СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОГО ПРОКАТА ДЛЯ УПАКОВОЧНОЙ ЛЕНТЫ
METHOD OF PRODUCING COLD-ROLLED STOCK FOR WRAPPING STRAP

Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при получении упаковочной ленты, используемой для автоматизированной обвязки грузов.
Упаковочная лента, используемая для автоматизированной обвязки грузов, должна отвечать следующему комплексу свойств (табл.1):
Таблица 1
Механические свойства стальной упаковочной ленты для автоматизированной обвязки грузов
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>4</sub>, %
НВ, ед.
N, раз
800-950
730-790
не менее 6
не мене 110
не менее 5
Примечание: N - число гибов с перегибом без разрушения образца
Известен способ производства холоднокатаной стальной полосы, включающий нагрев сляба до температуры аустенитизации, горячую прокатку с температурой конца прокатки 850-900°C, охлаждение до температуры 550-750°C и смотку в рулон. Горячекатаную стальную полосу подвергают травлению и холодной прокатке с суммарным относительным обжатием 42-75%. При этом сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод
не более 0,10
Марганец
0,25-0,45
Кремний
0,03
Фосфор
не более 0,025
Сера
не более 0,03
Никель
не более 0,10
Медь
не более 0,15
Хром
не более 0,10
Железо
остальное [1].
Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает получения комплекса механических свойств, требуемого для упаковочной ленты.
Известен также способ производства холоднокатаной полосы из углеродистой стали, включающий нагрев сляба, горячую прокатку, охлаждение и смотку полосы в рулон, травление и холодную прокатку, согласно которому сляб нагревают до температуры 1260-1320°C, горячую прокатку завершают при температуре 820-880°C, охлаждение полосы ведут до температуры 550-590°C, а холодную прокатку осуществляют с суммарным обжатием 60-73%. Кроме того, сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,30-0,45
Кремний
0,01-0,05
Марганец
0,85-1,35
Алюминий
0,01-0,04
Хром
не более 0,10
Никель
не более 0,05
Медь
не более 0,10
Молибден
не более 0,05
Сера
не более 0,020
Фосфор
не более 0,020
Железо
остальное [2].
Недостатки данного способа состоят в том, что комплекс механических свойств холоднокатаной полосы не отвечает требованиям, предъявляемым к упаковочной ленте для автоматизированной обвязки грузов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ изготовления холоднокатаной ленты преимущественно толщиной 0,5-0,6 мм из низкоуглеродистой стали, включающий горячую прокатку полос, их смотку, травление, холодную прокатку и последующий ступенчатый рекристаллизационный отжиг, согласно которому производят предварительную термообработку горячекатаного травленого подката при температуре 560-590°C в течение 9-11 ч, холодную прокатку ведут с суммарным относительным обжатием 72-76%, при этом сталь содержит, мас.%:
Углерод
0,13-0,17
Марганец
0,4-0,7 [3].
Недостатки известного способа состоят в том, что при его использовании для производства упаковочной ленты для автоматизированной обвязки грузов ленты имеют низкий комплекс механических свойств, особенно в части показателя относительного удлинения, что уменьшает выход годного.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в увеличении выхода годного за счет повышения комплекса механических свойств.
Для решения технической задачи в известном способе производства холоднокатаного проката для упаковочной ленты, включающем горячую прокатку полос из стали, их смотку, травление, холодную прокатку, термическую обработку или без нее, согласно изобретению горячую прокатку ведут с суммарным относительным обжатием не менее 70%, температуры конца прокатки и смотки поддерживают в диапазонах 790-870°C и 540-620°C соответственно, холодную прокатку ведут с суммарным относительным обжатием 55-80%, при этом сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,12-0,20
Кремний
0,08-0,30
Марганец
0,25-0,65
Алюминий
0,01-0,05
Хром
не более 0,08
Никель
не более 0,08
Медь
не более 0,08
Азот
не более 0,010
Железо
Остальное.
Кроме того, в варианте реализации способа осуществляют термическую обработку путем нагрева холоднокатаных полос до температуры 360-450°C и выдержки при этой температуре в течение 10-30 ч.
гп
кп
см
Сущность изобретения состоит в следующем. Сочетание предложенного химического состава стали при регламентированных параметрах горячей прокатки (суммарном относительном обжатии ε не менее 70%, температурах конца прокатки Т=790-870°C и смотки Т=540-620°C) обеспечивает формирование пластичной металлической матрицы горячекатаной стали с 8 номером балла микроструктуры. Это позволяет исключить необходимость дополнительной термообработки горячекатаных полос, что приходится делать в известном способе [3], а также выровнять их механические свойства.
в
т
4
хп
4
Последующая холодная прокатка с нарастанием суммарного относительного обжатия полос сопровождается по мере наклепа (деформационного упрочнения) ростом прочностных характеристик σ, σ и твердости НВ до требуемых значений при монотонном снижении показателей δ и N. Поскольку металлическая матрица после горячей прокатки имеет повышенную технологическую пластичность, ее ресурс не исчерпывается полностью в процессе холодной прокатки с суммарным относительным обжатием ε=55-80%. В результате показатель пластичности δ остается выше 6%, а допустимое число гибов с перегибом N>5. Таким образом, после холодной прокатки все механические свойства стальной упаковочной ленты соответствуют предъявляемым требованиям (табл.1).
В варианте реализации предложенного способа, когда из-за неблагоприятного сочетания концентраций химических элементов в стали, наличии примесных серы и фосфора, а также предельных режимов горячей и холодной прокатки, появляется разброс механических свойств, то для увеличения выхода годного целесообразно проводить термическую обработку холоднокатаных полос путем нагрева до 360-450°C и выдержки при этой температуре в течение 10-30 ч. Это дополнительно улучшает уровень и стабильность механических свойств лент, увеличивает выход годного и в целом способствует снижению производственных издержек.
Углерод в предложенной стали является основным упрочняющим элементом. При содержании углерода менее 0,12% прочностные свойства холоднокатаной стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации углерода сверх 0,20% приводит к росту прочностных свойств нагартованной ленты выше допустимых значений.
Кремний раскисляет и упрочняет сталь. Снижение содержания кремния менее 0,08% увеличивает окисленность стали, ухудшается комплекс ее механических свойств. Увеличение содержания этого элемента более 0,30% приводит к потере пластичности, увеличению количества неметаллических включений, снижению показателя N.
Марганец оказывает упрочняющее, раскисляющее и десульфурирующее действие. При содержании марганца менее 0,25% прочностные свойства и твердость ниже допустимого уровня, а увеличение его содержания более 0,65% понижает показатель пластичности.
Алюминий введен для раскисления стали и связывания азота в нитриды. Нитриды алюминия упрочняют холоднокатаную сталь. При снижении содержания алюминия менее 0,01% сталь становится склонной к хрупкому разрушению при гибах с перегибом. Увеличение содержания алюминия более 0,05% способствует графитизации стали, падению ее прочностных свойств и твердости.
т
в
Хром, никель и медь упрочняют сталь, но при их концентрации более 0,08% каждого имеет место потеря пластичности, показатель σ в результате холодной прокатки превышает заданное значение и приближается к σ, что недопустимо.
Азот упрочняет сталь, но если его количество превышает 0,010%, сталь становится склонной к разрушению при испытании на гиб с перегибом, уменьшается выход годной ленты.
При горячей прокатке полос с суммарным относительным обжатием менее 70% в стали сохраняются крупные карбидные включения, что в дальнейшем не позволяет получить требуемое сочетание показателей прочности и пластичности в готовой упаковочной ленте.
Экспериментально установлено, что при температуре конца прокатки ниже 790°C сталь предложенного состава приобретает мелкозернистую структуру, склонную к интенсивному наклепу при холодной прокатке. Это снижает пластические свойства готовой ленты и выход годного. Увеличение температуры конца прокатки выше 870°C приводит к формированию разнозернистой микроструктуры, нестабильности механических свойств и снижению выхода годного.
4
Увеличение температуры смотки выше 620°C приводит к снижению запаса технологической пластичности, что не позволяет получить заданные повышенные значения δ и N при высокой степени наклепа в готовых лентах. Уменьшение температуры смотки ниже 540°C приводит к росту прочностных свойств холоднокатаных лент выше допустимых значений.
При холодной прокатке с суммарным относительным обжатием менее 55% значения прочностных свойств и твердость лент нестабильны и не во всех случаях достигают нижнего допустимого значения. Это уменьшает выход годного. В то же время, при увеличении суммарного относительного обжатия более 80% увеличиваются прочностные свойства стали предложенного состава выше допустимых значений, а пластичность снижается.
4
Экспериментально установлено, что в случае термической обработки (отпуске) холоднокатаных полос при температуре ниже 360°C или времени выдержки менее 10 ч показатели δ и N не возрастают до требуемого уровня, нет выравнивания свойств. Повышение этой температуры более 450°C или увеличение времени выдержки более 30 ч приводит к снижению прочности и твердости готовых лент, увеличению отбраковки металлопродукции и затрат на производство.
Примеры реализации способа
1. В кислородном конвертере производят выплавку сталей для упаковочной ленты следующих составов (табл.2):
Таблица 2
Химический состав сталей (ковшевая проба)
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
C
Si
Mn
Al
Cr
Ni
Cu
N
Fe
1.
0,11
0,07
0,24
0,009
0,02
0,01
0,02
0,008
Остальн.
2.
0,12
0,08
0,25
0,010
0,03
0,02
0,03
0,007
-:-
3.
0,16
0,19
0,45
0,030
0,05
0,06
0,04
0,006
-:-
4.
0,20
0,30
0,65
0,050
0,08
0,08
0,08
0,010
-:-
5.
0,21
0,40
0,70
0,060
0,09
0,10
0,09
0,012
-:-
6.
0,15
0,09
0,66
--
не регл.
не регл.
не регл.
не регл.
-:-
сл
гк
Выплавленные стали подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной Н=250 мм. Непрерывно литые слябы из стали с составом №3 нагревают до температура 1250°C и подвергают горячей прокатке на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной Н=3,5 мм. Суммарное относительное обжатие при этом составляет:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>г</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>г</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>250</mn><mo>−</mo><mn>3,5</mn></mrow><mrow><mn>250</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>=</mo><mn>98,6</mn><mi>%</mi></mrow>
кп
см
Температуру конца прокатки поддерживают равной Т=830°C, охлаждают на отводящем рольганге водой до температуры Т=580°C, при которой сматывают в рулоны.
Горячекатаные полосы подвергают солянокислотному травлению для удаления окалины.
хк
Травленые полосы подвергают холодной прокатке на непрерывном 5-клетевом стане 1700 в полосы конечной толщины Н=0,8 мм с суммарным относительным обжатием, составляющем:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>х</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>г</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>х</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>г</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3,5</mn><mo>−</mo><mn>0,8</mn></mrow><mrow><mn>3,5</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>=</mo><mn>77,1</mn><mi>%</mi></mrow>
.
От холоднокатаных полос отбирают пробы и производят испытание их механических свойств. Холоднокатаные полосы в виде рулонов полной ширины или ленты шириной B=390 мм, механические свойства которых удовлетворяют требованиям, приведенным в табл.1, отгружают потребителям для дальнейшей переработки (резке, пассивации, покрытию и др.). Благодаря применению данной технологии обеспечивается увеличение выхода годного до Q=98,7%.
Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в табл.3.
Таблица 3
Режимы производства и их эффективность
№ п/п
Режимы производства
Механические свойства
Q, %
№ состава
ε<sub>гп</sub>, %
Т<sub>кп</sub>, °C
Т<sub>см</sub>, °C
ε<sub>хп</sub>, %
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>4</sub>, %
НВ, ед.
N, раз
1.
5.
69,3
880
630
54
710
680
14
85
8
--
2.
2.
70,7
870
620
55
800
730
9
110
7
98,3
3.
3.
98,5
830
580
77,1
875
760
8
115
7
98,7
4.
4.
98,8
790
540
80
950
790
7
125
6
98,5
5.
1.
80,2
780
530
82
960
950
3
130
4
--
6.
6.
не регл.
875
625
74
795
720
3
98
4
--
Примечание: горячекатаные рулоны, произведенные по режиму 6, дополнительно термообрабатывали при температуре 580°C в течение 10 ч.
Из данных, приведенных в табл.3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-№4) достигается увеличение выхода годного за счет повышения комплекса механических свойств.
В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5), а также при реализации известного способа [3] (вариант 6) из-за низкого комплекса механических свойств холоднокатаный прокат для производства готовой упаковочной ленты для автоматизированной обвязки грузов получить не удалось.
2. Все те же операции, что и в примере 1, только после холодной прокатки рулоны нагартованной ленты из сталей с различным химическим составом загружают в муфельную садочную печь с газовым отоплением и производят их термическую обработку путем нагрева до температуры отпуска Т и выдержки при этой температуре в течение времени t (табл.4).
Таблица 4
Режимы термической обработки холоднокатаных полос и их эффективность
Режим термообраб.
Т, °C
t, ч
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>4</sub>, %
HB, ед.
N, раз
Q, %
1.
350
9
810
790
5-6
110
4-6
98,3
2.
360
10
950
765
9
135
8
100
3.
405
20
950
760
9
130
8
100
4.
450
30
940
760
9
130
8
100
5.
460
35
790
710
5-7
100
5-7
95,4
Из данных в табл.4 следует, что термическая обработка холоднокатаных полос по предложенному режиму путем нагрева до температуры Т=360-450°C и выдержки при этой температуре в течение t=10-30 час. (варианты №2-№4) приводит к увеличению выхода годного Q за счет повышения комплекса механических свойств. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1 и №5) уровень и стабильность механических свойств снижаются, что ведет к уменьшению выхода годного.
Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что за счет одновременной оптимизации химического состава стали, режимов горячей и холодной прокатки достигается повышение комплекса механических свойств стали в холоднокатаном состоянии. Благодаря этому увеличивается выход годной металлопродукции и снижаются затраты на производство нагартованной ленты. Дополнительная термическая обработка холоднокатаных полос при температуре 360-450°C в течение 10-30 час. позволяет снизить разброс механических свойств и увеличить пластичность нагартованной стали. Это дополнительно способствует увеличению выхода годного.
В качестве базового объекта при определении экономической эффективности предложенного способа выбрана известная технология [2]. Использование предложенного способа позволяет повысить рентабельность производства холоднокатаного проката для упаковочной ленты на 15-20%.
Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения:
1. С.С. Гусева и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. М., Металлургия, 1979 г., с.9-15.
2. Патент Российской Федерации №2203965, МПК C21D 8/02, C22C 38/04, 2003 г.
3. Патент Российской Федерации №2381844, МПК B21B 1/28, 2010 г.