Способ производства листового проката из теплоустойчивой стали

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах хромомолибденованадиевой теплоустойчивой листовой стали, используемой в котлостроении. Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества и выхода годного листового проката, исключении необходимости дополнительной термической обработки. Способ включает нагрев непрерывно литых слябов, их горячую прокатку в полосы с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки и смотку полос в рулоны, при этом полосу охлаждают водой до температуры 680-780°С, а после смотки рулоны помещают в термостат и замедленно охлаждают за время 40-50 ч до температуры 300-500°С. Конструкционная сталь имеет следующий химический состав, мас.%: 0,08-0,15 С; 0,1-0,4 Si; 0,4-0,8 Mn; 0,8-1,3 Cr; 0,2-0,4 Мо; 0,2-0,4 V; не более 0,3 Ni; не более 0,2 Cu; не более 0,02 Al; не более 0,012 N; не более 0,015 S; не более 0,020 Р; не более 0,08 As; остальное Fe. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах хромомолибденованадиевой теплоустойчивой листовой стали, используемой в котлостроении для работы при температурах до 600°С.

При строительстве котельного оборудования, работающего при температурах до 600°С, используют листы из свариваемой теплостойкой стали, которая должна отвечать следующему комплексу механических свойств (табл.1):

Таблица 1
Механические свойства листов для котлостроения
σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	δ5, %	KCU+20, Дж/см2	KCV+20, Дж/см2	Холодный загиб 180°
550-590	295-350	не менее 21	не мене 79	не менее 49	выдержив.

Помимо указанных механических свойств, листы должны удовлетворять требованиям по свариваемости: при испытании на разрыв разрушение образца должно происходить не по шву, а по основному металлу.

Известен способ производства стальных листов, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы хромомолибденованадиевой стали, содержащей по мас.%:

Углерод 0,04-0,10

Кремний 0,01-0,50

Марганец 0,4-1,5

Хром 0,05-1,0

Молибден 0,05-1,0

Ванадий 0,01-0,1

Бор 0,0005-0,005

Алюминий 0,001-0,1

Железо и примеси Остальное.

Отлитые слябы нагревают до температуры 1250°С и прокатывают с суммарным обжатием не менее 75%. Прокатанные листы подвергают закалке из аустенитной области и высокотемпературному отпуску [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что листовая сталь имеет низкие пластические и вязкостные свойства, низкую теплоустойчивость. Это делает невозможным применение листов для изготовления котельного оборудования, работающего при температурах до 600°С. Кроме того, необходимость проведения термического улучшения (закалки и отпуска) листов после прокатки усложняет и удорожает производство.

Известен также способ производства листов из низколегированной хромистой стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,15-0,8

Кремний 1,0-3,0

Марганец+хром 0,5-3,0

Железо и примеси Остальное.

Способ предусматривает нагрев слябов и их горячую прокатку на непрерывном широкополосном стане в полосы с температурой конца прокатки не ниже критической точки А_r3, охлаждение полос водой со скоростью не менее 20°С/с, смотку полос в рулоны в температурном интервале 330-430°С, замедленное охлаждение или выдержку рулонов в течение не менее 5 минут после смотки полосы в температурном интервале 330-430°С [2].

Недостатки известного способа состоят в том, что листы имеют низкий комплекс механических свойств как в горячекатаном, так и в термообработанном состояниях.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства листов из низколегированной стали марки 17Г1С (по ГОСТ 19281-89) следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,15-0,20

Кремний 0,4-0,6

Марганец 1,15-1,6

Хром не более 0,30

Никель не более 0,30

Медь не более 0,30

Азот не более 0,008

Сера не более 0,040

Фосфор не более 0,035

Мышьяк не более 0,08

Железо Остальное.

Слябы нагревают в методической печи до температуры 1250°С, подвергают прокатке на непрерывном широкополосном стане с регламентированной температурой конца прокатки 830-880°С, охлаждению полос водой до температуры смотки 620-700°С и смотке в рулоны. Для улучшения механических свойств горячекатаные листы подвергают термической обработке (нормализации, термическому улучшению) [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что листы из низколегированной стали после горячей прокатки и дополнительной термической обработки имеют низкие качество (вследствие низких механических свойств) и выход годного.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышения качества и выхода годного листового проката, исключении необходимости дополнительной термической обработки.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства листового проката из теплоустойчивой стали, включающем нагрев непрерывно литых слябов, горячую прокатку полос с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки и смотку полос в рулоны, согласно предложению полосы охлаждают водой до температуры 680-780°С, а после смотки рулоны помещают в термостат и замедленно охлаждают за время 40-50 ч до температуры 300-500°С. Теплоустойчивая сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод 0,08-0,15

Кремний 0,1-0,4

Марганец 0,4-0,8

Хром 0,8-1,3

Молибден 0,2-0,4

Ванадий 0,2-0,4

Никель не более 0,3

Медь не более 0,2

Алюминий не более 0,02

Азот не более 0,012

Сера не более 0,015

Фосфор не более 0,020

Мышьяк не более 0,08

Железо Остальное,

а перед горячей прокаткой непрерывно литые слябы отжигают в течение 28-32 ч при температуре 610-670°С.

Сущность изобретения состоит в следующем. В процессе охлаждения прокатанных полос водой до температуры смотки Т_см=680-780°С происходит распад переохлажденного аустенита с образованием зернистого перлита с участками бейнита. При замедленном охлаждении смотанных рулонов за время 40-50 ч до температуры 300-500°С в стали полностью завершаются процессы распада остаточного аустенита и бейнита, происходит повышение ее прочностных свойств за счет выпадения из твердого раствора мелкодисперсных карбидных и карбонитридных частиц с одновременным повышением показателей ударной вязкости листовой стали до заданных значений. За счет длительной выдержки рулонов при повышенных температурах листовая сталь переходит в ортостабильное состояние, благодаря чему не меняет служебных свойств в процессе эксплуатации котельного оборудования при температурах до 600°С. Помимо этого, листы из конструкционной стали с такой микроструктурой характеризуются высокой свариваемостью: при испытании на разрыв разрушение образцов происходит не по сварному шву, а по основному металлу. В результате повышается качество и выход годного листового проката.

Использование конструкционной стали предложенного состава обеспечивает после горячей прокатки и охлаждения полос по упомянутым режимам стабильное получение заданных механических свойств, высокую свариваемость листов. За счет того, что в составе стали допускается наличие примесей, содержание которых ограничено по верхнему пределу, упрощается и удешевляется производство.

Использование тепла прокатного нагрева для повышения механических свойств исключает необходимость проведения дополнительных термических обработок.

При соблюдении предложенных режимов производства и химического состава стали свойства горячекатаных листов соответствуют заданным значениям без дополнительной термической обработки. Если же вследствие нарушения предложенных режимов производства и отклонения химического состава стали свойства листов не соответствуют заданным, то необходимо проведение дополнительного отпуска при температуре 710-730°С, после которого листовая сталь в ряде случаев становится годной.

Отжиг в течение 28-32 ч при температуре 610-670°С непрерывно литых слябов из хромомолибденованадиевой стали полностью исключает возможность возникновение флокенов, за счет чего дополнительно увеличивается выход годного листового проката.

При охлаждении полос водой до температуры выше 780°С имеет место снижение прочностных свойств хромомолибденованадиевой листовой стали, что недопустимо. Снижение этой температуры менее 680°С ухудшает качество (вязкостные и пластические свойства) листовой стали, снижает выход годного, вызывает необходимость проведения дополнительной термической обработки горячекатаных полос.

При замедленном охлаждении рулонов за время менее 40 ч сокращается продолжительность нахождения металла при повышенных температурах, поэтому вязкостные и пластические свойства ниже допустимого уровня, снижается качество и выход годного, требуется дополнительная термическая обработка листовой стали. Увеличение выдержки более 50 ч не приводит к дальнейшему улучшению свойств, а лишь удлиняет цикл производства, что нецелесообразно.

При температуре окончания замедленного охлаждения ниже 300°С удлиняется производственный цикл без дальнейшего повышения качества и выхода годного. При температуре выше 500°С не достигается полного использования резерва повышения механических свойств хромомолибденованадиевой стали за счет тепла прокатного нагрева, требуется дополнительная ее термическая обработка. Помимо этого, снижается выход годного.

Дополнительный отпуск при температуре 710-730°С некондиционного проката позволяет в ряде случаев улучшить его комплекс механических свойств. Это является дополнительным преимуществом предложенной технологии. При температуре отпуска ниже 710°С не обеспечивается заданная пластичность, а при температуре выше 730°С снижаются прочностные свойства листовой стали.

Углерод в стали предложенного состава определяет прочность и свариваемость листов. Снижение содержания углерода менее 0,08% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,15% ухудшает вязкостные свойства листовой стали и ее свариваемость.

При содержании кремния менее 0,1% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства листов. Увеличение содержания кремния более 0,4% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость листов и свариваемость стали.

Снижение содержания марганца менее 0,4% увеличивает окисленность стали, ухудшает вязкостные свойства и свариваемость листов. Повышение содержания марганца более 0,8% приводит к снижению пластических свойств листов ниже допустимого уровня даже после проведения дополнительной термической обработки.

Хром и молибден введены в сталь для повышения ее механических свойств и придания теплостойкости. Карбидные и карбонитридные частицы хрома и молибдена выпадают из твердого раствора в процессе замедленного охлаждения рулонов. При содержании в стали хрома менее 0,8% или молибдена менее 0,2% не обеспечивается повышение комплекса механических свойств листов в процессе замедленного охлаждения рулонов до требуемых значений. Требуется дополнительное проведение термического улучшения. Увеличение содержания хрома более 1,3% или молибдена более 0,4% приводит к переупрочнению стали и ухудшению свариваемости без дальнейшего повышения теплостойкости.

Ванадий обеспечивает повышение теплостойкости горячекатаных листов до 600°С. При содержании ванадия менее 0,2% теплостойкость снижается, уменьшается выход годного листового проката. Увеличение содержания ванадия более 0,4% ухудшает вязкостные свойства и качество листового проката.

Все остальные элементы, содержание которых ограничено по верхнему пределу, являются примесными. При указанных предельных концентрациях эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на комплекс механических свойств листов, тогда как их удаление из расплава стали существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс, что экономически нецелесообразно. При содержании в стали никеля более 0,3%, меди более 0,2%, алюминия более 0,02%, азота более 0,012%, серы более 0,015%, фосфора более 0,020% и мышьяка более 0,08% имеет место снижение комплекса механических свойств, в особенности ударной вязкости листов. Их свойства остаются ниже допустимого уровня (табл.1) даже после дополнительной термической обработки, ухудшается качество и выход годного листового проката.

Отжиг непрерывно литых слябов в течение менее 28 ч при температуре ниже 610°С не исключает полностью возможность образования флокенов, что снижает выход годных листов. Увеличение продолжительности отжига более 50 ч или его температуры выше 670°С приводит к увеличению производственного цикла и энергозатрат, что нецелесообразно.

Примеры реализации способа

В сталеплавильном производстве осуществляют выплавку и разливку низколегированных сталей различного состава (табл.2) в слябы толщиной 200 мм. Отлитые слябы из стали состава 3 (табл.2) подвергают нагреву до температуры Т_о=640°С в газовой печи и выдерживают при этой температуре в течение времени τ_о=30 ч.

После охлаждения, осмотра и зачистки слябы сажают в печи с шагающими балками непрерывного широкополосного стана 2000 горячей прокатки и производят их разогрев до температуры 1230°С.

Нагретые слябы последовательно выдают на печной рольганг стана и прокатывают за 14 проходов до конечной толщины 8,0 мм. Температуру на выходе из последней клети стана поддерживают в диапазоне 875-905°С. На отводящем рольганге стана 2000 горячекатаные полосы охлаждают ламинарными струями воды до температуры Т_см=730°С и сматывают в рулоны на барабан моталки.

Смотанные рулоны снимают с барабана моталки и помещают в термостат, где их охлаждают за время τ_т=45 ч до температуры Т_т=400°С. После этого рулоны извлекают из термостата. Дальнейшее охлаждение рулонов до температуры окружающей среды происходит с произвольной скоростью.

От остывших рулонов отбирают пробы и производят испытания механических свойств листовой стали.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в табл.3.

Из табл.3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение комплекса механических свойств листов из конструкционной стали непосредственно после прокатки и замедленного охлаждения. Благодаря этому исключается необходимость в дополнительной термической обработке. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5) комплекс механических свойств снижается. Листы не пригодны для использования в котлостроении. Также более низкий комплекс механических свойств достигается даже после термического улучшения листов, полученных согласно способу-прототипу (вариант №6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что при его применении обеспечивается формирование оптимальной микроструктуры, высокого комплекса механических свойств и свариваемости листов. За счет этого повышается качество и выход годного. Заданный комплекс механических свойств листовой стали формируется непосредственно в процессе горячей прокатки и термостатирования рулонов без дополнительной термической обработки при использовании теплоустойчивой стали предложенного химического состава. Помимо этого, в ряде случаев при нарушении режимов производства или отклонении химического состава стали, свойства горячекатаных листов могут быть улучшены за счет их отпуска при температуре 710-730°С. Это дополнительно увеличивает выход годного.

В качестве базового объекта при расчете технико-экономического преимущества предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства листовой теплоустойчивой стали для котлостроения на 20-25%.

Литературные источники

1. Заявка Японии №61-163210, МПК С 21 D 8/00, 1986 г.

2. Заявка Японии №60-184634, МПК С 21 D 9/46, С 21 D 8/02, 1985 г.

3. Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М.: Металлургия, 1989 г., с.262-268 - прототип.

Таблица 2
Химический состав теплоустойчивых сталей
№ п/п	Содержание химических элементов, масс.%
С	Si	Mn	Cr	Мо	V	Ni	Си	Аl	N	S	Р	As	Fe
1	0,07	0,09	0,3	0,7	0,1	0,1	0,1	0,10	0,007	0,007	0,008	0,011	0,04	остальн.
2	0,08	0,10	0,4	0,8	0,2	0,2	0,1	0,12	0,008	0,008	0,009	0,012	0,05	-:-
3	0,12	0,25	0,6	1,0	0,3	0,3	0,2	0,15	0,01	0,009	0,010	0,015	0,06	-:-
4	0,15	0,40	0,8	1,3	0,4	0,4	0,3	0,20	0,02	0,012	0,015	0,020	0,08	-:-
5	0,16	0,50	0,9	1,4	0,5	0,5	0,4	0,25	0,03	0,013	0,016	0,021	0,09	-:-
6 (прототип)	0,18	0,50	1,2	0,3	-	-	0,25	0,22	нерегл.	0,007	0,030	0,030	0,007	-:-

Таблица 3
Режимы производства и механические свойства листов из конструкционной стали
№ варианта	№ состава	То, °С	τо, ч	Тсм, °С	Тт, °С	τт, ч	σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	δ5, %	KCU+20, Дж/см2	KCV+20, Дж/см2	Холодный загиб 180°
1	5	600	27	670	510	39	730	580	9	58	36	невыдерж.
2	2	610	28	680	500	40	590	350	25	80	50	выдержив.
3	3	640	30	730	400	45	570	320	32	88	59	выдержив.
4	4	670	32	780	300	50	550	295	24	83	54	выдержив.
5	1	680	33	790	290	52	430	255	20	75	45	невыдерж.
6 (прототип)	6	--	--	650	не регл.	не регл.	510	345	23	58	36	невыдерж.

1. Способ производства листового проката из теплоустойчивой стали, включающий нагрев непрерывно литых слябов, горячую прокатку полос с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки и смотку полос в рулоны, отличающийся тем, что полосы охлаждают водой до температуры 680-780°С, а после смотки рулоны помещают в термостат и замедленно охлаждают за время 40-50 ч до температуры 300-500°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплоустойчивая сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод 0,08-0,15

Кремний 0,1-0,4

Марганец 0,4-0,8

Хром 0,8-1,3

Молибден 0,2-0,4

Ванадий 0,2-0,4

Никель Не более 0,3

Медь Не более 0,2

Алюминий Не более 0,02

Азот Не более 0,012

Сера Не более 0,015

Фосфор Не более 0,020

Мышьяк Не более 0,08

Железо Остальное

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед горячей прокаткой непрерывно литые слябы отжигают в течение 28-32 ч при температуре 610-670°С.