Способ производства горячекатаной листовой конструкционной стали
METHOD FOR PRODUCING HOT-ROLLED SHEET STRUCTURAL STEEL

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах листовой конструкционной стали, используемой в вагоностроении.
Из уровня техники известны стали марок 10ХНДП и 09Г2Д, используемые в вагоностроении.
Сталь марки 10ХНДП содержит компоненты, мас.%: С не более 0,12, Si в количестве 0,8-1,1, Mn в количестве 0,50-0,80, S не более 0,040, Р не более 0,035, Сr в количестве 0,60-0,90, Cu в количестве 0,40-0,60, Ni в количестве 0,50-0,80, N не более 0,012, As не более 0,080 и Fe остальное.
Недостатком этой стали являются невысокие механические характеристики, характеризующиеся пределом текучести равным 350 МПа, пределом прочности 480 МПа и относительным удлинением 20 %, при этом низкое содержание углерода в составе обеспечивает пониженную твердость стали.
Другим недостатком является ограничение по толщине листа стали, в пределах                        5-10 мм.
Сталь марки 09Г2Д также содержит компоненты, мас.%: С не более 0,12,  Si в количестве 0,17-0,37, Mn в количестве 1,40-1,80, S не более 0,040, Р не более 0,035, Сr не более 0,030, Cu в количестве 0,15-0,30, Ni не более 0,030, N не более 0,008, Al не более 0,030, As не более 0,080 и Fe остальное. Недостатком этой стали являются невысокие механические характеристики, характеризующиеся пределом текучести равным 310 Мпа, пределом прочности 450 Мпа и относительным удлинением 21 %, твердость по Бринеллю для тонкого листового проката не рассматривается (определяющим показателем является твердость на сварном шве), а низкое содержание углерода в составе способствует пониженной твердость стали.
Из уровня техники, из патента RU 2522065 (приоритет от 26.05.2011 г.) известно получение листа конструкционной нержавеющей стали, обладающего превосходной коррозионной устойчивостью сварных деталей, который применяется для кузовов железнодорожных вагонов.
Лист конструкционной нержавеющей стали состоит из композиции, которая содержит от 0,01 до 0,03 мас.% С, от 0,01 до 0,03 масс.% N, от 0,10 до 0,40 масс.% Si, от 1,5 до 2,5 масс.% Mn, 0,04 масс.% или менее Р, 0,02 масс.% или менее S, от 0,05 до 0,15 масс.% Al, от 10 до 13 масс.% Cr, от 0,5 до 1,0 масс.% Ni, 4*(C+N) или более и 0,3 масс.% или менее Ti (С, N отображают содержание (в масс.%) С и N), и Fe, 1,0 мас.% или менее Cu, 1,0 масс.% или менее Мо, и неизбежные примеси остальное.
Способ производства листа конструкционной нержавеющей стали заключается в том, что вначале с помощью плавильной печи готовится расплавленная сталь, после этого расплавленная сталь подвергается очистке и формуется в стальной сляб.
Затем стальной сляб нагревают до температуры от 1100 до 1300°C и после этого выполняют горячую прокатку, которая включает черновую горячую прокатку, при которой проводят прокатку по меньшей мере в один проход или более при степени обжатия 30% или более в температурном диапазоне, превышающем 1000°C. После черновой горячей прокатки выполняют чистовую горячую прокатку (в режиме обычной чистовой горячей прокатки).
Недостатком такого способа является использование в составе стали дорогостоящих легирующих добавок, таких как Ti, Мо, V  и большого количества Mn, Cr и Cu, что приводит к увеличению стоимости продукта.
Другим недостатком способа является то, что он обеспечивает получение горячекатаного листа стали, толщина которого ограничена размером до 8,0 мм. Использование титана в составе способствует уменьшению размера зерна и ухудшению обрабатываемости стали, а низкое содержание углерода в стали не способствует повышению твердости и прочности, в то время как углерод в составе стали усиливает жёсткость структуры.
При этом техническое решение направлено на получение листа стали с коррозионной устойчивостью сварных деталей и не решает задачу по улучшению других механических свойств, без потери свойств обрабатываемости, с использованием приемов резки, сварки, гибки, что необходимо при изготовлении деталей вагонов.
Ближайшим аналогом заявленного решения является горячекатаная листовая сталь, применяемая в вагоностроении, известная из патента RU 2384646 (приоритет от 08.07.2008 г.).
Сталь содержит углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, медь, азот, алюминий, ванадий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод до 0,12, кремний 0,17-0,37, марганец 0,5-0,8, сера до 0,025, фосфор 0,07-0,12, хром до 0,3, никель до 0,3, медь 0,3-0,5, азот 0,01-0,02, алюминий 0,03-0,08, ванадий 0,05-0,07, железо остальное.
Горячекатаная листовая сталь имеет предел прочности менее 510 МПа, предел текучести не менее 390 МПа, с относительным удлинением ≥19%.
Техническим результатом является снижение стоимости стали, с одновременным улучшением ее потребительских свойств.
Основным недостатком такой стали, являются не высокие показатели механических характеристик, а также  низкое количество углерода в составе стали, что приводит к  низким  показателям твердости и прочности, по причине того, что углерод усиливает жёсткость структуры сплава, делая сталь твёрдой и прочной.
Заявленное изобретение направлено на решение недостатков известного решения.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении комплекса механических свойств горячекатаных листов стали, за счет повышения показателей твердости, предела прочности, предела текучести, без потери свойств обрабатываемости стали при резке и сварке, с сохранением хороших пластических свойств стали на изгиб более 180 градусов.
Техническим результатом заключается в повышении комплекса механических свойств листов, обеспечивающих повышение показателей твердости, предела прочности, предел текучести, без потери свойств обрабатываемости стали при резке и сварке, с сохранением хороших пластических свойств стали на изгиб более 180°.
Указанный технический результат достигается тем, что способ производства горячекатаной листовой конструкционной стали толщиной  3 - 15 мм, включает нагрев слябов, имеющих следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,23-0,27
Кремний
0,17-0,37
Марганец
0,50-0,80
Хром
0,8-1,1
Сера
Не более 0,020
Фосфор
Не более 0,020
Никель
Не более 0,25
Медь
Не более     0,25
Алюминий
0,02-0,05
Азот не более
0,012
Железо
Остальное,
горячую прокатку, с толщиной подката не менее 35 мм, черновую и чистовую прокатки, с температурой начала черновой прокатки 1050 – 1150 °С и температурой конца  черновой прокатки 950 – 1110 °С, а также температурой начала чистовой прокатки 900 - 1060°С и температурой конца чистовой прокатки, находящейся в пределах 850 - 900°С, охлаждение водой полученных листов конструкционной стали до температуры смотки и смотку в рулоны при температуре смотки 600-640°С, с последующим  отжигом рулонов при температуре 600 - 640°С, с продолжительностью отжига от 12 до 29 часов.
Также указанный технический результат достигается тем, что горячекатаная листовая конструкционная сталь толщиной 3-15 мм, полученная способом по п.1, имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,23-0,27
Кремний
0,17-0,37
Марганец
0,50-0,80
Хром
0,8-1,1
Сера
Не более 0,020
Фосфор
Не более 0,020
Никель
Не более 0,25
Медь не более
0,25
Алюминий
0,02-0,05
Азот не более
0,012
Железо
Остальное,
при этом обладает следующими механическими характеристиками: предел прочности не менее 550 МПа, предел текучести не менее 400 МПа, удлинение не менее 24% и твердость по Бринеллю до 241 МПа.
Включенный в состав конструкционной стали углерод определяет прочность и свариваемость листов. Снижение содержания углерода может привести к падению прочности. Для обеспечения возможности реализации заявленного изобретения содержание углерода установлено в пределах 0,23-0,27%.
Хром повышает способность сталей к термическому упрочнению, их стойкость к коррозии и окислению, обеспечивает повышение прочности при повышенных температурах. При содержании в стали хрома менее 0,8% не обеспечивается повышение комплекса механических свойств листов в процессе замедленного охлаждения рулонов до требуемых значений. Увеличение содержания хрома более 1,1% приводит к переупрочнению стали и ухудшению свариваемости без дальнейшего повышения теплостойкости. Для обеспечения возможности реализации заявленного изобретения содержание хрома установлено в пределах 0,80-1,1%.
Марганец является элементом, подходящим для применения в качестве раскислителя, а также как упрочняющий элемент, обеспечивающий необходимую для листа конструкционной стали прочность. Кроме того, марганец также является элементом, стабилизирующим аустенит при высоких температурах. Для обеспечения возможности реализации заявленного изобретения содержание марганца установлено в пределах 0,50-0,80 %.
Cодержание никеля, для обеспечения прочности, установлено не более 0,25%.
Медь является элементом, который повышает коррозионную устойчивость. В соответствии с настоящим изобретением, содержание меди установлено не более 0,25%.
Алюминий является элементом, который добавляется к композиции как раскислитель, содержание алюминия, в соответствии с настоящим изобретением, установлено в пределах 0,02-0,05%.
Все остальные элементы, содержание которых ограничено по верхнему пределу, являются примесными. При указанных концентрациях ниже предельных эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на комплекс механических свойств листов, тогда как их удаление из расплава стали существенно повысит затраты на производство и усложнит технологический процесс, что экономически нецелесообразно.
Благодаря тому, что температура конца чистовой прокатки составляет 850 - 900°С, в стали в процессе ее деформации и динамической рекристаллизации формируется однофазная мелкозернистая равномерная аустенитная микроструктура. При этом прокатку осуществляют при толщине подката не менее 35 мм.
Последующий распад аустенита при охлаждении полос водой от температуры конца прокатки до температуры смотки 600 - 640°С происходит с образованием зернистого перлита с участками аустенита и бейнита.
При отжиге смотанных рулонов, при температуре отжига 600 – 640°С, с продолжительностью выдержки от 12 до 29 часов, в стали полностью завершаются процессы распада остаточного аустенита и бейнита, происходит повышение ее прочностных свойств за счет выпадения из твердого раствора мелкодисперсных карбидных и карбонитридных частиц с одновременным повышением показателей твердости листовой стали до заданных значений.
Пример реализации способа.
В сталеплавильном производстве осуществляют выплавку и разливку стали в слябы толщиной 250 мм. Отлитые слябы подвергают замедленному охлаждению в термостате.
После осмотра и зачистки слябы сажают в печи с шагающими балками непрерывного широкополосного стана 2000 горячей прокатки и производят их разогрев до температуры 1200°С.
Нагретые слябы, с толщиной 250 мм, последовательно выдают на печной рольганг стана и осуществляют черновую и последующую чистовую прокатки до конечной толщины 5 мм, где температура начала черновой прокатки соответствует 1102°С, температура конца черновой прокатки соответствует 1084°С, температура начала чистовой прокатки соответствует 1018°С, температура конца чистовой прокатки соответствует 872°С, а скорость проката в 12 клети 9,00 м/c.
На отводящем рольганге стана горячекатаные полосы охлаждали ламинарными струями воды до температуры Тсм=636°С и сматывали в рулоны на барабан моталки.
Отжиг рулонов осуществляли при температуре 610°С в течение 17 часов.
В таблице 1 приведено сравнения механических показателей сталей марок 10ХНДП, 09Г2Д, ближайшего аналога и заявленного изобретения.
Согласно табл.1 лист из конструкционной стали, согласно заявленного изобретения, обладает улучшенными механическими показателями, обладая повышенная твердость по Бринеллю, обеспечивает прочность и износостойкость листа стали.
При этом заявленный лист из конструкционной стали обладает хорошей обрабатываемостью сваркой и резкой, в качестве которой может быть использована огненная (газовая резка) и резка пильными дисками.
В таблице 2 проиллюстрировано улучшение механических показателей стали, полученной заявленным способом, по отношению к показателям конструкционной стали марки 25.
Использование предложенного способа обеспечивает выход годного продукта не менее 98%.
Таблица 1
Механические свойства стали
Тип стали
Предел прочности,МПа
Предел текучести,МПа
Удлинение, не менее, %
Твердость по Бринеллю,МПа
Заявленный горячекатаный лист конструкционной стали
593
439
24%
241
Горячекатаный лист стали из ближайшего аналога
535
390
23%
Не регламентировано
Сталь марки 10ХНДП
480
350
20%
Не регламентировано для листового проката
Сталь марки 10ХНДП
450
310
21%
Не регламентировано
Таблица 2
Тип стали
предел прочности,МПа
предел текучести,МПа
пластичность при удлинении, %
Твердость по Бринеллю,Мпа
Изгиб в холодномсостоянии
Заявленный горячекатаный лист конструкционной стали
593
439
Не менее 24%
241
На уголне менее180º
Лист конструкционной стали марки 25
450
275
26
170
На уголне менее180º