Повышение эффективности производства проволоки из углеродистых сталей на основе моделирования процессов деформирования и структурообразования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Морозов, Семен Андреевич

• Морозов, Семен Андреевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Морозов, Семен Андреевич

Введение

Глава 1. Особенности процесса производства проволоки из углеродистых сталей и пути повышения его эффективности.

1.1. Требования, предъявляемые к катанке и проволоке из углеродистых сталей и существующие способы их производства.

1.2. Процессы стуктурообразования при горячей прокатке.

1.3. Формирование структуры и свойств при волочении проволоки.

1.4. Снижение энергозатрат при производстве проволоки.

1.5. Пути совершенствования технологии производства и постановка задачи исследования.

Глава 2. Прогнозирование структуры и механических свойств катанки из углеродистой стали для условий прокатки в двухфазной области.

2.1. Экспериментальные исследования структурных преобразований углеродистой стали, деформируемой в двухфазной области.

2.1.1. Материал и методика эксперимента.

2.1.2. Изменение параметров зеренной структуры при аустенит-ферритном превращении.

2.1.3. Деформационное стимулирование аустенит-ферритного превращения.

2.2. Выбор и адаптация феноменологической модели аустенит-ферритного превращения.

2.3. Промышленный эксперимент по варьированию условий структурообразования при производстве катанки

2.4. Вычислительные эксперименты по прогнозированию структуры и механических свойств углеродистой стали для условий стана 150 ОАО БМК.

Выводы

Глава 3. Моделирование и исследование энергосиловых параметров процесса волочения.

3.1. Разработка математической модели контактных напряжений при волочении.

3.2. Построение зависимостей деформационного упрочнения проволоки из углеродистых сталей.

3.2.1. Упрочнение углеродистой стали при волочении с катанки и нормализованной заготовки.

3.2.2. Деформационное упрочнение при волочении отожженной углеродистой стали.

3.3. Теоретическое исследование силовых условий волочения

3.4. Математическая модель расхода энергии при волочении

Выводы

Глава 4. Совершенствование технологических процессов производства проволоки из углеродистых сталей.

4.1. Формирование структуры и механических свойств проволоки в зависимости от структурного состояния катанки.*.

4.2. Эффективные режимы охлаждения катанки с прокатного нагрева.

4.3. Совершенствование режимов волочения и снижение энергозатрат при производстве проволоки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности производства проволоки из углеродистых сталей на основе моделирования процессов деформирования и структурообразования»

Получение металлопродукции с заданным уровнем потребительских свойств и повышение за счет этого ее конкурентоспособности является злободневной задачей любого металлургического предприятия. Актуальна эта проблема и для метизных заводов страны, в частности, для одного из крупнейших - предприятий отрасли - ОАО "Белорецкий металлургический комбинат" (ОАО БМК). В последние годы марочный сортамент сталей ОАО БМК претерпел существенные изменения. Резко возрос объем метизов из углеродистых сталей (до 80% от общего выпуска). Кроме того, с середины 90-х годов начал осваиваться выпуск новых для комбината видов продукции из низкоуглеродистых марок сталей (например, проволоки для сеток из стали 08Ю, гвоздевой провоI локи из сталей Ст.1-Ст.З и т.д.), а также заключен ряд долгосрочных контрактов с зарубежными фирмами на поставку таких изделий. Это обусловило необходимость создания новых и совершенствования существующих технологических процессов производства проволоки из углеродистых сталей и изыскания путей снижения ее себестоимости. Особенно остро ощущается такая необходимость для продукции из сталей с относительно небольшим содержанием углерода - до 0,25%.

Поскольку обеспечение конкурентоспособности выпускаемой продукции представляет собой сложную многоплановую проблему, то для ее решения требуется осуществить комплекс мероприятий по следующим направлениям:

1) формирование заданных структуры и механических свойств катанки;

2) управление структурообразованием и механическими свойствами при получении волоченой проволоки;

3) разработка мероприятий по снижению себестоимости продукции за счет уменьшения энергоемкости при ее производстве.

Первый путь направлен прежде всего на формирование таких структурных и механических свойств катанки в процессе производства, которые обеспечили бы ее дальнейший качественный передел (волочение, термообработку). 6

Эта задача в нашей стране и за рубежом решается в основном за счет нахождения нужных температурно-скоростных и деформационных условий горячей прокатки, особенно в предчистовых и чистовых блоках сортовых станов, и режимов охлаждения катанки. Однако в условиях ОАО БМК использование известного опыта невозможно без адаптации к существующим условиям на стане 150 и приведения дополнительных исследований. Предстоящая реконструкция этого стана делает необходимость таких исследований еще более актуальной.

Закономерности формирования структуры и механических характеристик проволоки из углеродистых сталей при ее волочении и термообработке изучены достаточно глубоко. Эти же процессы в зависимости от структурного состояния катанки и ее свойств изучены в значительно меньшей степени. В то же время они в конечном счете определяют потребительские параметры готовой продукции - проволоки.

Повышение конкурентоспособности метизов неразрывно связано с вопросами ¿нижения их себестоимости. Последняя в немалой степени зависит от энергетических затрат (электроэнергия, газ) на производство. До последнего времени детального анализа энергозатрат при получении проволоки на ОАО БМК не проводилось. Необходимость решать вопросы их экономии на различных технологических этапах и различном оборудовании метизных цехов требует проведения соответствующих исследований и выработке на их основе рекомендаций по снижению энергозатрат.

Решению вышеперечисленных задач посвящена настоящая работа.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам исследователь-ско-технологического центра "Аусферр", ЦИЛ ОАО БМК, Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова за помощь в проведении исследований, обсуждение результатов работы и полезные консультации.

1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ ИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Морозов, Семен Андреевич

Выводы

1. • Проведено комплексное исследование влияния структурного состояния катанки из углеродистой стали на процессы формирования структуры и механических свойств при волочении и рекристаллизационном отжиге проволоки для двух партий, отличающихся температурами конца прокатки в чистовом блоке клетей стана 150 ОАО БМК (^=920 °С для режима 1 - прокатка в аустенитной области; 1^=860 °С для режима 4 - прокатка в двухфазной области) и имеющих существенно различные значения структурных параметров

2. Показано, что реализация при прокатке углеродистой стали деформационного стимулирования аустенит-ферритного превращения позволяет сформировать структурное состояние катанки, обеспечивающее повышение уровня механических свойств проволоки.

3. Предложены режимы охлаждения катанки, которые позволяют получать продукцию с требуемым уровнем механических свойств, учитывая реальное содержание углерода, марганца и кремния в стали. На основе предложенного технического решения внесены изменения в технологическую инструкцию ТИ-173-ПС-02-352-88 «Производство катанки в прокатном цехе № 2» ОАО БМК.

113

4. Выполнено с использованием разработанной прикладной математической модели расхода энергии исследование применяемых и возможных режимов волочения на машинах 2500 «СКЕТ» цеха №12 ОАО БМК. Изучено для разных марок стали и при различных скоростях влияние на энергетические показатели процесса диаметра исходной заготовки, числа переходов, характера маршрута волочения, номинальной мощности двигателей.

5. Получено, что с увеличением диаметра заготовки от 3 до 10 мм коэффициент полезной загрузки двигателей растет, поэтому энергозатраты снижаются. Рекомендовано типовой стан 2500 «СКЕТ» с двигателями номинальной мощности 55 кВт использовать для волочения с заготовки диаметром не менее 4,0 мм из стали с ст8=850-1000 МПа и не менее 6,0 мм при а8=290-350 МПа.

6. Выявлено увеличение загрузки двигателей и вместе с тем снижение затрат на электроэнергию при уменьшении числа переходов. Если же маршрут прямоточного волочения характеризуется убыванием частных обжатий, то в этом случае молено обеспечить благоприятную равномерную энергозагрузку двигателей по блокам. Алгоритм отыскания такого маршрута заложен в соответствующую компьютерную программу.

7. Установлена область предпочтительных по расходу энергии значений коэффициента полезной загрузки двигателей: 0,4-0,8. Для снижения энергозатрат на волочение путем перехода в указанную область в цехе № 12 следует применять двигатели номинальной мощностью 35-40 кВт (вместо 55 кВт). Осуществить эту рекомендацию можно путем перемотки имеющихся двигателей.

8. Проанализированы энергозатраты на термообработку проволоки в колпаковых и проходных многониточных электропечах. Выявлены источники повышенного расхода энергии; разработаны текущие и перспективные мероприятия по их устранению и компенсации.

9. Разработанные предложения по уменьшению энергозатрат при производстве проволоки приняты к внедрению на ОАО БМК (см. Приложения

-3). Частичное внедрение указанных предложений позволило снизить нергозатрат в цехах №№ 11, 12 в среднем на 8,4 %. I

115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана конструкция пластометра торсионного типа, позволяющего проводить исследования по определению сопротивления металла пластической деформации и формированию структур стали в широком диапазоне температур и скоростей деформации.

2. Выполнен сравнительный анализ структурного состояния углеродистой стали для условий "статики" и деформации в двухфазной области. Он показал, что деформационное стимулирование не только увеличивает скорость образования зародышей феррита на границах аустенитных зерен, но и повышает вероятность образования таких зародышей в теле зерен аустенита как на межфазных аустенит-ферритных границах, так и на иных дефектах кристаллической решетки, причем указанная вероятность растет с увеличением переохлаждения и скорости деформации.

3. Проведен промышленный эксперимент по варьированию условий I структурообразования при производстве катанки в условиях стана 150 ОАО БМК. Установлено, что прокатка углеродистой стали в двухфазной области приводит к измельчению ферритного зерна и к уменьшению размеров перлитных колоний. Указанные структурные изменения обеспечивают при последующих волочении и рекристаллизационном отжиге повышение временного сопротивления разрыву и предела текучести в среднем на 17% при одновременном увеличении относительного удлинения на 10%. Также существенно возрастает способность стали к холодной осадке до 1/4 первоначальной высоты без трещинообразования.

4. Осуществлен выбор феноменологической модели аустенит-ферритного превращения и проведена процедура ее адаптации к условиям прокатки углеродистой стали в двухфазной области на стане 150 ОАО БМК. Реализована серия вычислительных экспериментов, показавших, что повышение прочностных свойств углеродистой стали при ДС аустенит-ферритного превращения растет с увеличением переохлаждения ниже температуры Аг3.

116

5. Разработана и реализована компьютерной программой конечно-разностная математическая модель контактных напряжений и силовых условий при волочении, дающая возможность использования закона упрочнения любого вида, учета произвольного распределения коэффициента трения по длине рабочей зоны волоки и задания любой ее геометрии.

6. Выполнено экспериментальное исследование предела текучести и временного сопротивления разрыву проволоки из углеродистых сталей. Построены выражения деформационного упрочнения для различных условий.

7. Осуществлено с помощью конечно-разностной модели расчетное исследование влияния на силовые условия волочения произвольно распределенных по длине очага предела текучести, степени деформации и коэффициента трения. Получено, что лишь при фактическом законе упрочнения расчетное усилие практически совпадает с экспериментальным значением. Установлено превалирующее влияние на силу волочения среднего значения коэффициента трения по сравнению с характером его распределения по длине рабочей зоны волоки.

8. Построена и реализована компьютерной программой прикладная математическая модель расхода энергии при волочении, включающая конечно-разностную процедуру определения деформирующего усилия и оценку фактического к.п.д. стана в каждом переходе. Её применение позволяет анализировать энергетические показатели процесса и улучшать его в направлении снижения энергозатрат.

9. Установлены режимы охлаждения катанки, гарантирующие достижение требуемого уровня механических свойств с учетом реального разброса содержания углерода, марганца и кремния в стали. По данному техническому решению подана заявка на изобретение. Внесены соответствующие изменения в технологическую инструкцию ТИ 173-ПС-02-352-88 "Производство катанки в прокатном цехе № 2".

10. Выполнено с использованием разработанной прикладной математической модели расхода энергии исследование применяемых и возможных ре

117 жимов волочения на машинах 2500 «СКЕТ». Изучено для разных марок стали и при различных скоростях влияние на энергетические показатели процесса диаметра исходной заготовки, числа переходов, характера маршрута волочения, номинальной мощности двигателей.

11. Установлена область предпочтительных по расходу энергии значений коэффициента полезной загрузки двигателей: 0,4-0,8. Для снижения энергозатрат на волочение путем перехода в указанную область в цехе № 12 следует применять двигатели номинальной мощностью 35-40 кВт.

12. Разработаны рекомендации по снижению энергозатрат при волочении и термообработке проволоки. Их реализация позволила осуществить рациональную загрузку оборудования и частичную его замену, а также снизить энергозатраты в цехах №№ 11, 12 ОАО БМК в среднем на 8,4%.

118