ТЕМАТИЧЕСКИЕ РАЗДЕЛЫ - СОЖ

Обеспечение требуемой микрогеометрии
холоднокатаных стальных листов

• Требования предъявляемые к микрогеометрии
• Формирование микрогеометрии
• Насечка рабочих валков в условиях ЛПЦ-5 (ОАО "ММК")
• Метод электроэрозионного тектурирования
  

Требования предъявляемые к микрогеометрии

Микрогеометрия поверхности полос листовой стали существенно влияет на качество и прочность лакокрасочных и других декоративных покрытий, условия ее дальнейшей обработки и эксплуатационные характеристики готовых изделий.

Требования к микрогеометрии поверхности полосы определяются ее назначением и особенностями получения готовых изделий. Микрорельеф поверхности характеризуется высотой микронеровностей (для оценки наиболее часто используется параметр Rа - среднеарифметическое отклонение точек измеряемого профиля от средней линии), развитостью поверхности (числом пиков на единицу длины поверхности) и формой пиков.

Увеличение шероховатости листовой стали приводит к росту предельной степени вытяжки при штамповке за счет лучшего удерживания технологической смазки, но отражательная способность (блеск) повышается при снижении шероховатости поверхности. С увеличением плотности пиков возрастает прочность сцепления покрытий с основным металлом и уменьшается число дефектов покрытия.

Оптимальная шероховатость поверхности холоднокатаной конструкционной стали, предназначенной для изготовления облицовочных и кузовных деталей автомобиля, с учетом совместного влияния микрогеометрии на штампуемость и качество лакокрасочных покрытий составляет 1,0 - 1,3 мкм (по показателю Ra) при числе пиков не менее 50 на 1 см длины поверхности. Для листовой стали, предназначенной для эмалирования оптимальные значения шероховатости составляют 1,0 - 1,7 мкм (по Ra). Высокая прочность сцепления цинка с основным металлом при оцинковании полосы достигается при значениях шероховатости ее поверхности по показателю Ra > 1,0.

Формирование микрогеометрии

Формирование микрорельефа полосы при холодной прокатке определяется соотношением шероховатости исходной полосы и рабочих валков и толщиной слоя смазки в очаге деформации.

При прокатке без смазки (дрессировке) происходит вдавливание микровыступов поверхности рабочих валков в поверхность полосы, которое растет с увеличением величины обжатия, при этом шероховатость прокатываемой полосы незначительно отличается от шероховатости рабочих валков.

Наличие смазки в очаге деформации изменяет условия формирования микрорельефа полосы, которые определяются толщиной слоя смазки, его от вязкостью, направлением и величиной микроуглублений поверхности полосы и валков, скоростью и усилием прокатки и т.д. Смазка заполняет микровпадины прокатываемой полосы и рабочих валков и снижает, как отпечатываемость микрорельефа валков, так и выравнивание микронеровностей поверхности полосы. В том случае, если толщина смазочной пленки в 3 - 4 раза больше значения шероховатости валков, микрогеометрия поверхности полосы определяется ее исходной шероховатостью и структурой металла, конечная шероховатость полосы может быть выше исходной.

Исследования формирования микрогеометрии поверхности полосы при холодной прокатке на непрерывных станах показали, что влияние шероховатости горячекатаной травленой полосы (обычно составляющей 2 - 4 мкм по показателю Ra) определяющее влияет на условия трения в первой клети стана. С целью улучшения захвата переднего конца полосы рабочие валки первой клети стана насекают дробью, при этом повышается шероховатость поверхности полосы на входе во вторую и последующие клети стана и снижают усилие и момент прокатки.

Шероховатость полосы на выходе стана зависит от чистоты обработки рабочих валков последней клети и условий процесса прокатки. С увеличением удельного давления улучшается отпечатываемость микрорельефа валков на полосе, при использовании насеченных валков шероховатость полосы возрастает, при прокатке на гладких валках снижается.

Исследование шероховатости полосы при прокатке со смазкой в широком диапазоне скоростей показало, что чем выше скорость прокатки, тем менее интенсивно передается микрорельеф поверхности валков на полосу. Это объясняется увеличение толщины слоя технологической смазки в очаге деформации по мере роста скорости прокатки.

Показателем степени переноса микрорельефа поверхности валков на полосу является коэффициент отпечатываемости (Ко), равный отношению шероховатости полосы к шероховатости рабочих валков (Ra^п / Ra^в). В процессе исследования микрорельефа холоднокатаной высоколегированной кремнием стали при прокатке на 5-ти клетевом реверсивном стане и 20-ти валковом станах производства СКМЗ установлено, что значения Ко остаются постоянными для заданного режима обжатий при изменении шероховатости валков в пределах 0,4 - 2,0 мкм (по Ra). При повышении чистоты обработки валков (Ra < 0,3 мкм) отмечается резкое возрастание значений Ко, что объясняется возросшим влиянием шероховатости исходной полосы и смазки.

В процессе холодной прокатки плотность пиков микропрофиля поверхности рабочих валков и прокатываемой полосы понижается, радиусы закругления микровыступов увеличиваются. Интенсивность изменения шероховатости валков зависит от их исходной шероховатости и твердости поверхности, чистоты обработки перед насечкой, режимов процесса прокатки и имеет максимальную величину в начальный период компании валков при прокатке первых 200 - 300 тонн, когда высота и плотность микровыступов уменьшается на 25 - 35%. Снижение шероховатости полосы в процессе эксплуатации валков приводит к увеличению вероятности сваривания витков рулона при отжиге в колпаковых печах. Так в условиях ЛПЦ-5 (ОАО "ММК") доля холоднокатаного металла отсортированного по дефекту "излом", который образовался вследствие сваривания витков рулона, при холодной прокатке первых 200, 1000 и 1200 тонн проката без перевалок насеченных рабочих валков последней клети 4-х клетевого стана 2500 составила 1,0; 1,5; 3,9 % соответственно. Для условий производства на стане 2500 холодной прокатки установлена норма металла прокатываемого за одну установку рабочих валков в последней клети - не более 800 - 1000 тонн. С целью уменьшения сваривания витков рулонов, валки последней клети стана 2500 насекают дробью (Ra = 2,5 мкм), но с увеличением шероховатости полосы растет количество загрязнений на ее поверхности.

В условиях непрерывного стана 1680, завода "Запорожсталь", увеличение шероховатости валков последней клети стана с 2,2 до 4,0 мкм (по Ra) при прокатке полосы толщиной 0,8 мм из стали 08кп со смазкой - эмульсией таллового масла ЭТ-1, привело к увеличению шероховатости полос от 1,0 до 1,9 мкм (по Ra) и росту количества загрязнений на их поверхности с 635 до 775 мг/м².

Насечка рабочих валков в условиях ЛПЦ-5 (ОАО "ММК")

В условия ЛПЦ-5 (ОАО "ММК") насечка рабочих валков для непрерывного стана холодной прокатки 2500 и дрессировочных станов 2500 и 1700 в основном производится на дробеметной машине фирмы "Виллибратор" (Англия) и незначительная часть насекается на дробеструйной машине СМ-3 (Россия). Дробеметная машина предназначена для насечки стальных прокатных валков.

Технология насечки дробью: Дробемет принимает дробь из бункера, и при помощи ротора подает дробь на поверхность бочки валка вращающегося со скоростью 5 - 15 об/мин. Размеры крыльчатки барабана ротора: диаметр - 500 мм, ширина лопаток - 75 мм. Максимальная скорость ротора - 3000 об/мин. Автоматическая система подачи дроби включает воздушный сепаратор и классификатор (виброгрохот для рассева дроби на фракции). Классификатор состоит из деревянных промежуточных рам в комплекте с набором сит, обеспечивающих рассев дроби на три фракции, сепаратор же предназначен для удаления из дроби посторонних предметов размерами более 5 мм. Дробь подается через решетчатый пол камеры обдувки, откуда поступает в сортировочную машину, где сортируется в различные отсеки по крупности. Необходимая для насечки фракция дроби подается в бункер, который питает ротор дробемета. Струя дроби на всех режимах насечки определяется нагрузкой на колесе по току. Скорость перемещения тележки на всех режимах 0,5 - 1 м/мин.

Режим насечки валков на дробемете: Шероховатость поверхности валка регулируется показателями скорости вращения ротора дробемета и размерами фракции дроби.

• Стан 2500 холодной прокатки - 1 и 4 клеть - насеченные валки - средняя фракция дроби (0,7 - 0,8 мм) при скорости вращения ротора - 2100 об/мин.
• Дрессировочные станы 1700 и 2500 - шлифованные валки - средняя фракция дроби (0,7 - 0,8 мм); полированные валки - мелкая фракция дроби (0,4 - 0,6 мм) при скорости вращения ротора 2100 - 2200 об/мин.

Контроль качества насечки контролируется насекальщиком визуально в присутствии мастера на первом насеченном валке после перестройки дробеметной машины. Производительность - 12 валков в смену.

В настоящий момент, прежде всего по причине физического износа оборудования поверхность валков не соответствует необходимому состоянию. Классификатор не обеспечивает рассев дроби по фракциям (износ промежуточных рам и комплекта сит), насечка валков производится нерассортированной по фракциям дробью размерами 0,4 - 1,5 мм. Двигатель не обеспечивает необходимую скорость вращения дробемета. По этим причинам не обеспечивается равномерность микрогеометрии по поверхности бочки валка.

Неравномерность микрогеометрии по поверхности бочки валка ведет к формированию дефекта "волчок" на поверхности холоднокатаного листа. Динамика отсортировки холоднокатаного листа в третью группу отделки поверхности по дефекту "волчок" за последние четыре года в ЛПЦ-5 (ОАО "ММК") приведена в таблице.

Традиционный пескоструйный и дробеметный метод достигли своих границ. Возможности и недостатки этих методов известны и в современном производстве этот метод не удовлетворяет потребностям. Основными недостатками являются:

1. Проблемы при контроле величины зернистого песка, или фракции дроби.
2. Высокие затраты на приобретение оборудования а также высокие производственные затраты на текущий ремонт. Высокие затраты обслуживания установок связанных с загрязнением окружающей среды.
3. Необходимость больших производственных площадей.
4. Ограниченные возможности обработки валков большей твердости.
5. Параметры структуры не могут быть регулированы или изменены.
6. Большая разница в распределении шероховатости пиков.

Для современного производства листовой стали характерно использование более эффективных и экономичных методы обработки валков - например: метод электроэрозионного текстурирования (ЕДТ).

Метод электроэрозионного тектурирования

Преимущества метода: 

1. Достигается более высокий уровень контроля поверхности валка, чем методом насечки дробью, причем достигается точный выбор шероховатости и числа пиков, количество которых гораздо выше, чем при пескоструйном и дробеметном методе. Диапазон текстурирования по Ra = 0,3 - 1,6 мкм.
2. После обработки, валок в три раза дольше используется до его нового текстурирования.
3. Точность. Постоянное качество поверхности текстурирования. Отклонения находятся в пределах 4%.
4. Твердость валка не влияет на процесс текстурирования. Поэтому, возможна обработка большего диапазона термообработанных сплавов. 
5. Чистота окружающей среды и низкий уровень шумности.
6. Меньшие производственные расходы ниже, и требует меньше времени на загрузку и разгрузку валков.
7. Установки работают по принципу вальцешлифовального станка. Станочник в состоянии постоянно следить за процессом текстурирования. 

Рассмотрим основные принципы работы станка электроэрозионного текстурирования на примере станка фирмы HERKULES. 

При методе электроэрозионного текстурирования осуществляется пробой искры между электродом и заготовкой расположенными по отношению друг к другу с определенным зазором заполненным изолирующей жидкостью (диэлектриком). Напряжение пробоя зависит от: 

1. Расстояния между электродом и заготовкой.
2. Изоляционных качеств диэлектрической жидкости.
3. Количества твердых взвешенных частиц в зазоре между валком и электродом. 

В начале цикла создается напряжение между валком и электродом (напряжение искрообразования 110 вольт) за счет этого создается магнитное поле и частички из диэлектрика образуют, так называемый "проводящий мостик". Через этот мостик протекает первичный ток за счет которого частички испаряются, возникает ионизированный газовый пузырек в котором, и происходит и обработка при напряжении 18 - 25 вольт. В зависимости от силы тока и времени включения изменяется выемка материала валка и соответственно ему придается определенная шероховатость. При прерывании прохождения тока газовый пузырек разрушается и начинается новый цикл. Для получения однообразия текстуры на каждой части валка на станке используется многоэлектродные сканирующие головки, а также самые современные достижения в технологии аппаратно программного обеспечения. 

Краткая техническая характеристика 72-х канальной установки HERKULES планируемой для установки в ЛПЦ-5 ОАО "ММК": 

Характеристики текстурируемых валков: диаметр бочки валка - 500 мм, длина бочки валка - 2500 / 1700 мм, длина валка - 4570 / 3770 мм, вес валка - 4925 / 3175 тн. Качество поверхности по Ra = 0,3 - 3,0 мкм. Количество текстурируемых валков - 12 штук за 8 часов. Время текстурирования валка - 29,75 минут. Общее время на валок - 39 минут.

Рис.1. Зависимость времени затраченного на текстурирование валка
от получаемой шероховатости