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 толстолистового проката, предусматривающий использование продольной схемы прокатки с разбивкой ширины [1]. 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 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 черновой прокатки полученный раскат вновь кантуют на 90° и начинают прокатку в продольном направлении. После достижения определенной толщины раската продольную прокатку прерывают для его подстуживания (охлаждения) до заданной температуры чистовой прокатки. Такой подход позволяет избежать деформаций в диапазоне температур фазового превращения, негативно влияющих на уровень механических свойств готовой продукции. После подстуживания, на стадии чистовой прокатки при температуре ниже точки A_r3 прокатку заготовки в продольном направлении продолжают до получения требуемой толщины и длины готового листа.

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. Такая схема не позволяет получить высокую поперечную анизотропию зерен в структуре металла, которая необходима для обеспечения требуемого уровня механических свойств готового штрипса и трубы, определяемых в поперечном направлении. Кроме того, возможно появление поверхностных дефектов на лицевой поверхности в зоне боковых кромок готового штрипса.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ прокатки низколегированного штрипса для магистральных труб на толстолистовом реверсивном стане, включающий нагрев непрерывнолитой заготовки, ее черновую прокатку до заданной толщины, промежуточное подстуживание полученного раската до заданной температуры, его чистовую прокатку до получения требуемой толщины штрипса и последующее ускоренное охлаждение, причем поперечную прокатку с разбивкой ширины начинают на стадии черновой прокатки и заканчивают в первых проходах чистовой прокатки, после чего переходят к продольной прокатке [2]. Низкотемпературная поперечная деформация при разбивке ширины на стадии чистовой прокатки способствует формированию поперечной анизотропии зерен в структуре металла, которая позволяет обеспечить достаточно высокий уровень механических свойств в поперечном направлении.

При реализации известного способа заготовку из малоуглеродистой стали нагревают и производят ее черновую прокатку при температуре выше точки A_r3. Нагрев заготовки в печи осуществляется за счет внутренней теплопередачи с верхней и боковых поверхностей заготовки к центральным слоям и нижней поверхности. При этом скорость нагрева внутренних слоев заготовки и ее нижней поверхности ограничена теплопроводностью стали и независимо от рабочей температуры в печи необходимо определенное время для равномерного прогрева всей заготовки. В случае слишком короткой выдержки заготовки при заданной температуре в томильной зоне печи ее внутренние слои и нижняя поверхность не успевают прогреться, и возникает градиент их температуры с наружными слоями заготовки. На стадии черновой прокатки этот градиент часто приводит к неравномерному перетеканию металла с боковых граней непрерывнолитой заготовки, содержащего сталеплавильные дефекты, в прикромочные зоны лицевых поверхностей, что негативно сказывается на качестве готового штрипса.

Кроме того, в ходе промежуточного подстуживания происходит захолаживание боковых ребер раската. Иначе говоря, боковые ребра раската остывают гораздо интенсивнее, чем его основная масса. При этом ресурс пластичности металла в зоне боковых ребер существенно снижается, что приводит к его разрушению при последующей деформации. Наличие поперечных растягивающих напряжений в металле заготовки при поперечных проходах в условиях высокотемпературной деформации (черновая прокатка) может приводить к появлению несплошностей (разрывов) в этой зоне и образованию в прикромочных зонах дефектов типа продольных трещин. Таким образом, повышение отсортировки проката по поверхностным дефектам связано с интенсивным перетеканием захоложенного металла ребер раската на его лицевые поверхности при использовании больших единичных обжатий за проход сразу после подстуживания раската (в условиях высокого очага деформации).

Таким образом, причиной появления прикромочных поверхностных дефектов является неблагоприятный характер распределения обжатий по проходам чистовой прокатки и неравномерность распределения температуры по сечению заготовки после нагрева. Очевидно, что необходимость дальнейшего снижения расходного коэффициента при производстве толстолистового проката на реверсивном стане обуславливает целесообразность разработки соответствующих технических решений по уменьшению зоны прикромочных дефектов, определяющей величину боковой обрези.

Технический результат изобретения - снижение вероятности появления поверхностных дефектов в прикромочной зоне толстолистового штрипса за счет уменьшения неравномерности деформации по толщине раската при черновой и чистовой прокатке.

Для получения требуемого эффекта используют выравнивание температуры заготовки при нагреве и использование механизма деформации при чистовой прокатке.

Технический результат достигается тем, что в известном способе прокатки низколегированного штрипса для магистральных труб на толстолистовом реверсивном стане, включающем нагрев непрерывнолитой заготовки, ее черновую прокатку до заданной толщины, промежуточное подстуживание полученного раската до заданной температуры, его чистовую прокатку до получения требуемой толщины штрипса и последующее ускоренное охлаждение, причем поперечную прокатку с разбивкой ширины начинают на стадии черновой прокатки и заканчивают в первых проходах чистовой прокатки, после чего переходят к продольной прокатке, согласно предложению, нагрев заготовки для прокатки производят с выдержкой в томильной зоне печи при заданной температуре выдачи не менее 1,5 часов до получения величины градиента температуры по сечению заготовки не более 40°С, причем в первых после подстуживания проходах чистовой стадии поперечную и продольную прокатку вплоть до получения толщины раската менее 4 толщин готового штрипса осуществляют с единичными относительными обжатиями не более 8%, а в последующих проходах - не более 10%.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Нагрев непрерывнолитой заготовки производят в методической печи с выдержкой в ее томильной зоне при заданной температуре выдачи не менее 1,5 часов до получения величины градиента температуры по сечению заготовки не более 40°С. Регламентированное время выдержки при постоянной температуре томильной зоны необходимо для ее равномерного прогрева по всей толщине и выравнивания температуры по сечению. Затем приступают к прокатке нагретой заготовки на толстолистовом реверсивном стане. На стадии черновой прокатки сначала производят продольную протяжку заготовки до получения максимальной длины, определяемой из длины бочки рабочих валков стана. Это позволяет снизить толщину раската при последующем переходе к разбивке ширины прокаткой в поперечном направлении. Поперечная деформация при высокой температуре необходима для проработки структуры и получения необходимого уровня механических свойств готового низколегированного штрипса. Уменьшение толщины раската после продольной протяжки способствует снижению интенсивности перетекания содержащего дефекты металла из зоны боковых граней раската на его лицевые поверхности при последующей поперечной прокатке с разбивкой ширины на стадии черновой прокатки. После того как толщина раската достигает значений, заданных для проведения подстуживания, прокатка прерывается, и он отводится на промежуточный рольганг, где охлаждается до температуры начала чистовой прокатки.

После подстуживания до требуемой температуры, начинают чистовую стадию прокатки. Такая прокатка низколегированной стали в области низких температур позволяет проработать микроструктуру штрипса на всю толщину, устранить осевую ликвацию непрерывнолитой заготовки. В первых проходах чистовой стадии продолжается поперечная прокатка с разбивкой ширины. Соответственно на начальном этапе чистовой стадии, пока сохраняется высокий очаг деформации, прокатку производят с единичными относительными обжатиями, не превышающими 8%. При использовании таких, сравнительно небольших единичных обжатий высокой заготовки, удается избежать существенного смещения малопластичного металла боковых ребер на лицевую поверхность раската. Соответственно, снижается интенсивность формирования трещин в прикромочной зоне раската, и устраняются предпосылки для отсортировки штрипса по поверхностным дефектам.

После того как толщина раската в процессе чистовой прокатки снизится до величины менее 4 толщин готового штрипса, значения единичных обжатий за проход увеличивают до величины не более 10%. При такой толщине раската имеет место низкий очаг деформации, характеризующийся меньшей интенсивностью перетекания металла боковых ребер на лицевую поверхность. Это позволяет повысить производительность стана за счет увеличения единичных обжатий за проход, сохранив низкий уровень поверхностного дефектообразования в прикромочной зоне раската. При таком режиме обжатий осуществляют дальнейшую прокатку до толщины готового штрипса. Последующее ускоренное охлаждение способствует формированию равномерной мелкозернистой ферритобейнитной структуры готового штрипса, обладающей повышенными вязкостными и прочностными свойствами.

Применение способа поясняется примером его реализации при производстве толстолистового штрипса размером 33,4×4490×14400 мм (после прокатки с учетом припусков), категории прочности К65 (10Г2ФБЮ). Нагрев непрерывнолитой заготовки из низколегированной стали размером 315×1850×3700 мм до температуры выдачи 1170-1200°С производят в методической печи с выдержкой в ее томильной зоне в течение 2,5 часов. При этом величина градиента температуры по сечению заготовки составляет около 20°С. В ходе нагрева и выдержки происходит аустенизация низколегированной стали, растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц. Сначала, на первом этапе черновой прокатки осуществляют продольную реверсивную прокатку заготовки в клети толстолистового стана 5000 до получения длины 4660 мм при толщине раската 250 мм. Следующий этап черновой прокатки включает поперечную прокатку до заданной толщины подстуживания 150 мм. При этом ширина раската увеличивается до 3080 мм. Полученный в ходе черновой прокатки металл подстуживают до заданной температуры 800°С на рольганге стана в условиях естественного охлаждения. После достижения указанной температуры производят чистовую прокатку металла на толщину 33,4 мм. В первых трех проходах сохраняется поперечная схема прокатки с величиной единичных обжатий за проход 5%, 5% и 6% до получения толщины раската 127 мм <(4×33,4 мм). При этом ширина раската увеличивается до величины 3640 мм. Малая величина единичных обжатий за проход позволяет минимизировать поверхностное дефектообразование в прикромочной зоне штрипса. В следующих двух проходах также используется поперечная схема прокатки с увеличенными значениями единичных обжатий за проход 10%, 10% до получения толщины раската 103 мм при ширине, соответствующей требуемой ширине готового штрипса 4490 мм. Большие значения единичных обжатий позволяют уменьшить число проходов и способствуют повышению производительности стана. Разбивку ширины можно считать законченной, поэтому производят кантовку раската и переходят к продольной прокатке на окончательную длину готового штрипса. Ускоренное охлаждение до 600°С, предусмотренное после окончания прокатки, способствует повышению дисперсности структурных составляющих и получению требуемого уровня механических свойств.

Полученный уровень качества поверхности готовой продукции полностью соответствует требованиям, предъявляемым к низколегированному штрипсу категории прочности К65. Исследование качества поверхности в зоне боковых кромок показывает отсутствие прикромочных трещин при минимальном размере боковой обрези.

Таким образом, применение предложенного способа прокатки обеспечивает достижение требуемого результата - устранение возможности появления в прикромочных зонах готового штрипса поверхностных дефектов типа прикромочных трещин за счет использования специального режима нагрева заготовок и режима обжатий на чистовой стадии прокатки на толстолистовом реверсивном стане. Предложенное техническое решение направлено на обеспечение равномерного течения металла в поверхностных зонах раската и, таким образом, на устранение поверхностных дефектов на готовом низколегированном штрипсе для магистральных труб.

Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Анализ опытных данных показывает, что если продолжительность выдержки непрерывнолитой заготовки в томильной зоне методической печи составляет менее 1,5 часов, то этого времени недостаточно, чтобы обеспечить ее равномерный прогрев по сечению. Деформация заготовки с градиентом температуры по сечению заготовки, например между верхней и нижней лицевой поверхностью, превышающим 40°С, приводит к перетеканию более нагретого металла с верхней поверхности раската на нижнюю поверхность. При таком несимметричном характере деформации дефекты с боковой грани раската перетекают на нижнюю лицевую поверхность, что приводит к отсортировке готового штрипса. Соответственно, при этом не достигается технический результат рассматриваемого изобретения.

Экспериментально установлено, что если на чистовой стадии поперечную прокатку с большими (до 10%) единичными относительными обжатиями за проход производят при толщине раската более 4 толщин готового штрипса, то неравномерность деформации будет приводить к повышенному уровню поверхностного дефектообразования в прикромочной зоне раската, т.е. не будет достигаться требуемый уровень качества поверхности готового штрипса.

В то же время, если использовать малые единичные относительные обжатия за проход при толщине раската менее 4 толщин готового штрипса, то для получения требуемой толщины штрипса необходимо гораздо больше проходов. Соответственно, такое неоправданное увеличение числа проходов приводит к снижению производительности стана, т.е. к ухудшению технико-экономических показателей производства.

Практика показала, что при использовании в первых проходах чистовой прокатки для разбивки ширины относительных единичных обжатий за проход более 8% значительно увеличивается величина зоны прикромочных трещин (дефектов), что приводит к увеличению размеров боковой обрези и негативно сказывается на технико-экономических показателях производства на толстолистовом стане. Кроме того, существенно возрастает усилие прокатки и нагрузка на стан, т.к. разбивка ширины осуществляется по поперечной схеме и деформация с большими обжатиями производится практически по всей длине рабочих валков.

Как следует из приведенного анализа, при реализации предложенного технического решения повышается стабильность качества поверхности толстолистового штрипса из низколегированной стали за счет выравнивания температуры по сечению заготовки и рационального распределения обжатий по проходам при чистовой прокатке на толстолистовом реверсивном стане. Однако, в случае выхода варьируемых технологических параметров за установленные для рассматриваемого способа границы, не всегда удается обеспечить соответствие полученного штрипса заданным требованиям по величине зоны прикромочных дефектов. Таким образом, имеющиеся данные подтверждают правильность рекомендаций по выбору допустимых значений технологических параметров предложенного способа прокатки низколегированного штрипса для магистральных труб на толстолистовом реверсивном стане.

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что производство толстолистового штрипса из низколегированной стали по установленным деформационно-температурным режимам обеспечивает существенное снижение величины боковой обрези за счет уменьшения размеров зоны прикромочных трещин.

Источники информации

1. 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.

2. Патент РФ №2403105, МПК В21В 1/34, 06.07.2009 г.