Повышение качества соединения компонентов сталемедной катанки на основе регламентации свойств медной ленты и совершенствования технологии плакирования

На современном этапе развития науки и техники слоистые металлы находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности, на железных дорогах, городском электротранспорте, в электротехнике и электронике, благодаря тому, что слоистая композиция сочетает в себе высокие электропроводные и прочностные свойства. Слоистые проводники имеют, как правило, меньшую массу и более высокую коррозионную стойкость при минимальном расходе дорогостоящих цветных металлов. Так, сталемедная проволока с массовым содержанием меди от 20 до 70% используется в качестве проводниковых и силовых элементов подвески контактной сети электрифицированных железных дорог, телефонных проводов, специальных микрокабелей, авиа и сейсмографических кабелей, выводов радиодеталей и компонентов электронной техники. у.

Вместе с тем, к слоистым проводниковым металлам, в частности, к широко используемой сталемедной биметаллической проволоке предъявляются все более жесткие требования по качеству, особенно при применении в изделиях, предназначенных для оборонной промышленности и авиации. Поэтому повышение качества данного вида продукции является весьма важной и актуальной задачей для всей экономики Российской Федерации.

Основными показателями качества, определяющими эксплуатационные свойства сталемедных проводников, являются:

1. Прочное соединение медной оболочки со стальным сердечником, обеспечивающее совместную деформацию компонентов без разрушения медного слоя при действии на проводник знакопеременных изгибающих и растягивающих напряжений в процессе эксплуатации.

2. Минимальная разнотолщинность медной оболочки по периметру и длине проводника, обеспечивающая стабильность электропроводных свойств.

3. Плотная и равномерная структура медной оболочки, обеспечивающая высокую коррозионную стойкость проводника в неблагоприятных условиях эксплуатации.

Обеспечение высокого уровня приведенных выше показателей качества сталемедных проводников особенно тонких размеров (диаметром от 1 мм и ниже) определяется, в основном, способом, технологической схемой и конструкцией оборудования для получения сталемедной заготовки (катанки), которая в последующем перерабатывается в проволоку на станах сухого и мокрого волочения.

Наиболее прогрессивные разработки и комплексные линии для производства биметаллической катанки, в том числе сталемедной, базируются на процессах твердофазного соединения при совместной деформации основы (стального сердечника) и плакирующего слоя (сплошной медной оболочки), причем, сталемедная заготовка получается оборачиванием медной ленты вокруг стального сердечника. Однако, при всех преимуществах технологической схемы твердофазного соединения элементов сталемедной композиции, имеется ряд недостатков, связанных с непредсказуемым и регулярно повторяющимся отсутствием адгезионной связи между элементами композиции, выявляющимся на всех стадиях производства сталемедной продукции.

Температурно-скоростные условия, наряду с деформационными условиями, являются определяющими в вопросе достижения качественного соединения элементов сталемедной композиции. Специфика нагрева, связанная с высокой интенсивностью подвода тепла, предопределяет высокие требования к постоянству свойств и теплотехнических характеристик соединяемых материалов, т. е. результат нагрева ставится в зависимость от свойств материалов, входящих в композицию. При этом очевидно, что физические, химические и теплотехнические свойства материалов могут претерпевать изменения под влиянием меняющихся условий нагрева и зависят от исходного химического состава металлов, особенностей их внутреннего строения, состояния поверхностей и т. д.

В связи с этим, целью диссертационной работы является повышение качества соединения компонентов в сталемедной катанке за счет регламентации свойств медной ленты и совершенствования технологии плакирования на основе оценки стабильности процесса прокатки в условиях математической неопределенности.

Сформулированная цель определяет необходимость постановки и решения следующих задач:

— формализация стабильности процесса прокатки как критерия эффективности управления качеством соединения компонентов сталемедной катанки и разработка математической модели стохастической оптимизации процесса прокатки;

— статистическая оценка влияния на критерий оптимизации химического состава и механических свойств медной ленты, определяющих получение заданного уровня качественных показателей сталемедной катанки;

— экспериментальные исследования влияния структурных особенностей медной ленты на качество соединения компонентов сталемедной катанки;

— совершенствование технологии и оборудования для промышленного производства качественной сталемедной катанки.

Решение поставленных задач позволит повысить качество сталемедной катанки как сырья для производства биметаллической продукции, увеличить экономическую эффективность производства, расширить сортамент производимой сталемедной продукции.

4.6. Выводы по главе.

Увеличение значений временного сопротивления (как верхнего, так и нижнего уровней диапазона) оказывает существенное и статистически значимое отрицательное влияние на качество соединения компонентов сталемедной катанки при использовании ленты Гайского завода ОЦМНа основании решения задачи стохастической оптимизации получены желательные значения границ верхнего и нижнего уровней диапазона значений временного сопротивления, что позволило согласовать с заводами изготовителям медной ленты новые технические требования, регламентирующие уровень указанных механических свойств в диапазоне 230−250 МПа.

Установлено, что на качество соединения компонентов в сталемедной катанке отрицательное влияние оказывают высокая твердость (более 10 МПа) и крупное зерно (менее 6-го балла) исходной медной ленты. С заводами изготовителями медной ленты согласованы новые технические требования, регламентирующие уровень данных параметров состояния медной ленты в диапазонах: твердость — не более 10 МПа, балл зерна — не более 6−8 баллов.

На основании проведенных исследований установлено, что на качество соединения компонентов в сталемедной катанке влияет дефектность поверхности медной ленты, связанная, с неполнотой протекания процесса рекристаллизации при отжиге у изготовителя данного вида сырья.

Существенных изменений микроструктуры и твердости меди, вызванных процессами при формовке заготовки, которые бы могли повлиять на стабильность последующей горячей прокатки, на данном этапе исследования не выявлено.

В микроструктуре медной оболочки после формовки заготовки наблюдаются разнородные участки, как по величине зерна, так и по микротвердости, а также наличии зазора между оболочкой и сердечником, что может оказать отрицательное влияние на прогрев и сцепление компонентов заготовки при последующей горячей прокатке.

Обнаружена значительная неоднородность строения сварных швов, что свидетельствует о нестабильности параметров режима сварки медной ленты при формовке заготовки и может отрицательно влиять на качество соединения компонентов в сталемедной катанке формируемое в ходе последующей горячей прокатки.

Выявлено, что при горячей деформации степень протекания динамической рекристаллизации в участках медной оболочки с разной величиной зерна различна, что может приводить к неоднородности свойств по сечению медной оболочки и ее отслоению, особенно, если допустить возможность охлаждения каких-либо участков при прокатке ниже температуры 800° С.

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕШЕНИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СОЕДИНЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СТАЛЕМЕДНОЙ КАТАНКИ.

На основании проведенных и представленных в предыдущих разделах диссертационной работы исследований, а также в соответствии с поставленной целью был разработан и внедрен в производство комплекс мероприятий, структурная схема которых представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Структурная схема комплекса организационных, технических и технологических мероприятий, обеспечивающих повышение качества соединения компонентов сталемедной катанки.

Далее в работе рассматриваются некоторые приведенные на рис. 5.1 мероприятия более подробно.

5.1. Совершенствование режимов подготовки медной ленты при обработке ее поверхности щетками.

Как следует из результатов проведенных ранее исследований, качество соединения меди со сталью в технологии производства биметалла методом твердофазного соединения во многом определяется состоянием поверхностей контактирующих материалов. Реализуемый в условиях ЗМИ ЗАО «Профит» технологический процесс изготовления сталемедной заготовки на формовочном стане биметалла включает операцию подготовки поверхности медной ленты стальными щетками, задачей которой является удаление имеющихся загрязнений с одновременной активацией контактной поверхности. Однако опыт промышленной эксплуатации данного стана показал неудовлетворительные результаты использования стальных щеток, в неполной мере обеспечивающих требуемую степень очистки.

В связи с этим, задачей настоящих исследований является сравнительная оценка состояния поверхности медной ленты после обработки щетками, выполненными из различных современных материалов, а также формулирование научно-обоснованного прогноза о влиянии такой ленты на оценку качества соединения компонентов сталемедной катанки.

Исследования проводились на образцах медной ленты Гайского завода ОЦМ. Исходные характеристики медной ленты и материал обрабатывающих щеток представлены в табл. 5.1, а характерные особенности состояния поверхности ленты после поверхностной обработки, выявленные визуальным осмотром, приведены в табл. 5.2.

Исследования проводились по методике количественной оценки плотности дислокаций и наличия дефектов на поверхности ленты, препятствующих образованию прочного соединения компонентов биметалла. Металлографический анализ проводился на структурах, полученных после травления исследуемых образцов в азотной кислоте с использованием технологии «СИАМС» и статистической оценкой достоверности полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате решения поставленных в диссертационной работе задач по повышению качества соединения компонентов сталемедной катанки за счет регламентации свойств медной ленты, можно сделать следующие выводы.

1. Обобщая представленные требования стандартов к показателям качества сталемедной проволоки, сформирована структура качества данного вида продукции. Установлено, что наиболее прогрессивные разработки и комплексные линии для производства сталемедной катанки базируются на процессах твердофазного соединения. Однако этот процесс обладает существенным недостатком, связанным с высоким количеством отходов, достигающим уровня 12% от объема перерабатываемого металла. Анализ причин столь значительного количества технологических отходов позволил определить, что основным показателем, определяющим данное положение, является непредсказуемое и регулярно повторяющееся отсутствие адгезионной связи между компонентами композиции, выявляющееся на всех стадиях производства сталемедной продукции.

2. Предложен общий подход к управлению качеством соединения компонентов сталемедной катанки с помощью технических и технологических групп управления, заключающийся в разработке математической модели, позволяющей получать оптимальные параметры управления процессом и параметры исходного состояния компонентов сталемедной композиции, обеспечивающие максимальное значение комплексного показателя качества. Предложено и обосновано использование в качестве критерия эффективности управления качеством соединения компонентов сталемедной катанки меру стабильности процесса прокатки. Обосновано применение М-О модели стохастической оптимизации, где в качестве целевых функционалов используются математическое ожидание некоторой функции от решения (или самого решения) и дисперсия некоторой функции от решения (или самого решения).

3. На основании обработки статистических данных решена задача стохастической оптимизации процесса прокатки. Получены желательные диапазоны значений количества примесей в медной ленте, что позволило согласовать с заводами изготовителями медной ленты новые технические требования, регламентирующие содержание примесей, а именно: железа не более 0,005%, никеля не более 0,001%, фосфора не более 0,011%, свинца не более 0,0025%, цинка не более 0,0025%, серы не более 0,0028%.

4. На основании решения задачи стохастической оптимизации получены желательные границы верхнего и нижнего уровней диапазона значений временного сопротивления, что позволило согласовать с заводами изготовителями медной ленты новые технические требования, регламентирующие уровень механических свойств в диапазоне 230−250 МПа.

5. Установлено, что на качество соединения компонентов в сталемедной катанке отрицательное влияние оказывают высокая твердость и крупное зерно исходной медной ленты. С заводами изготовителями медной ленты согласованы новые технические требования, регламентирующие уровень данных параметров состояния медной ленты в диапазонах: твердость — не более 10 МПа, балл зерна — не более 6−8 баллов.

6. На основании экспериментальных исследований получены новые результаты влияния состояния поверхности медной ленты и температурно-скоростных параметров прокатки на прочность соединения стали с медью при совместной деформации в калибрах. Усовершенствован ступенчатый режим электролитно-плазменного высокоскоростного нагрева, позволяющий достигать полного и равномерного прогрева по сечению и длине сталемедной заготовки.

7. На основании теоретических и экспериментальных исследований усовершенствован технологический процесс обработки медной ленты с применением абразивно-нейлоновых щеток. Разработан и изготовлен новый агрегат электролитно-плазменного нагрева, позволяющий реализовать усовершенствованный режим ступенчатого нагрева. Усовершенствован процесс аргонодуго-вой сварки кромок медной ленты с применением двух сварочных горелок.

8. Внедрение новых технических и технологических решений в производство ЗМИ ЗАО «Профит» позволило снизить количество технологических отходов сталемедной катанки и биметаллической продукции с 7,6% до 3,2%- повысить экономическую эффективность производства биметаллической продукции за счет применения медной ленты марки М2 взамен марки М1 и на 8,2% снизить затраты на производство биметаллической продукциирасширить сортамент производимой биметаллической продукции за счет освоения производства провода ПБСМЭ с повышенной электропроводностью и эластичностьювыйти на уровень качества мировых стандартов ASTM и DIN при производстве сталемедной продукции.