Установка непрерывного литья и деформации для производства стальных листов и сортовых заготовок


О. С. Лехов А. В. Михалев











УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНЫХ ЛИСТОВ И СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК



Монография

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.74+621.771
ББК 34.51
      Л53



Рецензенты:
профессор кафедры металлургических и роторных машин УрФУ, доктор технических наук В. В. Каржавин;
профессор кафедры обработки металлов давлением УрФУ, доктор технических наук Ю. Н. Логинов





       Лехов, О. С.
Л53       Установка непрерывного литья и деформации для производства
       стальных листов и сортовых заготовок : монография / О. С. Лехов, А. В. Михалев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 304 с.
           ISBN 978-5-9729-0593-5


       Представлены результаты теоретического исследования напряженного состояния системы «бойки - полоса» при получении листов из стали на установке непрерывного литья и деформации. Определены напряжения в очаге циклической деформации и в бойках установки от усилия обжатия стальных полос. Дана сравнительная оценка напряженного состояния бойков различной конструкции от усилия обжатия и температурной нагрузки. Приведены результаты экспериментального исследования совмещенного процесса непрерывного литья и деформации на опытной установке.
       Для инженерно-технических работников и студентов вузов.

                                                     УДК 621.74+621.771
                                                     ББК 34.51








ISBN 978-5-9729-0593-5

  © Лехов О. С., Михалев А. В., 2021
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение.........................................................7
1. Аналитический обзор..........................................10
    1.1. Технология и оборудование процессов непрерывного литья и деформации для производства стальных листов...............10
    1.2. Совмещенные процессы непрерывного литья и прокатки для производства листов из стали............................13
    1.3. Общая постановка задачи................................18
2. Нагруженность и напряженное состояние системы бойки-полоса при получении стальной металлопродукции на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации...........20
    2.1. Установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации ...............................................20
    2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) металла в очаге циклической деформации при получении листов из стали для сварных труб...................................23
            2.2.1. Постановка задачи, исходные данные, расчетная схема и граничные условия.................23
            2.2.2. Результаты расчета напряжений и течения металла в очаге циклической деформации......................25
    2.3. Исследование напряжений в бойках без каналов от усилия обжатия при получении листов из стали.............29
            2.3.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия............................................29
            2.3.2. Теория решения краевых задач теории упругости методом конечных элементов в объемной постановке..............................34
            2.3.3. Напряженное состояние бойков без каналов от усилия обжатия при получении листов из стали на установке непрерывного литья и деформации........36
3. Расчет температурных полей и напряженного состояния бойков установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации....................................................45
    3.1. Методика расчета температурных полей и термоупругих напряжений в бойках установки в пакете ANSYS................45
    3.2. Теория расчета температурных полей
        и термоупругих напряжений в бойках методом конечных элементов в объемной постановке................47
    3.3. Определение системы коэффициентов для решения задач о тепловой нагруженности бойков.............................50

3

    3.4. Численное определение плотности теплового потока
        по экспериментальным данным процесса деформации стальной полосы на опытной установке непрерывного литья
        и деформации............................................52
    3.5. Расчет температурного поля бойков без каналов
        при получении стальных листов на установке непрерывного литья и деформации............................................59
4. Напряженное состояние бойков установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации при получении листов
   из стали.....................................................65
    4.1. Расчет температурных полей и термоупругих напряжений
        в бойках с каналами установки при обжатии сляба и на холостом...........................................65
            4.1.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия.................................65
            4.1.2. Температурное поле бойков с каналами.........69
            4.1.3. Напряженное состояние бойков с каналами при обжатии сляба и охлаждении водой на холостом ходу....................................70
            4.1.4. Распределение осевых термоупругих напряжений в приконтактном слое бойка с каналами
                 при обжатии сляба и на холостом ходу...........86
            4.1.5. Распределение осевых термоупругих напряжений в приконтактном слое по длине бойка с каналами при обжатии сляба и на холостом ходу................93
            4.1.6. Напряженное состояние бойков с каналами от усилия обжатия и температурной нагрузки при получении листов из стали на установке непрерывного литья и деформации.....................98
            4.1.7. Распределение осевых суммарных напряжений по толщине и ширине приконтактного слоя бойков с каналами при обжатии сляба.......................106
    4.2. Расчет температурных полей и напряжений в бойках без каналов установки при обжатии сляба и на холостом ходу.............114
            4.2.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия.................................114
            4.2.2. Результаты расчета температурного поля бойков без каналов.........................................114
            4.2.3. Напряженное состояние приконтактного слоя бойка без каналов от воздействия температурной нагрузки при обжатии сляба и при охлаждении водой
                 на холостом ходу..............................117
            4.2.4. Распределение осевых термоупругих напряжений по толщине и длине бойка без каналов
                 при обжатии сляба и на холостом ходу..........121

4

            4.2.5. Распределение осевых термоупругих напряжений в приконтактном слое по длине бойка без каналов при обжатии сляба и на холостом ходу..............124
            4.2.6. Напряженное состояние бойков без каналов от усилия обжатия и температурной нагрузки.........131
    4.3. Оценка напряженного состояния, выбор конструкции
        и материала бойков установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации
        при получении стальных листов........................138
5. Напряженно-деформированное состояние металла
  в очагах деформации при получении сортовых заготовок из стали
  на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации...............................................146
    5.1. Способ получения стальных сортовых заготовок
        на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.........................................146
    5.2. Постановка задачи, исходные данные, расчетная схема и граничные условия.......................................148
    5.3. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния металла в очаге циклической деформации
        при получении трех сортовых заготовок................153
            5.3.1. Напряженно-деформированное состояние металла
                в характерных точках сечения 1 очага деформации .... 155
            5.3.2. Напряженно-деформированное состояние металла
                в характерных точках сечения 2 очага деформации .... 157
            5.3.3. Напряженно-деформированное состояние металла в характерных точках сечения 3 очага деформации .... 159
            5.3.4. Напряженно-деформированное состояние металла
                в характерных точках сечения 4 очага деформации .... 163
            5.3.5. Распределение перемещений, напряжений и деформаций по характерным линиям поверхности очага деформации..................................168
    5.4 Напряженно-деформированное состояние металла
        в зоне очага деформации при внедрении разделяющего бурта бойка в сляб.........................................177
            5.4.1. Постановка задачи, исходные данные и расчетная схема..................................177
            5.4.2. Результаты расчета осевых перемещений и напряжений при внедрении разделяющего бурта бойка в сляб
                на величину 48 мм............................180
            5.4.3. Результаты расчета осевых перемещений
                и напряжений по линиям впадины очага деформации при внедрении бурта бойка в сляб.............185
            5.4.4. Результаты расчета осевых перемещений и напряжений по линиям ребра очага деформации при внедрении бурта бойка в сляб..................190

5

            5.4.5. Результаты расчета осевых перемещений и напряжений в характерных точках
                 при внедрении бурта бойка в сляб.............194
6. Исследование напряжений в бойках с буртами при получении трех стальных сортовых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.........205
    6.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия..205
    6.2. Напряженное состояние бойка с буртами от усилия обжатия.212
    6.3. Расчет температурного поля калиброванного бойка с буртами установки непрерывного литья и деформации при получении сортовых заготовок..........................225
    6.4. Исследование термоупругих напряжений в бойке с буртами при получении трех сортовых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.....238
            6.4.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия...............................238
            6.4.2. Результаты расчета напряженного состояния бойков с буртами от температурной нагрузки...............239
    6.5. Напряженное состояние калиброванных бойков с буртами от усилия обжатия и температурной нагрузки при получении трех сортовых заготовок на установке непрерывного литья и деформации..............................................259
7. Экспериментальное исследование совмещенного процесса непрерывного литья и деформации на опытно-промышленной установке ОАО «Уральский трубный завод».......................276
    7.1. Опытно-промышленная установка непрерывного литья и деформации ОАО «Уральский трубный завод»................276
    7.2. Оборудование участка непрерывного литья и деформации....279
    7.3. Методика эксперимента, используемая аппаратура и датчики .... 280
    7.4. Результаты экспериментального исследования...........281
Заключение....................................................286
Список литературы.............................................291

6

ВВЕДЕНИЕ


     Дальнейшее развитие нефтегазового и топливно-энергетического комплексов требует все большего количества труб самого разнообразного сортамента. В связи с этим перед трубной промышленностью стоит задача увеличить объем производства труб повышенного качества, расширить их сортамент и повысить степень обеспечения трубами необходимого сортамента ведущих отраслей страны.
     Однако в связи с увеличением выпуска экономичных профилей и сварных труб специального назначения, освоением и расширением сортамента труб из легированных и труднодеформируемых марок стали, повышением требований к качеству необходимо дальнейшее совершенствование технологических процессов производства листов из стали для сварных труб. Возможности трубных заводов России не позволяют производить трубы с гарантированным уровнем качества, соответствующие требованиям стандартов технически развитых стран [1].
     При обжатии крупных непрерывнолитых слябов на станах толстолистовой прокатки имеет место значительная неравномерность деформации по высоте сляба, что приводит к получению неоднородной структуры толстолистового проката [2-6]. Для снижения неравномерности деформации необходимо увеличивать обжатия за проход, что практически трудно осуществить, поскольку степень деформации за проход недостаточна и составляет 10-15 %. Вследствие этого в осевой зоне сляба литая структура металла недостаточно прорабатывается, неметаллические включения и ликваты имеют строчечное расположение в металле по оси прокатки [2], что приводит к снижению механических характеристик толстолистового проката и к проблемам при получении сварных труб на электросварочном стане.
     Основной проблемой, возникающей при обжатии непрерывнолитых слябов, является обеспечение благоприятной схемы напряженно-деформированного

7

состояния металла в очаге деформации, получение однородной и мелкозернистой структуры металла, исключение ликвационных зон в осевой зоне листов и получение высоких механических свойств стальных листов для сварных труб.
      За рубежом [7, 8] для получения стальных листов для сварных труб разработана технология совмещенного процесса непрерывного литья и прокатки, при которой выходящий из кристаллизатора установки непрерывного литья тонкий сляб с жидкой сердцевиной обжимается двумя парами валков зоны вторичного охлаждения до заданной толщины, что позволяет сократить количество клетей для последующей прокатки. Анализ профилей ликвации в осевой зоне стандартного и тонкого сляба показал, что в случае тонких слябов наблюдается более мелкозернистая структура металла и меньшая область осевой ликвации, чем в стандартном слябе.
      Ведущие сталелитейные компании ведут работы по созданию высокоэффективной модульной технологии и оборудования для производства тонких широких полос на основе компактных валковых литейно-прокатных агрегатов [9]. При этом важной задачей является уменьшение расхода энергии и удельных капиталовложений. В литейно-прокатных агрегатах жидкий металл подают в валки-кристаллизаторы, которые одновременно являются и кристаллизатором и деформирующим инструментом. При обжатии тонкого слитка степень деформации должна быть не менее 10-15 % для обеспечения достаточно высоких механических свойств металла.
       В результате интенсификации производства стальных листов и повышения требований, предъявляемых к механическим свойствам и состоянию их поверхности, значительно возрастают нагруженность бойков установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации и требования к качеству их поверхности. Условия эксплуатации бойков установки выдвинули ряд существенных требований по обеспечению их стойкости. Таким образом, актуальной задачей является обоснованный выбор конструктивных параметров и материала бойков, обеспечивающих не только износостойкие свойства, но и способность

8

противостоять циклическим нагрузкам при воздействии термоупругих и механических напряжений.
     В современном металлургическом производстве для получения сортовых заготовок для мелкосортных станов используются обжимные и непрерывно-заготовочные станы, причем на обжимной стан поступают непрерывнолитые заготовки или отдельные слитки [10]. Однако такой технологический процесс производства сортовых заготовок отличается высокими капитальными, эксплуатационными и энергетическими затратами, поскольку он включает машину непрерывного литья сортовых заготовок, нагревательные печи, обжимной и непрерывно-заготовочный станы. В связи с этим в мире ведутся работы по созданию ресурсосберегающих литейно-прокатных комплексов для производства сортовых заготовок, в частности процессов продольного разделения непрерывнолитых слябов на ряд сортовых заготовок [11].
      Для решения изложенных выше проблем производства стальных листов и сортовых заготовок целесообразно использовать компактную установку совмещенного процесса непрерывного литья и деформации, технологические возможности которой предусматривают отливку тонких слябов и их обжатие с высокой степенью деформации за проход и в узком температурном интервале. Разработка и внедрение установки непрерывного литья и деформации позволят существенно снизить энергетические, капитальные и эксплуатационные затраты, улучшить качество металлопродукции и создать ресурсосберегающие комплексы для производства стальных листов и сортовых заготовок [12, 13].

9

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР


     1.1. Технология и оборудование процессов непрерывного литья и деформации
          для производства стальных листов

     Стан 5000 ОАО «ММК», производительностью до 1,5 т/год изготовлен фирмой SMS Demag AG [14, 15]. На стане производится толстолистовой прокат шириной до 4850 м и длиной до 25 м для ведущих отраслей промышленности и нефтегазового комплекса России.
     В состав оборудования стана 5000 входят печь с шагающими балками, 4-валковый реверсивный прокатный стан с обжимной клетью вертикального типа, ножницы продольной и поперечной резки.
     Характеристика прокатной клети стана 5000 приведена ниже:

     допустимое усилие прокатки, кН.............. 120000
     максимальный крутящий момент, кН м..........  2*9700
     основные размеры станин, мм................. 15650*6100*2300
     скорость приводного двигателя, мин⁻¹ ....... 0-60/115
     размеры рабочих валков, мм ................. 1210/1110*5300.


     В работах [16-21] изложена технология контролируемой прокатки (КП), которая направлена на управление формированием микроструктуры металла при черновой и чистовой прокатке с целью получения толстолистового проката с заданными свойствами.
     В работе Богатова А. А., Нухова Д. Ш., Пьянкова К. П. [2] представлены результаты исследования распределения деформации по толщине листа при толстолистовой прокатке с использованием пакетов DEFORM-3D и Q-FORM. Проведена оценка напряженного состояния металла в очаге деформации с использованием современных средств МКЭ-моделирования, которая показала, что имеет место значительная неравномерность распределения напряжений.

10

     Установлено, что при обжатии крупных непрерывнолитых слябов на станах толстолистовой прокатки имеет место значительная неравномерность деформации по высоте сляба [2-6]. Вследствие этого имеет место недостаточная проработка литой структуры металла в осевой зоне сляба, неметаллические включения и ликваты имеют строчечное расположение в толстом листе по оси прокатки [2], что приводит к снижению механических характеристик толстолистового проката и к проблемам при получении сварных труб на электросварочном стане.
     В работе [19] отмечается, что для определения основных технологических параметров процесса контролируемой прокатки на стане 5000 необходимо знать требования к толстолистовому прокату, такие как механические свойства и микроструктура металла, которые в значительной степени определяются степенью деформации за проход и температурой начала и конца прокатки.
     В работе [22] отмечается, что при прокате на широкополосных станах горячей прокатки на поверхности стальных листов обнаруживаются дефекты, связанные с наличием на поверхности непрерывнолитых слябов продольных и поперечных трещин. В процессе прокатки таких слябов трещины переходят на основные поверхности готовых полос, при этом расстояние от боковой кромки до крайних продольных трещин составляет 20-50 мм. Некоторая часть дефектов образуется и при горячей прокатке в черновой группе клетей. На боковых гранях прокатываемой заготовки создается неблагоприятное для целостности металла напряженное состояние двухосного растяжения. При наличии подкорковых пузырей, неметаллических включений и других местных нарушений сплошности здесь образуются трещины и другие поверхностные дефекты.
     В работе [14] изложены результаты освоения на стане 5000 ОАО «ММК» производства по технологии термомеханической обработки листов для газопроводных труб.

11

     Разливка стали производилась с применением мягкого обжатия в слябы толщиной 300 мм, из которых по технологии контролируемой прокатки на стане 5000 получали листы толщиной 26,4 мм. Особенностью производства проката повышенной толщины является необходимость обеспечивать хорошую проработку структуры стали. Небольшая относительная степень деформации (12-14 %) в черновой стадии КП приводит к разнозернистости аустенита, которая не может быть исправлена в стадии чистовой прокатки листов.
     В работе Салганика В. М., Шмакова Д. О., Пустовойтова С. А. [19] отмечается, что неотъемлемой частью разработки технологии и освоения перспективного прокатного оборудования является моделирование напряженного, деформированного и теплового состояния листа в процессе прокатки, а также во время ускоренного охлаждения. Тепловой режим является одним из определяющих факторов технологии прокатки. Исследование температурных полей при горячей прокатке на стане 5000 проводили методом конечных элементов с использованием пакета DEFORM 2D.
     Исходные данные для расчета:

     толщина сляба, мм....................... 300
     материал сляба.......................... сталь  Х80
     температура сляба, °С ...................1150
     относительное обжатие, %................ 10
     скорость прокатки, м/с ................. 1,5
     коэффициент трения...................... 0,5


      Установлено, что при толстолистовой прокатке имеет место неравномерность распределения температуры по толщине листа, которая достигает 223 °С. В особенности это относится к толстолистовой прокатке трубной заготовки, где толщина листа может достигать 30 мм. Обеспечить полностью однородное распределение температуры в таком листе в условиях промышленности не представляется возможным. В последнем же чистовом проходе разница температур поверхности и центра полосы достигает 61 °С.

12

     1.2. Совмещенные процессы непрерывного литья и прокатки для производства листов из стали

     В работе Форнасье М., Пьемонте К., Пигани А., Сатонин А. [23] описан литейно-прокатный комплекс для производства листов из низколегированных и трубных сталей для арктического применения, изготовленный фирмой Danieli, введенный в эксплуатацию на Выксунском металлургическом заводе. Этот комплекс является первым в России, где применена технология литья и прокатки тонких слябов. Он включает в свой состав машину непрерывного литья тонких слябов толщиной 70-90 мм, туннельную печь, черновую группу четырехвалковых прокатных клетей, шестиклетевую четырехвалковую чистовую группу и оборудование для ламинарного (струйного) охлаждения полосы. Для снижения уровня осевой пористости и химической неоднородности при непрерывной разливке тонких слябов использован процесс динамического мягкого обжатия Danieli. Концепция непрерывного литья тонких слябов подтвердила, что все углеродистые марки стали можно обрабатывать такой технологией. По сравнению с традиционной технологией прокатки толстых слябов новая технология обладает многочисленными преимуществами, касающимися как капитальных затрат, так и расходов по переделу и эксплуатационных расходов. Практически вся продукция литейно-прокатного комплекса поступает на трубосварочный агрегат.
     Технология литья и прокатки тонких слябов эффективно используется для создания ресурсосберегающих литейно-прокатных комплексов [7, 8, 24, 25].
     Машина непрерывного литья заготовок имеет вертикальный кристаллизатор длиной 700 мм, частота его колебаний в минуту 190, причем высота подьема ± 3 и ± 5 мм. Гидравлическое усилие прижима тянущих роликов - 250 - 700 кН. Температура поверхности слябов в областях вершины кристаллизации - 1150 °С. Предлагаемая технология на первом этапе предусматривает обжатие роликами зоны вторичного охлаждения стального сляба с жидкой фазой, при этом деформация может достигать 70 %. На втором этапе происходит обжатие полностью затвердевшего сляба, при этом деформация составляет 60 %. Тонкие слябы толщиной 70 мм из марганецниобиевой стали были подвергнуты прокатке на 13

листопрокатном стане на лист толщиной 16 мм с последующей термомеханической обработкой. Установлено, что после охлаждения на воздухе величина зерна в случае тонких слябов меньше, чем в случае слябов толщиной 200-250 мм.
      Сравнительные испытания холоднокатаного листа, полученного из стандартных и тонких слябов одной и той же плавки, показали, что листы из тонких слябов более пригодны для глубокой вытяжки. Также установлено, что вследствие более быстрого затвердевания тонкого сляба изменяется и характер процесса ликвации. Результаты проведенных опытов свидетельствуют об уменьшении осевой ликвации. Анализ профилей ликвации марганца в осевой зоне стандартного сляба, тонкого сляба и такого же сляба, разлитого с обжатием, показал, что в случае тонких слябов четко различима более мелкозернистая микроструктура и меньшая концентрация в области осевой ликвации, чем в стандартном слябе. Показатели прочностных и пластических свойств могут быть улучшены путем нормализации и ускоренного охлаждения после выхода из МНЛЗ [7].
      В работах [7, 8] описаны МНЛЗ предназначенные только для разливки заготовок с их одновременным обжатием с целью получения готовых листов толщиной до 10 мм и шириной 2400 мм для сварных труб. Производительность МНЛЗ - 0,25-1,0 млн т в год, скорость разливки- максимум 6 м/мин, скорость выхода листа - максимум 20 м/мин, температура заготовки с твердой сердцевиной при ее обжатии роликами диаметром 600 мм - 1150 °С. Конечный продукт с данной МНЛЗ- толстый лист и лист для сварных труб.
      В работах Бровмана М. Я., Полухина В. П., Николаева В. А. [9, 26-31] отмечается, что за рубежом ведутся работы по созданию валковых литейно-прокатных агрегатов для производства стальных полос с целью снижения расхода энергозатрат и удельных капиталовложений. В литейно-прокатных агрегатах жидкий металл подают в валки-кристаллизаторы, которые одновременно являются и кристаллизатором и деформирующим инструментом. При обжатии тонкого сляба степень деформации составляет 10-15 %, что недостаточно для получения достаточно высоких показателей механических свойств стальных листов. Также не 14