Исовершенствование технологии холоднойпрокатки низколегированных высокопрочныхавтомобильных сталей

На правах рукописи

Борисов СергейСергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ холоднойпрокатки НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХавтомобильных СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.05– «Обработкаметаллов давлением»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканиеученой степени

кандидата техническихнаук

Москва – 2013

Работа выполнена в Федеральномгосударственном бюджетномобразовательном учреждение высшегопрофессионального образования «Липецкийгосударственный техническийуниверситет».

Научный руководитель: Мазур Игорь Петрович

доктор технических наук,профессор

Официальныеоппоненты: Трайно АлександрИванович,

доктор технических наук, ФГБУН Институт

металлургии и материаловеденияим.

А.А.Байкова РАН, ведущий научный

сотрудник

Ионов Сергей Михайлович,

кандидат технических наук, НИТУМИСиС,

доцент

Ведущаяорганизация: ГНЦ РФФГУП «ЦНИИчермет

им. И.П.Бардина»

Защита состоится 13ноября 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационногосовета Д 002.060.02, созданного на базе ФГБУНИнститута металлургии и материаловеденияим. А.А. Байкова Российской академии наук(ИМЕТ РАН) по адресу: 117334, г. Москва,Ленинский пр., 49.

Авторефератдиссертации и объявление о защитеразмещены на офици- альном сайте ИМЕТ РАНпо адресу: http://imet.ac.ru/ncd-4-15/news.html и на сайте ВАК Минобрнауки России поадресу: http://vak2.ed.gov.ru/catalogue/details/129271.

Отзывы на авторефератдиссертации (в двух экземплярах,заверенных печатью) просьба отправлять поадресу: 117334, г. Москва, Ленинский пр., 49,Диссертационный совет Д 002.060.02. Копииотзывов в электронном виде направлять поe-mail: shelest99@mail.ru.

Автореферат разослан«___»________________2013 г.

Ученый секретарьдиссертационного совета

доктортехнических наук,профессорШелест А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальностьпроблемы.Главными критериямиуспешного развития предприятия и егоконкурентоспособности являютсяпостоянное расширение и варьированиесортамента производимой продукции взависимости от запросов рынка приобеспечении высокой стабильности ипроизводительности технологических процессов всочетании с низкими издержками и высокимкачеством.

В последние годынизколегированныевысокопрочные стали (HSLA) находят широкоеприменение в машиностроении иавтомобилестроении. Областьих применения обусловлена высокимимеханическими свойствами(условный пределтекучести до 520 МПа), что позволяет снижать вес металлоконструкцийпри сохранении ихпрочности (экономия металла по сравнению с конструкциямииз малоуглеродистых сталей составляет 25…30 %).

Конечнаягеометрия (толщина, ширина,плоскостность) и качествоповерхностиполос из HSLAсталей, необходимые дляавтомобилестроения,достигаются врезультате холодной прокатки. Производительность истабильностьпроцесса холодной деформации определяются составом оборудования стана имеханическими свойствамистали. Упрочнение в результате наклепа сталей HSLA в процессехолоднойтонколистовой прокаткиможет достигать 1000 МПа и более. Закономерности иинтенсивность упрочнения HSLAсталей в процессе холодной деформациинедостаточно изучены и слабоосвещены в научной литературе. Поэтому при холоднойпрокаткенизколегированных сталей возникаютаварийные ситуации, приводящие к простоям,потере производительности стана иснижениюкачества проката. Наличиеинформации осопротивлении деформации горячекатаного подкатанизколегированных сталей и знание параметров кривой упрочнениявпроцессе холодной прокатки способствует снижениюиздержекпри выполнении заказовпотребителей за счет предварительноговыборарежимов обработки.

Все вышесказанноеобуславливает актуальностьнаучного исследования упрочнения низколегированных высокопрочныхсталей при холодной пластическойдеформации, математического описания икомпьютерного моделированияданных процессов на основеподходов теории прокатки.

Цель работы. Исследование упрочнения низколегированныхвысокопрочных сталей при холодной прокатке,получение новых данных по сопротивлению деформации для уточнения параметровначальной настройки прокатных станов при расширении марочного сортаментаметаллопродукции.

Для достиженияуказанной цели в диссертационной работерешались следующие задачи:

1. Определение условного пределатекучести горячекатаногоподката изнизколегированных высокопрочныхавтомобильных сталей взависимости от химического состава и параметров горячей прокатки.
2. Экспериментальноеисследованиеизменениясопротивления деформацииприхолодной прокатке,получение кривых упрочнениянизколегированных высокопрочных сталей.
3. Исследование влияния температурыполосы впроцессе холодной прокатки наизменение сопротивлениядеформации HSLA сталей.
4. Учетвлияниятемпературы полосы и трения на стане при расчете параметров холоднойпрокатки путем адаптивного определения кривой упрочнениясталипри известныхданных поэнергосиловымпараметрам обработки.

Объект ипредметисследования.

Объектомисследованиядиссертационной работыявляется зависимостьсопротивления деформации HSLA сталей отпредшествующейобработки иусловий холодной деформации, определяющаянагрузки наоборудованиеи качество полосыпри холодной прокатке исследуемыхсталей.Вработе рассмотрены стали марокHC260LA, HC300LA,НС380LА, H400LA,НС420LА.

Предметом исследования настоящейработы является изменение условногопределатекучести HSLA сталейпри холодной деформации.

Научная новизнарезультатов исследования.

1. Регрессионные зависимостиусловного предела текучестигорячекатаного подката из сталей HSLA от химическогосостава и параметров горячей прокатки,определяющие исходное сопротивлениедеформации холоднокатаного проката с учетомусловий предшествующей обработки безнеобходимости проведения механических испытаний.

2. Коэффициенты кривой упрочненияуравнения А.В. Третьякова для сталей марок HC260LA, HC380LA, H400LA и HC420LA, описывающиезависимость величины наклепа от степени холоднойдеформации.

3. Результатыэкспериментальныхисследований влияния температуры полосына упрочнениеHSLAсталей прихолодной прокатке. Уравнения,учитывающиеизменение вида кривой упрочненияпри холоднойдеформации HSLA сталей в диапазоне температур25…150 °С.

4. Методика,учитывающая влияние температурыполосы иусловий трения на стане при расчете параметровхолодной прокатки. В отличие от существующихчисленных моделей алгоритмдополнен адаптивной процедуройвычисления коэффициентов кривойупрочнения при известныхданных поэнергосиловым параметрам обработки.

Практическая значимостьработы.

Работа выполнена врамках НИР«Разработка новых методовописания формообразования тонких полос извысокопрочной стали при прокатке наширокополосных станах для расширенияпрокатываемого сортамента»(номер государственной регистрации 01201264040).

1. Регрессионные зависимости сопротивлениядеформациинизколегированныхвысокопрочных сталей отхимического состава и параметров горячейпрокатки использованы приразработкерекомендаций по ведениютехнологическогопроцесса вусловиях ОАО«НЛМК» (Новолипецкийметаллургический комбинат). Полученные уравнения повышаютточность определения исходного предела текучести и кривойупрочнения HSLA стали, которые используются вавтоматизированнойсистеме управления станом холодной прокатки для расчетатехнологических параметров прокаткизаданноготипоразмера.

2. Результатыисследованияупрочнения HSLA сталей впроцессе холоднойдеформации переданы ввычислительный центр и технический отдел«Производствахолодного проката и покрытий» ОАО «НЛМК» ииспользованы в алгоритмахсистемы управления стана 2030(АСУТП стана2030 уровень 2), что подтвержденоактом обиспользованиирезультатовдиссертационной работына ОАО «НЛМК» от 12.04.2012 г. Применение результатовпозволило повысить стабильностьи производительностьпроцесса холодной прокаткинизколегированныхвысокопрочных сталей.

Полученные константы кривых упрочнения сталей HSLA могут быть использованы в качестве справочных в широком спектретеоретических и прикладных задач процессов холодной деформации.

3. Разработанная программа расчета параметров обработки и кривой упрочнения стали позволяет моделировать условия холоднойпрокатки посоставу оборудования и режимам обработки. Позволяетадаптировать модель к условиям стана холодной прокаткипутем коррекции коэффициентовкривой упрочнения, использованадля проверкивозможностиобработки нового марочного сортамента на стане 2030.

4. Программа зарегистрирована в Общероссийскомфонде алгоритмов и программ(свидетельство о регистрации№ 50201250486), используется в учебном процессе приподготовке студентов направления 150400.68 «Металлургия» в курсе «Информационные технологии вметаллургии», чтоподтверждено актом о внедрении в учебный процессрезультатов НИР от 15.02.2013 г.

Апробация и реализациярезультатов диссертации.

Материалыдиссертационной работы докладывались иобсуждались в рамках:международной научно-технической конференции«Достижения и перспективы развития процессов и машинобработки давлением в металлургии имашиностроении», г. Краматорск, Украина,2124 апреля 2009г.; научно-техническойконференции «Прогрессивныетехнологиипластической деформации», г. Москва, 2009 г.; «VIII международной научно-техническойконференции молодых специалистов», г.Новокузнецк, 1620 апреля 2010 г.;научнотехнической конференции «Прогрессивныетехнологиипластическойдеформации», г. Москва, 2009 г.;«International Conference onPhysical and Numerical Simulation (ICPNS’2010)», November 16-19, 2010, Guilin, China; «20th Jubilee International Conference on Metallurgy and Materials METAL 2011», May 18-20, 2011, Brno, Czech Republic, European Union; международнойнаучнотехническойконференции «Инновационныетехнологииобработки металловдавлением», г. Москва, 1820 октября 2011г.;«21st International Conference on Metallurgy andMaterials METAL 2012»,May 2325, 2012, Brno, Czech Republic, European Union.

Публикации.

Основное содержание ирезультаты работы опубликованы в 10 печатных трудах, втом числе 2 статьи в изданиях, входящих в переченьведущих российских рецензируемыхнаучных журналов [3, 8],рекомендованных ВАКМинобрнаукиРФ, 3статьи взарубежныхизданиях,индексируемых в базе данных «Web of Science» [4, 5, 9].

Структурадиссертации.

Диссертация состоит извведения, четырех глав, выводов ибиблиографического списка (включающего 71 наименование). Работа изложена на 146страницахмашинописного текста, содержит 56 рисунков и31таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальностьтемы диссертационной работы, сформулирована цель, научная новизнаи практическаязначимость исследования, дано общее описание работы.

В первой главе проведен аналитическийобзор литературы, в котором данахарактеристикавысокопрочныхнизколегированныхсталей (HSLA по EN10268),указана область ихприменения, уровень конечныхмеханических характеристик, механизмыупрочнения иструктура,обуславливающие их свойства. Показаныпроблемы,возникающиепритонколистовойхолодной прокатке сталей HSLA, определенынаправленияисследований,необходимые для их решения.

Представлен сравнительныйанализматематическихмоделей очага деформации при холоднойпрокатке. Сделаны выводы по точности и применимости моделей.Математическоемоделированиеявляетсяинструментом, позволяющим спрогнозироватьусловия прокатки приизвестных свойствах материала и выбратьрациональный по энергосиловымпараметрам режим обработки. В выводах по главе сформулированы задачи настоящегоисследования.

Вовторой главепредставлены результатыисследования сопротивлениядеформации горячекатаногоподката изсталейHSLA,достигаемого взависимости от химическогосостава ипараметров горячей прокатки.

Упрочнение в процессе холоднойпрокатки по уравнению А.В. Третьякова,выбранномув результатеанализа применяемых в теории холоднойпрокатки зависимостей, определяетсяисходным пределом текучестистали исуммарной степенью холоднойдеформации, достигаемой при прокатке

, (1)

где -суммарная степень деформации в клетипри холодной прокатке; -эмпирические коэффициенты кривой упрочнения; условный предел текучестигорячекатаного подката.

Напервом этапеисследований для определения исходного сопротивлениядеформациигорячекатаногоподката HSLA сталей проведен анализ массива данных по параметрамобработки партий из стали марок HС260LAHС300LA,HC380LA, HC420LA. Заанализируемый период (20092011гг.) было прокатано 62 рулона из стали марки HC260LA, 89рулонов изстали маркиHC300LA,124рулонаиз сталимарки HC380LA и63 рулона из стали марки HC420LA.Эта выборка данных репрезентативный массив параметров,необходимыйдля получения достоверныхзависимостей между факторамитехнологии имеханическимисвойствами стали. Область варьированияфакторовпредшествующей обработки для стали HC380LA,охватываемая в планируемомэксперименте, представлена в таблице 1.

Таблица1

Интервалы варьированияпараметровэксперимента для стали HC380LA

Параметр		Кол-во партий	Среднее	Минимум	Максимум	СКО
Выходнойпараметр	Условный пределтекучести горячекатаногопроката, МПа	124	421	348	503	33,5754
Факторы	Ткп, °С		848	839	861	4,9720
	Тсм, °С		641	615	651	5,6962
	Углерод, масс. доля %		0,090	0,080	0,100	0,0046
	Марганец,масс. доля%		0,867	0,800	0,940	0,0486
	Ниобий, масс. доля %		0,044	0,040	0,050	0,0048

Данныебыли обработаны по методу множественнойкорреляции из стандартногопакета программ «Statistica 6.0». В таблице 1 представлены параметры,оказывающиенаибольшее влияние на формированиеусловногопредела текучестистали HC380LA.Интервалыварьированияфакторов длясталей марокHC260LA, HC300LA, НС420LAприведены вдиссертации. На основаниипроведенногоанализа получено следующее ранжированиефакторов позначимости их влияния на условный пределтекучести горячекатаныхполос изнизколегированнойвысокопрочной стали: 1)содержание встали углерода C(коэффициент парнойкорелляции сусловным пределом текучестиподката r =0,67…0,79), марганцаMn (r=0,49…0,69), ниобия Nb (r=0,72…0,76); 2) температураконца прокатки (r=-0,27…-0,34), температурасмотки полосв рулоны(r=-0,35…-0,43).Врезультатеполученырегрессионныеуравнения для определения сопротивлениядеформации листовойстали перед холоднойдеформацией в виделинейных зависимостей отхимического состава итехнологическихпараметров горячей прокатки.

Уравнение для стали марки HС380LA:

, (2)

где условный пределтекучести горячекатаногоподката, МПа;С, Mn, Nb, массовая долясодержанияв плавкеуглерода, марганца иниобия соответственно, %; Ткп– температура конца прокатки, °С;Тсм - температура смотки, °С. Для приведенной зависимостикоэффициентмножественнойдетерминации .

Уравнение для стали марки HC260LA ()

. (3)

Уравнение для стали марки HC300LA ()

.(4)

Уравнение для стали марки HC420LA ()

, (5)

где отношениемассовой доли содержания в плавкемарганца ксере, принятое дляповышения точности уравнения и исключениявзаимного влияния факторовдруг надруга. Полученные уравнения не противоречатизвестным закономерностямивлияния химического состава и параметровгорячей прокаткина свойствасталей, представленнымв работахЛ.В.Андреюка.

Проверкууравнений (2) (5) провели порезультатамизмерений условного пределатекучести для четырех контрольных выборок трех марок стали, прокатанных в 2012г. Химический состав и параметры горячейпрокатки соответствовали интервалам варьированияфакторов втаблице 1. В таблице 2 представленыотклонениярасчетных значений от фактических. Абсолютнаяошибка прогнозируемогозначения отизмеренногосоставила 13,1…60,5МПа, чтоукладывается в диапазоны остатков, определенныедля построенных регрессионныхуравнений.

Таблица2

Измеренные и расчетные значенияусловного предела текучестигорячекатаного подката из сталейHSLA

Марка стали	HC380LА		HC420LА	HC260LА
/, МПа	Выборка1	Выборка2	Выборка3	Выборка4
	484,0 /470,9	483,0 / 422,5	612,0 / 588,8	334,0 / 351,4
Абс.откл.	13,1	60,5	23,2	17,4
Ошибка,%	2,7	12,5	3,8	5,2