Производство

Особенности производства

Наибольшие трудности встречаются при выпуске арматурной проволоки больших диаметров (6-8 мм), для изготовления которой по обычным технологическим вариантам нужна катанка из высокоуглеродистой стали особо больших диаметров (12-16 мм и более), а также мощные термические и волочильные агрегаты, которые обычно не требуются при производстве проволоки других видов.

Наряду с уже внедренной в заводскую практику технологией за последние годы разработан ряд новых перспективных процессов и вариантов производства арматурной проволоки.

Ниже приведены данные о модернизации существующих и разработке новых процессов и об их отдельных этапах по материалам лабораторных исследований в ЦНИИЧМ, а также промышленного опробования и внедрения этих процессов на предприятиях.

Оптимальная структура патентированной стали должна состоять только из сорбита и не содержать продуктов промежуточного превращения. Процесс, обеспечивающий получение такой структуры, можно считать оптимальным процессом патентирования.

На заготовках (передельной проволоке) большого диаметра однородность сорбитовой структуры при патентировании достигается использованием двух патентировочных ванн (ступенчатое патентирование), интенсификацией процесса охлаждения и рациональным подбором состава патентируемой стали, например введением в ее состав 0,02-0,30%.

Патентирование в двух ваннах было исследовано в лабораторных и заводских условиях. Зависимость механических  свойств проволоки диаметром 8 мм, протянутой из заготовки диаметром 16 мм, которая до этого была патентирована в одной и двух ваннах.

Величина коэрцитивной силы проволоки после волочения тем меньше, чем ниже температура изотермического превращения при патентировании исходной заготовки; при этом коэрцитивная сила проволоки, протянутой из заготовки, патентированной в одной ванне, ниже, чем у аналогичной проволоки, протянутой из заготовки, патентированной в двух ваннах.

Пластические свойства холоднотянутой проволоки

Институтом ВНИИметмаш предложена технология сорбитизации посредством интенсивного охлаждения витков катанки на конвейере водо-воздушной смесью.

Потери металла сорбитизированной на стане катанки в окалину составляют лишь 0,5%. Глубина обезуглероженного слоя во внутренних витках сорбитизированных бунтов снижается по сравнению с не подвергнутыми сорбитизации на стане с 0,21 до 0,12 мм.

Следовательно, катанку, используемую в качестве заготовки для производства проволочной арматуры, следует подвергать сорбитизации также и при прокатке ее на непрерывных станах.

Большинство технологических процессов производства арматурной проволоки обычными методами аналогично основным процессам изготовления других видов наклепанной холоднотянутой проволоки из высокоуглеродистых сталей, например канатной и пружинной. При этом исходную заготовку (катанку или проволоку) подвергают термической обработке (обычно патентированию) для получения заданной исходной структуры. Поверхность стали готовят к деформации (удалением окалины химическим или механическим способом, последующим нанесением подсмазочного слоя и сушкой). Далее заготовку деформируют волочением со смазкой — сухим мыльным порошком через волоки из твердых сплавов.

Кроме указанных выше широко распространенных процессов, при изготовлении арматурной проволоки применяют еще и новые специфические процессы — профилирование (при изготовлении проволоки периодического профиля) и завершающую термическую обработку после деформации — отпуск. Организация рационального производства арматуры потребовала также доработки процессов патентирования для заготовки диаметром более 8 мм и некоторого уточнения технологии волочения.

Сравнение механических свойств

Оптимальная длительность пребывания катанки с прокатного нагрева в воде с температурой 22-29° С при патентировании составляет 0,85-1,34 с.

Прерывистое охлаждение не улучшает качества катанки, поэтому для уменьшения габаритных размеров установки можно рекомендовать применение непрерывного охлаждения.

Пластические свойства холоднотянутой проволоки диаметром 4 мм из стали У8А, изготовленной из патентированной с прокатного нагрева катанки, несколько уступают соответствующим показателям проволоки, протянутой из катанки, подвергнутой обычному патентированию. Следовательно, катанку, сорбитизированную с прокатного нагрева, целесообразно применять как предельную заготовку повышенного качества, но не для волочения ее непосредственно на высококачественную арматурную проволоку готового размера. В дальнейшем при значительном улучшении процесса сорбитизации это ограничение сможет отпасть.

На непрерывных станах катанку прокатывают с большими скоростями (до 60 м/с) при высокой температуре конца прокатки (1000-1100° С) и большой массе бунтов (1000 кг и более). Сорбитизация такой катанки более сложна, чем катанки, получаемой на станах линейного типа. Потери металла на непрерывных станах в два раза больше и составляют при отсутствии ускоренного охлаждения 3-3,5%. Медленное остывание катанки большой массы в бунтах приводит также к повышенному обезуглероживанию поверхностного слоя.

В последние годы достигнуты большие успехи по высокоскоростной сорбитизации катанки на непрерывных станах. За рубежом поточную непрерывную сорбитизацию, осуществляют посредством регулируемого двухступенчатого охлаждения: первичного, когда катанка, движущаяся нитью из последней чистовой клети, охлаждается в трубах водой высокого давления до 750-850° С, и вторичного — когда отдельные специально образуемые витки интенсивно охлаждаются до 500° С сжатым воздухом, подаваемым через сопла со скоростью, обеспечивающей распад аустенита на сорбит. После этого движущиеся витки формируются в бунт. Работы в данной области проводятся Украинским научно-исследовательским институтом черной металлургии и некоторыми другими институтами и заводами.

Наилучшие структура и свойства катанки

На катанке, упрочненной с прокатного нагрева, значительно повышаются относительное сужение (на 80-140%), пределы текучести и упругости (на 45-75%) и лишь число скручиваний стали, патентированной с прокатного нагрева, меньше, чем у катанки обычного охлаждения.

Микротвердость катанки, патентированной с прокатного и специального нагрева, мало различается.

Сравнение механических свойств готовой проволоки диаметром 4 мм, протянутой из катанки диаметром 6, 5 мм, патентированной с прокатного и со специального нагрева.

Для сокращения объема работ непосредственно на проволочном стане в ЦНИИЧМ исследовали упрочнение образцов калиброванной катанки диаметром 6,5 мм из стали 85 на специально спроектированной и изготовленной для этой цели опытной лабораторной установке.

Здесь катанку подвергали высокотемпературному нагреву, охлаждали ее водой до субкритических температур и стабилизировали температуру при эвтектоидном превращении аустенита. Образец катанки, нагретый электроконтактным способом (электросопротивлением) до 900-950° С, опускали в бак с водой. По истечении заданного срока выдержки его вынимали. При непрерывном охлаждении образец опускали в воду один раз, при прерывистом — три раза.

Разумеется, процесс патентирования специально нагретой (после обычной прокатки и охлаждения) катанки нельзя считать идентичным процессу патентирования ее с прокатного нагрева, однако с некоторыми допущениями можно сравнивать между собой влияние прерывистого и непрерывного охлаждения образцов при обоих процессах патентирования.

Механические свойства катанки после непрерывного и прерывистого (в три цикла) охлаждения различаются незначительно. На основании проведенных работ можно сделать следующие выводы: На проволочном стане линейного типа при скорости прокатки около 8 м/с после патентирования с прокатного нагрева может быть получена катанка с механическими свойствами, мало отличающимися от свойств катанки, патентированной со специального нагрева.

 

Исследования на стане

После горячей прокатки катанка остывает на воздухе. Поэтому структура и механические свойства ее недостаточно удовлетворительны и однородны. В последние годы стали применять термическую обработку — сорбитизацию (патентирование) катанки с прокатного нагрева, используя различные варианты интенсивного регулируемого охлаждения горячей катанки на стане.
Наилучшие структура и свойства катанки получаются после патентирования с прокатного нагрева нитью, а не бунтами. Так, на заводе Роблинг (США) осуществлена обработка углеродистой катанки ступенчатым охлаждением водой в потоке. Аналогичная работа проведена ЦНИИЧМ и заводом «Красная Этна».
На заводе «Красная Этна» патентированию с -прокатного нагрева подвергали катанку диаметром 6,5 мм из сталей 65Г и У8А. Процесс осуществляли путем непрерывного или прерывного охлаждения катанки нитью проточной водой до субкритических температур. Эвтектоидного превращения аустенита достигали при последующем непрерывном охлаждении бунта катанки на воздухе. Патентирование производили на проволочном стане 270 с линейным расположением клетей. Скорость прокатки была около 8 м/с. Масса бунта составляла 60-65 кг. Переохлаждение аустенита проводили водой в направляющих трубах, через которые двигалась катанка. Расстояние от чистовой клети до моталки составляло 15 м. Для охлаждения использовали воду с температурой 22-29° С. Температуру переохлаждения аустенита изменяли, варьируя длительность пребывания катанки в воде и на воздухе путем подключения и отключения воды в отдельных секциях. По выходе с моталки бунты охлаждали в атмосферных условиях на металлическом настиле.
Она показывает, что катанка, патентированная как с прокатного, так и со специального нагрева, имеет примерно одинаковые механические характеристики. При сравнении ее со свойствами катанки обычного охлаждения видно, что временное сопротивление увеличилось на 21-25%.

Диаметры катанки

Микроструктура катанки должна быть однородной сорбитовой. Не допускается общая или местная подкалка (мартенситные или троостито-мартенситные участки). Общая глубина обезуглероженного слоя (феррит+переходная зона) не должна превышать на сторону 1,5% для катанки класса ВК и 1 % для катанки особо высокого качества. Размер природного зерна рекомендуется балла 2-4 по шкале ГОСТ 5639-65, действительного зерна — не менее балла 4; разнозернистость не допускается.
Катанка должна быть чистой по неметаллическим включениям. Содержание сульфидов допускается не более балла 1, а суммарное количество сульфидов, оксидов и силикатов — не более 2,5 баллов (по ГОСТ 1778- 70). Усадочные дефекты не разрешаются:
Окалина на катанке должна быть равномерной и легко удаляться с поверхности при травлении. Масса ее не должна превышать 0,3% массы катанки (не только на наружных, но и на внутренних витках мотков).
Желательно, чтобы глубина рисок и рябоватости не превышала 0,10 мм на катанке КПАВК и чтобы они совершенно отсутствовали на катанке КПАОВК.
Микроструктура и качество поверхности должны оцениваться современными методами контроля и соответствовать нормам для катанки класса ВК по ОСТ 14-2-71.
Разброс механических свойств не должен превышать 5-10%.
За последние годы в передовых прокатных цехах применяют огневую зачистку заготовок в потоке обжимных станов, высокоскоростной нагрев металла, блочные конструкции трехвалковых чистовых клетей, механизмы регулируемого охлаждения и другие устройства, в результате чего резко повышено качество катанки.
Высококачественную катанку прокатывают главным образом на непрерывных проволочных станах. На этих агрегатах устанавливают предварительно напряженные чистовые клети, роликовую арматуру и механизмы автоматического петлерегулирования в чистовых группах клетей. Однако на небольших заводах используют линейные проволочные станы.

Образцы проволоки

Величины этих проволок также близки; модификация стали 70 непрерывной разливки ванадием и титаном сказалось благоприятно на показателе а- опытной проволоки; введение в сталь 70 непрерывной разливки 0,6% ферромарганца не повлияла на ее временное сопротивление, но существенно улучшило упругие и пластические характеристики проволоки; при увеличении добавок ванадия (0,07-0,21%) пластичность проволоки падала, а временное сопротивление ее возрастало.
Результаты исследования зависимости механических свойств арматурной проволоки от варианта выплавки электростали У10А (ЭШП-1, ЭШП-2, ВДП и ЭШП-1 + +ВДП).
Свойства стальной проволоки в основном обусловлены качеством катанки.
Диаметры катанки следует брать из учета минимального суммарного обжатия, необходимого для обеспечения заданного временного сопротивления (при удовлетворительной пластичности) в готовой холоднотянутой и отпущенной проволоке. Для производства арматурной проволоки диаметром 3-8 мм надлежит использовать катанку диаметром 6-16 мм и даже толще. Допустимые отклонения по диаметру катанки во многих странах значительно жестче, чем в стандартах. Так, для катанки диаметром 6,5 мм приняты допуски, мм.
Для катанки КПАВК допускаемые отклонения по диаметру должны быть такими же, как для канатной катанки класса ВК по ОСТ 14-2-71, (+0,4 мм), а для катанки КПАОВК ±0,15 мм (на основании данных США и опыта работы проволочного стана Череповецкого металлургического завода). Должны быть сужены допуски по овальности катанки КПАОВК до 0,15 мм (так как исследования БМК показали, что одной из главных причин образования поперечных трещин на проволоке диаметром 4 мм и более является овальность катанки, приводящая к резким колебаниям обжатия в ее разных сечениях).
Большая масса (длина) мотка катанки для арматурной проволоки особенно важна ввиду недопустимости сварки концов проволоки по ГОСТ 7348-63 и 8480-63. Поэтому масса бунта на непрерывных прокатных станах должна быть не менее 400 кг.

Результаты экспериментов

По-видимому, это объясняется тем, что отрицательное влияние включений алюминия в стали ощутимо сказывается лишь на тонкой проволоке, возрастая с уменьшением ее диаметра. Разброс механических свойств по всем плавкам невелик.
На основе изложенного, а также экспериментов со сталью для металлокорда и канатов в целях унификации на металлургических заводах технологии производства высококачественного металла для проволоки ответственного назначения предложено сталь для высокопрочной арматурной проволоки раскислять только кремнием и марганцем, так же как это осуществлено применительно к канатной стали.
Была изготовлена проволока диаметрами 6 и 5 мм из патентированной заготовки диаметром 8 мм, полученной из стали 70 (0,70-0,79% С; 0,19-0,25% Мп; 0,20- 0,27% Si; 0,007-0,012% S; 0,011-0,014% Р) непрерывной разливки (одной плавки) без добавок и с добавками ферротитана, феррованадия, ферромарганца. Для сравнения изготовлена также арматурная проволока из стали 70 обычного производства. Содержание модифицирующих материалов варьировали: титана — в пределах от 0,05 до 0,10%, ванадия в интервале от 0,07 до 0,21 %; количество ферромарганца составило 0,6%.
Вся проволока была подвергнута обычным механическим испытаниям на растяжение. Образцы проволоки диаметром 6 мм с инициированными трещинами дополнительно испытали на стойкость к замедленному разрушению продолжительностью около 100 ч в среде дистиллированной воды 100 по методике, разработанной в ЦНИИЧМ. Результаты работ показали следующее: значения, характеризующие сопротивление коррозии под напряжением, у образцов проволоки диаметром 6 мм, холоднотянутой из патентированной заготовки диаметром 8 мм (сталь 70 непрерывной разливки), и у обычной стали мало различаются.

Хорошая деформируемость

Однако влияния этих процессов рафинирования стали на стандартные механические свойства и циклическую выносливость высокопрочной проволоки не обнаружено.

Конкретные данные о выплавке и качестве сталей для высокопрочной проволочной арматуры и, в частности, об их реологической стойкости в технической литературе отсутствуют. Поэтому в ЦНИИЧМ выполнено несколько специальных исследований, результаты которых освещены ниже.

Из стали У10А, выплавленной на Златоустовском металлургическом заводе указанными способами, изготовили катанку диаметром 8 мм. На ЛСПЗ эту катанку протянули на высокопрочную проволоку с номинальным диаметром 3 мм. Часть проволоки подвергли в ЦНИИЧМ обычному низкотемпературному отпуску без нагрузки, а часть — отпуску под нагрузкой (МТО). Релаксационная стойкость образцов арматурной проволоки из мартеновской стали У10А в случае рафинирования стали синтетическим шлаком выше, чем образцов из обычной мартеновской стали, при всех исследованиях вариантов завершающей обработки.

Результаты экспериментов позволяют рекомендовать для производства проволочной арматуры сталь, рафинированную в ковше синтетическим шлаком. Были изучены арматурная исходная катанка диаметром 6,5 мм из стали 75 и протянутая из нее после патентирования арматурная проволока периодического профиля диаметром 3 мм при раскислении металла двумя способами.

Исследование проволоки не обнаружило разницы в удлинении ползучести — оно колебалось в пределах от 0,02 до 0,03%.
Обработка протоколов заводских испытаний с использованием статистических методов показала, что по всем регламентируемым механическим свойствам арматурная проволока диаметром 3 мм, полученная из стали, раскисленной кремнием и марганцем, в противоположность канатной проволоке не отличается от аналогичной проволоки, изготовленной из металла, раскисленного алюминием.

Механические свойства

Чем крупнее слиток, тем больше в нем ликвация — неоднородность состава, а следовательно, и связанная с ней неоднородность свойств в готовой проволоке. Для проволоки высокого качества целесообразно применение слитков массой менее 6,5 т.

Наиболее радикальным методом, при котором исключается возникновение зональной химической неоднородности в слитке при крупном металлургическом производстве, является непрерывная разливка стали. Высокое качество непрерывных слитков высокоуглеродистой стали достигается различными способами, в частности путем воздействия на процесс ее кристаллизации методами модифицирования и микролегирования.

Механические свойства катанки, полученной из стали непрерывной разливки, не ниже, чем катанки из обычной стали. За рубежом заготовки, получаемые непрерывной разливкой стали, находят в сталепроволочном производстве широкое применение.

Вместо мартеновской стали все больше используют сталь, выплавленную в конвертерах с кислородным дутьем. Проволока, изготовленная из высокоуглеродистой кислородно-конвертерной стали, обладает повышенными механическими и технологическими свойствами. Хорошая деформируемость такой стали позволяет увеличивать скорость волочения и холодной прокатки и в некоторых случаях сократить одну промежуточную термическую обработку заготовки.

Весьма перспективно применение для производства высококачественной проволоки электростали повышенного качества, выплавленной из особо чистых шихтовых материалов, в частности с использованием губчатого железа. При производстве электростали за последние годы начали применять новые прогрессивные методы рафинирования: электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), комбинированный электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав (ЭШП+ +ВДП) и др.