Основы производства металлопрокатных продукций в условиях металлургического комбината

Basis of production metal rolled products under conditions metallurgical plant
Цитировать:
Тилабов Б.К., Исаев С.И. Основы производства металлопрокатных продукций в условиях металлургического комбината // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 2(83). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11286 (дата обращения: 05.12.2024).
Прочитать статью:

 

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены основы производства прокатных изделий в условиях металлургического комбината. Приведены результаты исследований прокатных изделий, изготовленных из сортопрокатной стали. Изучены химический состав, механические свойства, параметры макро- и микроструктуры и упрочняющие обработки сортопрокатных сталей местного производства. Показано, что после упрочняющей обработки улучшается качество и увеличивается прочность изделий.

ABSTRACT

This article presents foundations for the production of rolled products in a metallurgical plant. The results of studies of rolled products made of rolled section steel are presented. The chemical composition, mechanical properties, parameters of macro- and microstructure and hardening treatment of section-rolled steel of local production have been studied. It is shown that after the hardening treatment, the quality improves and the strength of the products increases.

 

Ключевые слова: химический состав и механические свойства металлопрокатных изделий, упрочняющая термическая обработка, макро- и микроструктура, качество и работоспособность готовых изделий.

Keywords: chemical composition and mechanical properties of rolled metal products, hardening heat treatment, macro- and microstructure, quality and performance of finished products.

 

Введение. Развитие металлургической, химической и машиностроительной промышленности, а также других близких отраслей технологии во многом зависит от различных факторов по повышению производительности производства [6]. Одним из способов подъема производительности является применение оптимальных химических элементов для изготовления качественных металлопрокатных изделий из сортопрокатной стали [4].

Одной из наиболее важных задач металлургической отрасли является повышение эксплуатационных свойств и качеств, а также удлинение сроков службы прокатных деталей. Это требует широкого использования оптимальных составов и упрочняющих обработок или прочных и износостойких материалов на основе твердого сплава, а также внедрения новых современных технологических методов, улучшающих эксплуатационные свойства и повышающих сроки службы прокатной продукции и деталей.

Большинство деталей, применяемых в металлургической отрасли, выходят из строя вследствие интенсивного абразивно-коррозионного или ударно-абразивного износа деталей машин и оборудования. Одним из наиболее простых и результативных способов продления жизни прокатных деталей является создание оптимальных составов и свойств, а также режимов термической обработки, которые увеличивают долговечность деталей в два и более раза. В статье приводятся материалы по исследованию состава и свойств углеродистых сталей.

Как показали исследования, сопротивление металлов абразивному износу зависит прежде всего от их химического состава и механического свойства, а также оптимальной термической обработки. При этом износостойкость тесно связана с твердостью структурных составляющих и будет тем выше, чем выше их твердость и чем больше в сплаве твердых составляющих. Поэтому абразивную износостойкость сталей можно существенно повысить, легируя твердые растворы и создавая специальные карбиды, а также образуя мартенситные структуры.

Целью данной работы являются основы комплексного исследования состава и свойств прокатных изделий, изготовленных из углеродистой стали, деталей местного производства с последующим увеличением их прочности и качества.

Степень новизны заключается в определении состава и свойств прокатных изделий и предложении оптимального варианта состава и свойств, а также режимов термической обработки.

В магистерской работе исследованы металлопрокатные изделия, полученные из сортопрокатной стали в условиях АО «Узметкомбинат». Изучены состав, свойства, твердость, параметры макро- и микроструктуры на специально приготовленных образцах и деталях. Также разработаны режимы упрочняющей термической обработки прокатной продукции.

Прокат – это горячий металл, получаемый в процессе пластического деформирования тел между вращающимися приводными валками. Обрабатываемое тело, в общем случае называемое полосой, пропускается между валками (рис. 1), вращающимися в противоположные стороны. Полоса втягивается в валки за счет действия сил трения на контакте. При прохождении между валками толщина полосы уменьшается, а длина и ширина увеличиваются (см. рис. 1). Сама прокатка относится к числу основных способов обработки металлов давлением. При обработке металлов давлением получаются различные виды или конфигурации металлических или неметаллических изделий.

 

Рисунок 1. Схематическое изображение процесса продольной прокатки:

1 – валки; 2 – металлическая горячая полоса

 

Эти методы известны давно, но есть некоторые изменения в конструкции прокатных станов и улучшения выпускаемых изделий, так называемый сортамент продукции в целом. Как сообщалось выше, прокатка относится к числу основных способов обработки металлов давлением [5]. Узбекский металлургический комбинат методом прокатки получает изделия разнообразной формы: тонкие и толстые листы, профили квадратного и круглого сечений, уголки, швеллеры, двутавровые балки, разные трубы, рельсы и многие другие виды [3] прокатных изделий.

При прокатке изделий типа листов применяются валки, рабочая часть (бочка) которых имеет форму круглого цилиндра без каких-либо вырезов и выступов (рис. 2а). Прокатку в таких валках часто называют прокаткой на гладкой бочке. При производстве более сложных сортовых профилей применяются калиброванные валки и деформация полосы осуществляется в калибрах (рис. 2б). По технологическим характеристикам прокатки бывают горячие и холодные. Эти виды часто используются в металлургической отрасли.

 

Рисунок 2. Прокатные валки с гладкой бочкой (а) и калиброванные валки (б), применяемые в металлургической промышленности

 

Как известно, горячая прокатка распространена шире, чем холодная. Нагретый металл при высоких температурах обладает пониженным сопротивлением деформации и повышенной пластичностью. При горячей деформации пластические свойства металла выше, а сопротивление деформации ниже, чем при холодной деформации, поэтому горячая деформация сопровождается меньшими энергетическими затратами, чем холодная. Вследствие этого холодную деформацию применяют только в том случае, если горячая деформация неприменима. Холодная прокатка применяется для получения относительно тонких изделий с высококачественной поверхностью, например тонких листов, тонкостенных труб и др. Она иногда находит применение при обработке в области промежуточных температур – так называемая теплая прокатка прокатной продукции.

Из вышесказанного следует отметить, что прокатка служит не только для получения прокатных изделий определенной формы, но и в значительной степени способствует повышению механических свойств металла и сплавов.

Методика проведения исследований. В магистерской диссертации исследовали состава и свойств прокатного стали 45. Исследования показали, что в прокатываемых сталях содержание C, Si и Mn очень мало, а содержание Cr и S очень велико. Определяли твердость на приборе Роквелля ТК-2, который показал HRC46–48. Поэтому предлагали оптимальный вариант состава и свойств деталей с последующей оптимальной термической обработкой (закалка и отпуск стали). После оптимального состава и термической обработки твердость повысилась HRC54–57. Микроструктура стали состоит из мелкоигольчатого мартенсита и наименьшего количества остаточного аустенита.

Тип данной статьи является обзорным, но проблемно-практическим, так как этот материал относится к исследовательской части магистерской диссертации.

Практический опыт показал, что нагрев металла при обработке давлением влияет на качество и прочность, а также стоимость прокатной продукции. Основные требования при нагреве металла: необходим равномерный прогрев слитка или заготовки по сечению и длине до соответствующей температуры за минимальное время с наименьшей потерей металла в окалину и экономным расходом топлива (топливом для печей служат мазут и газ). Следует помнить, что неправильный нагрев металла вызывает различные дефекты: трещины, обезуглероживание, повышенное окисление, перегрев, пережог и др. Поэтому всегда надо правильно проводить нагрев металла и бережно относиться к печи.

Электросталеплавильные печи (рис. 3а) для нагрева слитка или заготовок подразделяют на электрические и пламенные, а по распределению температуры нагрева – на камерные и методические. Современные нагревательные электропечи оснащены различными приборами и автоматическими системами регулирования тепловых режимов работы печей, благодаря чему повышено качество нагрева металла, увеличена производительность, снижен расход топлива, улучшены качество продукции и условия труда рабочего персонала. В электросталеплавильном цехе комбината находится большая электропечь, которая нагревает слитки или заготовки до определенной температуры плавления стали. На рис. 3а, б показаны прокатные валики: идущий горячий прокат стали (рис. 3б); полученная прокатная продукция (рис. 3в).

 

Рисунок 3. Электропечь в действии (а), идущий горячий прокат стали (б) и полученная прокатная продукция (в) Узбекского металлургического комбината

 

Предлагаемые нами варианты являются оптимальными химическими элементами для этих прокатов, которые проанализированы в центральной лаборатории комбината и применены для получения различной прокатной продукции. Также предлагаются режимы упрочняющей обработки прокатных деталей или изделий [1].

Результаты исследований и их обсуждение. Основную температуру начала и конца горячего деформирования определяли в зависимости от температуры плавления и рекристаллизации, т.е. начальная температура должна быть ниже температуры плавления, а конечная – выше температуры рекристаллизации [7]. Так, например, для углеродистой стали температуру начала горячего деформирования выбирали по диаграмме состояния железо – углерод на 100–200 °С ниже температуры начала плавления стали заданного химического состава, а температуру конца деформирования углеродистых сталей принимали на 50–100 °С выше температуры рекристаллизации, а также определяли по эмпирической формуле:

tr = 100 (9,1 – 1,1C)°С,

где С – содержание углерода в %.

Наибольшую температуру нагрева стали с содержанием 0,1 %С принимали равной 1350 °С, 0,2 %С – 1270–1250 °С, 0,6 %С – 1200–1180 °С, 1,0 %С – 1120–1100 °С и т.д. Прокатка большинства марок углеродистой стали начинается при 1200–1150 °С и заканчивается при 950–900 °С, т.е. нормальный перепад температур составляет 300–250 °С, возможны и отклонения; при прокатке тонких листов на непрерывных станах перепад температур может достигать 350 °С, и, наоборот, при прокатке легированных сталей с повышенным сопротивлением деформации температурный интервал горячей деформации уменьшается до 200–150 °С. Приведенные температурные интервалы являются вполне достаточными для этих сталей [7]. Значит, продолжительность и температуру нагрева для различных металлов и их сплавов устанавливают с учетом положенных соображений и на основании практических данных и принятого технологического процесса деформирования.

Прокатные изделия разделяются на различные сортаменты прокатного стана. Это совокупность профилей по форме поперечного сечения и их размеров, которые можно получить прокаткой на данном стане. Вообще в нашей стране почти все прокатные изделия, изготовляемые прокаткой, стандартизованы. В данных стандартах приведены размеры, площадь поперечного сечения и масса погонного метра профиля, а также допускаемые для изготовления различные конструкции, кроме размеров площади поперечного сечения и массы одного погонного метра. Даны также справочные величины, как момент сопротивления, момент инерции, радиус инерции и т.д. Кроме этого, во всех стандартах приведены также допускаемые отклонения по длине и ширине проката, по длине поставляемых полос. Кроме ГОСТов на сортамент имеются также ГОСТы на технические условия (ТУ), включающие требования к химическому составу и механическим свойствам стали, поверхности прокатываемого металла, макро- и микроструктуры стали, маркировке и качеству стали, методам испытания и правилам приемки стандартной прокатной продукции.

С металлургической точки зрения все прокатные изделия в зависимости от их формы и размеров можно разделить на четыре основные группы: 1 – сортовая сталь; 2 – листовая сталь; 3 – трубы; 4 – специальные виды проката. На рис. 4 приведен основной сортамент сортовой и листовой стали.

 

Рисунок 4. Основной сортамент прокатной продукции:

1 – круг; 2 – квадрат; 3 – шестигранник; 4 – полоса; 5 – лист; 6 – лист; 7 – сегментная сталь; 8 – овальная сталь; 9 – трехгранная сталь; 10 – равнобокий уголок; 11 – неравнобокий уголок; 12 – тавровая балка; 13 – швеллер; 14 – двутавровая балка; 15 – рельс

 

Сортамент сортовой стали весьма обширен, так как ее используют в самых различных отраслях промышленности для изготовления машин, станков, стальных конструкций, деталей или изделий машин и механизмов. В зависимости от назначения сортовую сталь можно разделить на профили общего и специального назначения. К профилям общего массового потребления относят круглую, квадратную и полосовую сталь, угловую сталь, швеллеры и двутавровые балки. К профилям специального назначения относят рельсы и профили, применяемые в автотракторостроении, строительстве, вагоностроении и многих других отраслях промышленности.

Проводили исследования по макро- и микроструктурному анализу, определяли поверхностные и внутренние строения структуры прокатных изделий на специально приготовленных шлифах. Макроструктурный анализ изучали на микроскопе МБС-9, а металлографические микроструктурные анализы – на оптических металлографических микроскопах МИМ-8М и Neofot-21.

Металлографические исследования показали, что рассматриваемая прокатная сталь местного производства имеет оптимальный состав. Структура состоит из феррита и перлита (рис. 5а, б), на поперечном шлифе с мелкими карбидными частицами наблюдается мартенсит (рис. 5в). На продольных шлифах склонности к хрупкому выкрашиванию нет. При больших увеличениях обнаруживаются крупные и мелкие частицы-карбиды. Данная микроструктура стали хорошо видна на поперечном шлифе (см. рис. 5в) [1; 7].

 

Рисунок 5. Микроструктуры прокатных сталей:

а – феррит; б – перлит; в – мартенсит с меньшим количеством остаточного аустенита

 

Выводы. В заключение следует отметить, что все экспериментальные образцы и некоторые детали были подвергнуты оптимальным режимам упрочняющей термической обработки [2; 8–10] с последующим отпуском. Упрочняющая термическая обработка была проведена с целью повышения твердости и прочности прокатных изделий в два и более раза.

 

Список литературы:

  1. Тилабов Б.К. Повышение качества литых деталей песковых насосов // Научно-технический и производственный Горный журнал (Цветные металлы) Алмалыкский горно-металлургический комбинат. – Навои, 2009. – № 8. – С. 92–94.
  2. Тилабов Б.К. Структурные факторы повышения износостойкости литых цильпебсов, изготовленных из высокохромистого чугуна // Сборник научных трудов I Международной научно-технической конференции. Южно-Уральский государственный университет РФ. г. Челябинск. – Россия, 2013. – С. 198–203.
  3. Фарманов А.К. Стальные реки Бекабада. – Ташкент : Шарқ, 2008. – 183 с.
  4. Федосов Н.М. Основы проектирования прокатных цехов. – М. : Металлургия, 1989. – 303 с.
  5. Чиченов Н.А. Методы исследования процессов обработки металлов давлением. – М. : Металлургия, 1987. – 331 с.
  6. Ширяев П.А. Основы технико-экономического проектирования металлургических заводов. – М. : Металлургия, 1983. – 370 с.
  7. Mukhamedov A.A. Heat treatment with double phase recrystallization for improving service properties of machine parts and tools // Heat treatment and technology of surface coating. Materials of the Congress. Vobume v. MOTO. December 11–14. – Moscow, 1990. – P. 38–39.
  8. Tilabov B.K. Increase the service life of cast parts tillihg machines // International Conference «Global Science and Innovation» March 23–24, 2016. – USA. Chicago, 2016. – P. 222–225.
  9. Tilabov B.K. Optimal modes of heat treatment to improve the abrasive wear resistance of cast machine parts. European applied sciences. Europaische Fachhochschule. ORT Publishing. – Germany, 2016. – № 3. – P. 35–38.
  10. Tilabov B.K., Sherbo’tayev J.A., Isaev S.I. Methods of Manufacturing Cast Details with a Solid-Alloy Coating and Heat Treatment. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – India, 2020. – Vol. 7. – Iss. 5. – P. 13720–13723.
Информация об авторах

д-р техн. наук, профессор Алмалыкского филиала Ташкентского государственного технического университета им. Ислама Каримова, Узбекистан, г. Алмалык

Professor of technical Sciences, associate professor Almalyk branch of Tashkent state technical University named after Islam Karimov, Uzbekistan, Almalyk

магистр кафедры «Обработка металлов давлением» Ташкентского государственного технического университета имени Ислама Каримова, Узбекистан, г. Ташкент

Master of the department "Metal forming" Tashkent state technical University named after Islam Karimov, Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top