Способ производства хладостойкого листового стального проката
METHOD FOR THE PRODUCTION OF COLD-RESISTANT ROLLED STEEL SHEET

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству листового проката в толщинах до 50 мм из хладостойкой стали для использования в тяжелом машиностроении, в строительных конструкциях в условиях низких температур до -70°С.
Известен способ производства высокопрочной свариваемой хладостойкой стали и изделия из нее, содержащей в мас.%: углерод 0,08 - 0,10, кремний 0,30 - 0,40, марганец 0,65 - 0,75, хром 0,45 - 0,55, никель 1,65 - 1,75, медь 0,50 - 0,60, молибден 0,30 - 0,35, ниобий 0,02 - 0,04, цинк 0,0001 - 0,01, висмут 0,0001 - 0,005, сурьму 0,0001 - 0,005, кальций 0,0001 - 0,01, алюминий 0,02 - 0,05, азот 0,001 - 0,008, серу не более 0,005, фосфор не более 0,012, остальное - железо и неизбежные примеси, при этом величина углеродного эквивалента не превышает 0,53% [RU № 2731223, МПК C22C38/60, C22C38/48, 2020].
Недостатком данного способа является высокое содержание в стали никеля, что значительно увеличивает себестоимость металлопродукции.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, к заявляемому техническому решению является способ производства хладостойкого листового проката, согласно которому заготовку получают из стали, содержащей в мас.%: С (0,04 - 0,10), Mn (1,00 - 1,40), Si (0,15 - 0,35), Ni (0,10-0,80), Al (0,02 - 0,06), Mo (0,01 - 0,08), Nb (0,02 - 0,06), V (0,02 - 0,10), S (0,001 - 0,008), P (0,003 - 0,012), железо - остальное, осуществляют ее нагрев до 1140 - 1170°C, проводят предварительную деформацию при 940 - 990°C, затем охлаждают полученную заготовку на 70 - 100°C, проводят окончательную деформацию при 830 - 750°C и охлаждают сначала ускоренно до 550 - 400°C, а затем замедленно до температуры не выше 150°C, при этом углеродный коэффициент составляет не более 0,38 [Патент RU № 2345149, МПК C21D 8/02, C22C 38/12, C21D 9/46, 2009].
Недостатками данного способа являются:
- потеря производительности на стане;
- способ распространяется только на технологию с охлаждением с прокатного нагрева, исключающей состояние поставки «закалка + отпуск»; данный способ не позволяет получить удовлетворительные свойства по ударной вязкости при температурах до минус 70°С на толщинах до 50 мм.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка способа производства хладостойкого проката с требуемым уровнем механических свойств, в том числе и при -70°С, и сниженной себестоимостью его производства по сравнению с прототипом.
Под требуемым уровнем механических свойств понимаются следующие свойства:
предел текучести не менее 690 МПа,
предел прочности не менее 770 МПа,
относительное удлинение не менее 14%.
Технический результат достигается тем, что в способе производства хладостойкого листового стального проката, включающем получение заготовки из стали, ее аустенизацию, деформацию путем черновой и чистовой прокаток и охлаждение, согласно изобретению заготовку получают из стали, содержащей, мас.%:
Углерод
0,04 - 0,20
Кремний
0,1 - 0,5
Марганец
0,9 - 1,9
Сера
не более 0,009
Фосфор
не более 0,015
Хром
не более 0,5
Никель
не более 0,4
Медь
не более 0,4
Алюминий
0,02 - 0,07
Ванадий
0,002 - 0,10
Ниобий
0,01 - 0,10
Титан
0,003 - 0,10
Молибден
0,05 - 0,5
Азот
не более 0,010
Кальций
не более 0,005
Бор
не более 0,005
Мышьяк
не более 0,08
Цирконий
не более 0,2
Железо и неизбежные примеси
остальное,
аустенизацию путем нагрева заготовки под прокатку осуществляют до температуры 1150 - 1300°С, начинают чистовую прокатку при температуре 880 - 990°С, а заканчивают при температуре 810 - 920°С, далее осуществляют охлаждение полученного листового стального проката на воздухе до температуры окружающей среды, затем выполняют его термообработку, при которой производят нагрев до температуры 900 - 950°С, ускоренное охлаждение водой до температуры не более 350°С, повторный нагрев до температуры 500 - 690°С и последующее охлаждение на воздухе.
Листовой стальной прокат характеризуется следующими характеристиками:
предел текучести не менее 690 МПа,
предел прочности не менее 770 МПа,
относительное удлинение не менее 14%.
Продолжительность нагрева под прокатку составляет не менее 2,5 час.
Продолжительность повторного нагрева (под отпуск) составляет 0,8 - 4,0 мин/мм проката.
Углеродный эквивалент стали составляет 0,41 - 0,55.
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.
Выбранный химический состав стали обеспечивает необходимый набор технологических и механических характеристик, при меньшей себестоимости, относительно аналогов.
Для получения требуемой прочности, содержание углерода должно быть не менее 0,04% и не более 0,20%. Содержание углерода в количестве более 0,20% приводит к ухудшению пластических свойств стали.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость, содержание кремния 0,1 - 0,5% обеспечивает достаточные прочностные характеристики стали.
Марганец повышает прочность стали, а также связывает серу. При содержании марганца менее 0,9% сталь является недостаточно прочной. При содержании марганца более 1,9% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
Сера, фосфор, мышьяк являются вредными примесями, поэтому обозначенные значения содержания серы не более 0,009%, фосфора не более 0,015% и мышьяка не более 0,08% необходимы для получения высоких значений ударной вязкости при низких температурах. При содержании серы свыше 0,009% в стали образуется большое количество сульфидных включений, значительно снижающих ударную вязкость и трещиностойкость. 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 трещиностойкость, поэтому верхний предел содержания фосфора устанавливают не более 0,015%.
Хром и никель повышают прочность стали. Увеличение содержания хрома и никеля более 0,5% и 0,4%, соответственно, экономически не целесообразно.
Медь повышает устойчивость аустенита, что особенно важно при завершающей термообработке и повышает коррозионную стойкость стали, однако значительное ее содержание приводит к высокой себестоимости готового проката. Для стали заявленной композиции легирования, содержание меди ограничено 0,4%, что обеспечивает требуемые свойства проката.
Добавка алюминия необходима для раскисления стали. Концентрация алюминия более 0,07% приводит к образованию корундовых включений, которые являются концентраторами напряжений и негативно влияют на процесс непрерывной разливки. Снижение содержания алюминия менее 0,02% может привести к ухудшению пластичности и ударной вязкости стали.
Микролегирование стали ванадием, ниобием и титаном эффективно тормозит рекристаллизацию и рост зерна при нагреве, что в свою очередь позволяет сохранять требуемый уровень механических свойств, однако при содержании ванадия, ниобия и титана более 0,10% каждого, происходит значительное удорожание процесса производства стали, а также повышается склонность стали к охрупчиванию.
Добавка молибдена повышает прочность стали. Молибден в количестве менее 0,05% не оказывает значительного влияния на свойства, а его содержание более 0,5% уже приводит к существенному повышению себестоимости производства стали.
Кальций вводят для модификации неметаллических включений. Содержание кальция более 0,005% приведет к образованию большого количества включений - алюминатов кальция, что отрицательно скажется на хладостойкости стали. Содержание кальция в заявленных пределах обеспечивает получение сульфидов глобулярной формы, что способствует повышению уровня ударной вязкости при низких темпратурах.
23
6
Бор, добавляемый до 0,005%, значительно повышает закаливаемость стали, способствуя образованию потенциально упрочняющих компонентов, бейнита или мартенсита, и одновременно замедляя образование более мягких ферритных и перлитных структурных составляющих во время охлаждения стали. Бор в количестве более 0,005% может способствовать образованию охрупчивающих частиц Fe(C,B).
Содержание мышьяка в количестве не более 0,08% позволяет избежать отпускной хрупкости, что в свою очередь увеличивает хладостойкость стали.
Цирконий оказывает упрочняющее влияние на сталь. Прирост прочности с цирконием происходит из-за образования дисперсных карбидов и карбонитридов циркония, сдерживающих рост аустенитного зерна, что обуславливает получение наследственной мелкозернистой структуры стали. При указанных количествах циркония (не более 0,2%) упрочнение достигается без снижения пластичности, что обуславливается эффектом растворения циркония в стали и измельчением его субструктуры, обеспечивающим мелкозернистую структуру стали. Введение циркония дополнительно изменяет морфологию и фазовый состав сульфидов, а также исключает образование цепочек неметаллических включений, снижающих пластические свойства.
Углеродный эквивалент стали может находиться в промежутках (в зависимости от формулы, по которой осуществляют его расчет):
- 0,41-0,51% - Сэкв=С+Mn/6+Si/24+Cr/5+Ni/40+Cu/13+V/14+P/2,
- 0,42-0,55% - CEV=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,
- 0,25-0,34%- CET=C+(Mn+Mo)/10+Ni/40+(Cr+Cu)/20.
Более высокие значения углеродного эквивалента приводят к ухудшению свариваемости стали.
Осуществляют аустенизацию с нагревом под прокатку до температур 1150 - 1300°С. Превышение верхней границы интервала стимулирует аномальный рост зерен аустенита, приводящий к снижению прочностных и вязкостных свойств. При не достижении нижней границы данного температурного интервала нагрева, карбонитриды плохо растворяются в аустените, что оказывает негативное влияние на протекание процессов рекристаллизации, а также снижает прочностные и вязкостные свойства.
Продолжительность нагрева под прокатку менее 2,5 час приводит к неоднородности структуры по всему сечению, в частности, к сохранению в середине грубой ликвации, отрицательно сказывающейся, в дальнейшем, на требуемых механических свойствах.
Начало чистовой прокатки проводят при температурах 880 - 990°С, а заканчивают при температурах в диапазоне 810 - 920°C, далее осуществляют охлаждение проката на воздухе. Температура начала чистовой прокатки в данном диапазоне необходима для более интенсивного измельчения зерна аустенита. При температурах начала чистовой прокатки более 990°С и конца чистовой прокатки более 920°С происходит рост аустенитных зерен, что снижает комплекс механических свойств, особенно ударной вязкости. При температурах начала чистовой прокатки и конца прокатки ниже 880°С и 810°С, соответственно, происходит подстуживание раската, что приводит к неравномерной микроструктуре проката и высокой анизотропии свойств.
Термическая обработка проката после нагрева до температуры 900-950°С с последующим ускоренным охлаждением водой до температуры не более 350°C обеспечивает получение оптимальной однородной закалочной структуры по всей толщине проката, а, следовательно, позволяет добиться высоких свойств по всему сечению листа.
Повторный нагрев (отпуск) закаленных листов в диапазоне 500-690°С позволяет обеспечить требуемые характеристики по удлинению и ударной вязкости при сохранении прочностных характеристик.
Продолжительность повторного нагрева (под отпуск) ниже 0,8 мин/мм проката не обеспечивает прогрев листа по всему сечению, что в свою очередь приводит к анизотропии свойств, снижению пластичности и вязкости металлопроката. Увеличение удельного времени нагрева выше 4,0 мин/мм проката уменьшает его прочностные свойства.
Пример осуществления способа
Осуществляли выплавку стали в кислородном конвертере и после внепечной обработки и вакуумирования производили непрерывную разливку в слябы сечением 250*1630 мм. Далее производили нагрев под прокатку до температур 1150 - 1300°С и осуществляли прокатку листов на конечную толщину 40 и 50 мм на двухклетевом реверсивном стане (также возможна прокатка и на другие толщины). Деформацию в черновой клети производили в диапазоне температур 980 - 1120°С, с суммарной степенью обжатия 62 - 68%. Подкат подстуживали до температуры 880 - 990°С. Окончательную деформацию производили в чистовой клети со строго регламентированными обжатиями 10-20% за проход в диапазоне температур 810 - 990°С с суммарной степенью обжатия 50 - 55%, после чего прокат охлаждали на воздухе.
Затем прокат нагревали до температур 900 - 950°С и далее осуществляли ускоренное охлаждение до температуры не более 350°С, после чего повторно нагревали до температуры 500 - 690°С с выдержкой 0,8 - 4 мин/мм проката.
Согласно заявленному способу 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 вдоль направления проката.
Как видно из результатов экспериментов, прокат, произведенный по предложенной технологии, характеризуется требуемым уровнем механических свойств. Также, проведенные эксперименты показали, что себестоимость производства стали по заявленной технологии на 2,0 - 3,0% ниже по сравнению с технологией производства по прототипу.
Таблица 1Химический состав проката
№ эксперимента
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Cu
Al
Nb
Ti
V
Mo
В
N<sub>2</sub>
1
0,155
1,14
0,29
0,002
0,009
0,26
0,16
0,04
0,040
0,027
0,011
0,005
0,23
0,002
0,005
2
0,159
1,12
0,38
0,006
0,009
0,41
0,06
0,02
0,030
0,022
0,08
0,004
0,15
0,0013
0,006
3
0,181
1,24
0,29
0,002
0,008
0,15
0,26
0,04
0,040
0,054
0,011
0,005
0,28
0,001
0,004
4
0,161
1,78
0,16
0,005
0,010
0,11
0,33
0,16
0,021
0,049
0,08
0,004
0,15
0,0011
0,005
5
0,172
1,52
0,22
0,005
0,008
0,31
0,18
0,31
0,050
0,028
0,08
0,004
0,15
0,0013
0,005
* - в экспериментах содержание мышьяка было 0,00
Таблица 2Контролируемые технологические параметры
№ эксперимента
Т нагрева под прокатку, °С
Т начала чистовой прокатки, °С
Т конца чистовой прокатки, °С
Т нагрева под термообработку, °С
Т охлаждения, °С
Т отпуска, °С
t повторного нагрева, мин/мм проката
1
1170
940
821
930
311
570
1,5
2
1280
955
834
945
280
624
1,8
3
1220
950
822
920
304
672
2,0
4
1153
890
810
910
322
540
2,9
5
1170
900
812
905
333
535
1,0
Таблица 3
№ эксперимента
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°С, Дж/см<sup>2</sup>
Ударная вязкость KCV при минус 70°С, Дж/см<sup>2</sup>
1
820
740
18,5
229 / 218 / 116
161 / 181 /198
2
790
700
19,0
233 / 230 / 234
223 / 226 /125
3
789
693
19,0
229 / 208 / 198
171 / 181 /198
4
850
748
17,0
234 / 233 / 238
225 / 230 / 224
5
810
721
17,5
224 / 213 / 113
162 / 180 /168