Сборник задач по технологии горячей и холодной прокатки стали и сплавов
Протасов А.А.
Металлургия, 1972 г.
НАГРЕВ СТАЛИ И СПЛАВОВ
1. ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА
В общей цепи технологического процесса горячей обработки металла давлением нагрев металла считается одним из существенных звеньев. Правильный режим нагрева слитков или заготовок обеспечивает высокие технико-экономические показатели работы прокатного стана, а именно уменьшается расход металла, топлива, энергии на единицу годных изделий, повышается производительность труда и качество прокатных изделий, что в конечном итоге отражается на основном показателе работы прокатных цехов — себестоимости товарной продукции.
Критерии оптимальности нагрева стали и сплавов, включающие оптимизацию совместных технико-экономических показателей нагревательных печей и прокатного стана, рассмотрены С. А, Малым с применением математического аппарата вариационного исчисления и принципа максимума 111].
Теория нагрева стали и сплавов и причины образования всех видов брака, возникающие при неправильном режиме нагрева металла, подробно рассмотрены в работах [12, 14—16, 19—21].
Ниже приведены задачи и методика их решений в пределах требований производственной практики. К ним относятся определение таких технологических параметров, как температура нагрева стали, продолжительность, или время нагрева стали и напряжения в металле при нагреве.
Температуранагревастали
Температурный режим нагрева стали и сплавов перед горячей обработкой давлением (прокатка, ковка) зависит главным образом от свойств металла в литом (слиток) и деформированном (заготовка) состояниях.
При установлении температурного режима для заданного металла необходимо учитывать следующие данные: 1) химический состав и способ выплавки стали или сплава; 2) механические свойства металла при высоких температурах; 3) конструкцию нагревательной печи; 4) форму, размер и расположение нагреваемого тела в печи.
В производственных условиях задачи по определению температуры нагрева металла могут встречаться в различных вариантах, которые подробно рассмотрены в работах по технологии нагрева стали, перечисленных выше. Наиболее интересные задачи по нагреву металла, имеющие большое практическое значение, можно сформулировать в двух вариантах: а) для данного металла требуется определить максимально допустимую конечную температуру нагрева; б) при заданных температуре печи и времени пребывания металла в ней определить температуры поверхности и середины нагреваемого тела.
Теоретическое определение температуры нагрева металла перед прокаткой слитков или заготовки основывается на диаграммах состояния сплавов.
Для определения температуры нагрева металла углеродистых сталей пользуются классической диаграммой состояния сплава Fe—С (рис. 2). Имеются подобного рода диаграммы и для других сплавов 152—551.
Теоретическая температура нагрева сплава должна быть близкой к температуре линии солидуса, так как пластические свойства металла в пределах температурного интервала горячей обработки улучшаются с повышением температуры. Однако это справедливо не для всех сплавов.
Из производственной практики известно, что слишком высокая температура стали и сплавов с повышением пластичности вызывает ряд перечисленных ниже нежелательных явлений, ухудшающих прокатываемость металла и его качество [14].
1. Металл может получиться перегретым или пережженным, что приводит к снижению пластичности стали вследствие увеличения размера зерен. Кроме того, пережженная сталь с оплавленными границами зерен становится хрупкой и является браком.
2. Очень высокая температура нагрева способствует повышению температуры конца прокатки. В этом случае вследствие процесса рекристаллизации конечная продукция может получиться крупнозернистой, с пониженными механическими свойствами. В заэвтектоидных углеродистых сталях при высоких температурах конца прокатки по границам зерен образуется карбидная (цементитная) сетка, а в отдельных случаях очень грубая сетка, не поддающаяся устранению термической обработкой.
3. При высоких температурах стали возможен брак по обезуглероживанию стали, что особенно отражается на качестве инструментальных сталей, главным образом быстрорежущих.
4. Увеличиваются потери металла от угара.
При повышении содержания углерода в стали максимальная температура нагрева понижается: до 1350° С при 0,1% С, 1250—270°С при 0,2%С, 1200-1220°С при 0,4% Си 1180—1200° С при 0,6% С.
Для инструментально-углеродистой стали с содержанием угле .ода 0,8; 1,0 и 1,5% рекомендуем самостоятельно найти температуру нагрева металла, пользуясь диаграммой Fe- С.
При определении температуры конца нагрева стали в печи необходимо еще иметь в виду следующие соображения:
1) металл при выбранной температуре должен иметь однофазную структуру твердого раствора, так как многофазная структура характеризуется меньшей пластичностью, чем гомогенная или однофазная, в связи с различием механических свойств фаз при высоких температурах;
2) выбранная температура нагрева металла должна обеспечить, в известной степени, интенсификацию диффузионного процесса, т. е. самопроизвольное выравнивание концентрации химических элементов, карбидной ликвации и других вредных скоплений в сплаве.
Длительная выдержка при 1000—1150° С способствует удалению некоторого количества водорода из стали путем диффузии и тем самым снижает чувствительность ее к флокенам. Особенно это относится к таким флоксночувствительным сталям, как шарикоподшипниковая, конструкционная, хромоникелевая и др.
Температура нагрева металла также определяется его механическими свойствами при высоких температурах.
В заводской практике при определении температуры нагрева слитков и заготовок в момент выдачи их из печи пользуются функциональной зависимостью температуры от механических свойств сплава, принимая за критерий пластичности относительное удлинение; поперечное сужение; результаты испытаний на кручение (по числу оборотов испытуемого образца до его разрушения) и ударную вязкость.
Одновременно с этими испытаниями определяют прочность металла. Прочность металла характеризуется пределом прочности и твердостью. Способы механических испытаний металла при высоких температурах достаточно подробно рассмотрены в работах [12, 13] и др.
Результаты механических испытаний металла при высоких температурах представляют в виде графиков, по которым определяют интервал пластичности испытуемого металла и производят выбор температуры металла перед прокаткой и в конце ее. Один из таких графиков приведен на рис. 3.
Температуру нагрева слитков из углеродистых и легированных сталей перед прокаткой и температуру в конце прокатки можно определить по табл. 13.
Стали аустенитного класса обладают склонностью к быстрому наклепу, поэтому для них температуру конца прокатки принимают не ниже 850° С.