Способ производства стали с однородными свойствами

Изобретение относится к металлургии, конкретно к производству стали для глубокой вытяжки, применяемой для изготовления изделий сложной конфигурации, преимущественно деталей автомобилей. Техническим результатом изобретения является увеличение однородности механических свойств стали и снижение затрат на ее производство. Поставленный технический результат достигается тем, что проводят непрерывную разливку стали, содержащей не более 0,007 мас.% углерода и 0,006 мас.% азота, в слябы, нагрев и горячую прокатку в полосы, охлаждение, смотку в рулоны, травление, холодную прокатку с обжатиями не менее 70%, отжиг и дрессировку. Отжиг холоднокатаной стали проводят в проходных печах при температурах 750-900°С в течение 5-18 минут. 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к металлургии, конкретно к производству стали для глубокой вытяжки, применяемой для изготовления изделий сложной конфигурации, преимущественно деталей автомобилей.

Широко используемая технология производства стали для глубокой вытяжки включает выплавку и непрерывную разливку, горячую прокатку, травление, холодную прокатку, отжиг и дрессировку. Основной характеристикой качества стали являются механические свойства. Эти свойства зависят от химического состава, параметров структуры и текстуры готовой стали. Структура и текстура формируются при всех технологических операциях. Дрессировка проводится для придания полосам стали хорошей планшетности. Долгое время для глубокой вытяжки использовалась сталь марки 08Ю. Однако совершенствование технологии выплавки позволило получать слябы литой стали с низким содержанием таких атомов внедрения, как углерод и азот. Была разработана сталь, отличающаяся от стали 08Ю более хорошим сочетанием прочностных и пластических свойств и названная IF-сталью. Для варьирования свойств этой стали в некоторых случаях ее целенаправленно микролегируют титаном, ниобием, фосфором и некоторыми другими химическими элементами. Например, известен следующий химический состав такой стали, мас.%: 0,003÷0,015 углерод, 0,005÷0,020 кремний, 0,05÷0,20 марганец, 0,004÷0,012 сера, 0,005÷0,015 или 0,05÷0,15 фосфор, 0,015÷0,060 алюминий, 0,004÷0,03 никель, 0,006÷0,05 медь, 0,001÷0,006 азот, 0,00005÷0,005 бор, содержание титана определяется из соотношения - 1,5 × Сера + 3,43 × Азот + 6 × Углерод < Титан < 1,5 × Сера + 3,43 × Азот + 10 × Углерод, остальное железо [Патент РФ 2034088, МПК С 22 С 38/50, 38/54, 1995 г].

Известен также способ производства листовой стали для холодной штамповки [Патент РФ 2197542, МПК С 21 D 8/04, 9/48, 2003 г.], включающий непрерывную разливку слябов, их нагрев и горячую прокатку в полосы, охлаждение водой, смотку в рулоны, травление, холодную прокатку, отжиг и дрессировку. В этом способе техническим результатом является улучшение вытяжных свойств и увеличение выхода кондиционной листовой стали. Для достижения этого результата сталь, содержащую, мас.%: 0,002÷0,007 углерода, 0,005÷0,050 кремния, 0,08÷0,16 марганца, 0,01÷0,05 алюминия, 0,05÷0,12 титана, не более 0,015 фосфора, не более 0,010 серы, не более 0,04 хрома, никеля и меди, не более 0,006 азота, железо - остальное, подвергают непрерывной разливке со скоростью 0,4÷1,6 м/мин при температуре разливаемой стали 1500÷1580°С в слябы. Слябы нагревают до 1150÷1240°С, выдерживают в течение 2,5÷4 ч и прокатывают в полосы с температурой конца прокатки не ниже 870°С. Горячекатаные полосы охлаждают водой до 550÷730°С и сматывают в рулоны. После траления полосы подвергают холодной прокатке с суммарным обжатием не менее 70% и отжигу при 700÷750°С с выдержкой при этой температуре в течение 11÷34 часов. Затем полосы дрессируют с обжатием 0,4÷1,2% в валках с шероховатостью поверхности 2÷4 мкм Ra и плотностью пиков 60÷120 1/см. Возможен вариант выполнения способа, по которому горячекатаные полосы подвергают отжигу при 660÷680°С с выдержкой в течение 10÷18 ч. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Он позволяет улучшить механические свойства и увеличить выход кондиционной листовой стали. Однако при производстве стали важной характеристикой ее качества является однородность механических свойств по длине и ширине полос. Способ-прототип не решает этой проблемы, хотя и направлен на увеличение выхода кондиционной стали.

Техническая задача, решаемая в предполагаемом изобретении, состоит в увеличении однородности механических свойств стали и снижении затрат на ее производство.

Поставленная задача достигается тем, что согласно предлагаемому способу проводят непрерывную разливку стали, содержащей не более 0,007 мас.% углерода и 0,006 мас.% азота, в слябы, нагрев и горячую прокатку в полосы, охлаждение, смотку в рулоны, травление, холодную прокатку с обжатиями не менее 70%, отжиг и дрессировку. Отжиг холоднокатаной стали проводят в проходных печах при температурах 750-900°С в течение 5÷18 минут.

Сущность изобретения состоит в следующем. В способе-прототипе отжиг рулонов холоднокатаной стали весом не менее 10 тонн проводят в колпаковых печах. Однако при таком отжиге скорость нагрева внешних и внутренних частей рулонов существенно различается и является причиной повышения неоднородности свойств. Обычно колпаковые печи нагревают со скоростью около 50÷60°С/час. При этом скорость нагрева внутренних частей рулонов не превышает 7°С/час. Использование отжига в проходных печах позволяет осуществлять равномерный и однородный нагрев по ширине и длине полос и снизить неоднородность свойств. Кроме того, себестоимость отжига стали в проходной печи меньше, чем в колпаковой. Затраты на производство сокращаются. При этом режимы технологических операций подобраны таким образом, чтобы механические свойства готовой стали соответствовали требованиям потребителей, были подобны свойствам способа-прототипа.

На механические свойства стали оказывают влияние режимы всех технологических операций, начиная с выплавки. При выплавке достигается требуемый химический состав стали. Химические элементы, входящие в состав стали, оказывают влияние на механические ее свойства двумя путями: один - воздействие на формирование структуры и текстуры в процессе производства стали; другой - влияние на уровень остаточных напряжений, силу связи между атомами, количество дисперсных вторых фаз в готовой стали. При последующих после выплавки технологических операциях достигаются необходимые толщина, текстура и структура, т.е. свойства стали. Положительный эффект в данном способе достигается за счет одинаковых условий нагрева по длине и ширине полос холоднокатаной стали. Однако получение необходимых механических свойств стали определяется всей совокупностью регламентируемых химического состава стали и режимов технологических операций.

Требование к содержанию в стали не более 0,007 мас.% углерода и 0,006 мас.% азота вызвано тем, что при больших содержаниях атомов внедрения этих химических элементов в готовой стали становится невозможным получить необходимое сочетание прочностных и пластических свойств. Причиной этого является взаимодействие атомов азота и углерода с дефектами кристаллической решетки [J.Aldazabal еt al. Hall-Рetch behaviour induced by plastic strain gradients. Vaterials Science and Engineering, A 365. 2004. h.186-190].

Обжатия не менее 70% при холодной прокатке необходимы для получения максимального количества компонентов текстуры ({111}<uvw> и др.), которые обеспечивают необходимый уровень и минимальную анизотропию механических свойств готовой стали.

Для получения оптимального размера зерна и текстуры необходимы определенные температурно-временные режимы отжига холоднокатаной стали. Как показали исследования, отжиг стали можно проводить и в колпаковых, и в непрерывных проходных печах. Однако отжиг в проходных обеспечивает лучшую планшетность полос и более высокую однородность механических свойств по ширине и длине полос, меньшую себестоимость стали. Оптимальные температурно-временные режимы отжига обеспечивают полное прохождение в стали первичной рекристаллизации и определенное развитие собирательной рекристаллизации. При недостаточной или чрезмерной температуре или времени отжига степень развития собирательной рекристаллизации не соответствует формированию оптимальных параметров структуры и текстуры, т.е. механических свойств стали. Предлагаемые режимы отжига в проходных печах оптимальны при холодной прокатке с обжатиями не менее 70%, т.к. обжатия реализуются не только в виде текстуры, но и в виде уровня накопленной сталью энергии. Различный уровень энергии требует определенных режимов отжига для получения необходимых свойств стали.

В предлагаемом способе только совокупность заявляемых признаков позволяет достичь поставленную цель. Поиск такой совокупности признаков в русской и зарубежной научно-технической литературе не дал результатов. Можно считать, что предлагаемое изобретение отвечает критерию “Новизна”.

Пример реализации способа

Сталь выплавляют в конверторе, а слябы получают путем непрерывной разливки. Химический состав стали показан в таблице 1. Сталь №3 и 4 выходит за пределы заявляемого химического состава, прототип - №5.

Перед горячей прокаткой слябы помещают в методическую печь с газовым нагревом и шагающими балками. В печи слябы выдерживают при температуре 1180°С в течение 2,5 часов. Горячую прокатку проводят на стане, состоящем из четырех черновых и семи чистовых клетей до толщины полос 3,20 мм. Температура конца прокатки составляет 870°С. На отводящем рольганге полосы душируют и температура смотки составляет 640°С. После охлаждения проводят удаление слоя окислов (окалины) с поверхности полос путем их травления в растворе горячей серной кислоты. Затем проводят холодную прокатку на четырехклетьевом стане до толщины полос 0,80 мм. Суммарные обжатия составляют 75%. Холоднокатаные полосы отжигают в проходных печах при температуре 820°С в течение 9 минут. Отожженные полосы дрессируют с обжатием 1%.

В таблице 2 приведены механические свойства, их неоднородность по длине и ширине полос и затраты на производство. Затраты на производство приводятся в процентах в сравнении с существующим способом производства и прототипом.

Пример №1 полностью соответствует заявляемым параметрам. В примере №2 содержание углерода и азота находится на границе заявляемых значений этих элементов. В примерах №3 и 4 превышено предельно допустимое содержание углерода и азота и на кривых испытания на растяжение появился зуб текучести, что сразу предотвращает применение такой стали для штамповки деталей сложной формы. Пример №5 взят из способа-прототипа для сравнения с отжигом в колпаковой печи.

Заявляемый способ обеспечивает выход кондиционной стали, идентичный способу-прототипу. При этом, неоднородность предела текучести по длине полос снижается на 4÷5%, по ширине полос - на 4%, а затраты на производство по сравнению с существующим и способом-прототипом снижаются на 6%. Значения коэффициентов r и n относительного удлинения δ и предела прочности σ_в в предлагаемом способе и в способе-прототипе высоки и гораздо выше требуемых ГОСТом для этих сталей, ГОСТ 9045-93.

Таблица 1 Химический состав стали, мас.%
№	С	Si	Mn	S	Р	Аl	Cr	Ni	Сu	Ti	N	Fe
1	0,004	0,017	0,11	0,010	0,010	0,06	0,03	0,01	0,03	0,08	0,005	Ост.
2	0,007	0,021	0,11	0,010	0,011	0,06	0,03	0,01	0,03	0,09	0,006	Ост.
3	0,005	0,020	0,11	0,010	0,011	0,05	0,03	0,02	0,02	0,09	0,008*	Ост.
4	0,009*	0,019	0,11	0,009	0,010	0,05	0,03	0,01	0,03	0,09	0,005	Ост.
5	0,0045	0,028	0,13	0,007	0,010	0,03	0,01	0,01	0,02	0,09	0,003	Ост.
Таблица 2 Механические свойства, выход кондиционной стали и затраты на производство
№	σ0,2, Н/мм2	σВ, Н/мм2	δ, %	r	n	Неоднородность σ0,2, %	Затраты на производство, %
По длине	По ширине
1	170	310	54	2,7	0,31	4	4	94
2	165	305	52	2,7	0,30	5	4	94
3	σт 235	325	36	1,9	0,20	5	4	94
4	σт 230	325	36	1,8	0,20	5	4	94
5	162-170	300-305	55-56	2,9	0,36	9	8	100
Примечание к таблице №2 r - коэффициент нормальной пластической анизотропии. Он определяется как отношение истинных деформаций по ширине и толщине при растяжении образца на 17% (ГОСТ 11701). Чем больше коэффициент r, тем больше величина нормальной анизотропии, сопротивление утонению и способность металла к вытяжке, n - показатель деформационного упрочнения, характеризующий способность металла к упрочнению при равномерной пластической деформации. Он определяется по двум точками при деформации образца на 10 и 17%. Чем больше показатель n, тем больше способность металла к вытяжке.

Способ производства стали с однородными свойствами, включающий непрерывную разливку стали, содержащей не более 0,007 мас.% углерода и 0,006 мас.% азота, в слябы, их нагрев и горячую прокатку в полосы, охлаждение, смотку в рулоны, травление, холодную прокатку с обжатием не менее 70%, отжиг и дрессировку, отличающийся тем, что отжиг холоднокатаной стали проводят в проходных печах при температурах 750÷900°С в течение 5÷18 мин.