СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
MANUFACTURING METHOD OF ROLLED STEEL PLATE FROM LOW-ALLOY STEEL

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°C и его черновую прокатку до промежуточной толщины раската 70 мм с температурой конца деформации 900°C. Затем предусмотрена транспортировка раската в зону охлаждения вне линии прокатки и его охлаждение на воздухе до температуры ниже 800°C. После охлаждения раската проводят его чистовую прокатку до конечной толщины с температурой конца деформации 730°C 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 от температуры конца прокатки до температуры окружающей среды.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства толстолистового проката из низколегированной стали [2], включающий выплавку, разливку стали на непрерывнолитые заготовки, нагрев заготовки, черновую прокатку, последующее охлаждение промежуточной заготовки, чистовую прокатку, ускоренное охлаждение полученного листового проката до заданной температуры и его последующее замедленное охлаждение, отличающийся тем, что выплавляют сталь со следующим соотношением элементов, мас.%:
экв
экв
С=0,03-0,08; Mn=1,40-1,90; Si=0,1-0,35; Ni=0,10-0,28; Мо=0,05-0,14; Cu≤0,12; В≤0,0005; Al≤0,05; Nb+Ti+V≤0,17; остальное - железо и примеси, при этом углеродный эквивалент составляет С<0,40. Способ предусматривает нагрев заготовки при температуре 1170-1210°С в течение не менее 7 часов, предварительную деформацию (черновую прокатку) с переходом от продольной к поперечной прокатке с разбивкой ширины и с относительными обжатиями за проход не менее 10%, которую начинают при температуре не ниже 950°С и производят до толщины, составляющей 4,0-5,5 толщины готового листа. 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 этого осуществляют продольную прокатку с обжатием за проход не менее 8% за исключением двух последних проходов, в которых - степень обжатия не менее 1%. Чистовую прокатку заканчивают при температуре не ниже 740°С, а ускоренное охлаждение полученного листа производят до температуры, определяемой в зависимости от углеродного эквивалента С из соотношения:
ко
экв
Т=(500С+385°C)±15°C, где 500 - эмпирический коэффициент, °C
т
в
5
т
в
5
К недостаткам данного способа можно отнести то, что механические свойства толстого листа из низколегированной стали, получаемого при его использовании, не всегда соответствуют предъявляемым требованиям. Значения предела прочности и предела текучести, заявленные для данного способа, составляют σ=510…560 МПа, σ=560…620 МПа, при относительном удлинении δ≥21…25%. В то же время, нормативные требования для толстолистового проката категории прочности DNV 485 IFD соответствуют более высокому уровню: σ=520-620 МПа, σ=570-690 МПа, δ≥30%.
Технический результат изобретения, состоит в повышении прочностных свойств штрипса толщиной 30-40 мм до уровня DNV 485 IFD, при сохранении достаточной пластичности и хладостойкости.
Mn
Cu
cm
ко
2
2
Указанный результат достигается тем, что в известном способе производства толстолистового проката из низколегированной стали, включающем выплавку, разливку стали на непрерывнолитые заготовки, 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, выплавляют сталь со следующим соотношением элементов, масс.%: С=0,04-0,08; Si=0,1-0,25; =1,2-1,6; Ni=0,3-0,5; Mo=0,15-0,25; Cr≤0,12; =0,15-0,45; Al≤0,05; V=0,03-0,06; Nb=0,02-0,05; Ti=0,01-0,03, остальное - железо и примеси, с содержанием каждого примесного элемента менее 0,03%, при этом параметр стойкости против растрескивания составляет P<0,23%, черновую прокатку с переходом от продольной к поперечной прокатке с разбивкой ширины начинают при температуре не ниже 970°C и осуществляют ее с относительными обжатиями за проход не менее 10%, до толщины, составляющей 3,5-5,2 толщины готового листа, а чистовую прокатку начинают при температуре не ниже 740°C, причем первые проходы чистовой прокатки, на которых осуществляют разбивку ширины, производят с обжатием не более 10%, и заканчивают чистовую прокатку проглаживающим проходом без обжатия при температуре не ниже 720°С, после чего производят ускоренное охлаждение полученного листа до температуры, определяемой в зависимости от его толщины из соотношения: Т=(717°C-0,11*h)±15°С, где 0,11 - эмпирический коэффициент, °C/мм; h - толщина готового листа, мм. 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 параметра стойкости против растрескивания, а также механические свойства толстолистового проката при реализации предлагаемых технологических режимов. Содержание 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 0,08% сопровождается ухудшением пластических и вязкостных свойств листа, приводит к их неравномерности по толщине из-за ликвации.
При содержании кремния менее 0,10% ухудшается раскисленность стали, снижается прочность проката. Увеличение содержания кремния более 0,25% приводит к возможности появления силикатных включений и негативно отражается на ударной вязкости металла.
В низколегированной малоуглеродистой стали добавки марганца способствуют твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Содержания марганца менее 1,2% недостаточно, чтобы обеспечить получение требуемых прочностных характеристик, а превышение значения 1,6% приводит к необоснованному расходу дорогостоящих легирующих компонентов.
Никель в количестве Ni=0,3-0,5% способствует твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению хладостойкости, прочности и коррозионной стойкости готового проката. При концентрации менее 0,3% он не оказывает заметного влияния на качество металла в рамках данного химического состава. В то же время, при увеличении концентрации никеля свыше 0,5% при росте расходов на легирование не наблюдается существенного повышения уровня механических свойств.
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=0,15-0,25% обеспечивает получение требуемых прочностных характеристик, способствует повышению коррозионной стойкости штрипсов. Однако превышение максимального значения не сопровождается дальнейшим повышением качества штрипсов, а лишь увеличивает расходы на легирование, что нецелесообразно. При концентрации менее 0,15% в ряде случаев не обеспечиваются прочностные свойства.
Медь, как правило, способствует повышению прочностных свойств штрипса. Но если содержание этого элемента для данной композиции превышает 0,45%, то может иметь место снижение ударной вязкости стали при отрицательных температурах. В то же время снижение содержания меди менее 0,15% способно приводить к снижению предела прочности и предела текучести металла листа.
Алюминий является необходимым раскисляющим и модифицирующим элементом. Кроме того, он способен связывать азот в нитриды. Однако увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к графитизации стали, сопровождающейся потерей прочности и ухудшением свариваемости листового проката.
Ниобий применяют не только для дисперсионного упрочнения стали, но и для эффективного повышения ее прочности и вязкости за счет измельчения зерен. Введение в состав рассматриваемой стали ниобия в количестве 0,02-0,05% способствует максимально эффективному взаимодействию с такими легирующими элементами, как ванадий и титан. Это способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры металла при ускоренном охлаждении прокатанных штрипсов, что обеспечивает сочетание высоких прочностных и пластических свойств металла. Снижение содержания ниобия ниже 0,02% не обеспечивает достаточного дисперсионного и зернограничного упрочнения. В то же время превышение уровня Nb=0,05% - ухудшает свариваемость стали и экономически не целесообразно ввиду повышения расходов на легирование.
Ванадий в меньшей степени, чем ниобий, способствует измельчению зерна. Тормозящее воздействие ванадия на процесс рекристаллизации наблюдается лишь при низких температурах. Снижение содержания ванадия ниже 0,03% не обеспечивает достаточной степени дисперсионного и зернограничного упрочнения. В то же время превышение заданного верхнего уровня 0,06% сопровождается ухудшением свариваемости стали.
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 титана, выделившиеся в процессе горячей прокатки и охлаждения полос водой, обладают высокой устойчивостью к перегреву. Однако уменьшение содержания титана менее 0,01% не позволяет получить достаточно заметный положительный эффект. В то же время повышение содержания титана свыше 0,03% сопровождается снижением вязкостных свойств металла, что недопустимо для сталей данного сортамента.
cm
Для предложенного химического состава при значениях параметра стойкости против растрескивания P>0,23% возможно появление холодных трещин в процессе сварки труб из полученного штрипса. Параметр стойкости против растрескивания рассчитывают по формуле:
экв
C=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10)/5+5B, %масс.
Для выполнения поставленной задачи повышения прочностных свойств штрипса до уровня DNV 485 IFD, при сохранении пластичности и увеличении хладостойкости, необходимо получение равномерной и мелкодисперсной структуры готового проката.
При нагреве непрерывнолитой заготовки и ее выдержке в нагревательной печи 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. Решению этих задач способствует то, что черновую прокатку начинают при температуре не ниже 970°С.
На стадии черновой прокатки осуществляют деформацию по продольной (протяжка) и поперечной (разбивка ширины) схеме, причем разбивка ширины полностью не завершается. Черновую прокатку производят до толщины промежуточной заготовки, составляющей 3,5-5,2 толщины готового листа, после чего осуществляют ее охлаждение на воздухе (подстуживание). Охлаждение на воздухе промежуточной заготовки после черновой прокатки необходимо, чтобы избежать деформации в неблагоприятном температурном диапазоне.
Величину относительного обжатия заготовки за проход при черновой прокатке устанавливают не менее 10%, кроме последнего прохода при разбивке ширины. Относительно большая величина обжатий способствует равномерному измельчению зерна металла по всей толщине заготовки. В последнем проходе обжатие должно обеспечивать получение заданной толщины промежуточной заготовки, необходимой для эффективного подстуживания.
Чистовую прокатку промежуточной заготовки после подстуживания начинают с разбивки ширины, причем первые поперечные проходы чистовой прокатки, на которых осуществляют разбивку ширины, производят с обжатием не более 10%. Это ограничение связано с опасностью перегрузки стана при поперечной схеме прокатки. 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.
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 в случае начала чистовой прокатки при температуре не ниже 740°C и ее окончания при температуре не ниже 730°C. Поэтому охлаждение на воздухе (подстуживание) промежуточной заготовки с толщиной, составляющей 3,5-5,2 от толщины готового штрипса, производят именно до 740°C, а заканчивают чистовую прокатку проглаживающим проходом без обжатия при температуре не ниже 720°C. Такой проход способствует выравниванию температуры по сечению листа. Следует отметить, что проведение чистовой прокатки при заданных температурах 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.
Величина обжатия за проход не более 10% при чистовой прокатке достаточна для полной проработки структуры на всю толщину подката, обеспечивается измельчение зерен и повышение хладостойкости готового штрипса. Заканчивают чистовую прокатку проглаживающим проходом для выравнивания температуры по толщине и ширине листа.
ко
2
2
Ускоренное охлаждение полученного штрипса после чистовой прокатки начинают после его выхода из клети стана. Эта операция направлена на повышение дисперсности структурных составляющих стали. Температуру завершения ускоренного охлаждения листа, определяют из полученного эмпирическим путем соотношения: Т=(717°С-0,11∗h)±15°С, где 0,11 - эмпирический коэффициент, °C/мм; h - толщина готового листа, мм. Соблюдение этого условия обеспечивает формирование требуемого однородного структурно-фазового состава металла высокопрочного штрипса для магистральных трубопроводов.
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.
Mn
Cu
cm
Применение способа поясняется примером его реализации при производстве штрипса размером 37,4×2700×11700 мм (после резки в меру), категории прочности DNV 485 IFD. Производят выплавку заготовок, содержащих, масс.%: С=0,04; Si=0,2; =1,2; Ni=0,3; Mo=0,2; Cr=0,1; =0,25; Al=0,03; V=0,04; Nb=0,05; Ti=0,02, остальное - железо и примеси, с содержанием каждого примесного элемента менее 0,03%, при этом параметр стойкости против растрескивания составляет P=0,142<0,23%, 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 толщиной 315 мм до температуры аустенизации и последующую выдержку в печи. После выдачи из печи производят черновую прокатку заготовки. При этом температуру начала черновой прокатки устанавливают 990°С. Черновую прокатку осуществляют до толщины 186 мм, составляющей 5,0 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 10,5-13,5%
2
Затем производят подстуживание промежуточной заготовки толщиной 186 мм на рольганге стана, за счет ее естественного охлаждения на воздухе. После подстуживания, на стадии чистовой прокатки при температуре 790°С завершают разбивку ширины в низкотемпературной области за два прохода с обжатием за проход 7,8% и 6,9% соответственно. Далее заготовку прокатывают по продольной схеме на размер готового штрипса, причем заканчивают чистовую прокатку проглаживающим проходом без обжатия при температуре 770°С. После чистовой прокатки полученный штрипс подвергают ускоренному водяному охлаждению в специальной установке. Ускоренное охлаждение полученного штрипса начинают после выхода штрипса из клети стана и производят до температуры определяемой из соотношения: Т=(717°С-0,11*h)±15°C, и составляющей в данном случае Т=(563±15)°C для толщины штрипса 37,4 мм.
в
т
5
-30
2
2
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 30°C. Получены следующие механические свойства для поперечных образцов: временное сопротивление σ=640…680 Н/мм; предел текучести σ=560…590 Н/мм; относительное удлинение δ=32…34%; работа удара KV=260…280 Дж. Указанный уровень свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к штрипсу категории прочности DNV 485 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 DNY 485 IFD.
Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Экспериментально установлено, что при температуре начала черновой прокатки менее 970°С металл имеет слишком высокое сопротивление деформации, что не позволяет использовать обжатия величиной более 10% за проход, т.к. усилия прокатки могут превышать допустимую для данного стана величину.
Из опыта установлено, что при толщине промежуточной заготовки, превышающей толщину готового штрипса менее, чем в 3,5 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 5,2 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 листа. Использование при завершении чистовой прокатки проглаживающего прохода без обжатия при температуре не ниже 720°C способствует выравниванию температуры по сечению листа. Кроме того, экспериментально определено, что окончание чистовой прокатки при температуре ниже 720°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 установленную по расчету температуру, не обеспечивает полного протекания фазовых превращений, связанных с величиной коэффициента растрескивания, 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 так же 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 широко 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 485 IFD, толщиной 30-40 мм из низколегированной стали позволит повысить выход годного на данном сортаменте на 2-4%.
Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения:
1. Заявка №59-61504 (Япония), МПК В21В 1/38; В21В 1/22, 1984.
2. Патент №2414515 (Россия), МПК C21D 8/02, 2009.