СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНЫХ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ПОЛОС
METHOD OF PRODUCTION OF STEEL HOT ROLLED STRIPS

Изобретение относится к прокатному производству, конкретнее к горячей прокатке на непрерывных широкополосных станах полос, предназначенных для изготовления сварных труб и металлоконструкций.
Стальные горячекатаные полосы толщиной 0,80-6,00 мм для изготовления сварных труб и металлоконструкций, в соответствии со стандартами ASTM А569 и JIS G3132, должны отвечать следующему комплексу механических свойств (табл.1):
Таблица 1
Механические свойства стальных горячекатаных полос
σ<sub>в</sub>, МПа
МПа
σ<sub>5</sub>, %
ψ,%
HRB, ед.
205-300
180-195
не менее 36
не менее 75
не более 65
см
Известен способ производства горячекатаных полос из стали, содержащей по массе 0,03-0,25% углерода и 0,2-1,0% марганца. Непрерывнолитые слябы нагревают до температуры аустенитизации, прокатывают на непрерывном широкополосном стане с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждают водой до температуры смотки Т=550-750°С, после чего сматывают в рулоны [1].
Недостатки известного способа состоят в том, что полосы имеют низкую пластичность и нестабильные механические свойства. Это приводит к снижению выхода годного и увеличению затрат на производство. Кроме того, сталь содержит большое количество марганца. Это также увеличивает стоимость производства горячекатаных полос.
Известен способ производства горячекатаных полос из стали марки 10 кп, имеющей следующий химический состав (по ГОСТ 1050), мас.%:
Углерод
0,07-0,14
Кремний
0,07
Марганец
0,25-0,50
Хром
не более 0,15
Никель
не более 0,25
Медь
не более 0,25
Сера
не более 0,040
Фосфор
не более 0,035
Железо
Остальное
кп
см
Способ включает горячую прокатку полос до конечной толщины с температурой конца прокатки Т=850-900°С, охлаждение полос водой до температуры смотки Т=550-650°С и смотку полос в рулоны [2].
Недостатки известного способа состоят в том, что стальные горячекатаные полосы различной толщины имеют различные и нестабильные механические свойства, что увеличивает отбраковку готовой продукции и, следовательно, затраты на производство.
Наиболее близким аналогом по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства горячекатаных полос из стали марки 08Ю, содержащей, мас.%:
Углерод
не более 0,07
Марганец
0,20-0,35
Кремний
0,01
Алюминий
0,03-0,07
Хром
не более 0,03
Никель
не более 0,06
Медь
не более 0,06
Сера
не более 0,025
Фосфор
не более 0,020
Железо
Остальное
кп
см
Способ включает нагрев слябов, горячую прокатку полос на непрерывном широкополосном стане с температурой конца прокатки Т=820-860°С, охлаждение водой на отводящем рольганге до температуры смотки Т=500-570°С и смотку полос в рулоны [3] - прототип.
Недостатки данного способа состоят в том, что стальные полосы с различной толщиной и скоростью перемещения по отводящему рольгангу охлаждаются водой с различной интенсивностью. В результате чего они приобретают различные и нестабильные механические свойства. Это снижает выход годного и увеличивает затраты на производство готовой продукции. Кроме того, высокие требования к чистоте стали по содержанию примесей (хрома, никеля и меди) ограничивает использование металлического лома при выплавке, что также увеличивает затраты на производство.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в снижении затрат на производство.
Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства стальных горячекатаных полос, включающем нагрев слябов, горячую прокатку полос с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки и смотку в рулоны, согласно предложению, сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,02-0,10
Марганец
0,15-0,50
Алюминий
0,02-0,05
Кремний
не более 0,05
Хром
не более 0,20
Никель
не более 0,15
Медь
не более 0,20
Сера
не более 0,020
Фосфор
не более 0,020
Азот
не более 0,012
Железо
Остальное
см
Температуру смотки полос поддерживают в пределах Т=600-650 С, а температуру конца прокатки устанавливают в зависимости от толщины прокатанной полосы:
не ниже 780°С - для полос толщиной 0,80-2,99 мм;
не ниже 870°С - для полос толщиной 3,00 мм и более.
кп
Сущность предложенного способа состоит в следующем. Конечные механические свойства горячекатаных полос зависят как от химического состава стали, так и от режимов их деформационно-термической обработки. Полосы разной толщины, прокатанные при одних и тех же значениях температур Т, охлаждаются водой на отводящем рольганге непрерывного широкополосного стана с различной интенсивностью. В результате тонкие полосы приобретают прочностные характеристики выше допустимых значений, а пластические - ниже. Более толстые полосы, наоборот, вследствие замедленного охлаждения имеют недостаточно высокие прочностные характеристики. Это увеличивает отбраковку продукции и расходы на производство. Вместе с тем, для повышения стабильности механических свойств приходится ограничивать допустимое содержание в стали примесных элементов, что дополнительно увеличивает затраты на производство.
кп
Сталь предложенного состава характеризуется более низкой зависимостью механических характеристик от скорости охлаждения полос. Кроме того, регламентированное увеличение температуры Т по мере увеличения толщины полос обеспечивает повышение интенсивности их охлаждения на отводящем рольганге за счет более высокой теплоотдачи, особенно в начальный период охлаждения водой, когда влияние интенсивности охлаждения на механические свойства стали максимально. Это позволяет подавить зависимость параметров микроструктуры стали предложенного химического состава и ее механических свойств от толщины полосы и скорости перемещения в процессе охлаждения (продолжительности периода охлаждения). В результате горячекатаные полосы всего диапазона толщин от 0,8 до 6,0 мм из стали с предложенным химическим составом приобретают стабильные механические свойства требуемого уровня, отбраковка прокатанных полос и затраты на производство снижаются. Помимо этого, механические свойства горячекатаных полос становятся в меньшей степени зависимыми от содержания в стали примесных элементов (хрома, никеля, меди), что допускает более широкое применение при выплавке металлического лома. Это также снижает затраты на производство.
Углерод в стали является упрочняющим элементом. При снижении концентрации углерода менее 0,02% прочностные свойства горячекатаных полос недостаточны. Увеличение концентрации углерода сверх 0,10% снижает ее пластические свойства.
Марганец раскисляет сталь, обеспечивает требуемое сочетание прочности и пластичности. При содержании марганца менее 0,15% сталь недостаточно раскислена и прочна. Увеличение его содержания сверх 0,50% чрезмерно упрочняет сталь, снижает ее пластичность, увеличивает затраты на производство горячекатаных полос.
Алюминий повышает пластические свойства горячекатаных полос и их стабильность, снижает отбраковку готовой продукции. Снижение содержания алюминия менее 0,02% приводит к повышению нестабильности механических свойств полос, а увеличение его содержания более 0,05% не улучшает свойств горячекатаных полос, а лишь увеличивает затраты на их производство.
Кремний введен в сталь для ее раскисления и упрочнения горячекатаных полос. Однако увеличение его концентрации более 0,05% ухудшает пластические свойства, снижает выход годного.
Хром, никель, медь являются примесными элементами, попадающими в сталь из металлолома. Ограничение их минимальных концентраций сужает возможность применения металлолома при выплавке стали и увеличивает затраты на производство горячекатаных полос.В то же время, увеличение концентрации в стали хрома более 0,20%, никеля более 0,15% или меди более 0,20% снижает пластичность и свариваемость горячекатаных полос, приводит к снижению выхода годного и увеличения затрат на производство.
Сера и фосфор в данной стали также являются примесными элементами, концентрацию которых следует ограничивать, чтобы не ухудшить комплекс механических свойств. При содержании серы более 0,020% или фосфора более 0,020% механические свойства горячекатаных полос ухудшаются, возрастает отбраковка готовой продукции и затраты на производство. В то же время, более глубокая степень десульфурации и дефосфорации стали ведет к росту затрат на производство.
Азот оказывает негативное влияние на механические свойства стальных горячекатаных полос, однако при его концентрации не более 0,012% его негативное влияние проявляется слабо. Более глубокое удаление азота из стали удорожает производство горячекатаных полос.
кп
см
см
см
Экспериментально установлено, что при охлаждении прокатанных полос из стали предложенного химического состава водой от температуры конца прокатки Т до температуры смотки Т=600-650°С формируется равномерная мелкозернистая микроструктура. Повышение Т более 650°С ведет к формированию низких и неравномерных механических свойств, увеличивает отбраковку горячекатаных полос. Снижение Т менее 600°С увеличивает расход охлаждающей воды и энергозатраты на работу электродвигателей привода насосов, подающих охлаждающую воду. Это ведет к увеличению затрат на производство.
кп
кп
Также экспериментально установлено, что заданный комплекс механических свойств горячекатаных полос толщиной 0,80-2,99 мм достигается при Т≥780°С. Снижение Т менее 780°С увеличивает прочность полос толщиной 0,80-2,99 мм и снижает их пластичность, что приводит к снижению выхода годного и повышению затрат на производство.
кп
Снижение Т менее 870°С при прокатке полос толщиной 3,00 мм и выше ведет к увеличению прочностных и снижению пластических свойств полос. Помимо этого возрастает неравномерность механических свойств полос различной толщины. В результате уменьшается выход годного и, как следствие, возрастают затраты на производство.
Примеры реализации способа
В кислородном конвертере из передельного чугуна и металлического лома производят выплавку сталей с химическим составом, приведенным в табл.2. Выплавленную сталь подвергают непрерывной разливке в слябы сечением 200×1350 мм.
Таблица 2Химический состав сталей
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
С
Mn
Al
Si
Cr
Ni
Cu
S
Р
N
Fe
1
0,01
0,14
0,01
0,01
0,09
0,10
0,17
0,011
0,015
0,008
Ост.
2
0,02
0,15
0,02
0,02
0,10
0,11
0,18
0,012
0,016
0,009
-:-
3
0,06
0,30
0,03
0,03
0,15
0,13
0,19
0,015
0,017
0,010
-:-
4
0,10
0,50
0,05
0,05
0,20
0,15
0,20
0,020
0,020
0,012
-:-
5
0,11
0,60
0,06
0,06
0,22
0,16
0,21
0,021
0,021
0,013
-:-
6
0,06
0,35
0,04
0,01
0,03
0,02
0,03
0,025
0,019
0,003
-:-
а
Слябы загружают в методические печи полунепрерывного листопрокатного стана 2800/1700 и нагревают до температуры аустенитизации Т=1230°С.
кп
Очередной разогретый сляб из стали с химическим составом 3 выталкивают на печной рольганг и прокатывают в черновых реверсивных клетях 2800 в раскат с промежуточной толщиной 45 мм. Затем раскат при температуре 980°С задают в 6-клетевую непрерывную группу стана 1700 и прокатывают в полосу толщиной Н=1,80 мм, шириной 1530 мм. Температуру конца прокатки поддерживают равной Т=830°С за счет применения межклетевого охлаждения раската водой и регулирования скорости прокатки.
см
Прокатанную полосу транспортируют по отводящему рольгангу с одновременным охлаждением ламинарными струями воды до температуры смотки Т=625°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.
Благодаря тому что температуру конца прокатки установили с учетом толщины полосы, тем самым предопределили оптимальную интенсивность ее охлаждения на начальном этапе, в наибольшей степени влияющем на механические свойства. В результате горячекатаная полоса приобрела заданный комплекс механических свойств, стабильных по длине. Это обеспечило повышение выхода годного и снижение относительных затрат на производство до величины Q=80% по сравнению со способом-прототипом.
В таблице 3 приведены режимы производства стальных полос различной толщины, а также показатели их эффективности.
Из таблицы 3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №№2-4, 7-9, 12-14, 17-19, 22-24) механические свойства горячекатаных полос всех толщин полностью соответствуют заданным, а затраты на производство снижены и составляют 82-85% от затрат на производство по способу-прототипу (вариант №26). При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №№1, 5, 6, 10, 11, 15, 16, 20) имеет место ухудшение комплекса механических свойств горячекатаных полос и увеличение затрат на производство.
Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что регламентирование температур конца прокатки в зависимости от толщины горячекатаной полосы из стали предложенного состава позволяет скомпенсировать влияния неодинаковой скорости охлаждения полос водой на отводящем рольганге листопрокатного стана, стабилизировать микроструктуру и механические свойства. Это обеспечивает получение заданного комплекса механических свойств независимо от толщины полосы и повышение выхода годного. Кроме того, предложенная технология позволяет увеличить допустимое количество примесных элементов в стали. За счет этого достигается снижение затрат на производство.
Таблица 3Варнанты реализации способа производства горячекатаных полос
№ п/п
№ состава
H, мм
Т<sub>кп</sub>, °C
Т<sub>см</sub>, °C
Механические свойства
Q, %
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>, МПа
σ<sub>5</sub>, %
Ψ, %
HRB, ед.
1
1
1,00
770
590
194
170
32
61
54
110
2
2
1,00
780
600
205
180
36
76
56
82
3
3
1,00
785
625
250
188
38
78
60
80
4
4
1,00
790
650
300
195
37
75
64
85
5
5
1,00
795
660
320
210
28
70
72
112
6
1
1,40
790
590
192
169
33
62
52
110
7
2
1,40
800
600
205
180
38
77
54
83
8
3
1,40
806
625
250
188
39
77
60
80
9
4
1,40
812
650
300
194
37
78
64
85
10
5
1,40
815
660
325
212
29
70
73
114
11
1
1,80
816
590
194
175
32
63
53
110
12
2
1,80
820
600
207
180
36
78
56
82
13
3
1,80
830
625
245
190
38
79
62
80
14
4
1,80
835
650
295
195
36
76
64
85
15
5
1,80
840
660
315
210
30
70
72
112
16
1
2,50
845
590
196
178
32
64
51
114
17
2
2,50
850
600
205
180
36
79
56
82
18
3
2,50
855
625
250
185
38
79
61
80
19
4
2,50
857
650
300
194
37
76
64
85
20
5
2,50
860
660
310
210
32
70
72
118
21
1
4,00
865
590
190
175
32
66
55
117
22
2
4,00
870
600
205
180
38
77
56
82
23
3
4,00
872
625
250
188
39
77
64
80
24
4
4,00
875
650
300
195
38
79
65
85
25
5
4,00
880
660
305
210
34
72
70
115
26
6
4,00
850
550
320
240
32
55
75
100
В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства горячекатаных полос по стандартам ASTM А569 и JIS G3132 на 12-15%.
Источники информации
1. Заявка Японии 59-229420, МПК C21D 9/46, C21D 8/02, 1984 г.
2. Грудев А.П. и др. Технология прокатного производства. М., Металлургия, 1994 г., с.362-364.
3. Гусева С.С. и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. М., Металлургия, 1979 г., с.9-12 - прототип.