Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО НИЗКОЛЕГИРОВАННОГО ПРОКАТА

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству листового проката на реверсивном толстолистовом стане, 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 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 [Заявка Японии №59-61504, МПК В21В 1/38; В21В 1/22, опубл. 1984 г.].

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 от температуры конца прокатки 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; остальное - железо и примеси. Способ предусматривает нагрев заготовки до температуры 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 [RU №2265067, МПК C21D 8/02, опубл. 2004 г.].

К недостаткам 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 δ₅=29-34% и работе удара KV_-40=200-250 Дж. В то же время нормативные требования для штрипса категории прочности DNV 450 IFD достигают σ_т=460-565 МПа, σ_в=535-645 МПа, KV_-40≥135 Дж/см². При этом установлена допустимая величина относительного удлинения δ₅≥21%.

Технический результат изобретения состоит в повышении прочностных свойств штрипса толщиной 20-30 мм до уровня DNV 450 IFD, при сохранении достаточной пластичности и хладостойкости.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе производства толстолистового низколегированного штрипса, предусматривающем нагрев заготовки, черновую прокатку, последующее охлаждение промежуточной заготовки, чистовую прокатку, ускоренное охлаждение полученного листового проката до заданной температуры и его последующее замедленное охлаждение, согласно предложенному техническому решению, непрерывнолитую заготовку получают из стали со следующим соотношением элементов, мас.%: С=0,03…0,08; Si=0,10…0,35; Mn=1,4…1,9; Ni=0,1…0,28; Мо=0,05…0,14; Cr≤0,12; Cu≤0,12; В≤0,0005; Al≤0,05; Nb+Ti+V≤0,17, остальное - железо и примеси, с содержанием каждого примесного элемента менее 0,03%, при этом углеродный эквивалент составляет C_экв<0,40, нагрев непрерывнолитой заготовки производят при температуре 1170-1210°С в течение не менее 7 часов, черновую прокатку с переходом от протяжки к разбивке ширины начинают при температуре не ниже 950°С и осуществляют ее на толщину, составляющую 4,0…5,5 толщины готового штрипса с относительными обжатиями за проход не менее 10%, причем последующее охлаждение на воздухе промежуточной заготовки производят до 770-800°С, а разбивку ширины завершают на стадии чистовой прокатки не более, чем за два прохода с суммарным обжатием 8…15%, после чего осуществляют продольную прокатку с обжатием за проход не менее 8% за исключением двух последних проходов, в которых допускают степень обжатия не менее 1%, причем заканчивают чистовую прокатку при температуре не ниже 740°С, а ускоренное охлаждение полученного штрипса производят до температуры, определяемой в зависимости от углеродного эквивалента С_экв из соотношения: Т_ко=(500*С_экв+385°)±15°С, где 500 - эмпирический коэффициент, °С.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Сначала выплавляют заготовку из стали с заданным химическим составом. В целом приведенное содержание элементов обеспечивает необходимый фазовый состав и величину углеродного эквивалента, а также механические свойства штрипса при реализации предлагаемых технологических режимов. Содержание углерода в низколегированной стали предложенного состава определяет ее прочность. Снижение содержания углерода менее 0,03% приводит к падению ее прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,08% сопровождается ухудшением пластических и вязкостных свойств штрипса, приводит к их неравномерности из-за ликвации.

При содержании кремния менее 0,10% ухудшается раскисленность стали, снижается прочность штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,35% приводит к возрастанию количества силикатных включений и негативно отражается на ударной вязкости металла.

В низколегированной штрипсовой стали добавки марганца способствуют твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Содержания марганца менее 1,4% недостаточно, чтобы обеспечить получение требуемого комплекса механических свойств, а превышение значения 1,9% приводит к необоснованному расходу дорогостоящих легирующих компонентов.

Никель в количестве Ni=0,1…0,28% способствует твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению хладостойкости, прочности и коррозионной стойкости готового проката. При концентрации менее 0,1% он не оказывает заметного влияния на качество металла. В то же время, при увеличении концентрации никеля свыше 0,28% не наблюдается дальнейшего повышения механических свойств, но заметен рост расходов на легирование.

Наличие хрома положительно сказывается на прочности и коррозионной стойкости металла и расширяет возможности использования металлического лома при выплавке, что способствует снижению себестоимости производства штрипсов. Однако содержание хрома более 0,12% негативно сказывается на свариваемости сталей.

Содержание молибдена Мо=0,05…0,14% обеспечивает получение требуемых прочностных характеристик, способствует повышению коррозионной стойкости штрипсов. Однако превышение указанного значения не сопровождается дальнейшим повышением качества штрипсов, а лишь увеличивает расходы на легирование, что нецелесообразно. При концентрации менее 0,05% не обеспечиваются прочностные свойства.

Медь способствует повышению прочностных свойств штрипса. Но если содержание этого элемента для данной композиции превышает 0,12%, то может иметь место снижение ударной вязкости стали при отрицательных температурах.

Бор способствует измельчению зерен микроструктуры при черновой горячей прокатке слябов и присутствует в стали как остаточный элемент. Однако увеличение содержания бора свыше 0,0005% может приводить к увеличению количества неметаллических включений и ухудшению вязкостных свойств штрипсов, что негативно сказывается на пластических характеристиках металла.

Алюминий является необходимым раскисляющим и модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает азот в нитриды. Однако увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к графитизации стали, потере прочности и ухудшению свариваемости.

Введение в состав стали ниобия, ванадия и титана в суммарном количестве менее 0,17% способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали при ускоренном охлаждении прокатанных штрипсов, обеспечивающей сочетание высоких прочностных и пластических свойств металла. Ниобий применяют не только для дисперсионного упрочнения стали, но и для эффективного повышения ее прочности и вязкости за счет измельчения зерен. Ванадий в меньшей степени, чем ниобий, способствует измельчению зерна. Тормозящее действие ванадия на процесс рекристаллизации наблюдается лишь при низких температурах. Титан является одной из наиболее эффективных микролегирующих добавок в штрипсовых сталях, так как он способствует дисперсионному твердению, измельчению зерна и модифицированию сульфидных включений. Мелкодисперсные карбиды и карбонитриды ниобия, ванадия и титана препятствуют росту зерна аустенита в ходе нагрева. Однако применение ниобия, ванадия и титана ограничено из-за того, что превышение их суммарного содержания более 0,17% может сопровождаться снижением ударной вязкости стали.

Для предложенного химического состава при значениях углеродного эквивалента С_экв же более 0,40% возможно появление холодных трещин в процессе сварки труб из полученного штрипса. Углеродный эквивалент рассчитывается по формуле: С_экв=С+Mn/6+(Сr+Мо+V)/5+(Ni+Cu)/15, % масс.

Для выполнения поставленной задачи повышения прочностных свойств штрипса до уровня DNV 450 IFD, при сохранении пластичности и увеличении хладостойкости, необходимо получение равномерной и мелкодисперсной структуры готового проката.

При нагреве непрерывнолитой заготовки до температуры 1170…1210°С и ее выдержке при данной температуре не менее 7 часов происходит аустенизация низколегированной стали, растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц.

Последующая многопроходная черновая прокатка в высокотемпературной области позволяет получать равномерную деформацию по всему сечению непрерывнолитой заготовки и способствует максимальной проработке ее структуры. Она обеспечивает получение мелкозернистой однородной структуры путем измельчения зерна аустенита при статической и динамической рекристаллизации, а также деформации. На стадии черновой прокатки осуществляют деформацию по продольной и поперечной (разбивка ширины) схеме, что позволяет получить требуемые размеры промежуточной заготовки.

Охлаждение на воздухе промежуточной заготовки после черновой прокатки необходимо, чтобы избежать деформации в неблагоприятном температурном диапазоне.

Упрочнение толстолистовой стали в процессе чистовой многопроходной прокатки в области затрудненной рекристаллизации аустенита характеризуется тем, что в первых проходах наиболее интенсивно упрочняются поверхностные слои промежуточной заготовки, в которых деформация максимальна. По мере упрочнения поверхностных слоев деформация начинает проникать вглубь и охватывает всю толщину раската. Наиболее глубоко пластическая деформация проникает в раскат при начале прокатки в температурном интервале от 770…800°С, поэтому охлаждение на воздухе (подстуживание) промежуточной заготовки с толщиной, составляющей 4,0…5,5 от толщины готового штрипса, производят именно до этой температуры.

Разбивку ширины завершают на стадии чистовой прокатки не более чем за два прохода с суммарным обжатием 8…15%. Использование поперечной прокатки для разбивки ширины на чистовой стадии необходимо для получения анизотропии зерен в поперечном направлении, достаточной для обеспечения требуемого уровня механических свойств. Это способствует выравниванию уровня механических свойств в продольном и поперечном направлении в готовом штрипсе.

Далее производят продольную чистовую прокатку с целью получения заданных размеров штрипса. Величина обжатия за проход свыше 8% при продольной чистовой прокатке достаточна для полной проработки структуры на всю толщину подката, обеспечивается измельчение зерен и повышение хладостойкости готового штрипса. Кроме того, начало прокатки в заданном интервале температур позволяет сохранить высокую растворимость легирующих элементов в твердом растворе и приводит к твердорастворному упрочнению материала проката. Контролируемая чистовая прокатка в двухфазной области к процессам дисперсионного упрочнения и измельчения зерен до 12-13 балла добавляет развитие текстуры и образование субзерен, которые помимо увеличения прочности повышают сопротивление хрупкому разрушению и усталости. В двух последних проходах для получения заданной толщины листа допускают степень обжатия не менее 1%.

Ускоренное охлаждение полученного штрипса после чистовой прокатки начинают при температуре не менее 740°С после его выхода из клети стана. При таком условии оно приводит к повышению дисперсности структурных составляющих стали. Температуру завершения ускоренного охлаждения листа определяют из полученного эмпирическим путем соотношения Т_ко=(500*С_экв+385°)±15°С, где 500 - эмпирический коэффициент, °С.

Соблюдение этого условия обеспечивает формирование требуемого однородного фазового состава металла высокопрочного штрипса для магистральных трубопроводов.

Замедленное охлаждение штрипсов способствует снятию внутренних термических напряжений и обеспечивается их штабелированием в стопу для остывания после ускоренного охлаждения.

Таким образом, полное использование ресурса свойств, соответствующего низколегированной стали данного химического состава, обеспечивается предлагаемым деформационно-термическим режимом производства штрипса. Технология прокатки направлена на получение оптимального фазового состава и морфологии фаз, измельчение зерен, упрочнение твердого раствора, дисперсионное твердение и дислокационное упрочнение.

Применение способа поясняется примером его реализации при производстве штрипса размером 27×3717×11700 мм (после резки в меру), категории прочности DNV 450 IFD. Производят выплавку заготовок, содержащих, масс.%: С=0,06; Si=0,2; Mn=1,6; Ni=0,2; Nb=0,03; Cr=0,03; Мо=0,08; Cu=0,04; Ti=0,018; V=0,06; Al=0,03; В=0,0002, остальное - железо и примеси менее 0,03. При этом углеродный эквивалент составляет С_экв 0,377%, т.е. соответствует заявленному диапазону. Следует также отметить, что выплавленная сталь предложенного состава содержит в виде примесей не более 0,015% фосфора, не более 0,003% серы и не более 0,009% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипсов, тогда как их удаление из расплава существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс.

Осуществляют нагрев непрерывнолитых заготовок указанного химического состава размером 315×1850×2700 мм до температуры 1190°С в течение 8 часов. После выдачи из печи производят черновую прокатку заготовки. При этом температуру начала черновой прокатки устанавливают 980°С. Черновую прокатку осуществляют до толщины 110 мм, составляющей 4,07 от толщины готового штрипса. При этом первые проходы производят по продольной схеме, а последние - по поперечной (разбивка ширины). Относительные обжатия за проход на стадии черновой прокатки составляют 10-15%.

Затем производят подстуживание промежуточной заготовки толщиной 110 мм до температуры 790°С на рольганге стана, за счет ее естественного охлаждения на воздухе.

После подстуживания на стадии чистовой прокатки завершают разбивку ширины в низкотемпературной области за два прохода с суммарным обжатием 14%. Полученную заготовку толщиной 95 мм прокатывают по продольной схеме на размер готового штрипса 27×3717×11700 мм (после резки в меру) со степенью обжатия 8-12% за проход, за исключением двух последних проходов, в которых, с целью получения заданной толщины готового штрипса, степень обжатия уменьшают до величины 1-4%. Заканчивают чистовую прокатку при температуре 760°С. После чистовой прокатки полученный штрипс подвергают ускоренному водяному охлаждению в специальной установке. Ускоренное охлаждение полученного штрипса начинают после выхода штрипса из клети стана при температуре 760°С и производят до температуры, определяемой из соотношения: Т_ко=(500*С_экв+385°)±15°С и составляющей в данном случае Т_ко=(573±15)°С для углеродного эквивалента С_экв=0,377. Последующее замедленное охлаждение металла осуществляют путем выдержки на воздухе штабелированной стопы горячекатаных штрипсов, состоящей из 10-16 листов. Указанное замедленное охлаждение способствует снятию внутренних термических напряжений в материале штрипса.

Механические свойства штрипса определяли на поперечных образцах. Температурно-деформационный режим прокатки обеспечил получение мелкозернистой структуры с заметной поперечной и продольной анизотропией зерен. Испытания на статическое растяжение осуществляли на плоских пропорциональных полнотолщинных образцах по ГОСТ 1497, а на работу удара на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 при температуре - минус 40°С. Получены следующие механические свойства для поперечных образцов: временное сопротивление σ_в=560…620 Н/мм²; предел текучести σ_т=510…560 Н/мм²; относительное удлинение δ₅=21…25%; работа удара KV_-40=260…280 Дж. Указанный уровень свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к штрипсу категории прочности DNV 450 IFD.

Таким образом, применение предложенного способа прокатки обеспечивает достижение требуемого результата - получение на толстолистовом реверсивном стане штрипса для труб большого диаметра с уровнем механических свойств, соответствующим категории прочности DNV 450 IFD.

Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Экспериментально установлено, что при нагреве сляба до температуры ниже 1170°С не достигается гомогенизация аустенитной структуры, что препятствует получению требуемого уровня свойств готового проката. Увеличение температуры нагрева выше 1210°С сопровождается интенсивным ростом зерен аустенита и снижением прочностных свойств толстых листов. При продолжительности нагрева менее 7 часов непрерывнолитая заготовка не успевает равномерно прогреться, что приводит к существенной неравномерности деформации при прокатке и появлению поверхностных дефектов на готовом изделии.

При температуре начала черновой прокатки менее 950°С металл попадает в неблагоприятную для деформации температурную область, что может привести к повышенным нагрузкам на оборудование и невозможности обеспечить требуемую величину обжатия.

Из опыта установлено, что при толщине промежуточной заготовки, превышающей толщину готового штрипса менее чем в 4 раза, невозможно обеспечить деформацию при чистовой прокатке, достаточную для проработки структуры металла и получения мелкого зерна в готовом изделии. В то же время, при толщине промежуточной заготовки более 5,5 от толщины готового штрипса, заготовка слишком массивна и операция промежуточного подстуживания занимает слишком много времени. Иначе говоря, промежуточная заготовка остывает до заданной температуры чистовой прокатки слишком долго, что неоправданно замедляет процесс подстуживания и приводит к снижению производительности прокатки.

При относительных обжатиях за проход в процессе черновой прокатки менее 10% возможно неравномерное распределение деформации по сечению непрерывнолитой заготовки. В этом случае в осевой зоне заготовки может сохраниться ликвационная полоса, что приведет к появлению брака по механическим свойствам.

Экспериментально определено, что для данного штрипса при охлаждении промежуточной заготовки в ходе подстуживания до температуры выше 800°С не всегда достигается требуемая степень измельчения микроструктуры в процессе чистовой прокатки. Это приводит к снижению комплекса механических свойств толстого листа. В то же время после подстуживания заготовки до температуры менее 770°С чистовая прокатка сопровождается уменьшением доли волокнистой составляющей в изломе и ухудшением хладостойкости толстых листов.

Разбивку ширины завершают на стадии чистовой прокатки. Если суммарное обжатие за два прохода при разбивке ширины на стадии чистовой прокатки не достигает 8%, то можно ожидать, что механические свойства готового штрипса в поперечном направлении будут недостаточно высоки, поскольку поперечная деформация в низкотемпературной области слишком мала для их формирования. В то же время, если указанное обжатие превышает 15%, возникает опасность выхода из строя оборудования ввиду превышения допустимого усилия прокатки.

Опытным путем установлено, что величина обжатия промежуточной заготовки 8% за проход при продольной чистовой прокатке является минимально допустимой, при которой в температурном диапазоне деформации имеет место интенсивная проработка структуры раската по толщине. Поэтому снижение величины обжатия за проход менее 8% приводит к ухудшению механических свойств штрипса. В то же время, для последних одного-двух проходов чистовой прокатки должна быть предусмотрена возможность использования небольших обжатий не менее 1%, чтобы с максимальной точностью обеспечить получение заданных размеров готового проката. При обжатиях менее 1% возможно нарушение планшетности листа, т.е. появление волнистости или коробоватости.

Экспериментально определено, что окончание чистовой прокатки при температуре ниже 740°С может сопровождаться появлением рекристаллизованных зерен феррита, что приводит к конечной разнозернистости и понижению вязкопластических свойств готового штрипса.

Ускоренное охлаждение полученного штрипса до температуры, превышающей допустимую по расчету температуру, не обеспечивает полного протекания фазовых превращений, связанных с величиной углеродного эквивалента, 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 расчетной сопровождается недопустимым снижением вязкостных свойств трубного штрипса.

Как следует из приведенного анализа, при реализации предложенного технического решения требуемое качество штрипсового проката для труб большого диаметра достигается за счет выбора наиболее рациональных температурно-деформационных режимов для данного химического состава стали, а также 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 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 химсостава: измельчение зерна, дислокационное упрочнение, дисперсионное твердение, анизотропия структуры и свойств. Использование предложенного способа для производства штрипсов категории прочности DNV 450 IFD, толщиной 20-30 мм из низколегированной стали позволит повысить выход годного на данном сортаменте на 3-5%.