Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к прокатному производству, и может быть использовано при прокатке на реверсивных станах листов для штамповки и сварки соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов с последующим их термическим улучшением.

Для производства штампованных сварных соединительных деталей магистральных трубопроводов необходимы горячекатаные листы толщиной 15-60 мм, шириной 1500-3500 мм из низколегированной стали, обладающие в состоянии поставки следующим комплексом механических свойств (табл.1).

Известен способ производства толстых листов из низколегированной стали, содержащей по массе, %:

Способ включает нагрев слябов до температуры аустенитизации, прокатку с суммарным обжатием не менее 40% при температуре конца прокатки ниже 950°С. Для повышения механических свойств листы подвергают закалке с температуры (Ar₃-50)°С и отпуск при температуре ниже Ac₁ [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что толстые листы после прокатки имеют недостаточную пластичность, что не позволяет штамповать из них элементы соединительных деталей трубопроводов, а также низкие вязкостные свойства, которые не улучшаются после закалки с отпуском. Это ухудшает качество толстых листов и снижает выход годного.

Известен также способ производства толстых листов из низколегированной стали, содержащей, мас.%:

Согласно этому способу производят нагрев слябов выше температуры Ас₃, черновую прокатку с обжатием до 80%, ускоренное охлаждение раската до среднемассовой температуры (Ar₃+100)°С, чистовую прокатку с обжатием не менее 40%, при этом скорость ускоренного охлаждения устанавливают не менее 0,6°С/с в зависимости от толщины раската [2].

Недостаток известного способа состоит в том, что толстые листы после прокатки имеют низкий комплекс механических свойств и не пригодны для штамповки элементов соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ контролируемой прокатки толстых листов из низколегированной стали марки 10Г2ФБ (по ТУ 14-1-4036-96) следующего химического состава, мас.%:

Способ включает нагрев сляба в методической печи до температуры аустенитизации 1150-1200°С, многопроходную черновую и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца чистовой прокатки не выше 740-750°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что толстый лист после контролируемой прокатки имеет высокую прочность при пониженной пластичности. Это снижает выход годного и не позволяет использовать листы для штамповки соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в улучшении механических свойств и повышении выхода годного.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства толстолистового проката из низколегированной стали для изготовления штамповкой соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов, включающем нагрев непрерывно-литых слябов, многопроходные черновую и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, согласно предложению нагрев слябов производят до температуры 1170-1190°С, а чистовую многопроходную прокатку начинают при температуре не выше 970°С, проводят с суммарным обжатием 50-70% и завершают при температуре не выше 900°С. Горячекатаные листы подвергают нормализации при температуре 910-940°С с охлаждением на воздухе, а перед горячей прокаткой непрерывно-литые слябы подвергают отжигу при температуре не выше 750°С. Кроме того, низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Сущность изобретения состоит в следующем. Отжиг перед горячей прокаткой непрерывно-литых слябов при температуре не выше 750°С способствует гомогенизации химического состава стали, снятию внутренних фазовых и термических напряжений, при этом исключает рост и коагуляцию карбидной фазы. Это позволяет ужесточить температурно-деформационные режимы последующей горячей прокатки.

При последующем нагреве литых слябов до температуры 1170-1190°С происходит аустенитизация низколегированной стали, растворение дисперсных карбидных и карбонитридных упрочняющих частиц. Многопроходная прокатка в черновой клети с обжатием раската по толщине обеспечивает разрушение литой структуры, подавляет разнобалльность аустенитных зерен. В процессе черновой многопроходной прокатки температура раската снижается от 1170-1190°С до значения не выше 970°С.

Благодаря этому в процессе чистовой многопроходной прокатки с суммарным обжатием 50-70% в температурном интервале от температуры не выше 970°С до температуры не выше 900°С (Т_кп≤900°С), замедляется рост деформированных аустенитных зерен в процессе динамической и статической (в паузах между проходами) рекристаллизации, происходит интенсивная механическая "проработка" микроструктуры листа на всю его толщину, устраняется осевая рыхлость и осевые трещины, наследованные от литого сляба, формируется равномерная мелкозернистая перлитная микроструктура, обладающая повышенными вязкостными и пластическими свойствами. Дополнительная нормализация горячекатаных листов при их нагреве до температуры 910-940°С обеспечивает полное снятие термических, деформационных и структурных напряжений в горячекатаных листах, что повышает их штампуемость и ударную вязкость. Использование слябов из низколегированной стали предложенного состава при выполнении заданных режимов деформационно-термической обработки листов обеспечивает формирование механических свойств, соответствующих табл.1. За счет этого достигается улучшение качества листов и увеличивается выход годного.

Экспериментально установлено, что отжиг непрерывно-литых слябов при температуре выше 750°С увеличивает окисленность границ литых кристаллитов, выделению грубых карбонитридных, сульфидных и оксидных включений, что ухудшает технологическую пластичность слябов и конечные механические свойства листового проката.

Также экспериментально установлено, что повышение температуры нагрева сляба более 1190°С приводит к чрезмерному росту зерен аустенита, и, кроме того, требует увеличения продолжительности многопроходной черновой прокатки для его охлаждения до температуры начала чистовой прокатки не выше 970°С. Это ухудшает равномерность микроструктуры и свойства листов. Снижение температуры нагрева менее 1170°С не обеспечивает полного растворения упрочняющих дисперсных карбидных и карбонитридных частиц, что ухудшает технологическую пластичность, равномерность микроструктуры и механические свойства листов.

Если температура начала чистовой прокатки будет выше 970°С, то не достигаются необходимое отношение σ_т/σ_в, уровень пластичности и вязкости в листах после их нормализации недостаточен для штамповки.

При суммарном обжатии в чистовых проходах менее 50% и завершении чистовой прокатки при температуре Т_кп>900°С не достигается оптимальная степень измельчения зерен микроструктуры и механическая проработка стали на всю толщину листа. Это ведет к снижению прочностных и вязкостных свойств. При суммарном обжатии более 70% возрастает отношение σ_т/σ_в, ухудшается пластичность и снижается выход годного.

Нормализация при температуре ниже 910°С не позволяет в полной мере улучшить механические свойства, что снижает выход годного. Увеличение температуры нагрева выше 940°С способствует снижению прочностных свойств ниже допустимого уровня, уменьшает выход годного.

Углерод 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 0,07% ухудшает пластические и вязкостные свойства листов, приводит к их неравномерности из-за ликвации.

При содержании кремния менее 0,20% ухудшается раскисленность стали, снижается прочность листов. Увеличение содержания кремния более 0,40% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость листов.

Снижение содержания марганца менее 1,40% увеличивает окисленность стали, ухудшает качество листов. Повышение содержания марганца более 1,8% увеличивает отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву, что недопустимо.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. При концентрации менее 0,02% его воздействие проявляется слабо, что ухудшает механические свойства листов. Увеличение его содержания более 0,05% графитизирует углерод, что также ухудшает их механические свойства.

Ниобий в стали при температуре прокатки в чистовой клети в интервале от температуры не выше 970°С до температуры не выше 900°С, при суммарном обжатии 50-70% способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали, обеспечивающей сочетание высоких прочностных и пластических свойств листов после нормализации. При концентрации ниобия менее 0,03% механические свойства листов даже в нормализованном состоянии недостаточно высоки. Повышение его концентрации более 0,06% не приводит к дальнейшему повышению механических свойств листов, поэтому нецелесообразно.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь, повышающим ударную вязкость при отрицательных температурах. Снижение содержания титана менее 0,01% ухудшает прочность и вязкость стали. Количество титана в стали не должно превышать 0,04% из-за ухудшения пластичности горячекатаных нормализованных листов и увеличения отношения σ_т/σ_в, приводящих к снижению выхода годного.

Ванадий измельчает зерно микроструктуры, повышает прочность и вязкость листов, прокатанных и нормализованных по предложенным режимам. При содержании ванадия менее 0,06% листы имеют недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания ванадия сверх 0,09% оказалось нецелесообразным, так как не улучшало свойств листов и не увеличивало выход годного.

Хром, никель и медь повышают прочность листов. Но при содержании хрома более 0,30%, и никеля более 0,50% и меди более 0,30% уменьшается пластичность и вязкость горячекатаной нормализованной стали. Снижение содержания хрома менее 0,10%, никеля менее 0,20% или меди менее 0,10% не улучшает свойства стали, а лишь затрудняет ее получение, т.к. ограничивает возможность применения металлолома, содержащего эти примеси.

Молибден обеспечивает получение горячекатаных листов заданной прочности, вязкости, пластичности, когда содержание его составляет 0,08-0,17%. При снижении концентрации молибдена менее 0,08% вязкостные и пластические свойства ухудшаются, что ведет к снижению выхода годных листов. Увеличение содержания молибдена сверх 0,17% не способствует дальнейшему повышению качества листов, а лишь увеличивает расход легирующих, что нецелесообразно.

Следует также отметить, что сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,005% серы, не более 0,015% фосфора и не более 0,011% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на качество листов, тогда как их удаление из расплава стали существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс. Увеличение концентрации серы более 0,005%, фосфора более 0,015% или азота более 0,011% приводит к ухудшению механических свойств и снижению выхода годных листов.

Пример реализации способа

В электродуговой печи емкостью 100 тонн производят выплавку низколегированных сталей различного состава (табл.2).

Выплавленные стали составов 1-6 разливают на вертикальной МНЛЗ в слябы сечением 200×1350 мм, которые загружают в газовую печь и отжигают при температуре Т_о=730°С, после чего охлаждают с печью.

Отожженные слябы нагревают в методической печи до температуры Т_а=1180°С и прокатывают в черновой клети кварто толстолистового реверсивного стана 2800 за 7 проходов (с разбивкой ширины) в раскат толщиной 45 мм с одновременным охлаждением до температуры начала чистовой прокатки Т_нп=950°С.

Затем листы толщиной 45 мм задают в чистовую клеть кварто и прокатывают их в температурном интервале от Т_нп=950°С до Т_кп=830°С за 7 проходов до конечной толщины 18 мм по схеме:

45 мм → 38 мм → 32 мм → 28 мм → 25 мм → 22 мм → 19,5 мм → 18,0 мм.

Суммарное обжатие ε_Σ при чистовой прокатке составляет:

Прокатанные листы пропускают через проходную роликовую печь с газовым подогревом, где осуществляют их нагрев до температуры нормализации Т_н=925°С, и, после выравнивания температуры по сечению, охлаждают на воздухе.

От нормализованных листов отбирают пробы для испытания механических свойств, по результатам которых производят отсортировку некондиционного проката, что определяет выход годного Q.

В табл.3 приведены варианты способа производства толстолистового проката из низколегированной стали для изготовления штамповкой соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов, а также показатели их эффективности.

Как следует из табл.2, при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение качества листов при максимальном выходе годного.

В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты 1 и 5) и при реализации способа-прототипа (вариант 6), листы имеют более низкое качество по своим механическим свойствам, что снижает выход годного.

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что деформационно-термическое производство листов по предложенным оптимальным режимам из стали предложенного состава обеспечивают формирование требуемого повышенного комплекса механических свойств горячекатаных нормализованных толстых листов, за счет чего достигается улучшение качества и увеличивается выход годного.

В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа производства листов из предложенной низколегированной стали повысит уровень рентабельности их получения на 10-18%.

Источники информации

1. Патент №4572748 (США), МПК С21D 1/18, С21D 1/62, 1986 г.

2. Заявка №60-56017 (Япония), МПК С21D 8/02, 1985 г.

3. Ю.И.Матросов и др. Сталь для магистральных газопроводов. М.: Металлургия, 1989 г., с.250-253 - прототип.