СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ СВАРИВАЕМОЙ ХРОМОМАРГАНЦЕВОЙ СТАЛИ
METHOD OF ROLLED THICK SHEETS FROM FABRICATED CHROME-MANGANESE STEEL

Изобретение относится к области черной металлургии и термической обработки и может быть использовано при получении высокопрочной листовой низколегированной стали для металлоконструкций, эксплуатируемых в районах Крайнего Севера.
Для изготовления сварных металлоконструкций, работающих при отрицательных температурах, используют термоулучшенный горячекатаный листовой прокат толщиной 10-40 мм из свариваемой хладостойкой хромомарганцевой стали. Горячекатаные листы после термического улучшения должны сочетать высокую прочность и вязкость при отрицательных температурах. Требуемые свойства горячекатаных листов в состоянии поставки (ТУ 14-101-812-2010) приведены в табл.1.
Известен способ производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,07-0,12
Марганец
1,4-1,7
Кремний
0,15-0,50
Ванадий
0,06-0,12
Ниобий
0,03-0,05
Титан
0,010-0,030
Алюминий
0,02-0,05
Хром
не более 0,3
Никель
не более 0,3
Медь
не более 0,3
Сера
не более 0,005
Фосфор
не более 0,015
Азот
не более 0,010
Железо
Остальное.
Слябы нагревают до температуры 1160-1190°С, подвергают черновой прокатке, чистовой прокатке с суммарным относительным обжатием не менее 70% и температурой конца прокатки не выше 820°С, после чего листы закаливают водой от температуры 900-950°С и подвергают высокотемпературному отпуску при 600-730°С [Патент РФ №2255123, МПК C21D 8/02, С22С 38/58].
Недостатки известного способа состоят в том, что листовая сталь после закалки и высокотемпературного отпуска имеет низкий комплекс механических свойств и обладает низкой коррозионной стойкостью.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали марки 17ГС (ГОСТ 19281-89) следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,14-0,20
Марганец
1,0-1,4
Кремний
0,4-0,6
Хром
не более 0,30
Никель
не более 0,30
Медь
не более 0,30
Фосфор
не более 0,035
Сера
не более 0,040
Мышьяк
не более 0,08
Азот
не более 0,008
Железо
Остальное.
Выплавленную сталь подвергают непрерывной разливке со скоростью до 1,5-2,0 м/мин. Непрерывно литые слябы нагревают в методической печи до температуры 1220-1280°С, подвергают черновой прокатке в температурном интервале 1050-1180°С до промежуточной толщины 30-40 мм и чистовой прокатке в регламентированном температурном интервале 900-1050°С. Для повышения механических свойств горячекатаные листы подвергают термическому улучшению (закалке и высокому отпуску) [Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М.: Металлургия, 1989 г., с.241-244, 271-275].
Недостатки известного способа состоят в том, что комплекс механических свойств толстолистового проката ниже требуемого, и толстолистовая сталь имеет низкую коррозионную стойкость.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении комплекса механических свойств и коррозионной стойкости толстолистового проката.
Для решения технической задачи в предлагаемом способе производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку в листы в регламентированном температурном диапазоне, закалку водой и отпуск, согласно предложению непрерывной разливке подвергают сталь следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,13-0,18
Кремний
0,4-0,7
Марганец
1,2-1,8
Хром
0,4-0,8
Медь
0,20-0,45
Ванадий
0,04-0,08
Алюминий
0,02-0,05
Титан
0,02-0,05
Кальций
0,002-0,030
Ниобий
не более 0,06
Церий
не более 0,05
Сера
не более 0,008
Фосфор
не более 0,015
Железо
Остальное.
-1
Непрерывную разливку ведут со скоростью 0,7-2,0 м/мин при осциллировании кристаллизатора вдоль оси разливки с частотой 30-270 мин и амплитудой 2,5-10,0 мм, горячую прокатку осуществляют с суммарным относительным обжатием не менее 50% и завершают при температуре 830-950°С, закалку листов осуществляют от температуры 850-930°С, а отпуск ведут при температуре 600-690°С.
Сущность изобретения состоит в следующем. Конечный комплекс механических свойств и коррозионная стойкость толстолистового проката определяется одновременно ее химическим составом, условиями непрерывной разливки, температурными режимами прокатки, закалки и отпуска. В процессе проведения экспериментальных исследований осуществляли варьирование всех значимых технологических факторов, добиваясь получения заданных механических свойств при обеспечении максимальной коррозионной стойкости листов.
Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,13% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,18% ухудшает пластичность и вязкость стали.
Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,4% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,7% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее пластичность.
Марганец введен для раскисления и повышения прокаливаемости и прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,2% снижается прочность и пластичность листовой стали. Повышение концентрации марганца сверх 1,8% приводит к образованию мартенситно-бейнитной структуры в середине по толщине проката, что снижает вязкость при отрицательных температурах.
Хром повышает прочность, вязкость, коррозионную стойкость и прокаливаемость стали. При его концентрации менее 0,4% прочность и вязкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 0,8% приводит к потере пластичности и снижению вязкости из-за роста карбидов.
-40
-40
Медь повышает прочность и коррозионную стойкость стали. Кроме того, медь повышают устойчивость аустенита, что особенно важно при завершающей термообработке стальных листов. При концентрации меди менее 0,20% стальные листы имеют недостаточные пластические свойства. Увеличение концентрации меди более 0,45% приводит к снижению показателей ударной вязкости KCU и KCV.
Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC. Мелкие карбиды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и тем самым упрочняют сталь. При содержании ванадия менее 0,04% его влияние недостаточно велико, свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия более 0,08% или ниобия более 0,06% вызывает дисперсионное твердение и приводит к охрупчиванию границ зерен. Это ухудшает комплекс механических свойств стали.
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 0,05% не приводит к улучшению свойств.
Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. При концентрации титана менее 0,02% его положительное влияние незначительно. Увеличение концентрации титана более 0,05% не способствует дальнейшему улучшению свойств стали предложенного состава.
Кальций является модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает серу в глобулярные сульфиды, повышая вязкостные свойства стали. При концентрации кальция менее 0,002% его действие проявляется слабо. Увеличение концентрации кальция более 0,030% увеличивает количество и размеры неметаллических включений, ухудшает пластичность толстолистовой стали.
Более высокая сопротивляемость коррозии и прочность достигаются за счет введения в состав стали церия. Однако увеличение его концентрации более 0,05% приводит увеличению цериевой неоднородности, что снижает характеристики вязкости и пластичности.
Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,008% и фосфора не более 0,015% их вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали. В то же время более глубокое удаление серы и фосфора удорожает сталь, делает ее производство нетехнологичным.
При непрерывной разливке хромомарганцевой стали предложенного состава, содержащей церий, необходимо скорость разливки поддерживать в пределах 0,7-2,0 м/мин и осциллировать кристаллизатора вдоль оси разливки с амплитудой 2,5-10,0 мм. Это позволяет избежать нарушения стабильности процесса разливки (исключает возможность «затягивания» разливочного стакана), обеспечивает формирование более равномерного фронта кристаллизации и упорядоченный рост дендритов без образования четких границ при встрече разнонаправленных кристаллитов, снизить ликвацию легирующих и примесных элементов. В результате достигается получение более высокого комплекса механических свойств толстолистового проката.
За счет применения указанных параметров непрерывной разливки повышается деформируемость непрерывно литого металла при горячей прокатке, снижается до 50% минимально допустимое относительное суммарное обжатие, необходимое для обеспечения эффективной проработки литой структуры и получения высоких механических свойств листов.
кп
Прокатка с суммарным относительным обжатием не менее 50% и с температурой конца прокати Т=830-950°С способствует интенсификации выделения упрочняющих карбидных частиц и измельчению микроструктуры стали предложенного состава.
После термического улучшения (закалка+отпуск) одновременно с упрочнением сталь приобретает ячеистую структуру, увеличивающую вязкость при отрицательных температурах.
Нагрев листов до температуры 830-950°С, закалка водой и отпуск при температуре 600-690°С обеспечивает повышение уровня и стабильности прочностных, вязкостных и пластических свойств горячекатаных листов из стали предложенного состава. Благодаря термическому улучшению неизбежно существующие в практике промышленного производства колебания содержаний химических элементов в стали, а также температурная нестабильность процесса нивелируются, что благоприятно сказывается на уровне и стабильности механических свойств листов.
Экспериментально установлено, что при скорости разливки менее 0,7 м/мин в литом слябе возрастает ликвация легирующих и примесных элементов, увеличивается пористость и осевая рыхлость, ухудшается комплекс механических свойств листов. При увеличении скорости разливки стали данного состава более 2,0 м/мин не исключается разрыв слитка в зоне первичного охлаждения, что недопустимо.
-1
-1
При осциллировании кристаллизатора вдоль оси разливки с амплитудой менее 2,5 мм и частотой менее 30 мин не исключается «зависание» литой заготовки. При «зависании» верхняя часть сляба остается неподвижной, в то время как нижняя часть продолжает двигаться. Это приводит к разрыву затвердевшей оболочки слитка и выливанию жидкой стали. Увеличение амплитуды осциллирования более 10 мм, как и увеличение его частоты колебаний более 270 мин, ухудшает качество непрерывно литого сляба и готового проката.
кп
При суммарном относительном обжатии в процессе горячей прокатки менее 50% и завершении прокатки при температуре T выше 950°С не достигается оптимальная степень измельчения зерен микроструктуры и механическая проработка стали на всю толщину листа. Это ведет к снижению прочностных и вязкостных свойств. Снижение температуры конца прокатки ниже 830°С ведет к появлению текстуры деформации и анизотропии механических свойств. Это снижает комплекс механических свойств и коррозионную стойкость листовой стали.
При закалке от температуры выше 930°С в микроструктуре предложенной стали доля ферритной фазы возрастает более 30%, снижается прочность, ударная вязкость и коррозионная стойкость. Снижение температуры закалки менее 850°С приводит к формированию в мартенситных рейках дисперсных выделений с видманштеттовой морфологией, снижению ударной вязкости при отрицательных температурах.
Отпуск закаленных листов при температуре выше 690°С уменьшает плотность карбидной фазы, интенсифицирует процессы полигонизации и рекристаллизации, что сопровождается снижением уровня прочности. Уменьшение температуры отпуска ниже 600°С приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств толстолистового проката.
Примеры реализации способа
Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферросилицием, ферромарганцем, легировали феррохромом, феррованадием, вводили металлический алюминий, медь и ниобий. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Кальций вводили в расплав в виде силикокальция, церий вводили в расплав в железной капсуле непосредственно перед выпуском стали из промежуточного ковша. Химический состав сталей приведен в табл.2.
0
-1
Выплавленную сталь с составом №3 транспортируют к вертикальной машине непрерывного литья заготовок и при температуре t=1485°С разливают в заготовку толщиной Н=200 мм. Скорость разливки (скорость вытягивания непрерывно литой заготовки из кристаллизатора) поддерживают равной V=1,3 м/мин. В процессе разливки кристаллизатору прямоугольного сечения сообщают осцилляцию (колебательное движение) вдоль оси разливки с частотой f=150 мин (150 колебаний в минуту) с амплитудой А=6,0 мм.
Непрерывно литую заготовку разрезают в поперечном направлении с амплитудой А=6,0 мм.
нп
1
Непрерывно литую заготовку разрезают в поперечном направлении с помощью газокислородной резки. Полученные слябы нагревают в методической печи до температуры аустенитизации T=1230°С и прокатывают за 12 проходов на толстолистовом реверсивном стане 5000 в листы толщиной H=40 мм с суммарной величиной относительного обжатия ε:
кп
Во время прокатки (в проходах и паузах между проходами) происходит остывание листов. Прокатку в последнем проходе ведут при температуре Т=890°С.
з
от
Горячекатаные листы транспортируют к роликовой закалочной машине. Перед закалкой листы нагревают до температуры Т=900°С и производят закалку водой. Закаленные листы отпускают при Т=645°С.
После термического улучшения от листов отбирают пробы и производят испытания механических свойств и коррозионной стойкости (скорость коррозии S) в соляном тумане.
Варианты реализации способа производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали и показатели их эффективности приведены в табл.3.
Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенные режимы производства толстолистового проката (варианты №2-4) обеспечивают повышение комплекса механических свойств и коррозионной стойкости толстолистового проката.
В случаях запредельных значений концентраций химических элементов в стали, режимов непрерывной разливки слябов, температурно-деформационных режимов горячей прокатки, закалки и высокого отпуска (варианты №1 и №5), а также использования способа-прототипа (вариант №6) имеет место снижение комплекса механических свойств и коррозионной стойкости S готовых толстых листов.
Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что одновременная оптимизация химического состава хромомарганцевой стали, условий ее непрерывной разливки, горячей прокатки, а также последующей закалки и отпуска позволяет повысить комплекс механических свойств и коррозионную стойкость толстолистового проката.
Использование изобретения позволяет повысить рентабельность производства и потребления толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали на 15-20%.
Таблица 1
Способ производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
KCU<sup>+20</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
KCU<sup>-40</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
KCV<sup>-40</sup>,Дж/см<sup>2</sup>
Холодн. загиб на 180°
Скорость корроз. S, мм/год
не менее
не более
780-1030
685-930
20
50
40
30
выдерж.
0,2
Таблица 2
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
C
Si
Mn
Cr
Cu
V
А1
Ti
Ca
Nb
Ce
S
P
1.
0,12
0,3
1,1
0,3
0,19
0,03
0,01
0,01
0,001
-
-
0,005
0,011
2.
0,13
0,4
1,2
0,4
0,20
0,04
0,02
0,02
0,002
0,02
0,01
0,006
0,012
3.
0,16
0,6
1,5
0,6
0,33
0,06
0,04
0,03
0,015
0,04
0,03
0,007
0,013
4.
0,18
0,7
1,8
0,8
0,45
0,08
0,05
0,05
0,030
0,06
0,05
0,008
0,015
5.
0,19
0,8
1,9
0,9
0,46
0,09
0,06
0,06
0,040
0,07
0,06
0,009
0,016
6.
0,15
0,5
1,3
0,3
0,12
-
-
-
-
-
-
0,030
0,033
Примечание: состав 6 дополнительно содержит 0,06% As и 0,007% N.
Таблица 3
Способ производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали
№ п/п
№ состава
V, м/мин
f, мин<sup>-1</sup>
A, мм
ε, %
T<sub>кп</sub>, °C
T<sub>з</sub>,°С
T<sub>от</sub>, °C
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
KCU<sup>+20</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
KCU<sup>-40</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
KCV<sup>-40</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
Загиб на 180°
S, мм/год
1.
1
0,6
29
2,2
45
820
840
590
770
660
17
48
38
29
нет
0,5
2.
2
0,7
30
2,5
50
830
850
600
980
685
24
53
42
33
выд.
0,2
3.
3
1,3
150
6,0
80
890
900
645
1030
800
26
54
43
34
выд.
0,1
4.
4
2,0
270
10
85
950
930
690
1000
930
25
53
42
32
выд.
0,2
5.
5
2.2
280
11
90
960
940
700
1010
940
15
47
31
26
нет
0,5
6.
6
н.р.
н.р.
н.р.
80
890
950
650
610
420
16
47
29
25
выд.
0,4
Примечание: н.р. - параметр не регламентирован; выд. - выдерживает испытание.