Лекции физические основы технологических процессов

1. Структура черновой группы стана с последовательным расположением клетей (стан-2000 НЛМК);

2. С полунепрерывной черновой группой (расположением клетей), когда несколько клетей объединены в подгруппу;

3. Использование реверсивных клетей (стан 2800, 1700 Череповца имеет 2 черновых реверсивных клети);

На новом этапе развития техники появилась возможность создания мобильных реверсивных клетей.

Чем меньше маховые массы, тем быстрее можно замедлить двигатель и начать крутить в другую сторону. (На современных станах замедление достигается за 3-3,5 ??). Эти станы обеспечивают производительность объемом производства 5-6 млн. тонн.

Динамическая рекристаллизация – процесс, который протекает во время деформации.

(черновая группа, т.к. t > 1100 ^oC (обжатия больше, время между деф-ми больше)).

При прокатке в чистовой группе существенно меняется время между деф-ми, что отражается на физике процесса. Долгое время указывалось, что при критических обжатиях нельзя прокатывать в чистовой группе, что сказывалось на распределении обжатий для чистовой группы (рост усилия прокатки в последних клетях, ухудшение условий формирования геометрии, снижение устойчивости процесса). Поэтому много исследований посвятили влиянию деформаций в чистовой группе клетей.

Братусь С. А. провел исследования (сталь 08КП) на стане-2500 и установил что:

существуют деформации, которые приводят к разнозернистости, однако анализ данных его экспериментов показал, что при исследовании изменилась не только t_кп, но и t_cм. Сталь 08КП склонна к росту зерна и при повышении t_cм в рулоне происходят структурные превращения.

При производстве холоднокатаной стали с использованием АНО (агрегат непрерывного отжига), когда t_cм должна быть выше 710^о возможно образование разнозернистости, т.е. образование так называемой «апельсиновой корки»

азот не связывает алюминий, и нитрид алюминия выпадает по границам зерен.

Исследования указывают на то что «апельсиновая корка» связана с содержанием алюминия. Сталь 08Ю по ГОСТ содержит Al 0,02-0,07%.

~ ~

На стане-2000: При прокатке толстых полос h=10 мм и скорости в последней клети V=2,5 м/с и расстоянии между клетями 6 м; полоса проходит межклетьевой промежуток за ≈ 3 с. При прокатке тонких h=1,5 мм; V = 12 м/с полоса проскакивает за ≈ 0,5 с.

~ ~
Андренюк исследовал процессы разупрочнения (при помощи пластометра).

При большом времени на кристаллизацию происходит разупрочнение.

При малом рекр. не заверш. и произойдет наклеп.

Железнов обработал данные Андренюка и получил следующее уравнение:

;

- время междеформационной паузы

наклёп при = 0.

остаточный наклеп через время при данной t.

Исследования Палухина показали, что при t-рах 910-920 ^оС и времени ≥ 1,2 сек происходит полное разупрочнение. При t-рах 850 ^оС и < 0,6-0,7 сек деформацию можно рассматривать как непрерывную, т.е. происходит «суммирование деформаций» и => снимается ограничение по критическому обжатию, т.е. при прокатке тонких/тончейших полос обжатие

;

L – расстояние между клетями;

V – скорость;

Данная диаграмма разбита на 3 области (А, Б , С):

А – при пониженных скоростях прокатки. Необходимо учитывать величину деформации ( ) в последних клетях стана (характерно для толстых полос). Б – при высоких скоростях происходит суммирование деформаций (тонкие полосы).

На стане 2000 был проведен эксперимент: при прокатке полосы 2 мм из стали 3СП после захвата полосы моталкой уменьшили обжатие в последней клети путем увеличения зазора между валками и вывели 12 клеть из работы. Таким образом, изменили обжатие с 19% до 0%. Исследование структуры полосы показало, что обжатие в последней клети при высоких скоростях нужно рассматривать как критическое, т.к. деформации суммируются.

«Влияние температурных условий на формирование структуры и свойств»

Известна диаграмма парных значений температур конца прокатки и смотки. Диаграмма была получена в лабораторных условиях. Не для нормальных прокатчиков.

Области:

I – Благоприятная структура, которая обеспечивает необходимое сочетание свойств. Конец прокатки выше 850 и смотка до 680.

II – формирование разнозернистой структуры.

III – не рекристаллизованное зерно.

IV – крупные зерна.

V – очень крупные зерна на поверхности, а внутри мелкие.

VI – очень крупные зерна по всему объему.

t-ра 680 ^oC – предельная температура смотки, уровень температуры смотки зависит от массы рулона.

Исследования, выполненные при прокатке полос из низкоуглеродистой стали на стане 2000 позволили установить следующие зависимости:

;

;

Как правило, в ГОСТ указывается что:

;

;

;

Для того чтобы выбрать необходимый режим t_см и t_кп для обеспечения мех. свойств при изменении хим. состава стали в пределах ГОСТ поступили след. образом:

(изменять содержание Si и C)

При прокатке тонких полос достаточно сложно получить температуру 850^oC.

Термокинетическая диаграмма:

W₁,W₂ – скорости охлаждения.

Т.к. на стане прокатывают полосы различной толщины (1,2-16 мм), то в зависимости от толщины будет определенное охлаждение полосы. И чем выше скорость охлаждения, тем ниже температура α-превращения. Об этом и говорит термокинетическая диаграмма.

;

«Стабилизация свойств по длине полосы»

При прокатке на широкополосных станах I^го поколения ( = Const) наблюдался температурный клин по t_кп и ограничение массы слябов определялось величиной температурного клина, чтобы обеспечит свойства в рамках ГОСТ.

В связи с развитием станов ((II^го, III^го поколения), когда прокатку начали вести с ускорением и масса слябов увеличилась), было принято что для стабилизации свойств необходимо иметь постоянную t_{кп и} t_см.

На стане 2000 НЛМК установлено, что нестабильность свойств зависит от целого ряда факторов таких как:

· Масса рулона

· Распределение температуры смотки по длине

· Уровень температуры смотки

· Условие прокатки в чистовой группе

· Режим охлаждения

При большой массе рулона время охлаждения составляет несколько суток, поэтому в самом плотно смотанном рулоне могут происходить фазовые и структурные изменения. Поэтому уровень t_см = 680 ^oC приводит к неравномерности свойств по длине. При этом в средних витках наблюдаются низкие значения предела текучести и временного сопротивления.

Поэтому t_см для большинства марок составляет 650-670 ^oC. При остывании рулона большой массы наблюдается неравномерность скорости охлаждения (конвективный теплообмен), поэтому для стабилизации свойств используют метод при котором концевые участки рулонов имеют более высокую t_см.

При прокатке с ускорением происходит изменение времени нахождения полосы в межклетьевых промежутках.

диаграмма рекристаллизации по осям t - .

По мере увеличения скорости t_кп должна возрастать.

При прокатке полос толщиной 1,5-2 мм стабилизация свойств будет при ускорении равном 0,05 м/с² , а структурная стабилизация при 0,8-0,1 м/с²(??), но при таких ускорениях наблюдается обратный температурный клин , т.е. прокатка с обратным температурным клином способствует стабилизации свойств полосы.

Как правило, при прокатке используется душирование, при этом указывается № первой включенной секции.

Прокатка с ускорением не решает всех проблем в вопросах стабилизации свойст.

Если t_см 640-650 ^oC, то структура по толщине будет однородна. Если увеличиваем t_см то структура будет крупнозернистой (680 и выше – слои (витки) обезуглероживаются).

«Стабилизация свойств во времени или деформационное старение стали»

В XIX веке было замечено, что свойства проката изменяются с течением времени. Впервые на это обратили внимание Баушингер (1881 г.) и Чернов (1898 г.). Но объяснить причину долгое время не могли. И только благодаря успехам физического металловедения (появл-ие электр. микроскопа) удалось установить причины деформационного старения.

Основными причинами являются:

1) Наличие в твердом растворе примесных атомов внедрения,

в количестве > 2x10⁴ по массе;

2) Наличие _________ дислокаций внесенных тем или иным способом.

Основными элементами внедрения атомов являются N и С (для уменьшения азота используют вакуумирование).

Правѝльные ролики устраняют кривизну полосы. После правки полосы возможно старение.

«В первом случае ролики настраиваются таким образом, что прямолинейные участки изгибаются только в области упругих деформаций. Очевидно, что при этом оси нижних и верхних роликов должны лежать в горизонтальных плоскостях, параллельных друг другу. Во втором случае прямолинейные участки полосы пластически деформируются, т. е. образуется остаточная кривизна»
При старении происходит увеличение прочностных характеристик, что связано с тем что упругие напряжения препятствуют продвижению дислокаций, а упругие напряжения связаны с тем что решетка перестраивается в тетрагональную.

Для определения склонности Ме к деформационному старению можно использовать обратный крутильный маятник, с помощью которого

;

A₁, A₂ – величина крутильного маятника при n колебаниях.

– изменение амплитуды маятника при n колебаниях.

Q^-1 – внутр. трение.

Чем > величина внутр. трения тем больше примесных атомов находится в объеме.

1 - пластические

2 – прочностные

Для того чтобы исключить деформационное старение идут несколькими путями:

1) Легирование Al (связывает N);

2) Осуществить перестаривание, затем нормализационный отжиг;

t₂ > t₁

Сталь 08Ю считается не стареющей только при отжиге в колпаковых печах, т.к. охлаждения рулонов осуществляется за несколько суток, т.е. скорость охлаждения там мала.
Обратный крутильный маятник:

смотрят изменение амплитуды

«Структурные и фазовые превращения при ускоренном охлаждении»

Рис. xx.Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали.

На диаграмме можно выделить следующие области: 1) область устойчивого аустенита (для стали, содержащей 0,8 % С, выше А_С1); 2) область переохлажденного аустенита;

3) область начавшегося, но еще не закончившегося превращения А => П; 4) область закончившегося превращения А => П; 5) область начавшегося, но еще не закончившегося мартенситного превращения (между М_н–M_к); 6) мартенситная область (ниже М_к).

~ ~

Если аустенит переохладить ниже температуры А₁, то процесс распада аустенита на феррит и цементит начнется не мгновенно, а через определенное время. Это время зависит от температуры и называется инкубационным периодом. В зависимости от температуры инкубационный период изменяется по кривой с максимумом. Этому есть следующее объяснение. Чем при более низкой температуре протекает распад аустенита, тем энергетически он более выгоден, и, следовательно, скорость процесса должна увеличиться. Однако, с понижением температуры уменьшается скорость диффузии, что замедляет процесс распада. Наличием этих двух противоположно влияющих на скорость распада аустенита факторов (энергетического и диффузионного) и объясняется характер изменения инкубационного периода от температуры. Чем при более низкой температуре протекает распад аустенита, тем энергетически он более выгоден, и, следовательно, скорость процесса должна увеличиться. Однако, с понижением температуры уменьшается скорость диффузии, что замедляет процесс распада. Наличием этих двух противоположно влияющих на скорость распада аустенита факторов (энергетического и диффузионного) и объясняется характер изменения инкубационного периода от температуры.

~ ~

Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума (для эвтектоидной стали около 550 °С), и далее вновь возрастает. Если инкубационный период равен нулю - закалить нельзя.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения:

- перлитную (переохлаждение до 500 °С),

- мартенситную (переохлаждение ниже М_н — для эвтектоидной стали ниже температуры 240 °С)

- промежуточного (бейнитного) превращения (переохлаждение для эвтектоидной стали в интервале от 500 до 240 °С).

Перлитное превращение протекает при отжиге стали. Мартенситное – при закалке. Бейнитное – при изотермической закалке.

Мартенситное превращение.

Протекает при температурах (М_Н – М_К) и скорости охлаждения выше критической. Если скорость охлаждения аустенита настолько велика, что даже мельчайшие частицы цементита не успевают выделяться, получается принципиально новый тип структуры - мартенсит. В этом случае происходит только перестройка решетки ГЦК в решетку ОЦК. Весь углерод остается в решетке aFe и искажает ее. Решетка становится не кубической, а тетрогональной. Степень искаженности решетки мартенсита зависит от содержания в ней углерода. Чем больше углерода, тем больше искажения решетки и выше твердость.

Верхняя критическая скорость закалки - такая минимальная скорость охлаждения, при которой полностью подавляется диффузия, и не выделяются феррит и цементит.

Мартенсит - пересыщенный, переохлажденный твердый раствор углерода в aFe.

Мартенситное превращение от других фазовых превращений отличается рядом особенностей.

1. Мартенсит имеет характерное игольчатое строение. Размер игл (кристаллов) определяется размером исходного аустенитного зерна (первые

иглы мартенсита проходят через все зерно). Поэтому, чем мельче исходное зерно аустенита, тем мельче кристаллы мартенсита и выше свойства.

2. Мартенсит образуется бездиффузионным путем за счет сдвига решеток. Игла мартенсита растет практически мгновенно со скоростью распространения звука в упругой среде (7000 м/сек). Состав исходной фазы (А) и конечной фазы (М) одинаков.

3. Образование мартенсита сопровождается некоторым увеличением объема, что приводит к возникновению значительных внутренних напряжений, которые могут привести к деформациям и трещинам.

4. Образование мартенсита происходит не при одной какой-то температуре, а в интервале температур (Мн – температура начала образования мартенсита, Мк - конец образования). На положение этого интервала сильно влияет состав стали и особенно содержание углерода. Повышение содержания углерода снижает Мн и Мк одновременно расширяя интервал. Все легирующие элементы, растворенные в аустените, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки М_н и М_к.

Наиболее важным является то, что в сталях с содержанием углерода более 0,6% конец образования мартенсита смещен ниже комнатной температуры (-70..-100). Поэтому при закалке таких сталей часть аустенита остается не превращенной. Такой аустенит называют остаточным аустенитом. Чтобы перевести А_ост в мартенсит, требуется охлаждение до низких температур, т.е. обработка холодом.

В заключение отметим, что мартенситное превращение происходит только тогда, когда высокотемпературная фаза быстро переохлаждена до низких температур, и, следовательно, это превращение диффузионным механизмом становится невозможно.

У мартенсита игольчатая микроструктура, высокая твердость и прочность, низкая пластичность.

Максимальная твердость 600 HB, предел прочности σ_B = 2500 МПа.

Другие процессы диффузионны , то есть атомы перемещаются с малой скоростью, например, при медленном охлаждении аустенита создаются зародыши кристаллов феррита и цементита, к ним в результате диффузии пристраиваются дополнительные атомы и, наконец, весь объём приобретает перлитную или феррито-перлитную структуру.

Перлитное превращение.

Перлитное превращение происходит при медленном охлаждении стали, на диаграмме изотермического превращения аустенита, перлитное превращение проходит в С-образной зоне, между фазой переохлажденного аустенита и фазой перлит + феррит. В ходе этого превращения, аустенит распадается на феррит и цементит, при этом происходят диффузионные процессы, которые зависят от скорости охлаждения, и бездиффузионные процессы, в ходе которых γ-железо провращается в α-железо.

Скорость охлаждения, как уже говорилось, влияет на структуру и свойства смеси

феррит + цементит. В результате можно получить 3 различные структуры:

1. Перлит — получается при очень медленном охлаждении, то есть операция отжига. При таком охлаждении из аустенита образуется небольшое число центров кристаллизации, и они сильно растут по мере охлаждения. В итоге образуется смесь крупных пластин цементита и феррита.

Твердость — 200HB, предел прочности — 600МПа, предел текучести — 300МПа.

2. Сорбит — получается при медленном охлаждении, обычно на воздухе. Образование центров кристаллизации идет интенсивнее, чем при получении перлита, соответственно получаются более мелкие зерна. Образуется смесь из более мелких пластин цементита и феррита.

Твердость — 300HB, предел прочности — 1000МПа, предел текучести — 500МПа.

3. Троостит — получается при более высокой скорости охлаждения, обычно в каком-либо растворе. Число центров кристаллизации получается более большим, чем в сорбите, соответственно меньше размер зерен. Образуется смесь из еще более мелких пластин цементита и феррита.

Твердость — 400HB, предел прочности — 1400МПа, предел текучести — 700МПа.

Таким образом, можно сделать вывод, что перлит, сорбит и троостит, образующиеся при распаде переохлажденного аустенита являются феррито-цементитными струткурами, имеющими пластинчатое строение и различающиеся лишь степенью дисперсности.

Промежуточное (бейнитное) превращение.

Бейнит - игольчатый троостит, структура стали состоящая из феррита претерпевшего мартенситное превращение, образующаяся в результате так называемого промежуточного превращения аустенита. Бейнит состоит из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа. Образование бейнита сопровождается появлением характерного микрорельефа на полированной поверхности шлифа.

Карбид в бейните не имеет пластинчатого строения, свойственного перлиту. Карбидные частицы в бейните очень дисперсны, их можно видеть только под электронным микроскопом.

Различают верхний и нижний бейниты, образующиеся соответственно в верхней и нижней частях промежуточного интервала температур (условная граница между ними 350 °С). Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний — игольчатое, мартенситоподобное строение.

Пластичность при переходе из перлитной области в бейнитную (верхний бейнит) падает, а затем с понижением температуры вновь возрастает (нижний бейнит). Снижение пластичности в области верхнего бейнита связано с выделением сравнительно грубых карбидов преимущественно по границам ферритных кристаллов. В нижнем же бейните частицы карбидов расположены внутри кристаллов a -фазы, и поэтому при высокой прочности в стали с верхним бейнитом сохраняется высокая вязкость.

Особенности бейнитного превращения:

Протекает в интервале температур, когда практически отсутствует самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов, но интенсивно может идти диффузия углерода.

Образование верхнего бейнита снижает пластичность стали, что связано с выделением карбидов по границам зерен. Изотермическая закалка на нижний бейнит обеспечивает высокий комплекс мех. свойств и конструктивную прочность.

Диаграмма изменения мех. свойств эвтектоидной стали

Производство судосталей.

Стабилизация свойств от плавки к плавке.

Тепловой режим прокатки

Прокатка. Суммарное обжатие при холодной прокатке.

I.

Такое распределение приводит к тому, что усилие по клетям одинаково, что важно для реверсивных станов. P = Const => прогиб валков одинаков.

; -прогиб, h-толщина полосы.

Чем толще полоса тем меньше должен быть прогиб, но если =Const => _____________

_____________________________________________________________________________

II.

Такое распределение более рационально; уменьшение обжатий в 1 клети приводит к устранению продольной разноталщинности подката; Вариант с равномерной загрузкой по мощности обеспечивает получение максимальной производительности стана, т.к. при этом распределении ни одна из клетей не становится огрнич. (??)

«Удаление окалины с поверхности горячекатанных полос»

Удаление окалины – необходимое условие для получения качественной полосы в листах. Окалина состоит из 3-х слоёв:

1) Гематит (Fe₂O₃) – верхний слой – начинает диссациировать при температуре выше 1560 ^оС. Диссоциирует от светло-серого до черного. На вид гематит блестящий и бархатистый. Толщина слоя 10% от общей толщины окалины.

2) Средний слой состоит из магнетита (Fe₃O₄). Устойчивый окисел железа, от комнантной температуры до 1588 ^оС. При нагреве в окислительной среде до 220 ^оС переходит в гематит, но при этом сохраняет решетку. Составляет 40% от общего слоя окалины.

3) Внутренний слой – вюстит (FeO).

IIIa – неустойчивый тв. раствор.

При охлаждении ниже 575 ^оС тв. раствор вюстита и магнетита распадается на магнетит и эвтектику. Окалина затрудняет дальнейшую ОМД.

Дефект поверхности холоднокатанных полос наследуемый от горячекатанного подката называется вкатанная окалина.

Процесс вкатывания окалины в поверхность металла при горячей деформации зависит от фазового состава окалины.

Вкатывание окалины в поверхность происходит в том случае когда твердость окалины выше твердости Ме, а прочность сцепления окалины с Ме зависит от состояния слоя который зависит от следующих факторов(??):

- влияние хим состава;

С увеличением содержания Si количество дефекта на поверхности уменьшается.

1-содержание кремния в стали

2-наличие вкатанной окалины на поверхности.

Влияние кремния обусловлено тем, что кремний является одним из элементов подавляющих окислние стали из-за образования оксидной пленки на поверхности подката.
Способы удаления окалины:

Механическое устранение окалины

Подготовка Ме к АНО.