СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОЙ ЛЕНТЫ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ХОЛОДНОЙ ВЫРУБКИ
MANUFACTURING METHOD OF COLD-ROLLED STRIP FOR HIGH-SPEED COLD BLANKING

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве холоднокатаной ленты из низкоуглеродистых марок стали, применяемой для высокоскоростной холодной вырубки, преимущественно для изготовления монетной заготовки.
Все большее направление получают технологии производства холоднокатаных полос (лент), обладающих пониженной твердостью, в качестве заготовки для высокоскоростной холодной вырубки (например, HR15T≤76 единиц). При отклонении от указанных значений показателя твердости холоднокатаной ленты ее использование для переработки в монетную заготовку становится невозможным.
Известны способы производства холоднокатаных полос из горячекатаного подката из низкоуглеродистой стали, включающие удаление окалины травлением, холодную прокатку травленой полосы на непрерывном стане, последующий рекристаллизационный отжиг и дрессировку отожженной полосы (см., например, Технология прокатного производства. В 2-х книгах. Кн.2. Справочник: Беняковский М.А., Богоявленский К.Н., Виткин А.И. и др. М.: Металлургия, 1991. - С.619-630, Пат. РФ №2315118, Пат. РФ №2277594).
Наиболее существенным недостатком известных способов является сложность обеспечения в узкой холоднокатаной полосе (стальной ленте) низкого уровня твердости, обеспечивающего бездефектную эффективную переработку холоднокатаной ленты в монетную заготовку посредством высокоскоростной холодной вырубки.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства холоднокатаной стали для холодной штамповки из низкоуглеродистой стали с содержанием 0,002÷0,015% углерода и 0,05÷0,50% марганца, микролегированной карбонитридообразующими элементами (Nb, Ti), включающий разливку стали, горячую прокатку при температуре конца прокатки 850÷890°C при температуре смотки не выше 650°C, удаление окалины с поверхности горячекатаного подката травлением, холодную прокатку на непрерывном стане, последующие ступенчатый нагрев под термообработку при температурах не выше 700°C и дрессировку отожженной полосы (см. Пат. РФ №2313584).
Недостаток известного способа заключается в сложности обеспечения в холоднокатаной ленте необходимого уровня твердости поверхности HR15T≤76 единиц, что, в свою очередь, не позволяет использовать холоднокатаную ленту для высокоскоростной холодной вырубки, например, монетных заготовок.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение требуемого низкого уровня твердости в холоднокатаной ленте, предназначенной для высокоскоростной холодной вырубки, а именно HR15T≤76 единиц.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства холоднокатаной ленты для высокоскоростной холодной вырубки толщиной 1,16÷1,84 мм, включающем выплавку стали, горячую прокатку слябовой заготовки с регламентированными температурами конца прокатки, смотку полосы в рулон, травление поверхности полосы, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг, а также дрессировку и продольный роспуск на требуемую ширину, согласно изобретению, при горячей прокатке заготовки из стали со следующим соотношением элементов, мас.%:
Углерод
0,003-0,007
Марганец
0,10-0,25
Кремний
не более 0,03
Сера
не более 0,025
Фосфор
не более 0,020
Никель
не более 0,10
Хром
не более 0,05
Медь
не более 0,10
Алюминий
0,020-0,070
Ниобий
0,020-0,050
Титан
0,015-0,035
Ванадий
не более 0,05
Железо
остальное,
температуру смотки полосы в рулон принимают равной 700-730°C, рекристаллизационный отжиг проводят в колпаковой печи при последовательном нагреве ленты до температур 370°C с выдержкой не менее 3 часов, 500°C с выдержкой не менее 8 часов, 670°C с выдержкой не менее 5 часов, 730°C с выдержкой не менее 10 часов, 750°C с выдержкой не менее 8 часов с последующим прекращением подачи теплоносителя и с принудительной конвекцией защитного газа в подмуфельном пространстве с последующим охлаждением ленты до температуры 630°C, при этом дрессировку отожженной ленты осуществляют с относительными обжатиями: ε=0,8÷1,0% - для ленты конечной толщиной 1,84 мм, ε=1,1÷1,3% - для ленты конечной толщиной 1,54-1,56 мм, ε=1,4÷1,6% - для ленты конечной толщиной 1,16 мм. Сущность изобретения состоит в следующем.
Особенностью производства холоднокатаной ленты для высокоскоростной холодной вырубки, например, монетной заготовки, является тот факт, что в ней в состоянии поставки должен быть сформирован определенный уровень твердости, обеспечивающий технологичность как самого производства ленты, так и ее переработки в процессе высокоскоростной холодной вырубки. В частности, необходимо сформировать на поверхности холоднокатаной ленты низкий уровень твердости, регламентируемый потребителем (HR15T≤76 единиц). При этом обеспечивается высокоскоростная вырубка без образования дефектов (заусенцев, сколов и трещин) по кромкам изделий, например, монетных заготовок.
Для обеспечения необходимого уровня твердости на стадии горячей прокатки в металле должна быть сформирована оптимальная микроструктура без атомов внедрения в твердом растворе феррита (7-8 баллов), с равномерно распределенными как по сечению, так и по длине рулона карбидами и нитридами. В заявляемом химическом составе стали за основу приняты минимальные значения количества углерода в стали 0,003-0,007% содержания, что связано с необходимостью формирования требуемых значений твердости в холоднокатаном прокате, обеспечивающих высокую эффективность процесса холодной вырубки. Также для получения в горячекатаном рулоном прокате требуемого уровня механических свойств при легировании ограничивается количество кремния - не более 0,03%, марганца в количестве 0,20÷0,35%, принятого традиционно для связывания серы, однако, также как и кремний являющегося одним из основных упрочняющих элементов в низкоуглеродистых сталях. Содержание алюминия 0,020÷0,070% обеспечивает необходимую чистоту стали по неметаллическим включениям. Заявленный диапазон содержаний серы (не более 0,025%) и фосфора (не более 0,020%) минимизирует образование сульфидов в соответствии с нормами международных стандартов по количеству неметаллических включений.
Кроме того, для формирования требуемой микроструктуры без атомов внедрения в твердом растворе железа традиционно применяется микролегирование в сотых, либо тысячных долях процента карбонитридообразующимися элементами (Nb, V, Ti, Mo). В заявляемом техническом решении в сталь вводятся микролегирующие элементы в количестве: титана - 0,015÷0,035%, ниобия - 0,020÷0,050%, ванадия - не более 0,05%, которые служат для выведения атомов углерода и азота из ферритной матрицы. Для подавления чрезмерно упрочняющего эффекта поверхности дополнительно ограничивается содержание хрома (не более 0,05%), никеля (0,10%) и меди (не более 0,10%).
Одним из главных условий получения в готовом горячекатаном прокате требуемой ферритной микроструктуры (7-8 баллов) является наличие соответствующей структуры аустенита, которая, в свою очередь, может быть получена при определенных степенях деформаций и температурах прокатываемого металла, так как она зависит от скорости рекристаллизации при прокатке. При этом размер зерна в процессе рекристаллизации, а также после фазовых превращений в значительной степени будет определяться величиной зерна аустенита при прокатке, уровня проработки микроструктуры аустенита в области отсутствия рекристаллизации в конце чистовой стадии прокатки, а также условиями охлаждения поверхности полосы после горячей прокатки перед смоткой в рулон.
Для обеспечения требуемой величины феррита и, как следствие, твердости поверхности горячекатаной полосы максимально приближенной к заданной твердости готовой ленты при охлаждении на отводящем рольганге исключается подача воды на поверхность полосы.
Выбранный интервал температур смотки полосы в рулон (700-730°C) обеспечивает максимальное приближение твердости поверхности горячекатаной полосы к заданной твердости готовой холоднокатаной ленты (HR15T≤76 единиц). Причем, отклонения в верхнюю сторону от выбранного диапазона приводят к росту балла зерна. Снижение нижнего диапазона формирует повышенную разнобальность зерна (более 3-х смежных баллов), а также возрастает вероятность существенного разброса свойств, связного в этом случае со значительным градиентом температуры по сечению проката. Кроме того, формируется чрезмерно повышенная твердость поверхности горячекатаного подката.
Что касается выбора температуры конца прокатки, то учитывая условия отсутствия подачи воды на поверхность полосы на отводящем рольганге стана горячей прокатки, температура конца прокатки выбирается исходя из конкретной толщины горячекатаного подката и длины отводящего рольганга. В условиях ШСГП 2000 при прокатке подката 4,2 мм оптимальная температура конца прокатки составляет 920°C, при прокатке подката 5,2 мм - 910°C, при прокатке подката 6,2 мм - 900°C.
Регламентация температурно-временных условий проведения рекристаллизационного отжига рулонов холоднокатаной ленты связана со следующим. При отжиге помимо рекристаллизационных процессов в металле наблюдается снижение твердости его поверхности, что объясняется протеканием диффузионных процессов. Для выбранного химического состава оптимальной температурой отжига является температура 750°C. При температурах ниже 750°C не достигается требуемый уровень твердости готовой ленты.
Повышение температуры выше 750°C приводит к свариванию витков полосы в рулоне, что при последующей дрессировке отожженной полосы является причиной образования дефектов на поверхности полосы. Кроме того, для достижения требуемого уровня твердости температур нагрева металла свыше 750°C не требуется.
Для обеспечения равномерности свойств по сечению полосы в рулоне, исключения явления межвиткового сваривания и оптимизации диффузионных процессов необходимо при рекристаллизационном отжиге осуществлять нагрев последовательно ступенчато до температур 370°C с выдержкой не менее 3 часов, 500°C с выдержкой не менее 8 часов, 670°C с выдержкой не менее 5 часов, 730°C с выдержкой не менее 10 часов, 750°C с выдержкой не менее 8 часов. Для стабилизации микроструктуры и повышения эффективности процесса термообработки рулонов ленты за счет снижения расхода газа выравнивания температуры садки и исключения коробления муфелей колпаковых печей дальнейшее охлаждение рулонов с температуры 750°C до температуры 630°C ведут при отключенной подаче теплоносителя с принудительной конвекцией защитного газа в подмуфельном пространстве. Данные температурно-временные условия выбраны в результате многочисленных исследований, проведенных в условиях цеха ленты ОАО «ММК».
Диапазон обжатий при дрессировке в зависимости от конечной толщины ленты выбран из следующего. Твердость холоднокатаной отожженной полосы выбранных толщин (1,16-1,84 мм) из стали с заявленным химическим составом находится в диапазоне HR15T=69-72 единицы. Выбранные значения относительных обжатий при дрессировке обеспечивают минимальное увеличение твердости (2-3 единицы HR15T). Для обеспечения требуемого уровня твердости готовой ленты (HR15T≤76 единиц) величина относительного обжатия при дрессировке должна составлять: ε=0,8÷1,0% для ленты конечной толщиной 1,84 мм; ε=1,1÷1,3% - для ленты конечной толщиной 1,54-1,56 мм; ε=1,4÷1,6% для ленты конечной толщиной 1,16 мм. Превышение верхнего предела относительного обжатия приводит к увеличению твердости поверхности ленты (более 76 единиц HR15T). Относительное обжатие ленты меньше нижней границы заявляемого диапазона при холодной вырубке монетных заготовок у потребителя приводит к образованию заусенца величиной свыше допустимой (не более 0,1 мм). Это, в свою очередь, влечет обязательную дополнительную обработку кромки изделия, что снижает эффективность процесса переработки холоднокатаной ленты в монетную заготовку.
Предложенные диапазоны относительного обжатия при дрессировке холоднокатаной отожженной ленты выбраны исходя из многочисленных проведенных исследований в условиях дрессировочного стана 630 ОАО «ММК».
На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ производства холоднокатаной ленты для холодной вырубки, не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентноспособности «изобретательский уровень».
Пример реализации способа
Сталь заявленного химического состава (см. табл.1) при соотношении выплавляется в 370-тонном конвертере. После проведения внепечной обработки металла и введения требуемых добавок осуществляется непрерывная разливка стали с последующей ее кристаллизацией и порезкой на слябы. Далее производится непосредственно горячая прокатка слябов на непрерывном широкополосном стане 2000 горячей прокатки (ШСГП 2000) ОАО «ММК» в полосы толщиной 4,2-6,2 мм.
Горячую прокатку осуществляют по следующей методике. Производится аустенизация слябовой заготовки при температуре 1180÷1240°C, после чего сляб поступает на ШСГП 2000. Сляб обжимается в черновой группе клетей до получения требуемой толщины раската. После прокатки в черновой группе клетей широкополосного стана раскат направляется по промежуточному рольгангу в чистовую непрерывную группу клетей. Чистовая группа клетей стана имеет в своем составе семь рабочих клетей, в которых раскат обжимается до требуемой конечной толщины 4,2-6,2 мм при суммарном относительном обжатии 65÷80%. При этом температура завершения пластической деформации (Ткп) при прокатке полосы толщиной 4,2 мм поддерживается равной в среднем 920°C, при прокатке полосы толщиной 5,2 мм - 910°C, при прокатке полосы толщиной 6,2 мм - 900°C.
После завершения окончательной деформации на отводящем рольганге исключают подачу воды на поверхность горячекатаной полосы. При этом температуру смотки полосы в рулон принимают равной в диапазоне 700-730°C. Далее производится охлаждение рулона на спокойном воздухе до температуры окружающей среды.
После горячей прокатки и смотки осуществляется солянокислое травление полосы в непрерывно-травильном агрегате. Далее травленая полоса толщиной 4,2 мм прокатывается на непрерывном пятиклетевом стане холодной прокатки 630 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» в ленту толщиной 1,16 мм, травленая полоса толщиной 5,2 мм - в ленту толщиной 1,54 и 1,56 мм, травленая полоса толщиной 6,2 мм - в ленту толщиной 1,84 мм. После прокатки на непрерывном пятиклетевом стане осуществляют термообработку рулонов ленты в колпаковых печах. При этом осуществляют ступенчатый нагрев стоп рулонов до температур 370°C с выдержкой не менее 3-х часов, 500°C с выдержкой не менее 8 часов, 670°C с выдержкой не менее 5 часов, 730°C с выдержкой не менее 10 часов, 750°C с выдержкой не менее 8 часов с последующим прекращением подачи теплоносителя с принудительной конвекции защитного газа в подмуфельном пространстве с последующим охлаждением до температуры 630°C. Затем производят дрессировку отожженной полосы на дрессировочном стане 630 на конечную толщину с регламентируемыми обжатиями в зависимости от конечной толщины ленты. Далее производят продольный роспуск на ленты требуемой ширины с последующей холодной вырубкой изделий (монетных заготовок) из готовой ленты у потребителя на высокоскоростных автоматах.
Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялось производство холоднокатаной ленты для холодной вырубки из заявленной марки стали на стане горячей прокатки ШСГП2000 и двухклетевом дрессировочном стане 630 ОАО «ММК», а также результаты исследований представлены в таблицах 1 и 2.
Заявляемая технология производства рулонов на примере производства холоднокатаной ленты для высокоскоростной холодной вырубки обеспечивает получение твердости поверхности HR15T≤76 единиц.
Выбранная совокупность признаков позволяет сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.
Заявляемый способ может найти широкое применение при производстве холоднокатаной ленты для высокоскоростной холодной вырубки, например, для производства монетных заготовок. Следовательно, заявляемый способ соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Таблица 1
Химический состав стали для производства холоднокатаной ленты для высокоскоростной холодной вырубки
Номер плавки
С
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Cu
N<sub>2</sub>
Al
Nb
V
Ti
1
0.007
0.25
0.20
0.020
0.013
0.03
0.10
0.10
0.008
0.020
0.020
0,03
0.030
2
0.005
0.20
0.22
0.018
0.010
0.05
0.10
0.05
0.010
0.050
0.035
0,05
0.018
Таблица 2
Технологические параметры производства холоднокатаной ленты для холодной вырубки (варианты)
№ п/п
Плавка
Конечная толщина ленты, мм
Температура смотки*, Т<sub>см</sub>, °C
Относительное обжатие при дрессировке*, %
Твердость поверхности ленты, HR15T, ед
Примечание
1
1
1,16
710
1,6
75
2
1,16
680
1,4
78
3
1,54
730
1,3
76
4
1,56
740
1,1
74
застревание подката в моталке стана горячей прокатки
5
1,54
720
1,1
75
6
1,84
700
0,8
76
7
1,84
730
1,2
79
8
1,16
720
1,4
75
9
1,16
710
1,3
74
появление заусенца свыше 0,1 мм при холодной вырубке у потребителя
10
2
1,16
720
1,7
77
11
1,16
720
1,2
76
появление заусенца свыше 0,1 мм при холодной вырубке у потребителя
12
1,16
650
1,5
82
13
1,54
730
1,0
75
появление заусенца свыше 0,1 мм при холодной вырубке у потребителя
14
1,54
740
1,3
74
застревание подката в моталке стана горячей прокатки
15
1,56
710
1,4
78
16
1,84
700
1,1
78
17
1,84
720
1,0
76
18
1,84
710
0,7
75
появление заусенца свыше 0,1 мм при холодной вырубке у потребителя
<sup>*</sup>усредненное значение