Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ СВАРИВАЕМОЙ ХРОМОМАРГАНЦЕВОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области черной металлургии и термической обработки и может быть использовано при получении высокопрочной листовой низколегированной стали для металлоконструкций, эксплуатируемых в районах Крайнего Севера.

Для изготовления сварных металлоконструкций, работающих при отрицательных температурах, используют термоулучшенный горячекатаный листовой прокат толщиной 10-40 мм из свариваемой хладостойкой хромомарганцевой стали. Горячекатаные листы после термического улучшения должны сочетать высокую прочность и вязкость при отрицательных температурах. Требуемые свойства горячекатаных листов в состоянии поставки (ТУ 14-101-812-2010) приведены в табл.1.

Известен способ производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы стали следующего химического состава, мас.%:

Слябы нагревают до температуры 1160-1190°С, подвергают черновой прокатке, чистовой прокатке с суммарным относительным обжатием не менее 70% и температурой конца прокатки не выше 820°С, после чего листы закаливают водой от температуры 900-950°С и подвергают высокотемпературному отпуску при 600-730°С [Патент РФ №2255123, МПК C21D 8/02, С22С 38/58].

Недостатки известного способа состоят в том, что листовая сталь после закалки и высокотемпературного отпуска имеет низкий комплекс механических свойств и обладает низкой коррозионной стойкостью.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали марки 17ГС (ГОСТ 19281-89) следующего химического состава, мас.%:

Выплавленную сталь подвергают непрерывной разливке со скоростью до 1,5-2,0 м/мин. Непрерывно литые слябы нагревают в методической печи до температуры 1220-1280°С, подвергают черновой прокатке в температурном интервале 1050-1180°С до промежуточной толщины 30-40 мм и чистовой прокатке в регламентированном температурном интервале 900-1050°С. Для повышения механических свойств горячекатаные листы подвергают термическому улучшению (закалке и высокому отпуску) [Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М.: Металлургия, 1989 г., с.241-244, 271-275].

Недостатки известного способа состоят в том, что комплекс механических свойств толстолистового проката ниже требуемого, и толстолистовая сталь имеет низкую коррозионную стойкость.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении комплекса механических свойств и коррозионной стойкости толстолистового проката.

Для решения технической задачи в предлагаемом способе производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку в листы в регламентированном температурном диапазоне, закалку водой и отпуск, согласно предложению непрерывной разливке подвергают сталь следующего химического состава, мас.%:

Непрерывную разливку ведут со скоростью 0,7-2,0 м/мин при осциллировании кристаллизатора вдоль оси разливки с частотой 30-270 мин^-1 и амплитудой 2,5-10,0 мм, горячую прокатку осуществляют с суммарным относительным обжатием не менее 50% и завершают при температуре 830-950°С, закалку листов осуществляют от температуры 850-930°С, а отпуск ведут при температуре 600-690°С.

Сущность изобретения состоит в следующем. Конечный комплекс механических свойств и коррозионная стойкость толстолистового проката определяется одновременно ее химическим составом, условиями непрерывной разливки, температурными режимами прокатки, закалки и отпуска. В процессе проведения экспериментальных исследований осуществляли варьирование всех значимых технологических факторов, добиваясь получения заданных механических свойств при обеспечении максимальной коррозионной стойкости листов.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,13% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,18% ухудшает пластичность и вязкость стали.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,4% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,7% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее пластичность.

Марганец введен для раскисления и повышения прокаливаемости и прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,2% снижается прочность и пластичность листовой стали. Повышение концентрации марганца сверх 1,8% приводит к образованию мартенситно-бейнитной структуры в середине по толщине проката, что снижает вязкость при отрицательных температурах.

Хром повышает прочность, вязкость, коррозионную стойкость и прокаливаемость стали. При его концентрации менее 0,4% прочность и вязкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 0,8% приводит к потере пластичности и снижению вязкости из-за роста карбидов.

Медь повышает прочность и коррозионную стойкость стали. Кроме того, медь повышают устойчивость аустенита, что особенно важно при завершающей термообработке стальных листов. При концентрации меди менее 0,20% стальные листы имеют недостаточные пластические свойства. Увеличение концентрации меди более 0,45% приводит к снижению показателей ударной вязкости KCU^-40 и KCV^-40.

Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC. Мелкие карбиды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и тем самым упрочняют сталь. При содержании ванадия менее 0,04% его влияние недостаточно велико, свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия более 0,08% или ниобия более 0,06% вызывает дисперсионное твердение и приводит к охрупчиванию границ зерен. Это ухудшает комплекс механических свойств стали.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При содержании алюминия менее 0,02% его воздействие проявляется слабо, сталь имеет низкие механические свойства. Увеличение содержания алюминия более 0,05% не приводит к улучшению свойств.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. При концентрации титана менее 0,02% его положительное влияние незначительно. Увеличение концентрации титана более 0,05% не способствует дальнейшему улучшению свойств стали предложенного состава.

Кальций является модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает серу в глобулярные сульфиды, повышая вязкостные свойства стали. При концентрации кальция менее 0,002% его действие проявляется слабо. Увеличение концентрации кальция более 0,030% увеличивает количество и размеры неметаллических включений, ухудшает пластичность толстолистовой стали.

Более высокая сопротивляемость коррозии и прочность достигаются за счет введения в состав стали церия. Однако увеличение его концентрации более 0,05% приводит увеличению цериевой неоднородности, что снижает характеристики вязкости и пластичности.

Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,008% и фосфора не более 0,015% их вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали. В то же время более глубокое удаление серы и фосфора удорожает сталь, делает ее производство нетехнологичным.

При непрерывной разливке хромомарганцевой стали предложенного состава, содержащей церий, необходимо скорость разливки поддерживать в пределах 0,7-2,0 м/мин и осциллировать кристаллизатора вдоль оси разливки с амплитудой 2,5-10,0 мм. Это позволяет избежать нарушения стабильности процесса разливки (исключает возможность «затягивания» разливочного стакана), обеспечивает формирование более равномерного фронта кристаллизации и упорядоченный рост дендритов без образования четких границ при встрече разнонаправленных кристаллитов, снизить ликвацию легирующих и примесных элементов. В результате достигается получение более высокого комплекса механических свойств толстолистового проката.

За счет применения указанных параметров непрерывной разливки повышается деформируемость непрерывно литого металла при горячей прокатке, снижается до 50% минимально допустимое относительное суммарное обжатие, необходимое для обеспечения эффективной проработки литой структуры и получения высоких механических свойств листов.

Прокатка с суммарным относительным обжатием не менее 50% и с температурой конца прокати Т_кп=830-950°С способствует интенсификации выделения упрочняющих карбидных частиц и измельчению микроструктуры стали предложенного состава.

После термического улучшения (закалка+отпуск) одновременно с упрочнением сталь приобретает ячеистую структуру, увеличивающую вязкость при отрицательных температурах.

Нагрев листов до температуры 830-950°С, закалка водой и отпуск при температуре 600-690°С обеспечивает повышение уровня и стабильности прочностных, вязкостных и пластических свойств горячекатаных листов из стали предложенного состава. Благодаря термическому улучшению неизбежно существующие в практике промышленного производства колебания содержаний химических элементов в стали, а также температурная нестабильность процесса нивелируются, что благоприятно сказывается на уровне и стабильности механических свойств листов.

Экспериментально установлено, что при скорости разливки менее 0,7 м/мин в литом слябе возрастает ликвация легирующих и примесных элементов, увеличивается пористость и осевая рыхлость, ухудшается комплекс механических свойств листов. При увеличении скорости разливки стали данного состава более 2,0 м/мин не исключается разрыв слитка в зоне первичного охлаждения, что недопустимо.

При осциллировании кристаллизатора вдоль оси разливки с амплитудой менее 2,5 мм и частотой менее 30 мин^-1 не исключается «зависание» литой заготовки. При «зависании» верхняя часть сляба остается неподвижной, в то время как нижняя часть продолжает двигаться. Это приводит к разрыву затвердевшей оболочки слитка и выливанию жидкой стали. Увеличение амплитуды осциллирования более 10 мм, как и увеличение его частоты колебаний более 270 мин^-1, ухудшает качество непрерывно литого сляба и готового проката.

При суммарном относительном обжатии в процессе горячей прокатки менее 50% и завершении прокатки при температуре T_кп выше 950°С не достигается оптимальная степень измельчения зерен микроструктуры и механическая проработка стали на всю толщину листа. Это ведет к снижению прочностных и вязкостных свойств. Снижение температуры конца прокатки ниже 830°С ведет к появлению текстуры деформации и анизотропии механических свойств. Это снижает комплекс механических свойств и коррозионную стойкость листовой стали.

При закалке от температуры выше 930°С в микроструктуре предложенной стали доля ферритной фазы возрастает более 30%, снижается прочность, ударная вязкость и коррозионная стойкость. Снижение температуры закалки менее 850°С приводит к формированию в мартенситных рейках дисперсных выделений с видманштеттовой морфологией, снижению ударной вязкости при отрицательных температурах.

Отпуск закаленных листов при температуре выше 690°С уменьшает плотность карбидной фазы, интенсифицирует процессы полигонизации и рекристаллизации, что сопровождается снижением уровня прочности. Уменьшение температуры отпуска ниже 600°С приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств толстолистового проката.

Примеры реализации способа

Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферросилицием, ферромарганцем, легировали феррохромом, феррованадием, вводили металлический алюминий, медь и ниобий. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Кальций вводили в расплав в виде силикокальция, церий вводили в расплав в железной капсуле непосредственно перед выпуском стали из промежуточного ковша. Химический состав сталей приведен в табл.2.

Выплавленную сталь с составом №3 транспортируют к вертикальной машине непрерывного литья заготовок и при температуре t=1485°С разливают в заготовку толщиной Н₀=200 мм. Скорость разливки (скорость вытягивания непрерывно литой заготовки из кристаллизатора) поддерживают равной V=1,3 м/мин. В процессе разливки кристаллизатору прямоугольного сечения сообщают осцилляцию (колебательное движение) вдоль оси разливки с частотой f=150 мин^-1 (150 колебаний в минуту) с амплитудой А=6,0 мм.

Непрерывно литую заготовку разрезают в поперечном направлении с амплитудой А=6,0 мм.

Непрерывно литую заготовку разрезают в поперечном направлении с помощью газокислородной резки. Полученные слябы нагревают в методической печи до температуры аустенитизации T_нп=1230°С и прокатывают за 12 проходов на толстолистовом реверсивном стане 5000 в листы толщиной H₁=40 мм с суммарной величиной относительного обжатия ε:

Во время прокатки (в проходах и паузах между проходами) происходит остывание листов. Прокатку в последнем проходе ведут при температуре Т_кп=890°С.

Горячекатаные листы транспортируют к роликовой закалочной машине. Перед закалкой листы нагревают до температуры Т_з=900°С и производят закалку водой. Закаленные листы отпускают при Т_от=645°С.

После термического улучшения от листов отбирают пробы и производят испытания механических свойств и коррозионной стойкости (скорость коррозии S) в соляном тумане.

Варианты реализации способа производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали и показатели их эффективности приведены в табл.3.

Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенные режимы производства толстолистового проката (варианты №2-4) обеспечивают повышение комплекса механических свойств и коррозионной стойкости толстолистового проката.

В случаях запредельных значений концентраций химических элементов в стали, режимов непрерывной разливки слябов, температурно-деформационных режимов горячей прокатки, закалки и высокого отпуска (варианты №1 и №5), а также использования способа-прототипа (вариант №6) имеет место снижение комплекса механических свойств и коррозионной стойкости S готовых толстых листов.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что одновременная оптимизация химического состава хромомарганцевой стали, условий ее непрерывной разливки, горячей прокатки, а также последующей закалки и отпуска позволяет повысить комплекс механических свойств и коррозионную стойкость толстолистового проката.

Использование изобретения позволяет повысить рентабельность производства и потребления толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали на 15-20%.