ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛО-КОМПОЗИТНОЙ КАТАНКИ РАЗЛИЧНОГО ДИАМЕТРА С ЗДАННОЙ СТРУКТУРОЙ И МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ В УСЛОВИЯХ СТАНА 300 АО «УЗМЕТКОМБИНАТ»

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты экспериментальных исследований и разработка опытно-промышленной технологии производства катанки диаметром 12 мм с заданной структурой и механическими свойствами в условиях стана 300 АО «Узметкомбинат».

ABSTRACT

The article presents the results of experimental research and development of an experimental-industrial technology for the production of wire rod with a diameter of 12 mm with a given structure and mechanical properties in the conditions of the mill 300 of JSC "Uzmetkombinat".

Ключевые слова: термическая обработка, арматура, низкоуглеродистой марки стали, железобетон, пластичность, прокаливаемость, механическая прочность.

Keywords: heat treatment, reinforcement, low-carbon steel grade, reinforced concrete, plasticity, hardenability, mechanical strength.

Введение. Основой развития Узбекского металлургического комбината является насыщение внутреннего рынка и рынка сопредельных государств качественной и разносортаментной продукцией, (сортовыми и фасонными профилями, проволокой и метизной продукцией).

Расширение на АО «Узметкомбинат» производства метизной продукции из холоднотянутого металла влечёт увеличение потребности  в низкоуглеродистой проволоке общего назначения.

Оптимизация технологии получения катанки, проволоки и метизов без дополнительных материальных и энергетических затрат является актуальной проблемой.

Объект и методика исследований. Экспериментальное исследование проводилось на непрерывном, мелкосортном     стане 300, предназначенного для прокатки катанки диаметром 8 – 12 мм, круглой стали диаметром 12 – 40 мм, квадратных и шестигранных профилей эквивалентного сечения, а также фасонных профилей не превышающий площадь поперечного сечения 1256 мм². Марочный сортамент мелкосортного стана – углеродистые качественные конструкционные стали, легированные инструментальные. Исходная заготовка для стана 300 – прямоугольная заготовка сечением 320-250 мм и длиной 4,3 – 6,0 м.

Формирование показателей качества мелкосортного проката из низкоуглеродистой стали   проведены экспериментальные исследования, по разработке режимов ускоренного охлаждения катанки диаметром 12 мм из Ст3сп с прокатного нагрева, для получения заданной  дисперсно- перлитной структуры параметров “ t- “ и “ ε-v “ в условиях мелкосортного стана 300. Ускоренное охлаждение круглого проката из стали марки Ст3сп по ГОСТ 380 производили на установке термоупрочнения в потоке стана 300 сортопрокатного цеха №2 АО «Узметкомбинат».

Результаты исследования и их обсуждение. Реализация данной технологии в первую очередь потребовала проведения  расчета теплотехнических параметров охлаждения катанки в устройстве. Одним из основных параметров охлаждающих устройств является длина участка активного охлаждения .

При известной скорости прокатки , в охлаждающих устройствах достигается практически мгновенное снижение температуры поверхности изделия до температуры окружающей среды, то длина участка активного охлаждения  будет определяться продолжительностью ускоренного охлаждения , т.е.

Длина участка принудительного охлаждения

Полученные значения  использовали для определения необходимого числа секций охлаждения для ускоренного охлаждения круглого проката.

Следовательно, определение продолжительности ускоренного охлаждения, которая бы обеспечила некоторый запас тепла в изделии, достаточный для получения (после выравнивания температуры по сечению проката) заданной температуры (самоотпуска t_с.о)_., определяющей для соответствующей марки стали ее структурное состояние и свойства. Это время может быть подсчитано по формуле.

где :

а – коэффициент температура проводности стали, м²/с;

R– Радиус поперечного сечения катанки, м;

Значения чисел Фурье, характеризующих темп охлаждения катанки диаметром 12 мм, находили по графической зависимости θ = f (F₀) работы

Внутренний диаметр камер охлаждения d_к выбирали из условия стабильного прохождения через них раската при ускоренном охлаждении и приемлемых значений объемных расходов воды для обеспечения гидротранспортирования.

где     - диаметр поперечного сечения круглого проката, мм

Расчет расхода охлаждающей воды. Минимальное количество воды, необходимое для охлаждения проката до заданной температуры самоотпуска, может быть определено из формулы 3. Расчет истечения жидкости с низкими скоростями относительно скорости перемещения металла производиться с целью определения скорости истечения и расхода жидкости при заданном напоре, форме и диаметре отверстия [3].

Расход жидкости:

где :

– площадь сечения отверстия (насадки), где =;

 – внутренний диаметр охладительный трубы – 0,04 м.

 – коэффициент скорости где – 0,82;

– соответственно статическое давление в резервуаре и в среде, в которую истекает струя – 0,5 кгс/м².

 − плотность истекающей жидкости, где   – 1000 кг/м³

Скорость истечения жидкости в камере охлаждения должна быть выше, чем скорость перемещения металла, в противном случае раскат при прохождении через камеры охлаждении будет застревать.

Давление воды в начале камеры создается за счет кинетической энергии струи, вытекающей из кольцевого зазора форсунки. Скорость истечения струи рассчитываем по формуле:

где    К_ф – коэффициент потери давления от удара струи (К_ф=0,5).

Абсолютная скорость движения воды

Давление в форсунке находим, пренебрегая динамическим давлением воды внутри корпуса форсунки

В работе указывается, что для того чтобы получить мелкодисперсную перлитную структуру в низкоуглеродистых сталях, катанку необходимо ускоренно охлаждать до температуры от 700 до 780 ⁰С. Поэтому будем определять температуры охлаждения(самоотпуска)катанки диаметром 12 мм из Ст3сп после прохождения через зоны активного охлаждения и воспользуемся формулой предложенной В.Т. Черненко:

где :

– минимальный секундный расход воды, кг/с

– вес металла, проходящего через камеру охлаждения за 1с (кг/с) где :

_пр х 1п.м

, гдеt_в − температура охлаждающей воды, поступающей в установку, ⁰С

– температура аустенизации металла – 1000 ⁰С.

Для расчета изменения теплосодержания удобно пользоваться данными Н.Ю. Тайца приведенной в таблице 19

– теплоемкость воды при t= 20 ⁰C, – 4,183.

Величину теплосъема при охлаждении оценивали по зависимости

где    − средний удельный теплосъем на участке принудительного охлаждения, кДж/м³

средняя удельная теплоемкость низкоуглеродистой стали,0,730 кДж/кг.град [5]

 средняя плотность низкоуглеродистой стали в диапазоне изменения температур катанки при охлаждении,.

Величины средних удельных теплосъемов, реализуемых в конкретных охлаждающих устройствах, использовали для оценок минимально потребных расходов воды в каждом охлаждающем устройстве установки термоупрочнения.

Температура нагрева охлаждающей воды, прошедшей через камеру охлаждения, определяли из соотношения

где :

 средняя удельная теплоемкость воды в диапазоне изменения ее температуры.

Расчет теплотехнических параметров охлаждения установок термоупрочнения выполнен для круглого проката диаметром 12 мм, и разработанадва режима ускоренного охлаждения катанки по выше указанной методике, соответственно при скорости прокатки  16 м/с, температура воды 23 ⁰С.

Для проведения исследований была назначена плавка № 490652. Оценку дефектов макроструктуры непрерывно литой заготовки ЭСПЦ сечением 250х320 осуществляли по ГОСТ 10243. Результаты оценки макроструктуры металла представлены в таблице 1. Химический состав стали представлен в таблице 2 и регламентируется ГОСТ 380.

Таблица 1.

Оценки дефектов макроструктуры металла по ГОСТ 10243 

Таблица 2 .

Химический состав стали

Нагрев металла под прокатку непрерывно литых заготовок ЭСПЦ проводился в ПШБ №1 методической шагающей печи в соответствии с требованиями ТИ-ПС 2.19-04. Прокатка в обжимной группы клетей производится за семь проходов из заготовки сечением 250х320 мм до сечения 120×120 мм. Первая клеть отдельно состоящая, а остальные 6 клетей составляют непрерывную группу. Прокатку катанки из квадрата 120х120 производилась согласно утвержденной схеме калибровки, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1. Калибровка валков для круглой стали диаметром 12 мм из квадратной заготовки 120х120 мм

После чистовой клети производили ускоренное охлаждение с использованием трех секций установки термоупрочнения. 

Режимы охлаждения проката и результаты замеров температуры после чистовой клети, после установки термоупрочнения и результаты механических испытаний проката приведены в таблице 3.

Отбор проб произведен по длине от головной «Г», срединной «С» и торцевой частей раската «Т» от каждого режима делением общей длины раската на 3 части.

Смотка прутков проведена частями по длине раската от каждого режима с соответствующим отбором проб на испытания (металлографическое исследование, механические испытания). Предельные отклонения по диаметру проката соответствуют  точности прокатки В1 по ГОСТ 2590.

Рисунок 2. Общий вид распределение структуры катанки d 12 мм по сечению. Режим №2

В результате металлографических исследований установлено (рисунок 2, 3), что с понижением температуры ускорение охлаждения уменьшается количество избыточного феррита, который все более тонкой прослойкой распределяется преимущественно по границам зерен. Одновременно с этим увеличивается площадь перлитных колоний и уменьшается межпластиночное расстояние от 0,6 – 1,1 мкм до 0,2 – 0,4 мкм.

Наиболее существенные изменения структуры происходят в поверхностных слоях катанки (рисунок 1) . На глубине от 1,2 до 1,8 мм наблюдается кольцо сорбита отпуска, переходящий тонкопластинчатый перлит. Глубина переходного слоя определяется маркой стали и температурой конца охлаждения.

При температуре охлаждения 753 ⁰С глубина слоя достигла 0,6 мм. При температуре охлаждения 650 ⁰С структура сорбита возникает по всему сечению около 70 % (рисунок 3). Величина действительного зерна при ускоренном охлаждении катанки до температуры 750 ⁰С уменьшалось от 7 до 9, 10 баллов.

Таблица 3.

Режимы охлаждения и механические свойства ускоренного охлажденного круглого проката диаметром 12 мм из стали 3сп 

Горячая прокатка без охлаждения 1090⁰С

Рисунок 3. Микроструктура 1-го режима ускоренно охлажденной катанки диаметром 12 мм

Ускоренное охлаждение катанки оказало существенное влияние на механические свойства. Существенное повышение пластических характеристик проявилось при температуре охлаждения до 650 ⁰С, например, относительное сужение повысилось до 10 % а временное сопротивление на 100 МПа против горячекатаного раската. Относительное сужение в катанке при охлаждении до 750 ⁰С возросло до 8 % а временное сопротивление на 60 МПа. Разброс значений механических свойств в ускоренно охлажденной катанке по длине бунта несколько уменьшается.

Рисунок 4. Микроструктура 2-го режима ускоренно охлажденной катанки диаметром 12 мм

Рисунок 5. Результат

Ускоренное охлаждение катанки до 650 ⁰С позволило в два раза снизить потери металла в окалину с 17 до 8 кг/т и повысить равномерность свойств ее по сечению бунта. Уменьшение окалины обеспечивает снижение расхода металла примерно 7 кг/т, в три раза сократило время травления и снизило расход кислоты с 19 до 8,5 кг/т.

Заключение. Разработана методика проведения экспериментального исследования по разработке режимов ускоренного охлаждения катанки в специальных установках (секция), данная методика позволяет рассчитать теплотехнические параметры  катанки и гидротранспортирующие способности установки, прохождения катанки через трубы зоны активного охлаждения.

Список литературы: 

1. Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В., Мадатян С.А., Ивченко А.В. Высокопрочная арматурная сталь. – М.: Металлургия, 1986, с.272.
2. Михайлов В.К., Мулин Н.М., Рогатин Ю.А. Перспективы применения эффективных арматурных сталей. – Бетон и железобетон, 1973, №9 с. 2 – 3
3. Казанцев Е. И. Промышленные печи.  – М.: Металлургия, 1984, с. 354
4. Трусов В.А., Зинкевич М.Б. Разработка метода расчета деформационного режима при сортовой прокатке. // Производство проката.-2012.-№2.-с.7-11.
5. Трусов В.А., Зинкевич М.Б. Ускоренное охлаждение сортового проката с принудительным вращением охладителя.// Черные металлы.-2012.-№7.-с.10-14.
6. Trusov V.A., Zinkevich M.B. Development of the method of a multi-strand rolling deformation mode calculation.// XIII International Scientific Conference «New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering», Czestochowa, 2012.-p. 537-545.