Нормативные ссылки

В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 7.12–93 - Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая запись. Сокращение слов на русском языке. Общие требования и правила.

ГОСТ 8.417–81 - Государственная система обеспечения единства

измерений. Единицы физических величин.

ГОСТ 1050-80 – Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой оверхности из углеродистой качественной конструкционной стлаи. Общие технические условия

ГОСТ 803-81 Прокат полосовой горячекатаный для плакирования из углеродистой качественной и высококачественной стали. Технические условия.

ГОСТ 7565-81 Чугун, сталь и сплавы. Метод отбора проб для химического состава

ГОСТ 3443–87 - Оптическая металлография.

Обозначения и сокращения

НШСГП – непрерывный широкополосный стан горячей прокатки

УГЭ – универсальный генератор

ФЭУ – фотоэлектронный умножитель

МФС – системы фотоэлектрической съемки

ЛПК - литейно-прокатный комплекс

ОМД – обработка материалов давлением

НДС – напряженно-деформационное состояние

ТМО – термомеханическая обработка

ПКС – продольно-клиновой стан

Введение

В настоящее время горячекатаные полосы в основном производят в листопрокатных цехах металлургических комбинатов. Эффективность работы цехов горячей прокатки зависит от производительности непрерывных широкополосных станов горячей прокатки (НШСГП), установленных в данных цехах, а также от качества прокатываемых полос.

Применение рациональных режимов прокатки на НШСГП и принудительного охлаждения горячекатаных полос на отводящем рольганге позволяет улучшить потребительские свойства прокатываемых изделий.

За последние десятилетия решены важнейшие проблемы прокатки на НШСГП, позволяющиt получать полосовой прокат повышенного качества. Проведено большое число теоретических и экспериментальных исследований. Однако, на современном скоростном прокатном стане не всегда возможно обеспечивать постоянную скорость и температуру деформации, температуру принудительного охлаждения. Данные параметры определяют условия прохождения фазовых превращений и значительно влияют на свойства полосы по их длине и на свойства партий полос. Поэтому, актуальной остается проблема улучшения потребительских свойств производимых полос и разработка энергосберегающей технологии прокатки качественных листов на различных по конструкции станах.

Необходимо отметить, что еще недостаточно изучены закономерности формирования структуры металла при дробной горячей деформации, что характерно для горячей прокатки. При этом технические и технологические характеристики, используемых в производстве станов, не всегда обеспечивают осуществление рациональных технологических режимов, позволяющих получать полосы высокого качества.

Важно подчеркнуть, что в цехах горячей прокатки тонких листов используют сложную, энергоемкую технологию, состоящую из разливки сляба – черновой и чистовой горячей прокатки на НШСГП – принудительного охлаждения на отводящем рольганге – смотки в рулоны. Строительство НШСГП в различных регионах Республики Казахстана приведет к большим удельным капитальным и эксплуатационным расходам, увеличению расхода металла, энергии, топлива и т.д.

В последние десятилетия перспективным направлением изготовления тонких листов из сталей и сплавов стало создание литейно-прокатных модулей (ЛПМ), включающих в свой состав машины непрерывного литья заготовок и агрегаты для прокатки и смотки полос. Низкие удельные капиталовложения и короткий строительный цикл; простая и компактная технология; региональное сырье в виде металлического лома; специализированный сортамент продукции, ориентированный на конкретного потребителя; высокая производительность труда при оптимизации производственных издержек; появление новых технологий; а также создание нового технологического оборудования – весь этот комплекс объективных предпосылок сделал ЛПМ одним из наиболее динамично развивающихся и эффективных направлений в металлургии.

Несмотря на внедренность в ЛПМ технологии прокатки полос из стали и сплавов, далеко не полностью использованы возможности повышения качества продукции путем изменение конструкции стана. Практически не исследованы зависимость размеров зерен стали от основных технологических параметров, закономерности формирования структуры и механических свойств при дробной прокатке полос на станах различной конструкции.

Таким образом, исследование основных закономерностей формирования структуры и свойств при дробной прокатке полос из сталей и сплавов, технологических ограничений, усовершенствование моделей структурообразования сталей имеют важное научное и практическое значение. Используя эти исследования, создание новых технологических режимов и оборудований является актуальной задачей для листопрокатного производства.

Цель работы. Совершенствование и разработка новых технологий горячей прокатки полос из углеродистой стали в продольно-клиновом стане с использованием методов физического и компьютерного моделирования процессов формирования структуры и механических свойств материалов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследований являются технологии прокатки углеродистой стали на непрерывном продольно-клиновом стане новой конструкции.

Основные задачи

- совершенствование методики физического моделирования условий формирования структуры углеродистой стали при дробной горячей деформации и последующем охлаждении применительно к условиям продольно-клинового стана;

- исследование основных закономерностей формирования структур и механических свойств углеродистой стали в условиях непрерывного по листового продольно-клинового стана горячей прокатки;

- разработка технологии горячей прокатки полос из углеродистой стали на непрерывном продольно-клиновом стане новой конструкции.

Обоснование необходимости проведения научно-исследовательской работы по теме диссертации. Разработка рациональной технологии горячей прокатки позволит получать тонкие полосы должного качества, при этом стоимость тонны горячекатаных полос будет ниже как минимум на 30 долларов США, чем себестоимость холоднокатаных аналогичного сортамента. При этом энергосиловые параметры горячей прокатки полос будут намного меньше, чем энергосиловые параметры при холодной прокатке, а значит меньше будут деформации клети и составных элементов, что влечет за собой меньшую разнотолщинность прокатываемых полос.

Необходимо отметить, что для изготовления таких деталей, как сварные трубы, стальная фурнитура и т.д., холоднокатаный тонкий лист используют исключительно из-за размерного фактора, а не из-за механических свойств. Вместе с тем дополнительное использование холодной прокатки без особой необходимости значительно увеличивает стоимость изделия. Поэтому целесообразно изготовлять вышеперечисленные детали из высококачественных горячекатаных тонких листов, что обеспечивает низкие цены на конечный продукт.

Однако такая замена возможна в том случае, если горячекатаный тонкий лист будет полностью соответствовать ряду технологических требований, такие как хорошая микроструктура, стандартам, соответствующие механические свойства и т.д.

Микроструктура горячекатаных листов толщиной до 2 мм, произведенных на существующих станах стран СНГ, часто характеризуется значительной разнозернистостью. Использование такого металла в различных отраслях промышленности приводит к образованию различных дефектов.

Необходимо отметить, что используемые в настоящее время в листопрокатном производстве станы горячей прокатки существенно различаются между собой по конструкции. Поэтому существенно отличается технология производства листового проката на этих станах даже одинакового типоразмера. Технологии горячей прокатки, которые являются эффективными для одного стана, не всегда применимы для другого стана.

В связи с вышесказанным возникает необходимость изыскания новых научно-обоснованных технологий прокатки тонких полос в продольно-клиновом стане, обеспечивающих получение необходимого структурного состояния.

Актуальность решаемой научной проблемы. На основе литературных данных можно отметить, что вследствие высоких технико-экономических показателей с точки зрения удельной производительности, качества и себестоимости готовой металлопродукции, основной технологической схемой промышленного производства тонких листов в существующих ЛПМ является процесс по рулонной прокатке относительно тонких лент и полос. Прокатку осуществляют на различных непрерывных или реверсивных станах с последующим их раскроем по длине и ширине на разном агрегате продольной и поперечной резки.

Однако, на малых предприятиях, где прокатывают тонкие полосы из металлов и сплавов, в большинстве случаев используют специализированные станы по листовой прокатки. Это связано с малым объемом производства, невозможностью сформировать исходную рулонную заготовку с более высокой степенью адаптивности при производстве мелких партий листов с различными размерами по толщине, длине и ширине. При этом упрощается состав и конструкция оборудования за счет исключения из состава стана довольно сложных намоточно-натяжительных устройств и систем кинематической синхронизации их приводов. Это преимущество, а также ряд других технологических и конструктивных преимуществ, позволяет сделать вывод о целесообразности использования способа по листовой прокатке на малых предприятиях.

В связи с этим, большую актуальность приобрели теоретические и экспериментальные исследования закономерностей формирования структур и механических свойств углеродистой стали в условиях по листового непрерывного продольно-клинового стана горячей прокатки.

Научная новизна

1. Усовершенствована методика расчета размеров аустенитных зерен и установлены основные закономерности формирования структур при непрерывной горячей прокатке полос в продольно-клиновом стане, учитывающие влияние параметров напряженно-деформированного состояния металла в очаге пластической деформации;

2. Физическом моделированием получены количественные данные и установлены основные закономерности формирования структуры углеродистой сталей при дробной горячей деформации и последующем охлаждении применительно к условиям прокатки полос в продольно-клиновом стане;

3. Разработаны и научно обоснованы зависимости механических свойств углеродистой сталей от химического состава и основных технологических параметров, позволяющие производить листовой прокат требуемого качества.

Практическая ценность. Разработаны температурно-деформационные режимы горячей прокатки тонких полос из углеродистой стали на продольно-клиновом стане новой конструкции.

Оценка современного состояния решаемой научной проблемы. В настоящее время не исследованы основные закономерности формирования структуры и свойств при дробной по листовой прокатке тонких полос из сталей и сплавов в продольно-клиновом стане, не разработаны компьютерные модели структурообразования сталей при прокатке в данном стане, физическим моделированием не исследованы условия формирования структуры углеродистой стали при дробной горячей деформации в продольно-клиновом стане и охлаждении листов на отводящем рольганге.

Основными и исходными данными для разработки темы служат существующая технология прокатки тонких полос в известных ЛПМ, а также закономерности формирования структур углеродистой стали при прокатке в существующих прокатных станах.

Планируемый научно-технический уровень разработки. Уровень научных исследований по теме диссертации отвечает задачам развития фундаментальной науки в области материаловедения и технологии новых материалов.

Диссертационная работа выполнена в рамках финансируемых госбюджетных тем: 1) НТП № 723 УГМ.09 «Разработка новых конкурентоспособных технологий обработки готовых изделий из металлов и сплавов (термической, химико–термической, термомеханической и поверхностной обработки, обработки давлением и др.), а также технологий нанесения покрытий».

Сведения о метрологическом обеспечении научных исследований. Выполнение научных исследований по теме диссертации на современном уровне обеспечивалось наличием уникальных физических приборов и оборудования в Университетской инженерной лаборатории и в лабораторий в Politechnika czestochowska (Czestochowa, Rzecziosiolita Polska).

Патентно–лицензионное и метрологическое сопровождение научных исследований по тематике проекта было обеспечено при поддержке специалистов соответствующих служб Университетов.

Для проведения научных исследований по теме диссертации использованы

нижеследующие современные лабораторные приборы и оборудование:

- оптический микроскоп Carl Zeiss «Axiovert-200 MAT»;

- электронно-зондовый микроанализатор JEOL (Джеол) с энергодисперсным спектрометром JNCA ENERGY (Англия);

- универсальный микроскоп Neophot 32 (Karl Zeiss, Jena) (Германия);

- система МФС-8;

- установка Gleeble 3500;

- автоматизированная установка МВ-01м;

- универсальная лаборатория подготовки проб.

Методологическая база научных исследований (используемые методы и формы научного исследования, сравнительный анализ научных подходов к научному исследованию).

При выполнении исследований по теме диссертации были использованы нижеследующие методы исследования:

- компьютерная стандартная программа ВидеоТесТ «Металл 1.0»;

- компьютерная стандартная программа MSC.SUPERFORGE;

- компьютерная стандартная программа «ISPYTAN DAT»;

- методы оптической и электронной микроскопии;

- методы определение химического состава сплавов;

- методы определения механических свойств;

- стандартные методы анализа параметров дефектной субструктуры.

Формы научного исследования: анализ параметров дефектной субструктуры; расчет напряженно-деформированного состояния; экспериментальные исследования химического состава, структуры и свойств сплавов.

Положения выносимые на защиту:

1. Основные закономерности и разработанная компьютерная модель формирования структуры при непрерывной горячей прокатке полос в продольно-клиновом стане, учитывающие влияние параметров напряженно-деформированного состояния металла в очаге пластической деформации;

2. Основные закономерности формирования структуры углеродистой стали при дробной горячей деформации и последующем охлаждении применительно к условиям прокатки полос на продольно-клиновом стане;

3. Научно обоснованные зависимости механических свойств углеродистой стали от химического состава и основных технологических параметров, позволяющие производить листовой прокат требуемого качества.

Апробация практических результатов. Научные и технологические положения диссертационной работы опубликовалось и обсуждалось на: международной конференции «Подготовка инженерных кадров в контексте Глобальных вызовов XXI века», (Алматы, 2013), I международный Научно-технический конференция «Научно-технический прогресс в черной металлургии» (Череповец 2013), Международный научно-практический конференция «Индустриально-инновационное развитие транспорта, транспортной техники и машиностроения» (Алматы, 2013), Международной Сатпаевские чтение, (Алматы, 2014), Труды Международной научно-практической конференция «Инновационные технологии, оборудование и материалы в машиностроение», (Алматы, 2012), V Всемирный конгресс инжиниринга и технологий – WSET-2012 «Наука и технологии: шаг в будущее», (Алматы, 2012).

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, включает введение, четыре раздела и заключение, 71 рисунков, 6 таблиц и список использованных источников из 111 наименований.