Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОКАТКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННОГО ШТРИПСА ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБ НА ТОЛСТОЛИСТОВОМ РЕВЕРСИВНОМ СТАНЕ

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к технологии листовой прокатки на реверсивном толстолистовом стане.

Известен способ производства толстолистовой конструкционной стали, содержащей мас.%: С≤0,23; Mn≤1,35; Р≤0,04; S≤0,05; Si≤0,50; V≤0,1; Ni≤0,50; Cr≤0,70; Cu≤0,4; остальное железо и примеси. Способ предусматривает нагрев сляба до температуры 1120-1180°С, черновую прокатку с обжатием 40-60% и чистовую прокатку при температуре не выше 980°С с обжатием 40-60% и температурой конца прокатки ниже 870°С [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что при его использовании толстый лист из низколегированной стали обладает сравнительно невысокими механическими свойствами. Кроме того, для заявленного распределения обжатий при черновой и чистовой прокатке увеличение толщины листа приводит к ухудшению его механических свойств, вследствие недостаточной проработки структуры осевой зоны (по толщине) в процессе деформации. Существует минимальная допустимая величина проработки микроструктуры, ниже которой свойства листа остаются низкими, так как в центральных слоях сохраняется структура литого металла. При более высокой величине проработки микроструктура становится более однородной и мелкозернистой, характерной для высокопрочного и хладостойкого штрипса. Однако помимо величины зерна на механические свойства проката оказывает определенное влияние и анизотропия зерен, находящаяся в прямой зависимости от направления деформации в плоскости листа, т.е. от направления прокатки. Постоянное повышение требований к качеству штрипса для магистральных труб и увеличение потребности в толстолистовом прокате обуславливает необходимость разработки технических решений, обеспечивающих более высокий уровень механических свойств металла.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства толстолистового проката, предусматривающий использование продольной схемы прокатки с разбивкой ширины [2].

При производстве высокопрочных штрипсовых сталей в рамках этого технического решения используют схему последовательной черновой и чистовой прокатки с подстуживанием между этими операциями. При реализации известного способа заготовку нагревают и прокатывают при температуре выше точки A_r3 (черновая прокатка). На стадии черновой прокатки сначала заготовку кантуют на 90° в плане и прокатывают в поперечном направлении до получения требуемой ширины листа (разбивка ширины). Далее, при этом же (высоком) уровне температур, полученный раскат вновь кантуют на 90° и прокатывают в продольном направлении. При этом на определенной стадии продольную прокатку прерывают для подстуживания (охлаждения) полученного раската до заданной температуры. Это необходимо, чтобы избежать деформаций в диапазоне температур фазового превращения, негативно влияющих на уровень механических свойств готовой продукции. Затем на стадии чистовой прокатки при температуре ниже точки A_r3 заготовку прокатывают в продольном направлении до получения требуемой толщины и длины готового листа.

Такой подход может использоваться, например, для прокатки трубного штрипса 17,5×2200×(2×12000) мм из стали 09Г2ФБЮ (размер сляба 240×1550×2850 мм) на стане 3000 [2, табл.5, с.22-23]. Для рассматриваемого случая на стадии черновой прокатки сначала производят кантовку сляба и прокатку в поперечном направлении на толщину 160 мм до получения промежуточной заготовки с шириной, соответствующей ширине готового листа 2200 мм (с припуском на обрезь), а затем обратную кантовку и прокатку в продольном направлении на толщину подстуживания 49 мм. При этом суммарная степень обжатия заготовки по высоте на стадии черновой прокатки составляет (240-49)/240=0,79=79%. После продольного обжатия промежуточной заготовки до указанной толщины осуществляют ее подстуживание до заданной температуры 780°С путем естественного охлаждения на воздухе. Затем, на стадии чистовой прокатки, полученную заготовку выкатывают в продольном направлении и обжимают до получения требуемой толщины 17,5 мм. При этом ширина остается той же, что и на стадии черновой прокатки (2200 мм), а длина увеличивается до величины 24000 мм, соответствующей двукратной длине готовой трубы. Суммарная степень обжатия подката по высоте на стадии чистовой прокатки составляет (49-17,5)/49=0,64=64%.

Получение требуемого уровня механических свойств штрипса при реализации указанного способа прокатки достигается благоприятным характером структурообразования и фазовых превращений при контролируемой прокатке низколегированной стали 09Г2ФБЮ. Технологически это обеспечивается соблюдением уровня температур начала и конца чистовой и черновой прокатки, а также наличием подстуживания на воздухе полученной промежуточной заготовки (подката) после черновой прокатки, осуществляемым во время специальной междеформационной паузы между черновой и чистовой прокаткой. Для этого подкат выдерживают на рольганге стана после черновой прокатки до достижения металлом заданной температуры, чтобы избежать деформации в неблагоприятном температурном диапазоне.

Однако на практике рассмотренная технология не всегда обеспечивает получение высоких прочностных и пластических свойств готового штрипса, соответствующих современным требованиям к материалу труб большого диаметра для магистральных трубопроводов. Толстый лист, получаемый в соответствии с известным способом, имеет недостаточно высокую хладостойкость, т.е. механические свойства (в особенности ударную вязкость) при отрицательных температурах. Это во многом связано с тем, что поперечную прокатку (разбивку ширины) начинают и завершают на стадии предварительной деформации (черновой прокатки), т.е. при достаточно высоком уровне температур. При деформации заготовки в поперечном направлении с 240 до 160 мм возникает поперечная анизотропия зерен структуры металла, которая способна благоприятно сказываться на механических свойствах готового штрипса и трубы, определяемых в поперечном направлении. Но поскольку для данной схемы поперечная деформация производится только в рамках черновой прокатки, т.е. в высокотемпературной области, при интенсивном дроблении зерен в ходе последующей низкотемпературной продольной деформации указанная поперечная анизотропия исчезает.

Кроме того, для центральных слоев непрерывнолитой заготовки характерно наличие осевой ликвации с мелкими дефектными участками, появление которых связано с условиями кристаллизации металла. Наличие поперечных растягивающих напряжений в металле заготовки при поперечных проходах в условиях высокотемпературной деформации (черновая прокатка) может приводить к образованию несплошностей (разрывов) в этой зоне. Такой характер деформации при поперечной прокатке обуславливает снижение качества продукции, поскольку механические свойства штрипса обычно оценивают на поперечных образцах, так как прочность именно в этом направлении определяет стойкость готовой трубы к распространению продольной трещины при аварии (основная эксплуатационная характеристика магистральных труб).

Таким образом, в рассматриваемом случае имеет место неблагоприятный характер распределения продольной и поперечной деформации заготовки по стадиям черновой и чистовой прокатки, выражающийся в отсутствии поперечной деформации в низкотемпературной области. Поэтому оптимизация соотношения продольных и поперечных обжатий в рамках контролируемой прокатки штрипса является необходимым условием получения требуемого уровня качества готовой продукции наряду с температурно-скоростным режимом прокатки.

Технический результат изобретения - повышение уровня механических свойств штрипса для труб большого диаметра в поперечном направлении за счет использования механизма деформации, обеспечивающего оптимизацию размеров и анизотропии зерна, а также снижение числа внутренних дефектов в металле, прокатанном на толстолистовом реверсивном стане. Это обеспечивается использованием максимально возможного поперечного обжатия в области низких температур чистовой прокатки.

Технический результат достигается тем, что в способе прокатки низколегированного штрипса для магистральных труб на толстолистовом реверсивном стане, включающем черновую и чистовую прокатку в продольном и поперечном направлении относительно оси непрерывнолитой заготовки с регламентированной степенью деформации и с промежуточным охлаждением после черновой прокатки до заданной температуры, согласно предложению черновую прокатку осуществляют в два этапа с суммарной степенью обжатия по высоте 45-65%, при этом сначала производят прокатку в продольном направлении до получения длины подката, составляющей 0,70-0,98 длины рабочих валков толстолистового стана, а затем кантовку подката на 90° в плане и его прокатку в поперечном направлении до получения ширины подката, составляющей 0,6-0,85 ширины готового штрипса, и толщины, составляющей 3,5-6 толщин готового штрипса, чистовую прокатку осуществляют также в два этапа за 9-25 проходов с суммарной степенью обжатия указанного подката по высоте 70-83%, при этом сначала производят прокатку в поперечном направлении со степенью обжатия подката по высоте 25-40% до получения им ширины, соответствующей ширине готового штрипса, а после этого обратную кантовку подката на 90° в плане и его последующую прокатку в продольном направлении, до получения заданной толщины и длины готового штрипса.

Технический результат достигается также тем, что горячекатаные штрипсы подвергают ускоренному водяному охлаждению с последующей правкой и замедленным охлаждением.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Черновую прокатку (предварительную деформацию) исходной заготовки осуществляют в два этапа с суммарной степенью обжатия по высоте 45-65%. Многопроходная реверсивная прокатка с указанной степенью обжатия в диапазоне высоких температур обеспечивает разрушение литой структуры, подавляет разнобалльность аустенитных зерен.

Сначала осуществляют прокатку в продольном направлении до получения длины подката, составляющей 0,70-0,98 длины рабочих валков толстолистового стана. Известно, что на исходных непрерывнолитых заготовках габаритные размеры могут быть нестабильными, что связано с условиями разливки сляба. Поэтому при прокатке листов режимы обжатия, а также высота и ширина листа могут колебаться в широких пределах. В то же время прокатка нагретой непрерывнолитой заготовки в продольном направлении на начальной стадии предварительной деформации позволяет получить фиксированные размеры подката. Это обеспечивает стабильное выполнение расчетных режимов обжатия данного подката в последующих проходах, что особенно важно для автоматизации управления процессом прокатки.

Затем производят кантовку подката на 90° в плане и осуществляют его прокатку в поперечном направлении до получения ширины подката, составляющей 0,6-0,85 ширины готового штрипса при толщине 3,5-6 толщин готового штрипса. При этом ширина подката максимально приближается к ширине готового изделия. Одновременно получают толщину подката, обеспечивающую допустимый градиент температуры при подстуживании. В то же время поперечные растягивающие напряжения в металле заготовки при поперечных проходах в условиях высокотемпературной деформации не превышают критических значений и не приводят к образованию несплошностей (разрывов) в осевой зоне.

Чистовую прокатку (окончательную деформацию) после промежуточного подстуживания также осуществляют в два этапа с суммарной степенью обжатия подката по высоте 70-83% и при суммарном числе проходов 9-25. Такая прокатка в области низких температур позволяет проработать микроструктуру штрипса на всю толщину, устранить осевую ликвацию непрерывнолитого сляба, сформировать равномерную мелкозернистую феррито-бейнитную структуру, обладающую повышенными вязкостными и прочностными свойствами.

В рамках чистовой прокатки сначала осуществляют прокатку в поперечном направлении со степенью обжатия подката по высоте 25-40% до получения им ширины, соответствующей ширине готового штрипса. При этом имеет место низкотемпературная деформация подката в поперечном направлении. Такая деформация обеспечивает дальнейшее дробление зерен структуры с одновременным получением их поперечной анизотропии.

После кантовки подката на 90° в плане производят его последующую прокатку в продольном направлении в низкотемпературной области окончательной деформации. Целью этой операции является получение требуемой толщины и длины штрипса. При этом формируется продольная анизотропия зерен структуры, которая, наряду с полученной ранее поперечной анизотропией, способствует получению заданного комплекса механических свойств готовой продукции.

Ускоренное охлаждение прокатанного штрипса с заданной скоростью до фиксированной температуры и последующее замедленное охлаждение обеспечивают формирование требуемого фазового состава металла высокопрочного штрипса для магистральных трубопроводов. Последующее замедленное охлаждение прокатанных штрипсов способствует снятию внутренних напряжений в металле и отсутствию коробления готовых листов.

Применение способа поясняется примером его реализации при производстве штрипса размером 33,4×4490×13500 мм (после резки в меру), категории прочности К65 (10Г2ФБЮ), содержащего, мас.%: С≤0,1; Mn≤1,9; Р≤0,02; S≤0,005; Si≤0,50; V≤0,05; Ni≤0,40; Cr≤0,4; Cu≤0,2; Mo≤0,4; Nb≤0,1; железо и примеси - остальное. В низколегированной штрипсовой стали добавки марганца и никеля способствуют твердорастворному упрочнению металла и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Микролегирование ванадием приводит к измельчению зерна микроструктуры, повышению прочности и вязкости штрипсов, прокатанных по предложенным деформационным режимам. Введение в состав стали ниобия способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали при ускоренном охлаждении прокатанных штрипсов, обеспечивающей сочетание высоких прочностных и пластических свойств металла. Мелкодисперсные карбиды ниобия и ванадия препятствуют росту зерна аустенита в ходе нагрева. Наличие кремния способствует улучшению раскисленности стали и повышению прочности штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,5% сопровождается возрастанием количества силикатных включений, снижающих ударную вязкость металла. Наличие в составе до 0,4% молибдена обеспечивает получение прочностных характеристик. Однако превышение приведенных значений не сопровождается дальнейшим повышением качества штрипсов, а лишь увеличивает расходы на легирование, что представляется нецелесообразным. Хром и медь повышают прочность и коррозионную стойкость штрипсов. В рамках указанной концентрации они не оказывают вредного влияния на свариваемость штрипсов при производстве труб, но расширяют возможности использования металлического лома при выплавке, что удешевляет производство штрипсов.

При нагреве непрерывнолитых заготовок размером 310×1980×3460 мм происходит аустенизация низколегированной стали, растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц. На этапе предварительной деформации (черновой прокатки) сначала осуществляют продольную реверсивную прокатку заготовки в клети толстолистового стана 5000 за 2 прохода с увеличением длины подката до 4000 мм, т.е. до 0,8 длины рабочих валков стана, и уменьшением толщины до 267 мм. После кантовки на 90° в плане производят поперечную реверсивную прокатку подката до получения ширины 3640 мм, т.е. до 0,81 ширины готового штрипса. При этом толщина подката после завершения поперечной прокатки составляет 147 мм, т.е. 4,4 толщины готового штрипса. Суммарная степень обжатия по высоте на этапе черновой прокатки составляет (310-147)/310=0,53=53%.

Полученный в ходе предварительной деформации металл подстуживают до требуемой температуры на рольганге стана. Затем приступают к этапу окончательной деформации (чистовой прокатки), в рамках которого сначала осуществляют прокатку в поперечном направлении до получения ширины подката 4825 мм, т.е. до ширины готового штрипса с припуском на боковую обрезь, при толщине 110 мм. При этом степень обжатия подката в поперечном направлении для низкотемпературной области окончательной деформации составляет (147-110)/147=0,25=25%. После завершения поперечной прокатки производят обратную кантовку подката на 90° в плане и осуществляют его прокатку в продольном направлении до получения толщины 33,4 мм и длины 13180 мм при сохранении ширины 4825 мм, т.е. размеров готового штрипса (с припуском на обрезь). Суммарная степень обжатия подката по высоте на этапе чистовой прокатки составляет (147-33,4)/147=0,77=77%. В продольных проходах металл катают с максимальными обжатиями, чтобы обеспечить высокую прорабатываемость центральных слоев металла.

Прокатанный штрипс подвергают ускоренному водяному охлаждению в специальной установке с последующей правкой на ролико-правильной машине. Ускоренное охлаждение проката после чистовой прокатки приводит к повышению дисперсности структурных составляющих. Последующее замедленное охлаждение металла до температуры не выше 150°С осуществляют путем выдержки на воздухе штабелированной стопы горячекатаных штрипсов, состоящей из 10-15 листов. Указанное замедленное охлаждение способствует снятию внутренних термических напряжений в материале штрипса.

Механические свойства определяли на поперечных образцах. Температурно-деформационный режим прокатки обеспечил получение мелкозернистой феррито-бейнитной структуры с заметной поперечной и продольной анизотропией зерен. Испытания на статическое растяжение осуществляли на плоских образцах по ГОСТ 1497, а на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 при температуре -40°С. Получены следующие механические свойства для поперечных образцов: временное сопротивление σ_в=690-720 Н/мм²; предел текучести σ_т=600-640 Н/мм²; относительное удлинение δ=20-22%; ударная вязкость KCV^-40=280-340 Дж/см². Указанный уровень свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к штрипсу категории прочности К65.

Таким образом, применение предложенного способа прокатки обеспечивает достижение требуемого результата - получение на толстолистовом реверсивном стане штрипса для труб большого диаметра с высоким уровнем механических свойств, за счет использования поперечной прокатки на этапе окончательной деформации. Иначе говоря, предложенное техническое решение позволяет распространить поперечную деформацию на низкотемпературную область чистовой прокатки и таким образом сохранить поперечную анизотропию в готовом листе, избежав появления дефектов в зоне ликвационной полосы.

Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Экспериментально установлено, что в случае получения при продольной черновой прокатке длины подката менее 0,7 длины рабочих валков, производительность стана падает. Поэтому осуществлять на этой стадии продольную прокатку непрерывнолитой заготовки меньшей длины нерационально с точки зрения производительности процесса. В то же время при длине подката после черновой продольной прокатки, превышающей 0,98 длины рабочих валков толстолистового стана, трудно обеспечить стабильную подачу подката в валки стана при последующей поперечной прокатке, что делает невозможной практическую реализацию способа.

Анализ опытных данных показывает, что для последующей черновой прокатки подката в поперечном направлении (после кантовки на 90° в плане) наиболее целесообразна деформация до получения ширины, составляющей 0,6-0,85 ширины готового штрипса, при толщине 3,5-6 толщин готового штрипса. При ширине получаемого подката менее 0,6 ширины готового штрипса поперечная деформация в высокотемпературной области недостаточна для проработки аустенитного зерна по всей толщине подката. Однако, при ширине подката более 0,85 ширины готового штрипса, величина обжатия при последующей поперечной прокатке в низкотемпературной области (после подстуживания) будет слишком незначительной, что не позволит достигнуть требуемого уровня механических свойств в готовом прокате. При толщине подката менее 3,5 толщин готового штрипса после поперечной черновой прокатки степень деформации в низкотемпературной области при чистовой прокатке будет недостаточна для получения требуемого уровня механических свойств готового толстолистового проката. В то же время толщина подката более 6 толщин готового штрипса не позволяет провести его равномерное подстуживание по всему сечению перед чистовой прокаткой и избежать деформации в неблагоприятном температурном диапазоне. Это способно привести к снижению качества готовой продукции. Кроме того, увеличение толщины подката сопровождается повышением величины суммарного обжатия в низкотемпературной области чистовой прокатки и, соответственно, неоправданным ростом нагрузки на рабочие валки стана при сохранении числа проходов или снижением производительности стана при увеличении числа проходов.

Таким образом, черновую прокатку исходной непрерывнолитой заготовки осуществляют в два этапа, с продольной и поперечной схемой деформации. Экспериментально установлено, что если при этом суммарная степень обжатия по высоте на стадии черновой прокатки составляет менее 45% - не удается обеспечить деформацию в осевой зоне, достаточную для того, чтобы устранить осевую ликвационную полосу, характерную для непрерывнолитых заготовок. Это приводит к возможности появления дефектов макроструктуры и снижению качества готовой продукции. В то же время, если указанная суммарная степень обжатия превысит 65%, будет нарушен баланс обжатий черновой и чистовой прокатки. Иначе говоря, величина деформации в низкотемпературной области чистовой прокатки будет недостаточна, чтобы обеспечить получение равномерной мелкозернистой структуры металла и, соответственно, требуемый уровень механических свойств штрипса.

Опытным путем установлено, что если в ходе окончательной деформации осуществляют прокатку в поперечном направлении, со степенью обжатия подката по высоте менее 25%, то не всегда удается обеспечить получение ширины подката, соответствующей ширине готового штрипса. Кроме того, поперечная деформация в низкотемпературной области будет недостаточна для формирования необходимой поперечной анизотропии зерен структуры. Соответственно не удастся обеспечить необходимый уровень механических свойств готового проката. В случае превышения указанным обжатием величины 40% продольная деформация подката на втором этапе чистовой прокатки будет слишком мала для получения требуемой длины готового штрипса.

Практика показывает, что если число проходов при чистовой прокатке менее 9, то значения обжатий в отдельных проходах могут превышать величину максимально допустимых для данного стана усилий прокатки. Это способно привести к возникновению аварийной ситуации. В то же время, при использовании более 25 проходов имеет место неоправданное увеличение продолжительности цикла прокатки и, соответственно, снижение производительности. Таким образом, для чистового обжатия заготовки на реверсивном толстолистовом стане необходимо использовать 9-25 проходов из соображений технической возможности реализации процесса и обеспечения высокой производительности данного стана.

Анализ экспериментальных данных показывает, что суммарная степень обжатия подката по высоте меньше 70% в рамках следующей после промежуточного подстуживания чистовой прокатки недостаточна для формирования требуемой структуры и получения мелкозернистой структуры, обеспечивающей высокую хладостойкость штрипса. В этом случае величина деформации в низкотемпературной области слишком мала. Поскольку число проходов чистовой прокатки ограничено необходимостью высокой производительности, увеличение обжатия свыше 83% сопровождается существенным повышением усилия прокатки, которое может достигать критических значений и создавать предпосылки для выхода стана из строя. Таким образом, исходя из соображений технической возможности реализации процесса и необходимости устранения дефектов микроструктуры на готовом штрипсе, суммарное относительное обжатие должно составлять 70-83%.

Замедленное охлаждение штрипсов из низколегированной стали после штабелирования способствует снятию внутренних термических напряжений. Оно сопровождается выделением мелкодисперсной карбидной фазы по границам зерен и приводит к преобладанию в металле процессов упрочнения.

Как следует из приведенного анализа, при реализации предложенного технического решения достигается требуемое качество штрипсового проката для труб большого диаметра за счет более рационального распределения поперечных и продольных деформаций заготовки при прокатке на толстолистовом реверсивном стане. Однако, в случае выхода варьируемых технологических параметров за установленные для этого способа границы, не всегда удается обеспечить соответствие полученных штрипсов заданным требованиям хладостойкости и категории прочности по своим механическим характеристикам. Таким образом, полученные данные подтверждают правильность рекомендаций по выбору допустимых значений технологических параметров предложенного способа производства низколегированного штрипса для магистральных труб.

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что горячая прокатка штрипсов из низколегированной стали по установленным деформационным режимам обеспечивает существенное повышение качества готового проката за счет оптимизации проработки структуры металла. Использование предложенного способа для производства штрипсов категории прочности К65, толщиной 20-35 мм из низколегированной стали позволит повысить выход годного на данном сортаменте на 3-5%.

Источники

1. Патент США №4662950, МПК C21D 8/02, 1987.

2. Ю.В.Коновалов, К.Н.Савранский, А.П.Парамошин, В.Я.Тишков. Рациональные режимы прокатки толстых листов. К.: Тэхника, 1988, с.5-6, 22-23, табл.5.