Введение.
Предпрокатный нагрев и прокатка являются не менее важными качествоформирующими технологическими операциями, чем выплавка и разливка стали. На стадии нагрева, наряду с влиянием металлургических факторов, происходит формирование необходимой пластичности (способности деформироваться без разрушения) и снижение сопротивления стали пластической деформации. Основными негативными факторами нагрева являются: интенсивное тепловое воздействие раскаленных печных газов на холодную заготовку при загрузке ее в печь и продолжительное нахождение стали в области высоких температур (900 – 1250 °С) в окислительной атмосфере методической печи. Прокатка сопровождается пластической деформацией металла, причем в соответствии с ГОСТ Р 51685–2000 общая вытяжка при прокатке рельсов из непрерывнолитых заготовок должна быть не менее 9,6. При этом существенную роль играют температурный режим, режим обжатий и калибровка валков. От их рационального выбора зависит эволюция большинства дефектов сталеплавильного происхождения. В частности, внутренние трещины могут получить развитие, выйти на поверхность, окислиться и привести к браку поверхности рельсов или завариться при пластической деформации с сохранением высоких механических свойств металла в области бывшего дефекта. Помимо трансформации имеющихся дефектов, прокатный передел является источником собственных дефектов, большинство из которых относится к разряду поверхностных. При определении дефектов прокатки использована широко распространенная терминология, соответствующая ГОСТ 21014–88.
1. Дефекты нагрева
1.1 Трещины
При нагреве непрерывно литой заготовки с холодного посада, особенно в зимнее время, существует вероятность возникновения нарушений сплошности, связанных с действием температурных напряжений. В таких условиях образуются холодные трещины. Опасный с точки зрения трещинообразования температурный интервал 0 – 600 °С соответствует методической зоне нагревательной печи. При более высоких температурах сталь становится пластичной и происходит релаксация напряжений. Наиболее губительным для качества металла последствием действия температурных напряжений является разрушение заготовки на части, которое может происходить при охлаждении на складе или непосредственно в печи и сопровождаться шумовым эффектом (взрывом, треском). В методических печах разрушившиеся на части заготовки проваливаются между шагающими балками и нарушают дальнейший технологически процесс продвижения металла по печи; удаление их, как правило, затруднено. При нагреве поверхностные слои металла имеют более высокую температуру, чем центральные, и стремятся к удлинению, внутренние слои препятствуют этому процессу. Соответственно, в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, а в осевых – растяжения, наиболее опасные с точки зрения вероятности трещинообразования. Остаточные напряжения, возникшие в непрерывно литых заготовках после охлаждения, суммируются с временными напряжениями от нагрева и усиливают тем самым вероятность трещинообразования именно в осевой зоне непрерывно литой заготовки, ослабленной порами, микротрещинами и ликватами.
Внутренние трещины могут стать причиной возникновения скворечников или в процессе деформации образовать поверхностную трещину. Тот или иной вид разрушения может обнаруживаться только после окончания прокатки, как например, расслоение шейки рельса, приводящее к поломке рельсов в роликоправильной машине и надежно идентифицируемое при ультразвуковой дефектоскопии.
Установление факта образования холодных трещин от температурных напряжений как первопричины других дефектов, в частности поломки рельсов в роликоправильной машине, в большинстве случаев затруднено.
Это вызвано тесной связью и взаимным влиянием ряда факторов. Внутренние трещины могут образоваться как под влиянием только суммарной величины остаточных и временных напряжений, так и непосредственно от дефектов слиткового происхождения. На практике встречаются случаи как раз совместного влияния этих факторов, и установить доминирующую роль одного из них в некоторых случаях не представляется возможным.
Меры предупреждения возникновения трещин от температурных напряжений следующие: замедленное охлаждение непрерывно литой заготовки после разливки вплоть до атмосферных температур, транспортирование теплых заготовок в вагонах-термосах, теплый (200 – 400 °С) или горячий посад непрерывно литой заготовки в методическую печь, поддержание температуры уходящих газов в методической зоне печи при холодном посаде непрерывно литой заготовки на уровне не более 600 – 700 °С.
1.2 Окисление (окалинообразование)
В общем случае под окислением стали понимают процесс взаимодействия газов (воздуха, продуктов сгорания топлива или контролируемой атмосферы) с железом, сопровождающийся образованием слоя оксидов (окалины) на поверхности металла. Применительно к нагреву стали в пламенных печах перед обработкой давлением основными окислительными газами являются: углекислый газ (СО2), кислород (О2), водяной пар (Н2О), диоксид серы (SО2). Реакции окисления железа – экзотермические и происходят следующим образом:
Fe + 0,5O2=FeO, (1.1)
3FeO + 0,5О2 = Fe304, (1.2)
2Fe304 + 0,5О2 = 3Fe203, (1.3)
Fe + C02 = FeO + CO, (1.4)
Fe + H20 = FeO + H2, (1.5)
3FeO + C02 = Fe304 + CO, (1.6)
3FeO + H20 = Fe304 + H2. (1.7)
В процессе окисления слоя железа толщиной 1 мм образуется слой окалины толщиной до 2,8 мм. Высокотемпературное окисление – процесс встречной реакционной диффузии атомов кислорода и металла через кристаллические решетки твердых фаз, из которых состоит окалина. Его можно разделить на несколько этапов:
- диффузия кислорода к поверхности металла;
- адсорбция кислорода на поверхности;
- диффузия реагирующих веществ через слой оксидов навстречу кислороду;
- кристаллохимические превращения как следствие изменения состава и структуры решетки твердых фаз.
Решающую роль при этом играет диффузия атомов железа наружу, а не процесс диффузии атомов кислорода внутрь металла.
Температура является одним из наиболее мощных факторов, влияющих на окисление стали. Между интенсивностью окисления и температурой существует экспоненциальная зависимость.
Время также оказывает сильное влияние на величину угара стали. Если в процессе нагрева не происходит разрушения слоя окалины, то зависимость массы металла, перешедшей в окалину, от времени нагрева подчиняется закону квадратного корня. В реальных условиях может происходить разрушение слоя окалины, вызванное механическими воздействиями на заготовки при транспортировании в печи или напряжениями в самой окалине, вызванными различием удельных объемов окалины и металла, что приводит к отклонению от закона квадратного корня зависимости угара от времени. Характерно, что после разрушения слоя окалины происходит интенсификация угара. Наиболее опасным, с точки зрения потерь металла, является катастрофическое окисление. Оно происходит в тех случаях, когда в процессе нагрева окалина удаляется с поверхности металла, например вследствие оплавления, при этом поверхность всегда обнажена, а зависимость окисления от времени подчиняется почти линейному закону, и эффект замедления окалинообразования отсутствует.
В порядке убывания активности окислительные газы пламенных печей можно расположить следующим образом: кислород, воздух, водяной пар, диоксид углерода. Сжигание топлива при коэффициентах расхода воздуха 0,6 – 0,9 изменяет кинетику процессов окалинообразования, структуру и свойства окалины, снижает интенсивность угара. Увеличение коэффициента избытка воздуха более 1,1, как правило, не влияет на интенсивность окалинообразования, поскольку в этом случае процесс окисления лимитирует не скорость подвода молекул кислорода к поверхности окалины, а их диффузия через нее к поверхности металла.
В общем случае минимальное окисление стали будет происходить при таком режиме нагрева, когда интеграл по времени от температуры поверхности металла в области температур интенсивного протекания диффузионных процессов будет минимальным.
При деформации НЛЗ, на поверхности которых имеется печная окалина, возможно образование целого ряда поверхностных дефектов. В соответствии с ГОСТ 21014 – 88 это такие дефекты, как (рисунки 1.1, 1.2): вкатанная окалина – дефект поверхности в виде вкраплений остатков окалины, вдавленной в поверхность металла при деформации;
рябизна – дефект поверхности в виде мелких углублений, образующих полосы или сетку, наблюдаемых после удаления вкатанной окалины (глубина рябизны от вдавленной окалины может достигать 1,0–1,5 мм);
раковины от окалины – дефект поверхности в виде отдельных углублений, частично вытянутых вдоль направления прокатки, образующихся при выпадении вкатанной окалины (отличаются от рябизны большими размерами и меньшим количеством).
В соответствии с ГОСТ Р 51685–2000 поверхность рельса должна быть без раковин от окалины и рябизны.
Окисление (окалина) оказывает отрицательное влияние не только на качество металлопродукции, но и на работу нагревательных печей и прокатного оборудования.
Решающую роль на прочность сцепления окалины с металлом оказывает не изменение химического или фазового состава окалины, а состояние поверхности границы раздела металл – окалина. В случаях, когда проникновение оксидов в глубь металла по границам зерен отсутствует или весьма незначительно и между сталью и окалиной имеется резкая граница, при пластической деформации окалиноудаление происходит без особых затруднений, при этом поверхность отрыва достаточно гладкая. При удалении пористой окалины ее отделение может происходить по слою с наименьшей прочностью.
Наиболее сильно вдавливание окалины, образование оспин и рябизны проявляется в случаях, когда твердость окалины выше твердости металла. Этому способствует снижение температуры окалины и повышенное содержание в ней легирующих элементов стали, например хрома. При нагреве стали в восстановительной атмосфере при коэффициенте расхода окислителя менее единицы общий уровень угара может значительно снижаться, однако при этом образующаяся плотная окалина удаляется значительно трудней и повышает вероятность образования вкатанной окалины. При прокатке рельсового профиля наибольшая вероятность образования вкатанной окалины существует для шейки рельса и средней трети подошвы.