Способ производства толстолистового проката

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к прокатному производству, и может быть использовано при прокатке на реверсивных станах листов для штамповки и сварки соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов с последующим их термическим улучшением. Для улучшения механических свойств и повышения выхода годного нагревают сляб до 1170-1190°С, проводят многопроходную черновую прокатку, а чистовую многопроходную прокатку начинают при температуре не выше 970°С, проводят с суммарным обжатием 50-70% и завершают при температуре не выше 900°С. Горячекатаные листы подвергают нормализации при температуре 910-940°С с охлаждением на воздухе, а перед горячей прокаткой непрерывно-литые слябы подвергают отжигу при температуре не выше 750°С. Кроме того, низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%: 0,03-0,07 С; 0,20-0,40 Si; 1,4-1,8 Mn; 0,02-0,05 Al; 0,03-0,06 Nb; 0,01-0,04 Ti; 0,06-0,09 V; 0,1-0,3 Cr; 0,2-0,5 Ni; 0,1-0,3 Cu; 0,08-0,17 Mo; S≤0,005; P≤0,015; N≤0,011; Fe - остальное. 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к прокатному производству, и может быть использовано при прокатке на реверсивных станах листов для штамповки и сварки соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов с последующим их термическим улучшением.

Для производства штампованных сварных соединительных деталей магистральных трубопроводов необходимы горячекатаные листы толщиной 15-60 мм, шириной 1500-3500 мм из низколегированной стали, обладающие в состоянии поставки следующим комплексом механических свойств (табл.1).

Таблица 1
Механические свойства толстолистового проката
σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	σт/σв	δ5, %	KCV-20, Дж/см2	KCU-60, Дж/см2
не менее 540	не менее 310	не более 0,90	не менее 20,0	не менее 49	не менее 49

Известен способ производства толстых листов из низколегированной стали, содержащей по массе, %:

Углерод	0,04-0,16
Кремний	0,02-0,50
Марганец	0,4-1,20
Никель	0,2-5,0
Хром	0,2-1,5
Молибден	0,2-1,0
Алюминий	0,01-0,10
Ванадий, ниобий, титан
отдельно или в их комбинации	0,03-0,15
Железо и примеси	остальное

Способ включает нагрев слябов до температуры аустенитизации, прокатку с суммарным обжатием не менее 40% при температуре конца прокатки ниже 950°С. Для повышения механических свойств листы подвергают закалке с температуры (Ar₃-50)°С и отпуск при температуре ниже Ac₁ [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что толстые листы после прокатки имеют недостаточную пластичность, что не позволяет штамповать из них элементы соединительных деталей трубопроводов, а также низкие вязкостные свойства, которые не улучшаются после закалки с отпуском. Это ухудшает качество толстых листов и снижает выход годного.

Известен также способ производства толстых листов из низколегированной стали, содержащей, мас.%:

Углерод	0,12
Кремний	0,25
Марганец	1,0
Алюминий	0,03
Железо и примеси	остальное

Согласно этому способу производят нагрев слябов выше температуры Ас₃, черновую прокатку с обжатием до 80%, ускоренное охлаждение раската до среднемассовой температуры (Ar₃+100)°С, чистовую прокатку с обжатием не менее 40%, при этом скорость ускоренного охлаждения устанавливают не менее 0,6°С/с в зависимости от толщины раската [2].

Недостаток известного способа состоит в том, что толстые листы после прокатки имеют низкий комплекс механических свойств и не пригодны для штамповки элементов соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ контролируемой прокатки толстых листов из низколегированной стали марки 10Г2ФБ (по ТУ 14-1-4036-96) следующего химического состава, мас.%:

Углерод	не более 0,13
Кремний	не более 0,38
Марганец	не более 1,76
Алюминий	0,02-0,05
Ниобий	не более 0,04
Титан	не более 0,035
Ванадий	не более 0,012
Сера	не более 0,006
Фосфор	не более 0,02
Железо и примеси	остальное

Способ включает нагрев сляба в методической печи до температуры аустенитизации 1150-1200°С, многопроходную черновую и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца чистовой прокатки не выше 740-750°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что толстый лист после контролируемой прокатки имеет высокую прочность при пониженной пластичности. Это снижает выход годного и не позволяет использовать листы для штамповки соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в улучшении механических свойств и повышении выхода годного.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства толстолистового проката из низколегированной стали для изготовления штамповкой соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов, включающем нагрев непрерывно-литых слябов, многопроходные черновую и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, согласно предложению нагрев слябов производят до температуры 1170-1190°С, а чистовую многопроходную прокатку начинают при температуре не выше 970°С, проводят с суммарным обжатием 50-70% и завершают при температуре не выше 900°С. Горячекатаные листы подвергают нормализации при температуре 910-940°С с охлаждением на воздухе, а перед горячей прокаткой непрерывно-литые слябы подвергают отжигу при температуре не выше 750°С. Кроме того, низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,03-0,07
Кремний	0,20-0,40
Марганец	1,4-1,8
Алюминий	0,02-0,05
Ниобий	0,03-0,06
Титан	0,01-0,04
Ванадий	0,06-0,09
Хром	0,10-0,30
Никель	0,20-0,50
Медь	0,10-0,30
Молибден	0,08-0,17
Сера	не более 0,005
Фосфор	не более 0,015
Азот	не более 0,011
Железо	остальное

Сущность изобретения состоит в следующем. Отжиг перед горячей прокаткой непрерывно-литых слябов при температуре не выше 750°С способствует гомогенизации химического состава стали, снятию внутренних фазовых и термических напряжений, при этом исключает рост и коагуляцию карбидной фазы. Это позволяет ужесточить температурно-деформационные режимы последующей горячей прокатки.

При последующем нагреве литых слябов до температуры 1170-1190°С происходит аустенитизация низколегированной стали, растворение дисперсных карбидных и карбонитридных упрочняющих частиц. Многопроходная прокатка в черновой клети с обжатием раската по толщине обеспечивает разрушение литой структуры, подавляет разнобалльность аустенитных зерен. В процессе черновой многопроходной прокатки температура раската снижается от 1170-1190°С до значения не выше 970°С.

Благодаря этому в процессе чистовой многопроходной прокатки с суммарным обжатием 50-70% в температурном интервале от температуры не выше 970°С до температуры не выше 900°С (Т_кп≤900°С), замедляется рост деформированных аустенитных зерен в процессе динамической и статической (в паузах между проходами) рекристаллизации, происходит интенсивная механическая "проработка" микроструктуры листа на всю его толщину, устраняется осевая рыхлость и осевые трещины, наследованные от литого сляба, формируется равномерная мелкозернистая перлитная микроструктура, обладающая повышенными вязкостными и пластическими свойствами. Дополнительная нормализация горячекатаных листов при их нагреве до температуры 910-940°С обеспечивает полное снятие термических, деформационных и структурных напряжений в горячекатаных листах, что повышает их штампуемость и ударную вязкость. Использование слябов из низколегированной стали предложенного состава при выполнении заданных режимов деформационно-термической обработки листов обеспечивает формирование механических свойств, соответствующих табл.1. За счет этого достигается улучшение качества листов и увеличивается выход годного.

Экспериментально установлено, что отжиг непрерывно-литых слябов при температуре выше 750°С увеличивает окисленность границ литых кристаллитов, выделению грубых карбонитридных, сульфидных и оксидных включений, что ухудшает технологическую пластичность слябов и конечные механические свойства листового проката.

Также экспериментально установлено, что повышение температуры нагрева сляба более 1190°С приводит к чрезмерному росту зерен аустенита, и, кроме того, требует увеличения продолжительности многопроходной черновой прокатки для его охлаждения до температуры начала чистовой прокатки не выше 970°С. Это ухудшает равномерность микроструктуры и свойства листов. Снижение температуры нагрева менее 1170°С не обеспечивает полного растворения упрочняющих дисперсных карбидных и карбонитридных частиц, что ухудшает технологическую пластичность, равномерность микроструктуры и механические свойства листов.

Если температура начала чистовой прокатки будет выше 970°С, то не достигаются необходимое отношение σ_т/σ_в, уровень пластичности и вязкости в листах после их нормализации недостаточен для штамповки.

При суммарном обжатии в чистовых проходах менее 50% и завершении чистовой прокатки при температуре Т_кп>900°С не достигается оптимальная степень измельчения зерен микроструктуры и механическая проработка стали на всю толщину листа. Это ведет к снижению прочностных и вязкостных свойств. При суммарном обжатии более 70% возрастает отношение σ_т/σ_в, ухудшается пластичность и снижается выход годного.

Нормализация при температуре ниже 910°С не позволяет в полной мере улучшить механические свойства, что снижает выход годного. Увеличение температуры нагрева выше 940°С способствует снижению прочностных свойств ниже допустимого уровня, уменьшает выход годного.

Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет ее прочность. Снижение содержания углерода менее 0,03% приводит к падению ее прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,07% ухудшает пластические и вязкостные свойства листов, приводит к их неравномерности из-за ликвации.

При содержании кремния менее 0,20% ухудшается раскисленность стали, снижается прочность листов. Увеличение содержания кремния более 0,40% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость листов.

Снижение содержания марганца менее 1,40% увеличивает окисленность стали, ухудшает качество листов. Повышение содержания марганца более 1,8% увеличивает отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву, что недопустимо.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. При концентрации менее 0,02% его воздействие проявляется слабо, что ухудшает механические свойства листов. Увеличение его содержания более 0,05% графитизирует углерод, что также ухудшает их механические свойства.

Ниобий в стали при температуре прокатки в чистовой клети в интервале от температуры не выше 970°С до температуры не выше 900°С, при суммарном обжатии 50-70% способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали, обеспечивающей сочетание высоких прочностных и пластических свойств листов после нормализации. При концентрации ниобия менее 0,03% механические свойства листов даже в нормализованном состоянии недостаточно высоки. Повышение его концентрации более 0,06% не приводит к дальнейшему повышению механических свойств листов, поэтому нецелесообразно.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь, повышающим ударную вязкость при отрицательных температурах. Снижение содержания титана менее 0,01% ухудшает прочность и вязкость стали. Количество титана в стали не должно превышать 0,04% из-за ухудшения пластичности горячекатаных нормализованных листов и увеличения отношения σ_т/σ_в, приводящих к снижению выхода годного.

Ванадий измельчает зерно микроструктуры, повышает прочность и вязкость листов, прокатанных и нормализованных по предложенным режимам. При содержании ванадия менее 0,06% листы имеют недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания ванадия сверх 0,09% оказалось нецелесообразным, так как не улучшало свойств листов и не увеличивало выход годного.

Хром, никель и медь повышают прочность листов. Но при содержании хрома более 0,30%, и никеля более 0,50% и меди более 0,30% уменьшается пластичность и вязкость горячекатаной нормализованной стали. Снижение содержания хрома менее 0,10%, никеля менее 0,20% или меди менее 0,10% не улучшает свойства стали, а лишь затрудняет ее получение, т.к. ограничивает возможность применения металлолома, содержащего эти примеси.

Молибден обеспечивает получение горячекатаных листов заданной прочности, вязкости, пластичности, когда содержание его составляет 0,08-0,17%. При снижении концентрации молибдена менее 0,08% вязкостные и пластические свойства ухудшаются, что ведет к снижению выхода годных листов. Увеличение содержания молибдена сверх 0,17% не способствует дальнейшему повышению качества листов, а лишь увеличивает расход легирующих, что нецелесообразно.

Следует также отметить, что сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,005% серы, не более 0,015% фосфора и не более 0,011% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на качество листов, тогда как их удаление из расплава стали существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс. Увеличение концентрации серы более 0,005%, фосфора более 0,015% или азота более 0,011% приводит к ухудшению механических свойств и снижению выхода годных листов.

Пример реализации способа

В электродуговой печи емкостью 100 тонн производят выплавку низколегированных сталей различного состава (табл.2).

Выплавленные стали составов 1-6 разливают на вертикальной МНЛЗ в слябы сечением 200×1350 мм, которые загружают в газовую печь и отжигают при температуре Т_о=730°С, после чего охлаждают с печью.

Отожженные слябы нагревают в методической печи до температуры Т_а=1180°С и прокатывают в черновой клети кварто толстолистового реверсивного стана 2800 за 7 проходов (с разбивкой ширины) в раскат толщиной 45 мм с одновременным охлаждением до температуры начала чистовой прокатки Т_нп=950°С.

Затем листы толщиной 45 мм задают в чистовую клеть кварто и прокатывают их в температурном интервале от Т_нп=950°С до Т_кп=830°С за 7 проходов до конечной толщины 18 мм по схеме:

45 мм → 38 мм → 32 мм → 28 мм → 25 мм → 22 мм → 19,5 мм → 18,0 мм.

Суммарное обжатие ε_Σ при чистовой прокатке составляет:

Прокатанные листы пропускают через проходную роликовую печь с газовым подогревом, где осуществляют их нагрев до температуры нормализации Т_н=925°С, и, после выравнивания температуры по сечению, охлаждают на воздухе.

От нормализованных листов отбирают пробы для испытания механических свойств, по результатам которых производят отсортировку некондиционного проката, что определяет выход годного Q.

В табл.3 приведены варианты способа производства толстолистового проката из низколегированной стали для изготовления штамповкой соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов, а также показатели их эффективности.

Как следует из табл.2, при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение качества листов при максимальном выходе годного.

В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты 1 и 5) и при реализации способа-прототипа (вариант 6), листы имеют более низкое качество по своим механическим свойствам, что снижает выход годного.

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что деформационно-термическое производство листов по предложенным оптимальным режимам из стали предложенного состава обеспечивают формирование требуемого повышенного комплекса механических свойств горячекатаных нормализованных толстых листов, за счет чего достигается улучшение качества и увеличивается выход годного.

В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа производства листов из предложенной низколегированной стали повысит уровень рентабельности их получения на 10-18%.

Источники информации

1. Патент №4572748 (США), МПК С21D 1/18, С21D 1/62, 1986 г.

2. Заявка №60-56017 (Япония), МПК С21D 8/02, 1985 г.

3. Ю.И.Матросов и др. Сталь для магистральных газопроводов. М.: Металлургия, 1989 г., с.250-253 - прототип.

Таблица 2
Химический состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
	С	Si	Mn	Al	Nb	Ti	V	Cr	Ni	Cu	Мо	S	Р	N	Fe
1.	0,02	0,19	1,3	0,01	0,02	0,009	0,05	0,09	0,1	0,09	0,07	0,001	0,011	0,006	Остальн.
2.	0,03	0,20	1,4	0,02	0,03	0,010	0,06	0,10	0,2	0,1	0,08	0,003	0,011	0,007	-:-
3.	0,05	0,30	1,6	0,04	0,04	0,025	0,07	0,20	0,3	0,2	0,13	0,004	0,013	0,009	-:-
4.	0,07	0,40	1,8	0,05	0,06	0,040	0,09	0,30	0,5	0,3	0,17	0,005	0,015	0,011	-:-
5.	0,08	0,50	1,9	0,06	0,07	0,050	0,10	0,40	0,6	0,4	0,18	0,006	0,016	0,012	-:-
6.	0,12	0,35	1,7	0,04	0,01	0,033	0,01	0,20	0,3	0,3	-	0,006	0,019	0,015	-:-

Таблица 3 Режимы производства, механические свойства и выход годных листов
№ варианта	№ состава	Режимы производства	Механические свойства	Q, %
		То, °С	Та, °С	Тнп, °С	Ткп, °С	εΣ, %	Тн, °С	σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	σт/σв	δ5, %	KCV-20, Дж/см2	KCU-60, Дж/см2
1.	5	690	1160	930	800	40	900	600	540	0,90	17-20	49	49	65,8
2.	2	710	1170	940	810	50	910	580	342	0,59	28	52	51	98,9
3.	3	730	1180	950	830	60	925	560	280	0,50	29	56	55	99,4
4.	4	750	1190	970	900	70	940	550	310	0,57	30	60	57	99,2
5.	1	760	1200	980	910	80	950	540	310	0,57	18-30	48-51	49	71,2
6.	6	-	1200	не регл.	740	70	-	597	549	0,92	16-20	43	40	-

1. Способ производства толстолистового проката из низколегированной стали для изготовления штамповкой соединительных деталей магистральных и промысловых трубопроводов, включающий нагрев непрерывно-литых слябов, многопроходные горячую черновую и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, отличающийся тем, что нагрев слябов производят до температуры 1170-1190°С, а чистовую многопроходную прокатку начинают при температуре не выше 970°С, проводят с суммарным обжатием 50-70% и завершают при температуре не выше 900°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горячекатаные листы подвергают нормализации при температуре 910-940°С с охлаждением на воздухе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед горячей прокаткой непрерывно-литые слябы подвергают отжигу при температуре не выше 750°С.

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

Углерод	0,03-0,07
Кремний	0,20-0,40
Марганец	1,4-1,8
Алюминий	0,02-0,05
Ниобий	0,03-0,06
Титан	0,01-0,04
Ванадий	0,06-0,09
Хром	0,10-0,30
Никель	0,20-0,50
Медь	0,10-0,30
Молибден	0,08-0,17
Сера	не более 0,005
Фосфор	не более 0,015
Азот	не более 0,011
Железо	остальное