СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОЙ КАТАНКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АРМАТУРНОГО ПРОКАТА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF HOT ROLLED ROD FOR FABRICATING REINFORCING BAR OF PERIODIC PROFILE IN REINFORCING CONCRETE STRUCTURES

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к прокатному производству, и может быть использовано при производстве на проволочных станах горячекатаной катанки повышенной прочности для последующего изготовления холоднодеформированного арматурного проката периодического профиля для армирования железобетонных конструкций.
Из предшествующего уровня техники известен способ прокатки катанки из высокоуглеродистой стали, включающий нагрев стальной заготовки до температуры аустенитизации, горячую прокатку с суммарной вытяжкой не менее 300 при вытяжке за проход 1,15…1,47. При этом температуру конца прокатки поддерживают равной 970…1050°С, а охлаждение водой ведут до температуры 730…790°С (RU № 2292247, кл. В21В 1/16, опубл. 27.01.2007 г., БИ № 3, 2007 г.).
Применение известного способа для производства катанки химического состава в соответствии с требованиям ГОСТ Р 52544-2006 (углерода не более 0,22%) не обеспечивает необходимого уровня прочностных свойств и исключает возможность ее использования для последующего передела на арматурный прокат класса В500С по упомянутому выше стандарту.
Известен также способ прокатки термоупрочненной катанки (повышенной прочности), включающий нагрев заготовки, прокатку на непрерывном прокатном стане, подстуживание раската после прохождения промежуточной группы клетей, противоточное предварительное охлаждение на 35-40°С непосредственно в валках чистовой клети и последующее ускоренное охлаждение до 600…650°С перед смоткой в бунты (RU № 2197340, кл. В21В 1/16, опубл. 27.01.2003 г., БИ № 3, 2003 г.).
Недостатком этого способа является технологическая сложность при реализации, заключающаяся в необходимости размещения охлаждающих устройств непосредственно между прокатными клетями, а также организация подачи и уборки значительных объемов воды. Кроме того, ускоренное охлаждение катанки до температуры 600…650°С приводит к образованию на ее поверхности окалины определенного состава, которая имеет повышенное сцепление с металлом и тяжело удаляется механическим способом.
Прототипом предлагаемого изобретения, как наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату, является способ производства катанки для холоднодеформированной арматуры с повышенным пределом текучести, включающий выплавку стали с содержанием (мас.%) углерода 0,09-0,12, кремния 0,15-0,30 и марганца 0,25-0,50, получение заготовки, нагрев и прокатку заготовки. При этом прокатку начинают с температуры 980°С со степенью суммарной деформации в зависимости от профилеразмера, междеформационное подстуживание раската перед чистовой прокаткой ведут до 900°С, затем осуществляют чистовую прокатку с последеформационным охлаждением катанки сначала в воде до 720-730°С, затем на воздухе до температуры 300°С в течение одной минуты с получением предела текучести по определенной зависимости (RU № 2333261, кл. C21D 8/08, C21D 1/02, опубл. 10.09.2008 г., БИ № 25, 2008 г.).
Недостатки известного способа состоят в том, что повышенное значение предела текучести на рядовой низкоуглеродистой катанке достигается за счет деформирования заготовки при пониженных температурах (ниже 980°С), что отрицательно влияет на стабильность работы самого стана, а также увеличивает нагрузки на оборудование и приводит к повышенному износу прокатных валков. Кроме того, междеформационное подстуживание раската до 900°С перед чистовой прокаткой с учетом повышенных скоростей прокатки на проволочных станах требует значительных затрат на организацию такого подстуживания водой. Последеформационное охлаждение катанки в воде до 720-730°С приводит к формированию на поверхности неблагоприятного состава окалины, которая не полностью удаляется механическим способом в процессе подготовки катанки к волочению.
Задачей изобретения является обеспечение возможности получения горячекатаной катанки повышенной прочности из низкоуглеродистой стали, пригодной для дальнейшего изготовления холоднодеформированного арматурного проката периодического профиля при одновременном обеспечении формирования окалины с повышенной способностью к удалению механическим способом.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известном способе, включающем выплавку стали, получение заготовки, нагрев заготовки, прокатку на заданный профилеразмер, последеформационное охлаждение катанки водой и смотку в бунты, согласно изобретению выплавляют сталь содержащую углерод, марганец, кремний, алюминий, титан, азот, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод - 0,14…0,22; марганец - 0,40…1,10; кремний - 0,15…0,70; алюминий - 0,025…0,070; титан - 0,005…0,040; азот - 0,015…0,030; железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении условия - 0,29Ti+0,52Al≥N≥0,38Ti, а прокатку завершают при температуре 980…1050°С, затем осуществляют охлаждение катанки водой до среднемассовой температуры 800…950°С, после чего проводят смотку катанки в бунты и осуществляют произвольное охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды, где
Ti, Al, N - содержание титана, алюминия, азота в мас.%,
0,29 и 0,52 - стехиометрические коэффициенты образования соответствующих нитридов TiN и AlN;
0,38 - коэффициент, полученный опытным путем после обработки экспериментальных данных, учитывающий размер слитка и форму изложницы.
В качестве неизбежных примесей сталь дополнительно содержит, мас.%: хром - не более 0,30; молибден - не более 0,30; ванадий - не более 0,30; медь - не более 0,30; никель - не более 0,30; сера - не более 0,050; фосфор - не более 0,040. Присутствие данных элементов в таких количествах не противоречит нормативной документации на состав рядовой низкоуглеродистой стали (ГОСТ 380-2005) и не оказывает существенного влияния на механические свойства катанки в горячекатаном состоянии.
т
в
р
5
2
2
Заявляемое сочетание легирующих и модифицирующих элементов позволяет получить в горячекатаной катанке благоприятную мелкодисперсную структуру с балом зерна 9-12 по ГОСТ 5639-82, обеспечивающую достижение заданных параметров прочностных (σ≥350 Н/мм; σ≥450 Н/мм) и пластических (δ≥6,0%; δ≥25,0%) свойств.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение повышенных прочностных свойств горячекатаной катанки за счет увеличения в стали содержания углерода и марганца и дополнительного карбонитридного упрочнения путем модифицирования стали азотом, титаном и алюминием, а также формирование окалины с повышенной способностью к удалению механическим способом.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что выплавляют сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, алюминий, титан, азот, железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод - 0,14…0,22; марганец - 0,40…1,10; кремний - 0,15…0,70; алюминий - 0,025…0,070; титан - 0,005…0,040; азот - 0,015…0,030; железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении условия - 0,29Ti+0,52Al≥N≥0,38Ti, а прокатку завершают при температуре 980…1050°С, затем осуществляют охлаждение катанки водой до среднемассовой температуры 800…950°С, после чего проводят смотку катанки в бунты и осуществляют произвольное охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды.
Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру, низкое содержание неметаллических включений, однородную макроструктуру и благоприятное сочетание высоких характеристик прочности и пластичности.
Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности. Верхняя граница содержания углерода 0,22% обусловлена предельной величиной содержания углерода в стали с целью обеспечения требуемого уровня свариваемости в соответствии с ГОСТ Р 52544-2006, а нижняя - 0,14% - обеспечением требуемого уровня прочностных свойств катанки из данной стали.
Марганец используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, а с другой стороны, как элемент, повышающий устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 1,10% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,40% необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности данной стали.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,15% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,70% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.
Алюминий используют в качестве раскислителя стали и как модифицирующий элемент, обеспечивающий формирование мелкодисперсной, однородной зернистой структуры за счет образования нитридов алюминия. При этом образование нитридов алюминия происходит в твердом состоянии в процессе горячей деформации. Так нижний уровень содержания алюминия - 0,025% определяется требованием обеспечения однородности структуры, а верхний уровень 0,070% - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и ударной вязкости стали. Кроме того, указанный уровень концентрации алюминия гарантирует исключение старения продукции из катанки в процессе длительной эксплуатации.
Титан используют в качестве раскислителя и инокулятора второго рода, обеспечивающего образование карбонитридов при температурах выше температуры ликвидус, что получает развитие при его содержании ≥0,005%. Выше верхнего уровня (0,040%) размер карбонитридов резко возрастает, их инокулирующие возможности снижаются с одновременным падением пластичности и ударной вязкости стали. Так нижний уровень содержания титана - 0,005% определяется требованием обеспечения однородности структуры, а верхний уровень 0,040% - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.
Азот способствует образованию карбонитридов в стали. Нижний предел содержания азота 0,015% обусловлен необходимостью получения заданного уровня прочностных свойств стали, а верхний предел - 0,030% образованием открытой пористости в слитке или литой заготовке и резким снижением выхода годного при прокатке.
Соотношение 0,29Ti+0,52Al≥N≥0,38Ti определяет условия образования карбонитридов и их равномерное распределение по объему стали. Если выполняется данное соотношение, то карбонитриды образуются в количестве, способствующем увеличению предела текучести в горячекатаном состоянии. При содержании азота более 0,38Ti снижается выход годного проката из-за образования открытой газовой пористости в слитке или заготовке без существенного повышения прочностных и эксплуатационных свойств катанки. При содержании азота менее 0,29Ti+0,52Al существенное повышение предела текучести не достигается.
Уменьшение температуры конца горячей прокатки ниже 980°С увеличивает нагрузки на оборудование прокатного стана и приводит к повышенному износу прокатных валков, а ее увеличение более 1050°С приводит к формированию крупнозернистой структуры и снижению показателей пластических свойств катанки.
3
4
2
3
Режимы последеформационного охлаждения катанки водой до среднемассовой температуры 800…950°С, которое осуществляется водой на участке между последней клетью стана и моталкою, выбираются из необходимости формирования на поверхности катанки окалины с повышенной способностью к удалению механическим путем (окалиноломание). Охлаждение катанки до указанных температур не приводит к образованию структур закалки, оставляя ее в горячекатаном состоянии, и не повышает прочностных свойств, но при этом формируется состав катанки из вюстита (FeO - 46,0…64,0%), магнетита (FeO - 53,0…34,0%) и незначительного количества гематита (FeO - 0,1…1,2%). Охлаждение катанки до температур ниже 800°С увеличивает в составе окалины количество магнетита и гематита (составляющих, тяжело удаляемых механическим путем), а охлаждение до температур выше 950°С увеличивает общее количество окалины. После смотки катанки в бунты при температуре 800…950°С и произвольного охлаждения на воздухе до температуры окружающей среды слой окалины увеличивается при практически неизменном соотношении фазового состава, и чем она толще, тем лучше качество ее механического удаления. Причиной этому являются внутренние напряжения на границе между железной основой и окалиной.
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый способ производства горячекатаной катанки для изготовления арматурного проката периодического профиля отличается от известного повышенным содержанием в стали углерода, марганца и кремния, введением новых компонентов - алюминия, титана и азота, а также выполнением условия 0,29Ti+0,52Al≥N≥0,38Ti. При этом междеформационное охлаждение раската не производится. Прокатку завершают при температуре 980…1050°С, а затем последеформационное охлаждение катанки до среднемассовой температуры 800…950°С осуществляют водой, после чего проводят смотку катанки в бунты и осуществляют произвольное охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды.
Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение прочностных свойств при сохранении высокой пластичности горячекатаной катанки пригодной для дальнейшего изготовления холоднодеформированного арматурного проката периодического профиля при одновременном обеспечении формирования окалины с повышенной способностью к удалению механическим способом.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ производства горячекатаной катанки для изготовления арматурного проката периодического профиля для армирования железобетонных конструкций не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Пример осуществления способа в условиях металлургического производства ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат»
к.пр.
см.
Выплавляли низкоуглеродистую сталь химического состава, в мас.%: углерод - 0,20; марганец - 0,65; кремний - 0,25; алюминий - 0,032; титан - 0,021; азот - 0,020; железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении условия - 0,29Ti+0,52Al≥N≥0,38Ti, используя стандартную шихту. Плавку и легирование стали марганцем и кремнием проводили по действующим на предприятии технологическим инструкциям. Алюминий и ферротитан присаживали на дно ковша перед выпуском или при заполнении 1/4 ковша металлом. Возможен вариант частичного ввода алюминия с помощью трайб-аппарата. Азотсодержащий материал присаживали в ковш под струю жидкого металла при заполнении 1/3 ковша. Разливку стали производили в уширенные кверху изложницы с прибыльной надставкой. Масса слитка не менее 6 т. Нагрев слитков в обжимном цехе производили в рекуперативных колодцах до температуры начала прокатки 1250…1270°С, при этом не исключается передача слитков на прокат «гарячим всадом». Прокатку слитков проводили на блюминге и далее на непрерывном заготовительном стане на заготовку сечением 100×100 мм. Возможен также вариант получения заготовки из стали данного состава при ее разливке на МНЛЗ. Затем осуществляли горячую прокатку полученной предельной заготовки на проволочном стане на катанку диаметром 6,5; 8,0; 10,0 и 11,0 мм. Прокатку заканчивали при температуре 980…1050°С (температура конца прокатки - Т), с этой температуры катанку охлаждали водой до среднемассовой температуры 800…950°С (температура смотки катанки - Т), после чего сматывали в бунты, которые произвольно охлаждались на воздухе в процессе перемещения от стана до склада готовой продукции.
Результаты производства катанки по заявляемому способу и способу-прототипу приведены в таблице.
Таблица
№ п/п
Диаметр катанки, мм
T<sub>к.пр.</sub>, °C
T<sub>см.</sub> °C
Кол-во окалины, кг/т<sup>*)</sup>
Балл зерна
Механические свойства
σ<sub>т(0,2)</sub>
σ<sub>в</sub>
δ<sub>5</sub>, %
H/мм<sup>2</sup>
1
6,5
-
720-730
-
10-11
≥360
-
≥25,0
2
6,5
980
800
9,5
11-12
385
530
35,0
3
6,5
980
850
11,5
11-12
375
520
34,0
4
8,0
1000
850
12,5
10-12
370
515
33,5
5
8,0
1000
900
15,5
9-11
360
510
33,0
6
10,0
1020
880
16,0
9-11
375
515
32,0
7
10,0
1020
920
17,5
9-10
365
510
32,5
8
11,0
1020
950
19,0
9-10
350
500
31,0
*) - среднее значение на образцах от верхней, центральной и нижней части бунта;
№ 1 - свойства катанки (Ст1сп) согласно способу-прототипу.
Из вышеприведенных примеров следует, что в результате выплавки стали заявляемого состава, получения заготовки, горячей прокатки заготовки на катанку при температуре 980…1050°С, последующего охлаждения катанки до температур 800…950°С достигается повышение прочностных свойств горячекатаной катанки.
т
5
2
Таким образом, предложенный способ обеспечивает получение механических свойств готовой горячекатаной катанки диаметром 6,5…11,0 мм из стали заявляемого состава с повышенной величиной предела текучести (σ≥350 Н/мм) и относительного удлинения (δ≥25,0%), соответствующих техническим требованиям к заготовке для последующего изготовления холоднодеформированного арматурного проката класса В500С по ГОСТ Р 52544-2006.
На основании выше изложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ производства горячекатаной катанки для изготовления арматурного проката периодического профиля работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.
Заявленный способ может найти широкое применение для производства горячекатаной катанки повышенной прочности (за счет создания мелкозернистой структуры) и с составом окалины, легко удаляемой путем механического окалиноломания. Последующая переработка такой катанки в холоднодеформированный арматурный прокат класса В500С исключает необходимость химического травления окалины и многократного волочения, что существенно повышает рентабельность производства и уменьшает экологическую нагрузку.