Главная | Обратная связь

ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И СКОРОСТИ НАГРЕВА СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК

НАГРЕВ УГЛЕРОДИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПЕРЕД ПРОКАТКОЙ

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ НАГРЕВА СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК

Нагрев слитка и заготовки углеродистых и легированных сталей перед прокаткой преследует цели подготовки' материала и его структуры к прокатке. С одной стороны, этим решается задача перевода материала слитка или заготовки в пластическое состояние, необходимое для деформации. С другой стороны, нагревом изменяется структура для улучшения деформи-руемости при прокатке и получения в готовом продукте требуе­мых физико-механических или физико-химических свойств (на­пример, перевод карбидов в твердый раствор, снижение склон­ности стали к флеконообразованию путем гомогенизации или выдержки при температуре выдачи из печи, диффузия неметал­лических фаз, приводящих к образованию так называемой пер­вичной полосчатости и т. д.).

Нагрев перед прокаткой слитка и заготовки углеродистых и легированных качественных и высококачественных сталей, и в особенности слитка, является, пожалуй, основным звеном в це­пи всех проблем, стоящих перед прокатчиком. От правильно выбранного режима нагрева слитка почти всецело зависит не только успех прокатки, но и качество получаемого материала. Правильный режим нагрева слитка дает возможность ча­стично, а иногда и полностью, исправить недостатки отливки, и, наоборот неправильно выбранный режим нередко приводит к порче хорошо отлитого слитка. Режим нагрева слитка и заго-говки влияет не только на качество проката, но и на состояние прокатного оборудования и на технико-экономические показате­ли прокатного производства.

При деформации правильно (до необходимых температур) и достаточно равномерно нагретых слитков или заготовок сни­жается расход энергии. Износ прокатного оборудования при этом значительно сокращается, и возрастает продолжительность служ бы деталей прокатных станов. В первую очередь уменьшается ча--\ стота поломок рабочих валов, а также соединительных муфт и i шпинделей прокатных станов.

Качество и равномерность нагрева стали также влияют на ' точность и правильность геометрического очертания прокатан­ных профилей. Равномерность нагрева слитков и заготовок по сечению и длине облегчает работу вальцовщиков и операторов и сводит к минимуму количество настроек валков во время рабочего периода. Значительная экономия топлива при правиль­ном режиме нагрева является настолько очевидной, что не тре­бует пояснений. Также весьма ощутительно при этом удлинение кампании нагревательных печей.

Вследствие больших напряжений и характерных особенно­стей литой структуры нагрев слитка значительно отличается от нагрева уже обжатого металла (заготовки). Поэтому вопросы нагрева слитка и заготовки излагаются раздельно.

Нагрев слитка и заготовкд может быть разделен на два пе-, риода. В течение первого периода пластичность металла недо­статочна для освобождения путем пластической деформации or напряжений литейного происхождения, а также от напряжений, ', возникающих при нагреве, вследствие наличия температурного ' градиента. Поэтому начальный период характерен возникнове- ^;

нием внутренних напряжений.

Во время второго периода нагрева, протекающего при срав-нительно высоких температурах, внутренние напряжения они- ' маются в результате пластической деформации, происходит раз- ' мягчение металла и подготовка структуры к прокатке. '

Таким образом, при нагреве слитка и заготовки углероди- ' стых и легированных сталей наибольшее значение приобретают:

1) условия посадки слитков и заготовки в печь;

2) скорость нагрева, особенно при низких температурах (первый период);

3) продолжительность нагрева:

4) температура выдачи из печи.

Выбор условий посадки, скорости и продолжительности на­грева производится в зависимости от величины допускаемых ос­таточных и внутренних напряжений, возникающих в слитке и заготовке в процессе нагрева. Величина внутренних напряжений зависит, в свою очередь, от ряда физических и физико-механи­ческих свойств стали (теплопроводности, температуропроводно­сти, удельного веса, модуля упругости, коэфициента термиче­ского расширения, пластических свойств). Для определения ко­личества тепла, потребного для нагрева, необходимо знание теплоемкости нагреваемого металла.

ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И СКОРОСТИ НАГРЕВА СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК

Нагрев слитков и заготовок в нагревательной печи любого типа происходит так: сначала нагревается поверхность, а затем внутренние слои в результате теплопередачи от поверхностных слоев. Вследствие этого почти всегда температура внутренних слоев слитка или заготовки ниже температуры поверхностных слоев, т. е. имеет место температурный градиент. Только после длительной выдержки при определенной температуре и вырав­нивания температуры по поперечному сечению нагреваемого из­делия температурный градиент практически равен нулю.

Особо значительной величины достигает разница температур между поверхностными и внутренними слоями слитка или заго­товки в момент посадки их в разогретую печь, когда внешние слои сильно нагреты, а внутренние слои — холодные. Это вы­зывает возникновение больших внутренних напряжений.

Постепенно в процессе нагрева с уменьшением разности температур поверхностных и внутренних слоев нагреваемою слитка или заготовки внутренние напряжения снижаются.

При нагреве поверхностные слои металла расширяются, а внутренние еще сохраняют свои первоначальные размеры. Поэтому внешние слои подвержены напряжениям сжатия, а внутренние — растяжению. В слитке из стали с фазовыми превращениями после разливки, наоборот, поверхностные слои растянуты, а внутренние сжаты. В слитке из стали без фазовых превращений напряжения меняют знак на обратный. Вследствие этого при нагреве неотожженного слитка в первом случае на чальные напряжения не суммируются с напряжениями нагрев;), во втором — суммируются. Нагрев неотожженных слитков ма­лопластичных сталей следует вести с меньшими скоростями, чем слитков отожженных.

Внутренние напряжения, возникающие при нагреве, находят­ся в прямой зависимости от величины коэфициента термиче­ского расширения, температурного градиента, модуля упругости и диаметра или толщины слитка или заготовки и в обратнои зависимости от величины температуропроводности. Последняя, в свою очередь, как было указано выше, прямо пропорциональна коэфициенту теплопроводности и обратно пропорциональна теплоемкости и удельному весу стали.

С увеличением скорости нагрева в области низких температур (ниже 500—GOO'), когда сталь мало пластична и ее модуль упругости составляет 85—90°/о модуля упругости при комнатной температуре, растет температурный градиент по поперечному се­чению нагреваемого слитка или заготовки, в связи с чем увели­чиваются внутренние напряжения. Во избежание образования трещин напряжения не должны превосходить предела прочности стали при данной температуре. Таким образом, допускаемая скорость нагрева в начальном периоде ограничивается величиной внутренних напряжений, возникающих сразу же после посадки металла в печь и зависящих от температуры печи и параметров нагреваемого металла.

Во второй период нагрева, при температурах выше 700—800°, пластичность нагреваемого металла уже достаточно велика и может происходить существенная пластическая деформация. 15 этот период нагрева могут быть допущены без ущерба для каче­ства нагреваемой стали наибольшие технически возможные ско­рости нагрева. Чтобы их обеспечить, необходимо знать тепло­емкость стали в данном интервале температур.

Уменьшение объема стали при прохождении через критиче­ский интервал и связанное с этим возникновение структурны \ напряжений опасности не представляет, так как сталь при этих температурах имеет высокую пластичность.

Величина температурных напряжений зависит также от ани­зотропии теплового поля печи. Так, при нагреве в условиях рав­номерного теплового поля (например, в методических печах с верхним и нижним расположением отопительных форсунок или горелок) внутренние напряжения меньше, чем при асимметриче­ском нагреве (нагрев в методических печах на направляющих без нижних форсунок).

Таким образом, допускаемая скорость нагрева находится и прямой зависимости от температуропроводности и пластичности металла слитка или заготовки и в обратной зависимости от пло

щади поперечного сечения слитка или заготовки, коэфициента термического расширения и модуля упругости.

Величины внутренних напряжений, возникающих в холодном слитке в момент посадки в нагревательные устройства, а также в процессе нагрева слитка во время I периода экспериментально не изучены вследствие исключительных трудностей подобного исследования. Аналитические методы определения этих напряже­ний разработаны сравнительно схематично. Наиболее полное ма­тематическое решение этой задачи для самых разнообразных ус­ловий посадки и нагрева слитков и заготовки различной конфи­гурации разработано в известной монографии Н. Ю. Тайца ^Технология нагрева стали». В этом труде рассмотрены вопросы определения скоростей нагрева с точки зрения получения вну­тренних напряжений, не' превышающих по своей величине допу­скаемого расчетного напряжения. Правда, в монографии не вы­сказано определенное мнение о характере допускаемых напряже­ний. Так, на стр. 265 Н. Ю. Тайц указывает, что «можно пред­положить, что за допускаемое напряжение следует принимать истинное сопротивление разрыву, так как этой характеристикой учитывается и прочность и, до известной степени, пластичность металла». Однако в подстрочном примечании к этой фразе на той же стр. 265 говорится: «Ввиду сложности вопроса о разру­шениях стали в связи с тепловыми напряжениями это положение требует экспериментальной проверки». С другой стороны, на стр. 180 автор указывает, что «Разрушение металла в процессе нагрева вследствие температурных напряжений произойдет в том случае, если напряжения достигнут предела прочности (курсив наш)».

Н. Ю. Тайц расчетным путем определил величину внутрен­них напряжений в различных точках поперечного сечения пла­стины, а также сплошного и полого цилиндров для случаев:

1) мгновенного изменения температуры поверхности;

2) линейного изменения температуры поверхности;

3) нагрева при изменяющихся поверхностных условиях;

4) нагрева при постоянной температуре в печи. Это основные случаи нагрева, встречающиеся при прокатке прямоугольных, квадратных и круглых слитков и гильз (в трубо­прокатном производстве). Условия нагрева пластины примерно соответствуют условиям нагрева квадратных и плоских слитков, а условия нагрева сплошного цилиндра — случаям нагрева круг­лых слитков в методических и перекатных печах.По существу, все исследованные .автором случаи нагрева лишь прибли­женно соответствуют действительным условиям нагрева в этих печах.

Наиболее прост в расчетном отношении разработанный Н. Ю. Тайцем способ определения внутренних напряжений при посадке и нагреве пластины. Нами для показа величины внут­ренних напряжений, возникающих при нагреве слитков качест­венной углеродистой и легированной стали, произведены расчета нагрева пластины толщиной 25 == 300 мм соответствующего нагреву квадратных слитков сечением 300 X 300 мм с мгновен­ным и линейным изменением температуры поверхности, а такж< при нагреве в печи с постоянной температурой ' (табл. 16). Ниж( приводятся подсчеты, выполненные для следующих характерный марок стали:

1) высокопластичной низкоуглеродистой стали 08;

2) среднепластичной углеродистой стали 70;

3) легированной стали Х9С2 (сильхром), склонной к образо. ванию скворечников; '

4) быстрорежущей стали Р18, дающей трещины при посад ке в слишком сильно нагретую печь.

Сравнивая полученные результаты для случая мгновенного изменения температуры, можно сделать следующие выводы:

1. Величина полученных внутренних напряжений растяжения колеблется в более узких пределах, чем можно было бы ожидать.

2. Причиной этого является отсутствие в использованнойфор"муле коэфициента, учитывающего особенности структурногосо*става стали.

3. Полагая величины предела прочности для сталей 08 —^\ 3g>30 kz/mms, 70— Од ^ 40 кг/мм², Х9С2 и Р18 Стд=80— 90 кг/мм², — видим, что величина напряжения в стали 08, еслинеучитывать ее высокой пластичности, превосходит предел прочно" ста; в стали 70 она находится на уровне предела прочности, а в сталях Х9С2 и Р18 составляет примерно 60—70% предела прочности.

Учитывая, что скорости нагрева быстрорежущей стали прак­тически колеблются в пределах 120—170 град/час для случая' линейного изменения температуры поверхности, а для расче-га была взята скорость С =400 град/час, т. е. превышающая обычную в 3,3—2,6 раза, следует считать, что напряжения, опре­деляемые по формуле (X—10), невидимому, получаются зани­женными.

Решая уравнение (X — 10) относительно С, получим для ста­лей Х9С2 и Р18 скорость нагрева, необходимую для разрыва ста­ли с Од =80—90 кг/мм^, равную около 1600 град/час.

Полученные результаты для случая нагрева в печи с по­стоянной температурой указывают на неприменимость фор­мулы (X—17) для сталей с низкой теплопроводностью (^ =' ==15— 20 кал/м • час • град).

Полученные результаты говорят о необходимости дальней­шего усовершенствования методов аналитического определения величины внутренних напряжений при нагреве для приближения к действительным условиям.