СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРОКАТА
THERMOMECHANICAL TREATMENT METHOD FOR ROLLED METAL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к изготовлению термоупрочненной стержневой арматурной стали с использованием тепла прокатного нагрева в потоке непрерывных среднесортных станов, а именно при термомеханической обработке профилей больших диаметров.
Известны способы термической обработки проката при изготовлении арматурных профилей из низколегированных сталей. Например, известен способ изготовления высокопрочной термоупрочненной арматурной стали, преимущественно, стержневой арматуры периодического профиля средних диаметров, с использованием тепла прокатного нагрева, включающий нагрев заготовки, ее горячую деформацию с единичным обжатием в последнем проходе 22,5-23,5% с последующим циклическим охлаждением поверхности с количеством циклов, равным трем, в течение времени (0,030-0,055)Д с в каждом цикле охлаждения с промежуточным отогревом поверхности после первого цикла охлаждения в течение 0,38-0,43 с, после второго цикла охлаждения в течение 0,48-0,54 с, окончательным отогревом поверхности в течение 4,5-5,5 с и окончательное охлаждение на воздухе, где Д - диаметр проката в мм (RU 2287021, МПК 8 C21D 8/08, 2006 г.).
3
1
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому положительному результату является способ термомеханической обработки проката, преимущественно стержневой арматуры крупных профилей, с использованием тепла прокатного нагрева, включающий горячую прокатку в два этапа с суммарным обжатием 60-77% от площади поперечного сечения раската на каждом этапе с выдержкой 19-26 с после первого и 12-17 с после второго этапа с предварительным охлаждением раската до температур не ниже Ar, окончательную прокатку в этой области температур, циклическое охлаждение поверхности с количеством циклов, равным двум, в течение времени (0,017-0,020)Д с в первом цикле и (0,05-0,06)Д с во втором цикле с промежуточным отогревом в течение 0,2-0,3 с и окончательным отогревом поверхности до температур ниже точки Ас и окончательное охлаждение на воздухе, где Д - диаметр проката в мм (RU 2340684, МПК 8 C21D 1/02, 8/08, 2008 г.).
Недостатком известных способов является невозможность достичь требуемый уровень потребительских свойств и механических характеристик в соответствии с требованиями современных отечественных и зарубежных стандартов, таких как: предел текучести при сохранении относительного пятикратного удлинения при разрыве у арматуры номинальным диаметром 40 мм. Кроме того, использование известных способов не позволяет получать требуемого значения отношения предела прочности к пределу текучести и полного относительного удлинения при максимальном напряжении у арматуры номинальным диаметром более 32 мм.
Задачей заявляемого изобретения является повышение прочностных характеристик при одновременном повышении пластических, например, таких, как полное относительное удлинение при максимальном напряжении.
3
1
Поставленная задача достигается тем, что в способе термомеханической обработки проката с использованием тепла прокатного нагрева, включающем горячую прокатку в два этапа с суммарным обжатием 60-76% от площади поперечного сечения раската на каждом этапе, выдержку после каждого этапа прокатки, предварительное охлаждение раската до температур не ниже Ar, окончательную прокатку в этой области температур, циклическое охлаждение поверхности раската с промежуточным и окончательным отогревами поверхности до температур ниже точки Ac и окончательное охлаждение на воздухе, согласно изобретению после первого этапа горячей прокатки осуществляют выдержку в течение 15-17 с, а циклическое охлаждение поверхности проводят с количеством циклов, равным трем, причем в первом и втором циклах охлаждение проводят в течение (0,015-0,020)Д с, а в третьем - в течение (0,045-0,060)Д с, при этом после первого и второго цикла охлаждения осуществляют промежуточный отогрев в течение 0,8-1,1 с и 0,2-0,3 с соответственно, где Д - диаметр проката в мм.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение высоких прочностных характеристик при одновременном повышении значений полного относительного удлинения при максимальном напряжении у арматуры больших диаметров, которые можно достичь управляя процессами структурных превращений в стали, начиная с формирования готового профиля с помощью пластической деформации и проведения режима термической обработки.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что после первого этапа горячей прокатки осуществляют выдержку в течение 15-17 с, а циклическое охлаждение поверхности проводят с количеством циклов, равным трем, причем в первом и втором циклах охлаждение проводят в течение (0,015-0,020)Д с, а в третьем - в течение (0,045-0,060)Д с, при этом после первого и второго цикла охлаждения осуществляют промежуточный отогрев в течение 0,8-1,1 с и 0,2-0,3 с соответственно, где Д - диаметр проката в мм.
Предлагаемый способ термомеханической обработки проката с указанной совокупностью, последовательностью выполнения операций и выбором интервалов значений признаков в указанном диапазоне их изменений обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в обеспечении высоких прочностных характеристик и повышении полного относительного удлинения при максимальном напряжении у арматуры больших диаметров из низколегированных сталей средних классов прочности.
Техническая сущность изобретения заключается в следующем.
3
3
3
Известно, что протекание процессов рекристаллизации активно начинается уже при температурах, близких к 727°C (А1). При температурах прокатки выше 911°C (Ac) процесс первичной рекристаллизации занимает доли секунд и быстро развивается процесс собирательной рекристаллизации, что приводит к быстрому росту зерна и, соответственно, к разупрочнению металла и снижению его пластических характеристик. Для обеспечения деформационного упрочнения при температурах выше 911°C (Ac) горячую прокатку необходимо вести с суммарным обжатием не менее 60% от площади поперечного сечения раската. При горячей прокатке с суммарным обжатием на первом этапе более 76% происходит дополнительный разогрев металла, что приводит к развитию собирательной рекристаллизации и сильному разупрочнению металла при осуществлении выдержки для снятия деформационных напряжений. На второй стадии горячей прокатки, когда температура ниже и практически близка к точки Ac (911°C), суммарное обжатие выше 76% перед формированием арматурных профилей больших сечений может привести к нарушению сплошности металла, что недопустимо. Для полного проведения процесса восстановления пластичности металла после первой стадии деформации необходима выдержка не менее 15 с, при выдержке более 17 с начинается стремительный рост зерен, что отрицательно сказывается на прочностных характеристиках металла.
Для снятия деформационных напряжений и проведения процесса статического возврата и статической рекристаллизации после второго этапа горячей деформации с указанными обжатиями необходима выдержка после второго этапа прокатки. Такое проведение процесса деформации обеспечит получение высокодисперсной структуры, сохранение которой при последующей термической обработке обеспечит повышение пластичности при сохранении высокой прочности в готовом прокате.
1
Экспериментально установлено, что для наиболее быстрого отъема тепла из центральных слоев готового профиля больших диаметров необходимо проведение циклического охлаждения с двумя промежуточными отогревами поверхности в течение не менее 0,8 с после первого цикла охлаждения и не менее 0,2 с после второго. Кроме того, для предотвращения процессов сфероидезации и коагуляции дисперсных карбидов, характерных для легированных сталей при температурах, близких к Ас (727°C) в центральных слоях, и получения в поверхностном слое структуры высоко отпущенного мартенсита, обеспечивающего высокие прочностные характеристики при одновременном повышении пластических свойств, охлаждение поверхности в первых двух циклах необходимо проводить в течение не менее 0,015Д с при промежуточном отогреве после первого цикла охлаждения не более 1,1 с и после второго цикла не более 0,3 с.
1
Для обеспечения сочетания высоких прочностных характеристик с высокой полной относительной пластичностью при максимальном напряжении циклическое охлаждение необходимо проводить с количеством циклов, равным трем. Для проведения третьего цикла охлаждения необходимо провести отогрев поверхности до температур, близких к Ас (727°C), что обеспечивается охлаждением поверхности в первых двух циклах в течение не более 0,020Д с. Кроме того, третий цикл охлаждения в течение не менее 0,045Д с не даст пройти высокому отпуску в переходных слоях раската при выравниваний температур между центром и поверхностью, а при охлаждении поверхности в третьем цикле в течение не более 0,060Д с позволит получить мелкодисперсную бейнитную структуру в переходном слое раската, обеспечивающую высокие пластические характеристики металла.
Реализация способа термомеханической обработки проката осуществлялась следующим образом:
Пример. В среднесортном цехе ОАО «ЗСМК» на стане 450 проводили промышленные испытания предложенного способа термомеханической обработки проката при изготовлении стержневой арматуры №40 из стали 18Г2С промышленной плавки.
Для этого непрерывнолитые заготовки сечением 150×150 мм нагревали, прокатывали на сортопрокатном стане 450 при температуре 1000±20°C с суммарным обжатием 76% от поперечного сечения раската на первом этапе горячей деформации с последующей выдержкой в течение 16 с, затем проводили второй этап деформации с суммарным обжатием 60% от поперечного сечения раската с последующей выдержкой в течение 15 с и окончательной прокаткой в чистовой группе клетей при температуре 930±20°C. С температуры конца прокатки проводили циклическое охлаждение поверхности раската с количеством циклов, равным трем, и двумя промежуточными отогревами до температуры 700±20°C. Охлаждение поверхности в первом цикле проводили в течение 0,7 с. Промежуточный отогрев поверхности после первого цикла составлял 0,9 с. Затем проводили второй цикл охлаждения в течение 0,75 с, промежуточный отогрев поверхности составлял после второго цикла 0,25 с. Затем проводили третий цикл охлаждения в течение 2 с с последующим окончательным отогревом поверхности до температуры 630±20°C. Окончательное охлаждение проводили на воздухе.
По предлагаемому способу было испытано несколько режимов, предусматривающих изменение величины выдержки после первого этапа, времени каждого цикла переохлаждения поверхности и времени промежуточных отогревов поверхности раската в заявляемом диапазоне их изменений с выходом за граничные значения. Режимы осуществления предлагаемого способа приведены в таблице 1.
0,2
B
0,2
5
После осуществления указанных режимов определяли предел текучести σ, отношение временного сопротивления разрыву к пределу текучести σ/σ. относительное пятикратное удлинение δ и полное относительное удлинение при максимальном напряжении Agt.
Полученные результаты промышленных испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 1
Режимы осуществления предлагаемого способа термомеханической обработки
№ примера
выдержка после 1 этапа прокатки, с
1-й цикл охлаждения, с
2-й цикл охлаждения, с
3-й цикл охлаждения, с
пром. отогрев пов-ти после 1 цикла, с
пром. отогрев пов-ти после 2 цикла, с
1
15
0,6
0,80
1,8
0,8
0,20
2
16
0,7
0,75
2,0
0,9
0,25
3
17
0,8
0,60
2,4
1,1
0,30
4
18
0,5
0,85
1,7
1,2
0,15
5
14
0,9
0,55
2,5
0,7
0,35
Таблица 2
Механические свойства стержневой арматуры
№ при мера
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>В</sub>/σ<sub>0,2</sub>
Относительное пятикратное удлинение δ<sub>5, </sub>%
Полное относительное удлинение при максимальном напряжении Agt, %
Предлагаемое решение
1
540
1,15
22
12
2
560
1,21
20
15
3
570
1,17
22
14
4
520
1,11
19
11
5
580
1,09
17
9
Прототип
530
1,08
18
8
2
Так, при достижении предела текучести 540-570 Н/мм и отношении временного сопротивления разрыву к пределу текучести 1,15-1,21 получена стержневая арматура крупного диаметра с высоким пятикратным удлинением, составляющим 20-24%, что практически в 1,2 раза выше, чем у стержневой арматуры, изготовленной по известному способу, а полное относительное удлинение при максимальном напряжении выше в 1,5-1,8 раз.
Из данных таблиц видно, что при термомеханической обработке стержневой арматуры крупного диаметра по предлагаемому способу получены лучшие результаты по пластическим характеристикам при высоком уровне прочности.
Предложенный способ промышленно применим на металлургических предприятиях, имеющих непрерывные сортопрокатные станы и выпускающих прокат крупного диаметра различного назначения, и обеспечивает высокие прочностные характеристики и повышение полного относительного удлинения при максимальном напряжении у арматуры больших диаметров из низколегированных сталей средних классов прочности.
Применение указанного способа термомеханической обработки при изготовлении высокопрочной стержневой арматуры на среднесортном непрерывном стане 450 ОАО «ЗСМК» показало высокую эффективность технологии. В настоящее время стержневая арматура крупных профилей пользуется высоким спросом в гражданском и промышленном строительстве.