способ изготовления полосы из пружинных сталей и ее последующей обработки

Формула изобретения

1. Способ поточного изготовления полосы из пружинных сталей и ее последующей обработки, включающий непрерывную разливку полосовой заготовки, ее индукционный подогрев с выравниванием температуры по сечению, совмещенную прокатку по меньшей мере в одной задающей и в планетарной клети, последующую прокатку в калибрующих валках, отличающийся тем, что полосовую заготовку отливают сечением, отношение сторон которого составляет 0,7 - 0,8, а толщина 55 - 65 мм, температуру заготовки в индукторе выравнивают на уровне, обеспечивающем вход заготовки в планетарную клеть с температурой 920 - 970^oC, в задающих клетях заготовку редуцируют по ширине в один - два прохода до ширины 64 - 66 мм, при общей вытяжке в этих клетях 1,2 - 1,25, с одновременным приданием ее боковым граням выпуклой формы, до задачи в планетарную клеть на верхней и нижней гранях заготовки предварительно формируют по две выпуклости, в планетарной клети получают полосу толщиной 8,4 - 8,5 мм при вытяжке 6,5 - 7,5 в калибрующих валках полосу обжимают за один проход до толщины 8 мм при вытяжке 1,05 - 1,06, контролируют температуру конца прокатки в диапазоне 900 - 850^oC посредством регулирования величины подачи на один планетарный валок, подогревают готовую полосу индукционным или электроконтактным методом до температуры 900 - 1000^oC, формируют петлю полосы, за петлей периодически останавливают полосу, отрезают заданные длины с одновременным перфорированием отрезков полосы, после чего отрезки полосы гнут в потоке в горячем состоянии в пружинные скрепления для рельсов и в потоке с того же нагрева производят их закалку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпуклости на широких гранях заготовки формируют непосредственно при разливке путем использования кристаллизатора с полостью соответствующей формы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпуклости на широких гранях заготовки формируют под кристаллизатором путем деформации корочки слитка на участке его неполного затвердевания.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпуклости на широких гранях заготовки формируют при редуцировании ее в задающей клети.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что закалку производят с помощью водовоздушных форсунок с охлаждением изделий до температуры 200 - 220^oC.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что закалку производят в масляной ванне.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что после закалки производят отпуск с нагревом до температуры 450 - 500^oC и динамическое старение пружинного скрепления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургической промышленности, конкретно к технологии производства стальной полосы посредством совмещенного процесса непрерывной разливки и прокатки и ее последующей обработки.

Традиционные способы поточного изготовления стальной полосы с совмещением процессов непрерывной разливки и последующей прокатки предусматривают использование, за радиальным или иного типа кристаллизатором машины непрерывной разливки плоской стальной заготовки, обычных клетей продольной прокатки полосы, например, кварто (см. , например, заявку PCT 89/11363, кл. B 21 B 1/46, 1989). Между этими двумя этапами технологического процесса (разливка и прокатка) заготовку подогревают, в частности, индукционным методом для выравнивания температуры по сечению, так что прокатка ведется в большей степени с использованием первородного тепла, запасенного заготовкой при разливке. Несмотря на это технологический процесс не является в полной мере поточным, т. к. разница скоростей разливки и прокатки слишком велика для того, чтобы напрямую, без разрывов, связать эти процессы. Поэтому заготовку между этими этапами процесса периодически режут, а для того, чтобы увеличить развес рулона на выходе из стана, производят перед прокаткой промежуточную намотку-размотку, что накладывает ограничения на толщину отливаемой заготовки и производительность процесса и усугубляет проблему сохранения тепла в ней. Эти недостатки особенно заметны при изготовлении сравнительно неширокой полосы.

Более совершенным и перспективным является использование после непрерывной разливки процесса планетарной прокатки полосы (см., например, заявку PCT 92/08557, кл. B 21 B 27/06, 1992). Планетарная прокатка характерна малой скоростью заготовки на входе в стан, соизмеримой со скоростью разливки, что существенно упрощает решение проблемы совмещения этих двух процессов в единый поточный процесс. Высокие обжатия при планетарной прокатке компенсируют низкую скорость на входе и обеспечивают необходимую производительность. В известном способе после планетарной прокатки предусмотрен участок обычной прокатки, а для сохранения поточного характера процесса между клетями 4-клетьевой группы полосового стана предусмотрен индукционный подогрев полосы на ходу. Однако большая суммарная вытяжка на этапе прокатки предопределяет и большое сечение исходной заготовки, что снижает скорость разливки. С другой стороны, большая скорость прокатки в последних клетях полосового стана требует заметного увеличения протяженности межклетьевых индукторов, т.е. протяженности всей установки.

С этой точки зрения оптимальной является схема совмещения непрерывной разливки и прокатки, в которой прокатный передел минимизирован по количеству проходов и протяженности участка прокатки. Такой технологический процесс описан, например, в книге А.И. Целикова и В.И. Зюзина "Современное развитие прокатных станов".- М.: Металлургия, 1972, с. 155 - 156, рис. 60. Указанный способ поточного производства полосы наиболее близок по технической сущности к изобретению и может быть принят за прототип.

Известный способ включает в себя непрерывную разливку полосовой заготовки, ее подогрев с выравниванием температуры по сечению, совмещенную прокатку по меньшей мере в одной задающей и в планетарной клети и последующую в калибрующих валках. Способ предназначен для получения полосы шириной 420 мм.

Информация об известном способе не содержит рекомендаций по технологическим режимам процесса, в частности, для пружинных сталей, являющихся объектом технологии, разработанной в изобретении. При прокатке специальных, в частности, пружинных сталей для стабильного получения заданных физико-механических свойств особое значение приобретает соблюдение оптимальных температурно-деформационно-скоростных параметров в узком интервале на всех этапах обработки, обеспечивающих высокую степень химической и структурной однородности материала. Это особенно важно для дальнейшего изготовления из полосы изделий высокоответственного назначения. К таким изделиям относятся, в частности, новые пружинные скрепления для рельсов, обеспечивающие повышенную долговечность и надежность удержания рельсовых путей, особенно на скоростных магистралях (см. журнал "Металлург", 1995, N 6, с. 33 - 34).

Можно отметить также, что известный способ, хотя и носит поточный характер, завершается на стадии получения полосы, смоткой ее в рулон, а последующая обработка полосы и получение из нее специфических изделий высокоответственного назначения в рамках описанного технологического процесса вообще не рассматривается. Между тем чрезвычайно важно распространить принцип поточности и на последующую обработку полосы, а не только на ее изготовление в качестве заготовки для изделий: такое распространение позволяет использовать все преимущества поточного технологического процесса - высокую производительность, экономичность в отношении энергетических затрат и выхода годного, компактность и широкие возможности автоматизации процесса. Это особенно важно, учитывая высокий спрос на новые типы рельсовых скреплений, диктующий необходимость их массового производства. Совмещение поточного металлургического передела, характеризующегося очень высокой производительностью, с этапом последующей обработки полосы и получения из нее изделий, пользующихся массовым спросом, является одним из перспективных путей организации сконцентрированного на сравнительно небольших площадях технологического процесса массового производства этих изделий и удовлетворения, таким образом, с наименьшими издержками, спроса на них (протяженность железнодорожных путей только в нашей стране не требует пояснений).

Особенностью технологического процесса согласно изобретению является также сравнительно небольшая ширина получаемой полосы, диктуемая параметрами готового изделия, которое из нее изготавливается. Это создает дополнительные проблемы как в части сохранения технологического тепла, так и в части выбора оптимальных режимов разливки и прокатки. Использование широкой исходной заготовки потребовало бы ее последующего продольного роспуска на узкие полосы, что заметно усложнило бы технологию. Даже при ширине полосы, получаемой в способе-прототипе (420 мм), получение требуемой по условиям описываемой технологии ширины полосы (65 мм) означало бы роспуск исходной полосы по крайней мере на 6 частей.

Таким образом, задачей изобретения является получение качественной узкой полосы из пружинных сталей и последующая ее обработка в изделия, с обеспечением заданных и стабильных физико-механических свойств в узком диапазоне характеристик, а также обеспечение совмещения в единый технологический поток всех этапов как изготовления полосы, так и ее последующей обработки, при сохранении всех достоинств принятой схемы совмещения непрерывной разливки и прокатки на участке изготовления полосы.

Указанная задача решается тем, что в способе поточного изготовления полосы из пружинных сталей и ее последующей обработки, включающем непрерывную разливку полосовой заготовки, ее индукционный подогрев с выравниванием температуры по сечению, совмещенную прокатку по меньшей мере в одной задающей и в планетарной клети, последующую прокатку в калибрующих валках, согласно изобретению, полосовую заготовку отливают сечением, отношение сторон которого составляет 0,7 - 0,8, а толщина 55 - 65 мм, температуру заготовки в индукторе выравнивают на уровне, обеспечивающем вход заготовки в планетарную клеть с температурой 920 - 970^oC, в задающих клетях заготовку редуцируют по ширине в один-два прохода до ширины 64 - 66 мм, при обще вытяжке в этих клетях 1,2 - 1,25, с одновременным приданием ее боковым граням выпуклой формы, до задачи в планетарную клеть на верхней и нижней гранях заготовки предварительно формируют по две выпуклости, в планетарной клети получают полосу толщиной 8,4 - 8,5 мм при вытяжке 6,5 - 7,5, в калибрующих валках полосу обжимают за один проход до толщины 8 мм при вытяжке 1,05 - 1,06, контролируют температуру конца прокатки в диапазоне 900 - 850^oC посредством регулирования величины подачи на один планетарный валок, подогревают готовую полосу индукционным или электроконтактным методом до температуры 900 - 1000^oC, формируют петлю полосы, за петлей периодически останавливают полосу, отрезают заданные длины с одновременным перфорированием отрезков полосы, после чего отрезки полосы гнут в потоке в горячем состоянии в пружинные скрепления для рельсов и в потоке с того же нагрева производят их закалку.

Кроме того, выпуклости на широких гранях заготовки формируют непосредственно при разливке путем использования кристаллизатора с полостью соответствующей формы.

Кроме того, выпуклости на широких гранях заготовки формируют под кристаллизатором, путем деформации корочки слитка на участке его неполного затвердевания.

Кроме того, выпуклости на широких гранях заготовки формируют при редуцировании ее в задающей клети.

Кроме того, закалку производят с помощью водовоздушных форсунок, с охлаждением изделий до температуры 200 - 220^oC.

Кроме того, закалку производят в масляной ванне.

Кроме того, после закалки производят отпуск с нагревом до 450 - 500^oC и динамическое старение пружинного скрепления.

Технологические параметры и условия на разных этапах технологического процесса взаимосвязаны и лишь в совокупности приводят к достижению того технического результата, который был сформулирован выше в качестве задачи изобретения.

Выбор исходного сечения полосовой непрерывнолитой заготовки диктуется параметрами конечного продукта и, кроме того, такое сечение является благоприятным с точки зрения быстрой и в то же время качественной кристаллизации слитка, возможности литья под уровень, сокращения протяженности наиболее опасного с точки зрения возможности прорыва корочки слитка участка с незастывшей полностью сердцевиной, обеспечивает достаточную проработку металла при дальнейшем обжатии, при соблюдении оптимальных режимов, учитывая специфику пружинной стали. Соотношение сторон сечения исходной заготовки позволяет получить в задающей клети - одной или максимум двух подкат необходимого сечения для планетарной клети путем редуцирования заготовки по ширине.

Задающие клети перед планетарной клетью играют также роль демпфера, поглощающего вибрационные осевые усилия, возникающие при планетарной прокатке ввиду дискретного режима деформаций в ней, так что эти вибрации не достигают зоны непрерывной разливки, где они могли бы неблагоприятно сказаться на режиме непрерывной разливки и качестве слитка.

Особенностью процесса планетарной прокатки является связанное с высокими обжатиями тепловыделение, позволяющее не только сохранять нужную температуру на выходе из планетарной клети по сравнению с температурой на входе, но и обеспечить ее возрастание на 20 - 50^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, попутно существенно снижая или исключая обезуглероживание стали, что благоприятно сказывается на качестве получаемой полосы (и в дальнейшем изделия). Исследования показали, что если задавать заготовку из пружинных сталей в планетарную клеть при температуре 920 - 970^oC, этого достаточно как для поддержания температурного интервала планетарной прокатки и последующего калибровочного прохода, так и для обеспечения нужной по условиям контролируемой прокатки температуры конца прокатки. Из этого условия определяется режим индукционного подогрева.

В задающей клети (или в двух задающих клетях) заготовку редуцируют по ширине за один (или два) прохода до ширины 64 - 66 мм, этот размер определяется конструкцией получаемого из полосы изделия. При этом необходимая вытяжка в пределах 1,2 - 1,25 без труда обеспечивается за указанное количество проходов.

При редуцировании бочкам вертикальных валков задающих клетей придают вогнутую форму, обеспечивающую получение боковых граней выпуклой формы. Это целесообразно делать потому, что при планетарной прокатке, за счет локализации зоны деформации каждым планетарным валком по глубине в приповерхностном слое заготовки, возникает искажение формы боковых граней в направлении их вогнутости (за счет уширения приповерхностных слоев). Предварительное придание боковым граням выпуклой формы компенсирует это нежелательное последствие, в результате боковые грани заготовки получают форму, близкую к правильной плоской.

При подаче плоской заготовки в планетарную клеть в момент входа планетарного валка в контакт с заготовкой сразу по всей ее ширине возникает ударная нагрузка. Для снижения нежелательных последствий такой ударной нагрузки целесообразно предварительно формировать на верхней и нижней гранях заготовки двойные выпуклости. Опираясь на валки этими выпуклостями, заготовка достаточно жестко фиксируется в зеве валков, в то же время площадь первоначального контакта и ударная нагрузка на валок и заготовку существенно уменьшаются. Указанные выпуклости можно формировать на разных этапах технологической цепочки: непосредственно в кристаллизаторе, у которого полость имеет соответствующую форму; либо под кристаллизатором, на участке неполного затвердевания слитка путем деформации корочки слитка тянущими роликами, имеющими соответствующую профилировку; либо, наконец, при редуцировании заготовки по ширине в задающих клетях, при этом наплывы на границах широких граней заготовки возникают как следствие ограниченного проникновения деформации в направлении к средней зоне сечения, ее локализации в прикромочных зонах. В последнем случае, для создания условий свободного образования наплывов необходимо применять гладкие вертикальные валки в задающей клети. При небольшой ширине редуцируемой полосы отсутствие удерживающих калибров, обычно применяемых при редуцировании, не отразится на устойчивости полосы и ее качестве, а точнее отразится в нужную сторону, т.к. обычно нежелательные наплывы в нашем случае как раз используются целесообразно.

В планетарной клети, при сравнительно небольшой для этого типа клетей вытяжке (6,5 - 7,5), получается на выходе практически толщина, уже близкая к конечной. Для получения окончательной толщины (8 мм) достаточно одного калибровочного прохода с вытяжкой 1,05 - 1,06. Это означает, что прокатный передел фактически ограничивается участком планетарной прокатки, а это благоприятно отражается на сохранении тепла заготовкой, используемого в дальнейшем переделе.

Последний калибровочный проход осуществляют в режиме контролируемой прокатки, т. е. с поддержанием заданной температуры полосы. При этом возможные отклонения этой температуры от заданного диапазона (900 - 820^oC) могут корректироваться посредством регулирования в планетарной клети величины подачи на один планетарный валок. Как уже указывалось, процесс планетарной прокатки специфичен по тепловому режиму: значительные вытяжки приводят к выделению тепла. При этом тепловой режим зависит от величины подачи на валок, т.е. в конечном счете от скорости деформации. Это обстоятельство и позволяет использовать величину подачи для воздействия на температуру.

Незначительный подогрев на ходу готовой полосы (на 50 - 100^oC) индукционным или электроконтактным методом создает условия для сохранения запаса тепла для последующих операций. Оба эти метода являются достаточно скоростными (что при небольшом уровне подогрева предопределяет малую протяженность соответствующих нагревательных устройств) и в то же время гарантируют отсутствие вторичного окисления, а также и обезуглероживания поверхностного слоя металла, что при других методах нагрева является серьезным недостатком.

Подогретая полоса аккумулируется в петлю, чтобы дать возможность ее периодической остановки и реза на заданные отрезки, длина которых определяется длиной развертки готового изделия. Одновременно с этим отрезки полосы перфорируются на том же прессе, который осуществляет рез, а затем на втором гибочном прессе из них формируют в горячем состоянии пружинные скрепления для рельсов. И хотя последние операции являются дискретными, т.е. производятся со штучными заготовками, они не нарушают поточного характера всего процесса, поскольку ведутся с заданной производительностью потока (для выполнения этого условия достаточно установить две линии гибочных прессов параллельно) и с предшествующего нагрева в потоке. Более того, вышедшие из пресса готовые изделия подвергают закалке с того же нагрева, т.к. температура изделия после его гибки позволяет не производить специальный нагрев под закалку и осуществлять последнюю в потоке. Это одно из дополнительных преимуществ технологии, позволяющее сохранить высокую производительность потока (что, как уже говорилось, существенно для массового производства) и обеспечить хорошие энергосберегающие показатели процесса. Для уменьшения внутренних напряжений и повышения вязкости материала пружинное скрепление после закалки подвергают отпуску и динамическому старению. Возможна также дальнейшая очистка пружинного скрепления и поверхностное упрочнение с помощью дробеструйной обработки.

Весь процесс (включая закалку) занимает около 10 - 12 мин на один цикл.

На чертеже показана конструкция пружинного скрепления, получаемого на выходе процесса.

Пример осуществления способа.

Для стали марки 60С2Н2 непрерывную разливку после выплавки вели в заготовку сечением 60 х 80 мм под уровень зеркала металла с применением стакана-дозатора. При определенных режимах раскисления металла, обеспечивающих высокую жидкотекучесть, получена практически полностью столбчатая структура металла с очень узкой приповерхностной зоной мелких равноосных кристаллов. В осевой зоне имелась небольшая пористость, которая практически полностью ликвидировалась при дальнейшей планетарной прокатке. В процессе разливки кристаллизатору придавалось осевое качательное движение 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. Температура заготовки на входе в задающую клеть для этой марки стали составляла 950^oC. В задающей клети заготовка редуцировалась по ширине до размера 65 мм (вытяжка 1,23) в гладких вертикальных валках. При этом по краям широких граней заготовки (верхней и нижней) образовались наплывы высотой 1,5 мм и шириной 6 мм. Вертикальные валки задающей клети имели вогнутый профиль бочки со стрелой прогиба 12 мм, вследствие чего боковые грани заготовки после задающей клети приобрели выпуклую форму с той же стрелой прогиба. Далее в планетарной клети типа Сендаимир заготовку обжимали с вытяжкой 7 в полосу толщиной 8,5 мм. При этом боковые грани заготовки приняли форму, близкую к плоской, а наплывы на широких гранях были раскатаны, сыграв свою положительную роль на входе в клеть, где они смягчали удары валков о заготовку при входе в контакт. Сразу за планетарной клетью, откуда полоса выходила со скоростью 0,4 м/с (при скорости разливки 2,8 м/мин), полосу обжимали с вытяжкой 1,06 до толщины 8 мм, при этом температура конца прокатки составила 880^oC. После калибровочной клети полосу пропускали через индуктор, где она подогревалась до 1000^oC и поступала в петлевой аккумулятор-термостат. На выходе из аккумулятора тянущими роликами полоса периодически останавливалась после того, как заданная длина полосы подавалась в делительно-перфорационный пресс. После остановки и включения пресса отрезалась от полосы заданная длина и одновременно в полосе пробивались отверстия (их назначение - для крепления изделия при эксплуатации посредством болтов). После делительно-перфорационного пресса отрезки полосы стрелкой раздавались на два параллельных потока, на каждом из которых установлен гибочный пресс. В этих прессах отрезки полосы гнули в пружинные скрепления для рельсов (см. чертеж). Температура изделий на выходе из этих прессов составляла 930^oC, при подаче к участку закалки она снизилась еще до 870^oC, и с такой температуры производилась в потоке закалка с помощью воздушно-водяных форсунок. Затем изделие подвергалось отпуску с нагревом до 520^oC и динамическому старению.

Контроль полосы после прокатки в планетарной клети и в калибровочной клети показал, что металл 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 металла катанки. Металлографический контроль показал, что по всем видам включений (оксиды, сульфиды, силикаты, нитриды) содержание находится в допустимый пределах на уровне 0,5 - 1,5 балла. Установлена также высокая однородность свойств по длине опытного рулона (образцы брались через каждые 35 м). Содержание углерода также стабильно по длине опытного рулона и максимально отклоняется от маркировочного не более чем на 0,04%.

Соответственно готовое изделие (скрепление) после термообработки имело твердость H - 49, отбраковки по обезуглероживанию не было. Испытание готового скрепления показало его соответствие всем установленным требованиям.