Проект термического отделения для рекристаллизационного отжига автолистовой стали в колпаковых печах типа «Эбнер»

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет					Физико-технологический
Кафедра					Физического металловедения
Специальность					Металловедение и термическая обработка металлов


ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ

НА ТЕМУ: «Проект термического отделения для рекристаллизационного отжига автолистовой стали в колпаковых печах типа «Эбнер». Годовая программа 500 тысяч тонн».
Студент		(Колесников Н.В.)
Руководитель проекта	(Редичкина Т.В.)
Консультанты:
по экономике и организации производства	(Богомолова Е. В.)
по безопасности жизнедеятельности 	(Поляков В.В.)
по нормоконтролю	(Горбунов И. П.)
Рецензент	(                          )


ПРОЕКТ РАССМОТРЕН КАФЕДРОЙ И ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ
В ГАК




Заведующий кафедрой	(Шкатов В. В.)




Липецк 2010
ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

										Утверждаю
Факультет физико-технологичекий			Зав. кафедрой	Шкатов В.В.
Кафедра физического металловедения				" 08 "февраля 2010 г.

ДИПЛОМНОЕ ЗАДАНИЕ

Студенту Колесникову Николаю группы МТ-05-1
1. Тема: Проект термического отделения для рекристаллизационного отжига автолистовой стали в колпаковых печах типа «Эбнер». Годовая программа 500 тысяч тонн

2. Исходные данные:
2.1. Годовая программа цеха.
2.2. Данные ПХПП ОАО "НЛМК".
2.3. Техническая документация (ГОСТы, ТУ).
2.4. Методические указания ЛГТУ, литературные данные.
3. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов):
3.1.  Аннотация (на русском и иностранном языках).
3.2.  Содержание.
3.3.  Введение.
3.4.  Патентная проработка. Обоснование строительства отделения.
3.5.  Выбор материала, выбор и разработка технологии.
3.6.  Выбор, расчет и описание оборудования; теплотехнические расчеты.
3.7.  Механизация, автоматизация.
3.8.  Специальная часть.
3.9. Организация труда и управление отделением.
3.10. Экономическая часть.
3.11. Безопасность жизнедеятельности.
3.12. Охрана окружающей среды.
3.13. Библиографический список.
4. 
Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):
4.1. Конструкция колпаковой печи фирмы «Эбнер» (2 листа).
4.2. Схема подвода газо- и водопроводов к конструктивным элементам печи (2 листа).
4.3. План термического отделения (1 лист).
4.4. Химический состав сталей (1 лист).
4.5. Механические свойства сталей (1 лист).
4.6. График термической обработки (1 лист).
4.7. Спецчасть (2 листа).
5. Перечень подлежащих разработке вопросов экономики и организации производства:
5.1. Обосновать необходимость и экономическую целесообразность реконструкции отделения в системе АО НЛМК. 
5.2. Рассчитать капиталовложения в реконструкцию термического отделения.
5.3. Установить штаты и рассчитать фонд оплаты труда термического отделения.
5.4. Калькуляция себестоимости термообработки одной тонны металла.
5.5. Расчет технико-экономических показателей проектируемого отделения. 
Согласовано:						Зав. кафедрой экономики
6. Перечень подлежащих разработке вопросов условий труда и безопасности жизнедеятельности:
6.1. Анализ условий безопасности труда в термическом отделении, идентификация опасных и вредных производственных факторов и выбор защитных мер.
6.2. Общие мероприятия по охране труда и по охране природы.
6.3. Оценка загрязненности воздуха рабочей зоны производственной пылью.
Согласовано:				Зав. кафедрой безопасности жизнедеятельности

Срок сдачи проекта руководителю	30 мая 2010 г.
Консультанты по проекту (с указанием относящихся к ним разделов):
По экономике								Богомолова Е.В.
По безопасности жизнедеятельности					Поляков В.В.

Дата выдачи задания	08 февраля 2010 г.
Руководитель проекта			Редичкина Т.В.
Задание принял к исполнению студент		Колесников Н.В.


	АННОТАЦИЯ

     Страниц 123, рисунков 15, таблиц 36, источников 25.
   В данном дипломном проекте представлен проект термического отделения отжига сталей в печах «Эбнер» применительно к условиям ОАО “НЛМК”, с годовой программой 300 тысяч тонн. Приведены технологические данные и характеристика печи; описаны процессы, протекающие при отжиге в этих печах. 
     В процессе дипломного проектирования была проведена патентная проработка; рассмотрены вопросы экономики, безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды.
     
     ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Химический состав сталей 08пс, 08ЮП, 08ЮПР. Механические свойства сталей 08пс, 08ЮП, 08ЮПР									 А1
Требования к микроструктуре стали. Микроструктура стали 08пс		 А1
Технологическая схема производства автомобильного листа			 A1
Графики термической обработки сталей 08пс, 08ЮП, 08ЮПР			 А1
Конструкция колпаковой печи фирмы «Эбнер»					     А1?2
Схема подключения газо- и водопроводов к стенду с охлаждающим колпаком / нагревательным колпаком									 А1
Схема подключения газопроводов к стенду / нагревательному колпаку.
Газовый нагрев											 А1
План термического отделения								 А1
Специальная часть									      А1?1

Всего в листах формата								    А1?10



THE SUMMARY

     Pages 123, figures 15, tables 36, sources 25.
   In the given graduation work the project of thermal branch steels in hooding furnaces " EBNER " with reference to conditions of open joint-stock company " NLMK ", with the annual program of 300 thousand tons is submitted. The technological data and the characteristic of the furnace are resulted; the processes proceeding at burn in these furnaces are described. During graduation work patent study has been lead; questions of economy, safety of ability to live and preservation of the environment are considered.
     
     GRAPHIC PART

Chemical compound of steels 08пс, 08ЮП, 08ЮПР. Mechanical properties of steels 08пс, 08ЮП, 08ЮПР										 А1
Requirements to a microstructure of steel. A microstructure of steel 08пс 		 А1
The technological circuit of manufacture of an automobile sheet			 A1
The schedules of thermal processing of steels 08пс, 08ЮП, 08ЮПР			 А1
Design hooding furnaces of firm " EBNER " 					      А1?2
The circuit of connection gas- and waterpipes to the stand with a cooling cap /
a heating cap 											 А1
The circuit of connection of gas mains to the stand / to a heating cap.
Gas heating 												 А1
The plan of thermal branch 									 А1
Special part 											      А1?1

In total in sheets of a format 								    А1?10




СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	9
1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ	10
1.1. Патентная проработка	10
1.2. Обоснование строительства отделения	15
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ	17
2.1. Выбор марки стали	17
2.2. Влияние легирующих элементов	18
2.3. Требования к механическим свойствам автолистовой стали	20
2.4. Требования к микроструктуре	23
2.5. Требования к качеству поверхности	24
2.6. Технологический процесс производства	26
2.7. Термическая обработка холоднокатаной низкоуглеродистой стали в высококонвективных колпаковых печах фирмы «Эбнер»	29
2.7.1. Требования к металлу, подвергаемому термической обработке в колпаковых печах	29
2.7.2. Технологическая схема термической обработки	30
2.8. Технико-экономическое обоснование выбранной технологии	36
3. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТДЕЛЕНИЯ	38
3.1. Технико-экономическое обоснование выбора оборудования	38
3.2. Конструкция печи	39
3.3. Тепловой расчет печи	47
3.3.1. Расчет горения топлива	47
3.3.2. Составление теплового баланса	54
3.4. Расчет количества оборудования по нормам времени или укрупненным показателям	58
3.5. Расчет производственных площадей, планировка, грузопотоки	60
3.6. Приборы контроля	63
4. МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ	64
4.1. Средства механизации	64
4.2. Автоматическое управление технологическим процессом	65
4.2.1. Автоматическое регулирование	66
4.2.2. Управление составом атмосферы печей	68
4.2.3. Автоматическое управление механизмами печей	73
4.2.4. Управление технологическими процессами с использованием ЭВМ	73
5. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ	75
5.1. Структурные превращения при рекристаллизационном отжиге	75
5.1.1. Изменение структуры и свойств металла при холодной обработке давлением	75
5.1.2. Изменение структуры при рекристаллизационном отжиге	78
5.2. Конструктивные различия печей……………………………………………..86
6. ОРГАНИЗАЦИЯ ТРУДА И УПРАВЛЕНИЕ ОТДЕЛЕНИЕМ	88
7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ	89
7.1. Расчет капиталовложений в проект термического отделения	89
7.1.1. Расчет капитальных вложений по группам основных фондов	89
7.2. Расчет производственных издержек	94
7.2.1. Расчет прямых материальных затрат	94
7.2.2. Штаты термического отделения	97
7.2.3. Расчет фонда заработной платы	100
7.2.4. Фонд заработной платы ИТР	102
7.3. Калькуляция себестоимости термической обработки	105
7.3.1. Расчет потребности в оборотном капитале	108
7.4. Расчет экономической эффективности инвестиций в проект	109
8. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ	111
8.1. Анализ условий труда в термическом отделении, идентификация опасных и вредных производственных факторов	111
8.1.1. Характеристика конструктивных решений здания и систем жизнеобеспечения отделения	111
8.1.2. Опасные и вредные производственные факторы	112
8.2. Оценка загрязненности воздуха рабочей зоны термического отделения производственной пылью в случае выхода из строя вытяжной вентиляции	117
9. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ	119
9.1. Охрана атмосферы	119
9.2. Охрана поверхностных и подземных вод	119
9.3. Охрана окружающей природной среды от отходов и потребления	120
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК	122


ВВЕДЕНИЕ

     В настоящее время перед металлургами стоит задача увеличить производство конструкционных материалов, причем большое внимание уделяется качеству продукции. При повышении прочностных свойств стали снижается технологическая пластичность и другие характеристики, определяющие эксплуатационную надежность стальных изделий, поэтому необходимо помимо увеличения прочности применять такие механизмы упрочнения, при которых будут обеспечены и другие высокие механические свойства.
     В повышении качества изделий, эффективности и прочности металлопродукции большую роль играет термическая обработка. Одним из главных направлений технического прогресса в оборудовании и организации термических цехов является механизация и автоматизация с целью интенсификации производственных процессов. Они резко повышают производительность труда, обеспечивают постоянство и точность проведения технологического процесса, улучшают качество продукции.
     Достичь увеличения производства, уменьшения времени термической обработки, и более длительного срока эксплуатации используемого оборудования позволяет введение в технологическую цепочку производства термической обработки в автоматизированных термических агрегатах с контролируемой защитной атмосферой, исключающей обезуглероживание и окисление металла (печи фирмы «Эбнер»). При этом повышается качество продукции за счет более точного соблюдения технологического процесса автоматизированной системой управления.
     Автоматизация нагревательных устройств тесно связана с оснащением оборудования совершенной контрольно-измерительной аппаратурой, регистрирующей технологические процессы в соответствии с заданной программой.
1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ
   
1.1. Патентная проработка

   В ходе дипломного проекта была проведена патентная проработка. Некоторые из патентов приведены в табл. 1.
   Таблица 1
    Патентная проработка
Страна, номер патента
Наименование патента, авторы
Наименование источника, дата публикации
Описание
1
2
3
4
Россия
1546789
«Способ отжига рулонов в колпаковых печах».
Мишин М.П., Сарычев А.Ф., Лебедев С.А., Науменко В.Д., Захарова Е.Д., Зайцев А.В.
РЖ, 2001 г.,
11.10.2000
   Способ заключается в формировании стоп рулонов, установке муфеля и колпака с горелками, непосредственно отжиге, снятии колпака и охлаждении стоп под муфелями. После отключения горелок колпак выдерживают на стенде печи в течении 5-6 часов.
Россия
1589764
«Способ рекристаллиза-ционного отжига холоднокатаной низкоуглеродис-той стали».
Мишин М.П.,
Галкин В.Д.,
Смирнов Б.И.
РЖ, 2001 г.,
28.06.2001
   Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано в прокатном производстве. Цель – снижение предела текучести и твердости отожженной стали. Способ рекристаллизационного отжига холоднокатаной низкоуглеродистой стали, включая нагрев с выдержкой при температуре выше температуры рекристаллизации, окончательную выдержку при 690–710о С и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода металла особо сложной вытяжки при одновременном сокращении расхода энергоносителей, в период нагрева после промежуточной выдержки осуществляют дополнительную промежуточную выдержку при 640–660о С.
Россия,
1675434
«Колпаковая печь для термической обработки металлических изделий».
РЖ, 2001 г.,
09.04.2001
   Колпаковая печь для термической обработки металлических изделий, содержащая стенд, колпак, съемный муфель, полый стержень, закрепленный на планшайбе соосно с печью, отличающаяся
Продолжение таблицы 1
1
2
3
4

Тищенко А.Д.,
Карпов И.Н.,
Моисеев А.В.,
Бубнов С.Ю.,
Евсюков В.Н.,
Швецов В.В.,
Сарычев И.С.

тем, что печь снабжена полиментами, расположенными концентрично центральной оси печи, и средствами связи обрабатываемого изделия со стержнем, торцевая поверхность которого имеет проушины, при этом центральные оси полиментов и проушин попарно расположены в одной вертикальной плоскости, проходящей через центральную ось печи, а средства связи  закреплены на обрабатываемых изделиях и выполнены с возможностью взаимодействия с проушинами стержня в рабочем положении.
Россия,
1654389
«Устройство для охлаждения металла в одностопной колпаковой печи».
Алиев Эльдар Валяд Оглы,
Антипенко А.И.
Бердышев В.Ф.,
Гостев А.А.,
Горбулин В.Н.,
Кузнецов В.Г.,
Лесин В.А.,
Мишин М.П.,
Мыльников Б.Д.
Науменко В.Д.,
Носов С.К.,
Паршиков С.Ф.
Пирожков А.Н.
Прибытков И.А.
Сарычев А.Ф.,
Стариков А.И.,
Хребто В.Е.
РЖ, 2001 г.,
10.09.2001
   Устройство для охлаждения металла в одностопной колпаковой печи, выполненное переносным и содержащее вертикальные и несущие направляющие, охватывающий муфель снизу, кольцевой коллектор с опорами, гибким шлангом и фланцем для соединения со стояком-подводом вентилятора эжекторного воздуха, с установленными параллельно образующей муфеля вертикальными стояками с отверстиями, обращенными к муфелю, отличающееся тем, что стояки имеют высоту от 1/3 до 2/3 высоты муфеля, а вертикальные направляющие и несущие соединены с кольцевым коллектором и выполнены в виде труб, соединенных сверху с горизонтальными трубами, расположенными над муфелем, которые приварены к площадке с проушиной для мостового крана, причем кольцевой коллектор имеет внутри две диаметрально расположенные заглушки и соединен с подводом эжекторного воздуха двумя патрубками через клапан с приводом и реле времени для обеспечения попеременной подачи воздуха в течении 2-15 мин., через один из патрубков в одну из половин коллектора, стояки имеют щелевые отверстия с соотношением высоты к ширине 5?1–10?1 и обращены к поверхности муфеля под углом 8-25? С, причем отверстия рядом стоящих стояков разнесены по высоте в шахматном порядке и направлены в одну сторону относительно оси, на одной половине коллектора по часовой стрелке, а на другой 
Продолжение таблицы 1
1
2
3
4



 – против, несущие вертикальные трубы также имеют щелевые отверстия, которые расположены выше срезов стояков в шахматном порядке по обе стороны от оси труб и обеспечивают угол встречи струи с поверхностью муфеля 8–25?? С, горизонтальные трубы с заглушками на месте прикрепления их с площадкой.
Россия,
1760976
«Колпаковая печь».
Мишин М.П.,
Корнилов В.Л.,
Антипенко А.И.,
Горбулин В.Н.
РЖ, 2002 г.,
30.11.2001
  Колпаковая печь преимущественно для отжига рулонов, включающая нагревательный колпак, муфель, стенд с циркуляционным вентилятором, конвекторные кольца с циркуляционными каналами, плоский диск с центральным отверстием с площадью проходного сечения равной 0,6–0,9 суммарной площади сечений циркуляционных каналов каждого из конвекторных колец, отличающийся тем, что плоский диск с отверстием выполнен с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру конвекторного кольца и установлен в канале кольца под верхним рулоном стопы.
Россия, 
1760977
«Технология отжигав колпаковых печах HICON/H2: современные концепции производства холоднокатаной тонколистовой стали для автомобиле-строения».
Брандштэттер Д.
РЖ, 2002 г.,
12.08.2002
  Черная металлургия, как один из важнейших поставщиков продукции для автомобилестроения, должна создавать новые материалы, которые бы содействовали усилиям автомобильной промышленности в снижении массы транспортного средства. Достижению этого способствует разработка материалов с соответствующими механическими и технологическими свойствами. Параллельно с этим развиваются отдельные производственные ступени. В качестве примера можно отметить высокопрочные стали с малым содержанием элементов внедрения, а также стали, упрочняемые при нагреве (Bake-Hardening). Существенной составной частью в улучшении механических и технологических свойств в производственном процессе изготовления мягкой и высокопрочной полосовой стали является термическая обработка. Колпаковые печи HICON/H2 проявили себя идеальными установками при обработке таких сталей. Оптимальное соотношение между ценой и производительностью, между качеством
Продолжение таблицы 1
1
2
3
4



термообработки сталей и надежностью колпаковых печей HICON/H2 вывело их в разряд распространенных термообрабаты-вающих установок в мире.
Россия,
2076545
«Получение холоднокатаной полосы после отжига с высоким качеством поверхности».
Тахаутдинов Р.С., 
Латыпов Р.Т.,
Сарычев А.Ф.,
Мишин М.П.,
Малова Н.И.,
Антипенко А.И.,
Злов В.Е.,
Буданов А.П.
РЖ, 2003 г.,
22.11.2002
  Техническим результатом изобретения является получение холоднокатаной полосы после отжига с высоким качеством поверхности, практически без отложений сажи и комплексом механических свойств, микроструктуры, кристаллографической текстуры, обеспечивающих высокую категорию вытяжки при штамповке  деталей сложной конфигурации при одновременном увеличении выхода годного, снижении издержек производства, повышении рентабельности. Способ включает нагрев до 690–710° С с промежуточной выдержкой при 640–660° С с определением графика нагрева в самой зоне медленно прогреваемой зоне споты рулонов и проведением продувки подмуфельного пространства от начала нагрева до достижения в самой медленно прогреваемой зоне споты рулонов температуры, равной температуре завершения процесса испарения прокатной эмульсии, защитной средой, содержащей 4–7% водорода, остальное азот.
Россия, 
2230803
«Способ отжига холоднокатаных полос».
Чернов П. П., Долматов А. П., Пименов А. Ф., Трайко А. И., Сарычев И. С.
РЖ, 2004 г.,
20.06.2004
  При отжиге холоднокатаных полос, смотанных в рулоны, в колпаковой печи формируют стопу установкой рулонов друг на друга в вертикальном положении и нагревают ее. Рулоны устанавливают в вертикальном положении с разделением смежных рулонов конвекторными кольцами. Нижним в стопу устанавливают рулон, толщина полосы в котором в 1,1–4,5 раза превышает толщину полос остальных рулонов стопы. Изобретение позволяет повысить равномерность свойств полос, уменьшить травмирование и сваривание витков нижних в стопе рулонов.
Продолжение таблицы 1
1
2
3
4
Россия,
2230804
«Конвекторное кольцо для отжига в колпаковой печи стальных холоднокатаных полос в рулонах». Чернов П. П., Долматов А. П., Тимофеев В. А., Милованов А. А., Покачалов Ю. И.
РЖ, 2004 г.,
20.06.2004
Конвекторное кольцо для отжига в колпаковой печи стальных холоднокатаных полос в рулонах содержит диск с центральным отверстием и радиальные ребра, образующие циркуляционные каналы. Диск выполнен из элементов, составляющих его внутреннюю, среднюю и внешнюю части. Средняя часть диска образована из сегментов, а внешняя часть диска – из секторов, закрепленных на сегментах с образованием температурных швов. Радиальные ребра расположены с перекрытием сверху и снизу температурных швов и приварены только к одному из соседних секторов. Изобретение позволяет повысить стойкость колец и производительность колпаковой печи.
Россия,
2238988
«Способ производства холоднокатаной полосы».
Морозов А. А., Сарычев А. Ф., Мишин М. П., Малова Н. И., Антипенко А. И., Злов В. Е. 
РЖ, 2005 г.,
27.10.2004
  Способ включает горячую прокатку, травление, холодный прокат с эмульсией, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи со ступенчатым нагревом и регулированием состава защитной среды. После холодной прокатки перед отжигом осуществляют межоперационную выдержку в течение 8–24 часов. Нагрев рулонов в колпаковой печи начинают после холодной продувки подмуфельного пространства защитной средой в течение 2–3 часов. Отжиг осуществляют с двумя промежуточными выдержками при температуре 580 и 650? С. Удаление продуктов возгонки  и разложения эмульсии производят непрерывно от начала нагрева до завершения промежуточной выдержки при температуре 650? С путем подачи защитной среды, содержащей 4–7% H2 и  93–96% N2 с расходом, равным расходу защитной среды при холодной продувке. Осуществляют инфильтрацию защитной среды из подмуфельного пространства через песочный затвор, непрерывно от начала холодной продувки до завершения процесса охлаждения отожженных
Окончание таблицы 1
1
2
3
4



рулонов под муфелем с расходом защитной среды 0,4–0,5 от расхода последней при холодной и горячей продувках. Изобретение позволяет получать высококачественную холоднокатаную полосу, снизить расход теплоносителей и увеличить производство полосы.
   
1.2. Обоснование строительства отделения
   
    Автомобильная промышленность – одна из основных потребителей тонкого, особенно холоднокатаного листа. Вместе с ростом потребления листового проката повышаются и требования автомобилестроителей к качеству этого вида продукции: точности размеров, состоянию поверхности, уровню и однородности свойств [1].
    Лучшие марки стали должны обладать по возможности низким пределом текучести и отношением ?т/?в, меньшей твердостью и большей глубиной выдавливания (по Эриксену) [2].
    Существенной составной частью в улучшении механических и технологических свойств в производственном процессе изготовления мягкой и высокопрочной полосовой стали является термическая обработка. Большое значение для повышения качества автолистовой стали имеет рекристаллизационный отжиг, назначение этой операции – восстановление пластичности стали после холодной деформации.
    Термическая обработка холоднокатаного листа регулирует конечную структуру и свойства стали с целью ее разупрочнения и обеспечения наилучшей штампуемости. Рекристаллизация вызывает рост деформированных зерен, снятия наклепа и внутренних напряжений.
    Удовлетворение постоянно растущего спроса на автомобильный металл высокого качества достигается изготовлением его на современном оборудовании по совершенной технологии.
    Колпаковые печи HICON/H2 проявили себя идеальными установками при обработке таких сталей. Оптимальное соотношение между ценой и производительностью, между качеством термообработки сталей и надежностью колпаковых печей HICON/H2 вывело их в разряд распространенных термообрабатывающих установок в мире.
    Таким образом, строительство отделения для рекристаллизационного отжига автолистовой стали обоснованно технологической необходимостью, а также получением лучших механических свойств.
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
   
2.1. Выбор марки стали

     Для производства проката, обрабатываемого в высококонвективных колпаковых печах фирмы «Эбнер», служат низкоуглеродистые стали 08Ю, 08пс, 08ЮП, 08ЮПР, 08ГСЮТ, 05ЮР, 08ЮР, 08ЮТР, 01ЮТ, 06ФБЮАР, а также зарубежные аналоги указанных марок сталей для производства экспортных заказов.
     Стали марок 08пс, 08ЮП (повышенной пластичности), 08ЮПР (повышенной прочности) – конструкционные низкоуглеродистые качественные стали, предназначенные для изготовления деталей автомобиля методом холодной штамповки [3, 4, 5]. 
     Химический состав сталей марок 08пс, 08ЮП, 08ЮПР приведен в табл. 2.
    Таблица 2
    Химический состав сталей 08пс, 08ЮП, 08ЮПР,% масс
    
Марка стали
C
Si
Mn
P
S
Al
Cu
N
08пс
0,09
0,04
0,45
0,025
0,03
–
–
–
08ЮП
0,04–0,07
не более 0,05
0,2–0,3
0,06–0,08
не более 0,025
0,03–0,07
0,02–0,10
0,003–0,007
08ЮПР
0,04–0,07
0,01–0,05
0,2–0,3
0,07–0,09
не более 0,025
0,03–0,07
0,02–0,10
не более 0,007
    
     Примечание:
     В стали 08пс допускается массовая доля алюминия до 0,07%, а углерода до 0,1% при условии соблюдения норм механических свойств.
     В готовом прокате допускается массовая доля фосфора до 0,1% при соблюдении требований к механическим свойствам для сталей марок 08ЮП и 08ЮПР.
     В готовом прокате массовая доля бора в стали марки 08ЮПР должна быть 0,0005–0,002%. Бор вводится по расчету и при химическом анализе не определяется.
     Содержание кальция в стали этой марки 0,0005–0,002%. Кальций вводится как технологическая добавка.
2.2. Влияние легирующих элементов
   
     Химический состав стали весьма влияет на механические свойства холоднокатаных полос [1].
     Важнейшими примесями, определяющие прочностные, пластические и технологические свойства стали, являются углерод, азот, кислород, кремний, марганец, алюминий, фосфор и сера.
     Среди легирующих элементов, влияющих на структуру и свойства низкоуглеродистой конструкционной стали, углерод по эффективности своего воздействия является одним из наиболее важных. Так как углерод оказывает упрочняющее воздействие на сталь, то для достижения оптимального комплекса прочностных и пластических характеристик его содержание стараются снизить до 0,07%.
     Индекс старения по мере увеличения содержания углерода повышается. Решающее значение на вытяжные свойства оказывает состояние, в котором находится углерод в стали. Вредное влияние на штампуемость оказывает углерод в виде включений структурно-свободного цементита, который в местах грубых скоплений является причиной разрыва металла при штамповке.
     Вредное влияние оказывают азот и кислород, увеличивая склонность к старению, резко повышая временное сопротивление разрыву при растяжении и предел текучести, образуя неметаллические включения (нитриды, оксиды). Эти элементы снижают пластичность и вытяжные свойства. Улучшение качества и деформируемости тонколистовой стали достигается путем снижения азота до 0,008%.
     Важное влияние на свойства низкоуглеродистой стали оказывает марганец. Марганец увеличивает прочность стали, но вводится из-за необходимости связывания серы. Заметное влияние марганец оказывает на кинетику старения, замедляя выделение азота. Присадка марганца в стали препятствует или сильно замедляет перестаривание стали. Для получения стали с высокими пластическими свойствами содержание марганца должно быть ограничено 0,2–0,3%.
     Фосфор и сера являются вредными примесями и их содержание должно быть сведено к минимуму. Фосфор повышает прочность и вызывает охрупчивание, снижает пластичность и способность металла к вытяжке. Сернистые соединения в виде крупных включений снижают способность стали к глубокой вытяжке. Фосфор ограничивается пределами 0,02–0,03%, сера 0,025–0,035%.
     Присутствие в стали никеля обеспечивает сохранение текстуры прокатки.
     Для получения благоприятной структуры феррита в виде вытянутых зерен и мелких изолированных сфероидизированных глобулей цементита в холоднокатаной тонколистовой стали после отжига в колпаковых печах необходимо ограничить содержание марганца 0,2–0,28, количество меди и никеля до 0,06% каждого.
     Кремний увеличивает жесткость листа при штамповке, поэтому в листах для глубокой вытяжки содержание кремния должно быть не более 0,04%.
     Важную роль играют стабилизирующие добавки алюминия. Они связывают азот, уменьшают склонность стали к старению. Алюминий являясь поверхностно-активным элементом, снижает поверхностное натяжение на границах ферритных зерен; при рекристаллизационном отжиге холоднокатаных полос способствует образованию ферритных зерен «оладьеобразной» формы, повышает способность стали к глубокой вытяжке. Алюминий в минимальной мере упрочняет сталь.
     Лучше всего штампуется сталь с однородным мелким зерном. Алюминий, соединяясь с азотом в стали, образует нитриды алюминия, которые выделяясь в виде дисперсных частиц при определенных условиях, способствуют измельчению зерна феррита. Содержание в стали алюминия 0,02% обеспечивает устойчивость стали против старения. Оптимальное содержание растворенного алюминия в спокойной стали считается 0,03–0,04% Alраств.
2.3. Требования к механическим свойствам автолистовой стали

     Основным требованием является способность листа или полосы к глубокой или весьма глубокой вытяжке при изготовлении деталей заданной формы и размеров с помощью холодной штамповки. Это достигается в том случае, если листы имеют высокие пластические свойства, однородные по всему объему штампуемого листа, и не изменяют своих свойств в промежутке между прокаткой и штамповкой из них деталей.
     Механические свойства – ?т, ?в, ?, ?т/?в, R, n – оказывают влияние на штампуемость листа, хотя они не дают полной характеристики металла [1, 6].
     Предел текучести (?т) оказывает большое влияние на способность стали к глубокой вытяжке. Чем ниже предел текучести, тем меньшее усилие требуется для вытяжки и тем больше упрочняется сталь в начальный момент деформации. С увеличением предела текучести при постоянном пределе прочности (?в) увеличивается количество брака при вытяжке. Предел текучести является также критерием оценки склонности стали к образованию линий сдвига при штамповке. Чем ниже предел текучести, тем меньше или совсем отсутствует площадка текучести на кривой растяжения, тем менее вероятно образование линий сдвига при штамповке. Для деформирующих операций желательно уменьшение ?т, так как в этом случае снижается пружинность после штамповки.
     Отношение предела текучести к пределу прочности (?т/?в) характеризует способность материала пластически деформироваться без разрушения. Возрастание области пластической деформации при низких значениях отношения пределов текучести и прочности достигается за счет снижения упругой деформации. При определенном химическом составе стали на величину отношения, в основном, влияет предел текучести, чем он меньше, тем меньше отношение ?т/?в. На очень хорошую способность стали к глубокой вытяжке можно рассчитывать при отношении пределов текучести и прочности равном 0,65–0,75 и на плохую при значении отношения выше 0,75. Значения отношения ниже 0,65 можно практически достигнуть лишь в дрессированных листах толщиной более 0,8 мм.
     Считается, что чем больше относительное удлинение (?), тем лучше штампуемость стали. Однако в литературе уже давно указывается на то, что относительное удлинение не может являться надежной характеристикой способности металла к вытяжке. Величина относительного удлинения состоит из равномерного удлинения и удлинения в области шейки. При формоизменяющих операциях допустимая деформация чаще всего ограничивается стадией до начала образования шейки, т.е. началом локальной деформации. Поэтому более важной характеристикой является равномерное удлинение, характеризующее способность металла получать однородную деформацию до начала локализации при нарушении устойчивости процесса пластического формоизменения. Это нарушение устойчивости часто происходит до исчерпания полной пластичности металла в тех процессах, где значительную роль играют напряжения растяжения. При штамповке стали с низким равномерным удлинением (менее 15%) получается большое количество брака. Установлено, что для успешной штамповки деталей сложной формы целесообразно применять листовую сталь, имеющую равномерное удлинение более 20–25%.
     Листовой металл имеет различные механические свойства в разных направлениях листа относительно направления прокатки и различные механические свойства в плоскости листа и по его толщине. Нормальная пластическая анизотропия является следствием образования текстуры при прокатке. Способность листовой стали к вытяжке тем больше, чем больше величина нормальной анизотропии. Металл с высоким коэффициентом нормальной анизотропии (R ? 1) более активно сопротивляется деформациям по толщине, чем деформациям в плоскости листа. Экспериментальные исследования связи между коэффициентом нормальной анизотропии и показателем штампуемости показывают, что с увеличением R количество брака уменьшается [1].
     Под упрочнением понимается совокупность явлений, связанных с изменением физико-механических свойств металла в процессе пластической деформации. Изменение механических свойств металла объясняется возрастающим по мере деформирования сопротивлением смещению дислокаций. Границы зерен в поликристалле являются значительными препятствиями для выхода дислокаций и способствуют более интенсивному упрочнению. Упрочнение влияет на штампуемость и деформированное состояние металла в тех областях, где возникает двухосное или одноосное растяжение. От величины коэффициента упрочнения (n), отражающего способность стали к равномерному удлинению, зависят максимальная однородная деформация перед разрушением и равномерность распределения деформаций по штампуемой детали: чем больше n, тем больше однородная деформация при максимальной нагрузке перед локализацией, тем более равномерно распределены деформации по детали, тем меньше израсходован запас пластичности металла в процессе штамповки и, следовательно, тем более высокую динамическую прочность будет иметь деталь при эксплуатации. Хорошая штампуемость обеспечивается при n ? 0,23. О величине n можно косвенно судить по отношению (?т/?в). Чем меньше это отношение, тем больше n и лучше штампуемость.
     На коэффициент упрочнения влияет структура листовой стали: чем больше размер зерен феррита, тем больше показатель упрочнения.
     Требования к механическим свойствам сталей 08пс, 08ЮП, 08ЮПР представлены в табл. 3, [3, 4, 5].
   



Таблица 3
Механические свойства сталей 08пс, 08ЮП, 08ЮПР
Марка стали
Состояние поставки
Предел текучести, ? т
Временное сопротивление, ? в
Относительное удлинение, ?4


Н/мм2 (кгс/мм2)
%
08пс
Листы и рулоны
–
250–390 (26–40)
не менее 26–30


не менее
08ЮП

220 (22,5)
340 (35)
34
08ЮПР

275 (28)
392 (40)
30

2.4. Требования к микроструктуре
     
     Микроструктура листа оказывает значительное влияние на механические свойства, качество поверхности, брак при глубокой вытяжке. Структура малоуглеродистой стали для холодной штамповки состоит из феррита и структурно-свободного цементита [1].
     На способность стали к глубокой вытяжке влияют, в основном, величина и форма ферритного зерна, а также количество, форма и распределение цементита и включений.
     Лучшие условия для обеспечения хорошей склонности стали к глубокой вытяжке создаются в том случае, когда глобулярный цементит распределен равномерно в основной ферритной составляющей, с увеличением дисперсности выделенного цементита улучшается пластичность и уменьшается анизотропия механических свойств материала.
     Оптимальная величина ферритного зерна у листов толщиной 0,5–2 мм находится в пределах 0,26–0,037 мм. Очень мелкое зерно повышает.......................