Влияние содержания углерода в стали на энергосиловые параметры прокатки металла

Теоретическим расчетом установлено, что уменьшение содержания углерода в малоуглеродистой стали до минимального допускаемого уровня (0,05 - 0,06 %) при выплавке позволит снизить при холодной прокатке на 5 - 7 % нагрузку на валки и главный привод клети стана, уменьшить износ поверхности валков и расход электроэнергии.

Химический состав металла существенно влияет на механические свойства и, следовательно, на энергосиловые параметры прокатки полос. Характеристикой механических свойств металла в первую очередь является предел текучести, т.е. напряжение растяжения образца без увеличения нагрузки. В мягком металле этому напряжению соответствует так называемая площадка текучести металла. При отсутствии площадки текучести (например, на упрочненном металле), в отличии от физического (стандартного), механические свойства оценивают условным пределом текучести σ_0,2(напряжением растяжения при деформации образца на 0,2%).

Исследованиями показано, что условный предел текучести зависит не только от общего химического состава стали, но и от содержания конкретного химического элемента в этой стали. В работе отмечается, что при увеличении в стали Х18Н9Т содержания углерода на 0,03% и относительном обжатии ε=20% условный предел текучести увеличивается на 5,3%. Эти результаты подтверждаются исследованиями образцов малоуглеродистой стали (табл. 4).

Как следует из табл. 1, при деформации металла с обжатиями ε_∑=0,3 иε_∑=0,65 с увеличением содержания углерода на 0,04% условный предел текучести соответственно вырастает на 39,3 и на 25,3%. Очевидно, такое существенное влияние содержания углерода обусловлено небольшими величинами предела текучести исходного металла (σ_0,2< 160 Н/мм²). Влияние на энергосиловые параметры прокатки должно быть меньше. Расчеты по методу для условий деформации такого металла в клети №1 непрерывного стана 1700 холодной прокатки показывают, что при ε_∑=0,35, σ_0,2< 160 Н/мм² увеличение содержания углерода в стали с 0,04 до 0,08% вызывает увеличение: среднего нормального напряжения, усилия прокатки и мощности на 20-22,5%.

Таблица 4 - Условный предел текучести в зависимости от содержания углерода в стали при разных обжатиях (холоднокатаной полосы при 690^◦С)

В условиях объёмного напряженного состояния (при прокатке с большими суммарными обжатиями и скоростями) напряжения, необходимые для преодоления внутреннего сопротивления сплошной среды начала пластического течения металла в очаге деформации, целесообразно называть иначе, например, напряжение течения металла. Напряжение течения металла на выходе из очага деформации при холодной прокатке, согласно [3 - 5]:

σ_т1=σ_т0n_un_t+ ∆σ_mk_ε,

где σ_т0– исходный расчетный условный предел текучести при ε=0,02%; ∆σ_m– приращение напряжения течения при относительном обжатии ε=0,4; n_u, n_t– коэффициенты, учитывающие влияние соответственно скорости и температуры деформации полосы; k_ε– коэффициент, учитывающий влияние суммарного относительного обжатия.

Условный предел текучести σ_т0и приращение ∆σ_mопределяют с учетом влияния химического состава углеродистой, конструкционной, низколегированной стали через углеродный эквивалент стали:

σ_т0=200+500С_э ; ∆σ_m=307+333С_э,

где С_э = –углеродный эквивалент; C, Mn,Si,Ni,Cr,Mo,W,V– содержание химических элементов, мас.%.

Таблица 5-Расчётные параметры холодной прокатки при разных толщинах горячекатаного проката и содержаниях углерода в стали 0.05; 0.08 и 0.12%

В клети (проходе) среднее сопротивление деформации металла

σ_ф=1.15[σ_т(i-1)+0.67(σ_т1-σ_т(i-1))],

где σ_т1– напряжение течения металла на выходе из клети (прохода).

Сопротивления деформации металла при входе и на выходе из очага деформации при прокатке σ_ф0=1.15σ_т(i-1) и σ_ф1=1.15σ_т1 соответственно. Для определения энергосиловых параметров прокатки (силы, крутящего момента и мощности) в первую очередь рассчитываем среднее нормальное контактное напряжение согласно:

p_ср=σ_ф[0.5(£₀+£₁)+С_нf_пl_с/h_ср],

где £₀ и £₁– коэффициенты, учитывающие соответственно влияние переднего и заднего напряжений натяжения; С_н– коэффициент, учитывающий влияние интенсивности контактного трения; f_п– показатель контактного трения; l_c– длина дуги контакта с учетом упругих деформаций валков и полосы; h_ср– средняя толщина полосы в очаге деформации.

Расчет энергосиловых параметров выполнен в клети №1 стана 1700 холодной прокатки для полосы с h=1.75 мм, В=1200 мм из горячекатаного подката с исходными толщинами Н=2.7, 2.8 и 2.9 мм при исходной температуре 25°С; скорости прокатки 4.5 м/с в валках D=500 мм; шероховатости Ra валков 5 мкм, подката 3 мкм; натяжениях заднем 25 Н/мм², переднем 100 Н/мм². Материал полосы-сталь, содержащая, мас.%: 0.05-0.12 С; 0.02 Si; 0.26 Mn; 0.1 Ni; 0.1 Cr. Расчеты выполнены для полос со средним содержанием углерода, мас. %: 0.05; 0.08 и 0.12.

Результаты расчетов, представленные в табл.5, показывают изменение разных параметров в зависимости от толщины исходного горячекатаного подката и содержания углерода в стали. Как следует из расчетов, деформация металла вызывает повышение температуры с t_н=25°С до 90°С в первом случае и до 103°С для Н=2.9 мм и С=0.12% (последний случай в табл.3). При этом с увеличением относительного обжатия ε_∑ коэффициент трения уменьшается с f=0.079 до 0.073, а показатель трения- с f_п=0.109 до 0.098 вследствие повышения температуры и уменьшения сопротивления сдвигу выступов шероховатости поверхности полосы. Условный предел текучести σ_т0 не зависит от толщины полосы, но с увеличением содержания углерода в стали от 0.05 до 0.12% (в 2.4 раза) возрастает с 257 до 292 Н/мм² (на 13.6%). Напряжение течения металла на выходе из очага деформации и среднее сопротивление металла деформации возрастают с увеличением содержания углерода на 10%. Увеличение толщины подката (относительного обжатия) обуславливает незначительное увеличение длины дуги контакта в каждой серии расчета по содержанию углерода. Однако среднее нормальное контактное напряжение с увеличением толщины подката снижается на 4%, что связано с увеличением температуры металла и снижением коэффициента трения.

Исследования показывают (см. табл. 4), что при постоянном содержании углерода в стали увеличение толщины подката с 2.7 до 2.9 мм мало влияет на силу прокатки, она возрастает всего на 3.5-4.1%, но значительно-на крутящий момент и мощность прокатки, которые возрастают на 19.3-20.1%. Уменьшение содержания углерода в стали в указанных пределах существенно снижает силу прокатки (на 13.2%), крутящий момент (на12.5-13.8%) и мощность прокатки (на 14.1-17.8%).

Таким образом, расчеты свидетельствуют, что уменьшение содержания углерода до минимального допустимого уровня (0.05-0.06%) при выплавке стали позволит снизить до 5-7% нагрузку на валки и главный привод клети стана холодной прокатки, уменьшить износ поверхности валков и расход электроэнергии.[4]