Качание: Основной процесс формования металлов в производстве стали

Определение и основные концепции

Прокатка — это процесс формовки металлов, при котором металлический заготовка проходит через одну или несколько пар валков для уменьшения толщины, достижения однородной толщины и/или придания желаемых механических свойств. Это один из самых фундаментальных и широко применяемых процессов деформации в сталелитейной промышленности, составляющий около 90 % всех производимых металлических изделий.

Прокатка превращает исходную литую микроструктуру стали в прокатанную структуру с улучшенными механическими свойствами. Процесс вызывает пластическую деформацию, которая разрушает литую дендритную структуру и создает более тонкую, ориентированную зернистую структуру.

В рамках более широкой области металлургии прокатка занимает центральное место как основной метод обработки металлов, соединяющий производство стали и изготовление конечных изделий. Он служит как способом формовки стали, так и важным процессом контроля ее микроструктуры и свойств через деформационные операции.

Физическая природа и теоретические основы

Физический механизм

На микроуровне прокатка вызывает пластическую деформацию за счет движения дислокаций внутри кристаллической решетки стали. Когда материал проходит между валками, сжимающие напряжения превышают предел текучести, вызывая мультипликацию дислокаций и их движение по сдвиговым плоскостям.

Этот процесс деформации приводит к вытягиванию зерен в направлении прокатки и их тонкостенности через рекристаллизацию при высоких температурах. Движение и взаимодействие дислокаций вызывают закалку при холодной прокатке или динамическую рекристаллизацию и восстановление при горячей прокатке.

При приложении деформации развиваются кристаллографические текстуры, при которых определенные ориентации кристаллов предпочитают выравниваться относительно направления прокатки. Эти текстуры значительно влияют на механическую анизотропию прокатанного изделия.

Теоретические модели

Основной теоретической моделью анализа процессов прокатки является модель плиты, разработанная Фердинандом фон Карманом в начале XX века. Этот подход рассматривает зону деформации как непрерывную среду и применяет принципы равновесия сил для предсказания сил прокатки и энергетических затрат.

Историческое понимание эволюционировало от эмпирических наблюдений к сложным вычислительным моделям. Ранние работы Зибеля и Оравана установили основные связи между силой ролика, контактной площадью и механическим сопротивлением материала.

Современные методы включают конечные элементы (FEM), учитывающие эластическую деформацию роликов (уплощение ролика), температурные градиенты и эволюцию микроструктуры. Модели верхней границы предоставляют аналитические решения для более сложных схем деформации, а модели кристаллической пластичности связывают макроскопическую деформацию с механизмами сдвига кристаллов.

Основа материаловедения

Прокатка напрямую влияет на кристаллическую структуру, вытягивая зерна в направлении прокатки и сжимая их в нормальном направлении. На границах зерен деформация создает области высокого напряжения, которые могут служить центрами нуклеации для рекристаллизации во время последующего отжига.

Эволюция микроструктуры при прокатке зависит от температуры, деформации и скоростного режима. Горячая прокатка (выше температуры рекристаллизации) вызывает динамическую рекристаллизацию и восстановление, тогда как холодная прокатка создает запас энергии за счет закалки без немедленной рекристаллизации.

Прокатка связываетcя с основными принципами материаловедения, такими как пластическая деформация, закалка, восстановление, рекристаллизация и рост зерен. Этот процесс показывает, как управляемая деформация может формировать микроструктуру для достижения желаемых механических свойств.

Математические выражения и методы расчетов

Основная формула определения

Основной параметр при прокатке — это чершт, определяемый как снижение толщины:

$$d = h_0 - h_f$$

Где:
- $d$ = абсолютный чершт (мм)
- $h_0$ = исходная толщина (мм)
- $h_f$ = конечная толщина (мм)

Процентное уменьшение задается формулой:

$$r = \frac{h_0 - h_f}{h_0} \times 100\%$$

Связанные расчетные формулы

Сила прокатки рассчитывается по формуле:

$$F = w \cdot L \cdot \bar{p}$$

Где:
- $F$ = сила прокатки (Н)
- $w$ = ширина полосы (мм)
- $L$ = проекция длины контакта (мм)
- $\bar{p}$ = среднее давление (МПа)

Приблизительная длина контакта определяется выражением:

$$L \approx \sqrt{R \cdot (h_0 - h_f)}$$

Где $R$ — радиус ролика (мм).

Крутящий момент на ролик рассчитывается как:

$$T = F \cdot a$$

Где $a$ — рычаг (мм), обычно принимаемый равным $L/2$.

Применимые условия и ограничения

Эти формулы предполагают жесткие ролики и однородную деформацию, что становится менее точным при больших деформациях ролика или при прокатке материалов высокой прочности.

Модель плиты применима при отношениях ширины к толщине более 10, где преобладают условия плоского напряжения. Для более узких полос эффект кромки становится значительным, и требуются 3D модели.

Эти модели предполагают изотермические условия, что редко реализуемо в промышленности, где существуют температурные градиенты по толщине и вдоль направления прокатки.

Методы измерения и характеристики

Стандартные испытательные характеристики

ASTM A1030: Стандартная практика измерения характеристик плоскостности стальных листов и полутвёрдых изделий.

ISO 9517: Металлические материалы — Лист и полоса — Определение коэффициента пластического деформационного соотношения.

ASTM E517: Стандартный метод испытаний коэффициента пластической деформации r для листового металла.

ASTM E8/E8M: Стандартные методы испытаний на растяжение металлических материалов, используемые для оценки свойств после прокатки.

Испытательное оборудования и принципы

Прокатные станки варьируются от лабораторных (обычно двухвалковых) до промышленных многоколонных. Оснащенные измерительными датчиками, они измеряют силу ролика, крутящий момент и скорость при помощи датчиков нагрузки, крутящих моментов и энкодеров.

Оптические и лазерные толщиномеры постоянно контролируют толщину во время прокатки. Эти системы используют принципы передачи, отражения или триангуляции света, обеспечивая точность ±1 мкм.

Передовая характеристика включает использование электронной дифракции обратнорассеянных частиц (EBSD) для анализа кристаллографической текстуры и дифракцию рентгеновских лучей для измерения остаточных напряжений, вызванных прокаткой.

Требования к образцам

Стандартные образцы для оценки прокатанной продукции обычно соответствуют размерам, указанным в ASTM E8/E8M, с длиной шаблона 50 мм и шириной 12,5 мм для листовых материалов.

Подготовка поверхности для микроанализов включает шлифовку, полировку до зеркального блеска и травление соответствующими реагентами (например, 2-5% нитраль для углеродистых сталей).

Образцы берутся в нескольких ориентациях (по направлению прокатки, поперечно и под углом 45° к нему), чтобы характеризовать анизотропию, вызванную прокаткой.

Параметры испытаний

Стандарты тестирования обычно проводят при комнатной температуре (23 ± 5°C), за исключением случаев оценки свойств при высокой температуре или моделирования условий эксплуатации.

Скорости деформации при испытаниях на растяжение прокатных изделий обычно варьируются в диапазоне 10^{-3} до 10^{-4} с^{-1}, согласно ASTM E8/E8M.

Параметры прокатного процесса включают скорость ролика (0,5-20 м/с), степень уменьшения за проход (обычно 10-30% для горячей прокатки и 5-15% для холодной), и температуру прокатки (1000-1250°C для горячей прокатки углеродистых сталей).

Обработка данных

Данные силы и перемещения собираются с помощью цифровых систем сбора на частоте от 10 до 100 Гц во время лабораторной прокатки.

Статистический анализ обычно включает расчет средних значений и стандартных отклонений по нескольким образцам, минимум три на каждое условие.

Данные о текстуре, полученные с помощью EBSD или дифракции рентгеновских лучей, обрабатываются с использованием функций распределения ориентаций (ODFs) для количественной оценки предпочтительных ориентаций кристаллов, вызванных прокаткой.

Типичные диапазоны значений

Классификация стали	Типичное уменьшение за проход	Температура прокатки	Рекомендуемый стандарт
Низкоуглеродистая сталь	20-30% (горячая), 5-15% (холодная)	850-1150°C (горячая), 20-100°C (холодная)	ASTM A1011
Высокопрочная низколегированная сталь	15-25% (горячая), 3-10% (холодная)	900-1200°C (горячая), 20-100°C (холодная)	ASTM A1018
Нержавеющая сталь	10-20% (горячая), 2-8% (холодная)	1050-1250°C (горячая), 20-100°C (холодная)	ASTM A480
Режущая сталь	5-15% (горячая), 1-5% (холодная)	1000-1200°C (горячая), 20-150°C (холодная)	ASTM A681

Варьирование внутри каждой классификации зависит преимущественно от содержания углерода и легирующих элементов, которые влияют на сопротивление течению и поведение при рекристаллизации.

Эти значения ориентируют настройку прокатных станков, но должны регулироваться в зависимости от конкретного состава сплава, желаемых свойств и возможностей прокатного оборудования. Стали с более высоким содержанием легирующих элементов обычно требуют меньшего уменьшения за проход из-за большей сопротивляемости деформации.

Имеется четкая тенденция, что увеличение содержания легирующих элементов требует более высоких температур прокатки и меньшего уменьшения за проход для достижения аналогичной деформации без трещин или чрезмерного износа валков.

Анализ инженерных применений

Конструкторские соображения

Инженеры должны учитывать направленные свойства (анизотропию) прокатных изделий при проектировании компонентов. Направление прокатки обычно демонстрирует более высокую прочность и меньшую пластичность по сравнению с поперечным направлением.

Запас прочности для прокатных изделий обычно варьируется от 1,5 до 2,5, причем более высокие значения применяются при перпендикулярной нагрузке к направлению прокатки или при критических свойствах по толщине.

При выборе материала предпочтение часто отдается прокатным изделиям с подходящей текстурой для конкретных операций формовки, таких как глубокое вытяжение (высокое r-значение) или растяжение (балансная плоскостная анизотропия).

Основные области применения

Автомобильно-корпусные панели требуют строго регулируемых режимов прокатки для обеспечения оптимальной формуемости при сохранении прочности. Программируемые высокопрочные стали используют тщательно рассчитанные стратегии прокатки и охлаждения для получения многофазных микроструктур.

Конструкционные сталные конструкции для строительства требуют равномерных характеристик по толщине, достигаемых путем контролируемой прокатки, которая способствует уменьшению размера зерен и снижению центровых сегрегаций.

Трубные стали используют контролируемую прокатку с последующим ускоренным охлаждением для получения тонкозернистых микроструктур с отличным сочетанием прочности, ударной вязкости и свариваемости при тяжелых условиях эксплуатации.

Балансировка характеристик

Прочность и формуемость являются фундаментальными противоречиями в прокатных изделиях. Холодная прокатка повышает прочность за счет закаливания, но снижает пластичность, что требует последующего annealing для многих применений.

Качество поверхности часто конкурирует с производительностью — более высокие скорости прокатки могут привести к дефектам поверхности, тогда как меньшие скорости снижают производительность. Этот баланс особенно важен в автомобилестроении.

Инженеры должны балансировать улучшение зернистости (для прочности) с развитием текстуры (для формуемости), оптимизируя режимы прокатки и температуры, особенно в современных высокопрочных сталях.

Анализ отказов

Рассечение по краям — распространенная причина отказа при прокатке, вызванная растяжением краевых участков полосы, превышающим пластичность материала. Обычно это связано с избыточным уменьшением за проход или неправильной подготовкой краев исходного материала.

Расслоение посередине (задира) происходит, когда центр полосы движется быстрее поверхности, создавая внутреннее сдвиговое напряжение, которое распространяется в длину. Этот механизм связан с условиями трения и неравномерной деформацией по толщине.

Эти дефекты можно предотвратить путем правильной подгонки кромок перед прокаткой, поэтапного уменьшения и поддержания подходящих условий смазки между роликом и заготовкой.

Факторы влияния и методы управления

Влияние химического состава

Содержание углерода значительно влияет на поведение при прокатке: увеличение на 0,1 % увеличивает сопротивление течению примерно на 35-40 МПа, что требует более высоких сил прокатки и ограничивает допустимое уменьшение.

Следовые элементы, такие как фосфор и сера, могут сегрегировать на границах зерен, снижая горячую пластичность и повышая риск кромочного растрескивания, особенно выше концентрации 0,025 %.

Микролегирующие элементы (Nb, Ti, V) добавляются в диапазоне 0,02-0,1 % для контроля рекристаллизации при горячей прокатке, позволяя уточнить зерно за счет осаждения, закрепляющего границы зерен.

Влияние микроструктуры

Мелкие исходные зерна уменьшают необходимые силы прокатки, но могут ускорять рекристаллизацию между проходами, что потенциально снижает итоговую упрочненность.

Распределение фаз существенно влияет на поведение при прокатке: двуфазные сталии требуют тщательного контроля температуры для поддержания желаемого баланса феррита и мартенсита при горячей прокатке.

Некр metallic inclusions act as stress concentrators during rolling, potentially nucleating cracks when their size exceeds critical dimensions (usually >100 μm for sulfides and >20 μm for oxides).

Обработка процессов

Термическая обработка перед прокаткой позволяет унифицировать микроструктуру и растворять осадочные вещества, что снижает силу прокатки на 10-15 % и улучшает однородность деформации.

Контролируемая прокатка, при которой деформация происходит ниже температуры рекристаллизации, образует плоский аустенит, преобразующийся в мелкое ферритное при охлаждении, увеличивая прочность на 20-30 % по сравнению с традиционной прокаткой.

Скорость охлаждения после горячей прокатки критична для конечных свойств: ускоренное охлаждение (>10°C/с) способствует образованию мелких структур, тогда как медленное охлаждение (<1°C/с) позволяет осаждение и зерновой рост.

Экологические факторы

Температурные градиенты по ширине или толщине прокатных изделий вызывают дифференциальную деформацию, что ведет к дефектам плоскостности, таким как волнообразные кромки или вдавленные центры.

Влажный климат ускоряет охлаждение при горячей прокатке за счет повышения испарительного теплообмена, что может привести к нежелательным микроструктурным градиентам при неправильном контроле.

Образование оксидных шлаков при горячей прокатке увеличивается с температурой и частичным давлением кислорода, влияя на качество поверхности и износ роликов. Толщина шлака обычно растет со скоростью 0,1-0,5 мм/мин при температурах выше 1000°C.

Методы улучшения

Термомеханическая контролируемая обработка (TMCP) сочетает точный контроль температуры с определенными режимами уменьшения, что позволяет получить зерна диаметром 5-10 мкм, повышая прочность и ударную вязкость на 30-50 % по сравнению с традиционной прокаткой.

Оптимизация смазки может снизить силы прокатки на 15-30 % и улучшить качество поверхности. Масляные эмульсии в воде (3-10 %) обычно применяются для холодной прокатки, а горячая прокатка — воду для охлаждения и удаления шлака.

Системы бочко- и наклонной системы шейки компенсируют эластическую деформацию роликов, повышая точность толщины до ±0,5 % и ровность поверхности менее 5 I-единиц (отклонение на 5 мм/м от идеальной плоскости).

Связанные термины и стандарты

Связанные термины

Упрочнение за счет пластической деформации — это увеличение прочности в результате мультипликации и взаимодействия дислокаций при холодной прокатке, количественно выражается показателем экспоненты жесткости (n-value).

Анизотропия — это вариация механических свойств по направлению, обусловленная кристаллографической текстурой, измеряемой по коэффициенту пластической деформации (r-value).

Рекристаллизация — процесс образования новых, бездеформационных зерен, замещающих деформированные, что регулирует конечный размер зерен и текстуру в продукции.

Эти термины связаны фундаментальной взаимозависимостью деформационного процесса, эволюции микроструктуры и окончательных механических свойств прокатных изделий.

Основные стандарты

ASTM A1018/A1018M определяет технические требования к горячекатаным стальным листам и полосам из углеродистых и легированных сталей, с указанием пределов химического состава и механических свойств.

EN 10149 устанавливает требования к горячекатаным плоским изделиям из сталей высокого сопротивления для холодной формовки, часть 1-3 охватывает разные классы прочности и технологии обработки.

JIS G3131 отличается от стандартов ASTM более строгими требованиями к плоскостности и включает параметры формуемости, такие как r-значение и n-значение, в свою систему классификации.

Тенденции развития

Настоящие исследования сосредоточены на моделировании всего процесса, связывающем параметры прокатки с микроструктурой и свойствами, что позволяет создавать цифровых двойников процессов для оптимизации в реальном времени.

Появляются новые технологии, включающие онлайн-мониторинг микроструктуры с помощью электромагнитных и ультразвуковых методов, позволяя адаптивно регулировать параметры прокатки на основе меняющихся свойств материала.

В будущем предполагается интеграция систем искусственного интеллекта для автономного управления прокатными станками, предсказания и компенсации вариаций процесса задолго до их влияния на качество продукции, с потенциальным сокращением вариаций свойств на 30-50 %.