СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ЛИСТОВ
METHOD OF HOT ROLLING OF HIGH-STRENGTH LOW-ALLOY SHEETS

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных листов, преимущественно из высокопрочных низколегированных марок стали категории прочности 345-390.
Основными требованиями, предъявляемыми к горячекатаному металлопрокату из высокопрочных низколегированных марок стали, являются высокие прочностные характеристики при повышенных пластических, особенно вязких, свойствах, обеспечивающих технологичность монтажа конструкций и их эксплуатационные параметры. При этом особенно важным является обеспечение равенства механических параметров проката в широком диапазоне толщин.
Известны способы горячей прокатки полос, включающие горячую прокатку полос в черновой и чистовой стадиях прокатки на толстолистовых станах горячей прокатки, а также охлаждение полос водой на отводящем рольганге (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. - 423 С., Пат. РФ №2037536, Пат. РФ №2277445).
Недостатками известных способов является сложность обеспечения заданного уровня физико-механических свойств горячекатаных полос из высокопрочных низколегированных марок стали при их горячей прокатке на толстолистовом стане с максимальной производительностью.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства рулонов горячекатаной трубной стали, преимущественно с содержанием углерода 0,11% и толщиной 8-13 мм, включающий нагрев сляба под горячую прокатку, прокатку его в черновой и чистовой непрерывной группах клетей широкополосного стана с температурой конца прокатки 780-840°C, дифференцированное охлаждение полосы водой сверху и снизу секциями душирующего устройства на отводящем рольганге до 570-610°C (см. Патент РФ №№2268793).
Недостаток известного способа заключается в сложности обеспечения требуемого одинакового комплекса механических свойств в горячекатаной полосе из высокопрочных низколегированных марок стали в широком диапазоне толщин (8-50 мм), особенно в условиях толстолистового стана горячей прокатки при прокатке 6-8-кратных раскатов. Это, в свою очередь, не позволяет обеспечить в горячекатаной полосе, предназначенной для последующего изготовления конструкционных изделий, уровень характеристик по всей длине раската, соответствующих, например, категории прочности 345-390.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение в горячекатаном прокате из высокопрочной низколегированной стали конструкционного сортамента одинаковых механических свойств, соответствующих категории прочности 345-390 в широком диапазоне толщин (8-50 мм) в условиях высокопроизводительного толстолистового стана горячей прокатки.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства раскатов горячекатаной полосы конструкционных марок стали, с содержанием углерода не более 0,16%, микролегированных карбонитридообразующими элементами и толщиной 8-50 мм, включающий нагрев сляба под горячую прокатку, прокатку его в черновой и чистовой стадиях прокатки толстолистового стана, дифференцированное охлаждение полосы водой сверху и снизу секциями душирующего устройства на отводящем рольганге с последующим охлаждением на воздухе от температур 560-590°C, в соответствии с изобретением горячую прокатку в черновой стадии прокатки толстолистового стана проводят по специальному режиму деформации в зависимости от конечной толщины проката, которые определяют из выражений:
н
к
h=59,299Ln(h)-86,604,
мин
ε=lg(n)+7,5,
н
где h - толщина окончания черновой стадии прокатки, мм;
к
h - конечная толщина горячекатаного листа, мм;
мин
ε - минимальные частные обжатия в черновой стадии прокатки, %;
n - номер прохода;
при этом температуру конца прокатки принимают равной для полос толщиной от 8,0 мм до 14,0 мм включительно - 830÷850°C, для полос толщиной более 14,0 мм до 25,0 мм включительно - 810÷830°C, а для полос толщиной более 25,0 мм до 50,0 мм включительно - 790÷810°C, кроме того, интенсивность охлаждения верхней поверхности полосы на отводящем рольганге регулируют количеством подаваемой воды по длине рольганга, которое определяют из выражения:
1/2
Ф=309,27*h-arctan(0,6*t-10)*(Tкп-Tyo),
2
где Ф - объем подаваемой воды на площадь листа в единицу времени (л/м*мин);
Ткп - температура конца прокатки (°C);
Туо - температура конца ускоренного охлаждения (°C);
t - время после начала охлаждения (с);
h - конечная толщина полосы (мм);
а охлаждение нижней поверхности полосы производят монотонно равномерно по всей ее длине.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Приведенные математические зависимости, регламентирующие частные относительные обжатия в черновой стадии прокатки и количество подаваемой воды по длине рольганга для охлаждения листов после чистовой стадии прокатки, - эмпирические и получены при обработке опытных данных при прокатке указанного сортамента на толстолистовом стане 5000 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Сущность заявляемого технического решения заключается в обеспечении условий для формирования в горячекатаной полосе толщиной 8-50 мм из стали с содержанием углерода до 0,16% микролегированной карбонитридообразующими элементами на стадии горячей прокатки заданного уровня механических свойств, позволяющих получать конструкционный металлопрокат повышенной прочности.
полосы
в
Как известно, для выбранного диапазона марок стали горячекатаный прокат, предназначенный для изготовления различных конструкций, должен обладать высокими значениями прочностных характеристик и одновременно повышенной пластичностью, вязкостью (поперечный изгиб на 180° вокруг оправки определенного диаметра d, для заявляемых толщин d=1,5h), а также сопротивлением хрупкому разрушению при температурах монтажа и эксплуатации конструкций. Горячекатаные полосы из заявляемых марок стали имеют ферритно-перлитную структуру. Размеры, форма и количество зерен феррита оказывают большое влияние на эти показатели. Мелкозернистая структура феррита обеспечивает требуемый уровень σ и вязкой составляющей. Одним из главных условий получения мелкозернистой структуры феррита является наличие мелкозернистой структуры аустенита. Мелкозернистая структура аустенита может быть получена при определенных степенях деформации в черновой стадии прокатки и специальном режиме охлаждения и температурах прокатываемого металла. Особенно важно соблюдение этих условий в черновой стадии прокатки микролегированных сталей (см., Ниобийсодержащие низколегированные стали. Хайстеркамп Ф., Хулка К., Матросов Ю.И. и др. М.: «СП. Интермет инженеринг» 1999, 90 с.). Известно, что в полосах из низколегированных марок стали интенсивная рекристаллизация в черновой стадии зависит от режима частных обжатий. Микродобавки (например, V, Аl и Ti) практически не влияют на температуру рекристаллизации, а только несколько сдерживают рост зерен после рекристаллизации. Следовательно, оптимальной, с точки зрения, формирования требуемой мелкозернистой микроструктуры можно считать температуру 970-1090°C. Именно в таком диапазоне, как правило, поддерживают режим прокатки в черновой стадии прокатки для выбранных категорий прочности высокопрочных низколегированных сталей.
Таким образом, для получения требуемых механических свойств в оптимальном интервале температур конца прокатки (970-1090°C) необходимо осуществлять совместное управление температурным полем полосы и режимом частных обжатия в черновой стадии прокатки путем регламентации частных обжатий при прокатке в этой стадии.
Величина и форма аустенитного зерна зависит от скорости рекристаллизации при прокатке, которая, в свою очередь, зависит как от режима частных деформаций в черновой стадии прокатки, так и от температуры прокатки в черновой стадии прокатки. Маленькое частное относительное обжатие приводит к формированию крупного зерна (6-7 балла). Крупное зерно снижает пластические и вязкие свойства. Вследствие этого невозможно обеспечить в готовой горячекатаной полосе требуемых механических свойств (см., например, Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986. - 544 С.).
Так как горячая полоса на отводящем рольганге движется по охлаждаемым роликам, то ее нижняя поверхность частично охлаждается. Кроме того, необходимо учитывать время соприкосновения воды с полосой со стороны нижней поверхности, так как вода, попадая на верхнюю поверхность полосы, стекая через кромки, обладает в 1,5-2,5 раза большей охлаждающей способностью за счет большего времени контакта полосы с водой по сравнению с нижней поверхностью. В связи с этим, для формирования требуемого уровня механических свойств по всему сечению горячекатаной полосы, а также исключения перепада механических свойств на верхней и нижней поверхностях полосы в заявляемом техническом решении выбран принцип равномерной монотонной подачи воды на нижнюю поверхность полосы на отводящем рольганге стана.
Количество подаваемой воды во время охлаждения полос влияет на количество и форму зерен феррита, характер распределения перлита и цементита, выделение в структуре «избыточных фаз». Рост количества подаваемой воды во время охлаждения полосы увеличивает количество зерен феррита, приводит к измельчению зерна феррита. При снижении количества подаваемой воды во время охлаждения полосы в структуре стали будут грубые выделения избыточных фаз. По границам зерен феррита пройдут участки перлита, а в ферритовой матрице окажутся глобули цементита. При быстром охлаждении цементит образуется только в виде мелких включений по границам зерен, что обеспечивает получение стали с лучшими пластическими, особенно вязкими свойствами. Этот факт, в совокупности с необходимостью обеспечения требуемого температурного режима конца охлаждения, определяет необходимость охлаждения поверхности полосы с регламентацией количества подаваемой воды во время охлаждения полос по длине рольганга.
Указанная совокупность признаков в известных технических решениях не обнаружена.
На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ горячей прокатки полос не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентноспособности "изобретательский уровень".
Пример осуществления способа.
На широкополосном стане 5000 горячей прокатки ОАО «ММК» прокатывают полосу из стали марки 14Г2АФ по ГОСТ 19281 с содержанием углерода (С) 0,12-0,16%, марганца (Мn) - 1,4-1,6%, ванадия (V) - 0.07-0.12% размерами 14×4300 мм.
Сляб толщиной 300 мм, нагретый до требуемой температуры 1220°C, поступает на стан горячей прокатки, имеющий в своем составе реверсивную клеть, отводящий рольганг с охлаждающими секциями. После прокатки в черновой стадии прокатки толстолистового стана раскат толщиной 70 мм, имеющий температуру 970-1090°C, поступает на подстуживание до температур 850-900°C и далее проводят чистовую стадию прокатки до температур 830-850°C. При этом режим частных обжатий определяют из выражения:
мин
ε=lg(n)+7,5,
мин
где ε - минимальные частные обжатия в черновой стадии прокатки, %;
n - номер прохода.
При охлаждении раската на отводящем рольганге осуществляют дифференцируемое охлаждение верхней и нижней поверхностей полосы. Причем на нижнюю поверхность полосы подачу воды производят равномерно монотонно, а на верхнюю поверхность полосы, количество воды регламентируют в диапазоне, необходимом для обеспечения требуемой температуры конца ускоренного охлаждения, определяемое из выражения:
0.5
Ф=309,27*h-arctan(0,6*t-10)*(Tкп-Tyo),
2
где Ф - количество подаваемой воды на площадь листа в единицу времени (л/м*мин), Ткп - температура конца прокатки (°C), Туо - температура конца ускоренного охлаждения (°C), t - время после начала охлаждения (с), h - конечная толщина полосы (мм), а охлаждение нижней поверхности полосы производят монотонно равномерно по всей ее длине.
Это позволяет поддерживать температуру конца охлаждения в диапазоне 560-590°C по всему объему полосы. Затем прокат по отводящему рольгангу направляется на холодильник, где полоса охлаждается до температуры 200-100°C.
Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялась прокатка в чистовой стадии прокатки стана горячей прокатки 5000 ОАО «ММК» представлены в Таблице.
Таблица
Технологические параметры горячей прокатки полосы толщиной 12 мм из стали марки 14Г2АФ в черновой стадии прокатки и охлаждения на отводящем рольганге стана 5000 ОАО «ММК»
Толщина проката, мм
Частные обжатия в черновой стадии прокатки, %
Количество подаваемой воды на площадь листа в единицу времени, л/м<sup>2</sup>*мин
Микроструктура (балл зерна феррита)
Примечание
12
8, 12, 13, 14,
1380 (0-14 с)
15, 16, 17, 18, 21
750 (15-60 с)
9
12
не регламентируется
не регламентируется
5-6
по способу-прототипу
в
т
5
Заявляемая технология производства высокопрочных горячекатаных полос на примере горячей прокатки стали марки 14Г2АФ обеспечивает получение мелкозернистой структуры (8-9 балла), при этом механические свойства следующие: σ=540-590 МПа, σ=410-450 МПа, δ=20-22%, выдерживает холодный изгиб на 180° при диаметре оправки d=1,5h, где h - толщина полосы.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.
Заявляемый способ может найти широкое применение на толстолистовых станах горячей прокатки при производстве полос, предназначенных для производства высокопрочных профилей для конструкций, с требуемыми регламентируемыми физико-механическими свойствами горячекатаного проката при максимальной производительности стана.
Следовательно, заявляемый способ соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».