СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СВЕРХНИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ ХОЛОДНОКАТАНОЙ СТАЛИ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ОДНОСЛОЙНОГО ЭМАЛИРОВАНИЯ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF EXTRA LOW CARBON COLD ROLLED STEEL FOR DEEP DRAWING AND SUCCESSIVE SINGLE-LAYER ENAMELLING

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сверхнизкоуглеродистой холоднокатаной стали для глубокой вытяжки и последующего однослойного эмалирования, и может быть использовано при изготовлении деталей бытовой техники, посуды, санитарно-гигиенических приборов, в химической промышленности, в строительстве и др.
К сталям для эмалирования, в соответствии со стандартом EN 10209, помимо обеспечения комплекса механических свойств, предъявляются и другие требования. Сталь не должна быть склонна к образованию дефекта "рыбья чешуя". При высокотемпературном обжиге ≈850°C нанесенного на изделие эмалевого шликера на границе раздела "металл-эмаль" протекают неизбежные массообменные процессы. Обжиг изделий ведется в атмосфере с высокой относительной влажностью, особенно при условии "мокрого" нанесения эмали. После эмалирования стального изделия (листа), в нем с течением времени, или сразу, может возникнуть такой опасный дефект, как "рыбья чешуя". Причиной возникновения этого дефекта является выделение молекулярного водорода из стали на границе раздела "металл-эмаль". Для подавления возникновения данного явления в стали необходимо создавать необратимые водородные ловушки. Сталь для однослойного эмалирования должна быть обезуглерожена, поэтому применение обычных низкоуглеродистых сталей (типа 08Ю) является невозможным. Использование типичных автолистовых сталей типа IF для эмалирования также затруднительно, в силу того, что количества необратимых водородных ловушек в них недостаточно для обеспечения стойкости стали к образованию дефекта "рыбья чешуя". О наличии стойкости стали к образованию данного дефекта можно судить по коэффициенту наводораживания. Так, по требованию потребителя, сталь, пригодная для однослойного эмалирования, должна иметь коэффициент наводораживания не менее 50% для проката толщиной 0,5-0,9 мм, не менее 55% для проката толщиной 1,0-1,5 мм и не менее 60% для проката толщиной 1,6-2,5 мм.
Известен способ производства холоднокатаных полос для эмалирования из стали с содержанием, мас.%: углерода не более 0,04, алюминия не более 0,05, бора 0,001÷0,003 и никеля 0,05÷0,08, включающий горячую прокатку, смотку полос в рулон, холодную прокатку и дрессировку, характеризующийся тем, что температуру конца горячей прокатки выдерживают в диапазоне 860-900°C, смотку горячекатаной полосы в рулон производят в диапазоне температур 700-730°C, затем травят горячекатаные полосы в кислотных растворах и подвергают их холодной прокатке, после чего полосы обезжиривают в щелочных растворах, подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 600°C с выдержкой 4 ч и дрессируют их с относительным обжатием 1,0-1,5% в хромированных валках с шероховатостью поверхности Ra=1,0-2,0 мкм (Патент РФ №2392072, МПК B21B 1/22, опубл. 20.06.2010).
Недостаток известного способа состоит в том, что получаемая сталь является непригодной для технологии однослойного эмалирования из-за высокого содержания углерода в ней и характеризуется низким комплексом механических свойств.
с1
с3
с1
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является способ производства низкоуглеродистой холоднокатаной стали для штамповки и последующего эмалирования, включающий выплавку стали, разливку, горячую прокатку, смотку, травление окалины, холодную прокатку, отжиг и дрессировку, согласно которому выплавляют сталь, содержащую, мас.%: углерод 0,04-0,08, кремний 0,01-0,05, марганец 0,1-0,3, сера до 0,025, фосфор до 0,03, хром до 0,06, бор до 0,005, никель до 0,06, медь до 0,06, алюминий 0,01-0,04, железо и неизбежные примеси - остальное, горячую прокатку заканчивают в области температур А+90°C - А-20°C, а смотку горячекатаного рулона ведут при температуре не более чем на 30°C ниже температуры А, холодную прокатку проводят со степенью деформации 50-70%, нагрев до температуры отжига осуществляют после холодной прокатки со скоростью в пределах 10-50°/ч (Патент РФ №2159820, МПК C21D 8/04, C21D 9/46, опубл. 27.11.2000 - прототип).
Недостаток известного способа состоит в том, что получаемая сталь является непригодной для технологии однослойного эмалирования из-за высокого содержания углерода.
Технический результат изобретения заключается в получении сверхнизкоуглеродистой холоднокатаной стали, пригодной для однослойного эмалирования, с высокой стойкостью к образованию дефекта "рыбья чешуя" и высоким комплексом механических свойств.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства сверхнизкоуглеродистой холоднокатаной стали для глубокой вытяжки и последующего однослойного эмалирования, включающем выплавку стали, разливку, горячую прокатку, смотку, травление, холодную прокатку, отжиг и дрессировку, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую, мас.%:
C
не более 0,007
Si
не более 0,03
Mn
0,15-0,30
Ti
(4С+3,43N+1,5S+0,02) - 0,17
S
0,03-0,06
P
не более 0,03
N
не более 0,007
Al
0,01-0,06
Cr
не более 0,04
Ni
не более 0,04
Cu
не более 0,04
Fe и неизбежные примеси
остальное
Нагрев слябов ведут до температуры 1150-1250°C, горячую прокатку заканчивают при температуре 880-960°C, смотку осуществляют при температуре 700-750°C, холодную прокатку ведут с суммарным обжатием 70-90%, а отжиг осуществляют при температуре 700-750°C. Кроме того, дрессировку проката проводят со степенью обжатия 0,3-1,0%.
Сущность изобретения заключается в следующем.
За счет химического состава, а также обеспечения оптимальных значений технологических параметров производства получаемая сталь характеризуется высоким комплексом механических свойств, а также высоким показателем коэффициента наводораживания. Создание большого количества необратимых водородных ловушек, образованных деформацией частиц избыточных фаз (в основном сульфидов титана), обеспечивает высокую стойкость стали к образованию дефекта "рыбья чешуя". Сверхнизкое содержание углерода в стали и связанные титаном примеси внедрения обеспечивают высокий комплекс механический свойств.
x
x
y
Содержание титана должно отвечать условию 4С+3,43N+1,5S+0,02≤Ti≤0,17%. Выбор содержания титана в зависимости от содержаний углерода, азота и серы обусловлен необходимостью связывания этих примесей в соединения TiC, TiN, TiCNy, TiS и др., в противном случае сталь не будет являться IF-сталью (interstitial free - свободное междоузлие), и в получаемой кристаллической решетке стали будут присутствовать атомы внедрения. Кроме того, титан и сера являются неразделимыми составляющими в образовании достаточного количества частиц сульфидов и титана, которые, после фрагментации, при холодной прокатке металла являются основными необратимыми ловушками водорода и обеспечивают стали высокую стойкость к образованию дефекта "рыбья чешуя". Коэффициенты перед углеродом, азотом и серой - 4, 3,43 и 1,5 соответственно, являются стехиометрическими, то есть представляют собой отношение атомной массы титана к каждому из перечисленных элементов. Эмпирический коэффициент 0,02 получен опытным путем и является необходимым избытком титана для гарантированного связывания вышеперечисленных примесей в соединения. Ограничение верхнего предела титана определено, исходя из расчета по приведенной формуле (4С+3,43N+1,5S+0,02), при максимальных значениях содержаний углерода, азота и серы.
Содержание серы в диапазоне 0,03-0,06% обеспечивает достаточное количество частиц избыточных фаз, необходимое для получения высокого значения коэффициента наводораживания и, соответственно, удовлетворительной стойкости стали к образованию дефекта "рыбья чешуя". Содержание серы менее 0,03% приведет к неудовлетворительному показателю коэффициента наводораживания, более 0,06% - к неудовлетворительным показателям механических свойств.
Легирование стали марганцем необходимо для обеспечения отсутствия красноломкости стали во время ее непрерывной разливки, нагрева под прокатку и последующей термодеформационной обработки. При содержании марганца менее 0,15% сталь может быть красноломкой, при содержании более 0,3% - возможно получение неудовлетворительных показателей механических свойств.
Кремний, фосфор, хром, никель и медь являются твердорастворными упрочнителями стали, поэтому их содержание ограничено. Увеличение содержания каждого элемента выше заявленного предела приводит к понижению относительного удлинения, увеличению предела прочности и пластичности.
Алюминий введен для раскисления стали и связывания азота в нитриды. Нитриды алюминия упрочняют холоднокатаную сталь. При снижении содержания алюминия менее 0,01% недостаточное образование нитридов. Увеличение содержания алюминия более 0,06% приводит к снижению пластичности.
Углерод и азот напрямую отвечают за пластические свойства стали. Увеличение содержания каждого из них выше 0,007% приводит к понижению относительного удлинения и повышению предела текучести.
Нагрев слябов осуществляется до температуры 1150-1250°C, смотку осуществляют при температуре 700-750°C, а холодную прокатку ведут с суммарным обжатием 70-90%. Невыполнение хотя бы одного из условий приводит к получению низкого значения коэффициента наводораживания.
Горячую прокатку заканчивают при температуре 880-960°C, отжиг осуществляют при температуре 700-750°C. Невыполнение этих условий отрицательно сказывается на комплексе механических свойств проката (снижается относительное удлинение, повышается предел текучести).
Кроме того, дрессировку отожженного проката осуществляют со степенью обжатия 0,3-1,0%. Невыполнение этого условия приводит к повышению предела текучести.
Примеры реализации изобретения
В кислородном конвертере выплавили стали, химический состав которых приведен в таблице 1. Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы. Слябы нагревали в нагревательной печи и прокатывали на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 4 мм. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге охлаждали водой до определенных температур и сматывали в рулоны. Охлажденные рулоны подвергали солянокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате. Затем травленые полосы прокатывали на 5-клетевом стане до толщины 1,0 мм. Холоднокатаные полосы отжигали в колпаковых печах и дрессировали с заданным обжатием.
Таблица 1
Химический состав стали
Вариант №
Содержание элементов, мас.%
C
Si
Mn
P
S
Al
N
Ti
Cr
Ni
Cu
Fe и неизбежные примеси
1
0,0045
0,02
0,2
0,008
0,037
0,036
0,0035
0,13
0,035
0,032
0,029
остальное
2
0,0047
0,02
0,2
0,008
0,041
0,036
0,0041
0,14
0,032
0,035
0,030
остальное
3
0,006
0,02
0,2
0,008
0,037
0,036
0,0044
0,13
0,030
0,028
0,032
остальное
4
0,005
0,02
0,2
0,008
0,041
0,036
0,0041
0,14
0,028
0,030
0,035
остальное
5
0,011
0,017
0,23
0,006
0,035
0,032
0,0038
0,11
0,032
0,029
0,036
остальное
6
0,012
0,015
0,28
0,006
0,035
0,032
0,004
0,12
0,035
0,030
0,029
остальное
7
0,009
0,017
0,28
0,006
0,035
0,032
0,005
0,11
0,032
0,029
0,035
остальное
Технологические параметры производства представлены в таблице 3. Результаты испытания холоднокатаного проката представлены в таблице 3.
Таблица 2
Технологические параметры производства
Вариант №
Т<sub>сляба</sub> на выходе из печи, °C
Т<sub>кп</sub>, °C
Т<sub>см</sub>, °C
Обжатие при холодной прокатке, %
Т<sub>отжига</sub> и выдержка при ней, °C/час
Степень обжатия при дрессировке, %
1
1201
909
724
75
720/27
0,5
2
1222
911
705
75
715/22
0,5
3
1230
926
730
75
715/22
0,5
4
1240
912
713
75
715/22
0,9
5
1215
888
719
75
730/22
0,5
6
1205
872
700
75
720/15
0,5
7
1200
877
675
75
730/22
0,9
Таблица 3
Результаты испытаний готового проката
Вариант №
Предел текучести, Н/мм<sup>2</sup>
Временное сопротивление разрыву, Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение, %
Зерно феррита, номер
Коэффициент наводораживания Н, %
1
134
302
48
8
63
2
150
303
44
8-7
56
3
149
303
45
8-7
67
4
140
295
42
8-7
56
5
185
320
37
8-9
49
6
203
320
36
9,8
42
7
162
320
37
9,8
44
Предъявляемые требования
Не более 210
270-350
Не менее 38
Не крупнее 6
Не менее 55
Из данных, приведенных в таблице 3, следует, что при реализации предложенного способа (варианты №1-№4) достигаются механические свойства и коэффициент наводораживания, соответствующие предъявляемым требованиям. В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №5-№7) из-за низкого комплекса механических свойств, а также коэффициента наводораживания холоднокатаный прокат для однослойного эмалирования получить не удалось.
Таким образом, из представленных материалов следует, что совокупность признаков заявленного способа обеспечивает достижение указанного технического результата - получение сверхнизкоуглеродистой холоднокатаной стали, пригодной для однослойного эмалирования, с высокой стойкостью к образованию дефекта "рыбья чешуя" и высоким комплексом механических свойств.