Совершенствование процесса термомеханического упрочнения при прокатке арматурных профилей с применением структурно-матричного моделирования

Основным армирующим материалом сборных железобетонных конструкций является стержневая арматурная сталь периодического профиля, потребление которой только в России в 2003 году составило свыше 3,0 млн. т. До недавнего времени в железобетонных конструкциях применялась исключительно горячекатаная арматура. Однако, начиная с семидесятых годов, на ряде предприятий черной металлургии началось освоение технологии производства арматуры, термически упрочняемой с прокатного нагрева.

Эта технология позволила получать арматуру тех же классов прочности, что и горячекатаная, но из сталей, содержащих меньшую долю легирующих элементов и при большем выходе годной продукции, в результате чего себестоимость термомеханически упрочненной арматуры в сравнении с горячекатаной снижается в среднем на 20−25 $ за тонну.

В России массовое производство термомеханически упрочненной арматуры началось только в конце 90 годов, однако, повышенный спрос на внутреннем и внешнем рынке способствовал стремительному росту числа производителей данного вида проката и увеличению объемов производства, что привело к тому, что в настоящее время до 70% всей выпускаемой арматуры составляет термомеханически упрочненная арматура классов А400С и А500С.

Жесткая конкуренция в данном сегменте рынка приводит к необходимости удовлетворять требования потребителя в полном объеме, в связи с чем, весьма актуальной видится задача повышения качества термомеханически упрочненной арматуры, при неизменной цене (себестоимости) продукции.

К основным показателям качества арматуры данных классов следует отнести заданный уровень механических свойств по длине, который определяется химическим составом стали, деформационным режимом и режимом последеформационного охлаждения. В процессе производства термомеханически упрочненного проката происходит изменение скорости и температуры прокатки, давления и температуры охлаждающей воды, длительности принудительного охлаждения и других параметров, что существенно влияет на процессы структурообразования и формирования свойств обрабатываемого проката. Поэтому для обеспечения заданного уровня механических характеристик, а также для их прогнозирования необходима комплексная оценка влияния всех перечисленных факторов в рамках единой описательной системы.

Данная работа направлена на повышение качества термомеханически упрочненного арматурного проката, в части обеспечения заданного уровня механических свойств по длине проката.

В первой главе проведен обзор влияющих факторов, с разделением на параметры деформационного режима и параметры режима последеформаци-онного охлаждения.

Во второй главе решается задача моделирования процесса формирования механических свойств сортового проката при термомеханической обработке с использованием матричного подхода к представлению технологических процессов.

В третьей главе в результате статистической обработки массива данных, получены регрессионные зависимости между показаниями прибора для контроля за механическими характеристиками термомеханически упрочненного сортового проката (индикатора магнитной фазы) и выбранными управляющими технологическими параметрами — углеродным эквивалентом, расходом охладителя, температурой нагрева заготовки и скоростью прокатки в последней клети стана.

В четвертой главе решаются вопросы повышения равномерности распределения механических свойств по длине раската — предложены и опробованы на практике новый способ и новые режимы производства термомеханически упрочненной арматуры, включающие дополнительное подстуживание хвостовой части раската.

1. Стародубов К. Ф. Современное состояние и перспективы развития термического упрочнения проката в СССР и за рубежом // Обзорная 1шформация. Черная металл>ргия Серия И/ Инсттпуг «Черметинформацня», 1965. — Вып. 15−11с.

2. Стародубов К. Ф Термическое упрочнение арматурной стали на Криворожском металл>рпг1еском заводе имени В И Легоша // Металлург№ 1еская и горнорудная промышленность — 1966. № 4 — С 42−45.

3. Стародубов К Ф., Иващенко В М., Борковский ЮЗ и др Разработка технологии термической обработки сталей с прокатного нагрева // Черная металлургия, сер 12/РГнститут «Черметинформацня», 1966 -Вып 8 — 12с.

4. Стародубов К Ф, Узлов И Г, Савенков В Я и др Термическое упрочнение проката — М Металлургия, 1970 -368с.

5. Большаков В И, Стародубов К Ф, Тылкин М, А Термическая обработка строительно! стали повышенной про^шости — М Металлургия, 1977 -200 с.

6. Логинов В Г, Тулупов О Н, Зайцев, А А Способ регулирования геометрии катанки на проволочном стане 250−2 ОАО «ММК» // Производство проката -2000 -№ 4 — С 13−15.

7. Разработка, исследование PI применение метода дифференцированного охлаждения для повышения точности прокатки катанки / Тулупов О Н, Логинов В Г, Зайцев, А А // Моделирование и развитие процессов ОМД сб науч тр Магнитогорск МГТУ, 2000 -С 160−165.

8. Бернштейн М Л, Добаткин С В, Капуткина Л М, Прокошин С Д Диаграммы горячей деформации, структура и свойства сталейМ Металлургия, 1983 -288с.

9. Курдюнов Г В, Усевский Л М, Энтин Р И Превращения в железе и сталиМ: Наука, 1997 -238с.

10. В Н Урцев, В Ф Рашников, А, А Морозов и др Формирование структзфы и механических свойств сталей /серия Сталь Структура и свойства КныгачетвертаяМагнитогорск, 1998 -160с.

11. Бернштейн МЛ. Структура деформированных металлов М Металлур-гия, 1977 -432с.

12. Тайц НЮ Технология нагрева стали — М’Металлургия, 1962. — 345с.

13. Бернштейн М Л, Займовский В А., Капустин Л М. Термомеханнческал обработка стали — М: Металлургия, 1983 — 480 с.

14. Бернштейн М Л. Термомеханнческая обработка металлов и сплавов: в 2-х т — М Металлургия, 1968 — 1171 с.

15. Жуков СМ, Кулаков Л В., Лохматотов АП Влияние технологических с}}акторов на температурный режим сортовой прокатки // Металлурпшеская и горнорудная про.мышленность. — 2001 — К^А — 37−40.

16. Минаев, А А., УстименкоС.В. Контролируемая прокатка сортовой стали — М.'Металлургия, 1990. — 175с.

17. Эйдзи К, Киуоши X, Теругони Н и др Влияние температуры чистовой прокатки на структуру и механические свойства металла при регулируемой прокатке двутавровых балок // Тэцу-то-хагане — 1976. т. 62. -№ 4 — С 13.

18. Балон В И, Легенда Н Ф., Носов В С Улучшение качества толстых листов путем применения контролируемой прокатки и регулируемою охлаждения Темат сбнаучтр //ДонНИИчермет — М «Металлургия, 1972. -Вып 1 — С 18−24.

19. Мейер Л Конструкционные стали с очень низким содержанием углерода // Черные металлы — 1967 — № 5 — С 48 — 49.

20. Жадан В Т Влияние деформационно-скоростных параметров прокатки при ВТМО на структуру и свойства стали // Сталь — 1975 — № 10.-С.904−908.

21. Проблемы совмещения горячей деформации и термической обработки стали /А, А Баранов, А, А Минаев, А Л Геллер, В П ГорбатенкоМ Метал-лургия, 1985 — 128с.

22. Смирнов М, А, Счастливцев В М, Журавлев Л Г. Основы термической обработки стали Уч пособие — М Наука и технологии, 2002.

23. Петраш Л В Закалочные среды — М Машгиз, 1959 — 122с.

24. Термическое упрочнение проката / К Ф Старойбов, И Г. Узлов, В Я. Савенков и др — М Металлургия, 1970. — 368 с.

25. Красильщиков 3 Н, Шмидт Н В, Швач Е Н и др Термическое упрочнение незакаливаемой углеродистой стали // Металлургическая и горнорудная промышленность Темат сб nay i^ тр / ДМетИ Киев" Техника, 1972;№ 5.-С.40−42.

26. Долженков НЕ., Верболоз В Д, Флоров В. К и др. Спрейерное охлаждение фасонных профилей проката при термическом упрочнении // Металлургия и коксохимия Темат сб науч тр./Кнев:Техника, 1973.-№ 36 -С 90−92.

27. Пирогов В А, Тубольцев Л Г Термическая и термомеханическая обработка ста/ш — важнейший резерв экономии металла // Черная металлургия: Бюл. НТИ — 1982 -№ 18 -С 15−28.

28. Губинскнй В. И., Минаев, А А., Гончаров Ю. В. Уменьшение окалинообразования при производстве проката — КиевТехника, 1981.-135 с.

29. Будрин Д В, Корщратов В. М Водовоздушное охлаждение при закалке — МИТОМ -1965 -№ 6 — С 22−25 ИЗ.

30. Иванцов Г. И., Штремт М. С., Чукин В. В. Исследование охлаждающей способности двухи трехфазных закалочных сред на водной основе // Металлургия и коксохимия: Темат. сб. науч. тр. / ДМетИ Киев: Техника — 1973. — Вып. 36. — 10−13.

31. Кадыков Н С, Львов В РТсследование охлаждающей способности различных сред // Металлургия и коксохимия: Темат. сб. naj^i. тр. / ДМетИ. Киев. Техника. — 1973. — Вып — 36. — 14−16.

32. Дрозд В. Г., Лямин Т. Н., Хорьков B.C. Оборудование и процессы для ускоренного охлаждения проката-М.:НИИинформтяжмаш.-1977. № 32 -20 с.

33. Ас 286 725 СССР, МКИ-3 C21D 9/52. Способ обработки катанки / В. Я. Савенков, К Ф Старод>'боБ, В Н Гейченко и др. // Открытия. Изобретения.-1970. -№ 34.-С 226.

34. Парусов ВВ. и др. Теоретические и технологические основы ускоренного охлаждения катанки на проволочных станах СССР // Институт черной металлургии. — Днепропетровск. — 1983.-30с.

35. Ефименко С П., Бернштейн МЛ. К вопросу о пз -^ях интенсификации технологии упрочнения проката Итоги дискуссии 1986;1988гг//Сталь — 1988 — № 4. — С 82−86.

36. ИГ. Узлов, Ю. Т Худик, А В РГвченко и др. Производство высокопрочной арматурной стали // Черная металлургия Бюлл НТИ -1986 -№ 1 -С 18−31.

37. Парусов В В, Пирогов В А, Павлович Ю В и др Развитие способов термической обработки катанки с прокатного нагрева Обзорная информация // PlHCTmyr «Черметинформация» — 1979 — Вып 4. -12 с.

38. Оратовский Е Н., Артамонова Е. А Развитие процесса регулируемого охлаждения катанки Обзорная информация, сер.7 // Инст1^тут «Черметинформация» — 1978. — Вып.5. — 8с.

39. Ас. 205 860 СССР, МКИ 18С 1/62- 18С ½. Устройство для охлаждения, закалки и гидротранспортирования прокатных изделий / К. Ф. Стародубов, Н. С. Галатов, В. Я. Савенков и др.

40. Ас. 390 163 СССР, МКИ-1 С21Д 1/62. Устройство для термообработки и гпдротранспортирования прокатных изделий / В. Т. Худик, К. Ф. Стародубов, В АСацкий и др. // Открытия. Изобретения. — 1973. — № 30. -С.92.

41. К. Ф. Стародубов, Ю. Т. Худик, В В. Парусов и др. Разработка устройств для ускоренного охлаждения катанки из углеродистых и легированных сталей // Металлургическая и горнорудная промьшшенность. -1973.-№ 2.-С. 28−30.

42. A.C. 416 400 СССР, МКИ-1 С21Д ½- С21 1/62. Устройство для термообработки и гидротранспортирования прокатных изделий / В. Т. Худик, К Ф. Стародубов, В В. Парусов и др //Открытия.Изобретения. -1974. -№ 7. -С.84.

43. И Г. Бочков, А. Н. Иводитов, Т. В. Горохова и др. Освоение производства канатной катанки класса ВК // Сталь.- 1977.-№ 11. 1024−1028.

44. В И Губинский, А А. Рыбалов, В. А Шеремет // Металлургическая и горнорудная промышленность -2002 -№ 3 — С. 104.

45. Дьяченко Ю. В, Тимофеев В С, Закшевский В Б и др. Производство арматурной стали при использовании трассы термоупрочнения с пониженным давлением воды // Сталь -1998. — № 11 — 51−54.

46. Новиков И И Теория термической обработки стали — М: МИСиС, 1994.-405с.

47. Иванов, А В, Восканьянд, А А, Оборин, А А Моделирование процесса охлаждения арматуры на мелкосортном стане 250 ОАО «Северсталь» // Производство проката — 2001. — № 2 -С 41−43.

48. Пикерниг Ф Б Физическое металловедение и разработка сталей — М Металлургия, 1982 — 184с.

49. Матросов Ю И, Литвиненко, А А, Голованенко С, А Сталь для магистральных газопроводов — М Металлургия, 1989 -288с.

50. Счастливцев В М, Мирзаев Д А, Яковлев И Л Структура термически обработанной сталиМ Металлургия, 1999 -288с.

51. Борковский Ю 3, Парусов В В Влияние химического состава и сортамента проката на процесс упрочнения при закалке с самоотпуском // Металлургическая и горнорудная промышленность — 1967. — № 6 -С 42−43.

52. Калмыков В В Выбор и разработка сталей для массового производства высокопрочной архматуры в потоке непрерывных мелкосортных станов // Термическая и термомеханическая обработка сталиМ Металлургия, 1984 — С 43−46.

53. Высокопрочная арматурная сталь / А, А Кугушин, И Г Узлов, В В Калмыков и др — М Металлургия, 1986, — 272с.

54. Улучшенная система легирования и технологггя обработки высокопрочных конструкционных сталей / К Хулка, Ф. Хайстеркамп // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке, Т 4 — М «Металлургия, 1994;С 162−173.

55. Качанов НН Прокаливаемость стали — М Металлургия, 1978 — 192с.

56. Соколовский П. И. Малоуглеродистые и низколегированные стали. — ММеталлургия, 1967. -216с.

57. И. Г. Узлов, Р В Гвоздев, В. В. Парусов и др. Исследование процесса прерванной закалки проката // Металлургическая и горнорудная промышленность -1982 -№ 2 — С 26−28.

58. Производство арматурной стали Л. Н Левченко, А. С Натапов, Л Ф Машкин и др — М: Металлургия, 1984. — 136с.

59. Т>лупов О Ы Структурно-матричные модели для повышения эффективности процессов сортовой прокатки Монография. -Магнитогорск-МГТУ, 2002. — 224.

60. Тулупов О Н, Моллер, А Б., Логинов А. В, и др. Новые решения в моделировании и практике процессов сортовой прокатки на основе структурно-матричного подхода и его приложений // Производство проката. -№ 7.-2004 — С. 19−26.

61. Тулупов О. Н, Тулупов А., Рашников В. Ф. Матричные модели в оценке эффективности калибровки валков. — М., 1996. — 82 с.

62. Тулупов О Н. Методика оценки работы конечного формоизменения при сортовой прокатке на базе матричного подхода // Эффективные технологии: Сб. нау¹. тр. «Комплекс новых технологий АО «ММК». — Магнитогорск, 1996. — 29−36.

63. А В Логинов О влиянии основных технологических параметров на формирование механических свойств термомеханически упрочненного сортового проката // Моделирование и развитие технологических процессов: Сб. наз^.тр.- Магнитогорск: МГТУ, 2004. — 66−72.

64. Теоретические основы термомеханической обработки в трубном производстве/А.А Богатов, В П Швейкин // Бюллетень «Черная металлзфгия» — № 11. — С 44−51.

65. Оптимизация конструктивных размеров форсунок ускоренного охлаждения сортового проката / В. Т. Жадан, В, А Трусов, АН Воронов // ИЗБ вузов Черная металлургия — 1983 — № 7. — С 64−68.

66. Маковский В, А, Лаврентии И И. Алгоритмы управления нагревательными печами. — М." Металлургия 1977. — 345 с.

67. Худик В Т Расчет параметров установок для термического упрочнения сортового проката // Термическая н термомеханическая обработка стали: Науч тр. МЧМ СССР. — ММеталлургия 1984. — 106−110.

68. Сацктш В А, Худик ЮТ., Костюченко МИ. и др Влияние некоторых технологических (})актх)ров на свойства термически упрочненной арматурной стали. // Термическая обработка металлов — М.: Металлургия. — 1972. — Вып.1. -С.79−82.

69. Сацкий В А, Худик Ю Т., К>'зьменко Л. А и др. Управление процессом термического т^тро'шсния арматурной стали в потоке прокатного стана // Сталь -1977.-№ 1.-075−77.

70. И. Г. Узлов, В. В Парусов, Р. В. Гвоздев, О. В. Филонов. Управляемое термическое упрочнение проката — Кнев: Техника, 1989. 118с.

71. А.с. 231 588 СССР, МКИ 18С 1/54, С21Д Способ контроля качества закалки с самоотпуском / К. Ф. Стародубов, Ю. З. Борковский, В. В. Парусов // Открытия. Изобретения. -1968.-№ 36.-С.37.

72. Ас. 396 373 СССР, МКИ-1 С21Д1А, С21Д 1/78. Способ регулирования степени охлаждения проката/ В. В. Парусов, К Ф. Стародубов, В. Т. Худик и др. // Опфытия. Изобретешш -1973.^936.-С51.

73. Парусов ВВ., Гвоздев Р. В Управление процессами прерванной закалки по количеству мартенс1гтой (|)азы. // Сталь. -1975, -№ 10. -С. 932−933.

74. Гуляев, А П. Структурные измененрш при термомеханической обработке стали н их влияние на механические свойства // MI’ITOM. -1965. — N 11. -С. 9−17.

75. И Г. Узлов, Р. В. Гвоздев, В В. Парусов и др. Автоматазащш терм№ 1еского >'прочнения арматурной стали в потоке стана 350−2 // Сталь.-1981.-№ 4.-С.78−80.

76. И Г Узлов, О Г. Сидоренко, В, А Шеремет и др. Контроль процесса термо. механического упрочнения армат>фного проката при помощи датчика магнитной фазы // Металлзфгическая и горнорудная промышленность. -2001. -№ 6 -С 61−63.

77. Львовский ЕН Статистические методы построения эмпирических формул Учеб Пособие — М Высш школа, 1982 -224с.

78. Ахназарова С Л, Кафаров В В Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии.-М.'Высш школа, 1978 -319с.

79. Парусов В. В, Белит^шнко А. К, Богданов PI А. и др. Термо. механическая обработка проката из непрерывнолитой заготовки малого сечения. — Запорожье" ЗГУ, 2000. — 142с.

80. А Б. Юрьев, В. Д. Сарычев, В Я. Чинокалов и др. Прерывистое охлаждение арматуры большого диаметра в потоке стана 450 // Изв. высш. yi. заведений Черная металлургия, 2002. — № 2. — 44−46.

81. П Д Одесский, И. Типшев, Н Д Бахтеева Упрочнение в потоке станов низкоуглеродистых сталей // Металловедеьигс и термическая обработка металлов. — 2000, — № 9. — 36−38.

82. Ж}чков СМ., Сивак Э. В., Кулаков Л. В., Шувякова И. В. Расширение сортамента и повышение эффективности производства сортового проката с применением нетрадиционных технологических решений // Производство проката. — 2000 — № 10. — С12−16.

83. Матвеев Б Н, Методы повышения качества сорта и катанки (Обзор зарубежных источников) // Производство проката. — 2001. -№ 1. -С.47.

84. Новая технология производства термомеханическн упрочненной стали на стане 250−1/В Т Черненко, А. Г Кузьменко, Р. С. Тахаутдинов, В. Г. Логинов и др //Бюллетень «Черная металлургия». — 2003. — № 6. — 49−50.

85. Черненко В Т., Кузьменко, А Г., Корпев В Н и др Производство термомеханическн упрочненного проката для армирования бетона // Металлург — № 7. — 2001 — С 36−37.

86. Разработка и освоение технологии массового производства термически упрочненной арматурной стали классов Ат-Ш — AT-V В условиях стана 250−2 «ЗC^Ж» // Отчет о № 1Р № МТ-88−83 — Днепропетровск, 1985.

87. Проведение исследования свойств арматурной стали класса А500С производства ОАО «Запсибметкомбинат» // Научно-технический отчет № 142.-Москва, 1999.

88. Проведение сертификационных испытаний арматурной стали класса А500С диа^ метром 10−16 мм // Отчет по х/д № 1606/298 с комбинатом «Криворожсталь» -Москва, 1998.

89. Логинов, А В Совершенствование технологии производства термически упрочненной арматурной стали на стане 250−1 ОАО «ММК» // Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов «Азовсталь-2002» — Мариуполь ОАО «МК Азовсталь», 2002 — С 16.

90. Адаптивные матричные модели настройки сортовых станов / О. Н. Тулупов, В. Ф. Рашныков, С А. Тулупов, Е А. Евтеев // Магнитогорск: — 1997, 92с.

91. Рашников В. Ф., Тулупов О. Н, Евтеев Е, А Адаптивное управление непрерывной сортовой прокаткой с использованием матричной модели технологического процесса//Производство проката — 1998 — № 3. -С.2−5.

92. Тулзшов, А Матричный способ представления процесса формоизменения металла при прокатке в калибрах простой формы. Сообщение 1 // Известия вузов Черная металлургия. — 1989. — № 12. — 63−65.

93. Тулупов С, А Матричный способ представления процесса формоизменения металла при прокатке в калибрах простой формы Сообщение 2//Известия вузов Черная металлургия -1990 -№ 2,-С.48−50.

94. Стабильность формоизменения при прокатке стальной и сталемедной катанки/С Ф Рашников, О Н Тулупов, В Г Логинов, А, А Зайцев, А Б Моллер — Магнитогорск ПМП"МиниТип", 1998 — 108с.

95. АПЧекмарев, МСМутьев, РАМашковцев Калибровка прокатных валков уч пособие для вузов — М Металлургия, 1971 -512с.

96. Н В. Литовченко Калибровка периодш1еских профилей арматурной стали // Сб научн тр Вып 20. — Свердловск. Металлургиздат, 1960.-С 130−140.