Эффективные технологии ВНИИМТ термоупрочнения металлов
Центр новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов ОАО «ВНИИМТ»
http://www.vniimt.ru//section/_id/16/

Референция

Центра новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов ОАО «ВНИИМТ»

Центр новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов ОАО «ВНИИМТ» на сегодняшний день является ведущим в России разработчиком агрегатов регулируемого охлаждения для различных технологических процессов, разного марочного и размерного сортамента проката.

Центр обеспечивает полный перечень работ от разработки до сдачи под ключ систем регулируемого охлаждения, работающих полностью в автоматизированном режиме. Разрабатывает и осваивает новые технологии термоупрочнения металла.

Центр новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения (закалки) металлов ОАО «ВНИИМТ» на протяжении многих лет проводит работы по разработке технологий термоупрочнения (закалки) и оборудования для их реализации посредством регулируемого ускоренного охлаждения. Основное направление работ Центра– оборудование для термоупрочнения и закалки различных видов проката в потоке станов и со специального нагрева для предприятий черной металлургии, а именно:

устройства регулируемого охлаждения для термообработки изделий;

системы водовоздушного охлаждения для изделий машиностроения взамен масляных, щелочных и селитровых ванн;

устройства дифференцированного охлаждения деталей ответственного исполнения (шестерни, оси, валы, торсионы, детали произвольной формы, инструменты и др.) после нагрева под закалку, цементацию, нитроцементацию;

устройства градиентного охлаждения для термообработки высокопрочных деталей (оси, болты, буровые штанги, пружины и т.д.);

устройства регулируемого охлаждения для закалки изделий из титановых сплавов;

закалочные машины для термоупрочнения плит;

устройства дифференцированного охлаждения для закалки штампованных изделий для авиастроения;

Разработано и введено эксплуатацию порядка 25 видов промышленных устройств.

Недостатки существующих технологий закалки и термоупрочнения

Оборудование и технологии термоупрочнения, используемые в настоящее время в машиностроении, оборонных отраслях промышленности, физически, а, главное, морально, устарели, не отвечают современным потребностям.Обеспечить производство изделий (деталей) с высоким уровнем механических свойств, отвечающих современным требованиям, в таких агрегатах практически невозможно.

Конечный уровень механических свойств после термообработки, в основном, определяется режимами ускоренного охлаждения. В машиностроительных отраслях промышленности закалка, в основном, осуществляется погружением детали в бак с охладителем. В качестве охладителя используется масло, вода, щелочи, соли, полимерные смеси и т.д. Процесс охлаждения при такой технологии неуправляем. Отсутствие возможности регулирования скорости охлаждения в различных температурных интервалах не позволяет обеспечить после термообработки оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств изделий, минимизировать напряжения. Металлургические свойства металла используются частично.

Закалка изделий в масле вместе с достоинствами, такими как отсутствие трещин, имеет ряд неустранимых недостатков, а именно:

- недостаточная интенсивность охлаждения в интервале структурных превращений приводит к «мягкой» закалке и, вследствие этого, к довольно невысокому уровню механических свойств;

- неуправляемость процесса; - низкая экологичность (грязь, испарения, дым, канцерогены);

- высокая пожароопасность из-за постоянного поверхностного возгорания;

- нестабильность технологии и механических свойств термообработанных изделий в процессе длительной эксплуатации бака вследствие ухудшения охлаждающей способности на 30-40% от номинальной при старении и загрязнении;

- необходимость большого объема вспомогательного оборудования: систем циркуляции, подогрева-охлаждения, моечных машин и т.д.;

- достаточно высокая стоимость масла и собственно термообработки;

- необходимость постоянного добавления масла в ванну из-за уноса с деталями и выгорания.

Системы высокоэффективного охлаждения и технологий закалки и термоупрочнения ОАО ВНИИМТ

 В ОАО «ВНИИМТ» разработана технология термоупрочнения изделий посредством высокоинтенсивного охлаждения водяными струями. На поверхности изделий обеспечиваются скорости охлаждения 500-1500оС/сек. Такая скорость близка к практически предельно возможной. Интенсивность охлаждения в 3-7 раза выше, чем в объеме воды. После термообработки (закалки) по технологии ОАО «ВНИИМТ» в изделии образуется высокопрочный поверхностный слой и вязкая сердцевина, что обеспечивает принципиально более высокий уровень механических свойств и служебных характеристик.

В ОАО «ВНИИМТ», начиная со дня его основания, выполнен комплекс экспериментальных исследовательских работ на стендовых и промышленных агрегатах по изучению закономерностей теплообмена при водяном струйном охлаждении и установлению зависимостей теплоотдачи от режимных и конструктивных параметров для различного сортамента проката и возможных технологий термоупрочнения.

Проведенный комплекс работ позволил разработать системы регулируемого охлаждения для термоупрочнения различных видов проката листа из стальных, титановых, алюминиевых сплавов, арматуры, труб, рельсов, железнодорожных колес, рельсовых подкладок и т.д. и изделий машиностроения. Всего для различных отраслей промышленности при нашем участии или непосредственно нами было создано свыше 20 различных устройств для термоупрочнения проката со специального и прокатного нагрева.

При обработке по технологии ОАО «ВНИИМТ» высоконагруженных изделий машин из легированных сталей (шестерен, зубчатых колес, валов и т.д.) значительно (в разы) повышается эксплуатационная стойкость.

Далее представлены системы термоупрочнения в различных применениях.

Закалка рельсовых подкладок

При закалке рельсовых подкладок по технологии ОАО «ВНИИМТ» твердость возросла в 2-2,5 раза по сравнению с закалкой в баке, а прочностные характеристики повысились до 3х раз. Сопоставительные испытания на экспериментальном стенде ВНИИЖТ показали, что стойкость рельсовых подкладок, обработанных по технологии ОАО ВНИИМТ, в 3-5 раз выше, чем обработанных по стандартной.

Термообработка буровых штанг

Проведен большой цикл исследований по обработке буровых штанг, в том числе, из марки стали 28ХГН3МА производства ОАО «Камышенский завод бурового инструмента» (КЗБИ), г. Камышин. По результатам опытной высокоинтенсивной закалки буровых штанг:

1. механические свойства обеспечиваются не ниже лучшего зарубежного аналога. При обработке штанг по технологии ОАО «ВНИИМТ» служебные характеристики выше, чем лучших зарубежных аналогов.

2. Отсутствие трещин при закалке изделий из высоколегированной стали открывает большую перспективу реализации такой технологии для высоколегированных высоконагруженных деталей.

Термообработка насосных штанг 

В ОАО «ВНИИМТ» разработано устройство контролируемого охлаждения насосных штанг для единственного в России специализированного в этом направлении предприятия «Очёрский машиностроительный завод».

Насосные штанги предназначены для передачи поступательного или вращательного движения от наземного привода к скважинному насосу при добыче нефти. Для изготовления штанг используется горячекатаный прокат повышенной прочности из стали с общим содержанием легирующих элементов не менее 2%. Механические свойства штанг должны соответствовать одной из трёх групп стали: марганцовистая, никель-молибденовая, хромомолибденовая (или классам C, К, D соответственно по стандартам Американского Института Нефти).

Устройство регулируемого охлаждения, разработанное в ОАО «ВНИИМТ», предназначено для обеспечения режимов термоупрочнения штанг в соответствии с требованиями ГОСТ 4543 для всего марочного и размерного сортамента.

Устройство ОАО «ВНИИМТ» обеспечивает возможность:

- реализации режимов с различной скоростью охлаждения для разных марок сталей;

- получения свойств на уровне до 720 МПа, 930-1050 МПа для стали марки 40Г2 после закалки и отпуска;

- получения штанг меньшего диаметра (после закалки и отпуска), равнопрочных штангам большего диаметра (после нормализации и отпуска);

- кривизна тела штанги после закалки не более 3 мм на 1 м длины.Не допускается общая односторонняя кривизна штанг.

В процессе закалки образцов и их последующего отпуска при температуре 580оС достигается равномерная структура и обеспечиваются высокие значения твёрдости и прокаливаемости по сложному и разномассивному профилю штанги, удовлетворяющие мировым требованиям. Получена микроструктура из среднеигольчатого мартенсита 6 балла для головки и тела (ГОСТ 8233). Прочностные свойства (предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, относительное сужение, твёрдость) для стали 40Г2 обеспечены на уровне, достигаемом на штангах из стали 40ХГМ. Также прочностные характеристики штанг диаметром 16 мм соответствуют характеристикам для штанг диаметром 19 мм, что позволяет снизить металлоёмкость продукции.

Регулируемой охлаждение листового проката

ОАО «ВНИИМТ» имеет опыт разработки устройств и методов регулируемого охлаждения листового проката (закалки), с 1968 года.

Наиболее крупные разработки:

• на заводе «Амурсталь»: 

роликовая закалочная машина для толстолистового проката;

устройство регулируемого охлаждения полосы перед смоткой на стане 1700;

• три установки ускоренного охлаждения толстого листа за нормализационными печами на стане 3600 МК «Азовсталь» и технологические режимы;

• в 2002 г. устройство контролируемого охлаждения толстого листа с прокатного нагрева на стане 5000 ЧерМК ОАО «Северсталь».

Результаты промышленной эксплуатации УКО свидетельствуют, что создан высокотехнологичный универсальный охлаждающий агрегат для термоупрочнения листов в потоке толстолистовых станов, позволяющий обеспечить выполнение практически всех современных технологий термоупрочнения с использованием тепла прокатного нагрева.

Регулируемое охлаждение арматурного проката

Арматурный прокат относится к самым массовым видам продукции черной металлургии и находит широкое применение в строительной индустрии, он в значительной мере определяет эксплуатационные характеристики и надежность железобетона, а также влияет на экономические показатели строительных работ.

ОАО «ВНИИМТ» имеет опыт в области термоупрочнения арматурного проката, начиная с 1987 г.

Устройства термоупрочнения (закалки) арматуры (УТА) конструкции ОАО «ВНИИМТ» построены по блочному принципу – секции охлаждения в защитных кожухах и секции транспортного рольганга для пропуска горячекатаного проката расположены параллельно на подвижных рамах, которые в зависимости от технологии производства перемещаются перпендикулярно оси прокатки по неподвижным рамам-основаниям. Данный принцип компоновки позволяет вводить в линию прокатки необходимое по технологии количество секций охлаждения, что, в свою очередь, обеспечивает предотвращение износа центрирующих элементов незадействованных секций охлаждения.

В состав оборудования комплекса устройства термоупрочнения входит:

- механическое оборудование устройства термоупрочнения (закалки) арматуры, в том числе:

- секции охлаждения и защитные кожуха с крышками;

- рольганг для транспортировки проката, не подвергаемого термоупрочнению;

- подвижные рамы, на которых размещено оборудование блоков охлаждения и транспортный рольганг;

- неподвижные рамы;

- привод перемещения подвижных рам.

- распределительный узел систем водо- и воздухоснабжения;

- установка тянущих роликов (трайб-аппарат);

- автономная система водоснабжения;

- автоматизированная система управления и КИП.

Конструкция блоков обеспечивает быструю установку, центрирование и фиксацию секций охлаждения в линии термоупрочнения. Длина блоков принимается в среднем 6 метров. Количество секций охлаждения в одном блоке варьируется.

Для обеспечения одинаковых условий регулируемого охлаждения арматуры различного диаметра ОАО «ВНИИМТ» изготавливает и поставляет охлаждающие секции различных типоразмеров. Перед началом обработки партии металла в защитные кожуха устанавливаются охлаждающие секции соответствующего типоразмера.

Форсуночный узел предназначен для регулируемой подачи охладителя, обеспечения беспрепятственного входа и ориентации переднего конца проката в зоне охлаждения, защиты внутренних стенок элементов канала проводки от повреждения движущимся прокатом. Струи из круглых сопел, обтекая препятствие в виде конического пояска, расширяются и принимают форму сплошного кольцевого потока, равномерно охватывающего наружную поверхность проката. Для создания оптимальных условий гидротранспортирования проката через зону охлаждения нижние сопла выполняются большего диаметра.

Подготовка устройства к обработке конкретного сортамента (в зависимости от № профиля арматуры) производится до начала обработки партии проката. В кожухи устанавливаются секции соответствующего типоразмера, производится подсоединение подводящих трубопроводов подачи воды и сжатого воздуха. Подготовительные работы могут проводиться параллельно с прокаткой по обычной технологии.

Непосредственно ОАО «ВНИИМТ» или при его участии разработаны и введены в промышленную эксплуатацию линии термоупрочнения на сортопрокатных станах:

• на стане 320/150 завода «Амурсталь» произведена реконструкция головной части линии термоупрочнения, совместно с ИЧМ и УралНИИЧМ проводилось освоение производства термоупрочнённой арматуры;

• устройство ВТМО за станом 320 на метзаводе им. А.К. Серова (ВНИИМТ разрабатывал техническое задание для проектирования, консультировал сотрудников ЭЗТМ и Екатеринбургского ТПЭП в процессе проектирования, производил пуско-наладочные работы;

• устройство термоупрочнения арматуры  25  40 мм на стане 350 ЧерМК ОАО «Северсталь» в 2005 г. Обеспечивается производство по классу прочности А500С;

• разработано, изготовлено и запущено в промышленную эксплуатацию оборудование комплекса термоупрочнения арматуры и автономной системы водоснабжения стана 280 ГУП г. Москвы «Литейно-прокатный завод», г.Ярцево Смоленской обл. Освоено производство №№ 12-32 по классу прочности Ат400, Ат500, №№ 12-16 по классу прочности Ат600, Ат800.

Примеры устройств термоупрочнения сортового проката

Стан 350 ОАО «Северсталь»

В связи с интенсивным развитием высотного строительства (Москва-Сити и др.), железобетонных мостовых переходов возникла потребность организации производства термоупрочненной арматуры диаметром 25-50 мм классов прочности А500С÷А1000С из углеродистой и низколегированной стали. ОАО «ВНИИМТ» разработал и ввел в эксплуатацию линию термоупрочнения арматуры диаметром 25÷40 мм в потоке стана 350 ОАО «Северсталь»

Аарматура, термоупрочненная в устройстве ОАО «ВНИИМТ» и поставляемая по классу прочности А500С, имеет большой гарантированный запас по прочности и пластичности.

За период с 01.06.05 по 31.12.05 г. с использованием устройства термоупрочнения было произведено более 60 тыс. т арматуры класса А600С. Среднемассовая температура конца охлаждения (температура самоотпуска) составляет 0С. В конце ноября 2005 г. ОАО «СеверСталь» получило сертификат Госстроя РФ на термоупрочненную арматуру Ат600С.

Стан 280 ГУП г. Москвы «Литейно-прокатный завод»

ОАО «ВНИИМТ» разработал, поставил оборудование и ввел в эксплуатацию устройство тремоупрочнения (закалки) арматуры на стане 280 Литейно-прокатного завода, г. Москвы.

Были освоены режимы производства термоупрочненой арматуры различных классов прочности. Было освоено термоупрочнение арматуры №№ 12…25 класса прочности А500С, получен сертификат соответствия на данную продукцию.

При термоупрочнении арматуры № 16 из стали Ст3сп на класс А600С получены следующие показатели: σВ= 683…697 МПа, σТ= 750…793 МПа, δ5= 16…17 %. При термоупрочнении арматуры №№ 12…16 из стали 25Г2С были получены характеристики на класс Ат800.

Регулируемое охлаждение фасонного проекта: уголки и швеллеры

В ОАО «ВНИИМТ» было разработано устройство термоупрочнения (закалки) уголков и швеллеров. У

стройство охлаждения длиной 28 м состоит из 5 секций и устанавливается на месте кожухов отводящего рольганга рам секций №№ 2-6 устройства термоупрочнения арматуры. Существующие защитные кожуха при этом демонтируются.

Устройство состоит из:

- системы охлаждения;

- системы ориентации проката относительно форсунок системы охлаждения при транспортировке через устройство термоупрочнения

- кожухов защиты от разбрызгивания воды за пределы рольганга

- распределительного узла подвода воды на систему охлаждения.

Секции охлаждения выполняются в двух вариантах – для уголкового проката и швеллера. Подача воды на прокат производиться из форсунок специальной конструкции.

Секция охлаждения уголкового проката состоит из двух коллекторов охлаждения верхней и двух коллекторов охлаждения нижней части полок уголка, одного верхнего и одного нижнего коллектора дифференцированного охлаждения наиболее массивной части профиля.

Секция охлаждения швеллеров состоит из двух коллекторов охлаждения верхней и двух коллекторов охлаждения нижней стороны стенки швеллера, двух коллекторов наружного охлаждения и двух коллекторов внутреннего охлаждения боковых стенок (полок) швеллера, двух коллекторов дифференцированного охлаждения наиболее массивной части профиля.

Регулируемое охлаждение (закалка) широкополочных балок

Зоны сочленения стенок и полки широкополочных и колонных балок прокатываются в чистовой клети при более высокой температуре, чем остальные элементы балки, вследствие чего имеют более крупнозернистую структуру. Ускоренное регулируемое охлаждение зоны сочленения по технологии ОАО «ВНИИМТ» обеспечивает улучшение структуры и механических свойств проката, снижает уровень остаточных напряжений.

В условиях ЦПШБ НТМК было испытано опытно-промышленное устройство дифференцированного охлаждения широкополочных балок перед чистовой клетью стана. Охлаждению подвергалась стенки в зонах сочленения с полкой.

Показано, что применение ускоренного охлаждения зоны сочленения перед выдачей балки на холодильник обеспечит снижение остаточных напряжений и деформации, величины которых зависят от величины перепада температур по сечению балки, особенно в момент, когда температура наиболее холодного элемента профиля переходи через 600 0С.

Устройства термоупрочнения (закалки) рельсовых накладок

В 2012 году ВНИИМТ запустил в промышленную эксплуатацию участок производства рельсовых накладок Р65 и Р55 на НСМЗ – филиале ОАО «ЕВРАЗ НТМК».

Участок по изготовлению накладок включает:

- технологическое оборудование

– два пресса, нагревательная печь и устройство регулируемого охлаждения;

- вспомогательное оборудование

– транспортные рольганги, кантователи, устройства загрузки-выгрузки накладок из прессов и печи.

 Для обеспечения участка водой разработана автономная система водоснабжения.

Основные технологические операции на участке изготовления накладок выполняются в автоматизированной режиме. Для этих целей создана единая автоматизированная система управления.

Исходная полоса по рольгангу подается к прессу для холодной рубки на заготовки. После порубки заготовки загружаются в печь толкательного типа. Заготовки в печи продвигаются в продольном направлении в два ряда. Загрузка-выгрузка накладок в каждый ряд осуществляется поочередно. После нагрева накладка скатывается по склизу печи на рольганг и подается в пресс для прошивки отверстий. Из пресса накладка передается в устройство регулируемого охлаждения. Термоупрочнение накладок осуществляется при транспортировке через устройство с определенной скоростью. После термоупрочнения осуществляется осмотр, сортировка и погрузка накладок в специальную тару.

Термоупрочнение накладки по технологии регулируемого охлаждения ВНИИМТ осуществляется в устройстве проходного типа, состоящем из двух секций, между которыми имеется воздушный промежуток. Вода на поверхность накладки подается из плоскофакельных форсунок с 4х сторон (рис.16). На каждый коллектор организован отдельный расход воды, что позволяет обеспечить разные условия охлаждения для разномассивных элементов накладки (головки-шейка) и управлять процессом термоупрочнения.

В августе 2014 г. после цикла лабораторных и полигонных испытаний был получен сертификат соответствия на выпуск данной продукции для нужд РЖД. .

 

Устройства регулируемого охлаждения

Наиболее крупные разработки

 Непосредственно ОАО «ВНИИМТ» и при его непосредственном участии разработаны и введены в промышленную эксплуатацию:

  • на заводе «Амурсталь»:

·        роликовая закалочная машина для толстолистового проката;

·        устройство регулируемого охлаждения полосы перед смоткой на стане 1700;

  • три установки ускоренного охлаждения толстого листа за нормализационными печами на стане 3600 МК «Азовсталь» и технологические режимы;
  • участок термообработки рельсовых подкладок на Нижнесалдинском метзаводе;
  • на роликовой закалочной машине стана 2800 Череповецкого металлургического комбината заменена конструкция основного узла – системы охлаждения;
  • устройство термоупрочнения арматуры за сортопрокатным станом на металлургическом заводе им. А.К. Серова;
  • спрейер для закалки труб после редукционного стана цеха № 2 на Первоуральском новотрубном заводе;
  • линия водо-воздушного охлаждения жести за ванной нанесения лакового покрытия на Лысьвенском метзаводе.

 

В последние годы разработано, изготовлено и введено в эксплуатацию:

  • в 2002 г. устройство контролируемого охлаждения толстого листа с прокатного нагрева на стане 5000 ЧерМК ОАО «Северсталь»;
  • в 2005 г. устройство термоупрочнения арматуры d 25¸40 мм на стане 350 ЧерМК ОАО «Северсталь»;
  • в 2005 г. оборудование устройства водовоздушного охлаждения корпуса конвертера для ЧерМК ОАО «Северсталь»;
  • в 2008 г. устройство термоупрочнения арматуры с автономной системой водоснабжения для литейно-прокатного комплекса стана 280 сортопрокатного цеха, г.Ярцево Смоленской обл. ;
  • в 2012 г. оборудование участка изготовления и термообработки рельсовых накладок ОАО «Ераз-НТМК», г. Н.Салда.
  • в 2012 г. устройство термоупрочнения насосных штанг, г.Очер.

 

Разработаны опытно-промышленные агрегаты регулируемого охлаждения для различных изделий с отработкой на них технологий термообработки. Наиболее значительные из них:

  • опытно-промышленное устройство закалки железнодорожных колес со специального нагрева в колесо-бандажном цехе ОАО «НТМК» в 2004 г;
  • устройство водо-воздушного охлаждения для термоупрочнения пружин, крепежа взамен закалочных масляных, щелочных и селитровых ванн на заводе «Автонормаль», г. Белибей;
  • линия закалки заготовки тракторных башмаков;
  • устройство регулируемого водо-воздушного охлаждения рельсов;
  • технология и устройство для термоупрочнения высокопрочных шпилек осей болтов и т.д.

 

Автоматизированные системы управления
технологическим процессом (АСУ ТП)

Все устройства, поставленные на различные предприятия в последние годы, оборудованы автоматизированными системами, обеспечивающими их работу в автоматизированном режиме. Математические модели регулируемого охлаждения при термоупрочнении проката, алгоритмы управления технологическими процессами разработаны ОАО «ВНИИМТ». АСУ разрабатывались совместно с ведущими фирмами разработчиками средств автоматизации.

Наиболее значительные разработки по АСУ

  • АСУ ТП устройства контролируемого охлаждения стана 5000 (ЧерМК ОАО «Северсталь)
  • АСУ ТП устройства термоупрочнения арматуры стана 350 (ЧерМК ОАО «Северсталь»).
  • АСУ ТП устройства термоупрочнения арматуры «ГУП Листопрокатный завод» (г.Ярцево).
  • АСУ опытно-промышленного устройства для закалки железнодорожных колес (КБЦ ОАО «НТМК»).
  • АСУ участка изготовления и термообработки рельсовых накладок (ЕВРАЗ НТМК – НСМЗ).

 

 С работами центра можно ознакомиться по ссылке .

Наши координаты

Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники - ВНИИМТ

620137,  г. Екатеринбург,  ул. Студенческая, д. 16

Центр новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов

Липунов Юрий Иванович

Тел./факс: +7 343 375 29 84, тел: +7 343 374 22 70

vniimt1@yandex.ru

 Скачать в pdf



© ОАО «ВНИИМТ» импортозамещение, энергоэффективные технологии в металлургии и машиностроении