W 621. 771. 261 =ЕВРАЗ ЕВРАЗ ЗСМК
50 лет
АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ Э78ХСФ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ, СКОРОСТИ И СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ
© Головатенко Алексей Валерьевич1, директор по операционной деятельности дивизиона железнодорожный прокат, e-mail: Aleksey.Golovatenko@evraz.com;
Дорофеев Владимир Викторович1, д-р техн. наук, главный калибровщик управления по технологии
производства рельсового проката, e-mail: Vladimir.Dorofeev@evraz.com;
Трусов Виталий Алексеевич2, д-р техн. наук, проф., e-mail: trusov@pdss.misis.ru;
Волков Константин Владимирович1, канд. техн. наук, технический директор по производству
железнодорожного проката, e-mail: Konstantin.Volkov2@evraz.com;
Добрянский Андрей Владимирович1, калибровщик I категории управления по технологии производства рельсового проката, e-mail: Andrey.Dobryanskij@evraz.com
1 ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат». Россия, г. Новокузнецк
2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва Статья поступила 21.04.2014 г.
Выполнены экспериментальные исследования по определению влияния технологических параметров горячей прокатки на формирование структуры и комплекса механических свойств рельсов типа Р65 из стали Э78ХСФ в условиях ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Исследовано влияние технологических параметров действующей технологической схемы (температурно-временных, деформационно-скоростных и энергосиловых параметров) производства рельсов типа Р65 из стали Э78ХСФ с использованием имитационной установки Gleeble System 3800.
Ключевые слова: прокатка; рельсы; дилатометр; сопротивление деформации; образцы.
При разработке новых и совершенствовании действующих технологий производства, осуществленных за счет ввода в эксплуатацию новых прокатных станов и реконструкции действующих, необходимы инженерные расчеты энергосиловых параметров процесса прокатки. Существующие расчетные методы предполагают знание сопротивления деформации прокатываемой стали, зависящего, в первую очередь, от температуры, скорости и степени деформации. В настоящее время эти сведения наиболее надежно получаются экспериментальным путем. Ввод в эксплуатацию в ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» нового рельсобалочного стана с самой современной универсальной схемой прокатки рельсов, в состав которого входят две дуо-реверсивных клети и трехклетьевая реверсивная группа клетей с двумя универсальными и одной вспомогательной (эджерной) двухвалковой клетями, позволяет значительно снизить расходный коэффициент металла, осуществить схему прокатки с достаточно низкими энергетическими затратами и получить металлопродукцию с заданной структурой и задаваемым комплексом механических свойств.
Разработка высокотехнологичной схемы прокатки рельсов типа Р65 из стали марок Э76ХФ -Э78ХСФ требует определения истинного сопротивления деформации этих сталей для расчета динамического режима прокатки рельсов.
Исследования по определению истинного сопротивления деформации стали марки Э78ХСФ были проведены на имитационной установке Gleeble System 3800.
Применяемые на практике основные стандартные методы испытаний для определения механических свойств металла, полученных в условиях горячей деформации, - это испытания на растяжение, кручение и сжатие. При испытаниях на горячее растяжение затруднительно достичь больших степеней деформации во всем объеме материала. Возникающая в образце шейка уже при относительно малых деформациях (10-30%) обусловливает высокую степень неоднородности деформации и изменение скорости деформации. Кроме того, в шейке образуется сложное напряженное состояние. Структурные изменения в области шейки неоднородны вследствие различий степени деформации в разных участках.
Рис. 1. Размещение образца в рабочей камере модуля Hydrawedge II комплекса Gleeble System 3800
При испытаниях на горячее кручение определяется зависимость а = /(е) до очень больших относительных деформаций. Основной недостаток этой схемы - неоднородность деформации по сечению: степень и скорость деформации изменяются от максимальной величины на поверхности до минимальных (вплоть до нулевых) значений истинной деформации в центре (вдоль оси вращения) цилиндрического образца. Реально при пластической деформации кручением даже в центральной зоне наблюдается деформация, значимо отличающаяся от нуля вследствие неравномерности течения материала, вызывающего перемешивание слоев (движение из «центра» на «периферию», с «периферии» в «центр»). Получаемая в горячедеформированном материале при кручении неоднородность, особенно при небольшом радиусе образца, может существенно затруднить процедуру и достоверность последующих структурных исследований.
В процессе испытаний на горячее сжатие можно достичь величины истинной деформации более двух единиц (1п(й0/й1)), что соответствует примерно 10-кратному обжатию (е = 90%). При этом немаловажно, что полученные образцы пригодны для дальнейших исследований (например, рентгеноструктурных, металлографических и т.д.). Однако из-за контактных сил трения между торцевыми поверхностями образца и деформирующими штангами образец принимает «бочкообразную» форму. В этом случае на поверхности сжатого образца возникают высокие растягива-
ющие напряжения как продольные, так и поперечные. Контактные силы трения можно значительно снизить с помощью смазки, или используя образцы с коническими отверстиями, или применяя инструмент с особой геометрией поверхности. Учитывая возможную неоднородность деформации образца, последующие структурные исследования проводятся для центральной - наиболее однородно деформированной области образца.
Испытания на высокотемпературное сжатие (осадку) на установке Hydrawedge II (одного из четырех возможных сменных модулей, входящих в комплектацию комплекса для физического моделирования термомеханических процессов Gleeble System 3800) проводятся на цилиндрических образцах диаметром 10 мм и высотой 10-20 мм.
Установка Hydrawedge II (рис. 1) снабжена приборами для измерения температуры, усилий, перемещения и т.д.; имеется передвижной модуль для создания искусственной атмосферы в рабочей камере; установлены форсунки для ускорения охлаждения образца при закалке; деформирующие штанги имеют водяную систему охлаждения, необходимую для устранения нежелательного влияния нагрева на инструмент и измерительные приборы.
Все процессы обработки давлением (ковка, прокатка, прессование, волочение и др.) в той или иной степени характеризуются неравномерным распределением напряжений и, следовательно, неравномерным распределением деформаций в объеме деформируемого тела, что можно отследить, например, по форме его поверхности, полученной в ходе пластического формоизменения при обработке давлением. Такого рода типичным признаком при осадке цилиндрического образца может служить искажение его боковой грани - образование одинарной или двойной «бочки», возникающей из-за действия контактного трения (рис. 2).
Для уменьшения «бочкообразования» отношение диаметра к высоте образца выбирают равным 1:2 (в отличие от обычно используемых 1:1 и 1:1,5). Но это, в свою очередь, увеличивает вероятность перекоса, который минимизируется центрированием деформирующего инструмента и точной установкой образца.
Рис. 2. Основные размеры и зоны образца в продольном сечении и на контактной поверхности
Для уменьшения контактных сил трения между торцевыми поверхностями образца и деформирующими рабочими поверхностями бойков, изготовленных из карбида вольфрама, применяется смазка (на основе никеля, графита, нитрида бора) или специальная графитовая фольга. Кроме того, при высокой температуре и большой продолжительности испытания для предотвращения «прикипания» образца к поверхности бойков между их контактными поверхностями прокладывают танталовую фольгу, обе стороны которой предварительно смазывают.
Образцы на установке Hydrawedge II можно деформировать при постоянной скорости перемещения штанги, либо постоянной скорости условной или постоянной деформации образца при заданной температуре. Перед испытанием с помощью системы вакуумных насосов в рабочей камере установки создается инертная атмосфера или вакуум (не менее 1,013-10-2 кПа) для уменьшения окисления при повышенных температурах.
Нагрев образца в Gleeble System 3800 осуществляется путем пропускания электрического тока через образец. В ходе испытания необходимо добиться высокой однородности температуры в объеме образца в сочетании с высокой точностью поддержания заданного уровня температуры в течение всего времени испытания. Температура контролируется с помощью приваренных к образцу термопар (например, типа хромель—алюмель) в количестве от одной до четырех (см. рис. 2, а). Для контроля мощности электрического тока имеется обратная связь с применением эффективного ПИД-регулятора, обеспечивающего нагрев (охлаждение) с заданной скоростью (от 0,001 до 1000 °С/с при нагреве) и стабильное поддержание (не более ±0,5 °С) температуры в ходе изотермической выдержки.
Применяемый в Gleeble System 3800 способ нагрева обеспечивает высокую однородность распределения температуры по глубине образца
(и относительно неплохую вдоль образца) как при изотермической выдержке, так и при нагреве. Вследствие этого перед деформацией образца нет строгой необходимости в его изотермической выдержке при температуре испытания, которая для традиционного способа нагрева в печи составила бы для стабильных образцов не менее 15 мин (из расчета 90 с на 1 мм сечения).
К сожалению, полностью избежать градиента температуры не удается ввиду наличия теплового контакта образца с бойками, температура которых заметно отличается от температуры образца. Снизить продольный градиент температуры в образце, а также нивелировать несимметричность распределения температуры можно применением одного или нескольких графитовых вкладышей, размещаемых внутри держателя бойков, тем самым уменьшающих теплопроводность деформирующего инструмента.
Обычно стандартное испытание для получения диаграммы горячей деформации при сжатии прерывают по достижении 50% обжатия (рис. 2, б), что соотв
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.