Основы производства металлопрокатных продукций в условиях металлургического комбината

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:

t_r = 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.