Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОТЖИГА ХОЛОДНОКАТАНЫХ РУЛОНОВ ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для термообработки рулонов холоднокатаных полос из малоуглеродистой стали, стабилизированной алюминием, в колпаковой муфельной печи с газовым отоплением и водородной защитной атмосферой.

Известен способ отжига рулонов холоднокатаных полос из малоуглеродистой стали марки 08Ю, стабилизированной алюминием, в колпаковой муфельной печи, включающий однократный нагрев рулонов до температуры отжига, превышающей 600°С, со скоростью нагрева, снижаемой в процессе нагрева от 35 до 14°С/ч, выдержку при температуре отжига в течение 17 ч и последующее охлаждение [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что из-за увеличенной продолжительности отжига имеет место большой расход топлива. Помимо этого, в процессе одностадийного нагрева не достигается выравнивание температурного поля рулонов, что ведет к свариванию витков и образованию дефекта «излом» при размотке рулонов. Это снижает качество отожженных холоднокатаных полос.

Известен также способ отжига рулонов холоднокатаных полос из малоуглеродистой стали, включающий трехступенчатый нагрев: вначале до температуры 530-550°С, выдержку, повторный нагрев до температуры 620-630°С, выдержку при температуре повторного нагрева и окончательный нагрев со скоростью 10-20°С/ч до температуры отжига 640-650°С, выдержку при температуре отжига и охлаждение [2].

Недостатки известного способа состоят в повышенном расходе топлива на осуществление отжига вследствие большой его продолжительности. Помимо этого, после отжига при температуре 640-650°С, малоуглеродистая сталь, стабилизированная алюминием, имеет низкие пластичность и штампуемость, что снижает качество отожженных полос.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ отжига рулонов холоднокатаных полос из малоуглеродистой стали, включающий нагрев со скоростью 38-55°С/ч до промежуточной температуры 520-550°С, выдержку в течение 18-22 ч, повторный нагрев со скоростью 15-30°С/ч до температуры отжига 660-690°С, выдержку при температуре отжига в течение 20-24 ч, охлаждение со скоростью 35-50°С/ч до температуры 420-430°С и затем охлаждение с произвольной скоростью.

Недостатки известного способа состоят в большой его продолжительности, следствием чего является увеличенный расхода топлива. После отжига при температуре 660-690°С малоуглеродистая сталь, стабилизированная алюминием, имеет низкие и нестабильные показатели пластичности и штампуемости, что снижает качество отожженных полос.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в уменьшении расхода топлива и повышении качества холоднокатаных полос.

Для решения указанной технической задачи в способе отжига рулонов холоднокатаных полос из малоуглеродистой стали, стабилизированной алюминием, в печи с газовым отоплением, включающем их многостадийный нагрев до температуры отжига и последующее охлаждение с регламентированными скоростями, согласно предложению нагрев от температуры 180-220°С до температуры 480-520°С ведут со скоростью 65-85°С/ч, повторный нагрев ведут до температуры 580-620°С со скоростью 4-11°С/ч, после чего нагрев до температуры отжига 700-720°С ведут со скоростью 20-50°С/ч. Кроме того, рулоны выдерживают при температуре отжига не менее 13 ч, после чего охлаждают вначале со скоростью 10-30°С/ч до температуры 650-690°С, а затем со скоростью 30-60°С/ч до температуры 460-480°С.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. В интервале температур нагрева до 180-220°С скорость нагрева на качество отожженных полос влияния не оказывает, поэтому для сокращения цикла нагрева и расхода топлива эта скорость должна быть максимально возможной по параметрам печи. В процессе нагрева от температуры 180-220°С до температуры 480-520°С со скоростью 65-85°С/ч происходит крекинг остатков технологической смазки, находящихся на поверхности холоднокатаной полосы с образованием метана, который уносится с потоком защитного газа, благодаря чему исключается образование на поверхности полосы сажистого налета. Кроме того, нагрев со скоростью 65-85°С сокращает общее время нагрева и расход топлива, не сказываясь отрицательно на механических свойствах отожженных полос и свариваемости витков рулонов.

Замедление скорости нагрева до 4-11°С/ч в температурном интервале от 480-520°С до 580-620°С обеспечивает выравнивание температуры по сечению рулонов, что снижает температурные напряжения и вероятность сваривания витков. На этой стадии нагрева микроструктура в различных частях рулонов подготавливаются к одновременному старту процессов рекристаллизации.

Последующее увеличение скорости нагрева до 20-50°С/ч в температурном интервале от 580-620°С до температуры отжига 700-720°С обеспечивает одновременный старт процессов рекристаллизации в различных участках холоднокатаных полос и исключает преимущественный рост отдельных зерен, приводящий к разнобалльности микроструктуры.

Непрерывный «градиентный» нагрев рулонов по предложенному способу без выдержек при промежуточных температурах, как в способе-прототипе, позволяет сократить продолжительность нагрева и расход топлива.

За время выдержки не менее 13 ч при температуре отжига 700-720°С в малоуглеродистой стали, стабилизированной алюминием, интенсивно протекают процессы рекристаллизации, зерна микроструктуры принимают равномерную «оладьеобразную» форму, что обеспечивает повышение пластичности и штампуемости отожженного металла. Но при такой выдержке процесс рекристаллизации не завершается полностью, хотя расход топлива сокращается.

Для завершения процессов рекристаллизации использовано замедленное охлаждение рулонов. В процессе замедленного охлаждения со скоростью 10-30°С от температуры отжига 700-720°С до температуры 650-690°С в отжигаемой малоуглеродистой стали полностью завершаются процессы рекристаллизации. Поскольку в этот период газовые горелки выключены, достигается экономия топлива, а процессы отжига завершаются за счет запаса тепла печи и рулонов.

После окончания периода замедленного охлаждения в температурном интервале от 650-690°С до 460-480°С охлаждение ведут со скоростью 30-60°С/ч. Благодаря этому исключается выпадение мелкодисперсных упрочняющих цементитных частиц и частиц нитридов алюминия, что повышает качество отожженных холоднокатаных полос.

Дальнейшее охлаждение рулонов можно вести с произвольной скоростью, т.к. это не окажет отрицательного влияния на их качество.

Экспериментально установлено, что снижение температуры начала регламентированного нагрева менее 180°С не улучшает качества отожженных полос, а лишь удлиняет цикл отжига. Увеличение этой температуры более 220°С не исключает осмаливания на полосе остатков технологической смазки, что ухудшает качество полос.

Снижение скорости нагрева менее 65°С/ч удлиняет процесс отжига и увеличивает расход топлива. Увеличение скорости нагрева более 85°С/ч увеличивает рост термических напряжений и вероятность сваривания витков рулонов.

Уменьшение промежуточной температуры ниже 580°С приводит к увеличению времени нагрева и расхода топлива. Увеличение промежуточной температуры более 620°С способствует формированию неравномерной микроструктуры по длине полос, ухудшению их качества.

Снижение скорости нагрева менее 4°С/ч увеличивает продолжительность нагрева и расход топлива. Увеличение скорости нагрева более 11°С/ч приводит к росту температурных напряжений и свариванию витков рулонов.

При температуре отжига ниже 700°С или времени отжига менее 13 ч малоуглеродистая сталь, стабилизированная алюминием, приобретает мелкозернистую микроструктуру, высокую прочность и низкую пластичность. Металлическая матрица упрочнена карбидами и нитридами. Это снижает качество отожженных холоднокатаных полос. Увеличение температуры отжига более 720°С приводит к свариванию витков рулонов, образованию изломов, ухудшению качества полос.

Замедленное охлаждение от температуры отжига со скоростью менее 10°С/ч до температуры ниже 650°С удлиняет цикл отжига, ухудшает пластические свойства полос из-за роста ферритных зерен. Увеличение скорости охлаждения более 30°С или температуры окончания замедленного охлаждения выше 690°С приводит к неполному завершению процессов рекристаллизации ферритных зерен. Это ухудшает качество полос.

Снижение скорости повторного охлаждения менее 30°С/ч или температуры его окончания менее 460°С удлиняет общую продолжительность цикла отжига без улучшения качества полос. Увеличение скорости повторного охлаждения более 60°С/ч или его завершение при температуре выше 480°С ведет к выпадению мелкодиспергированных карбидов и нитридов. Это снижает пластичность и качество отожженных полос.

Пример реализации способа

Горячекатаные травленые полосы сечением 3×1170 мм из малоуглеродистой стали марки 08Ю (стабилизированной алюминием) прокатывают на 5-клетевом стане 1700 бесконечной холодной прокатки на толщину 0,7 мм. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости используют эмульсию минерального масла в воде.

Холоднокатаные рулоны массой до 24 т устанавливают в 4 яруса на стенде одностопной колпаковой печи. Стопу рулонов накрывают муфелем и нагревательным колпаком, после чего подмуфельное пространство в течение 30 мин продувают азотом для удаления воздуха. Затем в подмуфельное пространство подают водород, который вытесняет азот. Включают газовые горелки нагревательного колпака и производят нагрев рулонов с максимально возможной скоростью до температуры T₁=200°C. После этого скорость нагрева устанавливают равной V₁=75°С/ч и производят регламентированный нагрев рулонов до температуры Т₂=500°С. Заданную скорость нагрева устанавливают изменением расхода сжигаемого топливного газа.

Затем скорость нагрева снижают до величины V₂=7,5°С/ч и производят повторный регламентированный нагрев рулонов до температуры Т₃=600°С. При замедленном нагреве происходит выравнивание температурного поля рулонов садки.

После достижения температуры Т₃=600°С скорость нагрева увеличивают до V₃=35°С/ч и ведут нагрев рулонов до температуры отжига Т₄=710°С. При температуре отжига рулоны выдерживают в течение времени τ=14 ч. В процессе всего периода нагрева и выдержки садки рулонов в подмуфельном пространстве осуществляют принудительную циркуляцию водорода.

По завершении выдержки рулонов при температуре отжига горелки нагревательного колпака выключают и садка рулонов замедленно охлаждается с печью со скоростью V_охл.1=20°С/ч до температуры Т_охл.1=670°С. В период замедленного охлаждения в малоуглеродистой стали, стабилизированной алюминием, завершаются процессы рекристаллизации, причем топливо при этом не расходуется.

От температуры Т_охл.=670°С рулоны охлаждают со скоростью V_охл.2=45°С/ч до температуры Т_охл.2=470°С путем дозированной подачи в подмуфельное пространство холодного водорода.

Затем со стенда печи снимают нагревательный колпак и производят окончательное ускоренное охлаждение садки рулонов до температуры распаковки 90°С за счет продувки подмуфельного пространства холодным водородом и подачей на муфель охлаждающей воды.

Отожженные стальные полосы не имеют дефектов поверхности и полностью соответствуют комплексу механические свойств по ГОСТ 9045:

1 группа отделки поверхности, категория вытяжных свойств ВОСВ-Т.

Удельный расход условного топлива при отжиге составляет Q=0,41 ГДж на 1 т холоднокатаной полосы.

Варианты реализации способа отжига рулонов холоднокатаных полос из малоуглеродистой стали, стабилизированной алюминием, в печи с газовым отоплением, и показатели их эффективности представлены в таблице.

Из таблицы следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается уменьшение расхода топлива (удельный расход условного топлива на тонну отжигаемой холоднокатаной полосы минимален) при одновременном повышении качества холоднокатаных полос как по механическим свойствам, так и отсутствию дефектов поверхности. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1, №5) и при реализации способа-прототипа (вариант №6) имеет место увеличение расхода топлива, качество отжигаемых холоднокатаных полос снижается.

Технико-экономические преимущества предложенного способа отжига состоят в том, что в нем исключены выдержки при промежуточных температурах, скорости нагрева в различных температурных интервалов выбраны максимально возможными, исходя из недопущения сваривания витков рулонов, а время выдержки при температуре отжига сокращено за счет использования охлаждения со скоростью 10-30°С/ч в диапазоне температур от 700-720 до 650-690°С. В период этого охлаждения, при выключенных горелках отопления в нагревательном колпаке, завершаются процессы рекристаллизации микроструктуры малоуглеродистой стали, стабилизированной алюминием. Это способствует одновременному уменьшению расхода топлива и повышению качества холоднокатаных полос.

В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принята существующая технология отжига холоднокатаных полос их стали марки 08Ю в ОАО «Северсталь». Использование предложенного способа позволит повысить рентабельность производства холоднокатаной автолистовой стали на 5-10%

Источники информации

1. Гусева С.С. и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. М., Металлургия, 1979 г., с.30-31.

2. Авт. свид. СССР №1444372, МПК C21D 9/48, 1988 г.

3. Авт. свид. СССР №1659500, МПК C21D 9/46, 1991 г. - прототип.