Исследование процесса деформирования непрерывнолитых слитков на стадии неполной кристаллизации
Волков Артем Геннадиевич
Технология получения прямоугольной сортовой заготовки в гладких валках, называемая также бескалибровой прокаткой (БКП), заключается в том, что прокатываемая полоса обжимается последовательно гладкими горизонтальными и вертикальными валками или только горизонтальными валками с кантовкой раскатов на 90 градусов после каждого прохода или через один проход во всех клетях стана кроме чистовых, имеющих калибры, соответствующие по форме и размерам готовому прокату [16, 21, 22]. Окончательное формирование профиля необходимого поперечного сечения производится в последующих получистовых и чистовых проходах прокаткой в калибрах. Способы реализации бескалибровой прокатки
Из существующих и наиболее применимых в настоящее время следует отметить следующие разновидности бескалибровой прокатки (БКП), различающиеся величинами обжатий по проходам:
"квадрат-полоса" - способ прокатки, где сечению полосы через каждые два прохода придается форма квадрата [16];
RER-процесс - способ, в котором свободная поверхность полосы во всех проходах во время прокатки имеет форму одинарной бочки [22];
TRIPLET- способ, при котором в каждом проходе подкатом является прямоугольная полоса [14, 23, 24]. Перечисленные схемы бескалибровой прокатки могут реализовываться на существующих реверсивных и непрерывных станах [14, 15]. В последнее время за рубежом наметилась тенденция строительства прокатных станов, изначально предназначенных для деформирования в гладких валках.
Фирмой "Morgan Construction" (США) изготовлен четырехклетевой прокатный стан для прокатки по схеме RER полос 76-76 мм и 50-100 мм из заготовки 180?180мм в клетях с чередующимися горизонтальными и вертикальными валками [24]. Такое техническое решение снизило габариты стана на 85% (для освоения этого производства требовался шестиклетевой прокатный стан традиционной компоновки) [25].
На заводе Едельштальверк (Венгрия) работает мелкосортный стан фирмы СКЕТ, состоящий из 18 чередующихся вертикальных и горизонтальных клетей. В пяти клетях черновой группы технологией БКП способом БКП из заготовки 100?84 мм получают раскаты 52?51 мм [26]. В последующих группах клетей традиционной прокаткой получают круглые профили диаметром 8?50 мм, квадратные со стороной 10-41 мм, полосовые шириной 20-70 мм и толщиной 5-30 мм и арматурная сталь диаметром 10?40 мм. В работе отмечается хорошее качество проката и существенное снижение износа валков, что повышает эффективность работы стана. В работе [27] отмечается, что применение технологии БКП повышает выход бездефектного проката на 8 – 10%, что подтверждается результатами дефектоскопии металла. Обзорная информация показывает, что в сортамент материалов, прокатываемых в гладких валках, входят углеродистые, легированные стали и сплавы. С применением БКП производят заготовку, сортовой прокат простой формы, катанку и арматурные профили для железобетонных конструкций. Бескалибровая прокатка освоена и широко применяется за рубежом фирмами " Process Metallurgy ", " Scandinavian Engineering", " Morgan Construction ", "Кавасаки сэйтэцу". Из квадратных заготовок со сторонами от 42 до 250 мм за разное число проходов (от 3 до 17) получают готовый прокат круглого или квадратного сечения в размерном диапазоне от 8 до 150 мм. Отмечается, что при переходе от прокатки в калибрах на БКП, количество проходов не увеличивалось [25-29].
В Российской металлургии для условий действующего оборудования разработана технология бескалибровой прокатки для стана 300-2 завода «Мечел» (г. Челябинск) и стана 250/150 ПО "ИЖСТАЛЬ" (г. Ижевск) без уменьшения сортамента стана, а также для производства мелких профилей из сплавов титана на сортовых станах ВИЛС (г. Москва) и ВСМПО (г. Верхняя Салда) [22]. С 1991 года бескалибровая прокатка используется в обжимной группе клетей стана 150 ОАО «БМК» (г. Белорецк) [9, 19]. Во всех случаях отмечается ряд реальных технических, организационных и экономических преимуществ БКП по сравнению с традиционной технологией [9, 11, 21, 22], однако сведения о сравнении объемов производства проката в калибрах и с применением БКП в литературе отсутствуют.
В реальных промышленных условиях производство прямоугольной заготовки может реализовываться несколькими способами, имеющими различие как в режимах прокатки, так и в составе применяемого оборудования. Согласно патентам [30-33] прокатывать полосу в гладких валках следует с начальным соотношением сторон и с таким обжатием, чтобы у полученного раската достигалось такое же соотношение сторон. Оптимальным является соотношение сторон 2, 1, а использование валковой арматуры специальной конструкции предотвращает потерю устойчивости полосы. В патенте [34] кроме обжатия, обеспечивающего соотношение сторон полосы до и после прокатки <1, 5, для предотвращения возможного двойного бочкообразования регламентируется отношение диаметра валка D к межвалковому зазору t, которое должно составлять .
В работах [35, 36] обоснованы рекомендации производить деформацию полосы до размеров, определяемых из соотношения b1/h1 = (1, 6 – 2, 6)×b0/h0 при отношении D/h0 = 2, 3 – 5, 0, что позволяет получить максимально возможную вытяжку полосы за один проход. В патенте ЧССР [37] предложена схема прокатки: квадрат – прямоугольник “на ребро” – прямоугольник “плашмя” – прямоугольник “на ребро”… Реализация такой схемы осуществляется в чередующихся вертикальных и горизонтальных клетях с гладкими валками, причем перед клетями, в которых прямоугольная полоса имеет соотношение , для удержания полосы установлены проводки с фасонными роликами. Патентом отмечается возможность прокатки металла любого исходного сечения без ограничений по размерам. Аналогичное решение предложено в работе [38], где рекомендуется прокатка исходной полосы с соотношением сторон . Прокатка производится в реверсивной клети с горизонтальными рабочими валками, снабженной на входе и на выходе поддерживающими вертикальными валками, причем диаметры всех валков и расстояния между их осями определяются исходя из высоты обжимаемой полосы. С целью исключения кантовки полосы при прокатке сортовой заготовки способом БКП, в работе [39] предлагается производить прокатку в клетях с коническими валками. В линии стана клети с углом наклона образующей к оси валка 45° чередуются с клетями с углом наклона - 45°. По патенту [40] заготовка прокатывается последовательно в гладких валках и в валках с закругленным дном определенной конфигурации. В гладких валках соотношение сторон исходной заготовки составляет , после прокатки - (обжатие при этом может превышать 50%). В ребровом положении полоса прокатывается от до . В работе [41] предложено перед прокатной клетью устанавливать неприводные гладкие валки (ролики) для формирования плоской грани на бочкообразной боковой поверхности заготовок, что предотвращает их скручивание при последующей прокатке.
Анализ способов реализации технологии бескалибровой прокатки показывает, что практически все они основаны на комбинации соотношения сторон полосы на входе и выходе из валков, а также на соотношении диаметра валков и размеров проката. Однако, нет единого мнения по поводу назначения этих соотношений (рекомендуемый диапазон соотношений сторон полосы, например, составляет от 1, 5 до 5, 0). Не описана связь режимов обжатий с такими параметрами как диаметр валков, углы захвата, разнотолщинность и ромбичность заготовки, ромбичность готового проката и т.д. Во всех литературных источниках указывается на необходимость применения специальной удерживающей проводковой арматуры, однако, недостаточно подробно представлены описания конкретных конструкций. Не представлена как методика расчетов деталей удерживающей проводковой арматуры, так и принципы ее конструирования. В ряде работ [14-15, 28-29, 42-46] на основании лабораторных и промышленных исследований выявлены закономерности уширения при реализации бескалибровой прокатки.
Увеличение срока службы валков в 3 - 6 раз в связи с:
более эффективным (на 20...30%) использованием ширины бочки валка и его радиального размера;
меньшим износом валков из-за более рациональной схемы деформации и меньшего (на 5...10 %) усилия прокатки;
увеличением периодов между восстановлениями валков благодаря значительному повышению их твердости из-за возможности проведения их термообработки и шлифования при ремонте.
Более высокий коэффициент использования стана из-за сокращения суммарных простоев при перенастройках на другие типоразмеры, при перевалках и при смене калибров. Значительное сокращение машинного времени и расходов на изготовление и восстановление валков. Значительное сокращение парка валков и деталей проводковой арматуры. Бескалибровая прокатка может быть адаптирована к применению на существующих заготовочных и сортовых станах при небольших капитальных затратах. Наряду с очевидными достоинствами прокатка высоких прямоугольных полос на гладкой бочке имеет ряд недостатков. В работах [27, 49] отмечается, что полоса при выходе из гладких валков имеет более острые углы, чем при прокатке в калибрах. При задаче такой полосы в овальный калибр острые углы загибаются, что в дальнейшем приводит к образованию закатов. Кроме того, острые углы могут стать причиной образования поперечных трещин термического происхождения. Двойная бочка [28], возникающая при прокатке высокой полосы с низкими обжатиями также может приводить к образованию дефектов. Наиболее значительный недостаток бескалибровой прокатки – низкая устойчивость высокой полосы при прокатке, недостаточная изученность которой сдерживает более широкое применение БКП.
Проблемы устойчивости полосы Как отмечалось выше, широкое распространение технологии производства прямоугольной полосы в гладких валках сдерживается рядом несовершенств этой технологии, из которых наиболее существенна недостаточная устойчивость высокой полосы при прокатке ее в гладких валках. Одним из основоположников идеи применения бескалибровой прокатки можно считать А.Ф. Головина, отмечавшего, что при должном обеспечении устойчивости «…прокатка в гладких валках, несомненно, вытеснит прокатку в ручьях» [50].