92 / 4 (68), 2012 The nontraditional technology of scale removal from the high-carbon wire surface by means of mechanical sca- lebreaking with electrolyte-plasma post-treatment is de- veloped and tested. В. А. Луценко, В. Г. ЧерниЧенко, и. В. СикАЧинА, Т. н. ГоЛубенко, о. В. Луценко, к. Ю. кЛЮЧникоВ, институт черной металлургии им. З. и. некрасова нАн украины УДК 621.7.022:621.778:504 НетрадициоННая экологически чистая техНология удалеНия окалиНы с поверхНости углеродистой катаНки и проволоки Основной задачей современного металлурги- ческого производства является использование но- вых физических процессов и разработка экологи- чески чистых и ресурсосберегающих технологий, которые обеспечивают необходимые качественные показатели изготавливаемой металлопродукции при снижении энергозатрат. В технологических линиях при переработке углеродистой катанки и проволоки традиционно используется кислотное удаление окалины. В по- следнее десятилетие преимущество отдается меха- ническому удалению окалины вследствие деше- визны и экологической чистоты процесса. Однако в современной металлургии СНГ на- блюдается слабое обновление старых проволоч- ных станов (на которых объем выпускаемой про- дукции составляет более 30%) и вопросы повыше- ния качества металлопроката на них будут еще долго решаться. Поэтому необходимы новые тех- нологии и оборудование, которые позволят сокра- тить затраты при последующей переработке катан- ки и проволоки. К числу таких технологий следует отнести электролитно-плазменную очистку по- верхности от окалины [1–3], которая в отличие от химической не нуждается в дополнительных рас- ходах на химические материалы, приготовление растворов и утилизацию отработанных материа- лов. Энергоемкость такой очистки значительно ниже химической и затраты на нейтрализацию от- ходов при ней незначительные: утилизации подле- жит только отделенная окалина. В Институте черной металлургии им. З. И. Не к- расова НАН Украины совместно с Институтом электросварки им. Е. О. Патона создан экспери- ментальный технологический участок (ЭТУ) с ис- пользованием нетрадиционных способов нагрева, охлаждения и очистки металла. Схема расположе- ния и состав оборудования ЭТУ приведены на рис. 1. Для определения эффективности электролит- но-плазменной доочистки (7-ЭПО) использовали перенастроенную совместно с Институтом элек- тросварки им. Е. О. Патона установку ЭПН. Ис- ходным материалом для исследований служила холодноволоченая проволока диаметром 3,8 мм из стали с химическим составом: С – 0,76%; Mn – 0,55; Si – 0,42; S – 0,025; P – 0,028; Cr – 0,05; Ni – 0,09; Cu – 0,10%. Микроструктурные исследования по сечению проволоки проводили на микроскопе NEOPHOT-2 (ГОСТ 8233). Фотографирование ми- кроструктуры выполняли с помощью цифровой фотокамеры Olympus FE-20. Микротвердость струк- турных составляющих определяли на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 200 г. Механические характе- ристики определяли на образцах проволоки деся- тикратной расчетной длины при испытаниях на растяжение по ГОСТ 1497. Определение количе- ства окалины на поверхности проволоки проводи- ли по методике, изложенной в ДСТУ 3683-98. Фазовый состав окалины рассчитывали по дифрак- тограммам, полученным на рентгеновском диф- рактометре ДРОН-2,0 в медном излучении с гра- фитовым монохроматом. Расшифровку дифракто- грамм и идентификацию фаз в поверхностном слое осуществляли по карточкам картотеки ASTM. Были проведены две серии экспериментов, в ходе которых определяли качественные характе- ристики и образующуюся окалину на поверхности проволоки при различных способах охлаждения на ЭТУ по следующим технологическим обработ- кам: Схема 1. ЭКН → охлаждение на воздухе → МО → ЭПО. / 93 4 (68), 2012 Схема 2. ЭКН → патентирование → МО → ЭПО. На первом этапе исследований холодноволоче- ную проволоку нагревали в установке ЭКН до тем- пературы 950 °С с технологической скоростью пе- ремещения по участку 15 м/мин. По схеме 1 прово- локу охлаждали на спокойном воздухе, по схеме 2 – подвергали ТМО, включающей охлаждение [4] га- зо-воздушными потоками (ГВП) с температурой конца интенсивного охлаждения 670–680 °С и по- следующей квазиизотермической выдержкой при 580–600 °С. После охлаждения удаление окалины производили на роликовом окалиноломателе. На втором этапе изучено влияние режимных характеристик электролитно-плазменной доочист- ки окалины с поверхности проволоки. Определяли практическую пригодность очищенной проволоки к переработке, произведенной по схемам 1 и 2. Техническая характеристика установки элек- тролитно-плазменной доочистки: номинальное рабочее напряжение на электроде плазмотрона-нагревателя: «основное», В 250–320 номинальное рабочее напряжение на электроде плазмотрона-нагревателя: «подготовительное», В 200–280 номинальный рабочий ток ячейки на- гревателя, А 40–80 количество нагревателей, шт. 8 объем подаваемого электролита, л/мин 4–10. В табл. 1 приведены режимные характеристики электролитно-плазменного способа доочистки проволоки. Микроструктурный анализ проволоки до- и по- сле окалиноломания показал, что по схеме 1 осно- ву микроструктуры составляет пластинчатый пер- Рис. 1. Схема расположения оборудования экспериментально-технологического участка: 1 – размоточное устройство; 2 – установка электроконтактного (ЭКН) или электролитно-плазменного нагрева (ЭПН); 3 – установка (блок) струйного охлаж- дения (ГВП); 4 – линия термостатирования; 5 – устройство окончательного охлаждения; 6 – окалиноломатель (МО); 7 – электролитно-плазменная доочистка; 8 – ванна для нанесения подсмазочного покрытия; 9 – намоточное устройство Т а б л и ц а 1. Режимы электролитно-плазменной очистки (ЭПО) Номер режима Технология обработки Параметры ЭПО Скорость пропуска, м/мин Качество поверхности проволоки* 1.1 Схема 1 три контакта; U = 225 V; I до 70А; W – 15,75 кВт 15 Неуд. Пятнистая 1.2 Схема 1 три контакта; U = 225 V; I до 70А; W – 15,75 кВт 9 Неуд. Пятнистая 1.3 Схема 1 четыре контакта; U = 175 V, I до 70А; W – 12,25 кВт 15 Уд. 2.1 Схема 2 четыре контакта; U = 225 V; I до 70А; W – 15,75 кВт 15 Неуд. Пятнистая 2.2 Схема 2 четыре контакта; U = 175 V; I до 70А; W – 12,25 кВт 15 Уд. * Визуально. 94 / 4 (68), 2012 лит 1–4-го балла (рис. 2, а, б), а по схеме 2 пла- стинчатый перлит 1–2-го балла (рис. 2, в, г). Результаты исследований механических свойств, представленные в виде гистограмм на рис. 3, 4, по- казывают, что предел прочности, относительное удлинение и сужение для проволоки, обработан- ной по схеме 1 до и после окалиноломания, изме- няются несущественно. Для проволоки, обрабо- танной по схеме 2, предел прочности повысился на 34 Н/мм2, а пластические свойства понизились. Согласно требованиям [5], предел прочности огра- ничен не более 1250 Н/мм2. Анализ результатов механических свойств (рис. 4) свидетельствует о несущественном влия- нии электролитно-плазменной обработки на меха- нические характеристики. Так, предел прочности а б в г Рис. 2. Микроструктура проволоки диаметром 3,8 мм, обработанной по схеме 1 – воздушное охлаждение (а, б) и схеме 2 – патентирование ГВП (в, г), до (а, в) и после (б, г) окалиноломателя. х800 а б в г Рис. 3. Изменение механических свойств проволоки диаметром 3,8 мм после обработки по схемам: 1 – схема 1 до МО; 2 – схема 2 до МО; 1(1) – схема 1 после МО; 2(2) – схема 2 после МО / 95 4 (68), 2012 (рис.4, режим 1.3) увеличился на 31 Н/мм2 и соста- вил 1123 Н/мм2, что соответствует требованиям [5]. Как показал анализ структур, при обработке проволоки в электролитно-плазменной установке по режимам 1.1, 1.2 и 2.1 (табл. 1, рис. 5, а, в) в по- верхности образуются мартенситные структуры (микротвердость 680 HV200), а при режимах 1.3, 2.2 (табл. 1, рис. 5, б, г) не происходят какие-либо заметные изменения в структуре проволоки (ми- кротвердость 350 HV200). В зависимости от способа охлаждения высоко- углеродистой проволоки после отдельного нагрева на поверхности формируется окалина различного количественного (табл. 2) и фазового составов. При охлаждении на воздухе (схема 1) формирует- ся окалина следующего состава: 75% вюстита, 18% магнетита и 7% гематита, а при ТМО с ох- лаждением ГВП (схема 2) – 35% вюстита, 40% магнетита и 25% гематита. Поэтому, как видно из таблицы, окалина, образованная по схеме 1, более а б в г Рис. 4. Механические свойства проволоки диаметром 3,8 мм после различного охлаждения, окалиноломания и электролит- но-плазменной доочистки. Режимы обработки: 1.1, 1.3, 2.1, 2.2 (см. табл. 1) а б в г Рис. 5. Микроструктура проволоки диаметром 3,8 мм после электролитно-плазменной доочистки по режимам (см. табл. 1): а – 1.1; б – 1.3; в – 2.1; г – 2.2. х500 96 / 4 (68), 2012 рыхлая и легко отделяется от поверхности прово- локи в процессе окалиноломания. После механи- ческого удаления (окалиноломания) количество остаточной окалины на проволоке, подвергнутой ТМО с охлаждением ГВП (схема 2), в 2 раза боль- ше, чем при охлаждении на воздухе. Т а б л и ц а 2. Количество окалины на углеродистой проволоке диаметром 3,8 мм Схема обработки Количество окалины, кг/т до МО после МО ЭПО Исходное состояние 0,8068 – - Схема 1 6,9708 1,6249 0,2924 Схема 2 5,5583 3,5559 0,2845 Требования [5] не более 0,5 Использование в технологической схеме элек- тролитно-плазменной доочистки при мощности 12,25 кВт обеспечивает дополнительное удаление остаточных оксидов железа, магнетита и гематита. Количество остаточной окалины при всех техно- логических схемах составило менее 0,3 кг/т. Из проволоки, подвергнутой ЭПО по режи- мам 1.3 и 2.2 после нанесения подсмазочного по- крытия на волочильном стане магазинного типа UDZSA2500/5 при скорости волочения 3 м/с, из- готавливали плющеную ленту размером 0,7×4,0 мм. Переработка проходила стабильно, качество го- тового изделия соответствовало требуемым нор- мам. Следует отметить, что удаление окалины с по- верхности высокоуглеродистой катанки и прово- локи таким нетрадиционным комбинированным способом в сравнении с кислотным является эко- логически чистым и малозатратным процессом (дешевле в 4,5 раза). Выводы Показано, что в охлажденной на воздухе высо- коуглеродистой проволоке основу микрострукту- ры до и после очистки составляет пластинчатый перлит 1–4-го балла, а при ТМО патентированием ГВП – пластинчатый перлит 1–2-го балла. Меха- нические свойства проволоки при всех режимах обработки и очистки соответствовали требованиям ТУ У 27.3-23365425-638:2008 «Проволока сталь- ная термически обработанная». Установлено, что в зависимости от способа ох- лаждения высокоуглеродистой проволоки после отдельного нагрева на поверхности формируется окалина различного количественного и фазового составов. При охлаждении на воздухе окалина в своем составе имеет больше вюстита, а после ГВП – магнетита и гематита, при этом количество оста- точной окалины на ней после механического ока- линоломания в 2 раза больше. После дополнитель- ной очистки электролитно-плазменным способом количество остаточной окалины менее 0,3 кг/т. Разработанный комбинированный способ бес- кислотного удаления окалины может быть исполь- зован в технологических и термотравильных ли- ниях по переработке углеродистой катанки и про- волоки. Литература 1. Снижение окалинообразования в печах для нагрева металла / Ю. С. Зайцев, В. А. Каштанов, А. В. Каштанов и др. // Черная металлургия. 2009. № 7. С. 66–68. 2. Освоение технологии волочения проволоки с бескислотной подготовкой поверхности / В. Л. Чинокалов, В. П. Муштей, М. П. Глушков и др. // Сталь. 1997. № 8. С. 50–51. 3. Электролитно-плазменная закалка дисковых пил / А. И. Тюрин, Ю. Н. Тюрин, А. И. Трайнов // МИТОМ. 1998. № 1. С. 9–10. 4. Б е р н ш т е й н М. Л., З а й м о в с к и й В. А., К а п у т к и н а Л. М. Термомеханическая обработка стали. М.: Металлургия, 1983. 5. Проволока стальная термически обработанная: ТУ У 27.3-23365425-638:2008.