Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО НИЗКОЛЕГИРОВАННОГО ШТРИПСА

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к производству листового проката, и может быть использовано при изготовлении толстых листов и штрипсов из низколегированных сталей с применением контролируемой прокатки.

Известен способ производства толстых стальных листов, включающий нагрев сляба до температуры аустенизации 1200±20°С и его черновую прокатку до промежуточной толщины раската 70 мм с температурой конца деформации 900°С. Затем предусмотрена транспортировка раската в зону охлаждения вне линии прокатки и его охлаждение на воздухе до температуры ниже 800°С. После охлаждения раската проводят его чистовую прокатку до конечной толщины с температурой конца деформации 730°С и охлаждают полученный лист до температуры окружающей среды [1].

Однако толстый лист, полученный согласно известному способу, характеризуется сравнительно низким уровнем механических свойств, в особенности ударной вязкости при отрицательных температурах. Это связано с низкой скоростью охлаждения в естественных условиях полученного листа до температуры окружающей среды.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства хладостойкого листового проката, включающий получение заготовки из стали, содержащей, мас.%: С=0,04-0,1; Mn=0,60-0,90; Si=0,15-0,35; Ni=0,10-0,40; Al=0,02-0,06; Nb=0,02-0,06; V=0,03-0,05; железо и примеси - остальное. Способ предусматривает аустенизацию заготовки при температуре 1100-1150°С, предварительную деформацию (черновую прокатку) с суммарным обжатием 35-60% при температуре 900-800°С, последующее охлаждение промежуточной заготовки (подстуживание) на 50-70°С, окончательную деформацию (чистовую прокатку) с суммарной степенью обжатия 65-75% при температуре 830-750°С, ускоренное охлаждение листового проката до температуры 500-260°С и замедленное охлаждение до температуры не выше 150°С [2].

К недостатку данного способа можно отнести то, что получаемый при его использовании толстый лист из низколегированной стали обладает недостаточно высокими прочностными свойствами. Значения предела прочности и предела текучести, заявленные для данного способа, составляют σ_т=300-320 МПа, σ_в=400-455 МПа, при относительном удлинении δ=29-34%. В то же время, нормативные требования для штрипса категории прочности К65 составляют σ_т=565-665 МПа, σ_в=640-760 МПа. При этом допускается величина относительного удлинения не менее δ=19%.

Технический результат изобретения состоит в повышении прочностных свойств при сохранении достаточной пластичности и увеличении хладостойкости штрипса толщиной 20-40 мм категории прочности К60(Х70)-К70(Х90).

Технический результат достигается тем, что в способе производства толстолистового низколегированного штрипса, предусматривающем изготовление заготовки, ее аустенизацию, черновую и чистовую прокатку с подстуживанием раскатов на воздухе перед чистовой прокаткой, ускоренное охлаждение готового штрипса до заданной температуры и его последующее замедленное охлаждение, согласно предложению заготовку изготавливают из стали, содержащей: 0,04-0,07% С; 1,60-1,95% Mn; 0,15-0,35% Si; 0,2-0,3% Ni; 0,055-0,08% Nb; 0,04-0,3% Cr; 0,2-0,3% Mo; Cu<0,15%; железо и примеси с содержанием каждого примесного элемента менее 0,03% - остальное; при этом содержание марганца связано с содержанием углерода следующей зависимостью: Mn=(2,1-6·С)±0,07, а углеродный эквивалент составляет С_экв.=0,41-0,46, аустенизацию заготовки производят при температуре 1170-1200°С в течение не менее 4 часов, черновую прокатку осуществляют на толщину, составляющую 4,2-5,5 толщины готового штрипса, при температуре конца черновой прокатки не менее 870°С, подстуживание раската перед чистовой прокаткой производят до температуры 740-780°С, чистовую прокатку ведут с суммарной степенью обжатия 75-85%, а ускоренное охлаждение готового штрипса производят до температуры 520-580°С.

Повышения эффективности рассмотренного способа достигают, если черновую прокатку осуществляют только в поперечном направлении относительно оси заготовки, а чистовую прокатку производят сначала в поперечном, а затем в продольном направлении, причем суммарная степень обжатия в поперечных проходах чистовой прокатки составляет 5-20%.

Сущность изобретения состоит в том, что полное использование ресурса свойств, имеющегося в низколегированной стали данного химического состава, обеспечивается деформационно-термическим режимом ее производства. Технология прокатки направлена на получение оптимального фазового ферритно-перлитного состава и морфологии фаз, измельчение зерен микроструктуры, упрочнение твердого раствора, дисперсионное твердение, дислокационное и текстурное упрочнение.

Сначала выплавляют заготовку из стали с заданным химическим составом. Причем величину содержания марганца устанавливают в зависимости от содержания углерода из эмпирического соотношения Mn=(2,1-6·С)±0,07. С увеличением содержания углерода содержание марганца уменьшается, что позволяет получать величину углеродного эквивалента в заданном диапазоне С_экв.=0,41-0,46. В целом приведенное содержание элементов обеспечивает необходимый фазовый состав и механические свойства штрипса при реализации предлагаемых технологических режимов.

Наличие углерода в низколегированной стали предложенного состава определяет ее прочностные характеристики. Снижение содержания углерода менее 0,04% приводит к падению ее прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,07% ухудшает пластические и вязкостные свойства штрипсов, приводит к их неравномерности из-за ликвации.

В рассматриваемой низколегированной штрипсовой стали добавки марганца и никеля способствуют твердорастворному упрочнению металла и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Снижение содержания марганца менее 1,60% существенно увеличивает окисленность стали, что ухудшает качество штрипсов. В то же время повышение содержания марганца более 1,95% приводит к увеличению отношения предела текучести к временному сопротивлению разрыву, что недопустимо. Добавка никеля в заявляемых пределах способствует лучшей прокаливаемости при термомеханической обработке.

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 препятствуют росту зерна аустенита в ходе нагрева, что способствует получению измельчению зерна при прокатке по предложенным технологическим режимам. При концентрации ниобия менее 0,055% механические свойства штрипсов в горячекатаном состоянии недостаточно высоки. Повышение концентрации более 0,08% не приводит к дальнейшему повышению механических свойств штрипсов, поэтому не имеет смысла.

Наличие кремния способствует улучшению раскисленности стали и повышению прочности штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,35% сопровождается возрастанием количества силикатных включений, снижающих ударную вязкость металла. В то же время уменьшение содержания кремния менее 0,15% приводит к существенному снижению предела текучести.

Наличие в составе не более 0,3% молибдена обеспечивает получение прочностных характеристик. Однако превышение приведенных значений не сопровождается дальнейшим повышением качества штрипсов, а лишь увеличивает расходы на легирование, что представляется нецелесообразным. Снижение содержания молибдена менее 0,2% неблагоприятно сказывается на механических свойствах продукции.

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.

Нагрев заготовок до температуры аустенизации, их выдержка не менее 4 часов при 1170-1200°С и черновая прокатка в температурном интервале выше 870°С является подготовительной ступенью и обеспечивает получение исходной однородной структуры путем измельчения зерна аустенита за счет статической рекристаллизации. В ходе последующей многопроходной черновой прокатки аустенитное зерно интенсивно измельчается до размера 30-70 мкм.

Подстуживание раската толщиной, составляющей 4,2-5,5 от толщины готового штрипса, до температуры 740-780°С и последующая контролируемая чистовая прокатка в двухфазной области к процессам дисперсионного упрочнения и измельчения зерен до 11-12 балла добавляют развитие текстуры и образование субзерен. Субзеренное упрочнение имеет определяющее значение в формировании механических свойств готового проката лишь в случае, если суммарная степень обжатия при чистовой прокатке составляет 75-85%. Образующиеся при этом субзерна помимо повышения прочности повышают сопротивление хрупкому разрушению и усталости.

Упрочнение толстолистовой стали в процессе чистовой многопроходной прокатки в двухфазной области с затрудненной рекристаллизацией аустенита характеризуется тем, что в первых проходах наиболее интенсивно упрочняются поверхностные слои заготовки, где деформация максимальна. По мере упрочнения поверхностных слоев деформация начинает проникать вглубь и охватывает всю толщину раската при общей суммарной степени обжатия 75-85%. Наиболее глубоко пластическая деформация проникает в толщину раската при его прокатке в температурном интервале от 740 до 780°С. Поскольку указанная суммарная степень обжатия при чистовой прокатке достаточна для полной проработки структуры на всю толщину раската, обеспечиваются измельчение зерен и повышение хладостойкости готового штрипса.

Ускоренное охлаждение прокатанного штрипса до температуры 520-580°С обеспечивает формирование требуемого фазового состава металла высокопрочного штрипса для магистральных трубопроводов. Для стабилизации свойств толстолистовой стали и снятия остаточных внутренних напряжений после ускоренного охлаждения листы желательно охлаждать более медленно, чтобы обеспечить снятие остаточных внутренних напряжений и протекание в металле процессов, характерных для нормализации, что повышает уровень механических свойств толстых листов. Такой подход способствует получению мелкозернистой равновесной структуры металла.

Применение способа поясняется примером его реализации при производстве штрипса размером 27,7×4490×19400 мм (после резки в меру), категории прочности К65. Производят изготовление заготовок из стали, содержащей, мас.%: C=0,04; Mn=1,86; Si=0,20; Ni=0,25; Nb=0,07; Cr=0,1; Mo=0,3; Cu=0,08; железо и примеси с содержанием каждого примесного элемента менее 0,03% - остальное. При этом содержание марганца связано с содержанием углерода следующей зависимостью: Mn=(2,1-6·С)±0,07. Углеродный эквивалент составляет С_экв.=0,45, т.е. соответствует заявленному диапазону. Следует также отметить, что выплавленная сталь предложенного состава содержала в виде примесей не более 0,018% фосфора, не более 0,007% серы и не более 0,010% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы в подобной стали не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипсов, тогда как их удаление из расплава существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс.

При нагреве непрерывнолитых заготовок размером 315×1850×4520 мм до температуры 1190°С в течение 6 часов происходит аустенизация низколегированной стали, растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц. После выдачи из печи осуществляют черновую прокатку заготовки до толщины 135 мм, составляющей 4,9 от толщины готового штрипса. При этом температура конца черновой прокатки составляет 980°С.

Затем производят подстуживание раската до температуры 750°С на рольганге стана путем ее естественного охлаждения на воздухе.

Чистовую прокатку раската после подстуживания на размер готового штрипса 27,7×4490×19400 мм (после резки в меру) производят с суммарной степенью обжатия 79%. Ускоренное охлаждение полученного штрипса после выхода из клети толстолистового стана производят до температуры 540°С.

При этом дополнительного повышения эффективности рассмотренного способа достигают за счет того, что реверсивную черновую прокатку производят только в поперечном направлении. Следующие после подстуживания первые два прохода чистовой прокатки осуществляют в поперечном направлении. Затем производят кантовку заготовки в плане и все последующие проходы производят в продольном направлении, причем суммарная степень обжатия в двух поперечных проходах чистовой прокатки составляет (135-114)/135=0,08=8%. Получение высокого уровня механических свойств штрипса в поперечном направлении обеспечивается проникновением зоны пластической деформации от поверхности заготовки на всю ее глубину при сравнительно низкой температуре чистовой прокатки, сопровождающимся интенсивной проработкой структуры с формированием поперечной анизотропии.

Прокатанный штрипс подвергают ускоренному водяному охлаждению в специальной установке с последующей правкой на ролико-правильной машине. Ускоренное охлаждение металла после чистовой прокатки приводит к повышению дисперсности структурных составляющих. Последующее замедленное охлаждение металла 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=700-750 Н/мм²; предел текучести σ_т=620-640 Н/мм²; относительное удлинение δ=20-22,5%; ударная вязкость KCV^-40=275-360 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.

Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Экспериментально установлено, что при нагреве заготовки до температуры ниже 1170°С не достигается гомогенизация аустенитной структуры, что препятствует получению требуемого уровня свойств готового проката. Увеличение температуры нагрева выше 1200°С приводит к интенсивному росту зерен аустенита и снижению прочностных свойств толстых листов. При продолжительности аустенизации менее 4 часов заготовка не успевает равномерно прогреться, что приводит к существенной неравномерности деформации и появлению поверхностных дефектов на готовом изделии.

Из опыта установлено, что при толщине раската, составляющей менее 4,2 от толщины готового штрипса, невозможно обеспечить деформацию при чистовой прокатке, достаточную для проработки структуры металла и получения достаточно мелкого зерна на готовом изделии. В то же время, при толщине раската более 5,5 от толщины готового штрипса раскат слишком массивен и операция подстуживания занимает слишком много времени. Иначе говоря, раскат остывает до заданной температуры слишком долго, что неоправданно замедляет процесс подстуживания и приводит к снижению производительности прокатки.

При температуре конца черновой прокатки менее 870°С металл входит в неблагоприятную для деформации температурную область, что может привести к снижению уровня механических свойств готовой продукции.

Экспериментально определено, что для данного штрипса при охлаждении в ходе подстуживания до температуры выше 780°С не достигается требуемая степень измельчения микроструктуры в процессе чистовой прокатки. Это приводит к снижению комплекса механических свойств толстого листа в горячекатаном состоянии и к снижению допустимой толщины листа, так как требует увеличения кратности обжатия сляба. В то же время после подстуживания до температуры менее 740°С чистовая прокатка приводит к уменьшению доли волокнистой составляющей в изломе и ухудшению хладостойкости толстых листов.

Суммарная степень обжатия промежуточной заготовки при чистовой прокатке 75% является минимально допустимой, при которой в температурном диапазоне деформации имеет место интенсивная проработка структуры раската по толщине. Поэтому снижение суммарного обжатия менее 75% приводит к ухудшению механических свойств и не позволяет повысить толщину листа. В то же время увеличение суммарной степени обжатия в низкотемпературном диапазоне чистовой прокатки более 85% характеризуется высоким сопротивлением деформации. При этом возможен неоправданный рост нагрузки на рабочие валки стана при сохранении числа проходов или снижение производительности стана при увеличении числа проходов.

Ускоренное охлаждение полученного штрипса до температуры свыше 580°С не обеспечивает глубокого протекания фазовых превращений и приводит к сохранению значительного количества феррита в структуре проката. Это обуславливает снижение прочностных свойств готового изделия. В то же время охлаждение до температуры ниже 520°С может сопровождаться появлением в структуре металла мартенситной составляющей, что приведет к недопустимому снижению вязкостных свойств трубного штрипса.

Следует отметить, что если суммарная степень обжатия в поперечных проходах чистовой прокатки превышает 20%, то усилия на валках в отдельных проходах могут превышать допустимые значения для используемого стана. Иначе говоря, возникают предпосылки для аварийной ситуации. При суммарной степени обжатия в поперечных проходах чистовой прокатки менее 5% анизотропия зерен металла в поперечном направлении недостаточна, чтобы обеспечить требуемый уровень механических свойств готовой продукции.

Как следует из приведенного анализа, при реализации предложенного технического решения требуемое качество штрипсового проката для труб большого диаметра достигается за счет выбора наиболее рациональных технологических режимов и химического состава стали, а кроме того, за счет характера 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 рассматриваемого изобретения состоят в том, что предложенные температурно-деформационные режимы производства позволяют в наибольшей степени использовать все механизмы упрочнения низколегированной стали данного химического состава: измельчение зерен микроструктуры, дислокационное упрочнение, дисперсионное твердение, анизотропия структуры и свойств. 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 информации

1. Заявка Японии № 59-61504, МПК В21В 1/38; В21В 1/22, 1984.

2. Патент РФ № 2265067, МПК C21D 8/02, 2004.