СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОЙ ЛЕНТЫ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ДЛЯ ВЫРУБКИ МОНЕТНОЙ ЗАГОТОВКИ
PRODUCTION OF COLD-ROLLED STRIP FROM LOW-CARBON STEEL FOR COIL BLANKING

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве холоднокатаной ленты из низкоуглеродистых марок стали, применяемой, например, для высокоскоростной холодной вырубки монетных заготовок.
Все большее развитие получают технологии производства холоднокатаной ленты, обладающей пониженной твердостью поверхности в ограниченном диапазоне (HR15T=73÷76 единиц) и использующейся в качестве заготовки для высокоскоростной холодной вырубки, например, монетных заготовок. Отклонение от заданного узкого диапазона твердости поверхности холоднокатаной ленты приводит к невозможности ее использования для изготовления, например, монетных заготовок, либо к значительному снижению эффективности данного процесса.
Известны способы производства холоднокатаных полос из горячекатаного подката из низкоуглеродистой стали, включающие удаление окалины травлением, холодную прокатку травленой полосы на непрерывном стане, последующий рекристаллизационный отжиг и дрессировку отожженной полосы (см., например, Технология прокатного производства. В 2-х книгах. Кн.2. Справочник: Беняковский М.А., Богоявленский К.Н., Виткин А.И. и др. М: Металлургия, 1991. - С.619-630; Пат. РФ №2374014, Пат. РФ №2281338, Пат. РФ №2315118, Пат. РФ №2313584).
Наиболее существенным недостатком известных способов является сложность обеспечения в узкой холоднокатаной полосе (стальной ленте) низкого уровня твердости в ограниченном диапазоне, обеспечивающего бездефектную эффективную переработку холоднокатаной ленты в монетную заготовку посредством высокоскоростной холодной вырубки.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства холоднокатаной стали для холодной штамповки из низкоуглеродистой стали с содержанием 0,001÷0,006% углерода и 0,05÷0,25% марганца, микролегированной карбонитридообразующими элементами (Nb, Ti), включающий разливку стали, горячую прокатку при температуре конца прокатки 850÷910°C, при температуре смотки 540-730°C, удаление окалины с поверхности горячекатаного подката травлением, холодную прокатку на непрерывном стане с суммарным обжатием 65-88%, последующие отжиг при температурах 700-750°C и дрессировку отожженной полосы (см. Пат. РФ №2277594).
Недостаток известного способа заключается в сложности обеспечения в холоднокатаной ленте из стали с указанным содержанием углерода и легирующих, а также микролегирующих элементов, требуемого низкого уровня твердости HR15T. Кроме того, отсутствие регламентации режимов нагрева при рекристаллизационном отжиге холоднокатаной полосы в зависимости от исходной твердости горячекатаного подката приводит к невозможности обеспечения узкого нормируемого диапазона значений твердости готовой ленты (например, HR15T=73÷76 единиц). Это, в свою очередь, не позволяет использовать холоднокатаную ленту для высокоскоростной холодной вырубки, например, монетных заготовок, либо к значительному снижению эффективности процесса производства ленты.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение ограниченного диапазона твердости поверхности холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали, а именно HR15T=73÷76 единиц.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали толщиной 1,16÷4,84 мм для вырубки монетной заготовки, включающем выплавку стали, горячую прокатку слябовой заготовки на широкополосном стане, смотку горячекатаного подката в рулон, охлаждение, холодную прокатку на непрерывном стане, рекристаллизационный отжиг рулонов холоднокатаной ленты в колпаковой печи, дрессировку и продольный роспуск на ленты требуемой ширины, согласно изобретению осуществляют выплавку стали со следующим соотношением компонентов, мас.%:
Углерод
0,003-0,007
Марганец
0,10-0,25
Кремний
не более 0,03
Сера
не более 0,025
Фосфор
не более 0,020
Никель
не более 0,10
Хром
не более 0,05
Медь
не более 0,10
Алюминий
0,020-0,070
Ниобий
0,020-0,050
Титан
0,015-0,035
Ванадий
не более 0,05
Железо
остальное
температуру поверхности горячекатаной полосы толщиной 4,2-6,2 мм перед смоткой в рулон поддерживают в диапазоне 700-750°C с обеспечением твердости, определяемой из выражения:
<mrow><mi>H</mi><mi>R</mi><mi>B</mi><mo>=</mo><mn>129</mn><mo>⋅</mo><mi>M</mi><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>419</mn><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mn>21.2</mn><mo>⋅</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>T</mi><mi>i</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mn>1.7</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mi>b</mi></mrow><mi>C</mi></mfrac><mo>−</mo><mn>0.18</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>0,79</mn><mo>⋅</mo><mi>h</mi><mo>+</mo><mn>266</mn></mrow>
,
где HRB - твердость горячекатаного подката;
C, Mn, Al, Nb, Ti - углерод, марганец, алюминий, ниобий и титан, масс.%;
см
Т - температура поверхности горячекатаного подката перед смоткой в рулон, °C;
h - толщина горячекатаного подката, мм,
а рекристаллизационный отжиг холоднокатаной ленты проводят в колпаковой печи при окончательной выдержке с температурой ленты не ниже 720°C с регламентированным ступенчатым нагревом до температуры 370°C с выдержкой не менее 3 часов, далее - до 500°C с выдержкой не менее 5 часов, затем - до 670°C с выдержкой не менее 3 часов, далее осуществляют нагрев до температур предварительной и окончательной выдержек в зависимости от величины твердости, причем при твердости горячекатаного подката менее 48 HRB указанные температуры составляют соответственно 700°C и 720°C; при твердости горячекатаного подката 48-52 HRB - 710°C и 730°C; при твердости горячекатаного подката 53-56 HRB - 720°C и 740°C; при твердости более 56 HRB - 730°C и 750°C, причем, продолжительность предварительной выдержки составляет не менее 11 часов, окончательной выдержки - не менее 8 часов, а дрессировку отожженной ленты осуществляют с относительными обжатиями ε=0,8÷1,6%.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Особенностью производства холоднокатаной ленты из низкоуглеродистых марок стали, например, для высокоскоростной холодной вырубки монетных заготовок, является тот факт, что в ней в состоянии поставки должен быть сформирован определенный уровень твердости, обеспечивающий технологичность, как самого процесса производства ленты, так и процесса ее дальнейшей переработки. В частности, необходимо сформировать на поверхности холоднокатаной ленты низкий уровень твердости в ограниченном диапазоне. Например, для ленты, предназначенной для последующего изготовления монетной заготовки, ее твердость должна ограничиваться диапазоном HR15T 73÷76 единиц, что обеспечивает осуществление высокоскоростной холодной вырубки без образования дефектов (заусенцев, сколов и трещин) по кромкам изделий.
Общеизвестным является факт наследуемости свойств холоднокатаной металлопродукции конечных размеров в зависимости от параметров состояния горячекатаного подката. Многочисленными исследованиями при производстве холоднокатаной ленты в условиях ОАО «ММК» установлено, что требуемую твердость HR15T=73÷76 единиц в холоднокатаной ленте можно получить только при определенных значениях твердости горячекатаного подката, полученных в процессе горячей прокатки полосы.
Для обеспечения необходимого уровня твердости на стадии горячей прокатки в металле должна быть сформирована оптимальная микроструктура без атомов внедрения в твердом растворе феррита (7-9 баллов), с равномерно распределенными по сечению полосы и по длине рулона карбидами и нитридами. Для этого в заявляемом химическом составе стали за основу приняты минимальные значения содержания углерода в стали (0,003-0,007%), что связано с необходимостью формирования требуемых значений твердости в холоднокатаном прокате, необходимых для эффективной переработки холоднокатаной ленты в процессе холодной вырубки изделий. Снижение содержания углерода менее 0,003% приводит к падению твердости ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,007% повышает твердость стали после горячей прокатки. Кремний введен в сталь для раскисления. Увеличение его концентрации более 0,03% приводит к дополнительному увеличению твердости, а также к увеличению содержания неметаллических включений. Марганец в заявленных пределах (0,10÷0,25%) введен также для раскисления и связывания примесей серы в сульфиды (MnS). При содержании марганца менее 0,10% сталь недостаточно раскислена, увеличение концентрации более 0,25% чрезмерно увеличивает твердость стали. Заявленные пределы содержания алюминия (0,020÷0,070%) стабилизируют сталь, предотвращают ее старение, а также обеспечивают необходимую чистоту стали по неметаллическим включениям. Для подавления чрезмерно упрочняющего эффекта поверхности дополнительно ограничивается содержание хрома (не более 0,05%), никеля (0,10%) и меди (не более 0,10%). Содержание в заявленных пределах ниобия (0,02-0,05%), титана (0,015-0,035%)) и ванадия (не более 0,05%) способствует выводу из твердого раствора углерода и азота, а также связыванию серы за счет образования карбидов, нитридов и карбосульфидов, которые не приводят ни к дисперсионному упрочнению, ни к измельчению зерна из-за своих крупных размеров.
Выбранный интервал температур поверхности горячекатаной полосы перед смоткой ее в рулон (700÷750°C), способствует стабилизации углерода путем выделения его в карбиды и карбосульфиды, обеспечивая получение требуемого уровня твердости уже готовой ленты. При превышении заявляемого диапазона температур происходит искажение формы рулонного проката и, как следствие, застревание в моталках стана горячей прокатки. При более низких температурах часть углерода остается в твердом растворе, что способствует недопустимому увеличению твердости проката.
Регламентация температурно-временных условий проведения рекристаллизационного отжига рулонов холоднокатаной ленты в зависимости от исходной твердости горячекатаного подката связана со следующим.
При рекристаллизационном отжиге холоднокатаной ленты наблюдается снижение ее твердости. Многочисленными исследованиями было установлено, что для выбранного химического состава при условии обеспечения пониженной твердости готовой ленты оптимальной температурой отжига является температура в пределах 720-750°C. Однако для гарантированного обеспечения узкого нормируемого диапазона твердости (HR15T=73÷76) выбор режимов отжига производится в зависимости от твердости горячекатаного подката и определяется из приведенного заявляемого соотношения. Данное соотношение эмпирическое и получено в результате многочисленных исследований при производстве холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали в условиях ОАО «ММК». Отклонение от указанной зависимости приводит либо к несоответствию твердости готовой ленты требуемой, либо к свариванию витков полосы в рулоне при отжиге, что при последующей дрессировке отожженной полосы является причиной образования многочисленных дефектов на поверхности полосы. Для обеспечения равномерности твердости (в пределах требуемых значений) по всей площади поверхности холоднокатаной ленты в рулоне необходимо при рекристаллизационном отжиге осуществлять нагрев ступенчато, сначала до температуры 370°C с выдержкой не менее 3 часов, после чего до температуры 500°C с выдержкой не менее 5 часов, затем до температуры 670°C с выдержкой не менее 3 часов, далее до температур 700-730°C с выдержкой не менее 11 часов, затем до температур 720-750°C с выдержкой не менее 8 часов.
Диапазон обжатий при дрессировке отожженной полосы в зависимости от конечной толщины ленты выбран исходя из следующего. Твердость холоднокатаной отожженной полосы выбранных толщин (1,16-1,84 мм) из стали с заявленным химическим составом находится в диапазоне HR15T=71-73 единицы. Выбранные значения относительных обжатий при дрессировке обеспечивают минимальное увеличение твердости (2-3 единицы HR15T). Превышение верхнего предела относительного обжатия приводит к увеличению твердости поверхности ленты (более 76 единиц HR15T). Относительное обжатие ленты меньше нижней границы заявляемого диапазона способствует формированию твердости ниже допустимой. Предложенные диапазоны относительного обжатия при дрессировке холоднокатаной отожженной ленты выбраны исходя из многочисленных проведенных исследований в условиях дрессировочного стана 630 ОАО «ММК».
На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ производства холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали не следует явным образом из известного уровня техники, а, следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Пример реализации способа.
Сталь заявленного химического состава (см. табл.1) выплавляется в 370-тонном конвертере. После проведения внепечной обработки металла и введения требуемых добавок осуществляется непрерывная разливка стали с последующей ее кристаллизацией и порезкой на слябы. Далее производится непосредственно горячая прокатка слябов на непрерывном широкополосном стане 2000 горячей прокатки (ШСГП 2000) ОАО «ММК» в полосы толщиной 4,2-6,2 мм. При этом производится аустенизация слябовой заготовки в нагревательных печах при температуре 1180÷1240°C, после чего сляб поступает на ШСГП 2000. Сляб обжимается в черновой группе клетей до получения требуемой толщины раската. После прокатки в черновой группе клетей широкополосного стана раскат направляется по промежуточному рольгангу в чистовую непрерывную группу клетей. Чистовая группа клетей стана имеет в своем составе семь рабочих клетей, в которых раскат обжимается до требуемой конечной толщины 4,2-6,2 мм при суммарном относительном обжатии 65÷80%. При этом температура завершения пластической деформации (Ткп) поддерживается равной в среднем 900±20°C, а температуру поверхности горячекатаной полосы толщиной 4,2-6,2 мм перед смоткой в рулон поддерживают в диапазоне 700-750°C. Далее производится охлаждение рулона на спокойном воздухе до температуры окружающей среды.
После горячей прокатки и смотки осуществляется солянокислое травление полосы в непрерывно-травильном агрегате. Далее травленая полоса толщиной 4,2-6,2 мм прокатывается на непрерывном пятиклетевом стане холодной прокатки 630 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» в ленту толщиной 1,16-1,84 мм. После прокатки на непрерывном пятиклетевом стане осуществляют термообработку рулонов ленты в колпаковых печах. При этом выбор режима рекристаллизационного отжига осуществляется в зависимости от рассчитанного значения твердости горячекатаного подката в соответствии с заявленным выражением.
Затем производят дрессировку отожженной полосы на дрессировочном стане 630 на конечную толщину с регламентируемыми обжатиями. Далее производят продольный роспуск на ленты требуемой ширины.
Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялось производство холоднокатаной ленты из заявленной марки стали на стане горячей прокатки ШСГП 2000 и двухклетевом дрессировочном стане 630 ОАО «ММК», а также результаты исследований представлены в таблицах 1 и 2.
Заявляемая технология производства рулонов на примере производства холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали обеспечивает получение твердости поверхности HR15T=73-76 единиц.
Выбранная совокупность признаков позволяет сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.
Заявляемый способ может найти широкое применение при производстве холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали для высокоскоростной холодной вырубки, например, монетных заготовок. Следовательно, заявляемый способ, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Таблица 1
Химический состав стали для производства холоднокатаной ленты для вырубки монетной заготовки
Номер плавки
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Cu
N<sub>2</sub>
Al
Nb
V
Ti
1
0.007
0.25
0.20
0.020
0.013
0.03
0.10
0.10
0.008
0.020
0.020
0.03
0.030
2
0.005
0.20
0.22
0.018
0.010
0.05
0.10
0.05
0.010
0.050
0.035
0.05
0.018
Таблица 2
Технологические параметры производства холоднокатаной ленты для вырубки монетной заготовки (варианты)
№ п/п
Плавка
Толщина подката, мм
Конечная толщина ленты, мм
Температура смотки*, Т<sub>см</sub>, °C
Твердость горячекатаного подката, HRB, ед
Предварительная выдержка
Окончательная выдержка
Относительное обжатие при дрессировке*, %
Твердость поверхности ленты, HR15T, ед
Примечание
Температура*, °C
Время выдержки, ч
Температура*, °C
Время выдержки, ч
1
4,2
1,16
730
57
730
11
750
8
1,6
76
2
4,2
1,16
750
53
720
12
740
10
2,3
74
3
5,2
1,54
720
56
710
14
730
9
1,2
75
4
5,2
1,54
710
61
730
11
750
7
1,5
77
5
1
5,2
1,54
700
60
720
13
740
10
1,2
78
6
6,2
1,84
740
46
700
12
720
8
0,8
74
7
6,2
1,84
700
59
730
11
750
9
0,9
73
8
4,2
1,16
740
56
720
12
740
8
2,7
77
9
4,2
1,16
760
42
700
13
720
9
1,4
72
застревание подката в моталке стана горячей прокатки
10
4,2
1,16
740
54
730
11
750
10
0,9
71
11
6,2
1,84
700
60
730
10
750
8
1,6
77
12
4,2
1,16
750
51
710
13
730
8
0,7
72
13
5,2
1,56
710
58
730
11
750
9
1,1
73
14
2
5,2
1,54
720
59
700
12
710
9
1,4
77
15
5,2
1,56
730
55
720
13
740
9
1,2
75
16
6,2
1,84
690
62
730
12
750
8
0,8
77
17
6,2
1,84
740
49
710
11
730
8
1,1
74
18
6,2
1,84
710
59
730
14
750
10
1,2
74
* - Усредненное значение