Развитие технологии производства арматурной стали на основе исследования и формирования рациональных показателей качества продукции в условиях отечественного мини-завода (А. В. Наливайко, А. Б. Стеблов, О. Н. Тулупов, Д. И. Кинзин) // Труды 8-го конгресса прокатчиков. Том 1.Магнитогорск, 11-15 октября 2010, с. 236-243

 

Эффективность производства сортового проката, в частности, арматурной стали на отечественных мини-заводах определяется использованием технологических и производственных резервов, направленных на формирование рационального уровня качественных показателей проката и стабильное их обеспечение.

Характерным примером современного отечественного металлургического мини-завода является ГУП «ЛПЗ» в г. Ярцево Смоленской области, построенный по решению Правительства г. Москвы для удовлетворения потребностей Москвы и Центрального федерального округа в строительной арматуре. Используя основные принципы функционирования мини-завода, основанные на утилизации собираемого в регионе металлического лома, завод в 2009 году отгрузил потребителя более 197 тыс.тонн арматуры класса А500С диаметром 12-25 ммпо СТО АСЧМ 7-93. Вся номенклатура продукции сертифицирована в системе  «Мосстройсертификация».

Сталеплавильный комплекс завода способен выплавить и разлить до 220 тыс. т заготовки в год. Сталь выплавляется в электродуговой печи ДСП-30 с эркерным выпуском. После выплавки сталь корректируется по химическому составу и температуре в агрегате ковш-печь АПК-30. Непрерывнолитая заготовка (НЛЗ) из стали Ст3сп по ГОСТ 380 разливается на двухручьевой МНЛЗ радиального типа Рабочая скорость разливки заготовки сечением 125×125 мм из стали Ст3сп составляет 2,7 м/мин Качество заготовки обеспечивается  в соответствии с требованиями ТУ 0885-01-70067945–2007.

Производство арматуры на заводе осуществляется методом горячей прокатки на 18 клетьевом стане 320 из квадратной заготовки сечением 125х125 мм длиной от 4000 до 12 000мм. После выхода из чистовой клети арматура проходит последующее упрочнение для достижения класса прочности А500С на 12-ти секционной установке термоупрочнения.

Особенностью производства арматуры на ГП «ЛПЗ» является преимущественно горячий посад заготовки (около 80%). Прокатка заготовки осуществляется в «одну нитку» без использования технологии слиттинга. Температура профилей с номинальным диаметром 12…32 мм.после установки термоупрочнения составляет  520…650оС. После порезки на барабанных делительных ножницах раскат длиной 60÷74 м охлаждается на реечном холодильнике, режется на мерные заказные длины на ножницах холодной резки и поступает на участок пакетирования и упаковки готовой продукции.

Контроль механических свойств проката производится в лаборатории механических испытаний. Лаборатория оснащена необходимым современным испытательным оборудованием, в том числе разрывной машиной фирмы  «Zwick» с усилием разрыва 1200 КН.

В период пуска стана и освоения технологии для подготовки к сертификации продукции от каждой плавки отбиралось по 3 пробы для проведения механических испытаний, а на некоторых плавках и до 6-8 проб. Пробы отбирались случайным образом от раскатов прокатанных заготовок в начале, середине и в конце плавки.

Одной из задач, связанных с формированием условий производства качественного проката являлось изучение и совершенствование режима нагрева заготовок для стабилизации параметров технологического процесса.

С целью совершенствования технологии нагрева заготовок были проведены исследования по определению теплосодержания заготовки в момент посада в печь. В качестве критерия оценки взята расчетная среднемассовая температура (Тсм) по сечению заготовки. С этой целью выполнен расчет изменения температуры по сечению заготовки от начала разливки до момента посада заготовки в нагревательную печь. Расчетные данные получены по математической модели кристаллизации и остывания заготовки [3]. Расчет выполнен для стали Ст3сп с углеродным эквивалентом Cэ = 0,34 и температуры начала разливки То = 1550 °С. Расчеты выполняли при варьировании скорости разливки υp от 2,4 до 4,2 м/мин с интервалом 0,2 м/мин. После порезки заготовки на ножницах МНЛЗ заготовка остывает на воздухе в течение τ = 110 с.

Использована инженерная модель, которая в упрощенном виде позволяет выполнить расчет Тсм по сечению заготовки в момент реза на ножницах (τ = 0 с) и при остывании на воздухе (τ = 110 с — момент посада заготовки в нагревательную печь):

Тсм = 865,1 + 74,3υp – 1,73τ,                                                           ( 1 )

Стандартная ошибка уравнения регрессии σош составила 5,9 °С.

Расчет по формуле (1) показывает, что при скорости разливки υp = 2,4 м/мин в момент порезки на ножницах МНЛЗ температура заготовки составила: Тсм = 1043 °С, в центре Тц = 1092 °С, на поверхности Тп ≈ 960 °С. За время транспортирования до нагревательной печи среднемассовая температура заготовки снижается примерно на 160 °С (табл. 1).

Таблица 1. Результаты расчета температурного состояния заготовки сечением 125×125 мм в момент порезки на ножницах МНЛЗ и при посаде в нагревательную печь при разных скоростях разливки

Скорость разливки υp, м/мин

Температура, °С

на ножницах МНЛЗ, °С

в момент посада в печь

Тп

Тц

Тсм

Тп

Тц

Тсм

2,4

959

1092

1043

822

896

854

3,5

1003

1176

1125

857

952

934

4,2

1069

1272

1177

924

1042

987

В процессе работы было установлено, что при прохождении заготовки по линии стана возникает разница по температуре передней и хвостовой частей заготовки. В случаях, когда длительность прокатки заготовки составляла 100–120 с, температура хвостовой части раската после чистовой клети была ниже температуры передней части более чем на 40 °С. Это объясняется следующим. Выданная из печи заготовка передается к первой клети стана. При этом ее передняя часть находится на подводящем рольганге до захвата первой клетью стана некоторое время τ0. После захвата передней части скорость заготовки становится равной начальной скорости прокатки на непрерывном стане (0,1 м/с), а время нахождения хвостовой части на подводящем рольганге составит τ0прпр — время прокатки заготовки). Это обстоятельство вызывает возникновение температурной неравномерности по длине заготовки (температурный клин) с понижением температуры к хвостовой части заготовки. Прокатка на непрерывном стане раската с температурным клином при пониженной температуре хвостовой его части увеличивает зазор между валками при прохождении металла с более низкой температурой, что вызывает изменение продольных межклетевых усилий в раскате (подпора, натяжения). Указанные обстоятельства снижают точность геометрических параметров готового проката по длине. Кроме того, неравномерный характер изменения температуры металла по длине заготовки сохраняется в течение всего процесса прокатки и совпадает с характером изменения силы тока двигателей приводов клетей стана. Это создает трудности с настройкой и поддержанием режима минимального натяжения при прокатке на стане. Изменение температуры окончания прокатки приводит также к появлению неоднородности механических свойств по длине раската.

С целью повышения однородности механических свойств по длине проката было предложено используя методику [4] осуществлять нагрев заготовок перед прокаткой, обеспечивая в процессе нагрева «обратный температурный клин».

При этом для корректировки режимов нагрева предложено использовать зависимость:

ΔT = k(T0–610)L0μоб/υпр,                                                    ( 2 )

где  ΔT  обеспечиваемое в печи превышение температуры хвоствой части заготовки над головной (обратный температурный клин), k — коэффициент пропорциональности 0,0005÷0,0008 учитывает размеры сечения заготовок от 80х80 до 150х150 мм; T0 — температура нагрева заготовок, определяемая условиями прокатки, °С; L0 — длина заготовки, м; μоб — суммарная вытяжка металла при прокатке данного профиля; υпр — скорость прокатки в чистовой клети непрерывного стана, м/с.

Пример конкретной реализации:

При прокатке арматуры №16 из заготовки сечением 125х125 мм, длиной 11,7 мпри температуре 1150оС, суммарном коэффициенте вытяжки -77,75 и скорости выхода арматуры из чистовой клети -9 м/сек имеем

DT=0,00072( 1150-610) 11,7 х 77,75/ 9 = 39,3 оС.

В результате удалось в 2010 году произвести корректировку технологии нагрева заготовок в нагревательной печи стана, что обеспечило повышение однородности механических свойств по длине раската.

Для целенаправленного поиска технологических и производственных резервов, обеспечивающих стабильные качественные показатели арматуры был исследован уровень механических свойств готового проката и выполнен статистический  анализ данных сдаточных испытаний механических свойств и плавочного химического состава стали Ст 3сп за 2009 год.

Результаты анализа данных о химическом составе каждой плавки и механических свойств освоенных профилей по сдаточным испытаниям за 2009 год подтвердили приемлемый уровень и стабильность свойств выпускаемой продукции. Всего в выборке  генеральной совокупности  данных  было проанализировано 4074 данных партий по каждому показателю химического состава и механических свойств. Установлено, что распределение всех случайных величин в генеральной выборке соответствует нормальному закону. Средние значения основных химических элементов в стали, во многом определяющие уровень механических свойств арматуры класса прочности А500С, составляют:

С = 0,181 %; Si = 0,198 %; Mn =  0.607 %; Сэкв= 0.337 %,

где Сэкв – углеродный эквивалент - характеристика  стали, определяющая по массовой доли углерода и других элементов её склонность к структурным превращениям при нагреве и охлаждении изделия в зоне термического влияния. Иными словами Сэкв характеризует способность стали к свариваемости. 

Углеродный эквивалент по каждой плавке определялся в соответствии СТО АСЧМ 7-93    по формуле Международного института сварки (МИС):

                Mn     Cr + Mo + V    Ni + Cu

Сэкв= С + ── + ──────── + ──────              (2)

                  6              5                 15

В табл. 2 и 3 приведены статистические оценочные параметры механических свойств и плавочного химического состава по объединенному массиву данных для всего сортамента арматуры диаметром от 12 до 20 мм.

Таблица 2. Статистические характеристики уровня механических свойств арматуры номинальным диаметром 12–20 мм класса прочности А500С

Статистический параметр

Диаметр, мм

Масса 1 пог. м, кг

σт, Н/мм2

σв, Н/мм2

δ5, %

δn, %

σвт

Мин.

12

0,844

502

587

14

2,5

1,05

Макс.

20

2,548

754

824

27

11,9

1,3

среднее

16,45

1,678

615,2

681,6

19

5,6

1,11

S1

1,7

0,362

19,135

18,53

1,44

0,551

0,0121

V2

0,11

0,224

0,031

0,027

0,077

0,119

0,01

R (макс.– мин.) 3

8

1,704

252

237

13

9,4

0,25

1 Среднеквадратичное отклонение; 2 Коэффициент вариации;3.Размах значений

Таблица 3. Статистические характеристики плавочного химического состава стали Ст3сп

Статистический параметр

Содержание химического элемента в стали, мас. %  

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

Mo

V

Cэкв

Мин.

0,12

0,02

0,46

0,004

0,001

0,04

0,07

0,14

0,004

0,001

0,28

Макс.

0,28

0,3

1,09

0,047

0,046

0,61

0,51

0,71

0,078

0,009

0,46

среднее

0,181

0,198

0,61

0,015

0,021

0,125

0,136

0,272

0,014

0,002

0,34

S1.

0,013

0,021

0,041

0,005

0,006

0,034

0,028

0,039

0,004

0,001

0,016

V2

0,073

0,107

0,068

0,337

0,304

0,273

0,214

0,142

0,321

0,258

0,05

R (макс.– мин.) 3

0,12

0,2

0,63

0,053

0,045

0,57

0,44

0,57

0,064

0,007

0,18

 1 Среднеквадратичное отклонение; 2 Коэффициент вариации;3.Размах значений

Статистический анализ механических свойств (σт — физический предел текучести, Н/мм2; σв — временное сопротивление, Н/мм2; δ5 — относительное удлинение после разрыва, %; δn — относительное удлинение при максимальной нагрузке, %) и химического состава по отдельным выборкам для каждого из профилей (№ 12–20) не выявил статистически значимой разницы показателей качества в зависимости от диаметра. Уровень свойств практически одинаков на всех профилях и не зависит от диаметра или массы 1 погонного метра готовой арматуры.

Далее был выполнен регрессионный анализ и получены статистически значимые регрессионные уравнения для расчета механических свойств в зависимости от значимых факторов:

σт = 484,7 + 193[С] + 124,1[Si] + 54,9[Mn] + 132[Cr] + 574,5([C]/10 + [S]),                            (3)

при R = 0,67; σош = 17,8;

σв= 519,6 + 470,2[С] + 101,7[Si] + 47,4[Mn] + 102,6[Cr] + 418,7([C]/10 + [S]),                      (4)

при R = 0,69; σош = 16,2;

δ5 = 25,6 + 1,67[C] – 32,95[P] – 5,24[S] – 0,39[d],                                                                        (5)

при R = 0,72; σош = 1,4;

δn = 0,7 + 15,1[C] + 4,05[Si] + 5,0[Mn] – 10,9[Cr] + 1,1[Ni] – 42[Mo],                                     (6)

при R = 0,65; σош = 1,33.

Уравнения линейного вида (3)–(6) имеют достаточно высокие коэффициенты множественной корреляции. Основными факторами, влияющими на показатели прочности σт и σв, являются содержание C, Si, Mn, Cr. Показатели пластичности δ5 и δn зависят от содержания C, Si, Mn, Ni, Mo, P, S, Cr, причем последние четыре элемента снижают пластические свойства. На показатель δ5 оказывает влияние диаметр проката d. Ошибка уравнения регрессии σош по каждому показателю небольшая (относительная ошибка уравнения регрессии для σт — 2,8% от среднего значения; σв — 2,4%, для δ5 — 6,5%, δn — 1,33%). Это позволяет выполнять статистический прогноз показателей качества (механических свойств готового проката) по плавочному химическому составу еще до прокатки и в зависимости от содержания значимых химических элементов дать рекомендацию по температурным режимам прокатки и водяного охлаждения при производстве арматуры определенного диаметра.

Коэффициенты множественной корреляции R ≥ 0,4 при доверительной вероятности Р ≥ 0,95 удовлетворяют требованиям ОСТ 14-1-34–90 «Отраслевая система управления качеством в черной металлургии. Статистический контроль качества металлопродукции по корреляционной связи между параметрами». Проверка уравнений на статистическую значимость также подтверждает достоверность статистической связи между механическими свойствами и химическим составом стали. Однако следует заметить, что для более точного прогноза механических свойств следует продолжить статистические исследования на более значительном объеме информации и добиться значений R ≥ 0,85 по каждому показателю качества. В частности, расчетные коэффициенты эластичности, оценивающие степень влияния факторов уравнения регрессии на расчетный показатель качества (в процентах) показывают, что в данных уравнениях регрессии суммарное влияние выбранных факторов составляет не более 42–47%.

Очевиден тот факт, что достоверность уравнений регрессий будет значительно выше при введении новых, статистически значимых параметров технологии, например, температуры окончания прокатки, диаметра проката. Одновременно следует обратить внимание на довольно большие значения S – среднеквадратичного отклонения по механическим свойствам и всем химическим элементам. Отсюда следует вывод о необходимости корректировки режимов внепечной обработки стали для достижения высокой однородности металла по химическому составу, использовать унифицированную марку стали для всех стандартов (ГОСТ Р 52544, СТО АСЧМ 7–93, ГОСТ 10884), а также целесообразности уточнения температурно-скоростного режима прокатки и термоупрочнения.

О необходимости корректировки технологии прокатки свидетельствует и тот факт, что на всех профилях среднее значение σвт ≤ 1, тогда как оно должно быть не менее 1,15 для стандартной арматуры и 1,25 для арматуры, используемой в сейсмоопасных районах, При высоких абсолютных значениях σт и σв в выборке это позволило выявить необходимость уточнения режима термоупрочнения с исследованием микроструктуры по сечению проката.

Для обеспечения рациональных методов контроля качества в процессе работы стана в январе2010 г. были проведены исследования по изучению внутриплавочной неоднородности свойств металла. Для этой цели на арматуре № 25 кроме проб от середины заготовки отбирали пробы на последнем раскате той же заготовки. Всего были отобраны пробы от 22 плавок (табл. 4).

Таблица 4. Механические свойства проката для арматуры № 25 класса А500С 

Место отбора

Значение

σт, Н/мм2

σв, Н/мм2

δ5, %

Середина заготовки

Среднее

578,5

685,9

16,1

Минимальное

509

615

12,8

Максимальное

632

748

18,4

Макс.– мин.

123

133

5,6

Хвостовая часть заготовки

Среднее

576,4

683,1

16,3

Минимальное

529

632

14,4

Максимальное

630

736

18,5

Макс.– мин.

123

133

5,7

Из табл. 4 следует, что статистически значимой разницы между механическими свойствами проб в середине и в хвостовой части заготовки не наблюдается. На основании данных  результатов  было принято решение снизить количество отбираемых проб от каждой партии плавки до двух.

Для повышения эффективности процесса производства арматуры на основе использования результатов исследования уровня механических свойств была проведена дополнительная статистическая обработка данных на объёме 2900 плавок за 1-ое полугодие 2010 г. Установлено, что статистические показатели ( ,S,V, R) химического состава и механических свойств каждой из партии-плавки не превышают показатели в целом по марке стали. На основании полученных результатов была установлена стабильность механических свойств арматуры различных диаметров в пределах одной  и различных партий-плавок.

Для совершенствования производственного процесса на основании научно-обоснованных выводов о стабильности механических свойств было принято решение о разработке специальных технических условий на специальные партии арматуры, позволяющих осуществлять отгрузку продукции с использованием готового проката, произведенного из разных плавок. Разработка данных технических условий, осуществляемая при непосредственном участии авторов, должна быть завершена к концу 2010 года, что позволит существенно повысить эффективность формирования и отгрузки партий продукции по заказам потребителей при обеспечении надлежащего уровня качества.

В целях дальнейшего совершенствования технологии производства, повышения уровня механических и потребительских свойств арматуры была выполнена  работа по количественной оценки влияния параметров сквозной технологии на качество проката. Был разработан комплексный критерий оценки качества арматурной стали, который в настоящее время уточняется и совершенствуется с использованием структурно-матричного подхода, хорошо зарекомендовавшего себя при решении технологических задач и задач управления качеством в сортопрокатном производстве.

Комплексная оценка Ро = ( ),  где    - вектор (матрица)  параметров технологического процесса,   рассчитывается как совокупность  ij )на любом уровне иерархии (j ) по известному в квалиметрии  выражению

Po = П П Pij ,                                                                                                (7)

где  m – число уровней  ( 0 ≤ i ≤ m); n – число показателей качества ( 1≤ j ≤ n).

Под Рij понимается  вероятность попадания  i – го показателя на j –ом  уровне в заданный по ГОСТ интервал регламентированных значений, например qij–( i ) показатель предела текучести на ( j ) – ом уровне (механические свойства).  Заданный интервал К(Н)  и  К) – нижняя и верхняя граница показателя качества. 

Используя структурно-матричный метод применительно к иерархической совокупности показателей качества, а именно

i= 0                   q 0   -   качество продукции в целом;

i = 1             q1.1  -    качество металла;

                    q1.2   -      качество поверхности;

                    q1.3   -      качество геометрических размеров;

i =2                    q2.1   -      качество марки стали;

                    q2.2 -    механические свойства готового проката;

                    q2.3 -     испытания на свариваемость (служебные свойства);

                    q2.4  -    испытания на коррозионную стойкость (служебные свойства);

                    q2.5 -        качество  поверхности, образующий профиль;

                 q2.6  -   отклонение от заданной мерной длины, ± ∆ мм;

                    q2.7  -  отклонение от номинального диаметра,  ± ∆ мм;

i = 3             q3.1 - q3.9- содержание химических элементов, %, соответственно

                                 (С, Mn, Si, S, P, Cr, Ni, Mo, Cu );

                    q3.10 -q3.19 - отклонение химического состава  от заданных пределов по ГОСТ

                                  380, соответственно ( ±  С, Mn, Si,  S, P, Cr, Ni, Mo, Cu );

                    q3.20-q3.23  - результаты испытаний на растяжение, соответственно

                                  (σт, σв,  δ5,  δ р );

                    q3..24  - испытание на ударную вязкость;

                    q3.25  -  испытание на холодный изгиб;

                    q2.26 - q2.32   качество поверхности по показателям (раскатанные загрязнения,

                                  трещина, плена, закат, риска, отпечаток, вкатанная окалина);

                    q3.33  - отклонение о  заданных размеров геометрии поперечного сечения (высота

                               ребра,  ± ∆ мм;

i =4             q4.1  - отклонение от номинала по массе 1 погонного метра, ± кг. 

появилась возможность формирования цифровых моделей показателей качества продукции с учётом всех требований, предъявляемых к арматурному прокату класса А500С из стали Ст 3сп.

Данный подход позволяет определять рациональные параметры технологии производства проката, используя матричное описание совокупности качественных показателей и технологических параметров, их определяющих.

Для рационального расширения сортамента, а также повышения эффективности и производительности процесса производства арматуры в условия ГУП «ЛПЗ» была обоснована и разработана рациональная схема применения слиттинг-процесса.

Известно, что использование данной технологии по сравнению с традиционным однониточным процессом имеет ряд преимуществ. Во-первых, он позволяет повысить производительность стана на профилях небольшого диаметра без изменения скорости прокатки и существенных конструктивных изменений оборудования. Во-вторых, слиттинг-процесс дает возможность расширить сортамент стана в сторону более мелких профилей.

Однако, как отмечалось выше недостатком данного процесса является ухудшение механических свойств и коррозионной стойкости проката, поэтому применение слиттинг-процесса должно быть обоснованным с точки зрения обеспечения потребительских свойств проката.

Известно, что показатель  q2.4  -    испытания на коррозионную стойкость  по данным НИИЖБ на арматуре, прокатном в одну нитку значительно выше, чем при прокатке методом продольного разделения (слиттинг). За базовый показатель, равный 1,  был взят экспериментальный показатель по коррозионной стойкости  арматуры, прокатанной без использования технологии слиттинга. Так, при разделении раската на 2 полосы  расчётный  показатель «коррозионная стойкость» может ухудшиться в 8-15 раз. Поэтому с целью минимизации расчётного показателя q2.4  .при использовании слиттинг-процесса рекомендована калибровка тройного слиттинга, на которой значение q2.4   минимально.

Предложенная авторами технология прокатки-разделения на стане 280 ГУП «ЛПЗ» позволяет производить арматуру №10, прокатка которой ранее не осуществлялась на стане, а для профилей № 12, 14 и 16 при необходимости увеличить производительность на 60, 40 и 20% соответственно. Разработанная технология в силу ограниченного количества клетей стана использует окончательное разделение раската с помощью специальной роликовой арматуры, которая хорошо себя зарекомендовала на многих других предприятиях.

Выводы.

Уровень механических свойств подтверждает достаточную стабильность технологии выплавки стали в условиях ГУП «ЛПЗ». Прочностные и пластические характеристики производимой арматуры соответствуют требованиям сдаточных испытаний класса А500С по СТО АСЧМ 7-93 и обеспечивают требуемую однородность свойств с вероятностной надежностью Р≥ 95% во внутри- и межпартийных выборках, что позволило снизить количество отбираемых проб и заложить основу для внедрения системы отгрузки проката по прогнозируемым механическим свойствам и разработки соответствующих технических условий.

Даны рекомендации для рационального состава шихтовых материалов при выплавке стали, уточнены режимы нагрева заготовок в зависимости от температуры посада в нагревательную печь.

Разработан и внедрен режим нагрева заготовок в нагревательной печи стана, обеспечивающий повышение однородности механических свойств по длине раската.

Разработана методика оценки комплексного показателя качества, позволяющая оценивать возможные корректировки технологических режимов прокатки и охлаждения проката, в частности технологию  термоупрочнения арматуры в зависимости от диаметра.

Предложена рациональная, с точки зрения обеспечения качества проката в условиях ГУП «ЛПЗ» технологическая схема использования слиттинг-процесса.

Steblov Anver

   
Date of a birth:

June 15th, 1951

The birthplace::

Cheremkhovo, Irkutsk region

The country:

Flag of Russia.svg Russia

Scientific field:

Metallurgy

Degree:

Doctor of Technical Science (1993)

Alma-mater:

UPI (Urals Polytechnic Institute named after s.m.Kirov)

Awards and prizes: Laureate of the State Prize of the Republic of Belarus (1998)