Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Секция 2. Листопрокатное производство

150

Рисунок 1 – Средние температуры конца прокатки

Однако низкотемпературный нагрев слябов предъявляет особые требования к средствам

нагрева. Вследствие меньшего, чем обычно, градиента температур равномерный прогрев по всему

сечению требует большего времени томления. Кроме этого при низкотемпературной прокатке

увеличиваются нагрузки на прокатное оборудование.

Все это необходимо учитывать при разработке технологии низкотемпературной прокатки.

При этом необходимо учитывать и еще один фактор, при контролируемой прокатке нагрев слябов

является одним из важных технологических этапов, обеспечивающих формирование оптимальной

структуры и комплекса механических свойств. Условия нагрева металла под прокатку оказывают

влияние на две основные характеристики аустенита: величину зерна и состав твердого раствора

вследствие растворения избыточных фаз [2].

Согласно литературным данным, снижение температуры нагрева на обычных углеродистых

сталях не ведет к существенному изменению свойств проката [3]. По этой причине оценка влияния

снижения температуры нагрева на качество выпускаемого металла была выполнена для

углеродистых сталей обыкновенного качества.

Поскольку проведение промышленного эксперимента является дорогостоящей операцией,

первоначально оценка возможности снижения температуры нагрева металла и определение

энергосиловых параметров была выполнена с помощью модели горячей листовой прокатки

HSMM (Hot Strip Mill Model).

Модель HSMM предназначена для проверки режимов горячей прокатки по усилию прокатки,

моменту прокатки, току якоря и мощности двигателя, расчета температуры металла при прокатке,

расчета структуры металла и механических свойств, формирующихся в результате прокатки по

заданной технологии.

На первоначальном этапе была произведена калибровка модели HSMM на основании ранее

прокатанных полос из различных марок сталей. В качестве базовой марки стали при расчетах в

модели HSMM использовалась марка А36, химический состав которой приведен в таблице 1.

Секция 2. Листопрокатное производство

151

Табл. 1. Химический состав базовой марки А36

C Mn P S Si Cu Ni Cr Mo Nb V Ti Al N B

0,1

0,7

0,00

0,01

0,0

0,01

0,0

0,00

0,0

0,004

0,0

Химический состав полос, используемых для калибровки модели, приведен в таблице 2.

Табл. 2. Химический состав полос, используемых для калибровки модели

№

марка

C Mn P S Si Cu Ni Cr Mo Nb V Ti Al N B

1 Ст3с

0,1

0,3

0,01

0,1

0,0

3 0,004

0,0

2 Ст3с

0,1

0,8

0,01

0,00

7 0,2

0,0

0,007

0,0

3 Ст3с

0,1

0,5

1 0,02

0,00

0,2

0,0

3 0,006

0,0

4 Ст3пс

0,1

0,4

0,01

0,02

0,0

02 0,03

0,00

0,0

5 Ст3сп

0,1

0,4

0,01

0,1

8 0,2

0,0

02 0,03

0,00

0,0

6 Ст3сп

0,1

0,4

0,01

0,2

0,3

0,1

0,0

01 0,03

0,00

0,0

7 S275J

0,1

0,3

5 0,01 0,02

0,0

01 0,03

0,00

0,0

8 Ст3пс

0,1

7 0,5

0,01

0,1

0,2

0,0

0,01

0,00

0,0

9 20 0,1

0,5

0,01

0,00

8 0,2

0,0

03 0,03

0,00

0,0

Ст3пс

0,2

0,6

0,01

0,1

0,0

02 0,04

0,00

0,0

Сравнения фактических усилий и моментов прокатки в чистовой группе стана 2000 с

расчетными, полученных с помощью модели HSMM, представлены в таблице 3, 4.

Табл. 3 Усилия прокатки, МН

№

полосы

клеть 7 клеть 8 клеть 9 клеть 10 клеть 11 клеть 12 клеть

факт 31,44 26,90 21,65 20,19 17,26 13,50 9,87

расчет 27,89 27,42 25,00 20,96 18,46 15,27 9,48

факт 31,07 26,90 20,99 16,50 16,43 14,79 9,30

расчет 25,52 25,35 23,87 16,89 18,18 14,85 8,25

факт 28,25 29,21 20,30 17,42 15,78 11,87 9,54

расчет 25,09 28,51 21,01 17,20 15,94 12,31 7,38

факт 20,89 19,66 16,42 19,65 15,67 11,02 8,08

расчет 19,61 22,04 19,24 17,59 15,69 12,65 6,93

5 факт 28,48 28,33 22,31 22,79 16,16 13,62 9,65

Секция 2. Листопрокатное производство

152

расчет 24,03 24,37 22,10 19,40 16,06 15,47 8,44

факт 24,15 24,69 15,88 18,55 15,09 15,18 0,20

расчет 15,77 20,46 18,33 16,56 13,31 10,10 4,90

факт 24,51 26,97 17,94 18,10 16,03 12,95 9,69

расчет 28,74 28,52 25,17 23,23 19,93 14,83 11,66

факт 26,36 26,97 20,74 19,84 15,61 14,37 10,93

расчет 23,93 24,19 21,20 17,29 14,85 11,61 8,20

факт 24,62 27,57 21,76 19,97 17,93 17,32 10,70

расчет 21,91 24,43 22,58 19,28 17,29 14,30 10,30

факт 23,98 24,53 17,92 17,23 16,61 16,05 10,82

расчет 20,55 22,75 20,38 17,75 14,44 10,80 6,37

Табл. 4 Моменты прокатки, МН*м

№ 6 клеть 7 клеть 8 клеть 9 клеть 10 клеть 11 клеть 12 клеть

факт 0,85 0,50 0,74 0,50 0,51 0,33 0,41

расчет 1,72 1,31 0,85 0,51 0,34 0,24 0,10

факт 0,80 0,50 0,70 0,37 0,55 0,38 0,43

расчет 1,45 1,18 0,79 0,37 0,35 0,24 0,09

факт 0,78 0,55 0,62 0,38 0,45 0,25 0,03

расчет 1,55 1,39 0,63 0,37 0,26 0,16 0,06

факт 0,52 0,36 0,51 0,49 0,43 0,28 0,33

расчет 1,08 1,05 0,64 0,45 0,30 0,19 0,07

факт 0,73 0,56 0,77 0,66 0,50 0,35 0,50

расчет 1,40 1,17 0,77 0,51 0,31 0,28 0,10

факт 0,59 0,44 0,51 0,46 0,54 0,47 0,03

расчет 0,71 1,08 0,72 0,47 0,28 0,18 0,05

факт 0,73 0,52 0,57 0,39 0,43 0,26 0,31

расчет 1,20 1,39 0,83 0,53 0,32 0,17 0,10

факт 0,70 0,53 0,76 0,52 0,53 0,39 0,52

расчет 1,42 1,23 0,79 0,47 0,29 0,20 0,11

факт 0,62 0,55 0,78 0,53 0,68 0,54 0,54

расчет 1,21 1,24 0,85 0,54 0,36 0,26 0,14

факт 0,60 0,44 0,63 0,40 0,70 0,45 0,49

расчет 1,12 1,20 0,80 0,52 0,30 0,20 0,08

Сравнивая фактические значения усилий и моментов прокатки с расчетными значениями,

полученными с помощью модели HSMM, можно сделать вывод, что модель достаточно точно

определяет данные величины.

Одновременно с оценкой энергосиловых параметров была выполнена оценка точности

расчета механических свойств. Фактические механические свойства полос, используемых для

калибровки модели и механические свойства, полученные с помощью HSMM, приведены в табл.

Секция 2. Листопрокатное производство

153

Табл. 5 Фактические и расчетные механические свойства

№

Марка

стали

Предел

текучести,

Н/мм

Предел

прочности,

Н/мм

Относительное

удлинение, %

1 Ст3сп

факт 285,0 435,0 37,0

расчет

328,4 459,7 32,2

2 Ст3сп

факт 340,0 475,0 33,0

расчет

320,6 447,9 32,9

3 Ст3сп

факт 335,0 470,0 29,0

расчет

338,1 476,1 31,2

4 Ст3пс

факт 300,0 415,0 37,0

расчет

298,9 429,8 34,1

5 Ст3сп

факт 300,0 455,0 30,0

расчет

350,4 485,0 30,7

6 Ст3сп

факт 315,0 480,0 29,0

расчет

342,6 473,0 31,4

7 S235JR

факт 330,0 410,0 40,0

расчет

367,2 471,6 31,4

8 Ст3пс

факт 320,0 470,0 30,0

расчет

340,3 476,4 31,2

9 20

факт 310,0 460,0 34,0

расчет

361,8 499,9 29,9

Ст3сп

факт 335,0 485,0 27,0

расчет

313,2 457,0 32,3

Из расчетов видно, что при соответствии химических составов прокатываемых сталей и

химического состава базовой марки, точность определения механических свойств достаточно

высока. При отклонении химического состава от базовой марки стали, для которой проводилась

калибровка модели, возрастает погрешность определения конечных механических свойств [4].

Оценка возможности снижения температуры нагрева была выполнена для полосы №3, т.к. в

процессе калибровки модели для данной полосы получены минимальные погрешности при

определении энергосиловых параметров и механических свойств.

Расчетные усилия и моменты прокатки для полосы №3 при снижении температуры нагрева

металла на 30

◦

С приведены в таблице 6.

Табл. 6 Расчетные усилия и моменты прокатки в чистовой группе стана 2000

клеть 7 клеть 8 клеть 9 клеть 10 клеть 11 клеть 12 клеть

Усилие прокатки для

полосы №3, МН

25,09 28,51 21,01 17,20 15,94 12,31 7,38

Усилие прокатки для

полосы №3 при

снижении

температуры нагрева,

МН

26,62 29,92 21,91 17,87 16,30 12,59 7,58

Допустимое усилие 35 35 33 32 31 29 17

Секция 2. Листопрокатное производство

154

прокатки, МН

Момент прокатки для

полосы №3, МН*м

1,55 1,39 0,63 0,37 0,26 0,16 0,06

Момент прокатки для

полосы №3 при

снижении

температуры нагрева,

МН*м

1,65 1,46 0,66 0,38 0,26 0,16 0,06

Допустимый момент

прокатки, МН*м

2,5 2,5 1,3 1,3 0,8 0,8 0,35

Как видно из табл.6, при снижении температуры нагрева металла усилия и моменты

прокатки возросли, но при этом не превышают предельно-допустимых значений.

Прогнозируемые механические свойства после снижения температуры нагрева приведены в

таблице 7.

Табл.7 Прогнозируемые механические свойства при низкотемпературной прокатке

Расчетные мех св-ва

для полосы №3

Предел текучести,

Н/мм

Предел прочности,

Н/мм

Относительное

удлинение, %

текущая технология 338,1 476,1 31,2

низкотемпературная

прокатка

346,6 483,1 30,8

Изменение механических свойств в результате снижения температуры нагрева не

существенно. Полученные механические свойства удовлетворяют требованиям НТД.

Выводы:

1. Модель горячей листовой прокатки HSMM применима для проведения пассивных

экспериментов по оценке энергосиловых параметров и механических свойств, при условии,

что химический состав исследуемой стали соответствует химическому составу базовой

марки модели.

2. Показана возможность применения низкотемпературной прокатки в условиях стана 2000

ОАО «Северсталь». Согласно проведенным экономическим расчетам, снижение

температуры нагрева металла позволит уменьшить себестоимость продукции без

ухудшения ее качества.

Список литературы:

1. Коновалов Ю.В. Справочник прокатчика. Справочное издание в 2-х книгах. Книга 1.

Производство горячекатаных листов и полос. – М.: «Теплотехник», 2008. – 640 с.

2. Ф. Хайстеркамп, К. Хулка, Ю.И. Матросов, Ю.Д. Морозов, Л.И. Эфрон, В.И. Столяров, О.Н.

Чевская. Ниобийсодержащие низколегированные стали. М.: «СП ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ»,

1999. – 94 с.

3. Погоржельский В.И., Литвиненко Д.А., Матросов Ю.И., Иваницкий А.В. Контролируемая

прокатка. М., «Металлургия», 1979. 184 с.

4. A.A. Васильев, Н.Г. Колбасников, Д.Ф. Соколов, С.Ф. Соколов. Модификация модели HSMM

для повышения точности расчета механических свойств сталей, прокатанных на стане 2000 ОАО

Северсталь»//Труды международной научно-технической конференции. СПб. 24-26 июня 2009г.

Секция 2. Листопрокатное производство

155

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПРОКАТЫВАЕМЫХ ПОЛОС

ПО СТРУКТУРЕ И ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛА

Алдунин А.В.

РФ, Московский государственный открытый университет, miomd@msou.ru

Требования к комплексу физико-механических свойств полосового проката из различных

сплавов непрерывно повышаются. В связи с этим ведутся поиски новых рациональных методов

управления процессами прокатки полос, включая более полное использование резервов

металлических материалов по структуре и пластичности.

Эффективность регулирования структуры полос из низкоуглеродистой стали на

непрерывном широкополосном стане горячей прокатки (НШСГП) значительно возрастает за счет

применения качественной диаграммы рекристаллизации аустенита [1]. Такая диаграмма,

построенная для стали Ст3сп применительно к условиям прокатки полос на НШСГП (t = 880-

1070ºС, ε = 0-50%,

ср

= 100 с

-1

, τ = 0,3-60 с), в координатах «1/Т – lgε – lgτ» содержит следующие

области: A – инкубационного периода первичной рекристаллизации; B – первичной

рекристаллизации; C – инкубационного периода собирательной рекристаллизации; D –

собирательной рекристаллизации (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма рекристаллизации аустенита стали Ст3сп

Границы областей диаграммы рекристаллизации описываются уравнениями вида:

Секция 2. Листопрокатное производство

156

τε

lglg

101

210

⋅+⋅+=

⋅

aaa

, (1)

где

– температура, К;

– относительное обжатие,

– время, с.

Параметры уравнения (1) приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры уравнения (1) для границ диаграммы рекристаллизации стали Ст3сп

Границы

областей

ост

A - B 8,9202 0,3914 0,6733 0,3532

B - C 8,5699 0,6031 0,6846 0,2515

C - D 8,3123 0,6710 0,6433 0,2765

При серии из n циклов «деформация – первичная рекристаллизация» общий коэффициент

измельчения рекристаллизованного зерна аустенита будет:

kkkk ⋅⋅⋅= ...

, (2)

где

k = , …,

1−

= ;

d ,

1−n

– средние размеры рекристаллизованного зерна

аустенита перед прокаткой, после 1-го, (n-1)-го и n-го проходов соответственно.

Критерий оптимальности начальной настройки чистовой группы НШСГП принимаем в

следующем виде:

max

⋅

∑

опт

СПр

, (3)

где i – номер клети чистовой группы; j – номер категории качества готовой полосы;

Пр

–

производительность стана;

= – относительная стоимость готовых полос j-ой категории

качества;

– стоимость полос низшей (базовой) категории качества;

– стоимость полос j-ой

категории качества;

G – риск выхода из области управления за i-ой клетью;

– риск

выхода из области управления C ;

−1

– риск выхода из области управления A;

– заданная

ширина пограничной запретной зоны в области управления.

Средний размер зерна феррита

стали Ст3сп после охлаждения на отводящем рольганге

стана определяется системой двух регрессионных уравнений [3]:

αγγα

→

⋅−⋅+= Wdd 0958,01528,035,10

, мкм при 2ºС/с ≤

αγ

→

< 19ºC

/с; (4)

108589,00929,050,13

αγαγα

→

−

→

⋅⋅−⋅−= WWd

, мкм при 19ºС/с ≤

αγ

→

≤ 37ºC/с, (5)

где

- средний размер зерна аустенита;

αγ

→

- скорость охлаждения полосы в области фазовых

превращений.

Механические свойства готовых полос из низкоуглеродистой стали определяются в

зависимости от среднего размера зерна феррита, содержания углерода, марганца, кремния, серы и

объемной доли перлита по известным уравнениям [4-6].

Обеспечение пластичности обрабатываемого материала наиболее актуально при

реверсивной горячей прокатке полос из сплавов цветных металлов, когда используется литая

Секция 2. Листопрокатное производство

157

заготовка. Для расчета рациональных температурно-скоростных и деформационных режимов

прокатки успешно применяются диаграммы предельной пластичности Λ

= Λ

(t,

), получаемые

по результатам испытания образцов на торсионном пластометре [7].

На рис. 2 приведена диаграмма предельной пластичности бериллиевой бронзы марки БрБ2,

построенная для условий прокатки на реверсивном двухвалковом стане 700×1300 (t = 450-800ºC,

1010

−

−= с,

). Диаграмма описана уравнением регрессии:

Рис. 2. Диаграмма предельной пластичности сплава БрБ2

3210

)(lglg

εε

⋅+⋅+⋅+=Λ aa

, (6)

где t – температура, ºС;

- скорость деформации, с

-1

;

a ,

, …,

a – коэффициенты, численные

значения которых приведены в таблице 2.

Таблица 2

Значения коэффициентов для определения предельной величины степени деформации сдвига Λ

сплава БрБ2

2,8170

0,1275

- 338,223

73,074

- 0,2650

0,0283

- 0,0710

0,0490

Максимум диаграммы для разных скоростей деформации

(0,1, 1 и 10 с

-1

) соответствует t

= 650

С. При этой температуре и

= 0,1 с

-1

величина Λ

достигает своего наибольшего значения

2,70. Увеличение скорости деформации с 0,1 до 10 с

-1

приводит к уменьшению пластичности

примерно в 1,3 раза.

Секция 2. Листопрокатное производство

158

Определена область высокой пластичности данного сплава: t = 550-750

С; 0,1 с

-1

≤

≤10,0

-1

На рис. 3 в координатах «t –

» приведена проекция диаграммы предельной пластичности

бериллиевой бронзы марки БрБ2.

На I-м этапе оптимизации (см. рис. 3) на проекции поверхности диаграммы для m проходов

прокладываем от точки 1 базовый (действующий) маршрут прокатки и определяем вдоль этого

маршрута (при t = var и lg

= var) площадь F развертки сечения 1-m под кривой Λ

= Λ

(t, lg

На III-м этапе методом итераций находим новое положение сечения 1-m. При этом используем

критерий оптимальности [2]:

max

=⋅= ПрFK

опт

, (7)

Рис. 3. Проекция диаграммы предельной пластичности бериллиевой бронзы БрБ2 со схемой

оптимизации температурно-скоростного режима прокатки полосовой заготовки

где Пр – производительность стана.

На III-м этапе распределяем относительные деформации по проходам, используя

соотношение [8]:

b Λ⋅=

, (8)

где

- степень деформации сдвига; a, b - коэффициенты, зависящие от принятой модели

накопления пластического разрыхления деформируемого металла.

При линейной модели накопления разрыхления a = 1 и в соответствии с критерием

Р.Мизеса

=b (

с погрешностью 5-19 % для

= 0,10-0,35). Учитывая запас по величине

степени деформации сдвига, определяем возможность уменьшения числа проходов за счет

перераспределения обжатий.

По опытным данным Московского завода ОЦМ для готовых лент из бериллиевой бронзы

БрБ2 толщиной 0,15-0,25 мм в закаленном состоянии была получена зависимость временного

сопротивления σ

от среднего размера зерна

(для пределов изменения 10,0- 33,3 мкм) при

разных уровнях содержании бериллия [9]:

2/1

−

⋅+= dk

σσ

, (9)

Секция 2. Листопрокатное производство

159

где

– средний размер зерна, мм.

Параметры уравнения (9) приведены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры уравнения для расчета временного сопротивления

бериллиевой

бронзы БрБ2 в зависимости от среднего размера зерна

Содержание Be, %

ост

1,80-1,94 357,2 10,3 13,8

1,95-2,10 399,1 10,7 11,7

В результате опытно-промышленного опробования разработанных режимов горячей

прокатки полос из стали Ст3сп толщиной 6 – 10 мм на стане 2000 Ново-Липецкого

металлургического комбината за счет улучшения структуры металла увеличилась в 1,2-1,8 раза

стабильность механических свойств готовых полос.

На реверсивном стане 700×1300 Московского завода ОЦМ внедрен новый режим горячей

прокатки полосовой заготовки из бериллиевой бронзы БрБ2 толщиной 5 мм. За счет более полного

использования ресурса пластичности число проходов сокращено с девяти до восьми, улучшено

качества готового проката, уменьшен разброс его физико-механических свойств в 1,4-1,6 раза и

выхода годного повысился на 8,8 %.

Выводы:

1. Представлены описанные уравнениями диаграммы рекристаллизации аустенита стали

Ст3сп и предельной пластичности бериллиевой бронзы БрБ2, полученные по результатам

физического моделирования применительно к процессам прокатки полос на НШСГП и

реверсивном полосовом стане.

2. Прогноз механических свойств низкоуглеродистой полосовой стали производится по

известным зависимостям с использованием результатов расчета размера зерна при непрерывной

горячей прокатке и последующем регулируемом охлаждении на отводящем рольганге стана.

3. Расчет временного сопротивления готовых лент из бериллиевой бронзы в закаленном

состоянии (для двух уровней содержания бериллия) выполняется в зависимости от среднего

размера зерна.

4. С использованием разработанных критериев оптимальности описаны методы

регулирования качества прокатываемых полос, обеспечивающие более полное использование

имеющихся резервов металла по структуре и пластичности.

5. Использование результатов проведенных исследований в промышленности обеспечивает

улучшение комплекса физико-механических свойств готового проката и повышение выхода

годного.

Список литературы:

1. Алдунин А.В. Построение качественной диаграммы рекристаллизации

низкоуглеродистой стали для расчета режимов горячей прокатки полос // Проблемы повышения

качества подготовки специалистов в области художественной обработки металлов: Материалы II

Всероссийской межвузовской научн.-практ. конференции (г. Москва, 16 ноября 2004 г.). – М.:

МГВМИ, 2004. – С. 127 – 129.

2. Алдунин А.В. Основные принципы оптимизации процессов горячей прокатки полос по

структуре и пластичности металла // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2008. – № 5. – С. 23 – 26.