Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Пленарное заседание

110

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНТРОЛИРУЕМЫХ СРЕДАХ

Чернышев В.Н., Алексашин А.А., Роберов И. Г., Капуткина Л.М., Усынин А.Л.

РФ, ФГУП «НИИСУ»

В настоящее время вакуумная техника становится все более востребуемой в процессах

производства качественных сталей и других материалов и сплавов. Широкое применение

вакуумная техника находит на стадиях выплавки и внепечной обработки стали, в процессах

получения ферросплавов и многих цветных, тугоплавких и редких металлов и сплавов.

В СССР немногим более 50-и лет тому назад зародилось и развивалось экзотическое по тем

временам направление обработки металлов давлением в вакууме и в инертных средах, в эти

исследования и разработки были вовлечены и другие страны – США, Япония, позже Китай.

Наиболее системные исследования и разработки были выполнены в Советском Союзе,

создавались научные школы. Одна из ведущих школ – школа Московского института стали и

сплавов, созданная заведующим кафедрой прокатки, чл.-корр. АН СССР Павловым Игорем

Михайловичем, которую позднее возглавил проф. Крупин Александр Васильевич. Широко

известны в те годы были и украинские школы – в Харьковском физико-техническом институте

под руководством докт. техн. наук Амоненко В.М., в которой были созданы первые вакуумные

прокатные станы лабораторного типа, и в УКРНИИМЕТ под руководством проф., докт. техн. наук

Долженкова Ф. Е. В этой школе был создан первый лабораторный многоклетьевой вакуумный

стан для прокатки сортовых профилей, значительно усовершенствована конструкция первых

вакуумных прокатных станов. К сожалению, по разным причинам исследования и разработки в

украинских центрах были прекращены.

Значительных успехов добилась школа МИСиС. Исследования проводились в разных

направлениях, изучались процессы обработки давлением в вакууме и в инертных средах широкой

гаммы сталей, тугоплавких, редких, редкоземельных, драгоценных металлов и сплавов, процессы

прокатки листов и полос, сортовых профилей и трубных изделий, процессы производства

биметаллов, слоистых композиционных материалов, порошков и порошковых материалов. Была

создана серия новых вакуумных прокатных станов различной конструкции, в том числе сортового

стана с многовалковым калибром (в сотрудничестве с Челябинским политехническом институтом

под руководством проф. Выдрина В.Н. и проф. Баркова Л.А.), экспериментальный образец

промышленного вакуумного деталепрокатного стана поперечно-клиновой прокатки (в

сотрудничестве со Смоленским приборостроительным институтом), трубного вакуумного стана

поперечно-винтовой прокатки, стана для прокатки порошков (совместно с ВИЛС), стана для

прокатки сорта с калиброванными валками. На изобретения были получены авторские

свидетельства СССР, патенты США, Японии, Германии, Франции, Швеции.

Во ВНИИМЕТМАШе были разработаны конструкции и изготовлены наиболее крупные в то

время вакуумные станы 300. В ЦНИИТМАШе сконструировали вакуумные прессы и исследовали

процессы прессования.

Однако к восьмидесятым годам исследования во многих центрах были свернуты,

направление считали затратным, трудоемким, не дающим быстро ожидаемого эффекта, учитывая

сложности создания и обслуживания вакуумной техники.

В настоящее время многое изменилось в вакуумной технике, она становится доступной и из

экзотики превращается в рабочий инструмент.

Пленарное заседание

111

С развитием исследований стало ясно, что безокислительная обработка эффективна не

только для получения высокочистых металлов и сплавов, но и имеет неоспоримые преимущества

для производства различных композиционных материалов, в том числе коррозионностойких

сталей.

В рамках выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по

федеральной программе «Национальная технологическая база» на 2007-2011 годы в НИИСУ

проводятся комплексные работы по теме «Разработка технологии получения слоистой

коррозионностойкой стали».

Решение научно-технической проблемы позволит производить продукцию из

композиционной коррозионной стали со свойствами нержавеющей стали, со снижением

стоимости продукции в 1,5-3 раза, приведет к сбережению дорогостоящих и дефицитных

природных ресурсов, таких как Ni, Cr, Mo, позволит повысить механические, жаростойкие и

жаропрочные показатели. Можно прогнозировать широкое применение изделий из

композиционной коррозионностойкой стали в промышленном и жилищном строительстве,

химической и пищевой промышленности, судостроении, атомной энергетики, в оборонных

отраслях и др.

Основной задачей разработки является получение надежного и качественного соединения

составляющих слоев композита, т.е. основы из рядовых марок стали и плакирующего слоя из

коррозионностойкой стали.

В настоящее время известны способы производства слоистой коррозионностойкой стали, в

основном плит и толстого листа, основанные на горячей прокатке подготовленных пакетов-

заготовок на воздухе, сварке взрывом или покрытием антикоррозионным слоем в жидком

состоянии.

Известны недостатки этих технологий. Для горячей прокатки на воздухе: трудоемкие и

плохо поддающиеся автоматизации вспомогательные операции; неконтролируемый остаток

воздуха в пакетах, приводящий к окислению соединяемых поверхностей; необходимость высокой

степени деформации за проход (60-70%).

При сварке взрывом: индивидуальная работа с каждой заготовкой, невозможность

организации серийного производства, низкая производительность; сложности с организацией

производства.

Покрытие антикоррозионным слоем в жидком состоянии требует повышенного расхода

энергии, специальных мер по обеспечению экологической безопасности; не обеспечивает

равномерных свойств переходной зоны.

Общим недостатком этих методов является недостаточно высокое качество соединения

слоев, наличие зон несплошности, что нашло свое отражение в ГОСТе 10885-85 «Сталь листовая

горячекатаная двухслойная коррозионностойкая».

Результаты научных исследований убедительно показывают, что прокатка в вакууме по

качеству соединения составляющих композиционных материалов не имеет аналогов, так, по

данным исследований [1], прочность соединения составляющих слоистой композиционной

коррозионностойкой стали значительно превышает прочность при других методах обработки,

обеспечивает высокую равномерность свойств переходного слоя.

К преимуществам ОМД в контролируемых средах можно отнести: 1) повышение качества

проката за счет улучшения физико-механических свойств, увеличения коррозионной стойкости и

пластичности, получения качественной поверхности, повышения точности размеров проката в

отсутствие газонасыщения и окисления поверхности; 2) значительное возрастание в

безокислительных условиях обработки молекулярной составляющей сил трения [2], что

Пленарное заседание

112

благоприятно сказывается на схватывании составляющих композиционного материала,

обеспечивая высокую прочность соединения компонентов композита даже при сравнительно

невысокой степени деформации (10-15%); 3) повышение экологической безопасности на

производстве вследствие исключения вредных летучих окислов, которые образуются при нагреве

многих металлов на воздухе, исключение из технологического процесса вредных производств; 4)

возможность применения повышенных температур нагрева и деформации, т.е. температур

истинно горячей, а не теплой обработки. При этом существенно снижается сопротивление

деформации и повышаются пластические свойства материалов; 5) возможность применения

повышенных обжатий за проход, что обусловлено увеличением деформируемости металлов в

безокислительных условиях, снижением сопротивления деформации и повышением пластичности

при высоких температурах.

На основании обобщения результатов ранее проведенных исследований [3-4], а также

выполненных в настоящее время [1] в качестве основного метода сварки слоев для новой

технологии авторами выбран процесс сварки прокаткой в вакууме.

Однако для эффективного производственного процесса необходимо создать такой комплекс

оборудования вакуумного прокатного стана, отвечающий разработанным технологическим

требованиям, который бы обеспечил необходимую производительность, что может быть

реализовано в составе высокопроизводительной поточной технологической линии.

При разработке технологии и оборудования авторы руководствовались следующими

основными критериями:

Инновационность и соответствие мировому уровню развития техники.

2. Высокое качество продукта.

3. Экологическая безопасность.

4. Экономическая эффективность.

5. Унификация производства в соответствии с общей схемой получения стального продукта.

6. Возможность создания гибких высокопроизводительных мини-производств регионального

уровня.

В качестве примера аналогичного подхода к производству можно привести разработку и

попытку внедрения технологии и оборудования процесса прокатки в вакууме на Узбекском

комбинате тугоплавких и жаропрочных металлов в конце 80-х начале 90-х гг. прошлого столетия.

Самый крупный в мировой практике и самый совершенный из всех созданных даже на

сегодняшний день вакуумный прокатный стан 600 сконструирован с участием МИСиС, ВИЛС и

ВНИИТС, был установлен и испытан на УзКТЖМ. Стан входил в поточную линию цеха, в

которой были установлены четырехвалковые станы 1000 и 1200 для последующей прокатки

полосы на тонкий лист. Вакуумный стан предназначался для прокатки листов из вольфрама и

молибдена и их сплавов, а также биметаллических листов с составляющими из тугоплавких

металлов толщиной 2-45, шириной до 500, длиной до 3 000 мм из заготовки толщиной 20-60,

шириной 100-500, длиной 350-1500 мм.

Стан имел опережающие технические параметры, целый ряд совершенно новых, по тем

временам революционных решений. К ним относятся расположение зоны нагрева над линией

прокатки, система смазки валков для управления трением и предотвращения схватывания с

поверхностью валка, система охлаждения находящихся в вакуумной камере валков, конструкция

рабочей камеры с принципиально новым видом уплотнения ввода валков в вакуумную камеру,

устройства и механизмы транспортирования заготовки и полос для обеспечения поточности

производства.

Пленарное заседание

113

Конструктивные разработки стана и технологии были защищены авторским приоритетом в

нашей стране и развитых зарубежных станах. Компоновка оборудования вакуумного прокатного

стана 600 представлена на рис 1.

Современный стан, безусловно, должен быть еще более совершенен, отвечать

вышеназванным критериям и новым технологическим требованиям, обеспечивать поточность и

высокую производительность. С участием авторов разработан новый комплекс оборудования

стана, представляющий собой модульный вариант, который в зависимости от производственной

задачи позволяет оперативно сформировать нужную технологическую линию. Раскатное поле

остается свободным, модули одной или нескольких печей пристыковываются к линии прокатки

под углом 90 градусов, в зависимости от типоразмера заготовки (рис. 4-5). Для определенных

материалов и типоразмеров заготовки может быть использован индукционный нагрев. В

поточную линию можно включить непрерывную группу вакуумных клетей для прокатки листов и

полос, а также группу клетей с многовалковым калибром или иного типа для прокатки сортовых

профилей и трубных изделий.

Прокатка на вакуумном стане может осуществляться в один или несколько проходов, после

чего полоса поступает в отделение отделки и термообработки. Поточная линия может производить

либо только биметаллическую заготовку как товарную продукцию, либо дополняться обычным

двухвалковым или четырехвалковым станом для последующей прокатки в готовую продукцию. В

этом случае стан целесообразно оборудовать печью для подогрева подката в газозащитной среде.

При выборе технологической схемы и построении технологического процесса производства

слоистых коррозионностойких сталей с использованием прокатки в контролируемых средах

можно руководствоваться схемами, представленными на рис. 2-3. На рис. 2 показаны возможные

сочетания процессов производства исходных материалов для слоистых сталей (основы и

плакирующего слоя) в соответствии с общей схемой производства стали и сварки слоев

композиционного материала прокаткой как известными способами, так и с использованием

контролируемой среды. Алгоритм на рис. 3 позволяет осуществить конкретные шаги по

разработке технологического процесса прокатки в контролируемой среде.

На основании анализа развития метода, разработки новых технологий можно

сформулировать основные направления современного развития комплекса оборудования

вакуумных прокатных станов как части поточной линии, вытекающие из новых технологических и

технических требований к их проектированию.

Разработка оптимальной компоновки оборудования вакуумного стана модульного типа,

конструкций камер и транспортирующих систем, отвечающих требованиям поточности и высокой

производительности, полной механизации и максимально возможной автоматизации процесса

прокатки.

2) Оснащение вакуумного прокатного стана контрольно-измерительными и

технологическими системами для управления процессом прокатки и качеством проката:

- системой контроля и управления геометрическими размерами проката;

- системой контроля и управления температурой проката;

- системой контроля энергосиловых параметров процесса прокатки;

- системой охлаждения валков;

системой нанесения твердой технологической смазки;

- системой контроля сплошности соединения;

- системой видеонаблюдения за полосой на всех этапах процесса обработки в камерах

вакуумного прокатного стана.

Пленарное заседание

114

3) Разработка эффективных решений герметизации рабочей зоны клетей прокатных станов,

надежных и компактных узлов вакуумных уплотнений ввода валков в рабочую камеру.

4) Разработка способов обеспечения высокой стойкости валков, исключения схватывания

металла с инструментом в процессе высокотемпературной деформации.

Разработка систем охлаждения и управления температурным режимом прокатных

валков, находящихся в вакуумной камере.

6) Создание высокотемпературных высокопроизводительных нагревательных устройств,

обеспечивающих нагрев обрабатываемых материалов до температур истинно горячей деформации

в поточной технологической линии вакуумного стана модульного типа.

Представляется, что исследования и разработки перспективного процесса прокатки в

вакууме, основоположником которого в нашей стране был чл.-корр. АН СССР Павлов Игорь

Михайлович, возрождаются на новом уровне и продолжат успешное развитие.

Рис. 1. Компоновка оборудования вакуумного прокатного стана 600

1 −

стол загрузки с рольгангом;

2 −

камера загрузки с этажеркой для накопления заготовок с приводным рольгангом и линейками;

3 −

камера нагрева с нагревательным устройством, с приводным рольгангом и линейками;

4 −

рабочая камера типа «валки - камера» с приводными задающим и приемным рольгангом и

линейками;

5 −

камера охлаждения и выгрузки с приводным рольгангом, приемным охлаждающим столом и

сталкивателем;

6 −

приемное устройство;

7 −

вакуумный затвор.

Пленарное заседание

115

Рис. 2. Общая технологическая схема производства композиционных материалов

горячей прокаткой с использованием контролируемых сред

Рис. 3. Схема построения технологического процесса прокатки

композиционных материалов с использованием контролируемых сред

Пленарное заседание

116

Рис. 4. Схема компоновки оборудования одноклетьевого реверсионного вакуумного

прокатного стана с печами для нагрева заготовок и подогрева полураската:

1 – камера загрузки;

2 – камера с печью проходного типа;

3 –

камера с раскатным рольгангом;

4 – рабочая камера;

5 – камера подогрева полураската с верхним нагревательным устройством;

6 – камера охлаждения и выгрузки.

Рис. 5. Схема компоновки оборудования двухклетьевого вакуумного прокатного стана

с черновой и чистовой клетями:

1 –

камера загрузки;

2 – камера нагрева с печью проходного типа;

3 – камера с раскатным рольгангом;

4 – рабочая камера с черновой клетью;

5 – камера с приемным рольгангом;

6 –

промежуточная камера с функцией выгрузки;

7 – камера нагрева полосы и полураската;

8 – камера охлаждения и выгрузки;

9 – отводящий рольганг;

10 –

рабочая камера с чистовой клетью;

11 – приемная камера.

Пленарное заседание

117

Список литературы

1. Получение коррозионностойких композиционных материалов высокотемпературной прокаткой

в вакууме. В.Н. Чернышев, И.Г. Роберов, А.А. Алексашин, Л.М. Капуткина. Доклад на III

Международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества». 4 – 8

октября 2010, г. Суздаль.

2. Управление трением при прокатке металлов в контролируемых средах. В.Н. Чернышев. Вестник

ХХI. РАЕН, сб. статей. 2005 г. с. 364 - 369.

3. Обработка металлов давлением в контролируемых средах. В.Н. Чернышев, Б.Л. Линецкий, А.В.

Крупин. – М.: Металлургия, 1993. - 272 с.

Производство металлических слоистых композиционных материалов. А.Г. Кобелев, В.И. Лысак,

В.Н. Чернышев, А.А. Быков, В.П. Востриков. – М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 496 с.

Секция 1. Теория обработки металлов давлением

118

НЕКОТОРЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОКАТНОГО ДЕЛА

Е.В. Кузнецов

РФ, МИСиС

Процесс развития техники и технологии (и цивилизации в целом) в основном определяется не

экологическими мотивами, а причинами политическими и экономическими, в частности, законами

конкуренции на рынке металлопродукции. И хотя в последние десятилетия под давлением

общественности правительства большинства развитых стран предприняли ряд решительных шагов,

направленных на снижение давления на окружающую среду, угроза экологического кризиса

становится все более реальной. Эту угрозу пытаются замаскировать различными способами. Один из

них – рекламирование так называемых фьючерсных технологий (технологий будущего), призванных

якобы решать глобальные проблемы человеческой цивилизации (а вернее, отвлекать людей от

решения действительно актуальных проблем). К числу таких «фьючерсных» можно отнести

технологии генной модификации, а также технологии получения и использования биотоплива,

последствия которых уже сегодня вызывают серьезные опасения. В последнее время много говорят о

нанотехнологиях - получении и использовании частиц вещества с размерами менее 1 мкм. Свойства

этих частиц значительно отличаются от свойств данного вещества в обычной форме, они обладают

очень высокой удельной поверхностью, высокой химической активностью, легко взаимодействуют с

различными химическими веществами и биологическими объектами. Воздействие таких активных

частиц на организмы не изучено – технический прогресс, как всегда, не очень задумывается о своих

последствиях.

Подчинение действующим законам жизни современного общества не снимает с каждого из его

членов личной ответственности за экологические последствия своей профессиональной (и любой

другой) деятельности. В области металлургии и металлообработки задача ученого и инженера

сводится к ресурсосбережению, организации рециклинга, анализу технологий и оборудования с

точки зрения их экологического совершенства. Любое достижение в области снижения расхода

ресурсов приводит к улучшению экологических показателей производства.

К числу основных направлений деятельности в области ресурсосбережения следует отнести:

- освоение продукции с высокой добавленной стоимостью;

- полный переход на непрерывную разливку углеродистой и большей части сортамента легированной

стали;

- освоение теплосберегающих технологий разливки стали с «мягкими» обжатиями и охлаждением;

- транзитная прокатка, горячий посад, создание литейно-прокатных комплексов;

- снижение теплопотерь на всех технологических этапах (термостатирование горячей заготовки,

нанесение на нее теплоизоляционных покрытий, подогрев холодной заготовки за счет тепла горячей,

утепление устройств для транспортировки заготовки, местный подогрев заготовки, в частности, с

использованием низкокалорийного газа, применение индукционного и высокочастотного нагрева).

Большие резервы снижения теплопотерь содержатся в совершенствование конструкции

нагревательных печей, применении эффективных теплоизоляционных материалов, освоении

технологии низкотемпературного нагрева. Кардинальное решение – переход на непрерывную

разливку и транзитную прокатку. На самом прокатном стане необходимо принимать меры по

сохранению и упорядочиванию распределения тепла в раскате (разрабатывать оптимальные режимы

Секция 1. Теория обработки металлов давлением

119

деформации, применять экранирование и подогрев рольгангов, использовать промежуточные

перемоточные устройства и технологии регулируемого охлаждения металла).

Металлургия, наряду с энергетикой, химической и целлюлозно-бумажной промышленностью,

является крупнейшим потребителем воды, которая используется, главным образом, как

теплоноситель-охладитель. Прокатные цехи используют большое количество воды для охлаждения

элементов нагревательных устройств (глиссажных труб, горелок, элементов конструкций),

охлаждения валков и роликов рольгангов, гидросбива окалины, регулируемого охлаждения металла

приготовления травильных растворов и смазочно-охлаждающих жидкостей и для других нужд.

Основные направления снижения расхода воды:

- усовершенствование систем охлаждения оборудования;

- применение автоматизированных систем регулируемого охлаждения металла;

- каскадное травление и каскадная промывка металла;

-комплексное использование вод: последовательная передача воды от потребителей с более высокими

требованиями к качеству воды к менее требовательным;

- создание систем бессточного водоснабжения.

Уникальными возможностями в деле снижения расхода цветных металлов и легированных сталей

обладают технологии производства слоистых композиционных материалов – биметаллов. Наиболее

обширный класс биметаллов представляют коррозионностойкие композиции. Основным источником

экономической эффективности их применения в народном хозяйстве является экономия дефицитных

легирующих элементов. Особенно большой эффект получается при использовании слоистых

металлов взамен чистых – никеля, меди, титана и сплавов на их основе. Еще экономичней замена

молибдена, вольфрама, серебра и других цветных и драгоценных металлов композициями с основным

слоем из относительно дешевого металла. Листовой электротехнический биметалл служит в качестве

токоведущих шин, переходников, контактных устройств. Весьма разнообразны области

использования антифрикционных биметаллов, а также слоистых композиций для строительных

конструкций и бытовых изделий. Таким образом, применение биметаллов позволяет существенно

повысить эффективность производства деталей и оборудования для предприятий химического,

нефтяного, сельскохозяйственного, транспортного, энергетического и других отраслей

машиностроения. К потребителям слоистых композиций относятся также приборостроение и

радиоэлектроника, инструментальная промышленность, предприятия, производящие товары

культурно-бытового и хозяйственного назначения.

Таким образом, можно сделать многое, что позволит ослабить негативные последствия

технического прогресса. Однако грядущий экологический кризис, как сказал один умный человек,

есть внешнее проявление кризиса ума и духа. Поэтому главная задача состоит в воспитании у новых

поколений металлургов зачатков экологической культуры - потребности руководствоваться при

решении технических задач основными положениями ресурсосбережения и рециклинга,

анализировать воздействие конкретных технических и технологических мероприятий на

энергетический и материальный баланс производства, проводить оценку воздействия этих

мероприятий на состояние окружающей среды.