Способ производства стальных горячекатаных полос

Изобретение относится к прокатному производству, конкретнее к горячей прокатке на непрерывных широкополосных станах полос, предназначенных для изготовления сварных труб и металлоконструкций. Способ включает нагрев слябов, горячую прокатку полос с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки и смотку в рулоны, при этом сталь имеет следующий химический состав, мас.%: 0,02-0,10 С, 0,15-0,50 Mn, 0,02-0,05 Al, не более 0,05 Si, не более 0,20 Cr, не более 0,15 Ni, не более 0,20 Cu, не более 0,020 S, не более 0,020 Р, не более 0,012 N, остальное Fe. Температуру смотки Т_см полос поддерживают в пределах 600-650°С, а температуру конца прокатки Т_кп устанавливают в зависимости от толщины Н прокатанной полосы: Т_кп≥780°С при Н=0,80-2,99 и Т_кп≥870°С при Н≥3,00 мм. Изобретение обеспечивает снижение затрат на производство. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к прокатному производству, конкретнее к горячей прокатке на непрерывных широкополосных станах полос, предназначенных для изготовления сварных труб и металлоконструкций.

Стальные горячекатаные полосы толщиной 0,80-6,00 мм для изготовления сварных труб и металлоконструкций, в соответствии со стандартами ASTM А569 и JIS G3132, должны отвечать следующему комплексу механических свойств (табл.1):

Таблица 1
Механические свойства стальных горячекатаных полос
σв, МПа	МПа	σ5, %	ψ,%	HRB, ед.
205-300	180-195	не менее 36	не менее 75	не более 65

Известен способ производства горячекатаных полос из стали, содержащей по массе 0,03-0,25% углерода и 0,2-1,0% марганца. Непрерывнолитые слябы нагревают до температуры аустенитизации, прокатывают на непрерывном широкополосном стане с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждают водой до температуры смотки Т_см=550-750°С, после чего сматывают в рулоны [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что полосы имеют низкую пластичность и нестабильные механические свойства. Это приводит к снижению выхода годного и увеличению затрат на производство. Кроме того, сталь содержит большое количество марганца. Это также увеличивает стоимость производства горячекатаных полос.

Известен способ производства горячекатаных полос из стали марки 10 кп, имеющей следующий химический состав (по ГОСТ 1050), мас.%:

Углерод	0,07-0,14
Кремний	0,07
Марганец	0,25-0,50
Хром	не более 0,15
Никель	не более 0,25
Медь	не более 0,25
Сера	не более 0,040
Фосфор	не более 0,035
Железо	Остальное

Способ включает горячую прокатку полос до конечной толщины с температурой конца прокатки Т_кп=850-900°С, охлаждение полос водой до температуры смотки Т_см=550-650°С и смотку полос в рулоны [2].

Недостатки известного способа состоят в том, что стальные горячекатаные полосы различной толщины имеют различные и нестабильные механические свойства, что увеличивает отбраковку готовой продукции и, следовательно, затраты на производство.

Наиболее близким аналогом по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства горячекатаных полос из стали марки 08Ю, содержащей, мас.%:

Углерод	не более 0,07
Марганец	0,20-0,35
Кремний	0,01
Алюминий	0,03-0,07
Хром	не более 0,03
Никель	не более 0,06
Медь	не более 0,06
Сера	не более 0,025
Фосфор	не более 0,020
Железо	Остальное

Способ включает нагрев слябов, горячую прокатку полос на непрерывном широкополосном стане с температурой конца прокатки Т_кп=820-860°С, охлаждение водой на отводящем рольганге до температуры смотки Т_см=500-570°С и смотку полос в рулоны [3] - прототип.

Недостатки данного способа состоят в том, что стальные полосы с различной толщиной и скоростью перемещения по отводящему рольгангу охлаждаются водой с различной интенсивностью. В результате чего они приобретают различные и нестабильные механические свойства. Это снижает выход годного и увеличивает затраты на производство готовой продукции. Кроме того, высокие требования к чистоте стали по содержанию примесей (хрома, никеля и меди) ограничивает использование металлического лома при выплавке, что также увеличивает затраты на производство.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в снижении затрат на производство.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства стальных горячекатаных полос, включающем нагрев слябов, горячую прокатку полос с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки и смотку в рулоны, согласно предложению, сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,02-0,10
Марганец	0,15-0,50
Алюминий	0,02-0,05
Кремний	не более 0,05
Хром	не более 0,20
Никель	не более 0,15
Медь	не более 0,20
Сера	не более 0,020
Фосфор	не более 0,020
Азот	не более 0,012
Железо	Остальное

Температуру смотки полос поддерживают в пределах Т_см=600-650 С, а температуру конца прокатки устанавливают в зависимости от толщины прокатанной полосы:

не ниже 780°С - для полос толщиной 0,80-2,99 мм;

не ниже 870°С - для полос толщиной 3,00 мм и более.

Сущность предложенного способа состоит в следующем. Конечные механические свойства горячекатаных полос зависят как от химического состава стали, так и от режимов их деформационно-термической обработки. Полосы разной толщины, прокатанные при одних и тех же значениях температур Т_кп, охлаждаются водой на отводящем рольганге непрерывного широкополосного стана с различной интенсивностью. В результате тонкие полосы приобретают прочностные характеристики выше допустимых значений, а пластические - ниже. Более толстые полосы, наоборот, вследствие замедленного охлаждения имеют недостаточно высокие прочностные характеристики. Это увеличивает отбраковку продукции и расходы на производство. Вместе с тем, для повышения стабильности механических свойств приходится ограничивать допустимое содержание в стали примесных элементов, что дополнительно увеличивает затраты на производство.

Сталь предложенного состава характеризуется более низкой зависимостью механических характеристик от скорости охлаждения полос. Кроме того, регламентированное увеличение температуры Т_кп по мере увеличения толщины полос обеспечивает повышение интенсивности их охлаждения на отводящем рольганге за счет более высокой теплоотдачи, особенно в начальный период охлаждения водой, когда влияние интенсивности охлаждения на механические свойства стали максимально. Это позволяет подавить зависимость параметров микроструктуры стали предложенного химического состава и ее механических свойств от толщины полосы и скорости перемещения в процессе охлаждения (продолжительности периода охлаждения). В результате горячекатаные полосы всего диапазона толщин от 0,8 до 6,0 мм из стали с предложенным химическим составом приобретают стабильные механические свойства требуемого уровня, отбраковка прокатанных полос и затраты на производство снижаются. Помимо этого, механические свойства горячекатаных полос становятся в меньшей степени зависимыми от содержания в стали примесных элементов (хрома, никеля, меди), что допускает более широкое применение при выплавке металлического лома. Это также снижает затраты на производство.

Углерод в стали является упрочняющим элементом. При снижении концентрации углерода менее 0,02% прочностные свойства горячекатаных полос недостаточны. Увеличение концентрации углерода сверх 0,10% снижает ее пластические свойства.

Марганец раскисляет сталь, обеспечивает требуемое сочетание прочности и пластичности. При содержании марганца менее 0,15% сталь недостаточно раскислена и прочна. Увеличение его содержания сверх 0,50% чрезмерно упрочняет сталь, снижает ее пластичность, увеличивает затраты на производство горячекатаных полос.

Алюминий повышает пластические свойства горячекатаных полос и их стабильность, снижает отбраковку готовой продукции. Снижение содержания алюминия менее 0,02% приводит к повышению нестабильности механических свойств полос, а увеличение его содержания более 0,05% не улучшает свойств горячекатаных полос, а лишь увеличивает затраты на их производство.

Кремний введен в сталь для ее раскисления и упрочнения горячекатаных полос. Однако увеличение его концентрации более 0,05% ухудшает пластические свойства, снижает выход годного.

Хром, никель, медь являются примесными элементами, попадающими в сталь из металлолома. Ограничение их минимальных концентраций сужает возможность применения металлолома при выплавке стали и увеличивает затраты на производство горячекатаных полос.В то же время, увеличение концентрации в стали хрома более 0,20%, никеля более 0,15% или меди более 0,20% снижает пластичность и свариваемость горячекатаных полос, приводит к снижению выхода годного и увеличения затрат на производство.

Сера и фосфор в данной стали также являются примесными элементами, концентрацию которых следует ограничивать, чтобы не ухудшить комплекс механических свойств. При содержании серы более 0,020% или фосфора более 0,020% механические свойства горячекатаных полос ухудшаются, возрастает отбраковка готовой продукции и затраты на производство. В то же время, более глубокая степень десульфурации и дефосфорации стали ведет к росту затрат на производство.

Азот оказывает негативное влияние на механические свойства стальных горячекатаных полос, однако при его концентрации не более 0,012% его негативное влияние проявляется слабо. Более глубокое удаление азота из стали удорожает производство горячекатаных полос.

Экспериментально установлено, что при охлаждении прокатанных полос из стали предложенного химического состава водой от температуры конца прокатки Т_кп до температуры смотки Т_см=600-650°С формируется равномерная мелкозернистая микроструктура. Повышение Т_см более 650°С ведет к формированию низких и неравномерных механических свойств, увеличивает отбраковку горячекатаных полос. Снижение Т_см менее 600°С увеличивает расход охлаждающей воды и энергозатраты на работу электродвигателей привода насосов, подающих охлаждающую воду. Это ведет к увеличению затрат на производство.

Также экспериментально установлено, что заданный комплекс механических свойств горячекатаных полос толщиной 0,80-2,99 мм достигается при Т_кп≥780°С. Снижение Т_кп менее 780°С увеличивает прочность полос толщиной 0,80-2,99 мм и снижает их пластичность, что приводит к снижению выхода годного и повышению затрат на производство.

Снижение Т_кп менее 870°С при прокатке полос толщиной 3,00 мм и выше ведет к увеличению прочностных и снижению пластических свойств полос. Помимо этого возрастает неравномерность механических свойств полос различной толщины. В результате уменьшается выход годного и, как следствие, возрастают затраты на производство.

Примеры реализации способа

В кислородном конвертере из передельного чугуна и металлического лома производят выплавку сталей с химическим составом, приведенным в табл.2. Выплавленную сталь подвергают непрерывной разливке в слябы сечением 200×1350 мм.

Таблица 2 Химический состав сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
С	Mn	Al	Si	Cr	Ni	Cu	S	Р	N	Fe
1	0,01	0,14	0,01	0,01	0,09	0,10	0,17	0,011	0,015	0,008	Ост.
2	0,02	0,15	0,02	0,02	0,10	0,11	0,18	0,012	0,016	0,009	-:-
3	0,06	0,30	0,03	0,03	0,15	0,13	0,19	0,015	0,017	0,010	-:-
4	0,10	0,50	0,05	0,05	0,20	0,15	0,20	0,020	0,020	0,012	-:-
5	0,11	0,60	0,06	0,06	0,22	0,16	0,21	0,021	0,021	0,013	-:-
6	0,06	0,35	0,04	0,01	0,03	0,02	0,03	0,025	0,019	0,003	-:-

Слябы загружают в методические печи полунепрерывного листопрокатного стана 2800/1700 и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1230°С.

Очередной разогретый сляб из стали с химическим составом 3 выталкивают на печной рольганг и прокатывают в черновых реверсивных клетях 2800 в раскат с промежуточной толщиной 45 мм. Затем раскат при температуре 980°С задают в 6-клетевую непрерывную группу стана 1700 и прокатывают в полосу толщиной Н=1,80 мм, шириной 1530 мм. Температуру конца прокатки поддерживают равной Т_кп=830°С за счет применения межклетевого охлаждения раската водой и регулирования скорости прокатки.

Прокатанную полосу транспортируют по отводящему рольгангу с одновременным охлаждением ламинарными струями воды до температуры смотки Т_см=625°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.

Благодаря тому что температуру конца прокатки установили с учетом толщины полосы, тем самым предопределили оптимальную интенсивность ее охлаждения на начальном этапе, в наибольшей степени влияющем на механические свойства. В результате горячекатаная полоса приобрела заданный комплекс механических свойств, стабильных по длине. Это обеспечило повышение выхода годного и снижение относительных затрат на производство до величины Q=80% по сравнению со способом-прототипом.

В таблице 3 приведены режимы производства стальных полос различной толщины, а также показатели их эффективности.

Из таблицы 3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №№2-4, 7-9, 12-14, 17-19, 22-24) механические свойства горячекатаных полос всех толщин полностью соответствуют заданным, а затраты на производство снижены и составляют 82-85% от затрат на производство по способу-прототипу (вариант №26). При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №№1, 5, 6, 10, 11, 15, 16, 20) имеет место ухудшение комплекса механических свойств горячекатаных полос и увеличение затрат на производство.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что регламентирование температур конца прокатки в зависимости от толщины горячекатаной полосы из стали предложенного состава позволяет скомпенсировать влияния неодинаковой скорости охлаждения полос водой на отводящем рольганге листопрокатного стана, стабилизировать микроструктуру и механические свойства. Это обеспечивает получение заданного комплекса механических свойств независимо от толщины полосы и повышение выхода годного. Кроме того, предложенная технология позволяет увеличить допустимое количество примесных элементов в стали. За счет этого достигается снижение затрат на производство.

Таблица 3 Варнанты реализации способа производства горячекатаных полос
№ п/п	№ состава	H, мм	Ткп, °C	Тсм, °C	Механические свойства	Q, %
σB, МПа	σт, МПа	σ5, %	Ψ, %	HRB, ед.
1	1	1,00	770	590	194	170	32	61	54	110
2	2	1,00	780	600	205	180	36	76	56	82
3	3	1,00	785	625	250	188	38	78	60	80
4	4	1,00	790	650	300	195	37	75	64	85
5	5	1,00	795	660	320	210	28	70	72	112
6	1	1,40	790	590	192	169	33	62	52	110
7	2	1,40	800	600	205	180	38	77	54	83
8	3	1,40	806	625	250	188	39	77	60	80
9	4	1,40	812	650	300	194	37	78	64	85
10	5	1,40	815	660	325	212	29	70	73	114
11	1	1,80	816	590	194	175	32	63	53	110
12	2	1,80	820	600	207	180	36	78	56	82
13	3	1,80	830	625	245	190	38	79	62	80
14	4	1,80	835	650	295	195	36	76	64	85
15	5	1,80	840	660	315	210	30	70	72	112
16	1	2,50	845	590	196	178	32	64	51	114
17	2	2,50	850	600	205	180	36	79	56	82
18	3	2,50	855	625	250	185	38	79	61	80
19	4	2,50	857	650	300	194	37	76	64	85
20	5	2,50	860	660	310	210	32	70	72	118
21	1	4,00	865	590	190	175	32	66	55	117
22	2	4,00	870	600	205	180	38	77	56	82
23	3	4,00	872	625	250	188	39	77	64	80
24	4	4,00	875	650	300	195	38	79	65	85
25	5	4,00	880	660	305	210	34	72	70	115
26	6	4,00	850	550	320	240	32	55	75	100

В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства горячекатаных полос по стандартам ASTM А569 и JIS G3132 на 12-15%.

Источники информации

1. Заявка Японии 59-229420, МПК C21D 9/46, C21D 8/02, 1984 г.

2. Грудев А.П. и др. Технология прокатного производства. М., Металлургия, 1994 г., с.362-364.

3. Гусева С.С. и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. М., Металлургия, 1979 г., с.9-12 - прототип.

1. Способ производства стальных горячекатаных полос, включающий нагрев слябов, горячую прокатку полос с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки и смотку в рулоны, отличающийся тем, что полосу производят из стали, имеющей следующий химический состав, мас.%:

углерод	0,02-0,10
марганец	0,15-0,50
алюминий	0,02-0,05
кремний	не более 0,05
хром	не более 0,20
никель	не более 0,15
медь	не более 0,20
сера	не более 0,020
фосфор	не более 0,020
азот	не более 0,012
железо	остальное,

а температуру ее смотки поддерживают в пределах 600-650°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру конца прокатки устанавливают в зависимости от толщины прокатанной полосы:
не ниже 780°С - для полос толщиной 0,80-2,29 мм;
не ниже 870°С - для полос толщиной 3,00 мм и более.