Повышение качества толстолистового проката на основе применения рациональных режимов нагрева стали в печах и деформационного окалиноудаления

На правах рукописи

Темлянцев Николай Викторович ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА СТАЛИ В ПЕЧАХ И ДЕФОРМАЦИОННОГО ОКАЛИНОУДАЛЕНИЯ Специальность 05.16.05 – Обработка металлов давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк – 2007

Работа выполнена на кафедрах технологии и автоматизации кузнечно-штамповочного производства, теплофизики и промышленной экологии ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации В.Н. Перетятько Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор В.В. Евстифеев кандидат технических наук И.С. Кузнецов Ведущая организация ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Защита состоится « 22 » мая 2007 г. в 10:00 часов в аудитории 3П на заседании диссертационного совета Д 212.252.01 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу:

654007, г. Новокузнецк, Кемеровской области, ул. Кирова, 42, ГОУ ВПО «СибГИУ».

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» Автореферат разослан « 20 » апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.252.01 д.т.н., профессор А.Г. Никитин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

По данным International Iron and Steel Institute, мировое производство стали в 2006 г. увеличилось на 8,8 % по сравнению с этим показателем 2005 г. Рос сийское производство стали в 2006 г. составило 70,6 млн. т., что на 5,9 % выше уровня производства в 2005 г. Наибольший удельный вес в торговом сортамен те металлопродукции занимают полуфабрикаты и горячекатаный лист. При этом производство горячекатаного листа в 2005 г. составило 49,8 млн.т., а тол столистового проката 25,5 млн. т.

Толстолистовой прокат является одним из наиболее распространенных ви дов металлопродукции, широко применяется в судостроении и вагоностроении, производстве труб для нефтяной и газовой промышленности, строительной ин дустрии и машиностроении.

При современных масштабах производства стали и всевозрастающей по требности в ней перед металлургическими предприятиями на передний план выдвигается задача повышения качества толстолистового проката, резкого снижения потерь металла, обеспечения ресурсосбережения при его производст ве и обработке.

В различное время вопросам совершенствования производства и повыше ния качества толстолистовой стали большое внимание уделено в фундамен тальных трудах ученых М.Я. Бровмана, А.И. Целикова, П.И. Полухина, В.Н.

Перетятько, Ю.В. Коновалова, М.М. Сафьяна, Ф.А. Ксензука, А.П. Грудева, Н.А. Челышева, А.П. Чекмарева, М.А. Зайкова и др.

Одним из нежелательных явлений, происходящих при нагреве стали под об работку давлением и деформации в горячем состоянии является ее окисление.

Окисление приводит к потерям полезной массы металла и снижает качество поверхности металлопродукции. Ориентировочные оценки показывают, что при угаре порядка 1 % стали на стадии нагрева слябов под прокатку, в мировом мас штабе потери металла достигают 500 тыс. т. Негативная роль окисления прояв ляется фактически на всех стадиях металлургического передела. Как показывает опыт работы металлургических предприятий применение специальных техноло гий и устройств для предпрокатного удаления окалины с поверхности слитков, слябов или листов во многих случаях требует существенных капитальных вло жений, однако обеспечивает при этом не высокий положительный эффект.

Актуальность работы. В настоящее время в условиях жесткой конкурен ции металлургических предприятий, производящих толстолистовую продук цию на внешний и внутренний рынок, повсеместной борьбы за снижение себе стоимости, повышение качества стального проката, обеспечение энерго- и ре сурсосбережения при его производстве является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой научно-технической про граммы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 – 2006 годы, тема 2005–РИ–19.0/002/291, государст венный контракт № 02.442.11.7225, в соответствии с планом НИР и ОКР ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» на 2006г. (приказ от 10.01.2006 г.

№3, договор от 1.02.2006г. № 5–6/4070356).

Цель работы: Разработка ресурсосберегающих технологий нагрева стали в печах и рациональных режимов деформационного окалиноудаления при прокатке, обеспечивающих повышение качества поверхности толстолистового проката.

Основные задачи:

1) Разработать прогнозную математическую модель нагрева под прокатку слябов в методических печах с учетом процессов окалинообразования.

2) Разработать малоокислительные режимы нагрева слябов в методических печах на основе экспериментального исследования кинетики высокотемпера турного окисления и температур плавления окалины углеродистых, низко- и среднелегированных марок сталей.

3) В лабораторных условиях исследовать особенности удаления окалины с поверхности металла при прокатке сталей марок 3пс, 30ХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2. Установить роль влияния таких факторов как: температура нагрева, сте пень деформации. Установить и научно обосновать механизм этого влияния.

4) На основании систематизации результатов полученных эксперименталь ных и теоретических исследований разработать мероприятия по повышению качества толстолистового проката и внедрить результаты исследований в прак тику производства толстолистовой стали на ОАО «Новокузнецкий металлурги ческий комбинат» и учебный процесс при подготовке студентов специально стей 150103–Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей, 150106–Обработка металлов давлением, 150201–Машины и технология обра ботки металлов давлением в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индуст риальный университет».

Научная новизна:

1) Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель нагрева под прокатку слябов в методических печах с учетом окалинообразования.

2) Установлены температуры плавления окалины 12-ти марок сталей, ис следована роль влияния на нее легирующих элементов стали.

3) Исследованы особенности удаления окалины с поверхности металла при прокатке сталей марок 3пс, 30ХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2. Установлена роль влияния таких факторов как: температура нагрева, степень деформации. Науч но обоснован механизм этого влияния. Выявлены три характерных типа строе ния поверхности раздела окалина-сталь.

4) Установлен механизм и причины образования поперечной рябизны на поверхности стали при прокатке металла покрытого слоем окалины.

Практическая значимость:

1) Для осуществления прогнозных расчетов ресурсосберегающих, мало окислительных режимов нагрева слябов в методических печах разработана и реализована на ЭВМ математическая модель. Получены константы скорости окисления 15-ти различных марок сталей.

2) Усовершенствована конструкция методической печи с комбинирован ным подом для нагрева стальных заготовок с различным начальным тепловым состоянием (Патент РФ 43267).

3) Для сталей марок 3пс, 30ХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2 даны конкретные рекомендации по выбору конечной температуры нагрева и степени деформации металла при прокатке в первых проходах, обеспечивающие наилучшее удале ние окалины.

Реализация результатов:

1) Результаты исследования влияния температурно-деформационных ре жимов прокатки на удаление окалины с поверхности стали и разработанные ре комендации приняты к внедрению в практику нагрева слябов и прокатки тол стых листов на листостане «2150» ОАО «НКМК». Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов составляет 540 тыс. руб. в год.

2) Рекомендации по совершенствованию температурного режима нагрева слитков стали марки 60С2(А) в регенеративных нагревательных колодцах при няты к внедрению на ОАО «НКМК».

3) Математическая модель процессов нагрева и окисления слябов в мето дических печах внедрена в учебный процесс в ГОУ ВПО «Сибирский государ ственный индустриальный университет» и используется при подготовке сту дентов специальности 150103–Теплофизика, автоматизация и экология про мышленных печей.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

1) Результаты экспериментальных исследований температуры плавления окалины 12-ти различных марок сталей.

2) Результаты экспериментальных исследований удаления окалины с по верхности металла при прокатке сталей марок 3пс, 30ХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2.

3) Механизм влияния температуры нагрева на удаление окалины с поверх ности стали при прокатке.

Автору принадлежит: постановка задачи исследований;

проведение экс периментов по исследованию кинетики высокотемпературного окисления 15-ти различных марок сталей;

особенностей удаления окалины с поверхности ме талла при прокатке сталей марок 3пс, 30ХГСА, 15ХСНД, 40Х, 60С2;

обработка, анализ, обобщение и научное обоснование полученных результатов, формули ровка выводов и рекомендаций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложе ны и обсуждены на следующих конференциях: Региональной научной конферен ции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь на рубеже ты сячелетий» (г. Новокузнецк, май 2000 г.);

Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, май 2001 г.);

Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество» (г.

Новокузнецк, январь 2002 г.);

Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, май 2003 г.);

Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество» (г. Новокузнецк, октябрь 2003 г.);

Всероссийской научно-технической конференции студентов, ас пирантов и молодых ученых «Совершенствование технологий производства цвет ных металлов» (г. Красноярск, май 2005 г.);

II Международной научно технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячеле тия» (г. Липецк, октябрь 2005 г.), в том числе 2 – региональных, 4 – всероссий ских и 1 – Международной.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах в журналах и сборниках научных трудов, из них 4 статьи в изданиях, рекомендо ванных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссер таций, 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти раз делов, выводов и приложений. Изложена на 152 страницах машинописного тек ста, содержит 39 рисунков, 13 таблиц, список использованных источников из 123 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 Современное состояние научной проблемы и постановка задачи исследования В настоящее время толстолистовую сталь производят как из слябов, полу ченных путем прокатки на слябингах слитков разлитых в изложницы, так и из слябов, разлитых на машинах непрерывного литья заготовок. Нагрев слябов пе ред прокаткой толстолистовой стали осуществляют в методических печах тол кательного типа либо в печах с шагающим подом. Прокатку толстых листов осуществляют на реверсивных, широкополосных и планетарных станах.

При нагреве стали под обработку давлением и деформации в горячем со стоянии вследствие взаимодействии с атмосферой происходит ее окисление.

Окисление приводит к потерям полезной массы металла и снижает качество поверхности металлопродукции. Окалина оказывает отрицательное влияние на работу печного агрегата и прокатного стана.

Критический анализ специальной технической литературы показал, что имеется ограниченное количество данных, причем некоторые из них весьма противоречивы, о влиянии температурного режима нагрева, химического со става и режимов деформации металла на удаляемость окалины с поверхности раскатов. До конца не изучен механизм влияния перечисленных факторов. Уста новлено что не маловажное влияние на удаление окалины и качество толстолис тового проката оказывает явление оплавления окалины, а данные о температурах плавления окалины различных марок сталей, особенно низко- и среднелегиро ванных практически полностью отсутствуют. Дальнейшего изучения и накопле ния практических данных требует проблема высокотемпературного окисления стали, причем основным путем исследования этого процесса остается экспери ментальный. Из всего многообразия теоретических методов разработки и иссле дования малоокислительных режимов нагрева слябов под прокатку наиболее перспективным является математическое моделирование.

Несмотря на кажущуюся очевидность условий обеспечения малоокисли тельных технологий, при их реализации зачастую возникают проблемы не только экономического и технологического характера, но и теоретических про тиворечий, связанных с многофакторностью и тесной взаимосвязанностью процессов окисления стали. В связи с вышесказанными обстоятельствами воз никает необходимость дальнейшей научной проработки вопроса снижения окисления металла при нагреве под прокатку, изучения особенностей строения и свойств окалины, влияния на них легирующих элементов стали.

Анализ современного состояния вопроса показал актуальность выбранного направления исследования, на его основе сформулированы цели, задачи и ме тоды исследования диссертационной работы.

2 Разработка прогнозной математической модели процессов нагрева и окисления стали в печах Проведение экспериментальных исследований процессов окисления стали при нагреве в печах под прокатку – сложная и трудоемкая операция. В связи с этим, большое распространение получило математическое моделирование на грева металла с целью выбора необходимых рациональных и оптимальных ма лоокислительных режимов нагрева.

Для исследования нагрева слябов под прокатку разработана математиче ская модель, состоящая из трех основных структурных, взаимосвязанных меж ду собой блоков: расчета внешнего теплообмена в печи, расчета температурных полей в нагреваемом металле и расчета угара стали.

Математическая модель включает дифференциальное уравнение теплопро водности для анизотропной бесконечной пластины без учета теплоты фазовых превращений:

t t с(t ) (t ) = (t ) (1) x x Дифференциальное уравнение теплопроводности дополнено краевыми ус ловиями:

1) граничными: поскольку в печи может быть реализован несимметричный на грев, граничные условия III – рода заданы индивидуально для нижней (н) и верхней (в) поверхностей сляба, нагрев ведется конвекцией и излучением:

t t н н н в в в (t ) = (t г t п ), (t ) = (t г t п ), (2) n н.пов n в.пов где суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением для нижней и верхней поверхностей соответственно:

C0 пр ( н н ) н C0 пр ( в в ) в г п г п н н в в = к = к + +,, (3) н н в в t г tп t г tп где t г – температура греющей среды, °С;

t п – температура поверхности сляба, °С;

К – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2К);

С0 – коэффи циент излучения абсолютно черного тела 5,67 Вт/(м2К4);

пр – приведенная сте Т Т пень черноты;

г = ( г ) 4, п = ( п ) 4, Тг – температура греющей среды, К;

100 Тп – температура поверхности сляба, К.

2) теплофизическими: коэффициенты теплоемкости стали (с, кДж/(кгК)), теплопроводности (, Вт/(мК)), плотность (, кг/м3), заданы функциями от температуры.

3) начальными: нагрев слябов проводят с холодного состояния начальное распределение температуры по сечению заготовки задано равномерным t0(x)=const=20 °C, возможно задание любого начального распределении темпе ратур по сечению (t0 0, tпtц;

t0 0, tпtц), температурное поле может быть описано полиномом n-го порядка.

4) геометрическими: поскольку в методических печах с глиссажными тру бами возможна реализация несимметричного нагрева, характерный размер (S, м) равен толщине сляба (, м), в случае реализации симметричного нагрева в качестве характерного размера принята половина толщины сляба (S=0,5).

Решение задачи внутреннего теплообмена реализовано с применением ме тода конечных разностей (МКР). Проверку адекватности математической моде ли проводили на основе сравнения результатов математического моделирования с экспериментальными данными. Погрешность расчета температурных полей со ставила ±15 – 30 °С и может быть признана достаточной для моделей прогнозно го класса.

Математическая модель реализована на языке программирования Delphi, внедрена в учебный процесс в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индуст риальный университет». На базе математической модели проведена серия мно говариантных расчетов и разработаны малоокислительные температурные ре жимы нагрева стальных слябов в трехзонной методической печи (рисунок 1).

Многовариантные расчеты на разработанной модели выявили ряд конструктивных несовершенств эксплуатируемых методических печей, приводящих к повышенному угару стали при нагреве. В частности существующие конструкции методических печей не позволяют одновременно нагревать металл с различным начальным тепловым состоянием, например поступивший со склада с холодного посада и непосредственно после непрерывной разливки с горячего или теплого посада. Предложена конструкция методической печи с комбинированным подом для одновременного нагрева заготовок с различным начальным тепловым состоянием (Патент РФ 43267). Печь работает следующим образом. Холодные заготовки с температурой 10–20 °С загружают в начале печи на шагающие балки. Теплые заготовки с температурой 400–600 °С загружают через боковое окно в начале шагающего пода. Выгрузку нагретых заготовок осуществляют в конце печи.

температуры: 1 –среды, 2–поверхности металла, 3–середины металла, 4–перепад температур между поверхностью и центром, 5–угар, 6–плотность теплового потока Рисунок 1 – Малоокислительный температурный режим нагрева слябов толщиной 250 мм из стали марки 60С2 в трехзонной методической печи для производительности 50 т/ч 3 Оборудование и методика экспериментальных исследований Для исследования процессов окисления с целью выявления особенностей динамики окалинообразования, структуры и свойств окалины выбраны, глав ным образом, марки, составляющие основной сортамент производимой стали на листостане ОАО «НКМК»: углеродистые обыкновенного качества – марок 3пс, 3сп, 5сп, 6сп;

качественные – 10, 20, 45, 50, 60, 70;

низколегированные кремнемарганцовистые 09Г2С, 12ГС, 25Г2С, 35ГС;

рессорно-пружинные – 60С2;

хромсодержащие – 40Х, 30ХГСА, 15ХСНД.

Исследование влияния легирующих элементов на температуру плавления окалины проводили на образцах размером 4410 мм из широко распростра ненных марок сталей: 10КП, 12ГС, 09Г2С, 18Г2С, 25Г2С, 09Г2Д, 60С2, 65Г, 40Х, 40ХН, 10ХСНД, 30ХГСА. Их вырезали из листового и сортового проката в состоянии поставки.

Для изучения влияния температуры нагрева и степени обжатия при про катке на удаление окалины с поверхности металла было выбрано 5 марок ста лей: 30ХГСА, 15ХСНД, 40Х, 3пс, 60С2. Выборка перечисленных марок вклю чает стали в наибольшей и наименьшей степени подверженные возникновению дефекта «вкатанная окалина».

При исследовании процессов окисления образцы нагревали в атмосфере воздуха в трубчатой электрической печи сопротивления. В процессе нагрева температуру образца фиксировали с помощью хромель-алюмелевой термопары и автоматического потенциометра КСП–4. Исследования проводили в интерва ле температур выдержки 880–1200…1270 °С. Время выдержки при постоянной температуре составляло 10–60 мин.

Для изучения влияния легирующих элементов на температуру плавления окалины нагрев образцов проводили в электрической печи сопротивления типа СУОЛ–0,25.1/12,5–И1 с нагревателями из карбида кремния, модернизирован ной для получения температуры рабочего пространства до 1370–1380 °С. Для более точного измерения температуры образцы крепили непосредственно к спаю термопары.

Полуколичественный анализ элементного состава окалины осуществляли на рентгеновском флуоресцентном спектрометре со встроенным дифракцион ным каналом ARL 9800. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводили на дифрак тометре ДРОН–2,0.

Для исследования влияние температуры нагрева и степени обжатия при прокатке на удаление окалины с поверхности металла образцы нагревали до 1050, 1150 и 1250 °С. После нагрева и 60-минутной выдержки в электрической печи СУОЛ–0,25.1/12,5–И1 образцы прокатывали на лабораторном дуо реверсивном прокатном стане с гладкими валками диаметром 140 мм. Обжатия при этом достигали 10, 20, 30 %, а скорости деформации 1,7–2,1 1/с.

До и после нагрева и прокатки измеряли геометрические размеры образ цов, а также: массу исходного образца (m1), массу образца с окалиной после ох лаждения образца после прокатки (m2), массу окалины, отделившуюся в про цессе прокатки (m3), массу образца после прокатки и стравливания остатков на липшей окалины (m4).

Зная эти массы рассчитывали массу окалины (m5) оставшуюся на образце после прокатки. По полученным данным определяли количество окалины, от делившейся от образцов после единичного обжатия.

Согласно разработанной методики определяли:

h1 h = 100% ;

степень обжатия, % (4) h где h1 и h2 – высота образца до и после обжатия соответственно, мм;

m1 m У= угар стали, г/см2 ;

(5) F где F – суммарная площадь поверхности, см2;

массу не удалившейся (оставшейся на образце) после прокатки окалины с см2:

m2 m OK = ;

(6) F общую массу образовавшейся окалины на 1 см2:

m2 m4 + m OK У = ;

(7) F процент окалины по массе, удаленный после 1 прохода:

ОК У ОК Ду = 100%. (8) ОК У Зависимость величины поверхностного угара У, г/см2 от температурно временного фактора (температуры и времени нагрева) определяли по уравне нию:

У = k ф, (9) где – продолжительность окисления, мин;

k – константа скорости окисления, г/(см2 ·мин0,5).

Константу скорости окисления k, определяли по соотношению B k = A exp, (10) T где А – эмпирический коэффициент, зависящий от химического состава стали, состава атмосферы и других факторов, г/(см2 ·мин0,5);

коэффициент В имеет размерность К.

Статистическую обработку полученных результатов проводили с примене нием пакета программ Statistica 6.0.

4 Экспериментальные исследования кинетики высокотемпературного окисления сталей и свойств окалины В результате экспериментальных исследований определены коэффициенты для расчета константы скорости окисления 15-ти различных марок сталей (таблица 1).

Таблица 1 – Эмпирические коэффициенты для расчета константы скорости окисления стали А, А, Марка Марка № В, К № В, К стали г/(см мин ) стали г/(см мин0,5) 2 0,5 1 10 5,03 7269 9 60 30,38 2 3сп 3,88 7256 10 70 30,99 3 3пс 0,83 4983 11 09Г2С 72,32 4 20 18,83 9644 12 12ГС 492,95 5 5сп 3,15 6814 13 25Г2С 27,20 6 6сп 6,78 7877 14 35ГС 7,81 7 45 8,84 8274 15 60С2 615,22 8 50 46,88 На рисунке 2 представлены зависимости угара У, г/см2 углеродистых конструкционных сталей от содержания углерода и температуры выдержки (в интервале 950–1250 °С, кривые нанесены с интервалом 50 °С) при времени вы держки – 60 мин. Повышение содержания углерода до 0,20–0,22 % приводит к снижению угара во всех температурных интервалах. Дальнейшее его увеличе ние до 0,70–0,71 % в целом сопровождается ростом окисления.

Сравнительный анализ угара кремнемарганцовистых низколегированных сталей показывает, что в большей степени окисляется сталь 25Г2С в интервале температур 950–1080 °С и 12ГС при температурах более 1080 °С, в наименьшей – 12ГС в интервале температур 950–1015 °С и 35ГС при температуре более 1015 °С. Температура выдержки оказывает наиболее существенное влияние на окисления стали 12ГС, менее существенное – 35ГС. Для стали с более высоким содержанием углерода – 35ГС в целом отмечен наименьший угар, что объясня ется окислением углерода в поверхностных слоях с образованием СО, сни жающим действие газов печной атмосферы.

Рисунок 2 – Зависимость угара углеродистых конструкционных сталей от содержания углерода и температуры выдержки при времени выдержки 60 мин Для стали марки 60С2 при температурах нагрева более 1200 °С наблюдали существенную интенсификацию окисления, которая была связана с оплавлением окалины. Рентгено-фазовый анализ окалины показал, что ее слабомагнитная фракция помимо FeO содержит Fe2SiO4 – фаялит (рисунок 3).

В результате исследований установлены температуры плавления окалины следующих марок стали: 60С2 она составила 1229–1251°С, 12ГС – 1314 °С, 25Г2С – 1322 °С, 18Г2С – 1322 °С, 10ХСНД 1325–1331 °С, 65Г – 1325– °С, 30ХГСА 1325–1340 °С, 09Г2Д – 1342 °С, 09Г2С – 1340–1348 °С, 10КП – 1366–1375 °С, 40Х – 1366–1375 °С, 40ХН – 1376–1377 °С.

Статистическая обработка экспериментальных данных показала, что наибольшее влияние на снижение температуры плавления окалины оказывает кремний, в среднем 5–8 °С на каждые 0,1 % его содержания в стали. Из исследуемых марок сталей наименьшая температура плавления окалины наблюдается у 60С2, в которой содержится 1,73 % Si. Медь также снижает температуру плавления, но на величину 2–3 °С на 0,1 %. Очевидно, для сплавов на железной основе и сталей максимальная температура плавления окалины приближается к температуре плавления вюстита (1377 °С), а хром и никель способствуют этому. Основной причиной влияния кремния на температуру плавления окалины является фаялит, образование которого было зафиксировано при высокотемпературном нагреве стали 60С2. Анализ химического состава окалины стали марки 60С2 показал, что в ней содержится 5,36 % Si. Кремний в окалине находится в связанном виде.

2, 2, 2, 1, 2, 1, 1, 2, 2, 2, 2, - Fe2SiO4, - FeO Рисунок 3 – Рентгенограмма слабомагнитной фракции окалины стали марки 60С2 (числа у пиков – межплоскостные расстояния d/n) Результаты экспериментальных исследований влияния температурно деформационных режимов прокатки на удаление окалины с поверхности углеро дистых, низко- и среднелегированных сталей представлены в таблице 2.

Анализируя полученные данные можно сделать вывод, что наилучшее отде ление окалины наблюдается у углеродистой стали марки 3 пс в исследуемом ин тервале температур и степеней деформации при единичном обжатии удаляется от 27,4 до 69,6 масс. % окалины. Увеличение степени деформации приводит к снижению количества отделившейся окалины во всех температурных интерва лах. Наилучшее удаление окалины наблюдается при температуре нагрева °С. Поверхность раздела сталь-окалина достаточно ровная, а следы зерногранич ного проникновения оксидов в сталь отсутствуют. Соответственно, для этой марки стали нагрев до температур 1250 °С с точки зрения опасности образования вкатанной окалины безопасен. Для максимального удаления окалины в первых пропусках рекомендуется применение не высоких степеней деформации на уров не 5 – 10 % и менее.

С точки зрения окалиноудаления хромистая сталь марки 40Х относительно других исследуемых в наименьшей степени чувствительна к температуре нагрева и степени деформации. В первом проходе с ее поверхности удаляется от 20,7 до 29,4 масс. % окалины. Как видно из рисунка 4 поверхность раздела сталь-окалина у марки 40Х менее ровная по сравнению со сталью 3пс, однако выраженные сле ды зернограничного проникновения оксидов в сталь отсутствуют, развитой сме шанной зоны так же не наблюдается. Относительно не высокая отделяемость ока лины от стали связана с влиянием повышенного содержания хрома. Как видно из таблицы 2 нагрев до температуры 1250 °С даже способствует некоторому улуч шению отделяемости окалины, что можно объяснить снижением ее твердости, или в общем случае соотношения твердости окалины и стали. Соответственно, можно сделать вывод, что для стали марки 40Х с точки зрения качества окалино удаления высокотемпературный нагрев до 1250 °С безопасен, интенсивность об жатия в первых проходах существенного влияния не оказывает.

Удаляемость окалины со стали марки 15ХСНД значительно зависит от тем пературы. В частности наиболее благоприятной является температура нагрева 1150 °С. При ней примерно 32 % окалины удаляется после одиночного обжатия, причем увеличение степени обжатия с 16 до 29 % влияния фактически не оказы вает. Наихудшее удаление окалины с этой стали наблюдается при высокотемпера турном нагреве до 1250 °С, степени деформации более 30 % и нагреве до 1050 °С и степени деформации 10 %.

Нагрев до температур 1250 °С приводит к значительному проникновению ок сидов в глубь металла, что отчетливо видно из рисунка 4. Интенсивное проникно вение оксидов вглубь металла связано с отрицательным влиянием повышенного содержания в стали меди и никеля оно вызвано легкоплавкостью сульфида никеля и оксида меди Cu2O. При этом формируется крайне не ровная поверхность разде ла сталь-окалина, что увеличивает сцепляемость окалины со сталью. С точки зре ния окалиноудаления и дефекта вкатанная окалина сталь марки 15ХСНД является одной из наиболее проблемных при производстве листовой продукции для нее ре комендуются по возможности пониженные температуры нагрева на уровне 1150 – 1200 °С, форсированный нагрев стали без высокотемпературного томления или выдержки, выдача металла из печи без задержек и относительно не высокие сте пени деформации в первых проходах не более 5 – 15 %.

Удаляемость окалины стали марки 30ХГСА весьма чувствительна к темпера туре нагрева и степени деформации, величина Ду колеблется в интервале 22,7 – 44,4 масс. %. Характерно, что наилучшее удаление окалины наблюдается при бо лее высокой температуре нагрева – 1250 °С и степени деформации 16,7 %, а хуже всего окалина удаляется при температуре нагрева 1050 °С и степени деформации менее 3 – 5 %. При температуре нагрева 1250 °С зернограничное проникновение значительно интенсифицируется и достигает 0,04 – 0,08 мм. Отмеченное явление связано с образованием в окалине фаялита, который был идентифицирован в окалине с помощью рентгенофазового анализа.

Таблица 2 – Результаты экспериментов по деформационному удалению окалины № Марка стали У, г/см2 S, мм, % Ду, масс. % t, °С 1 0,162 0,51 6,3 69, 2 0,161 0,51 21,9 56, 3 0,184 0,58 27,1 52, 4 0,184 0,58 17,7 33, 3пс 5 0,186 0,59 24,0 29, 6 0,190 0,60 27,1 27, 7 0,266 0,84 16,7 49, 8 0,268 0,85 27,1 33, 9 0,292 0,93 30,7 27, 10 0,185 0,58 14,3 24, 11 0,116 0,37 25,0 25, 12 0,102 0,32 33,3 26, 13 0,151 0,48 10,7 20, 40Х 14 0,132 0,42 22,6 26, 15 0,127 0,40 38,1 25, 16 0,201 0,63 9,5 29, 17 0,156 0,49 14,5 29, 18 0,162 0,51 23,5 28, 19 0,076 0,24 10,0 21, 20 0,072 0,23 24,0 28, 21 0,075 0,24 30,0 26, 22 0,148 0,47 16,0 32, 15ХСНД 23 0,127 0,40 24,0 31, 24 0,183 0,58 29,0 31, 25 0,283 0,90 19,0 23, 26 0,246 0,78 21,0 25, 27 0,256 0,81 32,0 19, 28 0,137 0,43 3,3 22, 29 0,114 0,36 15,7 29, 30 0,092 0,29 20,7 29, 31 0,123 0,39 8,3 36, 30ХГСА 32 0,115 0,36 11,7 37, 33 0,110 0,35 17,4 29, 34 0,220 0,70 7,4 32, 35 0,160 0,51 8,3 35, 36 0,169 0,53 16,7 44, 37 0,089 0,28 13,9 19, 38 0,072 0,23 25,0 24, 39 0,072 0,23 29,6 21, 40 0,172 0,54 13,9 17, 60С2 41 0,159 0,50 25,4 21, 42 0,160 0,51 29,6 21, 43 0,389 1,23 15,5 12, 44 0,324 1,03 26,8 18, 45 0,351 1,11 36,6 11, При прокатке стали марки 30ХГСА рекомендуется нагрев до температур не более 1180 – 1200 °С и степени деформации в первых проходах на уровне 10 – 15 %.

Кремнистая сталь марки 60С2 наиболее чувствительна к температуре нагрева, что связано с легкоплавкостью фаялита, образующегося в окалине. При темпера туре нагрева 1250 °С поверхностный слой металла имеет сильно развитую сме шанную зону до 0,2 мм.

Внутренний слой окалины содержит частицы металл округлой формы, кото рые представляют собой бывшие зерна стали фактически полностью обезуглеро женные (до феррита) и сильно окисленные по границам (рисунок 4).

а) 60С2 б) 30ХГСА в) 15ХСНД г) 40Х д) 3пс Рисунок 4 – Микроструктуры поверхностных слоев образцов после нагрева до 1250 °С и прокатки Наличие такого слоя значительно затрудняет отделение окалины. Как видно из рисунка 5 поверхность образцов, нагретых до температур 1250 °С имеет низкое качество (оценку проводили визуальным осмотром), высокую шероховатость, а на боковых поверхностях присутствуют участки. При про катке стали марки 60С2 рекомендуется нагрев до температур не более 1150 – 1180 °С и повышенные степени деформации в первых проходах, по возможно сти до 20 – 25 %.

Рисунок 5 – Внешний вид образцов из стали марки 60С после нагрева до 1250 °С и прокатки Проводя интегральную оценку рассмотренных факторов и исследованных марок сталей можно отметить, что в наибольшей степени при одиночном обжа тии окалина удаляется со стали марки 3пс, наиболее трудно удалить окалину со стали марки 60С2. Анализируя химический состав исследуемых сталей можно заметить, что одну из ведущих ролей играет кремний, его негативное влияние связанное с образованием фаялита и проявляется при температурах нагрева бо лее 1200 °С. Поскольку в стали марки 3пс содержание кремния минимально – 0,08 % его отрицательное влияние фактически не сказывается, а в стали марки 60С2 с содержанием кремния 1,73 %, проявляется максимально.

В ходе проведенных экспериментов удалось выявить характерные особен ности и закономерности формирования различных видов поверхности раздела окалина-сталь. В общем случае можно выделить три характерных типа строе ния поверхности раздела (рисунок 6): слоевой (послойный), зернограничный и сталагмитообразный (от греческого stlagma – капля).

В случае слоевого типа строения между металлом и окалиной имеется рез кая граница раздела (рисунки 6 а, г, ж). При таком строении при деформации металла в процессе прокатки окалина отделяется достаточно легко. Слоевой тип поверхности раздела наблюдается после сравнительно низкотемпературно го (до 1000–1050 °С) нагрева сталей, не содержащих легирующих элементов, способных образовывать легкоплавкие соединения, например углеродистых, хромистых и др.

а) б) в) г) д) е) ж) з) и) слои: 1–Fe2O3 (гематит), 2– Fe3O4 (магнетит), 3–FeO (вюстит), 4–сталь Рисунок 6 – Различные типы строения поверхности раздела окалина-сталь а), б), в) – схематичное изображение;

г), д), е) – вид сверху;

ж), з), и) – характерный вид поверхности раздела окалина-сталь на нетравленом микрошлифе В случае образования поверхности раздела зернограничного типа (рисунки 6 б, д, з) окалина проникает по границам зерен металла (на рисунке 6 д показа ны пунктирной линией). Зернограничному окислению способствуют легко плавкие соединения, более высокие по сравнению со слоевым типом темпера туры нагрева до 1150–1250 °С. Он характерен для сталей типа 10ХСНД, 15ХСНД, 30ХГСА и аналогичных по химическому составу. Сцепление окалины с поверхностью стали при зернограничном типе поверхности раздела выше, чем при слоевом.

Наибольшее сцепление окалины с металлом наблюдалось в случае, когда образуется поверхность раздела сталагмитообразного типа (рисунки 6 в, е, и).

Поверхность стали и слой вюстита представляют собой оксидно металлическую композицию, содержащую хаотично расположенные частицы обезуглероженной стали (практически железа) округлой, сферообразной (кап левидной) формы, многие из них вытянуты и связаны с основной поверхностью стали и заполняющую пространство между частицами вюститную матрицу. Для такого типа строения явная граница раздела окалина-сталь фактически отсутст вует. Данный вид поверхности раздела наблюдался при температурах нагрева до 1200 – 1250 °С и более и является следствием развития зернограничного ти па, вызванного температурным воздействием более высокого уровня. Для воз никновения сталагмитообразного типа поверхности раздела необходимо обяза тельное наличие жидкой фазы, т.е. оплавления легкоплавких соединений ока лины.

Рассмотренные типы поверхностей в общем случае могут наблюдаться при нагреве одной марки стали, но в различных температурных интервалах. При этом определенное влияние оказывает неравномерность температурного поля по периметру нагреваемого слитка, сляба или блюма, например в области сере дины грани может быть зернограничный тип поверхности раздела, а в области перегретых углов или торцов – сталагмитообразный.

Визуальная оценка поверхности образцов после прокатке показала, что для легированных сталей марок 40Х, 60С2 и 30ХГСА, для которых свойственно формирование окалины повышенной твердости, особенно при пониженных температурах нагрева и высоких степенях обжатия характерно образование по перечной (поперек направлению прокатки) рябизны, представляющей собой ручьистые выпуклости достигающие в ширину 0,1 – 0,5 мм, причем в большей степени выраженной по краям образцов. Расстояние между смежными выпук лостями составляет примерно одинаковую величину, достигающую для раз личных марок сталей и режимов деформации 2 – 5 мм. Более детальное иссле дование этого явления позволило установить его причину и механизм. При за хвате валками образца покрытого окалиной происходит явление внеконтактной высотной утяжки, проявляющееся в том, что высота полосы начинает умень шаться еще до соприкосновения металла и окалины с валками. Внеконтактная утяжка приводит к разрушению относительно хрупкого слоя окалины (рябизна возникает обычно при пониженной температуре нагрева, при более высоких температурах нагрева окалина более пластична и может деформироваться без разрывов), при деформации между смежными пластинками разрушившейся окалины образуется некоторое расстояние. В прокатных валках, вследствие ох лаждения при контакте с ними, окалина становится еще более твердой и вдав ливается в металл, при этом сталь заполняет пространство (трещины), образо вавшиеся между смежными пластинками окалины, таким образом, после уда ления окалины на поверхности образца образуется выпуклость. Внеконтактная высотная утяжка распространяется по ширине полосы неравномерно, она более выражена вблизи кромок, чем посередине. По этому рябизна образуется в большей степени вблизи кромок образцов.

Результаты исследования влияния температурно-деформационных режи мов прокатки на удаление окалины с поверхности стали и разработанные реко мендации приняты к внедрению в практику нагрева слябов и прокатки толстых листов на листостане «2150» ОАО «НКМК», ожидаемый экономический эф фект от внедрения результатов составляет 540 тыс. руб. в год.

5 Совершенствование температурного режима нагрева стали марки 60С2А в условиях ОАО «НКМК» На ОАО «НКМК» в период 2000–2004 гг. зафиксировано увеличение слу чаев поражения поверхности слябов из стали марки 60С2А мелкими рванина ми. Для совершенствования температурного режима нагрева проведено ком плексное исследование. Возможность снижения конечных температур нагрева слитков стали марки 60С2А оценивали на основании анализа следующих ас пектов: влияния температуры нагрева на окисление, сопротивление пластиче ской деформации и пластичность данной марки.

Проведенный анализ и результаты математического моделирования пока зывают, что снижение максимальных температур нагрева стали 60С2 в общем случае возможно до уровня 1100–1150 °С и способствует повышению качества прокатной продукции, энерго- и ресурсосбережению. Минимально допустимая температура нагрева ограничена энерго-силовыми характеристиками стана. Для конкретных условий нагрева слитков исследуемой стали в регенеративных на гревательных колодцах ОАО «НКМК» с учетом того, что предел допустимой погрешности измерения температуры поверхности слитка (окалины) достигает ±15–20 °С, а перепад температуры по толщине окалины 30–60 °С, рекомендует ся нагрев и выдержку проводить на нижнем температурном пределе (в соответ ствии с действующей инструкцией) – 1260 °С.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1) Разработана и реализована на ЭВМ прогнозная математическая модель нагрева слябов в методических печах с учетом процессов окалинообразования.

Математическая модель внедрена в учебный процесс в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» и используется при подготовке студентов специальности 150103–Теплофизика, автоматизация и экология про мышленных печей.

2) Разработаны малоокислительные режимы нагрева слябов в методиче ских печах на основе экспериментального исследования кинетики высокотем пературного окисления 15-ти и температур плавления окалины 12-ти углероди стых, низко- и среднелегированных марок сталей. Для прогнозных расчетов по лучены эмпирические зависимости угара сталей от температуры и времени вы держки.

3) Экспериментальным путем исследовано удаление окалины при прокат ке с поверхности образцов из сталей марок 30ХГСА, 15ХСНД, 40Х, 3пс, 60С2.

Установлено, что наилучшее отделение окалины наблюдается при прокатке стали марки 3пс, наихудшее 60С2 и связано с повышенным содержанием крем ния. Для исследуемых марок сталей даны конкретные рекомендации по выбору конечной температуры нагрева и степени деформации в первых проходах, обеспечивающие наилучшее удаление окалины.

4) Выявлены три характерных типа строения поверхности раздела окали на-сталь, которые в порядке возрастания температуры нагрева и прочности сцепления окалины со сталью можно расположить в следующей последова тельности: слоевой (послойный), зернограничный и сталагмитообразный.

5) Предложена конструкция методической печи с комбинированным по дом, для осуществления нагрева заготовок с различным начальным тепловым состоянием (патент РФ № 43267).

6) Результаты исследования влияния температурно-деформационных ре жимов прокатки на удаление окалины с поверхности стали и разработанные ре комендации приняты к внедрению в практику нагрева слябов и прокатки тол стых листов на листостане «2150» ОАО «НКМК», ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов составляет 540 тыс. руб. в год.

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Темлянцев Н.В. Расчет сопротивления стали пластической деформации / Н.В. Темлянцев, М.В. Темлянцев // Наука и молодежь на рубеже тысячелетий:

Труды региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / СибГИУ. – Новокузнецк, 2000. – С. 193–194.

2. Темлянцев М.В. К вопросу о выборе конечной температуры нагрева стали под горячую механическую обработку / М.В. Темлянцев, Н.В. Темлянцев, В.С.

Стариков // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды региональ ной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / СибГИУ.

– Новокузнецк, 2001. – Вып. 5. – С. 231–232.

3. Эволюция поверхностных дефектов при нагреве стали под обработку давлением / М.В. Темлянцев, Н.В. Темлянцев, Б.К. Журавлев, А.Ю. Сюсюкин // Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество: Труды Все российской научно-практической конференции / СибГИУ. – Новокузнецк, 2002.

– С. 41–42.

4. Темлянцев М.В. Исследование окисления низколегированных конструк ционных сталей при нагреве под прокатку в атмосфере воздуха / М.В. Темлян цев, Н.В. Темлянцев, В.С. Стариков // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / СибГИУ. – Новокузнецк, 2003. – Вып. 7. – С. 170–172.

5. К вопросу о выборе конечной температуры нагрева стали 60С2 / М.В.

Темлянцев, В.С. Стариков, Н.В. Темлянцев, Б.К.Журавлев // Вестник горно металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сб. науч. тр. / Сиб ГИУ. – Новокузнецк, 2003. – Вып. 12. – С. 44–48.

6. Темлянцев Н.В. Исследование окисления среднеуглеродистых сталей при нагреве в воздушной атмосфере / Н.В. Темлянцев, М.В. Темлянцев // Металлур гия: реорганизация, управление, инновации, качество: Труды Всероссийской научно-практической конференции / СибГИУ. – Новокузнецк, 2003. – С. 61–63.

7. Окисление углеродистых конструкционных сталей при нагреве в атмо сфере воздуха под обработку давлением / М.В. Темлянцев, В.С. Стариков, Н.В.

Темлянцев, Б.К. Журавлев // Заготовительные производства в машинострое нии.– 2004.– №5. – С. 44–46.

8. Исследование окисления низколегированных кремнемарганцовистых сталей при нагреве в электрических печах сопротивления / М.В. Темлянцев, В.С. Стариков, Б.К. Журавлев, Н.В. Темлянцев // Изв. вузов. Черная металлур гия. – 2004. – № 4. – С. 47–49.

9. Сюсюкин А.Ю. Совершенствование конструкции методических печей ОАО «НКМК» / А.Ю. Сюсюкин, М.В. Темлянцев, Н.В. Темлянцев // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сб. науч. тр. / СибГИУ. – Новокузнецк, 2004. – Вып. 13. – С. 22–24.

10. Темлянцев М.В. Исследование химического состава окалины пружинной стали 60С2 / М.В. Темлянцев, Н.В. Темлянцев // Изв. вузов. Черная металлур гия. – 2005. – № 2. – С. 75–76.

11. Темлянцев М.В. Высокотемпературное окисление и обезуглероживание кремнистых пружинных сталей / М.В. Темлянцев, Н.В. Темлянцев // Заготови тельные производства в машиностроении. – 2005. – №3. – С. 50–52.

12. Темлянцев М.В. Исследование температур оплавления образующейся при нагреве стали печной окалины / М.В. Темлянцев, Н.В. Темлянцев // Изв. вузов.

Черная металлургия. – 2005. – № 9. – С. 51–53.

13. Темлянцев Н.В. Высокотемпературное окисление и обезуглероживание стали при нагреве в печах / Н.В. Темлянцев, М.В. Темлянцев // Совершенство вание технологий производства цветных металлов: сб. материалов Всероссий ской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых уче ных / ГУЦМиЗ. – Красноярск, 2005. – С. 140–141.

14. Темлянцев М.В. Влияние легирующих элементов стали на состав и свой ства печной окалины / М.В. Темлянцев, Н.В. Темлянцев // Современная метал лургия начала нового тысячелетия: сб. науч. тр. II Международной научно технической конференции / ЛГТУ. – Липецк, 2005. – Ч 2. – С. 40–45.

15. Перетятько В.Н. Удаление окалины с поверхности низко- и среднелеги рованных сталей при прокатке / В.Н. Перетятько, Н.В. Темлянцев // Изв. вузов.

Чер. металлургия. – 2006. – № 10. – С. 23–26.

16. Перетятько В.Н. Исследование влияния строения поверхностных слоев стали на удаление окалины после высокотемпературного нагрева слябов под прокатку / В.Н. Перетятько, Н.В. Темлянцев // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сб. науч. тр. / СибГИУ. – Новокузнецк, 2006. – Вып. 16. – С. 63–70.

17. Темлянцев Н.В. Особенности строения поверхности раздела окалина металл при нагреве стали под прокатку/ Н.В. Темлянцев // Вестник горно металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сб. науч. тр. / Сиб ГИУ. – Новокузнецк, 2007. – Вып. 18. – С. 31–33.

18. Патент РФ 43267, МПК7 С21D9/00. Методическая печь с комбинирован ным подом для нагрева стальных заготовок с различным начальным тепловым состоянием / М.В. Темлянцев, В.С. Стариков, Н.В. Темлянцев – №2004129127/22;

Заявл. 04.10.04;

Опубл. 10.01.05, Бюл. №1. – С. 888.

Изд.лиц. ИД №01439 от 05.04.2000 г.

Подписано в печать 18.04.2007 г. Формат бумаги 6084 1/16 Усл. печ. л. 1, Уч. - изд. л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Издательский центр ГОУ ВПО «Сиб ГИУ»