Термическая и термомеханическая обработка
Горячекатаных полос
Для повышения прочностных характеристик метала (предел прочности, предел текучести, твердость) применяют нормализацию, которую производят в проходной роликовой печи (на ШСГП первого поколения) или в агрегате нормализации рулонной стали (на современных ШСГП).
Схема агрегата нормализации горячекатаных полос показана на рис.42.
|
| Рис.42. Схема агрегата нормализации горячекатаной широкополосной стали: 1 – подающее устройство; 2 – разматыватель рулонов; 3 – отгибатель конца верхнего витка полосы в рулоне; 4 – правильно-тянущая машина; 5 – роликовые правильные машины; 6 – спаренные гильотинные ножницы для обрезки концов полос; 7 – стыкосварочная машина; 8 – гратосниматель; 9 – тянущие ролики; 10 – петлевые ямы; 11 – проходная печь; 12 – гильотинные ножницы; 13 – конвейер транспортировки отожженных рулонов; 14 – наматывающее устройство |
Агрегат предназначен для нормализации полос с размерами 1,2¸6´700¸1550 мм в рулонах массой 3¸7,5 т с внутренним диаметром 700 мм и наружным 1000-1650 мм.
Режим термической обработки определяется толщиной полос и маркой стали и выдерживается за счет задаваемой скорости движения полосы в средней технологической части агрегата. Она может изменяться от 5 до 30 м/мин. Постоянство скорости движения полосы в средней части агрегата при порезке, сварке полос и уборке рулона после нормализации (в это время происходит либо остановка полосы, либо изменение скорости ее движения) обеспечивается наличием петлевых ям. На ряде агрегатов вместо них имеются накопительные устройства. Температура нормализации стали выдерживается в диапазоне 930-950°С.
За рубежом, в том числе и в России, на ШСГП освоена контролируемая прокатка полос, в том числе и для газопроводных труб большого диаметра. В России технология контролируемой прокатки освоена на станах 2000 ОАО НЛМК, ОАО «Северсталь». При этом используются низколегированные стали с микролегированием.
Температура нагрева слябов составляет 1160-1200°С, tкп = 790-850 (из сталей типа 09Г2, 09Г2С1, 09Г2СФ) и 730-770°С (для сталей типа 08Г2СФБ, 08Г2ФМБ); tсм = 560-630°С; в чистовой группе клетей суммарное относительное обжатие составляет e = 60-70%.
Как итог, можно сделать вывод, что на ШСГП можно производить штрипсы для невысоких групп прочности.
Разделка горячекатаных полос
На листы и узкие полосы
Широкие полосы, свернутые в рулоны, разделывают на листы или узкие полосы на агрегатах поперечной или продольной резки. Основными показателями, определяющими характеристику и схему агрегата, являются: назначение агрегата (продольная или поперечная резка), производительность и место установки, толщина разделываемой полосы. По назначению агрегаты резки полос разделяют на агрегаты поперечной резки с обрезной кромкой или без обрезной кромки, агрегаты продольной резки, комбинированные агрегаты (продольной и поперечной резки). Комбинированные агрегаты в последние годы устанавливают редко, так как на них недостаточно эффективно используется оборудование.
Агрегаты разделки устанавливают либо непосредственно в цехах металлургических предприятий, либо в отдельных цехах, близко расположенных к цеху горячей прокатки листа. Поскольку металл на разделочные агрегаты поступает без предварительного контроля качества, то этот контроль, а также правку, сортировку и отбраковку некондиционного металла осуществляют в линии агрегата.
В современных цехах металлургических предприятий обычно бывает 3-4 агрегата поперечной резки полос и один – продольной. Агрегаты поперечной резки полос предназначены для определенных размеров полос по толщине и ширине, что позволяет подобрать соответствующие параметры входящих в него машин и агрегатов и обеспечить высокое качество резки, правки и надежную сортировку металла.
Размерный и марочный сортамент разделочных агрегатов определяется сортаментом ШСГП, масса разделываемых рулонов достигает 45 т при наружном диаметре 2600 мм, скорость резания до 0,8 м/с.
Для получения высокой плоскостности полос в линиях агрегатов резки имеются листоправильные машины, а в агрегатах поперечной резки – и клети для дрессировки полосы (еще одна цель применения этих клетей – получение требуемых механических свойств листов). В качестве летучих ножниц на АПР применены ножницы барабанного типа. В линиях продольной резки смонтированы многодисковые ножницы и моталки с разделительными дисками.
На рис.43 показана схема расположения оборудования агрегата поперечной резки горячекатаных полос.
|
| Рис.43. Агрегат поперечной резки горячекатаных полос: 1 – разматыватель; 2 – отгибатель; 3 – тянущие ролики; 4 – дрессировочная клеть; 5 – РПМ; 6 – петлевой стол; 7 – центрирующие ролики; 8 – дисковые и кромкокрошительные ножницы; 9 – тележка для скрапа; 10 – летучие ножницы; 11 – РПМ листов; 12 – карманы |
РАЗДЕЛ 5. ПРОИЗВОДСТВО ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ПОЛОС И ЛИСТОВ
НА СТАНАХ С МОТАЛКАМИ В ПЕЧАХ И ПЛАНЕТАРНЫХ СТАНАХ
Долгое время листовые реверсивные станы горячей прокатки с моталками в печах, расположенных с передней и задней стороны клети, по имени их создателя называли станами Стеккеля и относили к ШСГП. Применение станов этого типа в составе литейно-прокатных комплексов, а также для производства листов толщиной до 60 мм позволяет выделить их в отдельную группу станов.
Наличие подогревательных печей с моталками при прокатке тонких и длинных полос позволяет решить две задачи
– сохранять температуру прокатки в требуемом достаточно узком диапазоне;
– не предусматривать раскатные поля (рольганги) большой длины.
Первый стан Стеккеля начал работать в 1923 г. в США. К концу 70-х годов в мире эксплуатировали более 20 таких станов. Три из них в России – НЛМК, завод «Амурсталь» и Верхне-Салдинский металлургический завод.
Станы Стеккеля первого поколения работали в составе одной или двух клетей. Во втором случае первая черновая клеть была двухвалковой (иногда и с эджером перед клетью), вторая – чистовая – всегда была четырехвалковой (рис.44).
Длина бочки валков таких станов была в диапазоне 710-2000 мм. Станы предназначались для прокатки полос толщиной 1,5-8, шириной до 1800 мм из качественных конструкционных, электротехнических, труднодеформируемых и легированных марок стали. Производительность станов составляла 0,2-0,4 млн.т/год. Скорость прокатки достигала 10 м/с.
Технологический процесс при прокатке полос на станах Стеккеля происходит следующим образом.
Заготовку (сляб или в очень редких случаях слиток) нагревают в методической печи и прокатывают за несколько проходов в черновой клети (если она есть) до заданной толщины подката. Перед прокаткой в черновой клети и перед чистовой клетью с раската с помощью гидросбива сбивают окалину и зачищают его передний конец.
|
| Рис.44. Чистовая клеть кварто стана 1200 с печными моталками: 1 – клеть кварто; 2 – печи; 3 – моталки; 4 – проводки; 5 – задающие ролики |
Далее подкат или сляб (на одноклетевом стане) проходит под передней печью с моталкой при опущенной проводке (см. рис.44) и попадает в валки. После этого раскат проходит через задающие ролики с задней стороны клети и по поднятой проводке передний конец его поступает в печь и захватывается моталкой. Полосу прокатывают полностью, задний конец её выходит из валков, но остается в задающих роликах, расположенных за клетью. Их реверсируют и конец полосы поступает в валки, после них в задающие ролики с передней стороны клети. К этому времени проводку поднимают, конец полосы поступает в печь и захватывается моталкой. Далее процесс происходит аналогично.
После последнего прохода проводку, расположенную с задней стороны клети, опускают и готовая полоса выходит на отводящий рольганг, на котором обычно размещена душирующая установка, аналогичная применяемым на ШСГП, и дальше – в моталку.
Опыт эксплуатации станов Стеккеля первого поколения показал, что они имеют ряд серьезных недостатков.
Не оправдались надежды, что в печах будет происходить нагрев металла. В лучшем случае, температура полосы на выходе из печи была такая же, как и при входе; на готовых полосах отмечалась высокая продольная и поперечная разнотолщинность, нестабильность механических свойств по длине полосы из-за непостоянства температуры, худшее качество поверхности полос по сравнению с прокаткой на ШСГП.
Основное достоинство станов Стеккеля – низкие начальные капитальные затраты.
В конце 70-х годов прошлого века станы Стеккеля строить перестали.
Возобновился к ним интерес к концу 80-х годов прошлого века. Это обусловлено прогрессом металлургического машиностроения и развитием систем автоматизации. Так начался второй этап развития станов Стеккеля (второе поколение).
Они отличались от станов первого поколения применением нагревательных печей с шагающими балками, автоматизацией нагрева и наличием систем регулирования толщины, поперечного профиля и плоскостности полос, применением гидросбивов с большим давлением воды и установкой их в чистовой клети (то есть, сбив окалины производится после каждой пары проходов). В ряде случаев эджер устанавливали и перед чистовой клетью, что позволяло обжимать кромку раската несколько раз в первых проходах.
Диаметр рабочих валков на станах второго поколения увеличен с 600-650 до 700-780 мм, опорных с 1200-1250 до 1450-1600 мм, максимальная сила прокатки достигла 40 МН, скорость прокатки – до 13 м/с.
Новые технические решения применены и в печных моталках: повышена температура в печи до 1300°С, увеличена скорость заправки полосы до 3 м/с, предусмотрен подогрев оправки моталки до 900-930°С.
Для станов Стеккеля второго поколения характерно расширение как марочного, так и размерного сортамента выпускаемой продукции.
Проблема, которая не нашла своего решения на станах Стеккеля второго поколения – падение температуры на концах полосы, которые поочередно остаются вне моталок. Неравномерность структуры металла, обусловленная этим явлением, сохраняется. И второе – качество поверхности полос также несколько хуже, чем на ШСГП.
Конец 90-х и начало 2000-х годов стало временем создания станов Стеккеля третьего поколения. Характерным для них стало то, что стан Стеккеля стали рассматривать не только как специализированный стан для производства продукции из труднодеформируемых, высоколегированных и электротехнических марок стали с небольшим объемом производства, но и как стан с широким сортаментом полосовой и толстолистовой продукции как по размерам (прокатывают полосы толщиной 1,5-20 мм, листы 4-63 мм, шириной до 3450 мм), так и по марочному составу стали (в том числе и из рядовых и конструкционных углеродистых марок стали), компактный, дешевый и достаточно высокопроизводительный.
Можно считать, что на станах Стеккеля решена задача производства как тонких, так и толстых листов широкого марочного сортамента.
Гамма станов Стеккеля третьего поколения разработана фирмами «SMS-Demag», «Фёст-Альпине», «Типпинс», «Даниэли», ЗАО НКМЗ.
На рис.45 показана упрощенная схема стана Стеккеля третьего поколения.
|
| Рис.45. Схема расположения основного оборудования стана Стеккеля на заводе фирмы «ИПСКО Стил»: 1 – входная печная моталка; 2 – тянуще-задающие ролики; 3 – гидросбивы; 4 – толщиномеры; 5 – эджер; 6 – четырехвалковая клеть; 7 – профилемер; 8 – выходная печная моталка; 9 – измеритель ширины; |
Особенностью этого стана является расположение между первой печной моталкой и чистовой клетью гидросбива, толщиномера и эджера, а между чистовой клетью и второй печной моталкой расположены гидросбив, толщиномер и профилемер. Шириномер, установленный за второй печной моталкой, выдает сигнал для управления шириной раската в эджере.
Толстые листы разделывают так же, как и на ТЛС (роликоправильные машины, линии резки, термообработка).
На стане производят лист толщиной 4,5-50 мм и полосы – 2,3-19 мм, шириной 1220-3050 мм. Комплекс работает в составе мини-завода.
Для станов Стеккеля третьего поколения разработаны печные моталки, на которые можно сматывать полосы толщиной до 40 мм (ранее было – до 25 мм) с возможностью полной их смотки (в том числе и заднего конца).
В ЗАО НКМЗ разработан проект трехклетевого стана Стеккеля в составе одной черновой и двух чистовых клетей, расположенных на расстоянии 6 м друг от друга и между печными моталками (рис.46).
|
| Рис.46. Схема участка чистовых клетей стана: 1 – печь; 2 – моталка; 3 – проводка; 4 – задающие ролики; 5 – ножницы №1; 6 – клети кварто; 7 – ножницы №2 |
Стан предназначен для производства полос толщиной 1-12,7 мм из низкоуглеродистых и легированных марок стали. Годовое производство стана 1,5 млн.т.
Станы Стеккеля за рубежом часто применяют при реконструкции устаревших ТЛС, либо когда при производстве 1-2 млн.т необходимо производить лист в широком размерном и марочном сортаменте, и что очень важно – небольшими партиями.
Эти станы значительно дешевле традиционных ШСГП, времени для их сооружения также требуется меньше, чем для ШСГП.
В последние годы станы Стеккеля начали применять в составе литейно-прокатных агрегатов. Об этом будет сказано далее.
Планетарные станы появились в 50-х годах прошлого века. Они имеют, как правило, короткую бочку валков (455-643 мм и редко более 1000 мм). Имеется две разновидности этих станов – станы конструкции Сендземира и станы конструкции Круппа-Платцера. Основное их достоинство – возможность совмещения (по производительности) с МНЛЗ. На рис.47 показана схема рабочей линии планетарного стана конструкции Сендземира.
Рис.47. Схема прокатной линии планетарного стана Сендзимира: 1 – проходная роликовая нагревательная печь; 2 – задающие валки планетарной клети; 3 – проводки; 4 – рабочие планетарные валки; 5 – обоймы-сепараторы; 6 – опорные валки планетарной клети; 7 – петлерегулятор; 8 – прогладочная клеть; 9 – летучие ножницы для обрезки концов полосы; 10 – моталка |
В планетарных станах конструкции Сендземира крутящий момент привода может передаваться рабочим валком через сепараторы либо через опорные валки. Конструкция станов с приводом через сепараторы гораздо проще, но применяются они только для сталей и сплавов с низким сопротивлением деформации. Поэтому чаще применяют привод через опорные валки.
Планетарные станы могут работать как самостоятельный агрегат, либо в составе литейно-прокатных агрегатов (они будут описаны позже).
В любом случае технологический процесс начинается с нагрева (или подогрева) заготовки. После этого заготовка поступает к задающим роликам, а с их помощью – в рабочую клеть.
Задающие ролики планетарных клетей диаметром 450-900 мм имеют привод от двигателя мощностью до 600 кВт через редуктор. На некоторых станах в качестве задающей клети применяют вертикальные клети, выполняющие также роль окалиноломателя. Для предотвращения изгиба сляба между задающими роликами и планетарной клетью установлены водоохлаждаемые проводки.
Планетарная клеть стана Сендземира состоит из двух опорных валков диаметром 450-1300 мм, длиной бочки 450-1450 мм, вокруг которых располагаются до 50 рабочих валков диаметром 50-200 мм. Рабочие валки закреплены в сепараторах, вращающихся, как и опорные валки, в направлении прокатки, но с меньшей скоростью, что обусловливает вращение рабочих валков малого диаметра в направлении, обратном направлению перемещения раската. Для сохранения взаимного расположения рабочих валков в верхних и нижних обоймах, а также их синхронного вращения, сепараторы связаны между собой шестернями, которые приводятся во вращение от приводного двигателя опорных валков.
Одним из существенных недостатков стана Сендземира является то, что выходящая из клети полоса имеет волнистую форму. Это объясняется тем, что рабочие валки, пройдя точку наибольшего сближения, начинают расходиться, двигаясь по окружности и продолжая деформировать смещенный объем. Обычно она не превышает 0,05 мм на сторону. Сглаживание гребешков происходит в прогладочной клети (обжатие 30-50%). Прогладочные клети двухвалковые с диаметром валков до 800 мм, мощность привода до 600 кВт. Между прогладочной клетью и моталкой создается натяжение полосы, обеспечивающее качественную смотку полосы в рулон.
В клетях конструкции Круппа-Платцера опорный валок неподвижен, а рабочие валки (как и в стане Снедземира) вращаются в сепараторах вокруг него. Для согласования направления вращения рабочего валка между рабочими и опорными валками помещены промежуточные валки, значительно усложняющие конструкцию клети. Схема валкового узла стана Круппа-Платцера показана на рис.48. Вращение обойм, как и в стане Сендземира, синхронизировано. Задающие валки, как правило, смонтированы в планетарной клети.
Рис.48. Схема узла валков и расположения задающих роликов стана Круппа-Платцера:
1 – задающие ролики; 2 – опорный валок;
3 – рабочие валки; 4 – промежуточные валки
Обжатие в планетарных клетях определяется числом рабочих валков, находящихся в зоне контакта с металлом. Каждая пара рабочих валков производит незначительное обжатие. Суммарное обжатие составляет 95-98% за один проход. Интенсивная деформация обусловливает повышение температуры металла в очаге деформации на 100-150°С, что позволяет снизить температуру нагрева сляба в проходной печи и тем самым сэкономить топливо и снизить угар металла.
Скорость задачи металла в клеть 0,5-3,5 м/мин (что соответствует скорости разливки слябов на МНЛЗ), а скорость выхода полосы из валков 0,5-2 м/с.
Как станам Сендземира, так и станам Круппа-Платцера присущи определенные недостатки. Как было отмечено ранее, на станах Сендземира имеется волнистость прокатываемой полосы. Стан Круппа-Платцера лишен этого недостатка и имеет в зоне деформации прямолинейный калибрующий участок, сглаживающий поверхность полосы. Однако стан Круппа-Платцера конструктивно существенно сложнее стана Сендземира за счет наличия промежуточных валков. Кроме волнистости выходящей полосы на стане Сендземира и сложности конструкции стана Круппа-Платцера, этим стана присущи и другие недостатки. При работе каждый валок, а точнее, пара синхронно движущихся верхнего и нижнего валков деформирует небольшой объем металла прокатываемой полосы. Для достижения необходимой производительности число рабочих валков доводят до 20-50, поскольку рабочие валки располагаются в узлах почти вплотную, то столь большое их число ведет к уменьшению диаметра подшипниковых опор рабочих валков. С другой стороны, достижение необходимой производительности заставляет держать скорость вращения сепараторов весьма высокой, что в конечном итоге приводит к высокой угловой скорости вращения рабочих валков, которая на практике достигает 2-3 тыс.об/мин..
Стечение таких факторов, как конструктивно продиктованные малые размеры подшипниковых опор и высокие скорости вращения рабочих валков под нагрузкой, приводят зачастую к низкой работоспособности подобных станов.
Толщина заготовки для планетарных станов до 150 мм, толщина прокатываемых полос 1,2-6,5 мм, годовая производительность 50-200 тыс.т.
Ни в Украине, ни в России в промышленной эксплуатации планетарных станов для производства полос нет.