СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРМАТУРНОЙ ПРОВОЛОКИ ИЗ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
METHOD FOR OBTAINING REINFORCEMENT WIRE FROM HIGH-CARBON STEEL

Изобретение относится к металлургии, в частности к метизному производству и может быть использовано при производстве из высокоуглеродистой стали проволоки больших диаметров, преимущественно 9-12 мм, предназначенной для изготовления, например, высокопрочной арматуры для железобетонных шпал.
2
Известен способ производства высокопрочной арматурной проволоки, включающий ускоренное охлаждение катанки после прокатки заготовки, выплавленной из высокоуглеродистой стали стандартных марок 70-85. В этом способе осуществляют ускоренное охлаждение катанки перед виткоукладчиком сортового стана горячей прокатки, затем укладку витков в закрытую камеру, охлаждение витков в этой камере до заданной температуры продувкой газом с заданной скоростью охлаждения и окончательное охлаждение до цеховой температуры. При этом охлаждение продувкой газом ведут до температуры не выше 500°С. Данным способом исключается операция термообработки перед холодным волочением и термомеханической обработкой высокопрочной арматуры и достигается прочность готовой арматуры до 1370 Н/мм (патент на изобретение РФ №2044073, МПК C21D 9/52, 1995 г.).
3
Известны способы производства высокопрочной проволоки, включающие переработку катанки в проволоку конечных размеров волочением с применением операции термической обработки патентированием заготовки, заключающейся в нагреве заготовки в различных технологических средах при регламентированной температуре выше линии Ас диаграммы состояния «железо-углерод», выдержки при данной температуре с последующим ускоренным охлаждением (Зубов В.Я., Патентирование проволоки, «Металловедение и термическая обработка металлов», 1972, №9; Юхвец И.А. Производство высокопрочной проволочной арматуры, М., 1973, с.48-55).
3
3
Известен также способ непрерывного патентирования проволоки, включающий нагрев проволоки в безокислительной атмосфере до аустенитного состояния и охлаждение в безокислительной атмосфере, причем перед нагревом на проволоку наносят слой графита путем пропускания ее через камеру, заполненную графитом с плотностью 0,5-1,8 г/см, а охлаждение ведут в три этапа в камерах заполненных графитом плотностью 0,5-1,8 г/см.
При этом на первом этапе охлаждают до температуры ферритного превращения, на втором - изотермическую выдержку до завершения ферритного превращения и на третьем - окончательное охлаждение. На первом и третьем этапах охлаждение проводят в водоохлаждаемом теплопроводящем слое графита толщиной 5-15 диаметров проволоки мм. (патент №2023727, МПК C21D 9/52).
Известен способ обработки проволоки, включающий нагрев до 820-970°С, выдержку при этой температуре, интенсивное охлаждение до 400-550°С, окончательное охлаждение водой до цеховой температуры и очистку поверхности от окалины, при котором очистку поверхности проволоки от окалины проводят перед интенсивным охлаждением, которое осуществляют продувкой защитным газом (см. патент РФ №2023030, МПК C21D 9/52).
Во известных процессах термической обработки катанки при получении высокопрочной проволоки процесс патентирования на стадии интенсивного охлаждения катанки ведут на экологически чистой основе без использования свинца, селитры и кислоты, например, в водном растворе поверхностно-активных веществ или продувкой газом. Однако необходимая структура обработанной высокоуглеродистой проволоки известными способами, ее прочностные и пластические свойства могут быть достигнуты только при патентировании проволоки небольших диаметров не более 6-8 мм.
3
Наиболее близким техническим решением по достигаемому результату получения физико-механических свойств проволоки из высокоуглеродистой стали является способ термической обработки проволоки диаметром 6,5 мм с содержанием углерода 0,45-0,85%, включающий ее нагрев до температуры выше Ас (780-920)°С, выдержку при этой температуре до завершения процесса аустенизации, интенсивное охлаждение до температуры (500-500+(-) 15)°С, выдержку при этой температуре, в зависимости от ее диаметра (1,5-8) с и окончательное охлаждение до цеховой температуры. По данному способу интенсивное охлаждение ведут продувкой газом со скоростью 30-1000°С в секунду в течение времени, определяемом в зависимости от диаметра обрабатываемой проволоки и скорости подаваемого на охлаждение газового потока (см. патент РФ №2102502, C21D 9/52, C21D 9/54, C21D 8/06).
Однако по данному способу высокие физико-механические свойства проволоки с содержанием углерода от 0,45 до 0,85% можно получить также только для проволоки диаметров от 0,8 до 6,5 мм, т.е. малых диаметров.
При получении высокоуглеродистой проволоки больших диаметров (более 6-8 мм) путем проведении термообработки катанки в соответствии с известными техническими решениями, из-за высокого градиента температуры по сечению не достигается равномерный уровень физико-механических свойств по ее сечению и соответственно не достигается однородность высоких механических (в первую очередь, прочностных) свойств по сечению проволоки конечных диаметров в процессе холодной деформации.
Фактором, влияющим на достижение однородности высоких механических (в первую очередь, прочностных) свойств по сечению проволоки конечных диаметров в процессе холодной деформации, являются условия теплоотвода при интенсивном охлаждении заготовки обрабатываемой катанки больших диаметров (12-16 мм), в процессе патентирования.
Метизные заводы не имеют опыта патентирования катанки и получения проволоки больших диаметров (более 9 мм) при проведении интенсивного охлаждения заготовки в технологической среде, указанной в выше приведенных источниках.
в
2
Технической задачей в соответствии с заявляемым техническом решении является обеспечение высоких прочностных свойств (σ>1300 Н/мм), равномерно распределенных по сечению в проволоке большого диаметра, преимущественно 9-12 мм, содержащей до 0,8% С, за счет создания технологии термической обработки заготовки крупных профилей 12-16 мм.
3
Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления проволоки из высокоуглеродистой стали, включающем термическую обработку катанки путем нагрева до температуры выше Ас, выдержку при этой температуре до завершения процесса аустенитизации, интенсивное охлаждение с последующей выдержкой в течение регламентированного времени в зависимости от диаметра обрабатываемой заготовки, дальнейшее спокойное охлаждение и волочение на требуемый размер, в качестве заготовки используют катанку диаметром 15-16 мм, которую в процессе термической обработки подвергают интенсивному охлаждению до температуры 550±10°С, с последующей выдержкой в этом диапазоне температур в течение времени, определяемом по формуле:
Т=740/D×V, где
Т - время выдержки, с;
D - диаметр проволоки, мм;
V - скорость перемещения катанки в процессе интенсивного охлаждения в охлаждающей среде, м/с;
740 - эмпирический коэффициент, установленный опытным путем.
Сущность изобретения поясняется следующим.
Как известно, для формирования высоких прочностных свойств в проволоке перед ее волочением используется операция предварительной термической обработки катанки по типу патентирования, которое применяется для получения тонкопластинчатой феррито-карбидной микроструктуры (структура сорбита). Данный вид термообработки заключается в нагреве катанки (прокатной заготовки) до температур 870÷950°С, последующего быстрого охлаждения в расплаве соли или свинца до температуры 450÷570°С, для превращения переохлажденного аустенита с выдержкой при этих температурах нагрева и охлаждения, с дальнейшим спокойным охлаждением на воздухе или в воде.
Проведение термообработки в таких известных условиях необходимо для получения мелкозернистой структуры сорбита, отличающейся от перлита более высокой дисперсностью, что увеличивает механические свойства катанки и повышает ресурс пластичности металла, а, соответственно, позволяет осуществлять последующее деформационное воздействие с большими степенями деформации. В результате этого в проволоке конечных размеров достигаются большие значения прочностных характеристик. Известные технические решения операции патентирования ограничиваются диаметрами катанки 3-9 мм, что обусловлено существенной дифференциацией механических свойств при обработке катанки большего диаметра из-за отсутствия регламентации температурно-скоростных условий проведения процессов ее нагрева и интенсивного охлаждения. При этом ограничивающим фактором, обусловливающим масштабный эффект в заготовках большого диаметра (12-16 мм) при проведении термообработки в соответствии с известными техническими решениями, является ухудшение условий теплоотвода при термическом воздействии - патентировании или сорбитизации катанки. Это способствует структурной неоднородности обрабатываемой катанки по ее сечению и невозможности обеспечить высокие механические (в первую очередь, прочностные) свойства в проволоке больших конечных диаметров. Как указано выше метизные заводы не имеют опыта патентирования катанки и проволоки толстых диаметров (более 9 мм).
3
Достаточно значимым фактором процесса аустенитного превращения стали с содержанием до 0,8% углерода при нагреве вблизи точки Ас диаграммы состояния «железо-углерод» с последующим охлаждением до температур распада аустенита в близи 550°С является продолжительность выдержки при данных температурах..
Процесс патентирования катанки организован по принципу непрерывных линий. Поэтому длительность нахождения катанки в зонах нагрева и интенсивного охлаждения определяется скоростными условиями ее прохождения через печь нагрева и, соответственно, ванны охлаждения. При этом операция нагрева при патентировании высокоуглеродистых марок стали (с содержанием углерода до 0,8%) служит для протекания процесса аустенизации, в результате которого наблюдается формирования большого количества центров зарождения перлитных колоний и высокая скорость их роста. Это способствует при дальнейшем интенсивном охлаждении катанки измельчению перлитных колоний до 4-2 мкм и уменьшению межпластиночного расстояния до 0,15-0,10 мкм (распад аустенита).
Опытным путем было установлено, что оптимальное измельчение перлитных колоний до 4-2 мкм и уменьшение межпластиночного расстояния до 0,15-0,10 мкм (распад аустенита) наблюдается в диапазоне температур интенсивного охлаждения (550±10)°С.
При проведении многочисленных исследований, установлено, что при более высокой температуре интенсивного охлаждения (более 560°С) в катанке больших диаметров (более 15 мм) возникают дополнительные неравномерные по сечению термические напряжения при выходе ее из ванны охлаждения, что связано с высокой теплоемкостью металла. Это приводит также к повышенной вероятности обрывов при последующем волочении и существенной дифференциации механических свойств в готовой проволоке. Помимо этого, необходимы дополнительные расходы для поддержания повышенной температуры охладителя в ванне интенсивного охлаждения, что также снижает эффективность процесса.
При меньшей температуре (менее 540°С) ухудшаются условия протекания процесса распада аустенита и значительно увеличивается межпластинчатое расстояние в перлитных колониях, что приводит к большой вероятности обрывности катанки при последующем ее волочении с большими степенями деформации.
Для обеспечения полного протекания указанных фазовых превращений в катанке диаметром 15-16 мм необходимо жестко регламентировать время термического воздействия, особенно при температурах интенсивного охлаждения. Как показывает многочисленная
Учитывая, что в процессе термообработки необходимо снизить температуру в ванне интенсивного охлаждения с 880-900°С до 550°С, а также с учетом того, что эффективная скорость движения катанки диаметром 15-16 мм через технологическую линию патентирования составляет 4-6 м/с, то, следовательно, наиболее оптимальной продолжительностью выдержки будет определяться заявленной эмпирической зависимостью T=740/(D*V), с, где
D - диаметр катанки, мм;
V - скорость перемещения катанки в процессе нагрева, м/с.;
740 - эмпирический коэффициент, установленный опытным путем.
в
2
Заявленный температурно-скоростной режим термообработки катанки при изготовлении проволоки больших размеров (более 9 мм) обеспечивает формирование в патентированной катанке однородную по всему сечению микроструктуру, в которой пластины цементита имеют однородный контраст по всей длине и свободны от дефектов, причем, плотность дислокации в феррите низкая, а межфазная граница феррит-цементит в перлитной колонии плоская. Это обуславливает возможность проведения последующего волочения катанки при значительных степенях деформации, что, в конечном итоге, позволяет получить высокие прочностные свойства (σ>1300 Н/мм). Пример осуществления конкретного способа.
3
Катанку диаметром 15,0-16,0 мм, содержащую до 0,8% С подвергают нагреву в многозонной проходной печи до температуры выше Ас диаграммы состояния «железо-углерод». После этого осуществляют интенсивное охлаждение катанки в расплаве свинца до температуры 550±10°С. При этом производят выдержку катанки при указанных температурах, продолжительность которой в секундах определяют из соотношения T=740/(D*V),c, где D - диаметр катанки, мм; V - скорость перемещения катанки в процессе интенсивного охлаждения, м/с, что соответствует при скорости движения обрабатываемой катанки диаметром 15-16 мм через линию патентирования 4-5 м/с (исходя из конструктивных особенностей известных технологических линий патентирования) 9-12 с. Далее термообработанную катанку подвергают спокойному охлаждению водой и последующему волочению на конечный размер на станах многократного волочения.
Примеры конкретного осуществления заявляемого способа.
Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялось изготовление высокопрочной проволоки больших диаметров из стали с содержанием углерода до 0,8% на заводе ОАО «ММК-МЕТИЗ», а также результаты исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1
Технологические параметры изготовления высокопрочной проволоки диаметром 9-12 мм в производственных условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ»
№ п/п
Диаметр катанки, мм
Конечный диаметр проволоки, мм
Температура интенсивного охлаждения, °С
Продолжительность интенсивного охлаждения, с
Механические свойства проволоки*
Примечание
Временное сопротивление разрыву, σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
Относительноеудлинение, δ,%
1
15
9,6
530
8
1100
9,4
значительный разброс механических свойств
2
15
9,6
550
10
1460
7.5
3
15
9,6
550
14
1380
7,8
повышенная обрывность проволоки
4
15
9,6
570
12
1230
8,2
4
15,5
9,8
550
12
1450
7,5
5
15,5
9,8
550
17
1360
7,9
повышенная обрывность проволоки
6
16
9,9
570
14
1200
8,5
повышенная обрывность проволоки
7
16
9,9
530
12
1200
8,5
значительный разброс механических свойств
8
16
12
550
10
1380
7,8
прототип
1
2,5
520
3,6
1210
2
6,5
510
2,8
1185
* - усредненное значение
Как видно из приведенных в таблице 1 данных, что в соответствии со способом по прототипу интенсивное охлаждение проводится при более низкой температуре в течении меньшего времени и на меньших диаметрах проволоки, при этом не достигается требуемое значение величины временного сопротивления разрыву. При увеличении температуры на малых диаметрах происходит сильный прогрев по сечению, что приведет к образованию мартенсита и соответственно к повышенной обрывности при волочении. При использовании таких режимов термообработки для больших диаметров не обеспечивается равномерный прогрев заготовки по сечению, не достигаются необходимые прочностные свойства готовой продукции.
Выбранная совокупность признаков в соответствии с заявляемом техническим решением позволяет сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.
Заявляемый способ может найти широкое применение при производстве высокопрочной проволоки диаметром 9-12 мм, обладающей повышенными прочностными свойствами, равномерно распределенными по сечению, и используемой для изготовления арматуры для железобетонных шпал.