2.5 Технологические операции при производстве проката

Основной задачей технологического процесса производства проката яв-ляется получение прокатной продукции заданных форм, размеров и ка-чества в необходимом количестве с минимальными затратами и наибольшей производительностью. Эта задача может быть решена только при точном соблюдении и выполнении всего технологического процесса производства проката и требований нормативно-технической документации.

Технологический процесс производства того или иного вида готового проката включает в себя все необходимые последовательные операции обра-ботки металла. Технологические операции в производстве проката весьма раз-нообразны. Однако существуют такие, которые являются основными и харак-терны для всех видов прокатного производства. К ним относятся: подготовка металла к прокатке, нагрев металла перед прокаткой, собственно прокатка, охлаждение проката, отделка готовой прокатной продукции. Каждая из этих операций является самостоятельной, но необходимой и взаимосвязанной с другими технологическими операциями производства проката. Совокупность технологических операций изготовления прокатной продукции, их необхо-димая последовательность представляют собой технологическую схему произ-водства проката.

На металлургических предприятиях с полным металлурги­ческим циклом технологической схемой производства проката является схема слиток – полу-продукт (заготовка) – готовый прокат. В соответствии с этой схемой прокатное производство металлургического предприятия включает сис­тему станов, обеспечивающих получение полупродукта в виде блюмов, слябов и загото-вок из слитков и систему станов, выпускающих готовый прокат в виде сор-тового проката или горяче- и холоднокатаных листов и др., т.е. техноло-гический процесс современного прокатного производства состоит из двух стадий: получение полупро­дукта (заготовки) и готовой продукции (гото-вого проката).

В то же время технологическая схема производства того или иного ви-

да готового проката предусматривает включение всех необходимых последо-вательных операций обработки, начиная с подготовки слитка или заго-товки для нагрева и прокатки и кончая завершающей отделкой и опре-делением качества готового проката (рисунок 26, а).

Следует отметить, прокатные цехи, имеющие в своем сос­таве обжимные (блюминги, блюминги – слябинги, слябинги) и заготовочные станы, являются связующим звеном между ста­леплавильными цехами и станами, выпускаю-щими готовый про­кат.

Для металлургических предприятий с неполным металлур­гическим циклом технологической схемой производства про­ката является либо слиток – готовый прокат, либо полупродукт – готовый прокат. В этих схемах отсутствуют операции, связанные с производством полупродукта непос­редственно на дан-ном предприятии, а процесс производства осуществляется или из заготовки, получаемой со стороны, или из слитка небольшой массы, из которого го-товый прокат получают за один нагрев. Эти технологические схемы явля­ются на-иболее распространенными на металлургических пред­приятиях.

Успешное развитие непрерывной разливки стали на метал­лургических предприятиях значительно изменило технологи­ческую схему производства проката и преобразовало ее в схему непрерывнолитая заготовк – готовый прокат (рисунок 26, б). Использование непрерывнолитой заготовки в прокатных цехах при производстве готового проката является эффективным процессом, позволяющим исключать целый ряд технологических операций и дорогостоя-щие обжимные и заго­товочные станы из технологического процесса произ-водства проката.

Дальнейшее развитие процессов непрерывной разливки и прокатки, выражающееся в их совмещении, значительно изме­няет технологическую схему производства проката непре­рывная разливка – готовый прокат и сокра-щает цикл метал­лургического производства, исключая такие технологичес-кие операции, как нагрев, транспортировку и складирование металла.

Как уже было отмечено, основными технологическими операциями в про-катных цехах являются подготовка металла к прокатке, нагрев металла перед прокаткой, собственно прокатка, охлаждение проката, отделка готовой продукции.

Подготовка исходных материалов (слитков и заготовок) к прокатке сос-тоит в удалении с них различных поверхностных дефектов: плен, волосо­вин, трещин, закатов, царапин и некоторых других. Эта операция особенно важна при прокатке качественной углеродистой и легированной стали, идущей на из-го­товление ответственных деталей машин в различных отраслях промыш-ленности. В этом случае затраты на подготовку материалов окупаются увели-чением вы­хода годного и получением надлежащего качества готовой про-дукции.

Необходимость удаления поверхностных дефектов на металле вызывается тем обстоятельством, что они, как правило, не устраняются в процессе про-катки, а переходят на готовый прокат.

Большую часть поверхностных дефектов металла удаляют путем зачистки. Наиболее экономичным способом удаления поверхностных дефектов является огневая зачистка. Ее применяют для снятия как местных дефектов, так и все-го поверхностного слоя. В процессе такой зачистки слой ме­талла сжигается и удаляется с поверхности кислородной струей. Большое значение для улуч-шения качества зачистки имеет степень чистоты кислорода.

а б

а – производство проката из слитка, б – производство проката из непрерывнолитой заготовки

Рисунок 26 – Последовательность операций в технологических схемах

производства проката

Огневую зачистку осуществляют вручную и специальными машинами. Как правило, при ручной огневой зачистке удаляются определенные дефекты поверх­ности слитков и заготовок. В этом случае резак подводят к дефекту и в течение нескольких секунд подогревают металл до 950 – 1000 °С. Резак уста-навливают под углом 75 – 80° к поверхности заготовки. После достижения тем-пературы вос­пламенения металла увеличивают количество впускаемого в ре-зак кислорода, который сжигает и удаляет слой металла, при этом наклон ре-зака к поверхности заготовки уменьшают до 25 – 30°.

В настоящее время огневой зачистке подвергают стали почти всех видов. Легко поддаются огневой зачистке все углеродистые и низколегированные ста-ли. При огневой зачистке нержавеющих, жаропрочных и других сталей с боль-шим содержанием хрома применяют специальные флюсы и обмазки, облег-чающие зажигание и получение легкоплавкого шлака.

Широкое распространение получили машины огневой зачистки, устанавли­ваемые в технологическом потоке на линии рольганга между блюмингом или слябингом и ножницами.

При машинной огневой зачистке удаление поверхностных дефектов осу­ществляется сплошным сжиганием поверхностного слоя с двух или четырех сторон раската.

Сплошную механизированную огневую зачистку применяют также на складе заготовок. При этом металл зачищают в холодном или подогретом сос-тоянии ком­бинированными агрегатами, которые совмещают осмотр и зачистку заготовок.

К другим способам удаления поверхностных дефектов с заготовок и слитков относят вырубку (зачистку) пневматическими молотками и абразив-ную зачистку.

Вырубка поверхностных дефектов пневматическими молотками – опе-рация малопроизводительная (особенно при обработке легированной стали) и вредная для здоровья рабочих. Этот способ является наиболее трудоемким в прокатном производстве и не соответствует современным масштабам про-изводства. Его применяют преимущественно в качестве дополнительной от-делочной операции при зачистке другими способами.

Широкое распространение в прокатных цехах получила абразивная зачистка кругами для сплошного и выборочного удаления поверхностных де-фектов. Для абразивной зачистки применяют подвесные стационарные и пе-реносные специальные станки. Используемые для зачистки металла абразивные круги различаются по шлифующему материалу (карборундовые, электроко-рундовые), связке (керамическая, бакелитовая), размеру зерна, твердости, про-филю. Применение того или иного абразивного круга определяется свойствами зачищаемого металла. Абразивную зачистку применяют в основном при произ-водстве легированных сталей, ибо только в этом случае становится эконо-мически целесообразным применение данного способа.

Нагрев исходных материалов перед прокаткой осуществляется с целью повышения его пластичности и уменьшения сопротивления деформации. Наг-рев является одной из важных и основных операций в процессе прокатки. Он должен обеспечить равномерное распределение температуры по сечению прокатываемого металла, его минимальное окисление и обезуглероживание, повышение механических свойств, уменьшение чувствительности стали к фло-кенам и т.д.

Продолжительность нагрева определяется физико-химическими свойства-ми нагреваемой стали, температурными условиями, зависящими от конструк-ции печи, расположения металла в печи, формы и размеров нагреваемых заготовок.

Правильно выбранный режим и температурные интервалы нагрева поз-воляют получить однофазную структуру. Благодаря диффузии происходит пе-рераспределение примесей и выравнивание состава металла (гомогенизация).

При нагреве исходных материалов в нагревательных устройствах всегда происходит окисление металла – процесс химического взаимодействия окисли­тельных печных газов с железом, примесями и легирующими компонен-тами с образованием на поверхности слитка или заготовки окалины. Наруж-ный, са­мый тонкий слой окалины состоит из Fe₂O₃ (гематита), средний – из Fe₃O₄, (магнетита) и внутренний – самый толстый слой – из FeO (вюсти-та).

Образование окалины при нагреве является источником потерь годного металла. Угар металла при нормальной работе нагревательных устройств сос-тав­ляет 1 – 2 % от массы нагреваемого металла. Если учесть, что металл при про­катке от слитка до готового продукта нагревают несколько раз, то можно при­нять угар в среднем 3 – 4 % от массы нагреваемого металла. Кроме того, ока­лина при прокатке вдавливается в металл, что ухудшает качество поверх-ности, ускоряет износ валков, а также способствует образованию брака в ре-зультате вскрытия подкорковых пузырей. В связи с этим возникает необ-ходимость удале­ния окалины с поверхности прокатываемой полосы. При горя-чей прокатке ли­стовой стали на станах устанавливают специальные клети – окалиноломатели – для дробления окалины, которая затем сбивается водой высокого дав­ления (гидросбив). Окалину с поверхности горячекатаных руло-нов перед хо­лодной прокаткой удаляют травлением их в растворе кислоты, чтобы окалина не вдавливалась при холодной прокатке и для уменьшения износа валков и обес­печения чистой поверхности листовой стали.

На образование окалины влияет температура нагрева, продолжительность пребывания металла при высоких температурах, скорость нагрева и печ-ная атмосфера.

Наряду с окислением металла происходит обезуглероживание поверх-ностного слоя, представляющее процесс взаимодействия печных газов с угле-родом стали, приводящее к уменьшению содержания углерода в поверхностном слое металла. Обезуглероживание зависит от тех же факторов, что и окали-нообразование.

Повышение температуры металла при его нагреве, как правило, бла-гоприятно влияет на процесс прокатки. Однако при нагреве выше определенной для данной стали температуры происходит рост зерна, который ведет к ослаб-лению связи между ними и тем самым к ухуддшению механических свойств стали. Такое явление называетмся перегревом. В ряде случаев свойства пере-гретой стали можно улучшить, подвергнув ее термической обработке. Сильный перегрев исправить нельзя, так как зерна сильно перегретой стали теряют спо-собность к рекристаллизации и при нагреве остаются неизменными.

При температурах, близких к точке плавления стали, внутрь ее проникает

кислород, который окисляет зерна. В результате связь между зернами стали настолько ослабляется, что металл при прокатке разрушается. Это явление на-зывается пережогом.

Явления перегрева и пережога чаще всего возможны при вынужденной задержке металла в печи. В этом случае понижают температуру в печи и умень-шают количество подаваемого воздуха.

Для нагрева применяют нагревательные устройства различных кон-струкций: нагревательные колодцы, методические, камерные, туннельные, кол-паковые печи.

Важно, чтобы при нагреве исходного металла до заданной температуры был обеспечен равномерный нагрев его по всему сечению. Неравномерный наг-рев способствует образованию внутренних разрывов, увеличению износа про-катных валков и вызывает опасность поломки их и т.д. Нагретый металл, если он равномерно нагрет по всему сечению и длине, значительно легче дефор-мируется.

После прокатки на соответствующем типе стана до заданного профиля одним из основных заключительных процессов является охлаждение проката.

Необходимость охлаждения проката вызвана предохранени­ем его от об-разования поверхностных и внутренних трещин, остаточных напряжений и по-лучением нужной структуры и фи­зико-механических свойств металла.

Из-за неравномерной потери тепла по поперечному сече­нию проката

при его охлаждении и происходящих в нем структурных превращений в нем возникают напряжения. В на­чальный период охлаждения поверхностные слои испытывают напряжения растяжения, а внутренние – напряжения сжатия. В последующие периоды охлаждения, наоборот, поверхностные слои – напря-жения сжатия, внутренние – растяжения. Эти тепловые напряжения наклады-ваются на напряжения, возника­ющие по другим причинам, и в результате величина их мо­жет достичь значений, превышающих прочность металла. В металле образуются внешние или внутренние микро- или макротрещины, ко-торые служат причиной появления более глубоких трещин или даже пол-ного разрушения.

В зависимости от состава, скорости падения температуры металла при его охлаждении, склонности к образованию пороков, связанных с охлажде-нием, применяются различные способы охлаждения: обычное, замедленное, ускоренное и быстрое.

Обычное охлаждение металла осуществляется на воздухе, на стелла-жах, на холодильниках. Такому охлаждению подвергают стали, не склонные к образованию трещин и флокенов. При обычном охлаждении металл дол-жен терять температуру как можно быстрее.

Замедленное охлаждение применяется для уменьшения тем­пературного перепада по сечению готового проката и обес­печения более полного проте-кания процесса рекристаллизации с целью снижения величины остаточных термических и структурных напряжений и предотвращения образования фло-кенов и трещин. Охлаждение осуществляют в проходных отапливаемых пе-чах, отапливаемых и неотапливаемых колодцах.

Ускоренное охлаждение характеризуется очень высокими скоростями охлаждения, достигающими 300 – 400 °С/с, и может применяться только к ста-лям, не чувствительным к образова­нию дефектов при любых скоростях ох-лаждения. По своей сути этот способ является закалкой стали с прокатного нагрева. Полнота закалки регулируется продолжительностью вы­держки в воде или ее давлением и температурой воды. Целью ускоренного охлаждения явля-ется получение мелкозернистого строения стали; предотвращение обра-зования карбидной сет­ки при прокатке высокоуглеродистой и подшипни-ковой стали; повышение физико-механических характеристик прокатанного металла; получение чистой от окалины поверхности проката; сокращение про-изводственных площадей и снижение себесто­имости проката.Ускоренное охлаждение используется для листового про­ката и катанки перед сматыва-нием в рулоны и бунты.

Быстрый (термоупрочняющий) режим охлаждения обеспечи­вает закалку с последующим режимом самоотпуска с прокат­ного нагрева. С этой целью применяют регулируемые системы быстрого охлаждения водой. При охлажде-нии металла могут образовываться наружные и внутренние трещины (флоке-ны). Наружные трещины образуются в результате возникновения остаточных напряжений при прокатке и охлаждении.

Отделка проката является заключительной технологической операцией процесса прокатки, позволяющей получить прокат с требуемыми ГОСТом и ТУ механическими и другими служеб­ными свойствами и придать ему товар-ный вид. К отделочным операциям относятся термическая обработка, очистка поверхности от окалины, порезка и правка, сплошная и выборочная зачистка поверхностных дефектов, контроль качества металла, маркировка, упаковка и т.д.

Важную отделочную операцию сортовой стали представляет собой термическая обработка. Наиболее распространенными способами термичес-кой обработки являются различные виды отжига – полный, неполный, изотермический, рекристаллизационный, сфероидизирующий, диффузионный, а также нормализация, закалка и отпуск.

Очистка поверхности проката осуществляется травлением его в раст-ворах серной и соляной кислот. В процессе травления часть окалины растворя-ется, а часть отслаивается. Прокат после травления промывают в чистой воде и нейтрализуют в щелочной ванне. Окалину удаляют также путем дробеметной очистки и иглофрезерованием.

Резку осуществляют для порезки металла на заданные длины. Разрезка пилами применяется для относительно крупных заготовок. Заготовка характе-ризуется высокой точностью по длине, хорошим качеством среза, перпендику-лярностью торца к оси. Основными недостатками являются низкая производи-тельность и значительные потери металла на рез.

Разрезка на эксцентриковых пресс-ножницах применяется для стального проката круглого или квадратного сечения до 300 мм. Является наиболее про-изводительным и дешевым процессом разделки проката на заготовки. Основ-ными недостатками являются косой рез и смятие концов заготовки.

Листовой прокат разрезают на гильотинных ножницах.

Правку металла используют как с целью придания прокату товарного

вида, так и с целью осуществления необходимых отделочных операций (свет-ление, абразивная зачистка, снятие заусенцев).

Иногда правку выполняют в горячем состоянии, например, при произ-

водстве толстых листов. Но обычно – в холодном состоянии, так как после-дующее охлаждение после горячей правки может вызвать дополнительное из-менение формы.

Процесс правки заключается в однократном или многократном плас-тическом изгибе искривленных участков полосы, каждый раз в обратном нап-равлении.

Правку можно выполнять и растяжением полосы, если напряжения растя-жения будут превышать предел текучести материала.

Роликоправильные машины с параллельно расположенными роликами предназначены для правки листа и сортового проката (рисунок 27).

Рисунок 27 – Схема правки проката на роликоправильных машинах с параллельно расположенными роликами

 

Процесс правки заключается в прохождении полосы между двумя рядами последовательно расположенных роликов, установленных в шахматном поряд-ке таким образом, что при движении полосы, ее искривление устраняется.

Правильные машины с косорасположенными гиперболоидальными роли-ками предназначены для правки труб и круглых прутков (рисунок 28).

 Ролики выполняют в виде однополостного гиперболоида и располагают под некоторым углом друг к другу. Выправляемый металл, кроме поступа-тельного движения, совершает вращательное, что вызывает многократные пере-гибы полосы роликами и обеспечивает осесимметричную правку.

Рисунок 28 – Схема правки проката на машинах с косорасположенными гиперболоидальными роликами

Растяжные правильные машины используют для правки тонких листов (менее 0,3 мм), трудно поддающихся правке на роликоправильных машинах.

Различают сплошную и выборочную зачистку поверхности проката. Сплошную зачистку применяют в случае значитель­ной пораженности де-фектами проката; выборочную – при на­личии на поверхности проката или еди-ничных дефектов, или небольших дефектных участков. Зачистка по­верхности проката осуществляется методами, которые рас­сматривались выше.

Пакетирование и увязка проката являются окончательной операцией

3