Способ производства листовой углеродистой стали
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к технологии изготовления холоднокатаных полос из конструкционной углеродистой качественной стали для холодной штамповки. Для сокращения продолжительности рекристаллизационного отжига при одновременном обеспечении высоких механических свойств листовой стали проводят холодную прокатку полос, рекристаллизационный отжиг стопы рулонов в колпаковой печи с нагревом до температуры отжига 690-710°С и охлаждением, при этом в температурном интервале от 190-210°С до температуры отжига нагрев ведут со средней скоростью не выше 72°С/ч, а охлаждение стопы рулонов производят вначале до температуры 650-680°С за время 7-15 ч, по истечении которого охлаждение завершают с произвольной скоростью, при этом холодную прокатку осуществляют с суммарным относительным обжатием 55-80%, а углеродистая сталь имеет следующий химический состав, мас.%: 0,02-0,12 С; 0,08-0,55 Mn; 0,01-0,10 Al; Si≤0,05; P≤0,03; S≤0,03; N≤0,012; остальное Fe. 2 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к технологии изготовления холоднокатаных полос из конструкционной углеродистой качественной стали для холодной штамповки.
Листовая конструкционная углеродистая сталь толщиной 0,5-3,2 мм категории вытяжки ВГ (весьма глубокая) для холодной штамповки должна обладать следующим комплексом механических свойств и показателей микроструктуры (табл.1):
| Таблица 1 Свойства холоднокатаной листовой углеродистой стали | ||||
| σв, Н/мм2 270-410 | δ4, % | Изгиб на 180° | Зерно феррита | Балл цементита |
| не менее 30 | выдержив. | не выше 6 номера | не более 3 |
Известен способ производства листовой углеродистой стали, включающий холодную прокатку горячекатаных полос и последующий рекристаллизационный отжиг рулонов в колпаковой печи с нагревом до температуры 200-400°С, выдержкой 4-6 ч, повторным нагревом до температуры 620°С с выдержкой 8-10 ч, окончательным нагревом до температуры отжига 690-710°С с выдержкой 28 ч и последующим охлаждением [1].
Недостатки известного способа состоят в том, что цикл отжига имеет большую продолжительность, что требует больших энергозатрат и сокращает производительность колпаковой печи.
Известен также способ производства полос из углеродистой конструкционной качественной стали с различным содержанием азота и алюминия. Способ включает холодную прокатку горячекатаных полос до заданной толщины и двухступенчатый рекристаллизационный отжиг стопы рулонов в колпаковой печи по режиму: нагрев до промежуточной температуры 330-370°С с нерегламентированной скоростью, выдержка, окончательный нагрев до температуры отжига 710°С со скоростью, определяемой по математической формуле в зависимости от содержания азота и алюминия в стали, температуры конца горячей прокатки полос и суммарного обжатия при холодной прокатке [2].
Недостатки известного способа состоят в его большой продолжительности, что снижает производительность колпаковой печи.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства холоднокатаной полосы из углеродистой стали марки 08пс, стабилизированной алюминием. Способ включает холодную прокатку горячекатаных травленых полос с суммарным обжатием до 65%, рекристаллизационный двухступенчатый отжиг рулонов по режиму: нагрев со средней скоростью 30°С/ч до промежуточной температуры 450-550°С, выдержка, повторный нагрев со скоростью 23°С/ч до температуры отжига 680-720°С, выдержка при температуре отжига в течение 23 ч и охлаждение. При этом малоуглеродистая сталь марки 08пс (ГОСТ 1050) имеет следующий химический состав, мас.%:
| Углерод | 0,05-0,11 |
| Марганец | 0,35-0,65 |
| Кремний | 0,05-0,17 |
| Железо и примеси | остальное [3] - прототип. |
Недостатки известного способа состоят в том, что он имеет большую продолжительность, что снижает производительность колпаковой печи. Попытки увеличения скорости нагрева или сокращения времени выдержки приводят к ухудшению механических свойств и состояния микроструктуры холоднокатаной листовой стали.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в сокращении продолжительности рекристаллизационного отжига при одновременном обеспечении высоких механических свойств листовой стали.
Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства листовой углеродистой стали, включающем холодную прокатку полос, рекристаллизационный отжиг стопы рулонов в колпаковой печи с нагревом до температуры отжига 670-710°С и охлаждением, согласно предложению нагрев стопы рулонов в температурном интервале от 190-210°С до температуры отжига ведут со средней скоростью не выше 72°С/ч, а охлаждение стопы рулонов производят вначале до температуры 650-680°С за время 7-15 ч, по истечении которого охлаждение завершают с произвольной скоростью, при этом холодную прокатку осуществляют с суммарным относительным обжатием 55-80%, а углеродистая сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
| Углерод | 0,02-0,12 |
| Марганец | 0,08-0,55 |
| Алюминий | 0,01-0,10 |
| Кремний | не более 0,05 |
| Сера | не более 0,03 |
| Фосфор | не более 0,03 |
| Азот | не более 0,012 |
| Железо | остальное. |
Сущность изобретения состоит в следующем. Холодная прокатка в интервале суммарного обжатия 55-80% обеспечивает необходимую степень измельчения микроструктуры углеродистой стали предложенного химического состава с образованием скоплений дислокации, благодаря чему в процессе рекристаллизации рост ферритных зерен происходит только до размеров, балл которых не превышает 6 номера.
Нагрев стопы холоднокатаных рулонов до температуры 190-210°С проводят с нерегламентированной скоростью (т.е. с максимально возможной по тепловой мощности печи для сокращения времени нагрева), так как влияние этой стадии нагрева на механические свойства отожженной листовой стали отсутствует. Последующий нагрев холоднокатаных полос из стали предложенного состава от температуры 190-210°С до температуры отжига 670-710°С со средней скоростью не выше 72°С/ч обеспечивает равномерный прогрев садки и гомогенизацию микроструктуры стали перед рекристаллизацией. Сразу же после достижения температуры отжига 670-710°С начинают замедленное охлаждение стопы рулонов до температуры 650-680°С за время 7-15 ч. Такое замедленное охлаждение (вместо изотермической выдержки, как в способе-прототипе) позволяет, во-первых, полностью завершить первичную и собирательную рекристаллизацию ферритных зерен для получения заданных механических свойств и параметров микроструктуры углеродистой стали предложенного состава и, во-вторых, начать завершающее охлаждение стопы рулонов с более низкой температуры, что сокращает цикл отжига.
Экспериментально установлено, что при нагреве стопы рулонов со средней скоростью не выше 72°С/ч от температуры ниже 190°С имеет место удлинение периода нагрева и продолжительности отжига. Увеличение этой температуры выше 210°С приводит к неравномерности прогрева стопы рулонов и механических свойств листовой стали.
При средней скорости нагрева выше 72°С/ч в температурном интервале от 190-210°С до 670-710°С возрастает неравномерность прогрева рулонов, пластические свойства листовой стали ниже допустимого уровня.
При температуре отжига ниже 670°С замедляются процессы рекристаллизации, что ухудшает механические свойства листовой стали и требует удлинения цикла отжига. Увеличение температуры отжига выше 710°С приводит к потере прочностных свойств листовой стали, свариванию витков рулонов, удлинению периода нагрева и продолжительности отжига.
При регламентированном охлаждении от температуры отжига до температуры выше 680°С или сокращении времени охлаждения менее 7 ч из-за недостаточного времени нахождения металла при повышенных температурах не достигается получение заданных параметров микроструктуры и механических свойств листовой стали. Снижение температуры окончания менее 650°С, как и увеличение времени охлаждения более 15 ч приводит к росту ферритных зерен, снижению прочности листовой стали, удлинению продолжительности отжига.
Углерод в данной стали является основным упрочняющим элементом. При снижении концентрации углерода менее 0,02% прочностные свойства отожженных холоднокатаных полос недостаточны. Увеличение концентрации углерода сверх 0,12% снижает ее пластические свойства, требует удлинения продолжительности отжига.
Марганец раскисляет сталь, обеспечивает требуемое сочетание прочности и пластичности. При содержании марганца менее 0,08% сталь недостаточна раскислена и упрочнена. Увеличение его содержания сверх 0,55% приводит к возрастанию σТ более допустимого значения, ухудшает стабильность свойств холоднокатаных листов, снижает их пластичность, увеличивает длительность отжига.
При концентрации алюминия менее 0,01% холоднокатаная отожженная сталь имеет недостаточную пластичность и сохраняет склонность к старению. Увеличение концентрации алюминия более 0,10% ухудшает пластические свойства холоднокатаной листовой стали.
Кремний способствует раскислению стали, однако, увеличение концентрации кремния более 0,05% снижает предел текучести и относительное удлинение холоднокатаной листовой стали.
Сера и фосфор являются вредными примесями, однако, при концентрации не более 0,03% каждого из них отрицательное влияние проявляется слабо, тогда как при увеличении концентрации прочностные и пластические свойства ниже допустимого уровня даже при удлинении времени отжига.
Азот также является вредной примесью. При его концентрации более 0,012% ухудшаются пластические свойства отожженных холоднокатаных полос, требуется удлинение продолжительности отжига.
Пример реализации способа
В кислородном конвертере емкостью 300 тонн выплавляют углеродистую сталь следующего состава, мас.%
| С | Mn | Al | Si | S | Р | N | Fe |
| 0,07 | 0,31 | 0,055 | 0,04 | 0,02 | 0,02 | 0,008 | остальное |
Выплавленную сталь разливают на машине непрерывного литья заготовок в слябы сечением 250×1280 мм.
Отлитые слябы загружают в газовую печь с шагающими балками, нагревают до температуры аустенитизации 1210°С. Слябы последовательно выталкивают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 1700 и прокатывают до толщины 2,35 мм. Температуру полос на выходе из последней клети чистовой группы стана поддерживают равной Ткп=880°С. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге стана охлаждают водой до температуры Тсм=640°С, после чего сматывают в рулоны.
Охлажденные рулоны подвергают сернокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате.
Травленые полосы в рулонах прокатывают на 5-клетевом стане кварто бесконечной холодной прокатки с толщины 2,35 мм до толщины 0,7 мм с суммарным обжатием ε∑, равным:
Холоднокатаные полосы в рулонах устанавливают в стопу на стенд колпаковой муфельной печи с газовым отоплением. В подмуфельное пространство подают азотно-водородную защитную атмосферу и производят нагрев стопы рулонов при максимальной подаче топлива за время 0,5 ч до температуры Тн=200°С. Затем среднюю скорость нагрева снижают до величины Vрн=60°С/ч и продолжают нагрев рулонов до температуры отжига То=690°С. После достижения температуры отжига подачу топлива к горелкам уменьшают и осуществляют замедленное охлаждение стопы рулонов до температуры Тохл=665°С за время τохл=11 ч. Завершающее охлаждение рулонов до температуры распаковки 90°С осуществляют с произвольной максимально возможной скоростью при использовании водоохлаждаемого колпака и продувкой подмуфельного пространства холодным защитным газом. Таким образом, суммарная продолжительность отжига, то есть время от начала нагрева садки до начала завершающего охлаждения, продолжительность которого не изменяется, составляет: τотж=19,8 ч.
Холоднокатаные отожженные полосы подвергают дрессировке на одноклетевом стане кварто 1700 с обжатием 1,2%, после чего проводят испытания механических свойств и оценку состояния микроструктуры стали.
В табл.2 даны химические составы углеродистых сталей. В табл.3 приведены режимы производства холоднокатаных полос, а в табл.4 - показатели их эффективности.
| Таблица 2 | ||||||||
| Химический состав углеродистых сталей | ||||||||
| № состава | Содержание химических элементов, мас.% | |||||||
| С | Mn | Al | Si | S | Р | N | Fe | |
| 1. | 0,01 | 0,07 | 0,009 | 0,02 | 0,009 | 0,009 | 0,005 | Остальн. |
| 2. | 0,02 | 0,08 | 0,010 | 0,03 | 0,01 | 0,01 | 0,006 | -:- |
| 3. | 0,07 | 0,31 | 0,055 | 0,04 | 0,02 | 0,02 | 0,008 | -:- |
| 4. | 0,12 | 0,55 | 0,100 | 0,05 | 0,03 | 0,03 | 0,012 | -:- |
| 5. | 0,13 | 0,57 | 0,110 | 0,06 | 0,04 | 0,05 | 0,013 | -:- |
| 6. (08пс) | 0,11 | 0,65 | - | 0,17 | 0,04 | 0,034 | 0,017 | -:- |
| Таблица 3 Режимы производства холоднокатаных полос | |||||||
| № п/п | № состава | ε∑, % | Тн, °С | Vрн, °С/ч | То, °C | τохл, ч | Тохл, °С |
| 1. | 5 | 50 | 180 | 40 | 660 | 6 | 640 |
| 2. | 2 | 55 | 190 | 58 | 670 | 7 | 650 |
| 3. | 3 | 70 | 200 | 60 | 690 | 11 | 665 |
| 4. | 4 | 80 | 210 | 72 | 710 | 15 | 680 |
| 5. | 1 | 85 | 220 | 75 | 715 | 16 | 690 |
| 6. | 6 | 82 | 500 | 30 | 720 | 23* | 630 |
| Примечание: * - продолжительность изотермической выдержки. | |||||||
| Таблица 4 Продолжительность отжига и механические свойства листовой стали | |||||||
| № п/п | τотж, ч | σв, Н/мм2 | δ4, % | Изгиб на 180° | Зерно феррита | Балл цементита | |
| 1. | 19,0 | 230 | 27 | не выдержив. | 3-4 | 4-5 | |
| 2. | 16,2 | 270 | 30 | выдержив. | 4-6 | 2-3 | |
| 3. | 19,8 | 340 | 32 | выдержив. | 5 | 1 | |
| 4. | 21,7 | 410 | 31 | выдержив. | 6 | 1-2 | |
| 5. | 22,6 | 440 | 24 | не выдержив. | 7-8 | 1-4 | |
| 6. | 50,0 | 400-420 | 28-30 | выдержив. | 6-8 | 2-4 |
Из табл.2-4 следует, что при реализации предложенного способа (варианты 2-4) достигается сокращение продолжительности рекристаллизационного отжига при одновременном обеспечении высоких механических свойств листовой стали. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты производства №1 и №5) имеет место увеличение продолжительности отжига и ухудшение механических свойств холоднокатаной листовой отожженной стали. Способ-прототип, использующий сталь марки 08пс (вариант 6), также характеризуется более длительной продолжительностью отжига.
Технико-экономические преимущества заявляемого способа состоят в том, что при его реализации за счет режимов деформационно-термической обработки достигается сокращение продолжительности рекристаллизационного отжига холоднокатаных полос из углеродистой стали предложенного состава при одновременном формировании заданных механических свойств металлопродукции и параметров микроструктуры.
В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ данного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение на 6-8% рентабельности производства холоднокатаных полос из углеродистой стали для штамповки за счет повышения производительности одностопных колпаковых печей для рекристаллизационного отжига, повышения качества полос и сокращения производственного цикла. Помимо этого достигается экономия топливного газа.
Литературные источники
1. Авт. свид. СССР №1461771, МПК C21D 9/46, 1989 г.
2. Авт. свид. СССР №1475942, МПК C21D 9/48, 1989 г.
3. Гусева С.С. и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. М., Металлургия, 1979 г., с.9, 15-25 - прототип.
1. Способ производства листовой углеродистой стали, включающий холодную прокатку полос, рекристаллизационный отжиг стопы рулонов в колпаковой печи с нагревом до температуры отжига 670-710°С и охлаждением, отличающийся тем, что нагрев стопы рулонов в температурном интервале от 190-210°С до температуры отжига ведут со средней скоростью не выше 72°С/ч, а охлаждение стопы рулонов производят вначале до температуры 650-680°С за время 7-15 ч, по истечении которого охлаждение завершают с произвольной скоростью.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что холодную прокатку осуществляют с суммарным относительным обжатием 55-80%.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что углеродистая сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
| Углерод | 0,02-0,12 |
| Марганец | 0,08-0,55 |
| Алюминий | 0,01-0,10 |
| Кремний | Не более 0,05 |
| Сера | Не более 0,03 |
| Фосфор | Не более 0,03 |
| Азот | Не более 0,012 |
| Железо | Остальное |
