Способ производства хладостойкого проката
METHOD FOR PRODUCTION OF COLD-RESISTANT ROLLED PRODUCTS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству листового проката в толщинах до 50 мм из высокопрочной свариваемой хладостойкой стали для строительства зданий и сооружений, мостовых конструкций, изготовления тяжелонагруженной техники и подъемно-транспортного оборудования, эксплуатирующихся в условиях низких температур.
Известна сталь, содержащая в мас.%: углерод 0,08-0,10, кремний 0,30-0,40, марганец 0,65-0,75, хром 0,45-0,55, никель 1,65-1,75, медь 0,50-0,60, молибден 0,30-0,35, ниобий 0,02-0,04, цинк 0,0001-0,01, висмут 0,0001-0,005, сурьму 0,0001-0,005, кальций 0,0001-0,01, алюминий 0,02-0,05, азот 0,001-0,008, серу не более 0,005, фосфор не более 0,012, остальное - железо и неизбежные примеси, а также способ ее производства, приведенный в описании [Патент RU № 2731223, МПК C22C 38/60, C22C38/48, 2020].
Недостатком данной стали, является низкая свариваемость и трудность при ее механической обработке.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ, получения хладостойкого до -60°С листового проката толщиной до 70 мм, улучшения свариваемости листа и повышения прочности, согласно которому заготовку получают из стали, содержащей, мас.%: С (0,04-0,10), Mn (1,00-1,40), Si (0,15-0,35), Ni (0,10-0,80), Al (0,02-0,06), Mo (0,01-0,08), Nb (0,02-0,06), V (0,02-0,10), S (0,001-0,008), P (0,003-0,012), железо - остальное, нагревают до 1140-1170°С, предварительно деформируют с суммарной степенью обжатий 58-65% с регламентированными минимальными обжатиями при первых четырех проходах: (12-15%)-(13-17%)-(14-18%)-(14-20%) - при температуре 940-990°С, охлаждают на 70-100°С, окончательно деформируют при 830-750°С с суммарной степенью обжатия 35-42%, ускоренно охлаждают до 550-400°С, затем замедленно охлаждают в кессоне до температуры не выше 150°С. По второму варианту изобретения заготовку получают из стали, содержащей, мас.%: С (0,04-0,09), Mn (1,00-1,60), Si (0,15-0,30), Ni (0,10-0,80), Al (0,02-0,06), Mo (0,01-0,08), Nb (0,02-0,08), V (0,02-0,08), S (0,001-0,008), P (0,003-0,012), железо - остальное, нагревают до 1250-1270°С, проводят дробную деформацию при 850-970°С, после чего прокат охлаждают со скоростью не более 0,5-1,0°С/с до 800-650°С, затем со скоростью не более 0,1°С/с до температуры не выше 200°С и затем на воздухе, далее нагревают до 940-960°С, выдерживают 1,5-2,0 мин/мм, охлаждают со скоростью 7-40°С/с до температуры не выше 100°С и повторно нагревают до 650-680°С, выдерживают 2,0-3,0 мин/мм и охлаждают на воздухе [Патент RU № 2345149, МПК C21D 8/02, C22C38/12, C21D9/46, C22C38/48, 2009].
Недостатком данного способа является повышенный уровень легирования стали, что ведет к повышению себестоимости ее производства.
Технический результат предлагаемого способа заключается в разработке технологии производства стали с классом прочности не менее 420 с гарантией ударной вязкости при минус 60°С, гарантией относительного сужения в направлении толщины и удовлетворительной свариваемостью.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства хладостойкого стального листового проката, включающем получение заготовки из стали, ее аустенизацию, деформацию путем прокатки и охлаждение, согласно изобретению заготовку получают из стали, содержащей, мас.%:
Углерод 0,07 - 0,16;
Кремний 0,10 - 0,65;
Марганец 1,0 - 1,9;
Сера не более 0,009;
Фосфор не более 0,015;
Хром не более 0,4;
Никель не более 0,4;
Медь не более 0,4;
Алюминий 0,02 - 0,07;
Ванадий 0,005 - 0,10;
Ниобий 0,01 - 0,10;
Титан 0,003 - 0,10;
Молибден 0,001 - 0,08;
Азот не более 0,010,
при необходимости
кальций не более 0,005;
бор не более 0,005;
мышьяк не более 0,08.
остальное железо и неизбежные примеси,
при этом аустенизацию осуществляют до температуры 1210 - 1300°С, деформацию путем прокатки начинают при температуре порядка 980 - 1000°С, прокатку заканчивают при температуре не более 930°С, после чего проводят закалку листового проката путем нагрева до температуры 910 - 990°С и охлаждения со скоростью превышающую критическую до температуры не более 100°С, затем осуществляют отпуск при температуре 600 - 770°С и производят охлаждение на воздухе.
Продолжительность аустенизации составляет не менее 4 ч.
При производстве листового проката толщиной проката 8,0 - 20,0 мм прокатку заканчивают при температуре не более 900°С, а при толщине листового проката 20,1 - 50,0 мм прокатку заканчивают при температуре не более 930°С.
При производстве листового проката толщиной 8,0-10,0 мм температура при отпуске по зонам печи составляет 680-690°С, температура листового проката на выходе из печи составляет 690 °С, время нахождения листового проката в печи 4,0 мин/мм.
При производстве листового проката толщиной 10,1-15,9 мм температура при отпуске по зонам печи составляет 720-730°С, при этом температура листового проката на выходе из печи составляет 730°С, время нахождения листового проката в печи 2 мин/мм.
При производстве листового проката толщиной 16,0-25,0 мм температура при отпуске по зонам печи составляет 670-680°С, температура листового проката на выходе из печи составляет 680°С, время нахождения листового проката в печи 1,5 мин/мм.
При производстве листового проката толщиной 25,1-35,0 мм температура при отпуске по зонам печи составляет 650-660°С, температура листового проката на выходе из печи составляет 660°С, время нахождения листового проката в печи 1,0 мин/мм.
При производстве листового проката толщиной 35,1-50,0 мм температура при отпуске по зонам печи составляет 630-640°С, температура листового проката на выходе из печи составляет 640°С, время нахождения листового проката в печи 1,0 мин/мм.
Углеродный эквивалент стали составляет не более 0,46.
Сущность предложенного способа заключается в следующем.
Указанное сочетание содержания углерода и марганца обеспечивает необходимый уровень прочностных характеристик, наряду с высокими значениями ударной вязкости.
Ограничение величины углеродного эквивалента гарантирует высокую технологичность сварки при низких температурах окружающей среды без предварительного подогрева. Требования по максимальным значениям углеродного эквивалента обеспечиваются при сочетании содержания химических элементов.
Использование микролегирования обеспечивает формирование мелкозернистой структуры по всей толщине проката, за счет образования мелкодисперсных карбидов, которые препятствуют росту зерна при нагреве под прокатку и термообработку.
Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,07% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,16% ухудшает пластичность и вязкость стали.
Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,10% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,65% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее пластичность.
Марганец введен для повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,0% снижается прочность стали и вязкость при отрицательных температурах, приводит к увеличению отбраковки. Повышение концентрации марганца сверх 1,9% ухудшает пластичность стали, снижает хладостойкость.
Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC, а с азотом - нитриды VN, NbN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокаций, и, тем самым, упрочняют сталь. При содержании ванадия менее 0,005% свойства стали снижаются ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия более 0,10% вызывает дисперсионное твердение проката и приводит к его выделению на границах зерен в виде интерметаллических соединений. Это ухудшает свойства и снижает выход годного горячекатаного листового проката.
При содержании ниобия менее 0,01% свойства стали снижаются ниже допустимого уровня. При содержании ниобия более 0,10%, в осевой зоне образуются включения на основе NbC, NbN, что создает локальные участки с повышенными напряжениями и отрицательно влияет на ударную вязкость и значительно удорожает себестоимость проката.
Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,010% приводит к снижению вязкостных свойств при отрицательных температурах, что недопустимо.
Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При содержании алюминия менее 0,02% его воздействие проявляется слабо, сталь имеет низкие механические свойства. Увеличение содержания алюминия более 0,07% приводит к повышенному содержанию неметаллических включений, что приводит к образованию дефектов при проведении сварочных работ.
Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь.  При содержании титана менее 0,003% снижается трещиностойкость стали в интервале температурной хрупкости при разливке. При увеличении содержания титана более 0,10% ухудшается качество поверхности металлопроката, увеличивается отсортировка.
Молибден оказывает существенное влияние на формирование микроструктуры металлопроката, однако, его содержание менее 0,001% не оказывает практического влияния на свойства проката, а увеличение содержания молибдена более 0,08% не дает ощутимого изменения механических характеристик металлопроката и является экономически не обоснованным.
Хром, никель и медь способствуют повышению прочностных свойств и стойкости против питтинговой коррозии, но при содержании Ni и Cu более 0,40%, имеет место снижение хладостойкости стали при отрицательных температурах.
Сера и фосфор являются вредными примесями, ухудшающими качество стали, поэтому содержание данных химических элементов следует ограничивать значением не более 0,009 % для серы и не более 0,015% для фосфора. Указанные содержания элементов обеспечивают высокую сопротивляемость стали слоистым разрушениям.
Кальций обеспечивает рафинирование границ зерен микроструктуры стали. Действуя как поверхностно-активное вещество, он очищает межзеренные границы от нежелательных примесей, благодаря чему достигается одновременное повышение ударной вязкости при отрицательных температурах. Увеличение содержания кальция сверх 0,005% ведет к увеличению количества неметаллических включений, что отрицательно сказывается на механических свойствах горячекатаного проката.
Содержания в стали бора в количестве не более 0,005% и мышьяка в количестве не более 0,08% ограничено в связи с их негативным влиянием на пластические свойства стали и ударную вязкость.
Аустенизацию осуществляют до температуры 1210 - 1300°С, при температуре менее 1210°С, снижается производительность стана; в случае повышения температуры нагрева свыше 1300°С происходит увеличение размера аустенитного зерна, что негативно влияет на сопротивление проката ударным нагрузкам.
Начало чистовой прокатки осуществляют при температуре порядка 980°С, для обеспечения оптимальной производительности стана при прокатке без пауз, установлена опытным путем. Прокатку заканчивают при температуре не более 930°С, для обеспечения оптимального размера зерна и производительности стана.
Термообработка проката (закалка), при которой производят его нагрев до температуры 910 - 990°С, затем охлаждают со скоростью превышающую критическую до температуры не более 100°С, необходима для получения требуемой закалочной структуры.
Повторный нагрев (отпуск) до температуры 600 - 770°С и охлаждение на воздухе производят c целью получения равновесной структуры, влияющей на заданный комплекс механических свойств.
Зависимости температур начала и конца прокатки, а также режимы термообработки, от толщины проката определены экспериментально.
Для того, чтобы температура успела выровняться по всему сечению сляба, продолжительность аустенизации должна составлять не менее 4 час.
Пример реализации
Сталь была выплавлена в кислородном конвертере и после внепечного рафинирования разлита в непрерывнолитые слябы с сечением 250х1630мм.
В таблице 1 приведены химические составы стали с различным содержанием элементов.
В таблице 2 приведены контролируемые характеристики стали технологии.
Согласно указанному способу заготовки подвергали аустенизации при температуре 1230-1250°С, в течение 4 часов.
Прокатку производили на листы толщиной 10, 14, 20 и 30 мм на реверсивном ст. 2800 ПАО «Северсталь». Предварительную деформацию производили при температуре 980-1000°С. Окончательную деформацию производили при температуре 890-930°С, после окончания деформации листы охлаждались на воздухе до комнатной температуры.
Затем горячекатаные листы нагревали в роликовой печи до температур 925-960°С с временем выдержки 1,8-2,2 мин/мм, в зависимости от толщины и ширины готового проката, и далее охлаждали со скоростью 13-17 град/сек до температуры не более 100°С и повторно нагревали до 690-730°С с выдержкой 1,0-3,5 мин/мм, в зависимости от толщины готового проката, далее охлаждали на воздухе.
Согласно представленным данным в таблицах 1 и 2 при соблюдении указанных режимов производства, металлопрокат из заявляемой конструкционной стали обладает требуемыми свойствами: прочностными характеристиками, гарантией относительного сужения в направлении толщины, ударной вязкостью, а следовательно, хорошо поддается механической обработке, обработке резанием и обладает хорошей свариваемостью.
Таблица 1
Химические составы стали
Плавка
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Al
N
Mo
V
Nb
Ti
B
Сэ
1
0,104
0,37
1,51
0,0063
0,0045
0,042
0,038
0,069
0,035
0,0068
0,0046
0,022
0,044
0,015
0,0004
0,39
2
0,11
0,39
1,51
0,006
0,004
0,03
0,04
0,08
0,03
0,007
0,004
0,02
0,044
0,014
0,0004
0,40
3
0,12
0,30
1,50
0,010
0,002
0,03
0,02
0,03
0,04
0,005
0,003
0,03
0,005
0,0017
0,001
0,40
Таблица 2
Контролируемые параметры
Пример
Толщина, мм
Температура нагрева под прокатку, °С
Т<sub>н.п.</sub>, °С
Т<sub>к.п.</sub>, °С
Температура нагрева под закалку, °С
Температура нагрева для отпуска, °С
Предел текучести,поперекМПа
Предел прочности, поперекМПа
Относительное удлинение, поперек%
Ударная вязкость  KCU-40°С, поперек Дж/см<sup>2</sup>
Ударная вязкость  KCV-40°С, поперек Дж/см<sup>2</sup>
Относительное сужение, в направлении толщины%
1
10
1230
980
890
924
690
425
560
27
244
161
74
2
14
1250
990
905
958
732
520
640
26
247
215
73
3
20
1245
990
910
950
679
550
630
21
259
274
75
4
30
1230
990
930
948
666
480
580
25
393
241
75