Качество катаной заготовки
Качество заготовки формируется на всех стадиях ее производства, включая выплавку и разливку стали, прокатку слитка на блюминге или заготовочном стане, а также его отделку и ремонт в прокатном или трубном цехе. Состояние поверхности и внутреннее строение стального слитка определяют качество заготовок и прокатанных их них труб. Наличие пороков на наружной поверхности слитков обуславливает, как правило, поверхностные дефекты на заготовке и трубах. Качество внутренней поверхности труб, их механические свойства, микро- и макроструктура зависят от кристаллической структуры слитков и имеющихся в нем внутренних дефектов.
Основной причиной поверхностных дефектов труб в виде плен является низкое качество исходной заготовки (слитка). На готовых трубах такие дефекты составляют до 60...70%. Наиболее часто встречаются следующие дефекты металлургического происхождения: поверхностные и подкорковые газовые пузыри (часто из-за неудовлетворительной смазки изложниц), горячие (кристаллизационные) продольные и поперечные трещины, завороты корочки (следствие относительно медленной и холодной разливки металла), скопления экзогенных включений (например, частиц огнеупоров), наплывы (результат применения изношенных изложниц с углублениями на внутренней поверхности), усадочная раковина (из-за плохого утепления прибыльной части слитка или неполного ее удаления при обрезке раската), расслоения, пористость, ликвационный квадрат. Одной из характеристик качества трубной стали является загрязненность ее неметаллическими включениями (сульфидами, оксидами и т.д.). Они могут быть эндогенными, образующимися в результате реакций, протекающих в жидком и затвердевающем металле, и экзогенными, механически внесенными в металл. Характер загрязненности металла неметаллическими включениями определяется многими факторами технологии выплавки, раскисления и разливки стали.
Уменьшению брака металлургического происхождения способствует применение прогрессивной технологии выплавки стали в конверторах с последующей внепечной обработкой и непрерывной разливкой слитков круглого и квадратного сечения. В случае применения мартеновских печей, повышению качества слитков и блюмов, а соответственно, уменьшению количества бракованных труб, способствует оптимизация температуры и скорости разливки стали. По данным Л.Н.Оклея повышение температуры выпуска металла из мартеновской печи приводит к уменьшению количества труб, пораженных внутренними пленами. Применение металла "горячих" плавок позволяет также увеличить критические обжатия при прошивке. Оптимальные температуры разливки сталей марок 45, Д, 20, 10, 36Г2С составили, соответственно 1630, 1630, 1665, 1680 и 1630 град. Кроме температуры расплавленного металла, на возникновение дефектов на слитках существенное влияние оказывает также и скорость разливки (время заполнения поддона). Однако влияние температуры разливки на качество слитков неоднозначно. При этом может возрастать количество наружных дефектов слитка и труб. Указанный вид брака можно значительно уменьшить применением умеренной скорости разливки. Так наиболее высокое качество наружной поверхности труб было получено на заготовках, разлитых при температуре 1595 град. и времени заполнения поддона 5,5 мин.
Повышение температуры разливки изменяет условия кристаллизации стального слитка. Вследствие изменения теплофизических параметров кристаллизация металла, разлитого при повышенной температуре сопровождается уменьшением зоны подкорковых линейных кристаллов и развитием объемных кристаллов в осевой части слитка. Причем, несмотря на более высокую общую загрязненность слитка "горячей" плавки неметаллическими включениями, их концентрация в осевой зоне заготовки значительно меньше. Например, на опытных заготовках прокатанных из "горячих" плавок ликвационный квадрат балла 3 не встречался, тогда как при использовании обычных режимов разливки он отмечался на 8 плавках. Центральная пористость всех опытных заготовок не превышала балла 1, тогда как обычно она часто достигает 2 и 3-х баллов.
Так как описанные выше рациональные режимы разливки металла способствуют улучшению микроструктуры исходных слитков и трубной заготовки, то повышаются и механические свойства горячекатаных труб. Например, вследствие увеличения температуры разливки от 1580...1590 град до 1620...1640 град. повысились значения пределов текучести (примерно на 20%) и прочности (не 15%) труб из стали 45.
Опыт металлургических заводов показывает, что качество поверхности улучшается, если разливку стали вести под слоем жидкого шлака или других материалов, изолирующих поверхность металла. Существенное улучшение качества слитков и блюмов достигается за счет применения современных технологий внепечной обработкой и непрерывной разливки стали (см. раздел "Литая заготовка").
Дефекты на поверхности катаной заготовки (трещины, волосовины и т.д.) чаще возникают в процессе прокатки слитков на блюминге или трубозаготовочном стане из-за развития указанных выше наружных дефектов слитков, а также нарушения оптимальных режимов деформации, неудовлетворительной схемы калибровки валков и особенно из-за нарушения режима нагрева.
Увеличение времени нагрева слитка под прокатку способствует улучшению качества поверхности вследствие полного выгорания неглубоких, а также лучшего прогрева и заваривания глубоких подкорковых пузырей. Однако практикуемый на предприятиях прием удаления поверхностных дефектов слитка со слоем образовавшейся окалины не всегда эффективен. При этом может происходить окисление поверхности газового пузыря, что мешает его завариванию при прокатке, понижает пластичность окружающего его металла и ведет образованию волосовин. Рекомендуется также поддерживать достаточно высокую температуру посадки и нагрева слитков для уменьшения количества наружных дефектов проката. Однако чрезмерно большие температура и время нагрева слитка приводят к перегреву и пережогу металла, а также значительному обгоранию поверхности слитка и проникновению кислорода из печных газов внутрь подкорковых пузырей. Неравномерное распределение температуры по сечению нагретого слитка является одной из причин возникновения трещин и разрывов на прокатываемом металле, в том числе, вследствие возникновения дополнительных термических напряжений.
Прокатные дефекты (морщины и закаты) в общем количестве брака составляют не более 10...20%. Наружные пороки прокатного происхождения устраняются соблюдением оптимальной схемы кантовок на блюминге, рациональной калибровкой валков и настройкой прокатного стана. Режимы прокатки также оказывают влияние на структуру и свойства трубной заготовки. Например, увеличение числа проходов на блюминге с 15 до 21 сопровождается уменьшением концентрации сернистых включений. Это объясняется тем, что при увеличении обжатия за проход интенсифицируется процессы рекристаллизации и роста размеров зерна. В то же время изменение режима прокатки влияет на качество заготовки меньше, чем указанные выше мероприятия улучшающие качественные показатели слитка.
При прокатке слитков в трубную заготовку дефекты приобретают продольную ориентацию, зависящую от направления и степени деформации металла. Газовые пузыри (поверхностные и подкорковые) на блюме превращаются в короткие продольные трещины группового происхождения и в волосовидные продольные трещины группового расположения длиной до 700 мм и более на круглой заготовке. Горячие продольные трещины раскатываются в грубые рванины поперечной ориентации на блюме и грубые языкообразные рванины с поперечным отрывом в вершине и общей продольной ориентацией на круглой заготовке. Рванина заканчивается по бокам продольными трещинами и сопровождается пленами. Завороты корочки раскатываются на блюме в зигзагоообразные рванины группового расположения, значительно менее грубые, с довольно сжатыми краями. На круглой заготовке они представляют собой рванины с языкообразным отслоением в вершине, с общей продольной ориентацией дефекта, Рванина сопровождается волосовидными трещинами группового происхождения и мелкими пленами. Экзогенные неметаллические включения раскатываются на блюме в грубые поперечные рванины, заполненные включениями, или в короткие продольные трещины по типу газовых пузырей, но края их менее сжаты и в них видны включения. Наплывы раскатываются в тонкие рванины с поперечным отслоением, сопровождаемые пленами. Поперечные плены на поверхности слитка раскатываются в локальные плены продольной ориентации, сопровождаемые волосовидными трещинами. Во всех случаях волосовидные трещины представляют собой поверхностные и подкорковые газовые пузыри. При прокатке слитков и блюмов глубина их поверхностных дефектов независимо от первоначальных размеров уменьшаются примерно на 80%. Уменьшение дефектов, расположенных посредине граней слитков и блюмов при прокатке на круг, составляет примерно 50% первоначальной глубины. Установлено, что увеличение обжатий при прокатке в обжимной клети способствует резкому уменьшению глубины наружных дефектов. Характерным является концентрация дефектов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях по периметру круга, что объясняется неравномерной деформацией поверхностных слоев металла при прокатке в калибре. В большинстве случаев дефекты прокатного происхождения образуются на круглой трубной заготовке в результате нарушения режима кантовок подкатов при прокатке (морщины в середине грани блюма) и режима нагрева (рванины, трещины посреди грани слитка или блюма), либо неудовлетворительной настройки валков трубозаготовочного стана (закат, ус, трещина в углах усов). Дефекты располагаются преимущественно по местам разъемов предчистового или чистового калибров. Последнее объясняется том, что в предчистовом овальном калибре прокатка идет с незаполнением, способствующем раскрытию поверхностных дефектов в зоне выпуска.. Кроме того, поскольку трубная заготовка, выходящая из круглого калибра имеет по бокам остатки окалины, то пороки, расположенные вдоль разъемов чистового калибра плохо обнаруживаются и могут быть пропущены при ремонте раската. Прокатка трубной заготовки с использованием калибровки, предусматривающей перевод середины граней раската (дефектных участков) в углы последующих калибров, приводит к снижению объема ремонта т брака трубной заготовки, а также уменьшению количества бесшовных труб с наружными пленами. Во всех случаях из указанных дефектов слитков образуются плены, степень грубости которых зависит от исходного дефекта заготовки. Из газовых пузырей и волосовидных трещин катаной заготовки получаются тонкие волосовидные плены группового расположения протяженностью до 1,5 м и более. Края плен ровные, плотно прикатаны к телу трубы. Из продольных трещин слитка и катаной заготовки формируются единичные плены с волнистым или сравнительно ровным краем протяженностью до нескольких метров. Из поперечных трещин слитка и рванин катаной заготовки - грубые многорядные плены, протяженностью несколько метров. На заворотах корочки слитков и равнин катаной заготовки - многорядные плены с волнистыми краями средней степени грубости протяженностью до нескольких метров. Из раскатанных скоплений экзогенных включений слитка и рванин на поверхности катаной трубной заготовке на готовых трубах часто образуются грубые плены с рваными краями протяженностью до нескольких метров. Из наплывов на слитках и рванин катаной заготовки - плены с почти ровным краем. Из подрезов, закатов на круглой заготовке - плены со сравнительно ровными, плотно прилегающими краями протяженностью до нескольких метров. Из морщин по граням блюмов на трубах образуются плены по типу раскатанных газовых пузырей, но более раскрытые.
Отмечаются следующие особенности расположения различных видов дефектов. Плены на наружной поверхности труб, образовавшиеся из дефектов катаной заготовки и слитков (при прокатке на пильгерстанах) располагаются по винтовой линии. Шаг винтовой линии плены значительно превышает величину подачи металла за один оборот заготовки в валках прошивного стана. Дефекты чисто трубопрокатного происхождения резко отличаются от описанных выше. Например, плены по подрезам имеют шаг винтовой линии до 600...700 мм и наклон их значительно круче, чем в описанных случаях; закаты и риски, образующиеся на раскатаных станах при производстве труб из катаной заготовки прямолинейны. Закаты, образующиеся из-за увеличенной подачи на пилигримовых станах, часто повторяющиеся, серповидные, протяженностью до 600 мм. Плены из-за перегрева трубной заготовки перед прокаткой короткие, многорядные, косорасположенные, чешуйчатого типа. Резкое отличие в зависимости от природы имеют и плены на внутренней поверхности труб. При раскатывании загрязнений слитка - это плены продольной ориентации с большим шагом винтовой линии, степень развития которых зависит от величины раскатанных загрязнений.
Морфологические и генетические признаки, свойственные каждой группе пороков и каждому пороку в отдельности, сохраняются на всех стадиях переработки металла до готовых изделий. Наиболее характерны следующие морфологические признаки дефектов, первоначально образовавшихся на слитках. Раскатанные газовые пузыри в поперечном сечении имеют форму капсул с гладкими стенками. Раскатанные продольные и поперечные горячие (кристаллизационные) трещины разветвлены на концах, могут быть и их боковые ответвления. Раскатанные завороты корочки имеют характерное дугообразное расположение ликватов, сопровождаются газовыми пузырями и могут иметь разветвленные концы полостей, а также сопровождаться экзогенными неметаллическими включениями. Дефекты по скоплениям экзогенных неметаллических включений имеют полости, повторяющие их форму. Сами включения располагаются в полости и частично рядом с ней. Для дефектов сталеплавильного происхождения в микроструктуре характерна сумма генетических признаков - ликвация легкоплавких компонентов, цепочки сульфидов и оксисульфидов на продолжении полости, скопления мелких диффузионных глобулярных окислов, наличие экзогенных неметаллических включений в полостях и рядом с ними, наличие зоны обезуглероживания в оторочке из зерен перлита. Сочетание тех или иных из этих признаков зависит от вида дефекта. Наличие признаков связано со схемой кристаллизации отливок и последующим их нагревом перед деформацией. Дефекты прокатного и трубопрокатного происхождения имеют характерную для каждого из них форму полости поперечного сечения (риска - чашеобразную, морщина - капсуловидную, закат - суживается вглубь под углом к поверхности и часто имеет острый конец) и изменения микроструктуры, которые выражаются в полном или частичном обезуглероживании в зависимости от стадии передела, на котором порок образовался. Мелкие диффузионные окислы в небольшом количестве могут иметь место в случае образования дефекта на ранних стадиях проката. В полости дефектов может быть окалина. Плены сталеплавильного происхождения на внутренней поверхности труб сопровождаются неметаллическими включениями и ликватами, характерными для сердцевины той части слитка, из которой прокатаны заготовки и трубы. Плены трубопрокатного происхождения на внутренней поверхности труб могут сопровождаться только частичным обезуглероживанием.
