Способ производства низколегированного рулонного проката
METHOD FOR PRODUCTION OF LOW-ALLOY ROLLED PRODUCTS

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано для изготовления рулонного проката из низколегированных трубных сталей с повышенной коррозионной стойкостью.
Известен способ производства полос для изготовления труб. Способ включает нагрев непрерывнолитой заготовки под горячую прокатку до температуры аустенизации 1200-1280°C, черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, ламинарное охлаждение водой до температуры смотки в рулон, при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°C, а температуру смотки - в диапазоне 540-580°C. Для производства рулонных полос используют низколегированную сталь, содержащую, мас. %: С=0,05-0,09; Si=0,15-0,40; Mn=1,0-1,4; Al=0,01-0,06; Ti=0,01-0,04; V=0,01-0,04; Nb=0,02-0,06; Mo не более 0,01; Cr не более 0,10; Ni≤0,10; Cu не более 0,10; Р не более 0,015; S не более 0,006; Са не более 0,005; N не более 0,010; железо - остальное [Патент РФ № 2292404, МПК C21D 8/02, С22С 38/44, 2007].
К недостаткам данного способа можно отнести то, что получаемые при его использовании рулонные полосы из низколегированной стали обладают недостаточно высокой коррозионной стойкостью из-за присутствия в структуре металла полосчатости более 2 балла (по ГОСТ 5640).
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения рулонного полосового проката с низкой скоростью коррозии при сохранении уровня прочностных и пластических характеристик, соответствующего категории прочности К52, в котором осуществляют аустенизацию заготовки при 1200-1280°С, черновую прокатку до толщины промежуточного подката, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки и ламинарное охлаждение водой до температуры смотки в рулон, при этом заготовку получают из стали, содержащей мас.%: углерод 0,04-0,07, марганец 0,4-0,9, кремний 0,1-0,4, хром 0,2-0,7, медь 0,3-0,6, никель 0,15-0,60, алюминий не более 0,03, молибден не более 0,08, сера не более 0,003, фосфор не более 0,015, при выполнении соотношения Nb+V+Ti≤0,15, остальное – железо и неизбежные примеси [Патент РФ № 2675307, МПК C21D 8/02, С22С 38/00, B21B 1/26, 2018].
Недостатком данного способа является то, что по данному способу нет возможности получить более высокие классы прочности до К60.
Технический результат изобретения состоит в получении рулонного проката толщиной 4 - 22 мм высокой коррозионной стойкости при сохранении уровня прочностных и пластических характеристик, соответствующих категории прочности К52-К60.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства низколегированного рулонного проката с повышенной коррозионной стойкостью, включающем получение непрерывнолитой заготовки, её аустенизацию, черновую и чистовую прокатку, охлаждение водой до температуры смотки в рулон, согласно изобретению непрерывнолитую заготовку получают из стали, содержащей, мас.%:
Углерод            0,02 – 0,10
Кремний                 0,1 – 0,4
Марганец            0,4 – 1,0
Серу            не более 0,010
Фосфор             не более 0,015
Хром            0,2 – 0,8
Никель            0,05 – 0,5
Медь            0,01 – 0,5
Алюминий            не более 0,06
Ниобий            0,001 – 0,1
Титан            0,002 – 0,08
Ванадий            0,01 – 0,15
Молибден            не более 0,3
Бор            не более 0,001
Азот             не более 0,010
Кальций            не более 0,005
Олово            не более 0,005
Сурьма            не более 0,005
Цинк            не более 0,005
Свинец            не более 0,005
Бериллий             не более 0,01
при этом, аустенизацию непрерывнолитой заготовки осуществляют при температуре 1150 – 1370 °С, черновую прокатку заканчивают при температурах  не выше 1150 °С, затем осуществляют выдержку подката в течение не менее 30 сек., чистовую прокатку начинают при температуре 950 – 1100 °С и заканчивают при температуре 870-960 °С, охлаждение проката на водоохлаждаемых участках осуществляют со средней скоростью не менее 15 °С/с до температуры 550 – 660 °С, после чего производят смотку проката в рулон.
Прокат характеризуется баллом неметаллических включений не более 2,5 по среднему по оксидам точечным (ОТ), оксидам строчечным (ОС), силикатам пластичным (СП), силикатам хрупким (СХ), силикатам недеформирующимся (СН) и не более 1,5 по среднему по сульфидам (С) и нитридам (Н) (по ГОСТ 1778).
Сталь имеет мелкозернистую структуру с размером зерен феррита не крупнее 8 номера (по ГОСТ 5640), полосчатость не более 2 балла (по ГОСТ 5639).
При содержании углерода в диапазоне 0,02-0,10% в осевой зоне наблюдается незначительная структурная неоднородность в виде узкой сегрегационной полосы или вовсе ее отсутствие. При содержании углерода выше 0,10%  в структуре металла присутствует грубая ликвация с полосчатостью по всему сечению более 2 балла, неблагоприятная для получения коррозионных свойств. Однако, содержание углерода менее 0,02 % технологически сложно получить  в сталеплавильном переделе.
Содержание кремния в пределах 0,1-0,4 % положительно влияет на процесс раскисления стали и способствует повышению прочностных характеристик проката. Содержание кремния более 0,4% сопровождается возрастанием количества силикатных включений, снижающих удлинение, ударную вязкость и коррозионную стойкость металла. Это также приводит к ухудшению свариваемости проката и к появлению трещин при изготовлении труб. Снижение содержания кремния менее 0,1% существенно усложняет сталеплавильный процесс за счет снижения жидкотекучести стали и приводит к неоправданному повышению себестоимости металлопроката.
Содержание марганца в пределах 0,4-1,0% оказывает положительное влияние на стойкость против водородного растрескивания. При повышении в стали марганца свыше 1,0% происходит существенное повышение степени центральной структурной неоднородности, сегрегационные полосы имеют в составе грубые участки с М/A-составляющей, коррозионные свойства при такой структуре получаются неудовлетворительными. При содержании марганца менее 0,4% механические свойства не удовлетворяют заданным категориям прочности.
Использование алюминия необходимо для раскисления стали, связывания азота в нитриды тем самым подавляя его негативное воздействие на свойства металлопроката. Содержание в стали алюминия более 0,06% приводит к образованию большого количества коррозионно-активных неметаллических включений на основе алюмомагниевых шпинелей, во многом определяющим уровень коррозионной стойкости проката..
При содержании молибдена до 0,3% обеспечивается требуемый комплекс механических свойств заявленных категорий прочности. При повышении содержания молибдена выше 0,3% экономически не целесообразно.
Микролегирование стали добавками титана в пределах 0,002-0,08%, ванадия - 0,01-0,15% и ниобия 0,001-0,1% необходимо для ограничения роста аустенитного зерна при нагреве слябов под прокатку, повышения прочностных характеристик. Превышение указанных уровней приводит к наличию крупных карбонитридных включений, сконцентрированных преимущественно в осевой зоне проката, приводящие в свою очередь к снижению таких показателей коррозионной стойкости, как сероводородное и водородное растрескивание.
Сера, фосфор, мышьяк являются вредными примесями, поэтому обозначенные значения содержания серы не более 0,010%,  фосфора не более 0,015% необходимы для получения высоких значений ударной вязкости при низких температурах. При содержании серы свыше 0,010% в стали образуется большое количество сульфидных включений, значительно снижающих ударную вязкость и коррозионные свойства. Фосфор относится к числу элементов, обладающих наибольшей склонностью к ликвации и образованию сегрегаций по границам зерен, и, как следствие, отрицательно влияющих на ударную вязкость стали и коррозионностойкость, поэтому верхний предел содержания фосфора устанавливают не более 0,015%.
Комплексное легирование хромом, медью и никелем в заявленных диапазонах способствуют повышению прочностных характеристик, коррозионной стойкости и хладостойкости. Введение меди приводит к образованию по поверхности листа защитной пленки, которая препятствует проникновению в сталь водорода, за счет чего возрастает стойкость проката к водородному охрупчиванию. В то же время, при легировании хромом происходит обогащение продуктов коррозии хромом в слоях, прилегающих к поверхности листового проката. Повышение указанных диапазонов экономически не целесообразно.
Кальций вводят для модификации сульфидных неметаллических включений. Содержание кальция более 0,005% приведет к образованию большого количества включений -  алюминатов кальция, что отрицательно скажется на хладостойкости и коррозионной стойкости стали. Содержание кальция в заявленных пределах обеспечивает получение сульфидов глобулярной формы, что способствует повышению уровня ударной вязкости при низких температурах.
В стали должно выполняться соотношение  Ca/S не менее 1,0. При таком соотношении форма сульфидов имеет глобулярную форму, а коррозионные свойства имеют удовлетворительные значения.
При получении соотношения Ca/S менее 1,0 приводит к возникновению трещин HIC.
23
6
Содержание бора ограничено до 0,001%, т.к. большее его содержание может привести к образованию охрупчивающих частиц Fe(C,B).
Олово, сурьма, цинк, свинец и бериллий являются вредными цветными примесями. С увеличением этих элементов выше заявленных возрастает опасность образования поверхностных трещин.
При внепечной обработке предложенной стали благодаря указанному соотношению кальция к сере обеспечивается образование равномерно распределенных однородных оксисульфидов округлой формы.  При соотношении Ca/S  менее 1,0 в металле присутствуют вытянутые неметаллические включения MnS, которые отрицательно влияют на стойкость по коррозионным свойствам.
Аустенизация непрерывнолитой заготовки  при температурах в диапазоне 1150 – 1370 °С необходима для перекристаллизации грубой литой структуры и перевода микролегирующих элементов в твердый раствор. При увеличении температуры нагрева выше 1370 °С происходит аномальный рост зерна аустенита. А при аустенизации ниже 1150 °С в структуре сохраняются грубые участки литой структуры с наличием ликвационных участков.
Черновую прокатку заканчивают не выше 1150 °С. При данных температурах на черновой стадии прокатки в результате многократной рекристаллизации деформированного аустенита происходит измельчение его зерна. При окончании черновой прокатки выше температуры 1150 °С будет сформирована крупнозернистая структура, неудовлетворяющая требованию заказа, значения по ударной вязкости будут ниже нормы.
0
Производство металлопроката по режимам с началом и концом чистовой прокатки  при температурах менее 950 и 870 С (при температурах ниже остановки рекристаллизации аустенита), соответственно,  повышается склонность стали к водородному растрескиванию, при прокатке при данных температурах повышается перлитная полосчатость структур, степень сегрегационной неоднородности, тем самым наблюдается повышение показателей по водородному растрескиванию.
Напротив, режим прокатки с чистовой стадией деформации в температурной области рекристаллизации аустенита позволил обеспечить стабильную высокую стойкость стали против водородного растрескивания. В этом случае аустенитная структура перед охлаждением полностью прошла рекристаллизацию, что обеспечило однородную конечную микроструктуру с равномерным распределением неметаллических включений.
Для предотвращения формирования полосчатой структуры требуется применять ускоренное охлаждение, на водоохлаждаемых участках оно должно быть не менее 15 °С/с. При таком охлаждении происходит торможение обратной диффузии углерода, препятствующее формированию полосчатой структуры, приводит  к более равномерному распределению углерода в центральной ликвационной зоне.  Охлаждение для получения требуемых механических свойств проводят до температуры 550 – 660 °С. При охлаждении со скоростью на водоохлаждаемых участках менее 15 °С/с или/и температуре окончания ускоренного охлаждения выше 660 °С, в микроструктуре проката формируется полосчатая ферритно-перлитная структура, а если ниже 550 °С, то в структуре появляется большое количество продуктов промежуточного превращения, участки M/A и мартенсита, тем самым происходит снижение уровня удлинения требований клиента.
В стали для обеспечения требуемых характеристик по хладостойкости зерно феррита должно быть не крупнее 8 номера.
При наличии в структуре полосчатости более 2 балла (по ГОСТ 5639) коррозионные свойства снижаются.
Пример
Осуществляли выплавку стали в кислородном конвертере и после внепечной обработки и вакуумирования, производили непрерывную разливку в слябы сечением 250*1720 мм. Далее производили нагрев под прокатку до температуры 1250-1320 °С и осуществляли прокатку рулонов на конечную толщину 10 мм (также возможна прокатка и на другие толщины). Черновую прокатку заканчивали при температурах не выше 1150 °С. Выдерживали подкат на промежуточном рольганге в течении 70-100 сек. Чистовую прокатку начинали при температурах 960-1050 °С и заканчивали при температурах 880-930 °С. Охлаждение проката на водоохлаждаемых участках осуществляли со средней скоростью 16-22 °С/с до температуры 560 – 610 °С, после чего производили смотку проката в рулон.
Согласно заявленного способа было проведено 5 экспериментов. Химический состав приведен в таблице 1, технологические параметры приведены в таблице 2, механические свойства приведены в таблице 3.
0 ,
Были испытаны на растяжение цилиндрические образцы по ГОСТ 1497 с расчетной длинной L=5.65√Fотобранные поперек направления проката и образцы на ударную вязкость по ГОСТ 9454 с V-образным концентратором, отобранные поперек направления проката.
Как видно из результатов экспериментов, прокат произведенный по предложенной технологии характеризуется требуемым уровнем механических и коррозионных свойств.
Таблица 1
Химический состав проката, мас.%
№ экспери-мента
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Cu
Al
Nb
Ti
V
Mo
В
N<sub>2</sub>
1
0,03
0,9
0,25
0,006
0,009
0,4
0,2
0,25
0,04
0,01
0,02
0,03
0,03
0,0004
0,007
2
0,05
0,5
0,17
0,003
0,009
0,5
0,15
0,14
0,03
0,02
0,01
0,04
0,06
0,0005
0,006
3
0,055
0,5
0,20
0,002
0,007
0,3
0,10
0,12
0,04
0,03
0,01
0,04
0,10
0,0003
0,008
4
0,07
0,6
0,30
0,001
0,006
0,6
0,32
0,30
0,05
0,04
0,01
0,08
0,20
0,0006
0,007
5
0,09
0,45
0,35
0,002
0,008
0,7
0,4
0,35
0,03
0,03
0,03
0,09
0,15
0,0008
0,006
Таблица 2
Контролируемые технологические параметры
№ эксперимента
Т нагрева под прокатку, °С
Т конца черновой прокатки, °С
Т начала чистовой прокатки, °С
Т конца чистовой прокатки, °С
V на водоохлаждаемых участках, °С/с
Т смотки, °С
1
1250
1050
960
890
16
560
2
1220
1080
980
880
18
600
3
1300
1060
950
910
20
640
4
1340
1100
1000
920
17
570
5
1320
1120
1050
930
22
610
Таблица 3
№ эксперимента
Механические свойства
Коррозионные свойства
Предел прочности, σв, Н/мм<sup>2</sup>
Предел текучести, σт, Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение, δ5, %
Ударная вязкость KCV при минус 40 <sup>0</sup>С, Дж/см<sup>2</sup>
Стойкость к водородному растрескиванию
CLR, %,не более
CТR, %,не более
1
540
470
27
324
1
0,5
2
570
490
26
312
0
0
3
545
480
25
287
0
0
4
590
500
26
320
0
0
5
640
550
24
236
0,7
0,5
CLR – коэффициент длины трещины,
CTR – коэффициент толщины трещины