СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОГО РУЛОННОГО ПРОКАТА НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
METHOD TO PRODUCE HOT-ROLLED COILED STOCK OF LOW-ALLOYED STEEL

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных полос толщиной 4.0÷9.0 мм из низколегированных марок стали, предназначенных для последующего изготовления силовых элементов автомобиля методом штамповки (балки, перекладины, рамы грузовых автомобилей).
Основными требованиями, предъявляемыми к стали, являются высокие прочностные характеристики при повышенных пластических, особенно, вязких свойствах, определяющих способность стали к вытяжке при штамповке деталей автомобиля. При этом особенно важным является обеспечение равенства механических параметров проката в широком диапазоне толщин.
Известен способ горячей прокатки полос, включающий горячую прокатку полос на широкополосном стане с межклетевым охлаждением и охлаждением полос водой на отводящем рольганге перед последующей смоткой в рулон (см., например, Технология прокатного производства. В 2-х книгах. Кн.2. Справочник: Беняковский М.А., Богоявленский К.Н., Виткин А.И. и др. М.: Металлурия, 1991. - С.542, пат. РФ №2037536, БИ №17, 1995 г.).
Недостатками известных способов является сложность обеспечения требуемого повышенного уровня механических свойств в рулонном горячекатаном прокате из низколегированных марок стали на стадии горячей прокатки.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства проката, включающий выплавку низколегированной стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, при этом выплавляют сталь следующего химического состава при соотношении ингредиентов, мас.%:
Углерод
0,045÷0,12
Марганец
0,35÷1,15
Кремний
не более 0,50
Ниобий и/или титан
0,01÷0,08 каждого
Алюминий
0,01÷0,09
Азот не более
0,010
Железо и неизбежные примеси
остальное
Сталь дополнительно содержит, мас.%: ванадий 0,01÷0,08, кальций 0,0005÷0,010, при этом суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не должно превышать 0,117 мас.%. При этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°C, а температуру смотки - в диапазоне 510-640°C (патент РФ №2361930, C21D 8/04, 2006).
Недостатками известного способа является сложность формирования в горячекатаном рулоном прокате, предназначенном для последующего изготовления деталей кузова автомобиля, стабильных механических свойств с повышенным уровнем прочности и пластичности одновременно соответствующих, например, классу прочности 490, особенно на стадии горячей прокатки в условиях широкополосного стана.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение в горячекатаном рулонном прокате из низколегированной стали, предназначенном для холодной штамповки, стабильных механических свойств с повышенным уровнем прочности и пластичности.
3
Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства горячекатаного рулонного проката низколегированной стали толщиной 4.0÷9.0 мм, включающем выплавку, внепечную обработку, непрерывную разливку, аустенизацию заготовки с нагревом выше Ас, предварительную и окончательную деформации, охлаждение поверхности полосы водой и ее смотку в рулон, согласно изобретению выплавляют сталь следующего химического состава при соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,10÷0,20
Кремний
0,10÷0,50
Марганец
1,15÷1,45
Сера
0,010 макс.
Фосфор
0,015 макс.
Хром
0,10 макс.
Никель
0,15÷0,25
Медь
0,15÷0,25
Алюминий
0,020÷0,050
Ниобий
0,05÷0,08
Ванадий
0,03÷0,05
Титан
0,010÷0,025
Железо
остальное,
при этом температуру раската в последнем проходе черновой группы клетей стана поддерживают в интервале 1010÷1050°C, окончательную деформацию осуществляют в непрерывном режиме с суммарной степенью деформации не менее 70%, причем температуру завершения пластической деформации поддерживают в интервале 790÷840°C, кроме того, после завершения окончательной деформации на отводящем рольганге осуществляют дифференцированное охлаждение верхней и нижней поверхности полосы, причем интенсивность охлаждения верхней поверхности полосы регулируют изменением скорости ее охлаждения, которую определяют из выражения:
верх
cp
верх
cp
V=-3,4·Ln(h)+11,5, где V - скорость охлаждения верхней поверхности полосы, град/с; h - конечная толщина полосы, мм, а охлаждение нижней поверхности полосы производят монотонно равномерно по всей ее длине, при этом температуру полосы перед смоткой поддерживают в диапазоне 550-600°C, при этом для полос толщиной 4.0÷6.0 мм включительно температура завершения пластической деформации составляет 825±15°C, а температуру смотки полосы в рулон принимают равной 585±15°C; для полос толщиной 6.1÷8.0 мм включительно температура завершения пластической деформации составляет 815±15°C, а температуру смотки полосы в рулон принимают равной 575±15°C; для полос толщиной 8.1÷9.0 мм включительно температура завершения пластической деформации составляет 805±15°C, а температуру смотки полосы в рулон принимают равной 565±15°C.
Выбранные пределы содержания углерода (0,10÷0,20%) в сочетании с марганцем (1,15÷1,45%), никелем и медью (0,15÷0,25% каждого) обеспечивают получение феррито-перлитной структуры, позволяют достичь высоких значений предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, улучшить формуемость в холодном состоянии. Заявленные содержания кремния (0,10÷0,50%) и алюминия (0,020÷0,050%) обеспечивают необходимую чистоту стали по неметаллическим включениям. Содержание титана в заявленных пределах (0,010÷0,025%) обеспечивает связывание азота в стойкие нитриды, а выбранные пределы содержаний серы (не более 0,010%) и фосфора (не более 0,015%) - получение высоких значений ударной вязкости при отрицательных температурах. Ниобий в заявленных пределах содержания (0,05÷0,08%) тормозит рекристаллизацию аустенита, что способствует при окончательной деформации получению структуры аустенита с большим числом мест зарождения зерен феррита, что обеспечивает мелкое зерно феррита. Кроме того, ниобий и ванадий в заявленных пределах (0,03÷0,05%), образуя карбонитриды, способствуют повышению прочностных характеристик стали благодаря дисперсионному твердению.
Снижение разброса значений механических свойств по длине и толщине полосы обеспечивается стабильным фазовым составом стали в разных участках полосы и осуществлением дифференцированного охлаждения проката на отводящем рольганге. Однородность фазового состава стали обеспечивается окончанием пластической деформации всех участков полосы в нижней части аустенитной области (790÷840°C).
Выбранный интервал температур полосы перед смоткой в рулон (550÷600°C) способствует выделению карбонитридов (Nb,V)(C,N) размером 3÷8 нм, обеспечивающих эффективное дисперсионное упрочнение проката. Превышение указанных температур приведет к выделению более крупных частиц и к ослаблению дисперсионного твердения. Более низкие температуры не обеспечивают достаточного дисперсионного твердения, подавляя диффузионные процессы при охлаждении смотанного рулона.
Как известно, при высоких степенях деформации скорость образования рекристаллизованных зародышей превышает скорость их роста, что предопределяет образование мелкого зерна. Кроме того, при уменьшении исходного зерна аустенита повышается критическая степень деформации и рекристаллизованное зерно (при данной степени деформации) становится мельче (см. Ю.М.Лахтин. Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1977. - 407 С.). В связи с этим для обеспечения требуемых повышенных прочностных свойств и одновременно высоких пластических свойств при горячей прокатке низколегированной стали в чистовой группе стана необходимы значительные (не менее 70%) суммарные относительные обжатия. Кроме того, при меньших значениях величины суммарного обжатия не будет осуществляться выкатываемость полос на требуемую конечную толщину.
Дифференцированное охлаждение проката на отводящем рольганге позволяет уменьшить разницу в механических свойствах верхней и нижней поверхностей полосы. Вода, попадая на верхнюю поверхность полосы, стекая через кромки, обладает большей охлаждающей способностью за счет большего времени контакта полосы с водой по сравнению с нижней поверхностью. Большая скорость охлаждения верхней поверхности по сравнению с нижней приведет к градиенту механических свойств, ухудшающих штампуемость стали.
Приведенная математическая зависимость, регламентирующая интенсивность охлаждения верхней поверхности горячекатаной полосы на отводящем рольганге стана горячей прокатки в зависимости от ее конечной толщины - эмпирическая и получена при обработке опытных данных комплекса исследований по прокатке низколегированных марок стали на широкополосном стане 2000 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Пример осуществления способа
Сталь заявленного состава (см. табл.1) была выплавлена в 350-тонном конвертере. После проведения внепечной обработки металла и введения требуемых добавок осуществляли непрерывную разливку 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 размерами 4.0÷9.0×1670÷1743 мм, предназначенные для последующего изготовления силовых элементов автомобиля методом штамповки (балки, перекладины, рамы грузовых автомобилей).
Горячую прокатку осуществляют по следующей методике. Производится аустенизация слябовой заготовки при температуре 1180÷1240°C, после чего сляб поступает на ШСГП 2000, имеющий в своем составе черновую непрерывную группу клетей, промежуточный рольганг, чистовой окалиноломатель, чистовую непрерывную группу клетей с малой обжимной способностью с устройствами межклетевого охлаждения, а также отводящий рольганг с охлаждающими секциями и две группы моталок. Сляб обжимается в черновой группе клетей до получения требуемой толщины раската 40÷50 мм, после чего он 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 4.0÷9.0 мм при суммарном относительном обжатии не менее 70%. При этом температура завершения пластической деформации (Ткп) в общем случае поддерживается в интервале 790÷840°C, а именно, для полос толщиной 4.0÷6.0 мм включительно - 825±15°C, для полос толщиной 6.1÷8.0 мм включительно - 815±15°C, для полос толщиной 8.1÷9.0 мм включительно - 805±15°C.
верх
cp
ср
После завершения окончательной деформации проводят ускоренное охлаждение проката водой до требуемой температуры. При этом скорость охлаждения верхней поверхности полосы (град./с) определяют из выражения: V=-3,4·Ln(h)+11,5, где h - конечная толщина полосы, мм, а охлаждение нижней поверхности полосы производят монотонно равномерно по всей ее длине. При этом температуру смотки полосы в рулон принимают равной в диапазоне 585±15°C для толщин 4.0÷6.0 мм включительно, в диапазоне 575±15°C - для толщин 6.1÷8.0 мм, в диапазоне 565±15°C - для толщин 8.1÷9.0 мм включительно. Далее производится охлаждение рулона на спокойном воздухе до температуры окружающей среды.
Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялась прокатка полос из стали категории прочности 490 и охлаждение их поверхности водой на отводящем рольганге широкополосного стана 2000 горячей прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», а также результаты исследований представлены в таблице 2.
5
-40
2
Заявляемая технология производства рулонов на примере горячей прокатки полос категории прочности 490 обеспечивает получение следующих механических свойств: временное сопротивление разрыву σв=590÷640 МПа, предел текучести σт=510÷550 МПа, σт/σв - не более 0,90, δ - не менее 25%, ударная вязкость KCU - не менее 39 Дж/см.
По варианту №3 был произведен прокат, принятый в качестве прототипа изобретения (сравнительный вариант).
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в наиболее близком аналоге.
Заявляемый способ может найти широкое применение на широкополосных станах горячей прокатки при производстве полос из высокопрочной стали с пределом текучести не менее 490 МПа с требуемыми регламентируемыми механическими параметрами.
Следовательно, заявляемый способ соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Таблица 1
Химический состав экспериментальных плавок
Вари ант плавки
С
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Cu
N<sub>2</sub>
Al
V
Ti
Nb
1
0.12
0.22
1.31
0.005
0.015
0.04
0.23
0.22
0.007
0.034
0.041
0.013
0.061
2
0.16
0.35
1.21
0.004
0.012
0.04
0.18
0.20
0.007
0.035
0.036
0.015
0.065
3*
0.12
0.50
1.05
0.008
0.010
0.06
0.05
0.06
0.005
0.090
0.010
0.025
0.080
* - сравнительный вариант