СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОЙ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
METHOD OF PRODUCING HIGH-STRENGTH LOW ALLOY STEEL

Область изобретения
Изобретение относится к способу получения высокопрочной низколегированной стали при добавке меди.
Высокопрочная низколегированная сталь согласно своему английскому названию "high-strength low-alloy steel" обозначается так же, как HSLA-сталь. HSLA-сталь предлагает лучшие механические и технологические свойства, чем легированная углеродом сталь такой же прочности. Стали HSLA имеют содержание углерода от 0,05 до 0,25 вес.% и содержат до 2 вес.% марганца и небольшие доли других легирующих элементов, таких как медь, никель, ниобий, азот, ванадий, хром, молибден, титан, кальций, редкие земли или цирконий. Прочность на разрыв при вытягивании составляет 250-590 МПа и может доходить даже до 700 МПа.
Легирующие элементы ниобий, титан и ванадий необходимы для определенной прочности стали, но, несмотря на свое малое содержание (разное в зависимости от сорта стали), составляют большую долю стоимости стали. Поэтому проводились и проводятся опыты, чтобы снизить применение этих легирующих элементов.
Уровень техники
Документ WO 2004/026497 A1 показывает способ получения стальной ленты, в котором получают полосу и затем обрабатывают ее дальше путем непрерывной прокатки в черновом прокатном стане и чистовом прокатном стане, причем после чистового стана проводится охлаждение, которое более подробно не определено.
Уже известно также о добавлении меди в HSLA-стали для снижения содержания дорогих легирующих элементов, смотри, например, опубликованную патентную заявку JP 2009-280902 A. Там рекомендуется добавка меди на уровне от 1 до 2% для повышения прочности на разрыв при вытягивании, смотри, например, абзац 22 английского машинного перевода. Доля ниобия лежит в диапазоне 0,01-0,05%, доля ванадия составляет от 0,01 до 0,1% и доля титана - 0,01-0,03%.
Медь в этих количествах имеет особенность образовывать выделения частиц, которые в диапазоне температур деформации и нагревания являются стабильными и имеют распределение по размерам, которое предотвращает рост зерна и тем самым одновременно вызывает повышение прочности стали, или готовой стальной ленты, или стального листа.
Медь в некоторых способах получения стали часто уже содержится в стали, например, если в электродуговой печи применяется низкокачественный лом с высоким содержанием меди.
Однако медь имеет тот недостаток, что она, главным образом в комбинации с серой, может привести к образованию второго минимума вязкости стали, который проявляется через образование трещин при деформации в прокатном стане, например, в виде трещин на кромке. Это явление связано с механизмами обогащения, которые усиливаются, главным образом, из-за медленных скоростей застывания и длительного пребывания стали в печах повторного нагрева.
Поэтому задачей изобретения является ограничить эти явления, которые ведут к образованию второго минимума вязкости.
Изложение изобретения
Эта задача решена способом по п.1, в соответствии с которым содержание меди в стали доводят до 0,15%-0,35% и затем на установке разливки полос или лент отливают полосу, соответственно ленту, с максимальной толщиной 130 мм и отверждают ее, причем скорость разливки составляет по меньшей мере 4,5 м/мин, предпочтительно по меньшей мере 5 м/мин, и затем полосу или ленту прокатывают путем непрерывной или полунепрерывной прокатки за менее чем 5,8 мин, в частности менее чем 4,5 мин, до желаемой конечной толщины, причем после прокатки до желаемой конечной толщины проводится охлаждение со скоростью 15-90 K/с, предпочтительно 25-60 K/с, до температуры ниже 650°C, предпочтительно ниже 600°C.
Процентные доли, указываемые в формуле изобретения, являются весовыми процентами.
Продолжительность процесса прокатки измеряется от выхода установки разливки полосы или ленты, то есть, когда отлитая полоса или отлитая лента покинула последнее направляющее устройство (чаще всего пару направляющих валков) установки разливки полос или лент. При этом продолжительность 5,8 мин соответствует скорости разливки примерно 3-3,5 м/мин, а продолжительность 4,5 мин - скорости разливки примерно 4,8-5,4 м/мин.
В отличие от названного во введении документа JP 2009-280902 A в настоящем изобретении благодаря более низкому содержанию меди в сплаве и другому способу получения образуются выделения размером примерно 20 нм или больше. Эти выделения слишком крупные, чтобы вызывать дисперсионное твердение, так как эффект выделений при таких размерах сильно снижен, и доля, растворенная в матрице, падает. Однако выделения в диапазоне 20 нм очень хорошо помогают при создании однородной структуры с малыми размерами зерна.
У сплавов из документа JP 2009-280902 A медь описана как упрочняющая кристаллический твердый раствор и как вносящая вклад в дисперсионное твердение. При указанных содержаниях меди следует ожидать проблем со сваркой, а также с хрупкостью.
Получаемая в результате высокопрочная низколегированная сталь может, в частности, быть определена как подперитектическая сталь с содержанием углерода от 0,05 вес.% до 0,1 вес.% или как среднеуглеродистая сталь с содержанием углерода от 0,05 вес.% до 0,25 вес.%.
Непрерывная или полунепрерывная прокатка согласно изобретению предпочтительно проводится в двухступенчатом прокатном стане, состоящем из чернового прокатного стана и чистового прокатного стана.
Процесс прокатки продолжительностью менее 5,8 мин начинается с выхода полосы или ленты из установки разлива полос или лент и заканчивается выходом стали, как правило, в виде стальной ленты, из последней активной (= находящейся в контакте со сталью) прокатной клети чистового прокатного стана. Под прокатным станом понимается соединенный последовательно ряд прокатных клетей с расстоянием между клетями менее 7 м, предпочтительно менее 6 м. Прокатные клети, отстоящие друг от друга на большее расстояние, относятся уже к следующему прокатному стану или являются одноклетевыми станами.
В способе согласно изобретению применяется конфигурация создания плоской ленты из стали, в которой процесс разливки и процесс прокатки объединены.
Процесс разливки осуществляется в разливочной машине, причем выходящая из кристаллизатора разливочной машины жидкая стальная полоса проводится через расположенное сразу за кристаллизатором направляющее устройство полосы. Оно обычно содержит несколько (обычно от трех до пятнадцати) направляющих сегментов, причем каждый направляющий сегмент имеет одну или несколько (обычно от трех до десяти) пар направляющих элементов, выполненных предпочтительно как ролики, поддерживающие полосу. Поддерживающие ролики могут поворачиваться вокруг оси, идущей перпендикулярно направлению перемещения полосы. Однако вместо поддерживающих роликов было бы возможным также выполнить отдельные направляющие элементы как статические элементы конструкции, например, в форме полозьев. Независимо от конкретной конструкции направляющих элементов, они расположены по обе стороны боковых сторон полосы, так что полоса проводится рядом верхних и нижних направляющих элементов.
Полоса выходит из кристаллизатора, по существу, вертикально вниз и поворачивается по горизонтали. Поэтому устройство проведения полосы имеет ход, изгибающийся, по существу, под углом 90°.
О непрерывной прокатке говорят, когда разливочная машина соединена с установкой прокатки таким образом, что отлитая в разливочной машине полоса или лента напрямую, т.е. без отделения от только что отлитой части полосы, соответственно ленты и без промежуточного складирования, направляется в установку проката и там прокатывается до конечной толщины. Таким образом, начало полосы или ленты может уже быть прокатано начисто до стальной ленты с конечной толщиной, тогда как разливочная машина и дальше разливает эту же полосу или эту же ленту, то есть у ленты или полосы не существует никакого конца. Говорят также о напрямую спаренном производстве или непрерывном режиме работы установок разливки и прокатки.
При так называемой полунепрерывной прокатке отлитую полосу после разливки делят на плоские слитки, или ленты разделяют после разливки, и отделенные слитки, соответственно ленты, проводят на установку прокатки без промежуточного складирования и охлаждения до температуры окружающей среды. Это отделение может проводиться таким образом, чтобы голова предшествующего слитка уже прокатывалась или была прокатана в последующем прокатном стане, или вследствие большего расстояния до первой прокатной клети, еще не была захвачена.
Полоса, выходящая из разливочной машины, будет, как правило, после удаления окалины прокатываться начерно в черновом прокатном стане, образующаяся при этом черновая полоса снова нагревается в печи, обычно до температур примерно 1200°C, и прокатывается набело в чистовом прокатном стане. В чистовом прокатном стане проводится, как правило, горячая прокатка, то есть прокатываемый материал при прокатке остается в области аустенита. Конечная температура прокатки лежит в диапазоне 780-850°C, предпочтительно в диапазоне 800-830°C.
При непрерывной или полунепрерывной прокатке охлаждение стали после процесса разливки предотвращается благодаря немедленной дальнейшей обработке в черновом прокатном стане. По сравнению с этим в обычных прокатных станах слитки после их получения часто складируются и должны повторно нагреваться уже перед черновым прокатным станом. Однако это запускает нежелательные механизмы обогащения.
Кроме того, образующиеся при непрерывной или полунепрерывной прокатке толщины отлитых полос или слитков, или лент максимум 130 мм положительно сказываются на желательных выделениях, так как частицы меди выделяются быстрее и тем самым ограничены определенным малым средним диаметром, который зависит прежде всего от скорости застывания.
Опыты с ленточным материалом ленточной разливочной машины показали, что выделения меди имеют диаметр примерно 20-40 нм, если установить скорость разливки по меньшей мере больше чем 4,5 м/мин и затем прокатывать в продолжение 4,3 мин в две ступени (каждая с тремя-пятью прокатными клетями). При этом содержание выбранных легирующих элементов следующее:
0,3% медь (Cu),
0,025% ниобий (Nb).
Диапазон размеров выделений 20-40 нм соответствует также диапазону размеров выделений, достигаемому благодаря микролегирующим элементам (титан, ниобий), желаемому, чтобы иметь эффекты, влияющие на микроструктуру, а также на повышение прочности.
При скоростях охлаждения 15-90 K/с, предпочтительно 25-60 K/с, до температуры ниже 650°C, предпочтительно ниже 600°C, в частности, в пределах максимум 35 секунд, предпочтительно в пределах максимум 15 секунд, после прокатки до желаемой конечной толщины, можно достичь прочности при растяжении до 925 МПа или предела текучести до 700 МПа, причем более высокие значения достигаются предпочтительно путем резкого охлаждения (50-90 K/с) непосредственно после последней ступени деформации и охлаждения до температуры ниже 500°C.
Структура, достигнутая при комнатной температуре, состоит, в зависимости от стратегии охлаждения и тем самым класса прочности, преимущественно из перлита и бейнита.
Сопоставимые HSLA-стали, которые получены традиционным способом, содержат около 0,07% ванадия, 0,15% титана и 0,07% ниобия.
Поэтому согласно изобретению можно предусмотреть, чтобы добавленная в сталь доля ванадия (V) составляла менее 0,03%, в частности менее 0,01%, и/или чтобы добавленная в сталь доля ниобия (Nb) составляла менее 0,055%, предпочтительно менее 0,045%, особенно предпочтительно менее 0,03%.
В случае установки разливки полосы можно предусмотреть, чтобы отлитый слиток имел предпочтительную толщину 40-130 мм, особенно предпочтительно 40-105 мм, в частности около 80 мм.
В случае установки разливки ленты можно предусмотреть, чтобы отлитая и застывшая лента имела предпочтительную толщину 1-4,5 мм, в частности примерно 3 мм. Если после разливки ленты она будет еще прокатываться, разделение на черновой и чистовой прокатный стан, естественно, не имеет места.
Толщина черновой ленты, то есть стали между черновым прокатным станом и чистовым прокатным станом, в способе согласно изобретению предпочтительно составляет 5-25 мм, предпочтительно 10-18 мм.
Черновой прокатный стан должен содержать по меньшей мере две, лучше всего три прокатные клети, а чистовой прокатный стан по меньшей мере четыре, лучше всего пять прокатных клетей.
Конечная толщина готового катаного продукта лежит в диапазоне 0,6-12 мм, предпочтительно 1-6 мм.
Способ согласно изобретению предлагает то преимущество, что при производстве стали можно применять также низкосортный и, таким образом, медьсодержащий лом и, кроме того, можно снизить добавку легирующих элементов, в частности, микролегирующих элементов (ниобий, титан, ванадий).
Способ согласно изобретению может применяться для не имеющей покрытия жести для автомобильной промышленности, для жести электролитического лужения и для оцинкованной огнем жести в области автомобилестроения. Для применения в области автомобилестроения содержание кремния в стали не должно превышать 0,9 вес.%, предпочтительно оно лежит в диапазоне от 0,1% до 0,9%.
Способы осуществления изобретения
При производстве способом непрерывной разливки в разливочной машине отливают полосу, которая имеет толщину примерно 70-100 мм. Сразу за разливочной машиной находятся три клети чернового прокатного стана, в которых происходит сильное уменьшение толщины полосы до примерно 15 мм. Сразу же за ней предусмотрено устройство удаления окалины, после чего материал проходит через индукционный нагреватель и чистовой прокатный стан с пятью клетями, в котором толщину можно уменьшить до 0,6 мм. Затем идет охлаждение ленты на участке охлаждения, например, посредством внесения воды, для установления свойств материала, а после этого установлена моталка, на которой лента сматывается в мотки, и на этом производственный процесс заканчивается.
Благодаря установке нескольких ножниц (после чернового прокатного стана, перед чистовым прокатным станом и перед моталкой), можно эксплуатировать прокатный стан в режиме одной партии, причем черновые ленты после чернового прокатного стана режут и по отдельности прокатывают в чистовом прокатном стане. При непрерывной прокатке ленты, прокатанные до конечной толщины, режут только перед моталкой, производство проката осуществляется в непрерывном режиме. Большим преимуществом этой установки является низкий расход энергии на создание стальной ленты. Тогда как в обычных станах горячей прокатки требуется примерно 2 ГДж энергии на выпуск тонны горячекатаных лент, в установке непрерывной или полунепрерывной прокатки это значение падает до 0,4 ГДж на тонну горячекатаных лент.
После прокатки до желаемой конечной толщины на участке охлаждения готовой катаной ленты проводится охлаждение со скоростью 15-90 K/с, предпочтительно 25-60 K/с, до температуры ниже 650°C, предпочтительно ниже 600°C, в пределах максимум 35 секунд, предпочтительно в пределах максимум 15 секунд.