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 полученного листа до температуры окружающей среды в естественных условиях.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства толстолистового низколегированного штрипса, включающий получение заготовки из стали, содержащей углерод, марганец, кремний, никель, ниобий, молибден, медь, хром, железо и примеси, с углеродным эквивалентом, равным С_экв=0,41-0,46, получение заготовки из нее, аустенизацию заготовки, черновую прокатку, подстуживание на воздухе подкатов толщиной 4,2-5,5 от толщины готового штрипса, последующую чистовую прокатку и охлаждение готового штрипса с обеспечением структуры, содержащей ферритные и бейнитные составляющие [2]. Значения предела прочности и предела текучести, заявленные для данного способа, соответствуют нормативным требованиям для штрипса категории прочности К60(Х70)-К70(Х90).

К недостаткам данного способа можно отнести то, что химический состав и технология производства толстолистового штрипса не всегда обеспечивают требуемые значения хладостойкости (при температуре испытаний на ударную вязкость -40°С) и коррозионной стойкости.

Технический результат изобретения состоит в получении механических свойств штрипса толщиной 20-40 мм, соответствующих требованиям категории прочности К60(Х70)-К70(Х90), при повышении хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката

Технический результат достигается тем, что в способе производства толстолистового низколегированного штрипса, включающем получение заготовки из стали, содержащей углерод, марганец, кремний, никель, ниобий, молибден, медь, хром, железо и примеси, с углеродным эквивалентом, равным С_экв=0,41-0,46, получение заготовки из нее, аустенизацию заготовки, черновую прокатку, подстуживание на воздухе подкатов толщиной 4,2-5,5 от толщины готового штрипса, последующую чистовую прокатку и охлаждение готового штрипса с обеспечением структуры, содержащей ферритные и бейнитные составляющие, согласно предложению получают сталь, дополнительно содержащую ванадий, а марганец задают в зависимости от содержания углерода (С), исходя из соотношения: Mn=(1,5+(0,00033/С²))±0,05, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом температуру начала черновой прокатки заготовки задают не ниже 950°С, а температуру начала чистовой прокатки Т_нп назначают в зависимости от фактической толщины подката при подстуживании исходя из соотношения

,

где K₁ - эмпирический коэффициент, K₁=-0,15°С/мм²;

Н_п - толщина подката при подстуживании, мм;

K₂ - эмпирический коэффициент, K₂=45,61°С/мм;

K₃ - эмпирический коэффициент, K₃=-2684,1°С.

Технический результат достигается также тем, что после чистовой прокатки ведут ускоренное охлаждение готового штрипса до заданной температуры и последующее замедленное охлаждение с обеспечением структуры готового штрипса, включающей ферритные и бейнитные составляющие.

Сущность изобретения состоит в том, что получение высокой хладостойкости и коррозионной стойкости для низколегированной стали данного химического состава обеспечивается деформационно-термическим режимом ее производства. Технология прокатки направлена на получение оптимального фазового ферритно-бейнитного состава и морфологии фаз, измельчение зерен микроструктуры, упрочнение твердого раствора, дисперсионное твердение, дислокационное и текстурное упрочнение.

Сначала получают заготовку из низколегированной стали, дополнительно, по отношению к известному способу, содержащую ванадий, со следующим соотношением компонентов, мас.%:

Причем величину содержания марганца (мас.%) задают в зависимости от содержания углерода исходя из соотношения Mn=(1,5+(0,00033/С²))±0,05. С увеличением содержания углерода содержание марганца уменьшается, что позволяет получать величину углеродного эквивалента в заданном диапазоне С_экв=0,41-0,46.

При этом учитывается, что в рассматриваемой низколегированной штрипсовой стали добавки марганца способствуют твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Снижение его содержания должно компенсироваться использованием других, более дешевых легирующих элементов, оказывающих аналогичное влияние.

Увеличение содержания хрома способствует повышению прочности и коррозионной стойкости штрипса, т.е. компенсирует снижение содержания марганца. В рамках заданной концентрации хром не оказывает вредного влияния на свариваемость штрипсов при производстве труб, однако расширяет возможности использования металлического лома при выплавке, что удешевляет производство штрипсового проката.

Дополнительный ввод такого легирующего элемента, как ванадий, также позволяет компенсировать снижение содержания марганца за счет влияния на хладостойкость штрипсовой стали.

В целом приведенное содержание компонентов при реализации предлагаемых технологических режимов обеспечивает необходимый фазовый состав и механические свойства штрипса на уровне категории прочности К60(Х70)-К70(Х90).

Затем производят аустенизацию заготовки, черновую прокатку, подстуживание на воздухе подкатов толщиной 4,2-5,5 от толщины готового штрипса, последующую чистовую прокатку и охлаждение готового штрипса с обеспечением структуры, содержащей ферритные и бейнитные составляющие.

Аустенизация непрерывнолитой заготовки обеспечивает получение исходной однородной структуры металла путем измельчения зерна аустенита за счет статической рекристаллизации. В ходе последующей многопроходной черновой прокатки с температурой начала деформации не ниже 950°С аустенитное зерно интенсивно измельчается до размера 30-70 мкм.

Подстуживание на воздухе подкатов с толщиной, составляющей 4,2-5,5 от толщины готового штрипса, к процессам дисперсионного упрочнения и измельчения зерен до 11-12 балла добавляет развитие текстуры и образование субзерен. Субзеренное упрочнение имеет определяющее значение в формировании механических свойств готового проката. При этом субзерна, помимо повышения прочностных характеристик, благоприятно сказываются на сопротивлении хрупкому разрушению и усталости.

Упрочнение толстолистовой стали в процессе последующей 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 подката. Глубина проникновения пластической деформации в металл зависит в основном от толщины подката и от температуры начала чистовой прокатки. Соответственно температуру начала чистовой прокатки Т_нп назначают исходя из следующего соотношения: , где K₁=-0,15°С/мм²; K₂=45,61°С/мм; K₃=-2684,1°С, Н_п - толщина подката при подстуживании, мм.

Последующее охлаждение прокатанного штрипса обеспечивает формирование мелкозернистой равновесной структуры металла, содержащей ферритные и бейнитные составляющие. Для стабилизации свойств толстолистовой стали желательно обеспечить снятие остаточных внутренних напряжений и протекание в металле процессов, характерных для нормализации, что повышает уровень механических свойств толстолистового штрипса. Такой подход способствует получению структуры, которая необходима для обеспечения хладостойкости штрипса.

Применение способа поясняется примером его реализации при производстве штрипса размером 33,4×4490×13500 мм, категории прочности К65. Производят выплавку непрерывнолитых заготовок размером 315×1850×3500 мм из стали, содержащей, мас.%: C=0,05; Si=0,20; Ni=0,2; Nb=0,06; Mo=0,2; Cu=0,07; V=0,03, Cr=0,25, Mn=1,63, железо и примеси. При этом содержание марганца связано с содержанием углерода приведенной зависимостью Mn=(1,5+(0,00033/С²))±0,05, а углеродный эквивалент составляет С_экв=0,44, т.е. соответствует заявленному диапазону. Следует также отметить, что выплавленная сталь предложенного состава содержит в виде примесей не более 0,016% фосфора, не более 0,007% серы и не более 0,009% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипса, тогда как их удаление из расплава существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс.

При нагреве непрерывнолитых заготовок производят аустенизацию низколегированной стали, растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц. После выдачи из печи осуществляют черновую прокатку заготовки до толщины 150 мм, составляющей 4,5 от толщины готового штрипса. При этом температура начала черновой прокатки составляет 990°С, т.е. выше минимально допустимой температуры 950°С.

Затем производят подстуживание подката на рольганге стана путем его естественного охлаждения на воздухе до определяемой расчетным путем из заявленного соотношения температуры Т_нп=783°С.

Чистовую прокатку раската после подстуживания производят на размер готового штрипса 33,4×4490×13500 мм (после резки в меру), после чего осуществляют ускоренное охлаждение полученного штрипса, которое приводит к повышению дисперсности получаемой структуры. Последующее замедленное охлаждение металла осуществляют путем выдержки на воздухе штабелированной стопы горячекатаных штрипсов. Такой режим охлаждения способствует получению ферритной и бейнитной структурных составляющих, а также 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 ударную вязкость - 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. Стойкость к водородной и сероводородной коррозии составляет CLR≤6% и CTR≤1%.

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 при сниженном уровне содержания марганца, т.е. с меньшей себестоимостью по легированию.

Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Экспериментально установлено, что снижение содержания марганца ниже значений, определяемых соотношением Mn=(1,5+(0,00033/С²))±0,05, существенно увеличивает окисленность стали, что ухудшает качество штрипсов и препятствует получению требуемого уровня свойств готового проката. В то же время увеличение содержания марганца выше расчетных значений приводит к неоправданному повышению себестоимости продукции. С увеличением содержания углерода содержание марганца уменьшается, что позволяет обеспечивать величину углеродного эквивалента в заданном диапазоне С_экв=0,41-0,46.

Из опыта установлено, что меньшей толщине подката при подстуживании должна соответствовать более низкая температура начала чистовой прокатки. Если эта температура опускается ниже значений, определяемых соотношением , то операция подстуживания занимает слишком много времени. Иначе говоря, подкат остывает до заданной температуры слишком долго, что неоправданно замедляет процесс подстуживания и приводит к снижению производительности прокатки. В то же время при температуре начала чистовой прокатки, превышающей допустимые значения, невозможно обеспечить деформацию, достаточную для проработки структуры металла и получения достаточно мелкого зерна на готовом изделии.

Экспериментально определено, что для толстолистового низколегированного штрипса заявленного состава при температуре начала черновой прокатки менее 950°С металл входит в неблагоприятную для деформации температурную область, что может привести к снижению уровня 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. Однако, в случае выхода варьируемых технологических параметров за установленные для рассматриваемого способа границы, не всегда удается обеспечить соответствие полученных штрипсов заданным требованиям хладостойкости (вязкости при низких температурах) 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 К60(Х70)-К70(Х90), толщиной 20-40 мм из низколегированной стали позволит повысить выход годного на данном сортаменте на 2-4%.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения

1. Заявка Японии №59-61504, МПК B21B 1/38, B21B 1/22, 1984.

2. Патент РФ №2390568, МПК C21D 8/02, C22C 38/58, 2010.