3.2. Схеми технологічного процесу прокатки
Залежно від вихідного матеріалу на металургійних заводах застосовують дві схеми виробництва прокату (рис.3.2.1.). При використанні як вихідний матеріал зливків 1 в технологічній схемі передбачається ділянка нагрівальних колодязів і обтискового стану — блюмінга або слябінгу 2, 3.
При використанні як вихідний матеріал блюмів або слябів технологічний процес починається із станів заготівок — безперервного стану заготівки 4 при сортовій прокатці або широкосмугового стану гарячої прокатки 5 при листовій прокатці. Подальші технологічні операції здобуття прокату однакові для обох схем. При виробництві сортового прокату заготівка поступає до великосортних і средньосортних 9 станів, дрібносортних, дротяних 6 і штріпсових 7 станів.
Рис. 3.2.1. Технологічні схеми виробництва прокату
Безпосередньо з блюмів виробляється прокатка на рельсобалочних і великосортних станах 8. При листовому виробництві заготівка поступає на стани одно- і багатоклітьової холодної прокатки 10. На товстолистових станах як вихідний матеріал використовують зливки та сляби.
Після виходу з кліті напівпродукт в технологічному потоці всього металу проходить суцільне зачищення поверхні в машинах вогневого зачищення (МВЗ) в цілях видалення поверхневих дефектів. Використання машин вогневого зачищення підвищує якість готового прокату і дозволяє скоротити чисельність робітників по зачищенню металу. За машиною вогневого зачищення здійснюється обрізь переднього і заднього кінців розкату і різання їх на мірні довжини на ножицях (з нижнім різом). Величина обрізі залежно від марки сталі та умов кристалізації з боку усадкової раковини зазвичай складає 12—14% від маси розкату, з донної частини 2-3%.
Далі отриманий напівпродукт великих перетинів може відразу в потоці прокатуватися на безперервних станах заготівок, розташованих безпосередньо за блюмінгом; може передаватися з високою температурою до печей рельсобалочних і великосортних станів. За відсутності машин вогнево зачищення гарячого металу в потоці блюмінгів напівпродукт зазвичай переміщається на проміжний склад для охолоджування і зачищення, але і в цих випадках частина напівпродукту, коли це можливо по технологічним і організаційним умовам, потрапляє в нагрівальні печі великосортних станів з високою температурою. Також і при прокатці слябів. Якщо якість поверхні напівпродукту висока (на слябінгу встановлена МВЗ), зачищені сляби в гарячому стані відразу ж подають до нагрівальних печей листового стану. За відсутності МВЗ за слябінгом або при поганій якості поверхні сляби охолоджуються і проходят необхідне зачищення.
3.4. Нагрівання металу перед прокаткою
Метал нагрівається в печах для поліпшення його пластичних властивостей перед обробкою тиском — прокаткою, куванням або штампуванням, а також при термічній обробці. Від правильного режиму нагріву металу залежить якість отримуваних з нього виробів: їх структура, зовнішній вигляд і механічні властивості. Тепло, сприймане поверхнею металу, що нагрівається, передається від зовнішніх шарів до внутрішніх за рахунок теплопровідності. При дуже швидкому нагріві тепло не встигає поширитися з поверхні всередину металу. У зв'язку з цим виникає велика різниця в температурах зовнішніх і внутрішніх шарів, і температурне розширення внутрішніх шарів відстає від розширення зовнішніх шарів. Тому між зовнішніми і внутрішніми шарами створюється так звана температурні напруги. Вони тим більше, чим більше різниця температур в різних частинах металу, що нагрівається. При великій різниці температур ця напруга зростає до такої величини, що в металі можуть з'явитися тріщини. Тому метал необхідно нагрівати рівномірно з певною швидкістю. Особливо це відноситься до інтервалу температур до 750—800° С. По досягненні температур порядку 800° С сталь набуває достатні пластичні властивості і її можна нагрівати з будь-якою швидкістю, не опасаючись утворення тріщин.
Швидкість нагріву задається зазвичай технологами в хвилинах на 1 см товщини заготівки або злитка. Для звичайних сталей вона лежить в межах 5— 9 м/сек. З більшою швидкістю можна нагрівати сталь завтовшки до 50—80 мм і заготовки з маловуглецевої сталі, в яких при швидкому нагріві великої напруги не виникає, по-перше, у зв'язку з невеликою товщиною, і, по-друге, завдяки великій теплопровідності. Для якісного нагріву сталі має значення також і температура нагріву. При нагріві більше певної температури зерна сталі починають швидко зростати, що може знизити її якість. Окрім цього при сильному перегріві сталь стає не лише грубозернистою, але і значно зневуглецьовується. При обробці така грубозерниста зневуглецьована сталь дає тріщини, а при сильному перегріві (перепалі) може навіть розвалитися на шматки. Тому кожен сорт сталі слід нагрівати не лише з певною швидкістю, але і до певної температури.
У продуктах горіння міститься вільний кисень, водяні пари і вуглекислота, які при високій температурі, з'єднуючись із залізом, окислюють його і на поверхні металу, що нагрівається, з'являється шар окисленого заліза — окалина, яка при подальшій обробці заготівки відпадає, що веде до втрати металу — угару. Товщина шару окалини залежить від тривалості перебування металу в зонах печі з високими температурами. Окислення починається при температурі 600— 700° С, проте значних величин досягає при вищих температурах порядку 900—1000° С. Тому чим довше метал знаходиться при температурах вище 900—1000° С, тим більше буде його угар, а отже, і втрата.
Рис.3.4.1. Вміст окалини
Окалина складається з оксидів заліза у вигляді з'єднань Fe203, Fe304 і FеO, розташованих в трьох шарах. Зовнішній її шар Fe203 - гематит складає приблизно 2% від загальної товщини окалини, проміжний шар Fe304 - магнетит приблизно 18%, а внутрішній FеO - вюстіт - 80%.
Утворення окалини при нагріві приводить до втрати придатного металу. При нормальній роботі нагрівальних пристроїв угар металу складає 1-2% мас металу, а при незадовільній їх роботі 4-5%. Якщо врахувати, що в процесі прокатки метал нагрівається кілька разів, то можна прийняти угар в середньому 3-4% від маси металу. Активне окалиноутворення при нагріві сталі починається при температурі близько 700 °С і зростає особливо швидко при температурах вище 900 °С. На величину угару, тобто на величину утворення окалини, впливають:
- температура нагріву;
- атмосфера робочого простору нагрівального пристрою;
- тривалість нагріву;
- хімічний склад металу;- форма і розміри заготівки, що нагрівається.
Окрім втрати металу окалина погіршує вигляд зовнішньої поверхні виробів — після видалення окалини поверхня виходить не гладкою, а шорсткою. При нагріві сталі відбувається також зневуглецювання поверхневого шару зливків або заготовок, оскільки вуглець, що міститься в сталі, з'єднується з киснем продуктів горіння і вигоряє. Зневуглецювання знижує якість металу. Як на окислення, так і на зневуглецювання металу робить великий вплив склад продуктів горіння — атмосфера в печі. Для зменшення втрат металу з угаром і здобуття виробів з гладкою, неокисленою поверхнею застосовують спеціальні печі, в яких створюється нейтральна атмосфера, або печі безокислювального нагріву.
Підвищення температури металу при його нагріві, як правило, сприятливо впливає на процес прокатки. Проте при нагріві вище визначеної для даної сталі температури відбувається зростання зерна, яке веде до послаблення зв'язку між ними і тим самим до погіршення механічних властивостей сталі. Що призводить до утворення на металі тріщин і рванин. Таке явище називається перегрівом. Інколи властивості перегрітої сталі можна поліпшити, піддавши її термічній обробці. Сильний перегрів виправити не можна. При температурах нагріву, близьких до точки плавлення сталі, всередину її проникає кисень, який окислює зерна. В результаті зв'язок між зернами сталі настільки послабляється, що метал при прокатці руйнується. Це явище називається перепалом. Воно відбувається легше тоді, коли температура нагріву вища, а також коли більша окислювальна атмосфера в печі. Явища перегріву і перепалу частіше всього можливі при вимушеній затримці металу в печі. Щоб уникнути перегріву і перепалу необхідно знижувати температуру печі і зменшувати кількість повітря, що подається.
При призначенні режимів нагріву металу зазвичай враховують наступні параметри: температуру і швидкості нагріву, час витримки при постійній температурі (томління). При прокатці метал нагрівають до можливо високих температур, оскільки в цьому випадку знижуються витрата енергії, зусилля деформації, зношення інструменту. При призначенні температури нагріву, як правило, верхня межа температури нагріву обмежується явищами перегріву і перепалу і встановлюється на 100-150 °С нижче за точку плавлення, а нижня межа - температурою рекристалізації, тобто мінімально допустимою температурою кінця прокатки. В деяких сталях і сплавах температурний інтервал прокатки достатньо вузький, обмежений різними змінами в структурі металу.
Швидкість нагріву залежить від теплопровідності металу. Чим вище теплопровідність, тим вище швидкість нагріву, і навпаки. Для сталей з низькою теплопровідністю нагрівання з дуже великими швидкостями може призвести до утворення тріщин в результаті виникнення внутрішньої напруги із-за перепаду температур між поверхнями і внутрішніми шарами. Тому нагрівання таких сталей слід вести повільно, особливо до 600-650 °С. При температурі нагріву вище 700 °С всі сталі можна нагрівати з максимально можливою швидкістю. Велика швидкість нагрівання забеспечує не лише високу продуктивність нагрівальних пристроїв, але і запобігає утворенню деяких дефектів. Після досягнення заданої температури нагріву з метою вирівнювання температури металу по його перетину, його протягом певного часу витримують в печі. Цей третій період нагріву покращує якість металу, що нагрівається, оскільки відбуваються деякі структурні зміни, вирівнювання хімічного складу в результаті дифузії і відповідне поліпшення механічних властивостей, дифузійне видалення водню, наявність якого в деяких сталях приводить до утворення флокенів після прокатки.