Исследование влияния температурного состояния торцевой области кратной непрерывнолитой сортовой заготовки на растрескивание торцов раската при прокатке

Произведен анализ проблем, возникающих при прокатке непрерывнолитой заготовки на современных мини-металлургических и  передельных заводах. Показано, что использование в прокатных станах данных заводов клетей трио вызывает необходимость получения заготовок кратной длинны из штанг (чаще всего 12-ти метровой длины), которые производятся в условиях прокатного цеха. Отмечено, что последующая прокатка таких кратных заготовок выявила повышенную растрескиваемость передних концов и, как следствие, повышенный расход металла. Проведен анализ возможных причин появления данных растрескиваний. Указано, что этот дефект может появляться в  результате формируемого определенного напряженно-деформированного состояния на торце раската, которое обуславливается наличием неравномерного температурного поля вследствие более интенсивного охлаждения торца, режима обжатий в клети трио и  наличия у  непрерывнолитой заготовки осевых дефектов. Исследование проводилось на промышленном среднесортном стане 500/370, а также с  использованием математического моделирования методом конечных элементов. Изучалось влияние совокупности таких технологических факторов, как температура нагрева заготовок перед прокаткой, временный интервал их транспортировки на участке «нагревательная печь  –  первая клеть прокатного стана» и параметры макроструктуры осевой области металла. Расчеты с помощью разработанной математической модели указали на необходимость учета наличия на нагретой непрерывнолитой заготовке слоя окалины. Показано, что в зависимости от температуры нагрева и времени транспортировки, перепад температур на торце раската по сравнению с температурой нагрева может составить от 45 до 100 °С, что приведет к неравномерному распределению сопротивления деформации и неблагоприятному напряженно-деформированному состоянию на торце раската. Кроме того, наличие осевого дефекта может влиять на растрескивание в контексте особенностей его формы и трансформации при приложении обжатия. Полученные экспериментальные данные позволили высказать гипотезу о механизме трансформации дефектов несплошности, обусловленных условиями непрерывной разливки и порезки заготовок в  трещины на торце раската в ходе прокатки в обжимной клети.

1. Смирнов А.Н., Смирнов Е.Н., Скляр В.А. и др. Вопросы использования непрерывнолитой заготовки для производства сортового проката из конструкционных сталей // Сталь. 2018. № 4. С. 7 – 12.

2. Farrugia D. Modelling central consolidation during hot rolling of cast products // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 716. P. 728 – 735.

3. Рашников В.Ф., Селезнев И.В., Радюкевич К.Л. и др. Освоение производства сортового проката из непрерывнолитой заготовки // Сталь. 2004. № 12. С. 57 – 60.

4. Ji Y., Tang H., Lan P. etc. Effect of dendritic morphology and central segregation of billet castings on the microstructure and mechanical property of hot-rolled wire rods // Steel Research International. 2017. Vol. 88. No. 8. Paper no. 1600426.

5. Мартьянов Ю.А., Теляков А.В., Рубцов Ю.Т. и др. Исследование выкатываемости продольных дефектов сортовой заготовки // Сталь. 2006. № 2. С. 31 – 34.

6. Перетятько В.Н., Мартьянов Ю.А., Уманский А.А., Федоров А.А. Исследование формоизменения продольных дефектов при прокатке на непрерывном мелкосортном стане // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008. № 8. С. 12 – 15.

7. Minaev A.A., Nosanev A.G., Smirnov E.N. etc. Unit for accelerated cooling of reinforcement bars in the line of a 330 mill after deformation // Metallurgist. 1990. No. 1. P. 32.

8. Смирнов Е.Н., Скляр В.А., Смирнов О.Е. и др. Исследование поведения дефектов макроструктуры предварительно деформированной в линии МНЛЗ непрервынолитой сортовой заготовки при прокатке // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 5. С. 399 – 407.

9. Смирнов Е.Н., Скляр В.А., Белевитин В.А. и др. Развитие подходов к исследованию на физических моделях механизмов «залечивания» дефектов сплошности осевой зоны непрерывнолитой заготовки // Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 5. С. 322 – 327.

10. Смирнов Е.Н., Смирнов А.Н., Скляр В.А. и др. Оценка технологической целесообразности снижения температуры начала прокатки в условиях стана с обжимными клетями трио // Сталь. 2018. № 6. С. 21 – 26.

11. Серов А.И., Смирнов Е.Н., Скляр В.А. и др. Исследование влияния способа порезки непрерывнолитых заготовок на кратные длины перед прокаткой на растрескивание торцов при горячем деформировании в калибрах // Технология металлов. 2018. № 5. С. 8 – 14.

12. Рудской А.И., Лунев В.А. Теория и технология прокатного производства. – СПб.: Наука, 2008. – 527 с.

13. Серов А.И. Создание и развитие электрометаллургического комплекса ООО «Электросталь» // Металлы и литье Украины. 2010. № 9/10. С. 14 – 17.

14. Исаев О.Б. Влияние углерода и малых примесей цветных металлов на качество непрерывнолитой заготовки // Металлург. 2009. № 9. С. 68 – 72.

15. Клименко В.М., Вейсбейн А.Д., Минаев А.А. Поля температуры по сечению раската при прокатке // Сталь. 1978. № 4. С. 348 – 349.

16. Клименко В.М., Минаев А.А., Вейсбейн А.Д., Темнохуд В.А. Температурное поле металла при прокатке на обжимных станах. – В кн.: Обрабатываемость стали в горячем состоянии. – Острава, 1978. С. 353 – 359.

17. Чижиков Ю.М. Прокатываемость стали и сплавов. – М.: Металлургииздат, 1961. – 451 с.

18. Kukhar V., Artiukh V., Butyrin A., Prysiazhnyi A. Stress-strain state and plasticity reserve depletion on the lateral surface of workpiece at various contact conditions during upsetting //Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018. Vol. 692. P. 201 – 211.

19. Kukhar V., Artiukh V., Serduik O., Balalayeva E. Form of gradient curve of temperature distribution of lengthwise the billet at differentiated heating before profiling by buckling // Procedia Engineering. 2016. Vol. 165. P. 1693 – 1704.

20. Минаев А.А., Смирнов Е.Н. Белевитин В. А., Савицкий О.С. Исследование полей деформации при прокатке овальных заготовок с неравномерным распределением температуры по сечению // Изв. вуз. Черная металлургия. 1992. № 6. С. 20 – 24.

21. Wallero А. Closing of a central longitudinal pore in hot rolling // Journal of Mechanical Working Technology. 1985. Vol. 12. No 2. P. 233 – 242.

22. Tanaka M., Ono S., Tsuneno M. A numerical analysis on void crushing during side compression of round bar by flat dies // J. Jpn. Soc. Technol. Plasticity. 1987. Vol. 28. P. 238 – 244.

23. Wang А., Thomson P.F., Hodgson P.D. A study of pore closure and welding in hot rolling process // Journal of Materials Processing Technology. 1996. Vol. 60. No. 1 – 2. P. 95 – 102.

24. Hamzah S., Stahlberg U. A new pore closure concept for the manufacturing of heavy rings // Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 110. No. 3. P. 324 – 333.

25. Banaszek G., Stefanik A. Theoretical and laboratory modeling of the closure of metallurgical defects during forming of a forging // Journal of Materials Processing Technology. 2006. Vol. 177. No. 1–3. P. 238 – 242.

26. Park J. Prediction of void closure in a slab during various deformation processes // Journal of Mechanical Science and Technology. 2011. Vol. 25. No. 11. P. 2871 – 2876.

27. Leinonen O., Ilmola J., Seppälä O. etc. Experimental determination of heat transfer coefficients in roll bite and air cooling for computer simulations of 1100MPa carbon steel rolling // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 1960. Рaper no. 170009.

28. Stetina J., Kavicka F. Numerical model of heat transfer and mass transfer during the solidification of a concasting steel // ASME/ JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conference. 2011. P. 171 – 179.

29. Chen Y., Liu X., Silaen A.K. etc. Investigation of combustion and heat transfer in an industrial reheating furnace using CFD // Minerals, Metals and Materials Series, Part F3. 2018. P. 187 – 198.

30. Rout M., Pal S.K., Singh S.B. Finite element modeling of hot rolling: Steady- and unsteady-state analyses // Computational Methods and Production Engineering: Research and Development. 2017. P. 83 – 124.

31. Северденко В.П., Макушок Е.М., Равин А.Н. Окалина при горячей обработке металлов давлением. – М.: Металлургия, 1977. – 208 с.

32. Самойлович Ю.А., Тимошпольский В.И. Нагрев стали: Справочное пособие. – Минск: Вышэйшая школа, 1990. – 314 с.

33. Казанцев Е.И. Промышленные печи: Справочное руководство для расчетов и проектирования. – 2-е изд., доп. и перераб. – М.: Металлургия, 1975. – 368 с.

34. Миленин А.А., Дыя Х., Стеблов А.Б. и др. Математическое моделирование прокатки непрерывного слитка из стали ШХ15 на стадии неполной кристаллизации его сердцевины // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металлургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2003. С. 178 – 183.

35. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1967. – 600 с.

36. Физико-механические свойства. Испытания металлических материалов. Том II / Л.В. Агамиров, М.А. Алимов, Л.П. Бабичев и др. / Под общ. ред. Е.И. Мамаевой. – М.: Машиностроение, 2010. – 852 с.

37. Солнцев Ю.П., Вологжанина С.А. Материаловедение. – М.: Академия, 2011. – 496 с.