Продукт для горячей обработки металлов давлением

Продукт для горячей обработки металлов давлением

Реферат

Изобретение относится к продуктам, предназначенным для горячей обработки металлов давлением, и может быть использовано в трубном производстве в качестве смазки при изготовлении горячекатаных труб на раскатных станах, обкатных машинах, пильгерных станах, прессовых и других установках.

Известна смазка для горячей обработки металлов давлением (патент РФ №2298581, C10M 107/28, опубл. 10.05.2007) на основе триполифосфата натрия и хлористого натрия, которая содержит отходы от горения высокозольного твердого топлива, тальк, цинковую пыль, углекислый кальций и клей поливинилацетатный. При использовании смазки повышается стойкость инструмента и скорость прокатки, однако присутствие в ее составе большого количества компонентов, которые в интервале рабочих температур процесса деформации металла 900÷1200°C находятся в твердом состоянии (тальк и отходы от горения высокозольного твердого топлива), резко повышает вязкость расплава и снижает текучесть. При этом формируется толстый смазочный слой, который вдавливается в деформируемый металл с образованием раковин. Кроме того, наличие в расплаве смазки твердых частиц повышает коэффициент трения на контакте «инструмент - деформируемый металл», что приводит к снижению стойкости инструмента. При температуре деформации металла образуется окись кальция, температура плавления которой составляет 2627°C, а наличие твердого вещества в расплаве ведет к снижению качества получаемой продукции и стойкости инструмента. Наличие в составе смазки органической составляющей в виде клея поливинилацетатного приводит при контакте с заготовкой к образованию атомарного углерода с возникновением на ней устойчивой формы цементита железа. К результате контакта инструмента с деформируемым металлом на поверхности металла, появляются многочисленные риски, что снижает качество и выход объема годной продукции и одновременно увеличивает износ инструмента. Цинковая пыль наносит вред окружающей среде и здоровью рабочих. Кроме того, воздействие хлористого натрия на деформируемый металл при предлагаемом соотношении фосфатной и галогенидной составляющих приводит к активизации (образованию) коррозии, что ухудшает эксплуатационную надежность и товарный вид готовой продукции.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является безграфитовая высокотемпературная смазка (патент РФ №2458111, C10M 169/04, опубл. 10.08.2012), которая предназначена для применения при горячей обработке металлов давлением и представляет собой смесь тонкопорошковых компонентов со средним размером частиц не более 150 мкм. Смазка включает: (а) вторичное и/или третичное кальцийфосфатное соединение, (б) жирную кислоту или ее соль, (в) борную кислоту, соль борной кислоты (борат) и/или содержащей соль борной кислоты (борат) минерал и (г) конденсированные фосфаты щелочных металлов, и не содержит никаких добавок графита.

Смазка сохраняет сыпучесть и текучесть без комкования при хранении, при использовании в процессе горячей обработки обеспечивает разрушение образующейся на нагретой металлической поверхности окалины при исключении использования в составе смазки графита. Недостатком данной смазки является высокая вязкость и тугоплавкость ее расплава, обусловленная присутствием в ней буры и кальцийфосфатных соединений, а также некоторых натрий- и калийфосфатных веществ. Во время обработки давлением, находясь между инструментом и заготовкой, ее вязкий расплав вдавливается в деформируемый металл. При этом образуются раковины, наличие которых снижает качество готовой продукции, кроме того, использование буры загрязняет окружающую среду, сточные воды, наносит вред здоровью рабочих. Использование смазки с указанными размерами частиц компонентов приводит к повышенному выбросу ее в окружающую среду и увеличению расхода. Также недостатком данной смазки является использование органических веществ в виде жирных кислот. При соприкосновении с нагретой заготовкой жиры горят с образованием дыма, гари и копоти, что отрицательно влияет на здоровье рабочих и экологию. Кроме того, происходит образование атомарного углерода, который при температуре выше 1100°C, проникая в железо, образует на поверхности деформируемой заготовки устойчивую форму цементита железа (Fe₃C), имеющего высокую твердость. В результате контакта инструмента с этой поверхностью в деформируемом металле образуются многочисленные риски, что повышает износ инструмента, неизбежно ведет к ухудшению механических характеристик, снижению качества и эксплуатационной надежности производимой продукции.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении качества производимой продукции и стойкости инструмента, улучшение экологии окружающей среды.

Поставленная задача решается, согласно изобретению, с помощью продукта для горячей обработки металлов давлением, представляющего собой порошковую смесь из неорганических плавких компонентов, включающую фосфатные, боратные и галогенидные компоненты, причем фосфатные компоненты выбирают из группы фосфатов натрия или калия, либо их смесей, предпочтительно из группы полифосфатов, и/или пирофосфатов, и/или метафосфатов, либо их смесей, боратные компоненты выбирают из группы, включающей борную кислоту, борный ангидрид, метаборат натрия и их смеси, а галогенидные компоненты выбирают из групп щелочных и/или щелочноземельных металлов, при этом соотношение между фосфатными и галогенидными компонентами определяется выражением (1)

2,0  < Ф  :Г  <  75       (1) , где Ф - суммарное содержание фосфатных компонентов, %; Г - суммарное содержание галогенидных компонентов, %. Галогенидные компоненты выбирают предпочтительно из группы, включающей хлориды лития, натрия, калия, кальция, магния и/или их смесей, которые содержатся в продукте в количестве от 1 до 45 мас.%, предпочтительно 2 до 40 мас.%, особенно предпочтительно от 3 до 35 мас.%. Борная кислота, борный ангидрид, метаборат натрия и их смеси содержатся в продукте в количестве от 1 до 35 мас.%, предпочтительно от 3 до 30 мас.%, особенно предпочтительно от 5 до 25 мас.%. Фосфатные компоненты выбирают особенно предпочтительно из группы, включающей триполифосфат натрия, динатрийпирофосфат, тринатрийпирофосфат, тетрапатрийпирофосфат, полифосфат натрия, триполифосфат калия, калий фосфорнокислый однозамещенный, дикалийпирофосфат, трикалийпирофосфат, тетракалийпирофосфат, полифосфат калия и их смеси, наиболее предпочтительно фосфатный компонент представляет собой полифосфат натрия. Полифосфат, и/или пирофосфат, и/или метафосфат натрия или калия, либо их смеси содержатся в продукте в количестве от 40 до 96 мас.%, предпочтительно от 50 до 90 мас.%, особенно предпочтительно от 65 до 85 мас.%. Кроме того, соотношение между фосфатными и боратными компонентами определяется выражением (2)

2,5 <  Ф : Б  <  20       (2) , где Б - суммарное содержание боратных компонентов, %.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет использования только неорганических плавких компонентов, составляющих заявляемый продукт для горячей обработки металлов давлением, достигается необходимая вязкость и текучесть расплава продукта, которая обеспечивает его равномерное распределение по деформируемой поверхности. Происходит формирование смазочно-дезоксидирующего слоя, толщина и реологические свойства которого не приводит к вдавливанию расплава в деформируемый металл, при этом не происходит образования раковин, что повышает качество выпускаемой продукции. Отсутствие в составе данного продукта органических веществ исключает их горение с образованием атомарного углерода. Это предотвращает образование на обработанной продуктом деформируемой поверхности устойчивой формы цементита железа, значительно снижает появление рисок, повышает качество выпускаемой продукции, а также стойкость инструмента, участвующего в деформации металла. При этом не образуется дыма, гари и копоти, что способствует улучшению экологии окружающей среды.

Использование фосфатных и галогенидных компонентов, определяемых выражением 2,0<Ф:Г<75, позволяет обеспечить за счет соответствующей вязкости и текучести расплава продукта надежное разделение контактных поверхностей между инструментом и деформируемым металлом, избежать налипания соединений химического взаимодействия продукта с окалиной железа на инструмент, образования раковин и за счет этого обеспечить высокое качество деформируемой поверхности, а также высокую стойкость инструмента, участвующего в деформации металла. При соотношении фосфатных и галогенидных компонентов менее или равном 2 вязкость расплава продукта низкая, разделения контактных поверхностей между инструментом и деформируемым металлом в должной степени не происходит, снижается стойкость инструмента. Кроме того, повышается коррозионная активность продукта, что приводит к снижению качества и товарного вида продукции. При соотношении фосфатных и галогенидных компонентов более или равном 75 вязкость расплава продукта достаточно высокая, происходит налипание соединений химического взаимодействия продукта с окалиной железа на инструмент, образование раковин на поверхности деформируемого металла, что приводит к снижению качества продукции и объему выхода годного.

Использование фосфатных и боратных компонентов, определяемых выражением 2,5<Ф:Б<20, позволяет получить необходимую вязкость расплава продукта, при которой обеспечивается высокое качество деформируемой поверхности и высокая стойкость инструмента, участвующего в деформации металла. При соотношении фосфатных и боратных компонентов более или равном 20 вязкость расплава продукта слишком низкая, происходит нарушение сплошности смазочной разделительной пленки за счет этого увеличивается трение на контакте «инструмент-деформируемый металл», наблюдается увеличение энергосиловых параметров процесса деформации металла, снижается качество выпускаемой продукции и стойкость инструмента. При соотношении фосфатных и боратных компонентов менее или равном 2,5 вязкость расплава продукта слишком высокая, наблюдается вдавливание продукта в деформируемую поверхность с образованием раковин, что снижает качество продукции.

Боратные компоненты, выбранные из группы, включающей борную кислоту (H₃BO₃), борный ангидрид (B₂O₃), метаборат натрия (NaBO₂×4H₂O), а также их смеси, содержатся в продукте в количестве от 1 до 35 мас.%, предпочтительно от 3 до 30 мас.%, особенно предпочтительно от 5 до 25 мас.%. Это способствует обеспечению необходимой вязкости расплава продукта, что предотвращает его налипание на инструмент и вдавливание в поверхность деформируемого металла. При этом повышается качество выпускаемой продукции, объем выхода годного и улучшается экология окружающей среды.

Фосфатные компоненты выбирают из группы фосфатов натрия или калия, либо их смесей, предпочтительно из группы полифосфатов, и/или пирофосфатов, и/или метафосфатов либо их смесей, особенно предпочтительно из группы, включающей триполифосфат натрия (Na₅P₃O₁₀), динатрийпирофосфат (Na₂H₂P₂O₇), тринатрийпирофосфат (Na₃HP₂O₇), тетранатрийпирофосфат (Na₄P₂O₇), полифосфат натрия [NaPO₃)n], триполифосфат калия (K₅P₃O₁₀), калий фосфорнокислый однозамещенный (KH₂PO₄), дикалийпирофосфат (K₂H₂P₂O₇), трикалийпирофосфат (K₃HP₂O₇), тетракалийпирофосфат (K₄P₂O₇), полифосфат калия [(KPO₃)_n] и их смеси, которые содержатся в продукте в количестве от 40 до 96 мас.%, предпочтительно 50 до 90 мас.%, особенно предпочтительно от 65 до 85 мас.%. Наиболее предпочтительно фосфатный компонент представляет собой полифосфат натрия [(NaPO₃)_n]. Это обеспечивает легкоплавкость продукта и хорошее разделение контактных поверхностей между инструментом и деформируемым металлом, что в конечном итоге повышает качество готовой продукции и стойкость инструмента, участвующего в деформации горячего металла.

Галогенидные компоненты выбирают из групп щелочного и/или щелочноземельного металлов, предпочтительно из группы, включающей хлориды лития, натрия, калия, кальция, магния и их смесей, которые содержатся в продукте в количестве от 1 до 45 мас.%, предпочтительно 2 до 40 мас.%, особенно предпочтительно от 3 до 35 мас.%. Это позволяет повысить текучесть расплава продукта и увеличить смазывающий эффект, что в конечном итоге способствует повышению стойкости инструмента.

Предлагаемый продукт не должен быть слишком мелкодисперсным, что обеспечивает более равномерное его распределение по обрабатываемой поверхности и повышение качества выпускаемой продукции. При этом снижается выброс продукта в окружающую среду и его расход. Кроме того, снижается неравномерность износа инструмента, что повышает его стойкость.

В результате лабораторных исследований и промышленных испытаний установлено соотношение компонентов в предлагаемом продукте. Композиции опытных составов продукта получали механическим смешиванием с помощью мешалки порошковых компонентов со средним размером частиц, например не более 500 мкм. Приведенные в таблице 1 примеры составов предлагаемого продукта (образец №2 и №3) обеспечивают повышение качества производимой продукции, стойкости инструмента и улучшение экологии окружающей среды.

Таблица 1
Примеры составов продукта
№ п/п	Компоненты продукта	Прототип - патент №2458111, мас.%,	Предлагаемый продукт, мас.%
Образец №1	Образец №2	Образец №3
1	Фосфатные:
	- триполифосфат натрия, Na2P3O10	77,0	-	20,0
	- полифосфат натрия [(NaPO3)n]		30,3	25,5
	- калий фосфорнокислый
	- однозамещенный (KH2PO4)		10,8	5,8
	- полифосфат калия [(KPO3)n]		20,9	14,8
2	Галогенидные: исправить
	- хлористый литий. LiCl		11,5	9,5
	- хлористый натрий. NaCl		4,5	3,3
	- хлористый калий, KCl		8,5	14,6
3	Жирная кислота или соль жирной кислоты	5,0	-	-
4	Боратные:	18,0
	- борная кислота H3BO3		5,5	3,2
	- метаборат натрия (NaBO2×4H2O)		6,0	3,3
	- борный ангидрид (B2O3)		2,0
	Всего:	100,0	100,0	100,0

Промышленные испытания предлагаемого продукта проводили, в частности на раскатном поперечно-винтовом стане АССУЛА в линии трубопрокатного агрегата «ТПА 50-200» при производстве труб размером 168,0×12 мм из стали марки 20КТ и размером 168×7,3 мм из стали марки 30Г1 на короткой удерживаемой оправке. Всего была прокатана 1000 т труб. Температура гильзы составляла 1160÷1170°C, внутренний диаметр гильзы - 145÷150 мм, длина гильзы - 8,0÷8,5 м. При этом фиксировали толщину слоя расплавленного продукта до и после горячей деформации металла, количество прокатанных труб на одной оправке, шероховатость внутренней поверхности готовых труб, время прокатки, свидетельствующее о величине трения, и массу выбросов продукта с заднего конца гильзы после его подачи. Промышленные испытания показали, что при использовании предлагаемого продукта по образцу №2 (таблица 1) было зафиксировано наименьшее время прокатки. Результаты замеров, отражающие проведение промышленных испытаний с использованием прототипа (патент №2458111) и предлагаемого технического решения (образен №2), показаны в таблице 2.

Таблица 2
Результаты проведения сравнительных промышленных прокаток труб
№ п/п	Параметры, характеризующие процесс прокатки труб	Прототип - патент №2458111	Предлагаемый продукт. образец №2
1	Толщина слоя расплавленного продукта до горячей деформации металла, мкм	250	100
3	Толщина слоя расплавленного продукта после горячей деформации металла, мкм	100	50
3	Количество прокатанных труб на одной оправке, шт.	110	160
4	Шероховатость внутренней поверхности готовых труб, мкм	50÷150	25÷100
5	Время прокатки, с	50	42
6	Масса выбросов продукта с заднего конца гильзы после его подачи, г	до 50	5÷10
7	Состояние внутренней поверхности труб	Наличие многочисленных раковин	Наличия раковин не обнаружено
8	Состояние рабочей поверхности оправки	Наличие налипшей окалины	Налипания окалины не обнаружено

Как видно из таблицы 2, применение предлагаемого продукта по сравнению с прототипом позволяет повысить качество внутренней поверхности труб за счет снижения шероховатости в среднем в 1,6 раза, стойкость оправок раскатного стана в среднем в 1,45 раза, производительность стана - на 17÷19% за счет уменьшения времени прокатки трубы и улучшить экологию цеха за счет уменьшения выбросов смазочного продукта в окружающую атмосферу в 5÷6 раз. Анализ полученных данных показал, что объем выхода годного по сравнению с применением существующей смазки увеличился до 10%, расход материала для обработки внутренней поверхности снизился на 20÷25%, энергосиловые параметры процесса прокатки уменьшились на 8÷10%, затраты на приобретение оправок снизились в среднем 1,5 раза.

Использование предлагаемого продукта позволяет повысить качество выпускаемой продукции, снизить расход дорогостоящего инструмента и материалов, предназначенных для обработки горячего металла, и улучшить экологию окружающей среды.

1. Продукт для горячей обработки металлов давлением представляет собой порошковую смесь из неорганических плавких компонентов, средний размер частиц которых составляет не более 500 мкм, включающую фосфатные, боратные и галогенидные компоненты, причем фосфатные компоненты выбирают из группы фосфатов натрия или калия, либо их смесей, боратные компоненты выбирают из группы, включающей борную кислоту, борный ангидрид, метаборат натрия и их смеси, а галогенидные компоненты выбирают из групп щелочных и/или щелочноземельных металлов, при этом соотношение между фосфатными и галогенидными компонентами определяется выражением: ,где Ф - суммарное содержание фосфатных компонентов, мас.%;Г - суммарное содержание галогенидных компонентов, мас.%.

2. Продукт по п.1, отличающийся тем, что фосфатные компоненты выбирают предпочтительно из группы полифосфатов, и/или пирофосфатов, и/или метафосфатов, либо их смесей.

3. Продукт по п.1 или 2, отличающийся тем, что фосфатные компоненты выбирают особенно предпочтительно из группы, включающей триполифосфат натрия, динатрийпирофосфат, тринатрийпирофосфат, тетранатрийпирофосфат, полифосфат натрия, триполифосфат калия, калий фосфорнокислый однозамещенный, дикалийпирофосфат, трикалийпирофосфат, тетракалийпирофосфат, полифосфат калия и их смеси.

4. Продукт по п.1 или 2, отличающийся тем, что наиболее предпочтительно фосфатный компонент представляет собой полифосфат натрия.

5. Продукт по п.1 или 2, отличающийся тем, что полифосфат, и/или пирофосфат, и/или метафосфат натрия или калия, либо их смеси содержатся в продукте в количестве от 40 до 96 мас.%.

6. Продукт по п.1 или 2, отличающийся тем, что полифосфат, и/или пирофосфат, и/или метафосфат натрия или калия, либо их смеси содержатся в продукте предпочтительно в количестве от 50 до 90 мас.%.

7. Продукт по п.1 или 2, отличающийся тем, что полифосфат, и/или пирофосфат, и/или метафосфат натрия или калия, либо их смеси содержатся в продукте особенно предпочтительно в количестве от 65 до 85 мас.%.

8. Продукт по п.1, отличающийся тем, что галогенидные компоненты выбирают предпочтительно из группы, включающей хлориды лития, натрия, калия, кальция, магния и/или их смесей.

9. Продукт по п.1 или 8, отличающийся тем, что хлориды лития, натрия, калия, кальция, магния и/или их смеси содержатся в продукте в количестве от 1 до 45 мас.%.

10. Продукт по п.1 или 8, отличающийся тем, что хлориды лития, натрия, калия, кальция, магния и/или их смеси содержатся в продукте предпочтительно в количестве от 2 до 40 мас.%.

11. Продукт по п.1 или 8, отличающийся тем, что хлориды лития, натрия, калия, кальция, магния и/или их смеси содержатся в продукте особенно предпочтительно в количестве от 3 до 35 мас.%.

12. Продукт по п.1, отличающийся тем, что соотношение между фосфатными и боратными компонентами определяется выражением ,где Б - суммарное содержание боратных компонентов, мас.%.

13. Продукт по п.1, отличающийся тем, что борная кислота, борный ангидрид, метаборат натрия и их смеси содержатся в продукте в количестве от 1 до 35 мас.%.

14. Продукт по п.1, отличающийся тем, что борная кислота, борный ангидрид, метаборат натрия и их смеси содержатся в продукте предпочтительно в количестве от 3 до 30 мас.%.

15. Продукт по п.1, отличающийся тем, что борная кислота, борный ангидрид, метаборат натрия и их смеси содержатся в продукте особенно предпочтительно в количестве от 5 до 25 мас.%.