Расчет температурных условий при горячей прокатке (курсовой проект)

1. Литературный обзор

1. Горячая прокатка

Прокатка — один из самых распространённых видов обработки металлов давлением. Заключается в обжатии металла между двумя, реже тремя, вращающимися в разные стороны валками. Силами трения заготовка затягивается в зазор между валками и обжимается по высоте.

Г орячая прокатка ведется при температуре выше температуры рекристаллизации. При повышенной температуре металл снижает свою прочность, что дает возможность снижать усилия, которые необходимы для его пластического деформирования. Непосредственно в ходе деформирования металла происходит его рекристаллизация с постоянным образованием новых зерен. Постоянное образование новых зерен обеспечивает сохранение высокой пластичности металла. Это дает возможность достигать больших величин деформации без разрушения металла. Контроль конечных размеров при горячей обработке более труден из-за образования окалины и объемных изменений при последующем охлаждении [2].

1. Нагрев металла перед прокаткой

Нагрев металла перед прокаткой осуществляется с целью повышения его пластичности и уменьшения его сопротивления деформации. Нагрев 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.

Характер передачи тепла определяет способ нагрева металла. Различают два способа: прямой и косвенный. Если тепло аккумулируется непосредственно в самом металле, а температура окружающей среды остается ниже температуры металла, то такой способ называется прямым. Если тепло металлу передается за счет соприкосновения его поверхности с какой-либо средой (газообразной, жидкой, твердой), нагретой до более высокой температуры, то такой способ нагрева называется косвенным. Передача тепла металлу при косвенном нагреве происходит за счет конвекции и излучения. Количество тепла, передаваемое излучением в нагревательных печах, достигает 80 % всего тепла.

Повышение температуры металла при его нагреве, как правило, благоприятно влияет на процесс прокатки. Однако при нагреве выше определенной для данной стали температуры происходит рост зерна, который ведет к ослаблению связи между ними и тем самым к ухудшению механических свойств стали. Что приводит к образованию на металле трещин. Такое явление называется перегревом. Иногда свойства перегретой стали можно улучшить, подвергнув ее термической обработке. Сильный перегрев исправить нельзя.

При температурах нагрева, 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 называется пережогом. Оно происходит тем легче, чем выше температура нагрева и чем больше окислительная атмосфера в печи. Явления перегрева и пережога чаше всего возможны при вынужденной задержке металла в печи. Чтобы избежать перегрева и пережога необходимо понижать температуру печи и уменьшать количество подаваемого воздуха.

При назначении режимов нагрева металла обычно исходят из следующих параметров: температуры и скорости нагрева, времени выдержки при постоянной температуре (томления). При прокатке металл нагревают до возможно высоких температур, так как в этом случае снижаются расход энергии, усилие деформации, износ инструмента. При назначении температуры нагрева, как правило, верхний предел температуры нагрева ограничивается явлениями перегрева и пережога и устанавливается на 100- 150 °С ниже точки плавления, а нижний предел - температурой рекристаллизации, т.е. минимально допустимой температурой конца прокатки. У некоторых сталей и сплавов температурный интервал прокатки достаточно узкий, ограниченный различными изменениями в структуре металла.

1. Температура нагрева стали

При прокатке металла, имеющего температуру выше температуры рекристаллизации, ослабляются причины, вызывающие упрочнение — искажение кристаллической решетки, остаточные напряжения. Сопротивление металла деформации в процессе прокатки остается на исходном уровне, не снижается пластичность. Чем выше температура нагрева металла под прокатку, тем меньше деформирующее усилие и выше пластичность. Однако чрезмерно повышать температуру нагрева не рекомендуется.

Температура нагрева заготовок из стали различного химического состава разная. Для углеродистых сталей максимальная температура нагрева должна быть на 100—150 °С ниже линии солидуса диаграммы Fe — С. Чем выше содержание углерода, тем ниже температура нагрева стали. Температура нагрева стали с содержанием углерода <0,45% равна 1200°С; инструментальная сталь с содержанием углерода до 1,0 % нагревается под прокатку до ИЗО °С. Наибольшая температура нагрева под прокатку 1350 ОС допускается для низкоуглеродистой стали (<0,1 %С). Температура нагрева в производственных условиях уточняется в зависимости от типа прокатного стана, мощности главного привода, расстояния от печи до первой клети. Например, температуру нагрева заготовки из рядовой стали (0,45 %С) перед прокаткой на сортовых станах принимают равной 1200°С, а перед прокаткой на листовых станах — 830— 1250° С. В зависимости от степени легирования, содержания углерода и сечения заготовки температура нагрева металла перед прокаткой находится в пределах 1060—1350 °С [4].

1. Температурные условия

Температурные условия прокатки тесно связаны с деформационными и скоростными параметрами, что, в свою очередь, определяет выбор технологических схем производства проката на стане и калибровки валков его рабочих клетей. Кроме того, характер изменения температуры металла по длине непрерывного стана во многом определяет уровень энергозатрат на прокатку.

В начале деформационной обработки в черновой группе рабочих клетей стана происходит значительное снижение температуры прокатываемого металла. Это приводит к росту энергосиловых параметров процесса. Затем, в процессе формирования профиля и структуры готового проката (чисто группа рабочих клетей стана), температура прокатываемого металла повышается за счет деформационного разогрева.

Следует отметить, что при производстве готовой продукции на сортовых и проволочных станах преобладают затраты, связанные с нагревом заготовок. В связи с этим снижение энергозатрат на производство проката достигается путем понижения температуры нагрева исходных заготовок и уменьшения тепловых потерь раската в процессе его транспортировки в потоке стана.

В настоящее время известны два направления решения температурной задачи прокатки. Одно из них базируется на теоретических зависимостях процесса теплопередачи, а другое - на статистическом анализе результатов экспериментальных исследований температуры прокатываемого металла [5].

Теоретический анализ предусматривает составление уравнений суммарного теплового баланса. Оно включает потери тепла раскатом вследствие его соприкосновения с рабочими валками, потери тепла излучением и конвективные потери, потери тепла из-за попадания на раскат воды, необходимой для охлаждения рабочих элементов клети, и приток тепла вследствие превращения работы деформации металла в тепловую энергию, а также от преодоления сил контактного трения. Расчет суммарного теплового баланса затруднен, так как отсутствуют строгие математические зависимости, описывающие стадии процесса теплопередачи и их взаимную обусловленность, а также достаточно точные данные о теплофизических контактах, характеризующих исследуемый процесс.

Второе направление предполагает описание процессов теплопередачи статистическими зависимостями. Статистическую модель температурных условий прокатки строят на основе данных экспериментального изучения изменения температуры раската на различных участках стана. При этом общая структура модели должна отображать физическую природу явления и

содержать, в качестве аргумента, основные параметры технологическ процесса, легко поддающиеся контролю и регулированию.

Температура деформируемого материала зависит от температуры нагрева, охлаждения на воздухе, контакта с валками или охлаждающими средствами, излучения и от тепла, выделяющегося в процессе деформации [6].

Количество тепла, передаваемого во время горячей обработки давлением, зависит от теплопередачи между инструментом и раскатом, а также от разделяющего их слоя окалины. В особых случаях решающее влияние на теплопередачу могут также оказать слои смазки или охлаждающей жидкости.