Способ отжига рулонов холоднокатаных полос

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при рекристаллизационном отжиге холоднокатаных полос из низкоуглеродистой стали, смотанных в рулоны, в одностопной муфельной печи с газовым отоплением и водородной защитной атмосферой. Для сокращения длительности отжига и энергозатрат при одновременном повышении качества полос рулоны полос нагревают со средней скоростью 30-75°С/ч до температуры отжига 690-710°С, по достижении которой их охлаждают сначала со скоростью 2-5°С/ч до 660-680°С, затем со скоростью 10-30°С/ч до 640-660°С, при этом от температуры 640-660°С рулоны охлаждают с произвольной скоростью. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при рекристаллизационном отжиге холоднокатаных полос из низкоуглеродистой конструкционной стали, смотанных в рулоны, в одностопной муфельной печи с газовым отоплением и водородной защитной атмосферой.

Известен способ отжига рулонов холоднокатаных полос из низкоуглеродистой конструкционной стали в колпаковой печи, включающий их одноступенчатый нагрев до температуры отжига 670-710°С, выдержку при температуре отжига и последующее охлаждение [1].

Недостатки известного способа состоят в его большой продолжительности: время нагрева и выдержки рулонов при температуре отжига составляет около 50 ч. В результате увеличиваются энергозатраты на отжиг и снижается производительность колпаковой печи.

Известен также способ отжига холоднокатаных полос из низкоуглеродистой стали, смотанных в рулоны, в муфельной колпаковой печи, включающий нагрев стопы рулонов до температуры отжига 710-730°С, выдержку при температуре отжига и охлаждение до температуры 90°С. При этом в температурном интервале 200-570°С нагрев ведут со скоростью 80-90°С/ч, затем нагрев ведут до температуры 640-660°С со скоростью 20-30°С/ч и завершают нагрев со скоростью 20-25°С/ч [2].

Недостатки известного способа состоят в больших энергозатратах на нагрев и выдержку, общая продолжительность которых превышает 30 ч. Сокращение продолжительности нагрева и выдержки приводит к ухудшению качества холоднокатаных полос.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ термической обработки холоднокатаной полосы (жести) из низкоуглеродистой стали, включающий нагрев рулонов со скоростью 38-55°С/ч до промежуточной температуры 520-550°С, выдержку в течение 18-22 ч, повторный нагрев со скоростью 15-30°С/ч до температуры отжига 680-690°С, выдержку в течение 20-24 ч и охлаждение вначале со скоростью 35-50°С/ч до температуры 420-430°С, а затем с произвольной скоростью [3].

Недостатки известного способа состоят в большой продолжительности отжига (выдержка при промежуточной температуре и температуре отжига составляет 44 ч) и энергозатратах, а также низком качестве полос конструкционного назначения по механическим свойствам (высоким пределам прочности, текучести, твердости, низкому относительному удлинению).

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в сокращении времени отжига и энергозатрат при одновременном повышении качества полос.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе отжига рулонов холоднокатаных полос из низкоуглеродистой стали, включающем их нагрев до температуры отжига 690-710°С и последующее охлаждение с регламентированными скоростями, согласно предложению нагрев до температуры отжига ведут со средней скоростью 30-75°С/ч, по достижении которой рулоны охлаждают вначале со скоростью 2-5°С/ч до температуры 660-680°С, затем со скоростью 10-30°С/ч до температуры 640-660°С. Кроме того, от температуры 640-660°С рулоны охлаждают с произвольной скоростью.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. В процессе нагрева рулонов холоднокатаных полос из низкоуглеродистой стали со средней скоростью 30-75°С/ч происходит полное растворение в ферритной матрице низкоуглеродистой стали карбидных и нитридных частиц, что необходимо для улучшения механических свойств отожженных полос. Помимо этого, при указанной скорости нагрева исключается возможность сваривания и слипания витков рулонов.

При достижении температуры отжига 690-710°С интенсифицируются процессы рекристаллизации деформированных при холодной прокатке зерен и их фрагментов. Последующее незамедлительное понижение температуры до 660-680°С со скоростью 2-5°С обеспечивает торможение процессов рекристаллизации зерен, которые при холодной прокатке накопили максимальное количество энергии. Благодаря этому процессы рекристаллизации протекают более равномерно по всему объему металла, низкоуглеродистая сталь приобретает равномерное состояние твердого α-раствора. Рекристаллизованная микроструктура феррита становится гомогенной с номером балла 8.

Исключение необходимости выдержки рулонов при температуре отжига 690-710°С уменьшает продолжительность отжига и энергозатраты. Кроме того, поскольку в период снижения температуры от 690-710°С до 660-680°С со скоростью 2-5°С/ч газовые горелки работают с пониженной тепловой мощностью, достигается дополнительная экономия топлива.

Замедленное охлаждение от температуры 660-680°С до 640-660°С со скоростью 10-30°С/ч приводит к полному выделению из ферритной матрицы карбидов и нитридов (типа Fe₄N), их коагуляции в округлые частицы диаметром 70-200 нм. Плотность распределения карбидных и нитридных частиц в ферритной матрице снижается. Поэтому к моменту окончания замедленного охлаждения микроструктура стали переходит в стабильное равновесное состояние, отожженная низкоуглеродистая сталь приобретает повышенный комплекс механических свойств. Благодаря этому дальнейшее охлаждение отожженных рулонов можно вести с произвольной скоростью без ухудшения механических свойств конструкционной низкоуглеродистой стали. Поскольку в период охлаждения со скоростью 10-30°С/ч газовые горелки выключены, достигается снижение энергозатрат, а процессы отжига завершаются за счет запаса тепла печи и рулонов.

Экспериментально установлено, что снижение температуры отжига менее 690°С приводит к тому, что структура отожженной стали сохраняет остаточные явления наклепа (строчечная структура, для которой характерны низкие механические свойства). Увеличение температуры отжига выше 710°С приводит к чрезмерному росту зерен микроструктуры и появлению ее разнобалльности, что ухудшает качество отожженных полос и увеличивает продолжительность отжига и энергозатраты.

Снижение средней скорости нагрева менее 30°С/ч увеличивает продолжительность нагрева и энергозатраты. Увеличение скорости нагрева более 75°С/ч приводит к росту температурных напряжений и свариванию витков рулонов.

Охлаждение рулонов от температуры 690-710°С со скоростью менее 2°С/ч приводит к росту размеров зерен феррита и их неравномерности, что ухудшает качество отожженных холоднокатаных полос, увеличению энергозатрат и продолжительности отжига. Увеличение скорости охлаждения более 5°С/ч приводит к получению мелкозернистой структуры, ухудшению выделения из ферритной матрицы карбидных и нитридных частиц, увеличению прочности и снижению пластичности отожженной низкоуглеродистой стали.

При скорости охлаждения менее 10°С/ч или температуре его окончания ниже 640°С снижается прочность и пластичность низкоуглеродистой стали из-за увеличения разнобалльности микроструктуры, возрастает продолжительность отжига. Увеличение скорости охлаждения более 30°С/ч или температуры его окончания выше 660°С не обеспечивает завершение выделения из ферритной матрицы карбидных и нитридных частиц, что ухудшает качество отожженных полос.

Окончательное охлаждение рулонов от температуры 640-660°С с произвольной скоростью не оказывает влияния на качество отожженных полос из низкоуглеродистой стали и не требует энергозатрат.

Пример реализации способа

Холоднокатаные рулоны массой до 24 т из низкоуглеродистой конструкционной стали марки 08пс устанавливают в 4 яруса на стенде одностопной колпаковой печи. Стопу рулонов накрывают муфелем и нагревательным колпаком, после чего подмуфельное пространство в течение 30 мин продувают азотом для удаления воздуха. Затем в подмуфельное пространство подают водород, который вытесняет азот. Включают газовые горелки нагревательного колпака и производят нагрев рулонов со средней скоростью V_н=50°С/ч. Заданную скорость нагрева устанавливают изменением расхода сжигаемого топливного газа. Нагрев рулонов ведут до температуры отжига Т_о=700°С.

После достижения температуры отжига Т_о=700°С подачу топлива в горелки нагревательного колпака уменьшают, благодаря чему происходит охлаждение рулонов со скоростью V₁=3,5°С/ч. С данной скоростью рулоны охлаждают до температуры T_охл1=670°C. Затем газовые горелки выключают и осуществляют охлаждение рулонов со скоростью V₂=20°С/ч до температуры Т_охл2=650°С. Заданную скорость охлаждения обеспечивают путем дозированной подачи в подмуфельное пространство холодного водорода.

После достижения температуры T_охл2=650°С со стенда печи снимают нагревательный колпак и производят окончательное ускоренное охлаждение садки рулонов до температуры распаковки 90°С за счет продувки подмуфельного пространства холодным водородом.

Отожженные стальные полосы не имеют дефектов поверхности и полностью соответствуют комплексу механических свойств по ГОСТ 9045.

Удельный расход условного топлива при отжиге составляет: Q=0,35 ГДж на 1 т холоднокатаной полосы, продолжительность отжига сокращается до τ=22,17 ч.

Варианты реализации способа отжига рулонов холоднокатаных полос из низкоуглеродистой стали в печи с газовым отоплением и показатели их эффективности представлены в таблице.

Из таблицы следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается сокращение длительности отжига и уменьшение энергозатрат (удельный расход условного топлива на тонну отжигаемой холоднокатаной полосы минимален, продолжительность отжига ниже, чем в способе-прототипе (вариант №6), при одновременном повышении качества холоднокатаных полос по механическим свойствам. В случаях запредельных значений заявленных параметров (вариант №1) имеет место увеличение энергозатрат и продолжительности отжига при ухудшении механических свойств отожженных полос; при запредельных значениях (вариант №5) механические свойства не отвечают требованиям ГОСТ 9045. При реализации способа-прототипа (вариант №6) имеет место удлинение продолжительности отжига, увеличение расхода топлива, снижение качества конструкционной низкоуглеродистой стали.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что при заявленных температурно-скоростных режимах исключается необходимость изотермической выдержки при температуре отжига. Отжиг протекает в процессе охлаждения со скоростью 2-5°С/ч в температурном интервале от 690-710 до 660-680°С и при повторном охлаждении со скоростью 10-30°С/ч до температуры 640-680°С при выключенных горелках нагревательного колпака. За счет этого обеспечивается сокращение длительности отжига и энергозатрат при одновременном повышении качества полос.

В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства холоднокатаной конструкционной низкоуглеродистой стали на 12-15%.

Литературные источники

1. С.С.Гусева и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. М.: Металлургия, 1979 г., с.24-25.

2. Патент Российской Федерации №2280701, МПК C21D 9/48, C21D 8/04, 2006 г.

3. Авт. свид. СССР №1659500, МПК C21D 9/46, 1991 г. - прототип.

Режимы отжига рулонов полос из низкоуглеродистой стали и показатели их эффективности
№ п/п	Vн, °С/ч	То, °C	V1, °С/ч	Tохл1, °C	V2, °С/ч	Тохл2, °C	Механические свойства	Q, ГДж/т	τ, ч
σв, МПа	σт, МПа	δ4, %	HRB, ед.
1.	29	680	1,0	650	9	630	380	280	35	49	42	52,75
2.	30	690	2,0	660	10	640	270	220	42	42	36	37,33
3.	50	700	3,5	670	20	650	265	200	44	40	35	22,17
4.	75	710	5,0	680	30	660	260	210	43	40	36	15,20
5.	76	720	6,0	690	31	670	250	230	26	47	40	14,20
6.(прототип)	21	690	43	430	-	-	395	285	24	56	87	81,25
Примечание: в варианте 6 предусмотрены выдержка 21 ч при температуре 540°С и 23 ч при температуре 690°С

1. Способ отжига рулонов холоднокатаных полос из низкоуглеродистой стали, включающий нагрев до температуры отжига 690-710°С и последующее охлаждение с регламентированными скоростями, отличающийся тем, что нагрев до температуры отжига ведут со средней скоростью 30-75°С/ч, по достижении которой рулоны охлаждают вначале со скоростью 2-5°С/ч до температуры 660-680°С, затем со скоростью 10-30°С/ч до температуры 640-660°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что от температуры 640-660°С рулоны охлаждают с произвольной скоростью.