СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО НИЗКОЛЕГИРОВАННОГО ШТРИПСА
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF PLATE IRON LOW-ALLOYED STRIP

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству листового проката на реверсивном толстолистовом стане, и может быть использовано при изготовлении толстых листов и штрипсов из низколегированных сталей с применением контролируемой прокатки.
Известен способ производства толстых стальных листов, включающий нагрев сляба до температуры аустенизации 1200±20°С и его черновую прокатку до промежуточной толщины раската 70 мм с температурой конца деформации 900°С. Затем предусмотрена транспортировка раската в зону охлаждения вне линии прокатки и его охлаждение на воздухе до температуры ниже 800°С. После охлаждения раската проводят его чистовую прокатку до конечной толщины с температурой конца деформации 730°С и охлаждают полученный лист до температуры окружающей среды [1].
Однако толстый лист, полученный согласно известному способу, характеризуется сравнительно низким уровнем механических свойств, в особенности ударной вязкости при отрицательных температурах. Это связано с низкой скоростью охлаждения в естественных условиях полученного листа от температуры конца прокатки до температуры окружающей среды.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства хладостойкого листового проката, включающий получение заготовки из стали, содержащей 0,04-0,1% С; 0,60-0,90% Mn; 0,15-0,35% Si; 0,10-0,40% Ni; 0,02-0,06% Al; 0,02-0,06% Nb; 0,03-0,05% V; Fe и примеси - остальное. Способ предусматривает аустенизацию заготовки при температуре 1100-1150°С, предварительную деформацию (черновую прокатку) с суммарной степенью обжатия 35-60% при температуре 900-800°С, последующее охлаждение полученной заготовки (подстуживание) на 50-70°С, окончательную деформацию (чистовую прокатку) с суммарной степенью обжатия 65-75% при температуре 830-750°С, ускоренное охлаждение листового проката до температуры 500-260°С и замедленное охлаждение до температуры не выше 150°С [2].
т
в
т
в
-40
-40
К недостаткам известного способа можно отнести то, что получаемый при его использовании толстый лист из низколегированной стали обладает недостаточно высокими прочностными свойствами. Значения предела прочности и предела текучести, заявленные для данного способа, составляют σ=300-320 МПа, σ=400-455 МПа, при относительном удлинении δ=29-34% и работе удара КV=200-250 Дж. В то же время нормативные требования для штрипса категории прочности К70 достигают σ≥590 МПа, σ=690-910 МПа, КV≥80 Дж. При этом установлена допустимая величина относительного удлинения δ≥18%.
Технический результат изобретения состоит в повышении прочностных свойств до уровня К70(Х90), при сохранении достаточной пластичности и хладостойкости штрипса толщиной 15-30 мм.
Технический результат достигается тем, что в способе производства толстолистового низколегированного штрипса, включающем аустенизацию непрерывнолитой заготовки, черновую прокатку, последующее охлаждение промежуточной заготовки, чистовую прокатку, ускоренное охлаждение полученного штрипса до заданной температуры и его последующее замедленное охлаждение, согласно изобретению аустенизацию непрерывнолитой заготовки производят при температуре 1170-1210°С в течение не менее 6 часов, черновую прокатку осуществляют до толщины промежуточной заготовки, равной 4,0-7,5 толщины готового штрипса, при этом температуру конца черновой прокатки устанавливают не ниже 900°С, последующее охлаждение промежуточной заготовки производят до температуры 780-820°С, затем осуществляют чистовую прокатку со степенью обжатия за проход не менее 12%, за исключением трех последних проходов, в которых допускают степень обжатия не менее 2%, ускоренное охлаждение полученного штрипса после чистовой прокатки начинают не позднее, чем через 30 сек после выхода штрипса из клети стана, и производят до температуры 320-620°С, далее замедленно охлаждают до температуры окружающей среды в стопе, состоящей не менее, чем из пяти листов.
см
Y
Технический результат достигается также тем, что штрипсы прокатывают из низколегированной стали со следующим соотношением элементов, мас.%: С=0,04-0,1; Mn=1,60-1,90; Si=0,15-0,35; Nb+V+Ti=0,05-0,25; Mo+Cr=0,20-0,60; Cu+Ni=0,40-0,70; железо и примеси, с содержанием каждого примесного элемента менее 0,03%, - остальное, при этом коэффициент трещиностойкости Р не превышает 0,23%, а микроструктура полученного штрипса содержит по меньшей мере 70 об.% бейнита реечной морфологии, полученного из нерекристаллизованного аустенита, имеющего поперечный средний диаметр (d) аустенитных зерен не более 25 мкм.
Кроме того, технический результат достигается тем, что после замедленного охлаждения прокатанного штрипса до температуры окружающей среды производят его дополнительную термообработку, при этом штрипс помещают в предварительно нагретую до 250-350°С печь и выдерживают при этой температуре 1-5 часов, а затем охлаждают на воздухе.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Сначала изготавливают непрерывно-литую заготовку из стали с заданным химическим составом. В целом приведенное содержание элементов обеспечивает необходимый фазовый состав и величину коэффициента трещиностойкости, а также механические свойства штрипса при реализации предлагаемых технологических режимов. Содержание углерода в низколегированной стали предложенного состава определяет ее прочность. Снижение содержания углерода менее 0,04% приводит к падению прочностных характеристик ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,1% сопровождается ухудшением пластических и вязкостных свойств штрипса, приводит к их неравномерности из-за ликвации.
В низколегированной штрипсовой стали добавки марганца способствуют твердорастворному упрочнению металла и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Содержания марганца менее 1,6% недостаточно, чтобы обеспечить получение требуемого комплекса механических свойств, а превышение значения 1,9% приводит к необоснованному расходу дорогостоящих легирующих компонентов.
При содержании кремния менее 0,15% ухудшается раскисленность стали, снижается прочность штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,35% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость металла.
Введение в состав стали ниобия, ванадия и титана в количестве 0,05-0,25% способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали при ускоренном охлаждении прокатанных штрипсов, обеспечивающей сочетание высоких прочностных и пластических свойств металла. Ниобий применяют не только для дисперсного упрочнения стали, но и для эффективного повышения прочности и вязкости стали за счет измельчения зерен. Ванадий в меньшей степени, чем ниобий, способствует измельчению зерна. Тормозящее действие ванадия на процесс рекристаллизации наблюдается лишь при низких температурах. Титан является одной из наиболее эффективных микролегирующих добавок в штрипсовых сталях, так как он способствует дисперсионному твердению, измельчению зерна и модифицированию сульфидных включений. Мелкодисперсные карбиды и карбонитриды ниобия, ванадия и титана препятствуют росту зерна аустенита в ходе нагрева. Однако применение ниобия, ванадия и титана ограничено из-за того, что при содержании их в сумме более 0,25% понижается ударная вязкость стали.
Суммарное содержание молибдена и хрома от 0,2 до 0,6% обеспечивает получение прочностных характеристик, повышает коррозионную стойкость штрипсов, однако увеличение их содержания свыше приведенных значений не сопровождается дальнейшим повышением качества штрипсов, а лишь увеличивает расходы на легирование, что нецелесообразно. Кроме того, содержание молибдена и хрома более 0,6% негативно сказывается на свариваемости сталей. При этом содержание молибдена и хрома менее 0,2% недостаточно для эффективного воздействия на показатели качества готовой продукции.
Никель и медь в суммарном количестве 0,4-0,7% способствуют твердорастворному упрочнению металла и, соответственно, повышению хладостойкости, прочности и коррозионной стойкости готового проката. При их суммарной концентрации до 0,4% они могут оказывать вредное влияние на свариваемость штрипсов при производстве труб. В то же время при увеличении суммарной концентрации этих элементов свыше 0,7% не наблюдается дальнейшего повышения механических свойств, но заметен рост расходов на легирование.
СМ
CM
Для предложенного химического состава при значениях коэффициента трещиностойкости Р более 0,23% возможно появление холодных трещин в процессе сварки труб из полученного штрипса. Коэффициент трещиностойкости рассчитывается по формуле: P=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10,  мас.%.
Y
Для выполнения поставленной задачи повышения прочностных свойств штрипса до уровня К70(Х90), при сохранении пластичности и увеличении хладостойкости, необходимо получение равномерной и мелкодисперсной структуры. При этом микроструктура полученного штрипса содержит по меньшей мере 70 об.% бейнита реечной морфологии. Такой объем бейнита позволяет получать высокие значения прочности и низкотемпературной ударной вязкости. Присутствие в структуре феррита до 30 об.% не приводит к существенному снижению прочностных характеристик и вязкости, но при этом благоприятно сказывается на пластичности металла. Так как в ходе превращения зерно бейнита реечной морфологии занимает весь объем предшествовавшего ему аустенитного зерна, то для получения равномерной и мелкодисперсной структуры необходимо, чтобы средний поперечный диаметр (d) аустенитных зерен не превышал 25 мкм.
Нагрев непрерывнолитых заготовок до температуры аустенизации, их выдержка не менее 6 часов при 1170-1210°С и черновая прокатка в температурном интервале выше 900°С является подготовительной ступенью и обеспечивает получение исходной однородной структуры путем измельчения зерна аустенита за счет статической и динамической рекристаллизации. В ходе последующей многопроходной черновой прокатки происходит интенсивное измельчение аустенитных зерен.
Упрочнение толстолистовой стали в процессе чистовой многопроходной прокатки в двухфазной области с затрудненной рекристаллизацией аустенита характеризуется тем, что в первых проходах наиболее интенсивно упрочняются поверхностные слои заготовки, в которых деформация максимальна. По мере упрочнения поверхностных слоев деформация начинает проникать вглубь и охватывает всю толщину раската. Наиболее глубоко пластическая деформация проникает в раскат при начале прокатки в температурном интервале от 780 до 820°С, что определяет необходимость подстуживания промежуточной заготовки с толщиной, составляющей 4,0-7,5 от толщины готового штрипса, до этой температуры. Поскольку степень обжатия за проход более 12% при чистовой прокатке достаточна для полной проработки структуры на всю толщину подката, обеспечивается измельчение зерен и повышение хладостойкости готового штрипса. Кроме того, начало прокатки в заданном интервале температур позволяет сохранить высокую растворимость легирующих элементов в твердом растворе и приводит к твердорастворному упрочнению материала проката. Контролируемая чистовая прокатка в двухфазной области к процессам дисперсионного упрочнения и измельчения зерен до 12-13 балла по ASTM E112 добавляет развитие текстуры и образование субзерен, которые помимо увеличения прочности, повышают сопротивление хрупкому разрушению и усталости.
3
Ускоренное охлаждение полученного штрипса после чистовой прокатки начинают не позднее, чем через 30 сек после его выхода из клети стана, так как чистовая стадия прокатки заканчивается в районе критической точки Ar и длительное охлаждение металла на воздухе может привести к выделению в структуре ферритных зерен, свободных от субструктуры. Ускоренное охлаждение штрипса до температуры 320-620°С обеспечивает формирование требуемого однородного фазового состава металла высокопрочного штрипса для магистральных трубопроводов.
Для стабилизации свойств толстолистовой стали и снятия остаточных внутренних напряжений после завершения ускоренного охлаждения штрипс желательно охлаждать более медленно. Охлаждение до температуры окружающей среды в стопе, состоящей не менее, чем из пяти листов, обеспечивает снятие остаточных внутренних напряжений и протекание в металле процессов, характерных для нормализации, что повышает уровень механических свойств толстых листов. Такой подход способствует получению мелкозернистой равновесной структуры металла.
В ряде случаев для повышения пластических свойств проката за счет снижения остаточных напряжений целесообразно применение дополнительной термообработки. Для этого штрипс помещают в печь, предварительно нагретую до 250-350°С, и выдерживают при этой температуре 1-5 часов с последующим охлаждением на воздухе. При таком низкотемпературном отпуске, представляющем вариант искусственного старения, происходит снятие внутренних напряжений между отдельными структурными блоками. Соответственно, устраняются проявления наклепа и повышается пластичность готового штрипса.
Таким образом, полное использование ресурса свойств, соответствующего низколегированной стали данного химического состава, обеспечивается предлагаемым деформационно-термическим режимом производства штрипса. Технология прокатки направлена на получение оптимального фазового бейнито-ферритного состава и морфологии фаз, измельчение зерен микроструктуры, упрочнение твердого раствора, дисперсионное твердение, дислокационное и текстурное упрочнение.
CM
Применение способа поясняется примером его реализации при производстве штрипса размером 23,2×3730×12000 мм (после резки в меру), категории прочности К70. Производят выплавку заготовок, содержащих, мас.%: С=0,07; Mn=1,86; Si=0,31; V=0,049; Nb=0,075; Ti=0,051; Mo=0,18; Cr=0,23; Cu=0,32; Ni=0,37; остальное - железо и примеси менее 0,03. При этом коэффициент трещиностойкости составляет P=0,22, т.е. соответствует заявленному диапазону. Следует также отметить, что выплавленная сталь предложенного состава содержит в виде примесей не более 0,018% фосфора, не более 0,007% серы и не более 0,010% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипсов, тогда как их удаление из расплава существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс.
При нагреве непрерывнолитых заготовок указанного химического состава размером 309×1996×2226 мм до температуры 1190°С в течение 8 часов происходит аустенизация низколегированной стали, растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц. После выдачи из печи осуществляют черновую прокатку заготовки до толщины 150 мм, составляющей 6,5 от толщины готового штрипса. При этом температуру конца черновой прокатки устанавливают 980°С. Затем производят подстуживание промежуточной заготовки до температуры 800°С на рольганге стана, путем ее естественного охлаждения на воздухе.
Чистовую прокатку заготовки после подстуживания на размер готового штрипса 23,2×3730×12000 мм (после резки в меру) производят со степенью обжатия за проход 14-16%, за исключением последнего прохода, определяющего фактическую толщину готового штрипса, в котором степень обжатия устанавливают 2,5%. После чистовой прокатки полученный штрипс подвергают ускоренному водяному охлаждению в специальной установке с последующей правкой на роликоправильной машине. Эта операция приводит к повышению дисперсности структурных составляющих. Ускоренное охлаждение полученного штрипса начинают через 10-12 сек после выхода штрипса из клети стана и производят до температуры 370°С. Последующее замедленное охлаждение металла осуществляют путем выдержки на воздухе штабелированной стопы горячекатаных штрипсов, состоящей из 10-16 листов. Указанное замедленное охлаждение способствует снятию внутренних термических напряжений в материале штрипса.
После проведения испытаний механических свойств на некоторых листах опытной партии было выявлено недостаточное относительное удлинение, составляющее δ=16-17% при нормативном уровне δ=18%. Для повышения пластичности этих листов использовали дополнительную термическую обработку. Их выдерживали в печи при температуре 320°С в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе. Указанная термическая обработка позволила повысить уровень пластичности на данных листах до δ=18-19%, не оказывая при этом негативного влияния на прочностные свойства стали.
в
т
2
2
-40
Механические свойства определяли на поперечных образцах. Температурно-деформационный режим прокатки обеспечил получение мелкозернистой феррито-бейнитной структуры с заметной поперечной и продольной анизотропией зерен. Отмечено наличие в структуре 70-75 об.% бейнита реечной морфологии, что позволило получить высокую прочность проката без снижения низкотемпературной вязкости. Испытания на статическое растяжение осуществляли на плоских пропорциональных полнотолщинных образцах по ГОСТ 1497, а на работу удара - на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 при температуре -40°С. Получены следующие механические свойства для поперечных образцов: временное сопротивление σ=740-770 Н/мм; предел текучести σ=620-670 Н/мм; относительное удлинение δ=18-20,5%; работа удара КV=260-280 Дж. Указанный уровень свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к штрипсу категории прочности К70.
Таким образом, применение предложенного способа прокатки обеспечивает достижение требуемого результата - получение на толстолистовом реверсивном стане штрипса для труб большого диаметра с уровнем механических свойств, соответствующим категории прочности К70 (Х90).
Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Экспериментально установлено, что при нагреве непрерывно-литой заготовки до температуры ниже 1170°С не достигается гомогенизация аустенитной структуры, что препятствует получению требуемого уровня свойств готового проката. Увеличение температуры нагрева выше 1210°С приводит к интенсивному росту зерен аустенита и снижению прочностных свойств толстых листов. При продолжительности аустенизации менее 6 часов непрерывно-литая заготовка не успевает равномерно прогреться, что приводит к существенной неравномерности деформации и появлению поверхностных дефектов на готовом изделии.
Из опыта установлено, что при толщине промежуточной заготовки, составляющей менее 4,0 от толщины готового штрипса, невозможно обеспечить деформацию при чистовой прокатке, достаточную для проработки структуры металла и получения мелкого зерна на готовом изделии. В то же время при толщине промежуточной заготовки более 7,5 от толщины готового штрипса заготовка слишком массивна и операция подстуживания занимает слишком много времени. Иначе говоря, заготовка остывает до заданной температуры слишком долго, что неоправданно замедляет процесс подстуживания и приводит к снижению производительности прокатки.
При температуре конца черновой прокатки менее 900°С металл входит в неблагоприятную для деформации температурную область, что может привести к снижению уровня механических свойств готовой продукции.
Экспериментально определено, что для данного штрипса при охлаждении промежуточной заготовки в ходе подстуживания до температуры выше 820°С не достигается требуемая степень измельчения микроструктуры в процессе чистовой прокатки. Это приводит к снижению комплекса механических свойств толстого листа в горячекатаном состоянии. В то же время после подстуживания до температуры менее 780°С чистовая прокатка сопровождается уменьшением доли волокнистой составляющей в изломе и ухудшением хладостойкости толстых листов.
Степень обжатия заготовки за проход при чистовой прокатке 12% является минимально допустимой, при которой в температурном диапазоне деформации имеет место интенсивная проработка структуры раската по толщине. Поэтому снижение единичного обжатия менее 12% приводит к ухудшению механических свойств штрипса. В то же время для последних проходов чистовой прокатки должна быть предусмотрена возможность использования малых степеней обжатия, чтобы обеспечить получение заданных размеров готового проката с максимальной точностью.
Ускоренное охлаждение полученного штрипса до температуры выше 620°С не обеспечивает полного протекания фазовых превращений и приводит к сохранению значительного количества феррита в структуре проката. Это обуславливает снижение прочностных свойств готового изделия. В то же время охлаждение до температуры ниже 320°С может сопровождаться появлением в структуре металла мартенситной составляющей, что связано с недопустимым снижением вязкостных свойств трубного штрипса.
Последующее замедленное охлаждение штрипсов в стопе способствует снятию внутренних термических напряжений. При штабелировании прокатанных штрипсов в стопу менее, чем из пяти штук, ввиду малой суммарной толщины стопы не может обеспечиваться достаточно низкая скорость их естественного охлаждения на воздухе. Это приводит к выделению мелкодисперсной карбидной фазы по границам зерен и, соответственно, к преобладанию в металле процессов упрочнения, которые сопровождаются снижением пластических характеристик штрипса ниже значений, допустимых для категории прочности К70, т.е. ухудшением качества готовой продукции.
Если при проведении дополнительной термообработки штрипс помещают в печь, предварительно нагретую до температуры менее 250°С, то даже при максимальной выдержке внутренние напряжения в металле не снимаются и пластичность не повышается. В то же время нагрев до температуры выше 350°С может приводить к выпадению карбонитридов по границам зерен и, соответственно, к снижению пластичности, т.е. требуемый результат термообработки не будет достигаться. Продолжительность выдержки штрипса в печи менее одного часа слишком мала для протекания процессов снятия внутренних напряжений. Однако при продолжительности выдержки при высокой температуре свыше пяти часов в металле также может начаться выпадение карбонитридов, сопровождающееся излишним упрочнением и снижением пластических характеристик.
Как следует из приведенного анализа, при реализации предложенного технического решения требуемое качество штрипсового проката для труб большого диаметра достигается за счет выбора наиболее рациональных технологических режимов и химического состава стали, а кроме того, за счет использования дополнительной термообработки штрипса, полученного после прокатки на толстолистовом реверсивном стане. Однако в случае выхода варьируемых технологических параметров за установленные для этого способа границы не всегда удается обеспечить соответствие полученных штрипсов заданным требованиям хладостойкости и категории прочности по своим механическим характеристикам. Таким образом, полученные данные подтверждают правильность рекомендаций по выбору допустимых значений технологических параметров предложенного способа производства низколегированного штрипса для магистральных труб.
Технико-экономические преимущества рассматриваемого изобретения состоят в том, что предложенные температурно-деформационные режимы производства позволяют в наибольшей степени использовать все механизмы упрочнения низколегированной стали данного химсостава: измельчение зерен микроструктуры, дислокационное упрочнение, дисперсионное твердение, анизотропия структуры и свойств. Использование предложенного способа для производства штрипсов категории прочности К70, толщиной 15-30 мм из низколегированной стали позволит повысить выход годного на данном сортаменте на 3-5%.
Литература
1. Заявка №59-61504 (Япония), МПК В21В 1/38; В21В 1/22, 1984.
2. Патент РФ №2265067, МПК C21D 8/02, 27.11.2005.