—1220

Углеродистая, низколегированная <0,45 % С (40, 15Г —40Г, 30Г2, 15Х—40Х, 15ХФ, 15ХМ—35ХМ,

20ХГСА)……………………………………………………………………… 1200—1220

Углеродистая, низко — и среднелегированная <0,65 % С (60, 50Г, 50Х, 50ХГ, 55СГ, 40ХС, ШХ10, 60СА,

ЗОХНЗ, 35ХГСА)………………………………………………………….. 1180—1200

Углеродистая, среднелегированная <0,9 % С (У7, 58,

У8ГА)…………………………………………………………………………. 1140—1160

Углеродистая, легированная, инструментальная, ша­рикоподшипниковая около 1 % С (У9, У10, 7X3, 9ХС,

ХВГ, ШХ9, ШХ15)……………………………………………………….. 1120—1140

Углеродистая, легированная, инструментальная и вы­сокомарганцовистая (У 12, У13, X12, ХВ5, ЗОХГСА,

40ХГ, 14ХГС, 70Г, 65СГ)……………………………………………… 1100—1120

Нихром, нержавеющая (Х15Н60, 10X18H9T,

20X18H9T) ………………………………………………………………… 1200—1220

Быстрорежущая (Р9, P18)…………………………………………….. 1180—1200

17* 267

Глава XIV. НАГРЕВ МЕТАЛЛА ПЕРЕД ПРОКАТКОЙ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

На станах горячей прокатки пластической деформа­ции подвергается 80 % всей выплавляемой стали. Горя­чая деформация является основным видом обработки. Горячая прокатка требует меньших усилий и, следова­тельно, меньших затрат электроэнергии. Повышенная пластичность при горячей прокатке позволяет за один передел получать значительное уменьшение площади поперечного сечения, т. е. процесс является эффектив­ным. Слитки, обладающие большой структурной и хи­мической неоднородностью, могут быть пластически де­формированы только в горячем состоянии. Качество го­тового проката в существенной степени определяется режимом горячей обработки металлов давлением.

§18. Экспериментальное определение усилия прокатки

Измерение усилия прокатки необходимо для опреде­ления действительного запаса прочности деталей и уз­лов прокатного стана, правильной загрузки главного электродвигателя, оценки точности готового проката и т. д. Рабочая клеть является упругой системой. Изме­рение усилия прокатки связано с измерением упругих деформаций деталей рабочей клети. Упругая деформа­ция металлического образца площадью поперечного се­чения S и длиной I при действии силы P согласно зако­ну Гука равна AI=PlfSE, где E — модуль упругости материала образца.

Деформация растяжения или сжатия образца про­порциональна приложенной силе. Следовательно, если каким-то способом замерить деформацию детали про­катного стана, то однозначно можно определить дейст­вующее усилие прокатки.

Станина рабочей клети прокатного стана представ­ляет собой жесткую упругую раму (рис. 122,а), стойки которой подвергаются в процессе работы растяжению уси­лием Р/4 и изгибу реактивным моментом M0. Если из­мерение деформаций стойки производить по нейтраль­ной оси, проходящей через центры тяжести сечений стойки, то деформация будет определяться только зна­чением растягивающего усилия Р/4. Измерение дефор­мации стойки станины производят при помощи индика­торной головки с ценой деления 1 мкм. При нагружении стойки станины силой Р/4 станина на базовой длине из­мерения /б получит удлинение А/б и торец стержня по­лучит перемещение относительно верхнего кронштейна, равное А/б. При перемещении стержня в процессе нагру — жения стойки станины штифт индикаторной головки будет следовать за стержнем. При известном удлинении стойки Д/б определяется усилие прокатки: P=(4SEf //б) А/б.

Рис. 122. Схема измерения усиления прокатки при помощи механического тензометра (а), тензодатчик сопротив­ления (б)

Измерение деформаций деталей прокатного стана, пресса, волочильной машины производится при помощи тензодатчиков. Метод ос­нован на изменении элек­трического сопротивления датчиков при их совмест­ной деформации с иссле­дуемой деталью. Датчик сопротивления выполня­ется в виде плоской спи­рали (рис. 122,6) из про­волоки или фольги. Зна­чительно большей чувст­вительностью отличаются датчики, изготовленные из полупроводниковых материалов. Датчики за­крепляются на поверх­ности исследуемой детали при помощи клея. Пос­ле термической обработки тонкая клеевая прослой­ка хорошо передает перемещение точек поверхности де­тали датчикам. Датчики наклеиваются на упругие элементы. Элементы, выполненные в виде пустотелых, сплошных цилиндров или балок равного момента сопро­тивления изгибу, устанавливают между подушкой про­катного валка и нажимным винтом. На поверхности упругого элемента наклеивается несколько датчиков (четыре, восемь и т. д.), которые соединяются в измери­тельный мост Уитстона. Тензометрические датчики в не­которых случаях наклеивают на детали металлургиче­ских машин, например валок.

На выходе сбалансированного моста Уитстона после нагружения появится ток, пропорциональный приложен­ному усилию. Сила тока, пропорциональная усилию, из­меряется стрелочным прибором или записывается на осциллографе на фотопленку (фотобумагу). Имея зави­симость силы тока от усилия, представляется возмож­ным определять неизвестное усилие по силе тока в из­мерительной диагонали моста.

17—398

§ 17. Направление сил, действующих на валки, и момент прокатки

PCp=K2-JH—^

Е (о — 1) H

Рассмотрим простой процесс прокатки, который со­провождается равенством диаметров рабочих валков и их одинаковой угловой скоростью, постоянством свойств металла по высоте зоны деформации, отсутствием внеш — них сил, приложенных к полосе вне зоны деформации. При простом процессе прокатки усилие P направлено- параллельно линии, соединяющей центры валков (см. рис. 121,в). Вертикальное направление усилия про­катки определяется тем, что в зоне деформации металл движется без ускорений и замедлений, условия на кон­тактных площадках со стороны валков одинаковы, на полосу не действуют внешние силы; следовательно, го­ризонтальная проекция усилия прокатки на ось х долж­на быть равна нулю.

Если к свободным концам полосы приложить внеш­ние силы, то направление действия усилия не будет вер­тикальным. Момент сил, необходимый для привода од­ного валка, при простом процессе прокатки, равен M = =Pa (а— плечо приложения усилия прокатки). Для привода обоих валков необходимо приложить момент Мпр=2Ра.

На основании опытных данных можно принимать следующие значения плеча приложения усилия при го­рячей прокатке а= (0,3—0,5)/д; при холодной а = = (0,25-0,4)/д.

§ 16. Усилие прокатки

Усилие при прокатке P=pcpF к, где Pcp — среднее значение давления на единицу площади контакта метал­ла с валками, МПа; Fk — площадь контакта металла с валками, м2. Из этого следует, что определение усилия прокатки сводится к определению площади контакта ме­талла с валками и среднего давления.

При прокатке полосы в гладких валках площадь кон­такта Fk определяется формулой: FK = [(b0-\-b) /я]/2, где Ia — длина дуги захвата; b = b0 + A. b— ширина полосы после прокатки.

Среднее давление зависит от многих параметров процесса прокатки: сопротивления металла деформации К, обжатия, коэффициента внешнего трения /, отноше­ния длины дуги захвата к средней толщине полосы /д/ /Лор, натяжения внешних частей полосы, упругой дефор­мации валков и т. д. Для случая прокатки широких по­лос (Ab = O) среднее давление определяется формулой А. И. Целикова:

H

Где K= 1,15 Ot — сопротивление металла деформации, МПа; ha — высота полосы в нейтральном сечении. Со­противление металла деформации при двумерной про­катке K= 1,15 От, где Ot — среднее значение предела те­кучести металла с учетом деформации, МПа. Предел текучести зависит от физико-механических свойств ме­талла, температуры обработки, степени деформации е и скорости ее изменения во времени Clejdt.

§ 15. Опережение при прокатке

Опытом установлено, что в сечении выхода из зоны деформации скорость металла больше линейной скоро­сти валков. При известной скорости выхода металла из зоны деформации Vh и окружной скорости валков vB опережение металлом валков Sh определяется по фор­муле, %: Sb= (Vll-Va)ZVв-100.

Опережение может составлять 10—12 % и зависит от целого ряда параметров процесса прокатки. Скорость выхода металла из валков равна vh = vB(\ +Sh)..

Сечение, отвечающее равенству скорости металла го­ризонтальной проекции скорости валков (линия разде­ла), называется нейтральным сечением. Высота зоны деформации в нейтральном сечении ha называется высо­той нейтрального сечения. Центральный угол у, соот­ветствующий нейтральному сечению, называется углом нейтрального сечения. Угол нейтрального сечения опре­деляется по формуле Экелунда — Павлова: у = (а/2) X X (1—а/2р).

Опережение металлом валков определяется форму­лой Финка — Дрездена: Sh=y2R/h.

Опережение пропорционально квадрату угла ней­трального сечения и отношению R/h. Уменьшение тол­щины полосы при постоянном радиусе валков или уве­личение радиуса валков при постоянной толщине рав­носильно уменьшению угла наклона поверхностей инструмента. При увеличении радиуса валка или умень­шению толщины полосы относительно большая часть металла, обжимаемого по высоте, потечет в направлении суживающейся щели.

§ 14. Уширение при прокатке

Уширение зависит от абсолютного обжатия Ah, коэф­фициента трения между валками и металлом f, отношения ширины полосы к ее толщине h. Большая по отно­шению к толщине ширина полосы или подпирающее бо­ковое давление инструмента определяет преимуществен­ное течение обжимаемого по высоте металла в длину< Для определения абсолютного уширения можно приме­нить формулу С. И. Губкина: Ab = nAh(l-\-s) (fV^D/ho— ¦—0,5 е), где п — коэффициент, учитывающий отношение начальной ширины полосы к толщине (при b/h^l, п — = 1); D — рабочий диаметр валка;, е — относительное обжатие.

Если во всех сечениях зоны деформации напряжение <т2 (см. рис. 116) равно полусумме двух других напря­жений, то уширение металла равно нулю, а схема де­формации называется двумерной (плоской). В этих слу­чаях высотная деформация будет равна продольной (вытяжке). При прокатке широких полос bo/h^X уши­рение настолько мало, что его при расчетах не учиты­вают.

§ 13. Зависимость рабочего диаметра валков от степени деформации и коэффициента трения

На основании условия захвата металла может быть записано, что f =VbhIR. Отсюда найдем наименьший рабочий радиус валка: Rmm=AhH2.

При конкретном значении коэффициента трения диа­метр валка определяет возможное уменьшение толщины полосы. Однако необходимо учитывать, что большие об­жатия могут быть получены в результате увеличения диаметра прокатных валков, что не всегда желательно. При увеличении диаметра повысится усилие прокатки; с увеличением диаметра валков бывает трудно, а в не­которых случаях невозможно получить полосы неболь­шой толщины. Оптимальная величина диаметра бочки рабочих валков клетей четырехвалкового стана холодной прокатки полосы зависит от сортамента проката, требо­ваний к точности размеров и качеству поверхности, от величины усилия и момента прокатки с учетом контакт­ной прочности бочки и прочности шеек валков, от угла захвата, толщины смазочной пленки в зоне деформации металла валками. Кроме, того, необходимо учитывать требования производства по снижению расхода энергии при прокатке, стоимости продукции.