СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОГО ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
PRODUCTION METHOD OF HOT-ROLLED ROLLED STOCK FROM LOW-ALLOY STEEL

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к горячей прокатке толстолистовой стали на реверсивных станах, которая используется для изготовления котлов и сосудов, работающих под высоким давлением, в том числе для производства изделий объектов атомной энергетики.
Известен способ производства толстолистовой конструкционной стали с однородной ферритной структурой (Патент США №4662950, МПК C21D 8/02, 1987 г.). В соответствии с этим способом отливают слябы следующего химического состава, мас. %:
Углерод
не более 0,23
Марганец
не более 1,35
Сера
не более 0,05
Фосфор
не более 0,04
Кремний
не более 0,50
Ванадий
не более 0,10
Ниобий
0,02-0,06
Алюминий
0,02-0,06
Хром
не более 0,70
Никель
не более 0,50
Медь
не более 0,40
Железо
остальное
Слябы нагревают до температуры 1120-1180°С, подвергают черновой прокатке с суммарным обжатием 40-60% и чистовой прокатке с суммарным обжатием 40-60%. Чистовую прокатку начинают при температуре не выше 980°С и завершают при температуре конца прокатки ниже 870°С.
Недостаток известного способа состоит в том, что прокатанные листы, в зависимости от толщины и конкретного содержания легирующих элементов стали, приобретают различные механические свойства. Это снижает их качество, прочностные характеристики, теплоустойчивость и повышает температуру вязко-хрупкого перехода и.
Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является взятый за прототип способ производства горячекатаного листа из низколегированной стали (Патент РФ 2341564 С2, C21D 8/02 В21В 1/26, 2008 г.), включающий получение сляба, нагрев, последующую многопроходную реверсивную черновую и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, согласно изобретению чистовую прокатку начинают при температуре 970-1050°С и завершают при температуре конца прокатки от 940 до 990°C с относительным обжатием в последнем проходе от 7 до 15%, причем сляб получают из стали, содержащей следующий химический состав, мас. %:
Углерод
0,18-0,23
Кремний
0,15-0,40
Марганец
1,0-1,35
Ванадий
0,02-0,04
Алюминий
0,02-0,05
Хром
не более 0,3
Никель
не более 0,3
Медь
не более 0,3
Сера
не более 0,020
Фосфор
не более 0,020
Азот
не более 0,012
Железо
остальное
Кроме того, при получении листа толщиной 6,0-16,0 мм температура прокатки равна 940°С, при получении листа толщиной 16,1-25,0 мм температура конца прокатки равна 950°С, при получении листа толщиной 25,1-40,0 мм температура конца прокатки равна 980°С, а при получении листа толщиной более 40,0 мм температура конца прокатки равна 990°С.
Недостатком известного способа является недостаточная теплоустойчивость высокая температура вязко-хрупкого перехода.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении теплоустойчивости стали и понижении температуры вязко-хрупкого перехода (критической температуры хрупкости).
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе производства горячекатаного листа из низколегированной стали, включающем получение сляба, нагрев, последующую многопроходную реверсивную черновую и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, согласно изобретению сляб получают из стали, имеющей следующий химический состав, мас. %: углерод 0,22-0,26; кремний 0,30-0,40; марганец 0,75-1,10; алюминий 0,01-0,035; ниобий 0,03-0,05; хром не более 0,3; никель не более 0,3; медь не более 0,3; сера не более 0,010; фосфор не более 0,015; азот не более 0,008, ванадий не более 0,05, титан не более 0,05; Fe - остальное, при этом нагрев под прокатку осуществляют до температуры 1230-1250°С, черновую прокатку заканчивают при температуре не более 1000°С, чистовую прокатку ведут за 7-9 проходов и завершают в диапазоне температур 820-880°С, обеспечивая в горячекатаном листе феррито-перлитную структуру с размером зерна не крупнее 9 балла.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Обеспечение заданных механических свойств горячекатаных толстых листов достигается одновременно как оптимизацией химического состава стали, так и режимов их последующей деформационно-температурной обработки.
Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,22% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,26% ухудшается ударная вязкость стали.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочностные характеристики. При концентрации кремния менее 0,30% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,40% увеличивается ее хрупкость.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,75% прочность стали недостаточна. Содержание свыше 1,10% приводит к перерасходу легирующих материалов, что увеличивает себестоимость стали.
Хром, никель, медь обеспечивают увеличение прочности при повышенных температурах без потери пластичности, а никель еще и увеличивает ударную вязкость. Увеличение содержания данных свыше 0,3% приводит к перерасходу легирующих материалов и, как следствие, увеличению себестоимости стали.
Сера является вредной примесью, снижающей пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,010% ее вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали данного состава. В тоже время более глубокая десульфурация удорожает сталь, делает ее производство нерентабельным.
Ниобий повышает прочность и ударную вязкость стали, измельчая зерно микроструктуры. При содержании ниобия менее 0,03% прочность и ударная вязкость стали ниже требуемого уровня, а увеличение содержания ниобия более 0,05% нецелесообразно, т.к. не ведет к дальнейшему улучшению свойств, а лишь увеличивает расход легирующих материалов.
Фосфор в количестве не более 0,015% целиком растворяется в α-железе, что ведет к упрочнению металлической матрицы. Однако увеличение содержания фосфора более 0,015% вызывает охрупчивание стали и снижение работы удара при отрицательных температурах.
Азот является нитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,008% приводит к снижению вязкостных свойств при отрицательных температурах.
Титан и ванадий ограничены верхним значением 0,05% для исключения вредного воздействия излишнего упрочнения из-за выделения нитридов, карбидов и карбонитридов этих элементов.
Экспериментально установлено, что при температуре нагрева ниже 1230°С сляб в методической печи недостаточно прогревается, что приводит к повышенной неоднородности конечной микроструктуры и, как следствие, к неравномерности механических свойств в листе. Также при недостаточном прогреве сляба при последующей его прокатке могут возникать трещины и рванины на листах. Нагрев сляба до температур, превышающих 1250°С, приводит к получению более крупного аустенитного зерна, которое наследуется конечной структурой проката, что в свою очередь приводит к неудовлетворительной прочности и теплоустойчивости.
При температуре конца черновой прокатки, превышающей 1000°С, в металле происходит рост аустенитного зерна перед чистовой прокаткой, который в дальнейшем наследуется, что не способствует получению структуры готового проката, гарантирующей весь комплекс свойств. Рост аустенитного зерна объясняется собирательной и динамической рекристаллизацией.
При температуре начала чистовой прокатки ниже 1000°С в стали предложенного состава формируется мелкозернистая микроструктура. Это повышает прочностные характеристики проката и снижает пластичность.
Чистовую прокатку ведут за 7-9 проходов. При таком количестве проходов обжатия при прокатке распределяются равномерно между проходами, что способствует получению равномерной микроструктуры по сечению проката и, следовательно, свойств в готовых листах. При увеличении количества проходов более 9 структура недостаточно прорабатывается, что негативно сказывается на механических свойствах проката. Уменьшение количества проходов менее 7 приводит к росту нагрузок на прокатный стан, что вызывает повышенный расход энергии и повышает риск возникновения аварийной ситуации.
При температуре конца чистовой прокатки выше 880°С в стали предложенного состава в процессе охлаждения наблюдается неравномерный рост аустенитных зерен, что приводит к неравномерности микроструктуры в готовых листах, снижению прочности и стабильности механических свойств. Снижение температуры конца прокатки менее 820°С ухудшает пластические свойства листов и увеличивает нагрузки на оборудование при прокатке.
Обеспечение в горячекатаном прокате феррито-перлитной структуры с размером зерна не крупнее 9 балла позволяет получать свойства листового проката без применения термообработки с отдельного нагрева.
Пример реализации
Сталь выплавляли в электродуговой печи, разливали в слябы. Слябы нагревали до температуры 1230-1250°С и прокатывали на толстолистовом стане 2800 в листы до конечной толщины (8-50,0 мм) при температуре конца черновой прокатки 950-1000°С. Температура конца чистовой прокатки 820-880°С. Причем чистовую прокатку ведут за 7-9. После окончания процесса деформации осуществляли окончательное охлаждение листового проката до температуры окружающей среды.
Из табл. 1-3 следует, что предложенный способ (варианты 2-3) имеет более высокие прочностные характеристики при повышенных температурах и ударную вязкость при температуре KCV +20°С, а также минимальную критическую температуру хрупкости. Кроме того, сталь характеризуется высоким уровнем пластических свойств.
При запредельных концентрациях элементов и превышении заявленных технологических параметров горячей прокатки (варианты 1, 6-7) прочностные характеристики при повышенных температурах и ударная вязкость стали ухудшаются. Также более низкие свойства по прочности и ударной вязкости имеет сталь по прототипу (варианты 4, 5).