СПОСОБ ПОТОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА КАТАНКИ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ И ПРЕЦИЗИОННЫХ И ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ Российский патент 1997 года по МПК B21B1/46 B21B3/00 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства катанки посредством совмещенной непрерывной разливки и прокатки.

Обычная схема производства катанки диаметром порядка 8 мм из специальных сплавов, например железохромоалюминиевых, включает выплавку в индукционных печах, разливку в слитки, передачу их горячим посадом в кузнечный цех, ковку в промежуточную заготовку, обдирку заготовки, нагрев и прокатку на сортовом стане [1]
В указанной известной схеме задействовано несколько цехов, цикл производства чрезмерно растянут, необходим значительный расход электроэнергии и топлива, производству сопутствуют большие потери металла, значительные транспортные перемещения.

Более совершенным, а также и наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ поточного производства катанки из специальных сталей и сплавов, включающий непрерывную разливку в радиальный кристаллизатор сортовой заготовки, ее подогрев с выравниванием температуры по сечению после полного затвердевания слитка, прокатку на планетарном стане, включающем задающую и универсальную планетарную клети, последующее обжатие на сортовом прокатном стане в двухвалковых клетях, попеременно взаимно развернутых на 90^o, с петлей односторонней кривизны между первыми двумя клетями и с непрерывной прокаткой с натяжением в остальных клетях, в катанку диаметром 5-12 мм, и смотку готовой катанки в бунт [2]
Этот известный способ характеризуется высокой производительностью, высокой экономичностью и сравнительной компактностью используемого оборудования благодаря поточному характеру производства, рациональному использованию исходного тепла слитка и применению планетарного стана. Однако при прокатке нержавеющих сталей и прецизионных и жаропрочных сплавов для стабильного получения заданных физико-механических свойств особое значение приобретает соблюдение оптимальных температурно-скоростных параметров в узком интервале на всех этапах обработки, обеспечивающих высокую степень химической и структурной однородности материала.

Такой жесткой и рациональной регламентации технологических условий производства известный способ не предусматривает. Кроме того, в известном источнике информации не рассмотрена проблема совмещения процессов непрерывной разливки и планетарной прокатки как в ее кинематическом, так и в динамическом аспекте, причем в отношении последнего материалы, указанные выше, проявляют повышенную чувствительность в силу ряда своих специфических свойств (меньшая пластичность в сравнении с ординарными марками сталей, большая жидкотекучесть и др).

Задачей изобретения является обеспечение возможности получения катанки из нержавеющих сталей и прецизионных и жаропрочных сплавов, обладающей заданными физико-механическими свойствами в узком допустимом диапазоне характеристик, а также обеспечение надежного и безаварийного совмещения процессов непрерывной разливки и планетарной прокатки, с получением при этом качественной поверхности катанки.

Указанная задача решается тем, что в способе поточного производства катанки из нержавеющих сталей и прецизионных и жаропрочных сплавов, включающем непрерывную разливку в радиальный кристаллизатор сортовой заготовки, ее подогрев с выравниванием температуры по сечению после полного затвердевания слитка, прокатку на планетарном стане, включающем задающую и универсальную планетарную клети, последующее обжатие на сортовом прокатном стане в двухвалковых клетях, попеременно взаимно развернутых на 90^o, с петлей односторонней кривизны между первыми двумя клетями и с непрерывной прокаткой с натяжением в остальных клетях, в катанку диаметром 5-12 мм, и смотку готовой катанки в бунт, согласно изобретению при заливке жидкого сплава в кристаллизатор его раскисляют ферросилицием или силикокальцием, с дополнительной присадкой 0,1-0,15% кальция, заготовку отливают прямоугольной формы с отношением сторон 0,7-0,8, при толщине заготовки 55-65 мм, кристаллизатор в процессе разливки качают вдоль его оси с частотой 110-200 1/мин при амплитуде 15-3,0 мм, перед подогревом заготовке придают форму петли высотой 1-1,2 м, подогрев заготовки ведут до температуры, на 100-150^o меньшей максимально допустимой температуры прокатки для данной марки стали (сплава), прямоугольную непрерывно-литую заготовку в задающей клети планетарного стана обжимают в круг или скругленный квадрат с вытяжкой 1,32-1,37, в универсальной планетарной клети заготовку обжимают в ребровой квадрат с вытяжкой 30-40, с междеформационными паузами, не превышающими 0,1 с, а прокатку катанки на сортовом стане ведут в системе калибров овал-круг, всего за 6-7 проходов, с вытяжкой 2-2,5 и с натяжением в непрерывной группе клетей, равным 1,5-2% предела текучести материала.

Кроме того, контролируют температуру конца прокатки, поддерживая ее в пределах 660-1100^oC для всей группы материалов, а внутри этих пределов - для каждого материала в своем узком диапазоне, определяющем режим контролируемой прокатки.

Кроме того, заготовку после прокатки в универсальной планетарной клети до входа в сортовой прокатный стан принудительно подстуживают для обеспечения необходимой температуры конца прокатки.

Следует подчеркнуть, что для получения необходимого технического результата в конце технологического процесса, т.е. получения качественной катанки с заданными свойствами и характеристиками, специальные технологические мероприятия необходимо предусмотреть с самого начала технологической цепочки, поскольку при поточном и непрерывном характере процесса все его этапы технологически взаимосвязаны, и характер обработки на всех стадиях процесса, начиная с исходных, непосредственно влияет на конечный результат.

Для получения качественной исходной непрерывно-литой заготовки, имеющей хорошее качество поверхности и гомогенную структуру, обеспечивающие оптимальные условия дальнейшей обработки давлением, необходимые мероприятия должны быть предусмотрены уже на стадии заливки жидкого металла в кристаллизатор. Качество поверхности литой заготовки связано со свойством жидкотекучести материала. Установлено, что для данного класса материалов оптимальным с точки зрения достижения необходимой степени жидкотекуческим является раскисление жидкого металла (сплава) при его заливке в кристаллизатор ферросилицием или силикокальцием с дополнительной присадкой 0,1-0,15% кальция. Одновременно такая схема раскисления не мешает использованию при разливке стакана-дозатора, препятствующего интенсивному вторичному окислению металла, поскольку продукты раскисления не взаимодействуют с материалом стакана-дозатора. Ограничение вторичного окисления металла способствует хорошему качеству получаемой заготовки. Этот же технический результат обеспечивает и правильный выбор режимов возвратно-поступательного движения (качания) кристаллизатора. Известно, что такой технологический прием благоприятно сказывается как на качестве поверхности, так и на состоянии подкорковой зоны заготовки. Однако для каждого материала существуют свои оптимальные режимы (параметры) такого качания, в том числе важно и их сочетание, взаимное соотношение частоты и амплитуды. Экспериментально установлено, что для всей группы сплавов, для которых предназначена технология согласно изобретению, оптимальными являются частота в пределах 110-200 1/мин при амплитуде 15-3 мм. При таких режимах поверхность заготовки становится достаточно гладкой, устраняются грубые несплошности в подкорковой зоне заготовки, уменьшается глубина заворотов корочки слитка, создаются условия образования благоприятной макроструктуры. Благоприятная макроструктура и качественная поверхность положительно сказываются при дальнейшей обработке, где возможные при иных режимах и условиях разливки дефекты в этом случае не наследуются.

Здесь уместно заметить, что для каждой марки стали (сплава) определенны свои оптимальные режимы качания кристаллизатора внутри указанных пределов, дающие наилучшие результаты, однако эта информация не затрагивает существа изобретения, относящегося ко всей группе марок и характеризующегося технологическими признаками, общими для всей группы, ввиду чего далее будут приведены только отдельные примеры оптимизации этих режимов для конкретных марок материалов.

Существенным технологическим фактором является правильный выбор радиальной формы и размеров непрерывно-литой заготовки. Круглая форма сечения конечного продукта, казалось бы, диктует и круглую форму сечения исходной заготовки. Однако с точки зрения непрерывного литья, а также и последующего многостадийного деформирования, эта форма не является оптимальной. Процесс кристаллизации в круглой заготовке при достаточно большом ее диаметре сопровождается образованием осевой рыхлости, уменьшение же диаметра снижает производительность процесса. Существует оптимальное расстояние между параллельными стенками заготовки, при котором процесс кристаллизации идет достаточно интенсивно и образуется качественная структура слитка. При толщине заготовки, определяемой эти расстоянием, масса заготовки определяется ее шириной. Слишком большое соотношение ширины и толщины заготовки создает трудности при ее последующем обжатии в планетарном стане. Квадратная форма литой заготовки также нерациональна как по причине слишком быстрого остывания, так и по причине недостаточной массы. Исследованиями установлено, что оптимальной формой заготовки для данной технологии является прямоугольная с соотношением сторон 0,7-0,8, при толщине заготовки 55-65 мм. Такое сечение слитка создает благоприятные условия для достаточно быстрой и в то же время качественной кристаллизации, сокращения протяженности наиболее опасного с точки зрения возможности прорыва корочки участка с жидкой сердцевиной, обеспечивает отсутствие трещин и при дальнейшем обжатии.

Сложнейшей проблемой является совмещение непрерывной разливки сортовой заготовки с планетарной прокаткой в универсальной клети. Достоинством планетарной прокатки на первой, черновой стадии обработки непрерывно-литой заготовки, является малая скорость входа в планетарную клеть, соизмеримая со скоростью непрерывной разливки и позволяющая оптимально решить проблему совмещения процессов разливки и прокатки. При этом очень высокая степень обжатия при планетарной прокатке решает проблему производительности и компактности агрегата, реализующего способ. Однако планетарная прокатка имеет свою специфику, которая заключается в частности в дискретном режиме деформаций, обусловленным периодическим входом планетарных валков в зону деформации. При этом горизонтальная составляющая усилия прокатки периодически меняет свою величину и в отдельные моменты направление. В универсальной планетарной клети это явление еще более выражено вследствие того, что шаг между планетарными валками увеличен ввиду необходимости размещения между соседними валками других валков, развернутых относительно первых на 90^o. Кроме того, наиболее целесообразная схема привода планетарного валка через сепаратор также предопределяет увеличение шага между валками, поскольку момент на них передается не через бочки, а через цапфы, а это требует увеличения диаметра цапф и опорных подшипников, а значит, и расстояния между ними. Изменение величины и особенно направления осевого усилия в заготовке вызывает вибрации в ней, которые могут привести к разрыву корочки еще не застывшего полностью слитка либо в кристаллизаторе, либо под ним и вообще крайне неблагоприятно отражаются на режиме непрерывной разливки.

Решение проблемы заключается в создании демпфирующей зоны между участком непрерывной разливки и планетарной прокатки. Одним из таких мероприятий является повышение степени обжатия в задающей клети планетарного стана, установленной перед универсальной планетарной клетью. Установлено, что если заготовка обжата в задающей клети с вытяжкой порядка 1,35, задающая клеть становится как бы демпфером, частично замыкая на себе осевые усилия, передаваемые от планетарной клети. Большая величина вытяжки в задающей клети связана с увеличением ее габарита, с необходимостью ее размещения на каком-то расстоянии от планетарной клети, а не на общей станине, как это допускает принятая технология, что связано с дополнительными потерями тепла и с повышением габаритов и металлоемкости оборудования. Кроме того, сплавы, имеющие литую структуру чувствительны к разовым высоким обжатиям, в них возникают поверхностные и внутренние дефекты, крайне отрицательно сказывающиеся в последующем на качестве готового продукта.

Ограничения, накладываемые на величину вытяжки, а значит и на демпфирующие качества задающей клети планетарного стана, побуждают изыскивать дополнительные мероприятия по гашению осевых вибраций в заготовке, с тем чтобы полностью исключить передачу этих вибраций в зону непрерывной разливки. Таким мероприятием является в частности образование петли заготовки на участке после непрерывной разливки, которая является естественным демпфером, поглощая вибрационные нагрузки. Кроме того, петля является аккумулятором при колебании с скорости разливки.

Исследования показали, что для условий данной технологии, учитывая реальный диапазон размеров заготовки, характеристики материала, величину осевых усилий в заготовке и температуре, а также и разброс скоростей разливки, оптимальным размером петли является ее высота 1-1,2 м. Поскольку петля имеет форму, близкую к полуокружности, естественно, ширина петли примерно вдвое превышает указанные ее размеры.

Очень важной особенностью процесса планетарной прокатки, дополнительно определяющей целесообразность применения ее в данной технологии, является связанное с высокими обжатиями тепловыделение, позволяющее не только сохранять высокую температуру заготовки на ее выходе из клети по сравнению с температурой на входе, но и обеспечить ее возрастание на 120-170^oC, несмотря на малую скорость прокатки. Это позволяет, во-первых, более рационально использовать тепло предыдущей стадии обработки, не перегревать избыточно металл перед планетарной прокаткой, во-вторых, вести эту прокатку в весьма узком температурном интервале, что благоприятно отражается на свойствах получаемого проката. Исследования показали, что если задавать заготовку из материалов, принятых в данной технологии, в планетарную клеть при температуре, на 100-150^oC меньшей максимально допустимой температуры традиционной прокатки (с меньшими обжатиями) для данной марки стали (сплава), то эта температура (являющаяся близкой к некоторой средней зоне температурного диапазона прокатки) по меньшей мере поддерживается и на выходе из планетарной клети. В то же время эта температура достаточна для дальнейшей прокатки заготовки с того же нагрева в чистовой группе клетей сортового стана.

Улучшению энергосиловых характеристик при планетарной горячей прокатке способствует установленное при исследованиях характера сопротивления обрабатываемых материалов пластической деформации явление снижения сопротивления деформации при сверхвысоких обжатиях. Это явление в случае дробной, дискретной деформации, характерной для процесса планетарной прокатки, возникает при определенных режимах обработки, в частности одним из определяющих параметров является продолжительность междеформационных пауз. Установлено, что если обращать планетарные валки с такой скоростью, чтобы междеформационные паузы не превышали 0,1 с, сопротивление деформации может быть существенно снижено. Это особенно важно при прокатке труднодеформируемых марок, как в нашем случае, и кроме того, снижение усилия прокатки сопровождается и снижением его горизонтальной составляющей, тем самым снижаются осевые вибрации в заготовке.

Как уже указывалось, в задающей клети планетарного стана непрерывно заготовку обжимают с вытяжкой 1,32-1,37. При этом существенное значение имеет форма заготовки на выходе из задающей клети. С точки зрения удобства задачи этой заготовки в универсальную планетарную клеть целесообразно обжатие прямоугольной непрерывно-литой заготовки в задающей клети в круг или в скругленный квадрат (с большими радиусами скругления). Соотношение сторон прямоугольной заготовки, выбранное ранее (0,7-0,8), позволяет сделать это за один проход.

В планетарной же универсальной клети наиболее простым и целесообразным решением является получение на выходе квадратного или близкого к нему профиля. Получение круга даже в калиброванных валках было бы крайне затруднительно, поскольку валки, образующие универсальный калибр, взаимно сдвинуты в осевом направлении, кроме того, возникает опасность образования лампасов на заготовке в зазорах между валками. По отношению к ребровому квадрату все планетарные валки занимают равноправное положение в пространстве (под углом 45^o к горизонту), что позволяет упростить и унифицировать конструкцию валка, смазочные системы, решить проблему удаления осыпающейся окалины и пр. а также избежать кантовок заготовки как перед станом, так и в стане.

Тепловыделение в заготовке при высоких вытяжках в планетарной клети (30-40) позволяет вести дальнейшую прокатку в сортовом стане в основном с использованием тепла слитка. В принципе такое решение заложено и в прототипе, однако там не указана оптимальная, в том числе и с точки зрения сохранения тепла, система калибровки валков сортового стана. В качестве такой системы выбрана система калибровки овал-круг. Ее преимущества в данном случае заключаются в следующем. Хорошая проработка материала при попеременном обжатии в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, при отсутствии в профиле углов (как в системе, например, ромб-квадрат), интенсивно отдающих тепло. Кроме того, эта система максимально приспособлена для получения точного окончательного круга (катанки).

Установлено, что наиболее рациональной схемой прокатки в сортовом стане является сочетание двух индивидуальных проходов во взаимно развернутых на 90^o калибрах, с петлей между ними (как в прототипе), с непрерывной прокатной с натяжением. При этом определено, в отличие от прототипа, что достаточно четырех-пяти проходов в непрерывной группе клетей (а всего, таким образом, шести-семи проходов в сортовом стане), при принятых исходных размерах заготовки и режимах ее предыдущих обжатий (в том числе в задающей клети планетарного стана), чтобы получить требуемый диапазон размеров катанки. Суммарная вытяжка в сортовом стане должна при этом составить 2-2,5.

Установлен также уровень оптимального натяжения при непрерывной прокатке (1,5-2% от предела текучести материала), который позволяет избежать искажений формы или порывов прутка и поддерживает благоприятное для структуры материала объемное напряженное состояние в зоне деформации.

Дополнительным усовершенствованием способа является использование режима контролируемой прокатки, т.е. поддержания заданной (в зависимости от других технологических параметров и, конечно, от марки материала) температуры конца прокатки. В реальных условиях такое поддержание может потребовать в ряде случаев и принудительного подстуживания заготовки после планетарной прокатки, где, как уже указывалось, температура заготовки несколько даже возрастает. Для всего ряда марок, для которых может быть использована данная технология, диапазон температур конца прокатки определен между 660 и 1000^oC. При этом для каждой марки внутри этого диапазона установлен свой, более узкий оптимальный интервал.

Способ далее иллюстрируется конкретным примером реализации. Для сплава марки 55СМ5ФА непрерывную разливку после выплавки ведут в заготовку сечением 60х80, при этом жидкий металл раскислялся порошком силикокальция с дополнительной присадкой 0,1% металлического кальция. Разливку ведут под уровень зеркала металла, с помощью стакана дозатора, материал которого (корунд, кварц) не взаимодействует с продуктами раскисления, что позволяет резко снизить степень вторичного окисления. При такой технологии обеспечивается 100% разливаемость, повышается технологическая пластичность заготовки, устраняется образование трещин по ее вертикальным граням. Структура металла почти полностью столбчатая, с очень узкой приповерхностной зоной мелких равноосных кристаллов. В осевой зоне имеется небольшая пористость, которая полностью ликвидируется при дальнейшей планетарной прокатке. При разливке кристаллизатору придают осевое качание с частотой 140 1/мин при амплитуде 5 мм. Длина кристаллизатора 700 мм, толщина стенки 45 мм, радиус изгиба 3 м. В зоне вторичного охлаждения каждая грань заготовки охлаждается с помощью водораспыливающих форсунок.

Рабочая скорость разливки составляет 2,8 м/мин. Масса плавки 1 т. Затем заготовка разгибается, правится, у нее отрезают передний конец и в горизонтальном положении заготовку подают в индукторы с целью выравнивания ее температуры по сечению и, при необходимости (в случае переохлаждения), дополнительного подогрева. При этом между машиной непрерывной разливки и индукторами образуют демпфирующую петлю заготовки, которая имеет высоту 1,1 м. Температура заготовки на входе в задающую клеть планетарного стана для этой марки сплава составляет 1100^oC. В задающей клети заготовка обжимается с вытяжкой 1,36 в круг диаметром 67 мм. Далее в универсальной планетарной клети заготовку обжимают с вытяжкой 40 в квадрат 11х11 мм. Скорость входа заготовки в планетарный стан соответствует скорости разливки 2,8 м/мин, скорость выхода заготовки из планетарной клети составляет 1,866 м/с. Скорость вращения сепараторов 245 об/мин, что позволяет сократить время междеформационных пауз планетарной прокатке до 0,025 с. Катанку диаметром 8 мм получают на сортовом прокатном стане в системе калибров овал-круг за 6 проходов, с общей вытяжкой 2,4 и натяжением 1,8% от предела текучести этой марки сплава. Конечная скорость прокатки составляет 4,4 м/с. Температура конца прокатки составила 1070^oC.

Контроль готового продукта показал, что металл катанки имеет плотную, бездефектную макроструктуру, которая по всем пяти параметрам (центральная пористость, точечная неоднородность, центральная ликвация, краевая ликвация, ликвационный квадрат) оценена нулевым баллом, что при норме ТУ не более 2-го балла свидетельствует о высокой степени однородности материала катанки. Результаты контроля твердости показывают, что опытный металл удовлетворяет требованиям: после закалки твердость составила HR_c= 58-65 при норме 55-58. Металлографический контроль по ГОСТ 1778-70, Ш-6 показал, что все виды включения (оксиды, сульфиды, силикаты, нитриды) находится в допустимых пределах на уровне 0,5-1,5 балла. Отбраковки по обезуглероживанию не наблюдалось. Установлена высокая однородность свойств по длине бунта (образцы брались через каждые 35 м). Содержание углерода также стабильно по длине бунта и максимально отклоняется от маркировочного не более, чем на 0,04%
Таким образом, готовая катанка имеет однородный и стабильный уровень свойств.

Конкретным примером реализации является производство нержавеющей стали Х18Н9. Разливку металла производят в заготовку сечением 60х80 мм и при этом металл раскисляют ферросилицием с присадкой кальция на 0,1% При реализации параметров разливки, указанных в предыдущем примере, достигается 100% разливаемость при удовлетворительном качестве заготовки. Затем заготовка разгибается и подается в индукторы, где она подогревается до температуры прокатки, которая на входе в задающую клеть составляет 1150^oC. Далее, проходя деформацию в соответствии с параметрами, указанными в предыдущем примере, металл сматывается в бунт при температуре 950-1000^oC.

Контроль готового проката показал, что металл имеет плотную бездефектную макроструктуру с высокой степенью однородности. Готовая катанка имеет однородный и стабильный уровень свойств.

Использование: в области металлургии, при производстве катанки из специальных сталей и сплавов. Сущность изобретения: технология предусматривает совмещение непрерывной разливки сортовой заготовки с ее последующей прокаткой в планетарном универсальном стане и чистовом двухвалковом стане. Установлены оптимальные технологические параметры процесса на всех этапах технологического потока. Технология обеспечивает получение высококачественной катанки с заданными физико-механическими свойствами, однородными по всей длине бунта. 2 з. п. ф-лы.

1. Способ поточного производства катанки из нержавеющих сталей и прецизионных и жаропрочных сплавов, включающий непрерывную разливку в радиальный кристаллизатор сортовой заготовки, ее подогрев с выравниванием температуры по сечению после полного затвердевания слитка, прокатку на планетарном стане, включающем задающую и универсальную планетарную клети, последующее обжатие на сортовом прокатном стане в двухвалковых клетях, попеременно взаимно развернутых на 90^o, с петлей односторонней кривизны между первыми двумя клетями и с непрерывной прокаткой с натяжением в остальных клетях, в катанку диаметром 5 12 мм, и смотку готовой катанки в бунт, отличающийся тем, что при заливке жидкого сплава в кристаллизатор его раскисляют ферросилицием или силикокальцием с дополнительной присадкой 0,1 - 0,15% кальция, заготовку отличают с соотношением сторон 0,7 0,8, при толщине заготовки 55 65 мм, кристаллизатор в процессе разливки качают вдоль его оси с частотой 110 200 мин^-1 при амплитуде 15 3,0 мм, перед подогревом заготовке придают форму петли высотой 1 1,2 м, подогрев заготовки ведут до температуры, на 100 150^oС меньшей максимально допустимой температуры прокатки для данной марки стали (сплава), прямоугольную непрерывно-литую заготовку в задающей клетки планетарного стана обжимают в круг или скругленный квадрат с вытяжкой 1,32 1,37, в универсальной планетарной клети заготовку обжимают в ребровой квадрат с вытяжкой 25 40, с междеформационными паузами, не превышающими 0,1 с, а прокатку катанки на сортовом стане ведут в системе калибров овал-круг, всего за 6 10 проходов, с вытяжкой 2 6 и с натяжением в непрерывной группе клетей, равным 1,5 2% предела текучести материала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируют температуру конца прокатки, поддерживая ее в пределах 660 1100^oС для всей группы материалов, а внутри этих пределов для каждого материала в своем узком диапазоне, определяющем режим контролируемой прокатки. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что заготовку после прокатки в планетарной универсальной клети до входа в сортовой стан принудительно подстуживают для обеспечения необходимой температуры конца прокатки.