СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
MANUFACTURING METHOD OF CANDIES FROM LOW-ALLOY STEEL

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано на толстолистовых реверсивных станах при контролируемой прокатке штрипсов для магистральных газопроводных труб.
Для труб магистральных газопроводов диаметром более 1270 мм используют штрипсы размерами 18,7-25,8×4000-4500×11000-18500 мм из низколегированной стали марки 10Г2ФБ-У, обладающие следующим комплексом механических свойств (табл.1):
Таблица 1.Механические свойства штрипсов для газопроводных труб
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>,%
ИПГ, %
KCV, Дж/см<sup>2</sup>
KCU<sup>-60</sup>,Дж/см<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>/σ<sub>в</sub>
НВ, ед.
590-690
500-600
не менее
не более
22
90
128
79,0
0,90
260
Примечание: ИПГ - доля волокнистой составляющей в изломе образца при испытании падающим грузом
Перед прокаткой штрипсов на толстолистовых реверсивных станах проводят фабрикацию заготовок, т.е. исходя из размеров и массы готового штрипса, с учетом потерь металла на окалинообразование, боковую и торцевую обрезь, определяют массу и размеры отрезаемых от непрерывнолитого сляба заготовок.
Известен способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий отливку слябов, их нагрев до температуры 1150-1200°С, многопроходную реверсивную прокатку в черновой клети, подстуживание до температуры 920-980°С, затем многопроходную прокатку в чистовой клети с обжатием за проход не менее 8% и суммарном обжатии не менее 70%, причем чистовую прокатку завершают при температуре не выше 820°С [1].
Недостатки известного способа состоят в том, что в процессе подстуживания перед чистовой прокаткой вследствие более интенсивного охлаждения концов раскатов формируются неравномерные температурное поле, микроструктура и механические свойства раската, наследуемые готовым штрипсом. Штрипсы имеют низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах.
Это приводит к увеличению расходного коэффициента стали вследствие перевода некондиционных по механическим свойствам штрипсов в металлолом, а также из-за увеличенной торцевой обрези (длины отрезаемых концов).
Известен также способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябовых заготовок до температуры 1170-1240°С, прокатку до промежуточной толщины 32 мм с одновременным охлаждением раската в реверсивной клети дуо толстолистового стана и многопроходную чистовую прокатку в реверсивной клети кварто в температурном интервале 910-710°С с суммарным относительным обжатием 60-80% [2].
При таком способе производства имеет место увеличенный расход металла на тонну готовых штрипсов вследствие нестабильности механических свойств по длине штрипсов из-за их неравномерного охлаждения в процессе прокатки, а также увеличенной торцевой обрези от захоложенных переднего и заднего концов штрипсов.
Наиболее близким аналогом по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства толстолистовой низколегированной стали, в том числе штрипсов, по режиму контролируемой прокатки. Способ предусматривает нагрев слябовой заготовки из низколегированной стали марки 09Г2С до температуры аустенитизации 1160°С, черновую реверсивную прокатку на толстолистовом реверсивном стане 5000 в раскат промежуточной толщины, подстуживание на воздухе до температуры 740-760°С, последующую чистовую реверсивную прокатку с суммарным обжатием не менее 30% и температурой конца прокатки не выше 740°С. Прокатанный штрипс подвергают замедленному охлаждению в термостате до температуры 100°С со средней скоростью не более 35°С/ч [3].
Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает требуемых стабильных по длине штрипсов показателей механических свойств, в том числе ударной вязкости при температуре -60°С, что приводит к повышению расходного коэффициента стали. Кроме того, поскольку передний и задний концы штрипсов вследствие более интенсивного охлаждения имеют повышенную прочность при недостаточной пластичности и вязкости, их отрезают и переводят в металлолом, что также увеличивает расходный коэффициент стали.
Технический результат изобретения состоит в снижении расходного коэффициента стали.
Технический результат достигается тем, что в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали для газопроводных труб, включающем нагрев заготовок, многопроходную черновую и чистовую прокатку на толстолистовом реверсивном стане с подстуживаним раскатов на воздухе перед чистовой прокаткой, и охлаждение штрипсов, согласно изобретению перед нагревом заготовку изготавливают порезкой сляба с припуском на обрезку, причем припуск определяют с учетом получения дополнительной пары листов товарного размерного сортамента, вырезаемых из концов штрипса. Нагрев заготовок ведут до температуры не ниже 950°С, раскаты подстуживают до температуры 720-760°С, чистовую прокатку ведут с суммарным обжатием не менее 65% и завершают при температуре 680-710°С, а охлаждение штрипсов осуществляют водой до температуры 580-610°С.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Согласно предложенному способу перед нагревом заготовку вырезают из сляба с припуском, величину которого определяют с учетом получения дополнительной пары листов товарного размерного сортамента, вырезаемых из концов штрипса. То есть исходную массу заготовки при фабрикации рассчитывают таким образом, чтобы технологическая обрезь, которая образуется при вырезке средней кондиционной части штрипса, соответствовала товарному размерному сортаменту толстолистовой стали.
В результате этого после контролируемой прокатки по предложенным режимам, охлаждения штрипса водой, обрезки обоих концов и получения кондиционного по механическим свойствам штрипса, отрезанные от него концевые участки, имеющие повышенные прочностные свойства, будут представлять собой толстые листы товарного размерного сортамента, которые можно использовать для изготовления металлоконструкций менее ответственного назначения, с требованиями по комплексу механических свойств не столь высокими, как для штрипсов для магистральных газопроводных труб. Благодаря этому количество обрези, назначаемой в металлолом, и, следовательно, расходный коэффициент стали будут снижены.
Нагрев заготовок до температуры не ниже 950°С обеспечивает полную аустенитизацию низколегированной стали и высокую пластичность литой макроструктуры в процессе реверсивной многопроходной черновой прокатки. В то же время возможность использования более низких температур нагрева (в способе-прототипе она составляет 1160°С) обеспечивает сокращение продолжительности подстуживания раската на воздухе до температуры 720-760°С, за счет чего снижается неравномерность температуры и свойств по длине раската. Чистовая прокатка в температурном диапазоне от 720-760 до 680-710°С (режим контролируемой прокатки) с суммарным обжатием не менее 65% обеспечивает эффективное измельчение зеренной микроструктуры стали в γ-α области, активное выпадение из аустенита мелкодисперсных упрочняющих фаз (карбидных, нитридных и др.), препятствующих миграции границ зерен и других дефектов деформированного аустенита. Это стимулирует повышение вязкостных свойств при отрицательных температурах. В итоге после чистовой реверсивной контролируемой прокатки основная (средняя) часть длины штрипса приобретает высокие и равномерные механические свойства.
Для подавления процессов рекристаллизации свежедеформированной низкоуглеродистой стали прокатанные штрипсы в конечной толщине ускоренно охлаждают водой до температуры 580-610°С. Благодаря этому блокируется рост зерен микроструктуры, снижается неравномерность механических свойств по длине штрипса, возрастает показатель ударной вязкости при температуре -60°С. Это способствует увеличению выхода годного и сокращению расходного коэффициента стали.
При выполнении предложенных деформационно-термических режимов производства штрипсов как в процессе прокатки, подстуживания, так и охлаждения водой, концевые участки штрипсов охлаждаются наиболее интенсивно. Их прочность превышает заданное значение, которое достигают в средней части штрипса, а пластические и вязкостные свойства ниже. Поэтому на практике некондиционные концевые участки на обоих концах штрипса, длина которых составляет 300-900 мм, последовательно отрезают до «выхода» на кондиционную среднюю часть штрипса, а полученную технологическую обрезь назначают в металлолом, дополнительно увеличивая расходный коэффициент стали. Для получения штрипса заданных размеров массу технологической обрези приходится закладывать в массу отрезаемой от сляба заготовки. Неучет получения дополнительной пары листов товарного размерного сортамента при фабрикации заготовки, вырезаемых из концов штрипса, приводит к необходимости перевода торцевой обрези в металлолом. Это увеличивает расходный коэффициент стали.
Экспериментально установлено, что при нагреве заготовок из низколегированной стали до температуры ниже 950°С снижается пластичность литой заготовки в черновых проходах, формируется неравномерное аустенитное зерно и анизотропия механических свойств, что ухудшает качество готовых штрипсов и увеличивает расходный коэффициент стали.
При температуре подстуживания раската выше 760°С, как и при суммарном обжатии менее 65% не обеспечивается требуемая степень измельчения микроструктуры в процессе чистовой прокатки, что снижает механические свойства штрипсов ниже требуемого уровня.
Снижение температуры подстуживания менее 720°С приводит к снижению ударной вязкости штрипсов из низколегированной стали при температуре -60°С, что недопустимо.
При температуре конца прокатки ниже 680°С в штрипсе формируются анизотропные микроструктура и свойства, что ухудшает качество и выход годного. Увеличение температуры конца прокатки более 710°С не обеспечивает требуемой степени упрочнения штрипса и измельчения микроструктурных составляющих, что снижает прочностные свойства.
Охлаждение штрипсов водой до температуры выше 610°С не позволяет сохранить полученную при контролируемой прокатке мелкозернистость микроструктуры низколегированной стали и повышенные механические свойства штрипсов. При охлаждении водой до температуры ниже 580°С снижается эффективность самоотпуска штрипсов и показатели их механических свойств. Увеличивается расходный коэффициент металла.
Примеры реализации способа
Для производства штрипса из стали марки 10Г2ФБ-У размерами 23,2×4500×12000 мм, расчетная масса которого составляет 9,542 т, определяют массу и размеры заготовки, изготавливаемой порезкой непрерывнолитого сляба толщиной Н=0,25 м и шириной B=1,8 м, с учетом массы двух листов, отрезаемых от концов штрипса.
в
2
Из имеющегося портфеля заказов на толстолистовую низколегированную сталь подбирают заказ на листы товарного размерного сортамента 23,2×1000×4500 мм (ГОСТ 19903), с σ не менее 590 Н/мм, которые могут быть получены из обрезаемых переднего и заднего концов штрипса. Таким образом, с учетом получения кондиционного по механическим свойствам штрипса размерами 23,2×4500×12000 мм и пары листов товарного размерного сортамента 23,2×1000×4500 мм, полный размер штрипса с обрезаемыми концевыми участками длиной 1000 мм каждый, составит 23,2×4500×14000 мм.
Масса штрипса вместе с обрезаемыми концевыми участками равна:
ш+2к
3
М=V×ρ=(0,023 м × 4,5 м × 14 м)×7,790 т/м=11,288 т,
где V - объем штрипса вместе с парой товарных листов;
3
ρ=7,790 т/м - удельная масса стали марки 10Г2ФБ-У.
з
ш+2к
При фабрикационном коэффициенте k=1,10, учитывающем расход металла на окалинообразование, боковую и торцевую обрезь, масса заготовки с припуском для получения дополнительной пары листов товарного размерного сортамента составит: М=М×k=11,288 т×1,10=12,417 т.
з
Длина заготовки L, отрезаемой от сляба, с учетом припуска для получения дополнительной пары листов выбранного размерного сортамента определится как:
а
ш
п
п
Отрезанную от непрерывнолитого сляба заготовку размерами 0,25×1,8×3,542 м загружают в методическую печь и нагревают до температуры аустенитизации Т=970°С. Нагретую заготовку подвергают черновой прокатке на реверсивном толстолистовом стане кварто 5000 с разбивкой ширины до В=4,5 м. После обжатия раската по толщине до Н=95 мм прокатку прекращают и производят подстуживание раската на воздухе до температуры его средней части Т=740°С. При этом концевые участки раската в процессе прокатки и подстуживания охлаждаются более интенсивно.
По завершению подстуживания раскат подвергают чистовой продольной прокатке до конечной толщины h=23,2 мм с суммарным относительным обжатием, равным:
кп
кп
Температуру конца прокатки поддерживают равной Т=695°С. Регулирование Т осуществляют изменением скорости прокатки по проходам и продолжительности пауз между проходами.
о
Прокатанный штрипс незамедлительно подвергают ускоренному охлаждению водой до температуры Т=595°С.
Охлажденный штрипс обрезают с 4 сторон до чистовых размеров 4500×14000 мм с одновременным приданием ему правильной геометрической формы. Затем от обоих концов штрипса отрезают технологические припуски длиной 1000 мм каждый. Благодаря удалению концевых участков штрипса, имеющих повышенную прочность и недостаточные вязкостные свойства при отрицательных температурах, штрипс по своим механическим свойствам гарантированно соответствует предъявляемым требованиям при фактической длине 12000 мм, соответствующей заданной. Это уменьшает отбраковку в металлолом и расходный коэффициент Q стали.
в
2
Отрезанные от концов штрипса части размерами 23,2×1000×4500 мм с σ не менее 590 Н/мм имеют товарные размеры и являются кондиционной продукцией, что также уменьшает расходный коэффициент Q стали.
Варианты выполнения предложенного способа и показатели их эффективности представлены в таблице 2.
Из данных, представленных в таблице 2, следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается снижение расходного коэффициента Q стали: на каждую тонну товарной продукции расходуется 1,10-1,15 т непрерывнолитых слябов. Снижение расходного коэффициента достигается как за счет обеспечения требуемых показателей механических свойств штрипсов, так и за счет одновременного получения товарного листа из обрезаемых концов штрипсов, которые являются кондиционными лишь при условии прокатки раскатов по предложенным температурно-деформационным режимам.
При запредельных значениях заявленных параметров и не использовании изготовления заготовок с припуском на обрезку для получения дополнительной пары листов товарного размерного сортамента (варианты №1 и №5) величина расходного коэффициента Q возрастает до 1,32-1,35 т слябов на 1 тонну готовых штрипсов. Способ-прототип (вариант №6) вообще не пригоден для изготовления данной категории штрипсов из-за низкого комплекса механических свойств. Расходный коэффициент стали в способе-прототипе также более высокий и составляет 1,29 т/т,
Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что нагрев заготовок из низколегированной стали до температуры не ниже 950°С, многопроходная прокатка на толстолистовом реверсивном стане до промежуточной толщины, подстуживание раскатов на воздухе и последующая контролируемая прокатка раскатов в температурном интервале от 720-760°С до 680-710°С с суммарным обжатием не менее 65% и охлаждение водой до температуры 580-610°С обеспечивают формирование мелкозернистой структуры штрипса и заданный комплекс механических свойств, благодаря чему увеличивается выход годного и снижается расходный коэффициент стали. Одновременно при указанных деформационно-термических режимах прокатки формируются высокие прочностные свойства концевых участков раскатов. Это позволяет при учете регламентированного припуска на обрезку в процессе фабрикации получать одновременно с кондиционным по механическим свойствам штрипсом вместо обрези, направляемой в металлолом, пару листов товарного размерного сортамента менее ответственного назначения, что также снижает расходный коэффициент стали.
В качестве базового объекта при определении технико-экономической эффективности предложенного способа принята технология производства штрипсов на стане 5000 (способ-прототип). Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства штрипсов для газопроводных труб на 12-15%.
Таблица 2.
Варианты реализации способа производства штрипсов из низколегированной стали
№ п/п
Припуск с учетом доп. пары листов
Режимы прокатки
Механические свойства средней части штрипса
Q, Т/Т
Т<sub>а</sub>, °С
Т<sub>п</sub>, °С
Е,%
Т<sub>кп</sub>, °C
Т<sub>о</sub>, °С
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>,%
ИПГ, %
KCV, Дж/см<sup>2</sup>
KCU<sup>-60</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>/σ<sub>в</sub>
НВ, ед.
1.
нет
940
710
62
670
570
690
600
21-22
90
130
77-79
0,87
260
1,32
2.
есть
950
720
65
680
580
685
595
33
100
154
81
0,86
255
1,15
3.
есть
970
740
75,6
695
595
630
550
34
100
166
84
0,87
250
1,10
4.
есть
980
760
77
710
610
600
510
33
100
173
86
0,85
245
1,12
5.
нет
990
770
84
720
620
590
500
23
90
128
75-79
0,84
230
1,35
6.
нет
1160
750
30
750
--.
630
465
30
100
68
42
0,74
200
1,29
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2201972, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, 2003 г.
2. Патент Российской Федерации №2241769, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, 2004 г.
3. Патент Российской Федерации №2225887, МПК C21D 8/02, C21D 9/46, 2004 г. - прототип.