Новые научно-технологические положения и конструктивные решения процесса термомеханического упрочнения стержневой арматуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

НОВЫЕ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПРОЦЕССА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ СТЕРЖНЕВОЙ АРМАТУРЫ

прокатка арматура термический упрочнение

Рассмотрено влияние различных параметров прокатки и упрочнения на формирование структуры и свойств стержневой арматуры. Выполнена оценка возможности повышения управляемости упрочняющей и транспортирующей способностями установки термического упрочнения арматуры в потоке прокатки стана 250-1 комбината "Криворожсталь". Разработана новая конструкция многосекционной установки термоупрочнения для этого стана.

АНОТАЦІЯ

Розглянуто вплив різних параметрів прокатки і зміцнення на формування структури та властивостей стержневої арматури. Виконана оцінка можливості підвищення керованості зміцнювальною та транспортуючою властивостями установки термічного зміцнення арматури в потоці прокатки стану 250-1 комбінату "Криворіжсталь". Розроблена нова конструкція багатосекційної установки термічного зміцнення для цього стану.

ANNOTATION

Effects of diverse variables of rolling and hardening on development of microstructure and properties of reinforcing bars are addressed. Possibilities to improve control over hardening and conveying are assessed for the reinforcing bar direct hardening unit of Mill 250-1 at Krivorozhstal Steel Combine. A new multi-section design is developed for hardening unit of this mill.

Впервые в мировой практике в 1967 г. на стане 250-1 комбината "Криворожсталь" была введена в промышленную эксплуатацию установка для термомеханического упрочнения стержневой арматуры и была создана прогрессивная технология термической обработки проката движущегося в потоке высокоскоростного стана с использованием тепла прокатного нагрева [1]. При решении этой задачи, осуществленной Институтом черной металлургии и комбинатом "Криворожсталь", успешно решены многие инженерные задачи различной сложности и главная из них _ создание охлаждающих устройств, обеспечивающих интенсивный отбор тепла от движущегося со скоростями до 15 _ 20 м/с арматурного проката и разработка технологического процесса получения с помощью этих устройств высоких уровней прочности арматуры.

Разработанный комплекс охлаждающих устройств, размещаемых по оси прокатки стана 250-1 и получивший впоследствии название "трассы термического упрочнения", состоял по обеим линиям стана из двух блоков. Первый из них - блок предварительного охлаждения (БПО), имел одну охлаждающую секцию, размещенную между последней чистовой клетью и барабанными ножницами. Второй - блок глубокого охлаждения (БГО), размещался после барабанных ножниц и состоял из четырех охлаждающих секций.

Оснастка охлаждающих секций состояла из форсунки и трубчатой камеры охлаждения. Воду высокого давления (до 2.0 МПа) в камеру охлаждения подавали через кольцеобразное сопло форсунки в направлении движения проката. При этом скорость движения воды в камере охлаждения в 1.5-2.0 раза и более превышала скорость движения проката.

В БПО выполняли охлаждение проката от температур прокатки и до 800-950 °С. В БГО прокат окончательно охлаждали до заданной среднемассовой температуры.

Для технологического процесса термомеханического упрочнения арматурной стали был выбран способ прерванной закалки с самоотпуском. Настоящий способ в условиях дефицита времени, диктуемого скоростью прокатки и расположением основного технологического оборудования стана, позволял выполнять охлаждение прилегающих к поверхности обрабатываемого проката слоев до температур ниже Мн, благодаря чему там формировался мартенсит. После прерывания закалки и перераспределения тепла по сечению температура стержня у поверхности повышалась, что приводило к отпуску (самоотпуску) мартенсита, а в сердцевине - понижалась. Последнее приводило к диффузионному или промежуточному распаду сохранившегося аустенита по кинетике, характерной для повышенных скоростей охлаждения.

Регулирование структуры и свойств при термическом упрочнении выполняли изменением длительности пребывания проката в трассе термического охлаждения, а также путем изменения давления воды, подаваемой в БПО.

В соответствии с выбранной конструктивной схемой трассы термического упрочнения охлаждающие секции наряду с интенсивным отбором тепла выполняют также функцию транспортирования проката после раскроя его барабанными ножницами к холодильнику стана. Транспортирующую способность секции приобретают за счет передачи части кинетической энергии движущейся в трубчатой камере воды высокого давления обрабатываемому стержню.

После определенного периода эксплуатации установки и накопленного опыта были разработаны режимы упрочнения арматуры до классов А400-А500 в одном лишь БПО. Для повышения упрочняющей способности БПО осуществили удлинение его камеры охлаждения. Подобным образом был реконструирован и БГО. Здесь вместо четырех охлаждающих секций была установлена одна, но с возможным удлинением ее камеры охлаждения.

В таком состоянии трассы упрочнения установка для термомеханической обработки на стане 250-1, схема которой представлена на рис. 1 а, находилась в эксплуатации до настоящего времени.

В последние годы значительным образом изменились требования к показателям механических, эксплуатационных характеристик и к качеству проката, ужесточилось воздействие экономических факторов.

Так, в большинстве стандартов стран-потребителей арматурного проката регламентированы требования к значениям условного предела упругости и его отношения к пределу текучести, величине выносливости, реологическим свойствам, стойкости к изгибающе-разгибающей деформации и т.д. Обострилось внимание к стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением и водородному охрупчиванию, стабильности механических характеристик. Потребность в снижении себестоимости продукции активизировала поиск новых технологий, обеспечивающих дополнительное уменьшение содержания легирующих в сталях и т.д.

В складывающейся ситуации технические характеристики и технологические возможности действующей установки термического упрочнения стана 250-1 были уже не в состоянии обеспечить получение нового комплекса свойств.

Стабильность механических свойств по длине раската в наибольшей степени зависит от транспортирующей способности трассы термического упрочнения. Однако сама транспортирующая способность зависит от ряда факторов, которые при работе на установке в ее нынешнем состоянии, не могут быть учтены.

а)

б)

Рис. 1. Схема установки термоупрочнения в потоке прокатки стана 250-1: а - действующей; б - после реконструкции; 1- чистовая клеть; 2-барабанные ножницы; 3- секция (блок) охлаждения; 4_ нагнетающая форсунка; 5- камера охлаждения; 6- отсечное устройство; 7- датчик магнитной фазы

В [2] показано, что при воздействии на введенный в охлаждающую секцию неподвижный арматурный стержень сила тяги возрастает примерно прямопропорционально давлению подаваемой в секцию воды. Очевидно, что примерно такая же зависимость влияния давления воды будет иметь место при ее воздействии и на движущийся стержень.

Исследования работы [3] свидетельствуют, что транспортирующая способность по длине непрерывной трассы упрочнения изменяется, возрастая к концу ее по экспоненциальному закону. Объясняется это тем, что при столь высоких температурах прокатки, какие имеют место на непрерывных станах (1050 °С и более) при контакте охлаждающей воды с поверхностью проката парообразование не может быть полностью подавлено, хотя с понижением температуры поверхности в процессе упрочнения количество образующихся пузырьков пара быстро убывает. Поэтому по мере уменьшения доли пузырьков пара в паро-воздушной смеси, каковой является охладитель в камере охлаждения, вязкость этой смеси возрастает от начала и к концу трассы упрочнения. В соответствии с этим по мере приближения к концу трассы способность охладителя к передаче части своей кинетической энергии возрастает, и поэтому возрастает и транспортирующая способность.

Подобно транспортирующему воздействию охлаждающая способность по длине непрерывной трассы упрочнения также не является величиной постоянной. Подобное свойство объясняется тем, что наиболее интенсивный отбор тепла имеет место при наибольшем градиенте температур между поверхностью объекта и охлаждающей средой. Но так как температура поверхности проката в процессе его упрочнения понижается, то при постоянных гидравлических параметрах охладителя время, необходимое для отбора им равного количества тепла, сохраняющегося во все более удаленных от поверхности слоях, увеличивается.

Между тем, в способности металла к быстрому перераспределению тепла и выравниванию температуры по сечению стержня при прерывании интенсивного охлаждения содержится возможность к повышению охлаждающей способности трассы термического упрочнения при сохранении энергетических затрат на упрочнение. Этого можно достичь, и опыт это подтверждает, если непрерывный процесс упрочнения разбить на короткие отдельные периоды. При таком способе охлаждения в паузах между периодами интенсивного охлаждения тепло из внутренних слоев проката устремляется к поверхности, температура ее повышается и при последующем периоде интенсивного охлаждения отвод тепла от поверхности будет более эффективным, чем за равный промежуток времени непрерывного охлаждения.

Изменение температуры поверхности при применении прерывистого охлаждения, изменяет также и способность к отбору упрочняемым арматурным стержнем кинетической энергии охлаждающей его воды, что также может быть эффективно использовано и для повышения управляемости транспортирующим усилием трассы термического упрочнения.

Однако наиболее существенным результатом, который был достигнут с помощью применения прерывистого охлаждения, является значительным образом расширившаяся возможность активного воздействия на процесс формирования структуры и свойств упрочняемого проката [4]. Причем реализована она может быть двояким образом. В соответствии с первым из них становится регулируемой температура отогрева поверхности и соответственно приобретает управляемость процесс самоотпуска мартенсита у поверхности упрочняемого стержня, благодаря чему достигается резкое улучшение многих механических и эксплуатационных характеристик, уровень которых определяется состоянием поверхности проката: стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, водородному охрупчиванию, ударной вязкости, чувствительности к надрезу и др.

В соответствии со вторым механизмом, с помощью термоциклирования, которое имеет место в процессе прерывистого охлаждения, изменяется устойчивость аустенита и распад его происходит по кинетике, отличающейся от той, которая имеет место после упрочнения при непрерывном охлаждении. Благодаря этому становится возможным влияние на значения отдельных из агрегатных характеристик из регламентируемого для упрочненного проката комплекса свойств. Более того, становится возможным, например, замена структур с низкой устойчивостью к повторным нагревам на структуры, имеющие повышенную устойчивость в этих условиях. Это позволяет получать арматуру высоких классов прочности из сталей с пониженным содержанием легирующих элементов, в том числе и из полуспокойных сталей.

На основании выполненного анализа новых научных данных о влиянии технологических факторов на формирование технических характеристик охлаждающего оборудования и способов обработки _ на формирование структур и свойств термомеханически упрочняемой арматурной стали была обоснована необходимость замены трассы термического упрочнения действующей установки термоупрочнения стана 250-1 на новую, отвечающую современным требованиям. Разработана конструкция новых охлаждающих секций и их компоновка в линии прокатки стана 250-1. В разрабатываемом варианте трасса термического упрочнения состоит из восьми охлаждающих секций, каждая из которых может быть автономно введена или выведена из трассы упрочнения. Также автономной предусмотрена подача в секции воды высокого давления (рис. 1 б).

Наряду с вопросами реконструкции собственно системы термического упрочнения решен вопрос контроля процесса упрочнения арматурной стали непосредственно в потоке прокатки при помощи индикатора магнитной фазы (ИМФ), размещаемого по оси прокатки в конце трассы термического упрочнения. Принцип контроля с помощью ИМФ разработан Институтом черной металлургии и основан на корреляционной зависимости механических свойств готового проката от количества ферромагнитной фазы (мартенсита), образовавшееся в прокате к моменту завершения охлаждения. Толщина (площадь) мартенситного наружного кольцевого слоя проката характеризует распределение температуры по его сечению и определяет среднемассовую температуру, а, следовательно, и механические свойства готового проката.

Комплект индикатора состоит из датчика магнитной фазы и блока питания и преобразования сигнала. Каждая из двух ниток стана оборудована одним комплектом индикатора. Датчики устанавливаются за последними секциями принудительного охлаждения, а блоки преобразования размещаются на посту управления.

Каждый датчик снабжен двумя катушками _ намагничивающей, в которую подаются импульсы постоянного тока, и _ считывающей, на выходе которой при движении проката образуются импульсы э.д.с., пропорциональные площади ферромагнитного слоя.

В блоке преобразования импульсы э.д.с. преобразуются в аналоговый сигнал, поступающий на показывающий прибор (вольтметр) и самописец.

При освоении режимов охлаждения арматуры будут экспериментально установлены корреляционные зависимости механических свойств проката от показаний прибора для каждого случая термомеханического упрочнения заданных: диаметра проката, марки стали и требуемого класса прочности.

На основании этих зависимостей будет определен допустимый диапазон колебаний показаний прибора индикатора для контроля персоналом стана процесса термомеханического упрочнения стержневой арматуры.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Термическое упрочнение проката / К.Ф.Стародубов, И.Г.Узлов, В.Я.Савенков и др. - М.: Металлургия, 1970. -138 с.

2. Термическое упрочнение арматурной стали в потоке стана 250-1 Западно-Сибирского завода / А.А.Кугушин, Ю.Т.Худик, Ю.А.Попов и др. // Сталь. - 1981. - № 9. -С. 70-73.

3. Транспортирующая способность установки термоупрочнения стержневой арматуры стана 250-2 ЗСМК / О.Г.Сидоренко, А.Е.Костюченко, Е.М.Демченко, А.Г.Клепиков // Производство и свойства термически обработанного проката. - М.: Металлургия, 1988. - С. 64-67.

4. Влияние прерывистого охлаждения при термическом упрочнении на формирование структуры и свойств / О.Г. Сидоренко, И.П. Федорова, М.Ф. Евсюков, К.В. Волков // Металлургическая и горнорудная промышленность. -1998. _ № 3. -С. 59-61.

Размещено на Allbest.ru