RU2847010C1 - Комплекс для закалки и отпуска стального листового высокопрочного проката - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологическим линиям и комплексам для закалки и отпуска стального листового металлопроката. Комплекс для закалки и отпуска стального листового высокопрочного проката содержит установленные в технологическую линию нагревательную печь, агрегат для закалки и печь отпуска. Агрегат для закалки выполнен в виде машины закалочной роликовой, содержащей нижний стационарный ряд приводных роликов и верхний ряд приводных роликов с возможностью вертикального перемещения для создания транспортного туннеля для листового проката, проходящего между роликами, но не испытывающего изгибо-растяжных напряжений, при этом соотношение шага к диаметру роликов находится в пределах 4,9:1 - 1,1:1; указанная машина включает не менее двух последовательных секций охлаждения - интенсивного и замедленного охлаждения, которые выполнены с возможностью осуществления закалки путём подачи охладителя сверху и/или снизу листового проката через форсунки, размещенные рядами по ширине листа и запитанные от коллекторов охлаждающей воды, расположенных в межроликовом пространстве, с возможностью посекционного регулирования расхода подаваемого охладителя. Технический результат заключается в создании высокопроизводительного термического комплекса, позволяющего осуществлять закалку и отпуск листового высокопрочного металлопроката при обеспечении его высокой планшетности после термообработки без механической правки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области металлургии и касается термической обработки стального металлопроката, в частности технологических линий и комплексов для закалки и отпуска стального листового металлопроката.

Закалка стального проката традиционно проводится с целью повышения его прочностных характеристик. В процессе закалки в металле образуется мартенситная структура, что определяет его высокую твердость и прочность, но при этом снижается его пластичность и вязкость. При обычной объёмной закалке стальных листов путем погружения в закалочную жидкость они, как правило, подвержены существенному короблению и деформации из-за возникающих напряжений в структуре металла. Чтобы сохранить плоскостность таких изделий известны устройства их закалки в заневоленном состоянии, примером которых являются машины и устройства для закалки листового проката по авторским свидетельствам на изобретения СССР №№ 162176, 397545 и 611941 и др. При использовании таких устройств перед операцией закалки стальной лист зажимают в специальном закалочном прессе при помощи металлических планок или балок, закрепленных по всей плоскости изделия. Такая операция позволяет снизить коробление и уменьшить неплоскостность листов после закалки. В то же время, термообработанные таким образом листы зачастую имеют значительные колебания физико-механических свойств по периметру изделия. Кроме того, такие способы отличаются низкой производительностью, а также высокими трудовыми и материальными затратами.

Для закалки стальных листов также нашли применение устройства с форсуночным охлаждением, в которых реализуется закалка изделий в свободном состоянии. Примером таких установок является «Устройство для термообработки горячекатанного листа» (патент РФ на изобретение № 2382087). Устройство содержит верхний и нижний щелевые коллекторы, установленные за ними верхние и нижние ролики с регулируемым зазором для размещения в нем горячекатаного листа и коллекторы с форсунками, расположенные в верхних и нижних межроликовых промежутках, при этом коллекторы с форсунками выполнены многокамерными, а выходные сечения форсунок одной камеры каждого коллектора выполнены меньшими выходных сечений форсунок другой камеры того же коллектора. Двигаясь по роликам, листовая заготовка орошается с обеих сторон водой, при этом расход воды, в зависимости от толщины листа, может регулироваться в широких пределах ввиду использования попарных форсунок с различным выходным сечением сопла, запитанных от разных коллекторов. По заявлению авторов предложенные конструктивные решения позволяют использовать устройство для закалки разнотолщинного листового проката. Однако, наряду с повышенной сложностью конструкции описанного устройства и трудоёмкостью его изготовления и обслуживания, при закалке в нём тонколистового высокопрочного металлопроката, с временным сопротивлением после термообработки 1300-1500 МПа и более, возможно коробление заготовки и потеря её плоскостности из-за недостаточно равномерного распределения охладителя по ширине листа.

Также известны комплексы, в которых реализуется закалка стальных листов с одновременной или последующей их правкой знако-переменным изгибом в правильно-закалочных машинах. Примером таких линий и способов являются патенты РФ на изобретения № 2350662, № 2474623 (прототип) и др. В патенте-прототипе в составе технологической линии используется правильно-закалочная машина кассетного типа, содержащая станину, в которой размещены верхний и нижний ряды приводных гибочных роликов, установленных со взаимным перекрытием по уровню, а также два ряда сопел (форсунок) для подачи охлаждающей воды на верхнюю и нижнюю стороны листа при его транспортировке через гибочные ролики. Использование такой машины позволяет повысить конечную плоскостность листового металлопроката, которая в представленных авторами примерах составляет 1-6 мм/м на листах с минимальной толщиной 5 мм. Однако, в то же время, механическая правка листов в процессе или после закалки неизбежно приводит к снижению пластичности металла, а также образованию дополнительных центров напряженности, что увеличивает его склонность к трещинообразованию.

Техническим результатом изобретения является создание высокопроизводительного термического комплекса, позволяющего осуществлять закалку и отпуск листового высокопрочного металлопроката при обеспечении его сквозной прокаливаемости и высокой планшетности после термообработки без механической правки.

Технический результат достигается тем, что предлагается комплекс для закалки и отпуска стального листового высокопрочного проката, содержащий установленные в технологическую линию нагревательную печь, агрегат для закалки и печь отпуска, при этом агрегат для закалки выполнен в виде машины закалочной роликовой, содержащей нижний стационарный ряд приводных роликов и верхний ряд приводных роликов с возможностью вертикального перемещения для создания транспортного туннеля для листового проката, проходящего между роликами, но не испытывающего изгибо-растяжных напряжений, при этом соотношение шага к диаметру роликов находится в пределах 4,9:1 - 1,1:1; указанная машина включает не менее двух последовательных секций охлаждения - интенсивного и замедленного охлаждения, которые выполнены с возможностью осуществления закалки путём подачи охладителя сверху и/или снизу листового проката через форсунки, размещенные рядами по ширине листа и запитанные от коллекторов охлаждающей воды, расположенных в межроликовом пространстве, с возможностью посекционного регулирования расхода подаваемого охладителя.

В оптимальной конструкции машина закалочная роликовая включает две последовательные секции интенсивного и замедленного охлаждения с соотношением длин указанных секций, соответственно, в пределах 1:1 - 1:3, при этом в зоне интенсивного охлаждения от каждого коллектора охлаждающей воды, размещенного в межроликовом пространстве, запитано два ряда форсунок, при этом последние расположены в шахматном порядке, а в зоне замедленного охлаждения - один ряд форсунок.

Нагревательная печь в оптимальном варианте реализации изобретения выполнена в виде роликовой печи (установки) с электрическим (резистивным или индукционным) или косвенным газовым нагревом. Такая конструкция печи обеспечивает высокую производительность при равномерном нагреве всей площади листа с требуемой скоростью. Агрегат для закалки выполнен в виде оригинальной закалочной машины роликового типа, которая позволяет осуществлять высокопроизводительную закалку листового металлопроката при сохранении его планшетности после термообработки без механической правки. Такой технический результат достигается тем, что:

- указанная закалочная машина cодержит нижний стационарный ряд приводных роликов и верхний ряд приводных роликов с возможностью вертикального перемещения с целью создания транспортного туннеля для листовой заготовки различной толщины, проходящей между роликами, но не испытывающей при этом изгибо-растяжных напряжений. При этом соотношение шага к диаметру роликов находится в пределах 4,9:1 - 1,1:1. Такое соотношение обосновано проведенными экспериментальными исследованиями, в результате которых было определено, что при увеличении шага к диаметру роликов более чем 4,9:1 снижается плоскостность закаливаемой заготовки, в особенности тонколистового металлопроката (менее 8 мм), кроме того, возникает опасность «утыкания» заготовки в последующей ролик. В тоже время снижение соотношения шага к диаметру роликов менее чем 1,1:1 приводит к критическому сокращению зазора между роликами для свободной подачи охладителя из форсунок, размещенных рядами по ширине листа и запитанных от коллекторов охлаждающей воды, расположенных в межроликовом пространстве; кроме того, в этом случае возрастают затраты на сооружение и обслуживание закалочной машины, в связи с увеличением количества роликов;

- закалка заготовки осуществляется в последовательных секциях охлаждения путём подачи охладителя сверху и/или снизу листовой заготовки, в зависимости от толщины и марки металла и требуемых физико-механических свойств изделия. В большинстве случаев требуется подача охладителя как сверху, так и снизу с целью более равномерного теплоотвода и охлаждения листовых заготовок из высокопрочных сталей, особенно при закалке толстолистового проката (более 8 мм) для обеспечения его сквозной прокаливаемости и высокой планшетности. Наличие последовательных секций позволяет обеспечить требуемую интенсивность охлаждения заготовки в каждой отдельной секции для обеспечения требуемых закалочных структур, в зависимости от марки материала и толщины заготовки, и при этом минимизировать появление закалочных дефектов. В оптимальной конструкции устройства закалочная роликовая машина содержит две последовательные секции - интенсивного и замедленного охлаждения. В результате проведенных экспериментов было определено, что такое поэтапное двухсекционное охлаждение заготовки позволяет осуществлять надёжную закалку листов толщиной от 1,5 до 90 мм из высокопрочных марок сталей при обеспечении высокой планшетности закаленных изделий. В первой секции интенсивного охлаждения отбор тепла от термообрабатываемой заготовки осуществляется с высокой скоростью, что необходимо для формирования в структуре металла мартенситных структур. Во второй секции замедленного охлаждения отбор тепла от термообрабатываемой заготовки осуществляется с меньшей скоростью, что необходимо для снижения напряжений, возникающих при трансформации структуры металла в процессе закалки и обеспечения высокой плоскостности изделий. Чтобы обеспечить такие условия термообработки реализована оптимальная конструкция системы охлаждения, при которой в зоне интенсивного охлаждения от каждого коллектора охлаждающей воды, размещенного в межроликовом пространстве, запитано два ряда форсунок, причем расположены они в шахматном порядке для более равномерного распределения охладителя по ширине заготовки, а в зоне замедленного охлаждения - один ряд форсунок. Это позволяет обеспечить требуемую интенсивность охлаждения заготовки в каждой секции. В результате проведенных экспериментов было установлено, что в оптимальном варианте конструкции машины закалочной роликовой соотношение длин секций интенсивного и замедленного охлаждения должно находится, соответственно, в пределах 1:1 - 1:3. Только в этом случае достигается максимальная производительность и компактность агрегата при обеспечении заданных технологических режимов закалки листовых заготовок из высокопрочных сталей толщиной от 1,5 до 90мм. Кроме того при расширении марочного сортамента и толщины закаливаемых изделий количество секций охлаждения в закалочном агрегате может быть увеличено до трёх и более, что позволяет расширить его технологические возможности ввиду возможности создания различной интенсивности охлаждения закаливаемых заготовок в каждой отдельной секции.

Важным моментом процесса закалки является равномерная подача охладителя с заданной интенсивностью по всей ширине листа, что достигается размещением форсунок рядами по ширине листа в необходимом количестве и запитыванием их от коллекторов охлаждающей воды, расположенных в межроликовом пространстве. В оптимальной конструкции закалочной машины в зоне интенсивного охлаждения от каждого коллектора охлаждающей воды, размещенного в межроликовом пространстве, запитано два ряда форсунок, при этом последние расположены в шахматном порядке, а в зоне замедленного охлаждения - один ряд форсунок. Питание форсунок от коллекторов охлаждающей воды, размещенных в межроликовом пространстве, позволяет, кроме того, обеспечить компактность конструкции закалочной машины, а также обеспечить надёжность её работы и простоту обслуживания.

По завершению процесса закалки осуществляют термообработку заготовок в печи отпуска, которая оптимально выполняется в виде печи с газовым нагревом, оснащённой роликовым или выкатным подом. Такая конструкция обеспечивает высокую производительность и низкую себестоимость финального процесса термообработки.

Конструкция и принцип работы заявленного комплекса поясняются чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - общий вид комплекса, фиг. 2 - общий вид (продольный разрез) машины закалочной роликовой, фиг. 3 - общий вид (продольный разрез) машины закалочной роликовой оптимальной конструкции; фиг.4 - схема подачи и распределения охладителя по ширине заготовки в процессе её закалки. Комплекс включает установленные в технологическую линию печь нагревательную I, машину закалочную роликовую II и печь отпуска III (фиг.1). Закалочная машина II включает (фиг. 2, 3): нижний стационарный ряд приводных роликов 1 и верхний ряд приводных роликов 2 с возможностью вертикального перемещения для создания транспортного туннеля для листовой заготовки 3, которая последовательно перемещается в секциях интенсивного 4 и замедленного 5 охлаждения, где осуществляется её закалка путем подачи охладителя сверху и/или снизу листовой заготовки из форсунок 6, размещенных рядами по ширине листа и запитанных от коллекторов охлаждающей воды 7, которые расположены в межроликовом пространстве. Форсунки 6 позволяют осуществлять равномерную и надежную подачу охладителя с заданным расходом по всей ширине заготовки в соответствии со схемой, представленной на фиг.4. В результате этого на выходе из агрегата достигается однородная структура металла по всему периметру листовой заготовки при отсутствии градиента физико-механических свойств и обеспечении её высокой планшетности. В оптимальной конструкции машина закалочная роликовая (фиг.2) содержит две последовательные секции - интенсивного и замедленного охлаждения. При технологической необходимости количество секций охлаждения в закалочном агрегате может быть увеличено, например, в случае расширения марочного и толщинного сортамента термообрабатываемых изделий. Так, на фиг.3 изображена машина закалочная роликовая, включающая три секции охлаждения, с возможностью посекционного регулирования расхода подаваемого охладителя. Это позволяет расширить технологические возможности агрегата ввиду возможности обеспечения различной интенсивности охлаждения закаливаемой заготовки в каждой отдельной секции.

Конструкция заявленного комплекса раскрывается в примере его работы. В качестве исходной заготовки используют лист габаритами 1500×5000×5мм из высокопрочной легированной стали (табл. 1), изготовленный на широкополосном стане 2000 горячей прокатки ПАО «ММК». Заготовка поступает по рольгангу в нагревательную печь, где осуществляют её нагрев до температуры ~930°С, после чего её подают в роликовую закалочную машину, где она передвигается между верхним и нижним рядами приводных роликов, не испытывая при этом изгибо-растяжных напряжений. Закалку заготовки осуществляют в последовательных секциях интенсивного и замедленного охлаждения, заданные технологические режимы термообработки в каждой секции обеспечивают регулированием расхода подачи охладителя через форсунки, а также вариацией скорости движения заготовки. В результате равномерного охлаждения по всей ширине и площади заготовки, в заданных технологических режимах, достигается высокая плоскостность изделия после закалки. На выходе из закалочной машины лист с температурой не более 30°C снимается грузоподъёмным механизмом и укладывается в штабель для задачи в печь отпуска. Отпуск осуществляется в печи с газовым обогревом в температурном диапазоне 150-350°C в течение 6-8 ч. После финальной термообработки готовые изделия имеют следующие свойства: временное сопротивление разрыву(γ_в) 1520-1570 МПа; относительное удлинение (A₅) 11-13%; твердость (HBW) 460-485; работа удара (KV^-70) 21-22Дж, неплоскостность (Н_л) ≤ 3,0 мм/м. Механическая правка листов после операций закалки и отпуска не проводится. Готовые изделия укладываются в штабель и после упаковки передаются на склад готовой продукции.

Таблица 1

Массовая доля, %
C	Mn	Si	Cr	Al	V	Cu	Ni	Nb	Ti	B	Mo
0,26	0,60	0,40	0,07	0,05	0,012	0,15	1,42	0,011	0,016	0,003	0,16

Claims (4)

1. Комплекс для закалки и отпуска стального листового высокопрочного проката, содержащий установленные в технологическую линию нагревательную печь, агрегат для закалки и печь отпуска, отличающийся тем, что агрегат для закалки выполнен в виде машины закалочной роликовой, содержащей нижний стационарный ряд приводных роликов и верхний ряд приводных роликов с возможностью вертикального перемещения для создания транспортного туннеля для листового проката, проходящего между роликами, но не испытывающего изгибо-растяжных напряжений, при этом соотношение шага к диаметру роликов находится в пределах 4,9:1 - 1,1:1; указанная машина включает не менее двух последовательных секций охлаждения - интенсивного и замедленного охлаждения, которые выполнены с возможностью осуществления закалки путём подачи охладителя сверху и/или снизу листового проката через форсунки, размещенные рядами по ширине листа и запитанные от коллекторов охлаждающей воды, расположенных в межроликовом пространстве, с возможностью посекционного регулирования расхода подаваемого охладителя.

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что нагревательная печь выполнена в виде роликовой резистивной электропечи или установки с индукционным нагревом, или роликовой печи с косвенным газовым нагревом.

3. Комплекс по п. 1 или 2, отличающийся тем, что печь отпуска выполнена в виде печи с газовым нагревом, оснащённой роликовым или выкатным подом.

4. Комплекс по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что последовательные секции интенсивного и замедленного охлаждения выполнены c соотношением длин, соответственно в пределах 1:1 - 1:3, при этом в секции интенсивного охлаждения от каждого коллектора охлаждающей воды, размещенного в межроликовом пространстве, запитано два ряда форсунок, расположенных в шахматном порядке, а в секции замедленного охлаждения - один ряд форсунок.