Способ производства горячекатаного хладостойкого проката
METHOD OF PRODUCING HOT-ROLLED COLD-RESISTANT ROLLED STOCK

Область техники
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на широкополосных многоклетьевых станах горячекатаного рулонного проката для электросварных труб, предназначенных, в частности, для эксплуатации в условиях отрицательных температур, в том числе для арктического применения.
Уровень техники
Известен способ производства хладостойкого горячекатаного рулонного проката, включающий выплавку стали заданного химического состава, нагрев слябов, черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку, ускоренное охлаждение и смотку полосы в рулон (см. патент РФ №2519720, опубл. 20.04.2014).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе не регламентирован выбор содержания химических элементов стали заготовки в зависимости от целевого значения временного сопротивления разрыву стали изготавливаемого проката. Кроме того, не определена температура подката в начале чистовой стадии прокатки, что не позволяет гарантированно реализовать данную прокатку без протекания процесса рекристаллизации. При реализации известного способа не гарантировано обеспечение требуемого уровня временного сопротивления стали проката, высокого уровня ее хладостойкости и доли вязкой составляющей при испытании падающим грузом (ИПГ) при температурах до минус 40°С.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ производства хладостойкого горячекатаного рулонного проката, включающий выплавку стали заданного химического состава, непрерывную разливку, нагрев сляба, прокатку в черновой и чистовой группах клетей стана с регламентированными величинами суммарного относительного обжатия по стадиям прокатки и температуры начала чистовой прокатки, последующее ускоренное охлаждение и смотку полосы в рулон (см. патент РФ №2549807, опубл. 27.04.2015, принят за прототип).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе не регламентирован выбор содержания химических элементов стали заготовки в зависимости от целевого значения временного сопротивления разрыву стали изготавливаемого проката. Кроме того, указанные в прототипе относительные обжатия в черновой и чистовой группе клетей стана не всегда могут быть реализованы в условиях литейно-прокатного комплекса при прокатке сляба толщиной 70÷110 мм. При этом при реализации известного способа не регламентирован оптимальный баланс между обжатиями в черновой и чистовой группах. Также можно отметить, что при реализации способа-прототипа температуру начала чистовой стадии прокатки не устанавливают в зависимости от содержания в стали заготовки ниобия, что в определенных случаях допускает проведение чистовой прокатки в области частичной рекристаллизации. Указанные недостатки затрудняют обеспечение требуемого уровня временного сопротивления стали проката, высокого уровня его хладостойкости и доли вязкой составляющей при ИПГ при температурах до минус 40°С.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа производства стального горячекатаного рулонного проката толщиной до 16 мм, обеспечивающего формирование в стали изготавливаемого проката следующих свойств:
- временное сопротивление разрыву в диапазоне от 470 до 690 МПа (соответствует требованиям к классам прочности от К48 до К60) в зависимости от целевого класса прочности изготавливаемого проката;
2
- уровень ударной вязкости на образцах KCV не менее 100 Дж/см при температуре испытаний минус 40°С;
- долю вязкой составляющей в образцах при ИПГ не менее 90% при температуре испытаний минус 40°С.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении дисперсности и однородности формируемой в зависимости от целевого значения временного сопротивления разрыву феррито-перлитной или феррито-бейнитной структуры стали проката.
B
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается в способе производства горячекатаного хладостойкого рулонного проката, включающем получение из стали непрерывнолитого сляба, нагрев сляба в печи и его прокатку в черновой группе клетей стана, прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей стана, охлаждение полученного проката и его смотку в рулон, за счет того, что получают непрерывнолитой сляб толщиной 70÷110 мм из стали, содержащей в мас. %: углерод от 0,04 до 0,07; кремний от 0,15 до 0,50; марганец от 0,50 до 1,75; алюминий от 0,02 до 0,05; ниобий от 0,03 до 0,10; титан от 0 до 0,015; серу не более 0,005; фосфор не более 0,015; азот не более 0,012; железо и примеси - остальное; причем  где Si, Mn, Nb, Ti - содержание в стали, из которой получают сляб, соответственно кремния, марганца, ниобия и титана (в мас. %); σ - целевое значение временного сопротивления разрыву стали проката, представляющее собой число из ряда чисел от минимального до максимального нормированного значения временного сопротивления разрыву стали проката (в МПа); прокатку сляба в черновой группе клетей стана и прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей стана ведут с суммарными относительными обжатиями, соответствующими соотношению  где  - суммарное относительное обжатие промежуточного подката при его прокатке в чистовой группе клетей стана (в %);  - суммарное относительное обжатие сляба при его прокатке в черновой группе клетей стана (в %); при этом прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей начинают при его температуре Т (в °С), соответствующей соотношению  где Nb -содержание ниобия в стали, из которой получают сляб (в мас. %).
Заявленное содержание указанных химических элементов в стали сляба обеспечивает в процессе реализации заявленного способа формирование требуемой структуры стали проката, повышение ее дисперсности и однородности и, как следствие, обеспечивает получение высокого уровня механических свойств стали изготавливаемого проката.
Углерод в стали необходим для обеспечения требуемой прочности стали. При его содержании в стали менее 0,04 мас. % не достигается требуемая прочность проката, а при его содержании в стали более 0,07 мас. % не обеспечивается требуемая хладостойкость проката.
Кремний применяется для упрочнения твердого раствора и обеспечения требуемой прочности стали. Кроме того, кремний необходим для раскисления стали при выплавке. При содержании кремния менее 0,15 мас. % ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства проката. Увеличение содержания кремния более 0,50 мас. % приводит к возрастанию количества силикатных включений, что снижает ударную вязкость проката.
Марганец применяют для упрочнения твердого раствора и обеспечения требуемой прочности стали. Наличие марганца в стали приводит к смещению  превращения в область более низких температур, что приводит к измельчению зерна и формированию феррита с повышенной плотностью дислокаций. При содержании в стали марганца менее 0,5 мас. % не обеспечивается требуемая прочность проката, а увеличение содержания марганца более 1,75 мас. % повышает ликвационную неоднородность в слябе.
Алюминий применяют для раскисления и модифицирования стали. Алюминий, связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства проката. При содержании в стали алюминия менее 0,02 мас. % снижается комплекс механических свойств проката, а увеличение его концентрации более 0,05 мас. % приводит к ухудшению вязкостных свойств проката.
Ниобий необходим для образования карбидов, которые подавляют процессы рекристаллизации в чистовой стадии прокатки. При содержании в стали ниобия менее 0,03 мас. % практически невозможно обеспечить условия для подавления рекристаллизации. Увеличение содержания ниобия более 0,10 мас. % не обеспечивает значимый эффект на процесс рекристаллизации.
Титан является сильным карбонитридообразующим элементом, связывает азот в нитриды, которые ограничивают рост зерна, что дополнительно повышает хладостойкость проката. Поэтому сталь может содержать титан в заявленных концентрациях. При этом увеличение содержания в стали титана более 0,015 мас. % приводит к увеличению количества поверхностных дефектов сляба, поэтому нецелесообразно.
Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,005 мас. % серы, не более 0,015 мас. % фосфора и не более 0,012 мас. % азота. Увеличение концентрации этих вредных примесей более предложенных значений ухудшает весь комплекс механических свойств проката.
B
При этом по результатам проведенных авторами исследований установлено, что требуемый уровень временного сопротивления разрыву стали проката обеспечивается при использовании в качестве исходной заготовки непре-рывнолитого сляба, полученного из стали с содержанием указанных выше элементов в заявленных пределах и при выполнении соотношения  где Si, Mn, Nb, Ti - содержание в стали, из которой получают сляб, соответственно кремния, марганца, ниобия и титана (в мас. %); σ - целевое значение временного сопротивления разрыву стали проката, представляющее собой число из ряда чисел от минимального до максимального нормированного значения временного сопротивления разрыву стали проката (в МПа).
По результатам проведенных авторами исследований установлено, что необходимый баланс между измельчением зерна аустенита в черновой стадии прокатки и наклепом зерна аустенита в чистовой стадии прокатки обеспечивается при прокатке сляба в черновой группе клетей стана и прокатке промежуточного подката в чистовой группе клетей стана с суммарными относительными обжатиями, соответствующими соотношению  где  - суммарное относительное обжатие промежуточного подката при его прокатке в чистовой группе клетей стана (в %);  - суммарное относительное обжатие сляба при его прокатке в черновой группе клетей стана (в %). При прокатке, когда  не обеспечивается эффективный наклеп зерна аустенита. При прокатке, когда  не обеспечивается эффективное измельчение зерна аустенита за счет рекристаллизации. Обеспечение выполнения заявленного соотношения  особенно важно при прокатке сляба толщиной 70н-110 мм, так как при этом суммарное обжатие всего процесса прокатки от сляба до проката является сравнительно небольшим.
В соответствии с заявленным способом прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей начинают при его температуре Т (в °С), соответствующей соотношению  где Nb - содержание ниобия в стали, из которой получают сляб (в мас. %). Если  то при прокатке подката в чистовой группе клетей будет проходить процесс частичной рекристаллизации зерен аустенита, что приведет к формированию неоднородной структуры в готовом прокате. Если  о можно ожидать существенного повышения сопротивления деформации прокатываемого металла и превышения допустимого усилия прокатки, что способно привести к возникновению аварийной ситуации.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного выше технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение раскрыто с помощью примеров реализации, которые являются чисто иллюстративными и не ограничивают объема притязаний, определяемого только приложенной формулой изобретения с учетом эквивалентов.
Заявленный способ был реализован в АО «Выксунский металлургический завод» при производстве на литейно-прокатном комплексе стального рулонного проката. Используемое для реализации заявленного способа оборудование специалистам известно (см., например, Марселлино Форнасье, Карло Пьемонте, Алессандро Пигани, Антон Сатонин. Литье и прокатка тонких слябов из сталей категории API для применения в арктических условиях // Металлургическое производство и технология металлургических процессов. - 2011. - №1. - С. 16-29).
Пример 1
2
Из слябов трех плавок изготавливали прокат со следующими требованиями: временное сопротивление разрыву - 510÷610 МПа, ударная вязкость при температуре минус 40°С на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 тип 11 - не менее 100 Дж/см, доля вязкой составляющей в образцах при ИПГ при температуре испытаний минус 40°С - не менее 90%.
B
Целевое значение временного сопротивления стали изготавливаемого проката (σ) принимали равным 540 МПа.
Сталь плавок под условными номерами №1, 2 и 3 выплавляли в дуговой сталеплавильной печи, осуществляли внепечную обработку на установке печь-ковш и установке вакуумирования стали с получением в стали перед разливкой содержания (в мас. %): углерода 0,05; кремния 0,30; марганца 1,05; алюминия 0,03; ниобия 0,05; серы 0,001; фосфора 0,010, азота 0,009; примесных элементов - никеля 0,10; меди 0,13; хрома 0,11; молибдена 0,12. Микролегирование титаном не осуществляли, при этом его остаточное содержание в стали составляло 0,001 мас. %.
В данном случае выполнялось заявленное соотношение
Полученную сталь разливали на тонкослябовой МНЛЗ в заготовку (толщина сляба 90 мм), которую разрезали на мерные длины.
Следует отметить, что при реализации заявленного изобретения содержание в стали, из которой получают сляб, никеля и меди предпочтительно обеспечивать не более 0,3 мас. %, хрома - не более 0,3 мас. %, молибдена - не более 0,3 мас. %. Во-первых, в большинстве случаев данные ограничения являются одним из требований потребителей, а, во-вторых, это позволит удешевить процесс производства и снизить негативное влияние данных элементов на качественные показатели проката.
Полученные слябы подогревали в проходной туннельной печи до температуры 1150°С и передавали по рольгангу для прокатки в черновую, а затем чистовую группу клетей непрерывного широкополосного стана 1950, после чего проводили ускоренное охлаждение проката водой и его смотку в рулон.
Следует отметить, что при реализации заявленного изобретения рекомендуется нагрев сляба осуществлять до температуры 1100÷1190°С, при этом для обеспечения наилучшего результата, в части формирования оптимального размера зерен аустенита для последующей прокатки и растворения необходимого количества микролегирующих элементов, предпочтительно обеспечивать нагрев сляба до температуры 1130÷1170°С.
Кроме того, при реализации заявленного способа рекомендуется обеспечивать температуру конца чистовой прокатки в интервале 800÷860°С, температуру смотки проката - в интервале 500÷600°С. При этом для обеспечения наилучших результатов, в части формирования требуемой структуры стали и получения высоких значений механических свойств проката, предпочтительно обеспечивать температуру конца чистовой прокатки в интервале 810÷840°С, а температуру смотки проката - в интервале 530÷570°С.
Технологические параметры производства проката из стали плавок №1, 2 и 3 приведены в таблице 1.
Производство проката толщиной 5,4 мм из стали плавки №1 осуществлялось в полном соответствии с заявленным изобретением. Толщина используемого сляба составляла 90 мм, а толщина промежуточного подката - 40 мм, следовательно,  что соответствовало заявленному диапазону значений (1,23÷1,57). Прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей начинали при его температуре Т=905°С, что соответствовало заявленному соотношению  так как в данном случае
При производстве проката толщиной 9 мм из стали плавки №2 толщина используемого сляба составляла 90 мм, а толщина промежуточного подката - 34 мм, следовательно,  что не соответствовало заявленному диапазону значений (1,23÷1,57). При этом прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей начинали при его температуре Т=898°С, что соответствовало диапазону значений (877,6÷917,6)°С, рассчитанному по заявленному соотношению.
При производстве проката толщиной 12 мм из стали плавки №3 толщина используемого сляба составляла 90 мм, а толщина промежуточного подката - 45 мм, следовательно,  что соответствовало заявленному диапазону значений (1,234-1,57). При этом прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей начинали при его температуре Т=952°С, что не соответствовало диапазону значений (877,6÷917,6)°С, рассчитанному по заявленному соотношению.
Результаты испытаний стали изготовленного проката из стали плавок №1, 2 и 3 приведены в таблице 1. Полученные результаты подтверждают, что при реализации заявленного способа достигаются требуемые структурно-фазовые характеристики рулонного проката, которые позволяют получить заданный уровень прочности и высокую хладостойкость. В случае выхода заявленных параметров за установленные границы, произведенный прокат по своим механическим характеристикам не соответствует установленным требованиям.
Пример 2
2
Из стали трех плавок изготавливали прокат со следующими требованиями: временное сопротивление разрыву - 550÷650 МПа, ударная вязкость при температуре минус 40°С на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 тип 11 - не менее 100 Дж/см, доля вязкой составляющей в образцах при ИПГ при температуре испытаний минус 40°С - не менее 90%.
B
Целевое значение временного сопротивления стали изготавливаемого проката (σ) принимали равным 580 МПа.
Сталь плавок под условными номерами №4, 5 и 6 выплавляли в дуговой сталеплавильной печи, осуществляли внепечную обработку на установке печь-ковш и установке вакуумирования стали с получением в стали перед разливкой содержания (в мас. %): углерода 0,06; кремния 0,28; марганца 1,40; алюминия 0,03; ниобия 0,07; серы 0,001; фосфора 0,010, азота 0,008; примесных элементов - никеля 0,10; меди 0,10; хрома 0,12; молибдена 0,11. При выплавке стали осуществляли микролегирование титаном с обеспечением его содержания в стали перед разливкой 0,010 мас. %.
Соответственно в данном случае выполнялось заявленное соотношение
Полученную сталь разливали на тонкослябовой МНЛЗ в заготовку (толщина сляба 90 мм), которую разрезали на мерные длины.
Полученные слябы подогревали в проходной туннельной печи до температуры 1150°С и передавали по рольгангу для прокатки в черновую, а затем чистовую группу клетей непрерывного широкополосного стана 1950, после чего проводили ускоренное охлаждение проката водой и его смотку в рулон.
Технологические параметры производства проката из стали плавок №4, 5 и 6 приведены в таблице 1.
Производство проката толщиной 12 мм из стали плавки №4 осуществлялось в полном соответствии с заявленным изобретением. Толщина используемого сляба составляла 90 мм, а толщина промежуточного подката - 45 мм, следовательно,  что соответствовало заявленному диапазону значений (1,23÷1,57). Прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей начинали при его температуре Т=910°С, что соответствовало заявленному соотношению  так как в данном случае
При производстве проката толщиной 5,4 мм из стали плавки №5 толщина используемого сляба составляла 90 мм, а толщина промежуточного подката - 45 мм, следовательно,  что не соответствовало заявленному диапазону значений (1,23÷1,57). При этом прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей начинали при его температуре Т=904°С, что соответствовало диапазону значений (899,9÷939,9)°С, рассчитанному по заявленному соотношению.
При производстве проката толщиной 9 мм из стали плавки №6 толщина используемого сляба составляла 90 мм, а толщина промежуточного подката - 43 мм, следовательно,  что соответствовало заявленному диапазону значений (1,23÷1,57). При этом прокатку промежуточного подката в чистовой группе клетей начинали при его температуре Т=945°С, что не соответствовало диапазону значений (899,9÷939,9)°С, рассчитанному по заявленному соотношению.
Результаты испытаний стали изготовленного проката из стали плавок №4, 5 и 6 приведены в таблице 1. Полученные результаты подтверждают, что при реализации заявленного способа достигаются требуемые структурно-фазовые характеристики рулонного проката, которые позволяет получить заданный уровень прочности и высокую хладостойкость. В случае выхода заявленных параметров за установленные границы, произведенный прокат по своим механическим характеристикам не соответствует установленным требованиям.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:
- заявленный способ, предназначен для использования в промышленности, в частности, для производства стального горячекатаного хладостойкого проката, используемого для производства электросварных труб;
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».