Способ производства толстолистового низколегированного штрипса

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении толстых листов и штрипсов из низколегированных сталей. Для обеспечения высокой прочности в сочетании с высокой технологичностью, пластичностью и хладостойкостью в штрипсах толщиной 20-40 мм заготовку получают из стали со следующим содержанием элементов, мас.%: 0,03-0,06 С, 1,5-1,7 Mn, 0,15-0,35 Si, 0,15-0,3 Ni, 0,04-0,06 Nb, Cr≤0,2, 0,08-0,15 Mo, 0,15-0,3 Cu, 0,02-0,04 V, 0,005-0,02 Ti, 0,02-0,05 Al, железо и примеси, с содержанием каждого элемента примеси менее 0,03% - остальное, при этом углеродный эквивалент составляет С_экв≤0,4, затем заготовку подвергают черновой прокатке при температуре 1000-920°С со степенью обжатия в первых двух проходах не менее 9% за проход, а в последующих не менее 12% за проход на толщину раската, определяемую, в зависимости от толщины готового штрипса, из соотношения: Н_раск=(161,5+0,0955·h_ш ²-4,6191·h_ш)±5 мм, охлаждают раскат до 760-800°С и подвергают чистовой прокатке с обжатиями не менее 12% за проход, за исключением трех последних проходов, затем готовый штрипс ускоренно охлаждают до температуры, определяемой, в зависимости от его толщины, из соотношения: Т_ко=(422-0,1364·h_ш ²+3,6273·h_ш)±15°C и замедленно охлаждают.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству листового проката на реверсивном толстолистовом стане, и может быть использовано при изготовлении толстых листов и штрипсов из низколегированных сталей с применением контролируемой прокатки.

Известен способ производства толстых стальных листов, включающий нагрев сляба до температуры аустенизации 1200±20°С и его черновую прокатку до промежуточной толщины раската 70 мм с температурой конца деформации 900°С. Затем предусмотрена транспортировка раската в зону охлаждения вне линии прокатки и его охлаждение на воздухе до температуры ниже 800°С. После охлаждения раската проводят его чистовую прокатку до конечной толщины с температурой конца деформации 730°С и охлаждают полученный лист до температуры окружающей среды [1].

Однако толстый лист, полученный согласно известному способу, характеризуется сравнительно низким уровнем механических свойств, в особенности ударной вязкости при отрицательных температурах. Это связано с низкой скоростью охлаждения в естественных условиях полученного листа до температуры окружающей среды.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства хладостойкого листового проката, включающий получение заготовки из стали, содержащей, мас.%: C=0,04-0,1; Mn=0,60-0,90; Si=0,15-0,35; Ni=0,10-0,40; Al=0,02-0,06; Nb=0,02-0,06; V=0,03-0,05; остальное - железо и примеси. Способ предусматривает аустенизацию заготовки при температуре 1100-1150°C, предварительную деформацию (черновую прокатку) с суммарным обжатием 35-60% при температуре 900-800°C, последующее охлаждение промежуточной заготовки (подстуживание) на 50-70°C, окончательную деформацию (чистовую прокатку) с суммарной степенью обжатия 65-75% при температуре 830-750°C, ускоренное охлаждение листового проката до температуры 500-260°C и замедленное охлаждение до температуры не выше 150°C [2].

К недостаткам данного способа можно отнести то, что получаемый при его использовании толстый лист из низколегированной стали обладает недостаточно высокими прочностными свойствами. Значения предела прочности и предела текучести, заявленные для данного способа, составляют σ_т=300-320 МПа, σ_в=400-455 МПа. В то же время нормативные требования для штрипса категории прочности Х70 составляют σ_т≥485 МПа, σ_в≥570 МПа.

Технический результат изобретения состоит в повышении прочностных свойств при сохранении достаточной пластичности и увеличении хладостойкости штрипса толщиной 20-40 мм категории прочности Х70.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства хладостойкого листового проката, предусматривающем изготовление заготовки, ее аустенизацию, черновую и чистовую прокатку с подстуживанием раскатов перед чистовой прокаткой, ускоренное охлаждении готового штрипса до заданной температуры и его последующее замедленное охлаждение, согласно изобретению заготовку изготавливают из стали со следующим соотношением элементов, мас.%: 0,03-0,06% C; 1,5-1,7% Mn; 0,15-0,35% Si; 0,15-0,3% Ni; 0,04-0,06% Nb; Cr≤0,2%; 0,08-0,15% Mo; 0,15-0,3% Cu; 0,02-0,04% V; 0,005-0,02% Ti; 0,02-0,05% Al; железо и примеси, с содержанием каждого примесного элемента менее 0,03% - остальное, при этом углеродный эквивалент составляет С_экв≤0,4, черновую прокатку после аустенизации осуществляют при температуре 1000-920°C, со степенью обжатия в первых двух проходах не менее 9% за проход, а в последующих не менее 12% за проход, на толщину раската, определяемую, в зависимости от толщины готового штрипса, из соотношения: Н_подк=161,5+0,0955·h_ш ²-4,6191·h_ш)±5 мм, охлаждение раската производят до температуры 760-800°C, чистовую прокатку осуществляют с обжатиями не менее 12% за проход, за исключением трех последних проходов, ускоренное охлаждение готового штрипса производят до температуры, определяемой, в зависимости от его толщины, из соотношения: Т_ко=(422-0,1364·h_ш ²+3,6273·h_ш)±15°C.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Сначала изготавливают заготовку из стали с заданным химическим составом. В целом приведенное содержание элементов обеспечивает необходимый фазовый состав и величину углеродного эквивалента, а также механические свойства штрипса при реализации предлагаемых технологических режимов.

Содержание углерода 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 0,06% ухудшает пластические и вязкостные свойства штрипсов, приводит к их неравномерности из-за ликвации.

Добавки марганца и никеля в заявляемых пределах способствуют твердорастворному упрочнению металла и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Меньшее содержание этих элементов не позволяет обеспечить требуемую хладостойкость, большее - снижает свариваемость и экономически нецелесообразно.

При содержании кремния менее 0,15% ухудшается раскисленность стали, снижается прочность штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,35% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость металла.

Добавки ниобия и ванадия в указанных пределах служат целям дисперсионного упрочнения, а также препятствуют росту аустенитного зерна и способствуют появлению при охлаждении субзеренной структуры, закрепляемой и стабилизируемой дисперсными карбидными частицами.

Совместное легирование ниобием и ванадием в принятых пределах особенно эффективно для малоуглеродистой стали, т.к. температура растворения NbC на 50-70°C выше, чем VC, и в результате дисперсные карбиды VC выделяются при охлаждении, а NbC тормозит рост зерна аустенита при нагреве. Кроме того, совместное легирование ниобием и ванадием повышает горячую пластичность литых заготовок.

Снижение содержания ниобия и ванадия ниже указанных пределов не обеспечивает достаточного дисперсионного и зернограничного упрочнения, превышение заданного уровня - ухудшает свариваемость стали и экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование.

Хром повышает прочность стали. При его концентрации до 0,2% он не оказывают вредного влияния на свариваемость штрипсов при производстве труб, но расширяет возможность использования металлического лома при выплавке, что снижает себестоимость стали.

Добавление молибдена в указанном диапазоне способствует получению требуемых прочностных характеристик стали, а также улучшает ее прокаливаемость. При содержании молибдена менее 0,08% цели легирования молибденом достигнуты не будут. Увеличение содержания молибдена свыше 0,15% не сопровождается дальнейшим повышением качества штрипсов, а лишь увеличивает расходы на легирование, что экономически нецелесообразно.

Добавление меди, в указанных пределах, повышает прочность и коррозионную стойкость стали, в т.ч. в морской среде. Меньшее содержание меди не позволяет достичь требуемого эффекта, большее - экономически нецелесообразно.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Мелкодисперсные карбиды титана, выделившиеся в процессе горячей прокатки и охлаждения полос водой, обладают высокой устойчивостью к перегреву. При содержании титана менее 0,005% снижается прочность горячекатаных листов. Повышение содержания титана сверх 0,02% приводит к снижению вязкостных свойств металла (в частности, при температуре -60°C), что недопустимо для сталей данного сортамента.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства листов. При содержании алюминия менее 0,02% снижается комплекс механических свойств листов. Увеличение его концентрации более 0,05% приводит к ухудшению вязкостных свойств полос.

Содержание примесных элементов (S, P и т.д.) менее 0,03% каждого не оказывает заметного негативного воздействия на качество штрипсов.

Ограничение величины углеродного эквивалента менее 0,4 гарантирует высокую технологичность сварки труб при низких температурах окружающей среды без предварительного подогрева. Значение углеродного эквивалента определяется по формуле: Cэ=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, где значениям элементов соответствует их процентное содержание в стали.

Нагрев заготовок до температуры аустенизации и черновая прокатка в температурном диапазоне 1000-920°С со степенью обжатия в первых двух проходах не менее 9% за проход, а в последующих не менее 12% за проход позволяют в процессе статической и динамической рекристаллизации сформировать мелкодисперсную карбидную фазу, предотвращающую прохождение собирательной рекристаллизации, и обеспечить измельчение структуры по всей толщине.

Подстуживание раската толщиной Н_раск=(161,5+0,0955·h_ш ²-4,6191·h_ш)±5 мм (уравнение определено экспериментально) до температуры 760-800°C и последующая контролируемая чистовая прокатка в двухфазной области к процессам дисперсионного упрочнения и измельчения зерен добавляет развитие текстуры и образование субзерен. Субзеренное упрочнение будет иметь определяющее значение в формировании механических свойств готового штрипса лишь в случае, если чистовую прокатку осуществлять с обжатиями за проход не менее 12%. Образующиеся при этом субзерна, помимо повышения прочности, повышают сопротивление металла хрупкому разрушению и усталости. В последних трех проходах степень обжатия выбирается исходя из требуемой толщины готового штрипса и может составлять менее 12% за проход.

Упрочнение толстолистовой стали в процессе чистовой многопроходной прокатки в двухфазной области с затрудненной рекристаллизацией аустенита характеризуется тем, что в первых проходах наиболее интенсивно упрочняются поверхностные слои сляба, где деформация максимальна. По мере упрочнения поверхностных слоев деформация начинает проникать вглубь и охватывает всю толщину. Наиболее глубоко пластическая деформация проникает в толщину раската при его прокатке в температурном интервале от 800 до 760°C. Поскольку указанные степени обжатий при чистовой прокатке достаточны для полной проработки структуры на всю толщину подката, обеспечивается измельчение зерен и повышение хладостойкости готового штрипса.

Ускоренное охлаждение готового штрипса до температуры Т_ко=(422-0,1364·h_ш ²+3,6273·h_ш)±15°C (уравнение определено экспериментально) обеспечивает формирование требуемого фазового состава металла высокопрочного штрипса для магистральных трубопроводов. Для стабилизации свойств толстолистовой стали и снятия остаточных внутренних напряжений после завершения ускоренного охлаждения листы следует охлаждать более медленно, чтобы обеспечить снятие остаточных внутренних напряжений и протекание в металле процессов, характерных для нормализации, что повышает уровень механических свойств толстых листов. Такой подход способствует получению мелкозернистой равновесной структуры металла.

Таким образом, полное использование ресурса свойств, соответствующего низколегированной стали данного химического состава, обеспечивается деформационно-термическим режимом производства штрипса. Технология прокатки направлена на получение оптимального фазового ферритно-перлитного состава и морфологии фаз, измельчение зерен микроструктуры, упрочнение твердого раствора, дисперсионное твердение, дислокационное и текстурное упрочнение.

Применение способа поясняется примером его реализации при производстве штрипса категории прочности Х70. Изготавливали заготовку, содержащую, мас.%: C=0,04; Mn=1,60; Si=0,21; Ni=0,19; Nb=0,05; Cr=0,05; Mo=0,10; Cu=0,18; V=0,03; Ti=0,012; Al=0,04; остальное - железо и неизбежные примеси, содержание каждой из которых составляет менее 0,03%. При этом углеродный эквивалент составляет С_экв=0,37, т.е. соответствует заявленному диапазону.

При нагреве заготовок сечением 315×2000 мм с выдержкой при температуре 1190°C в течение 60 минут происходила аустенизация низколегированной стали, растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц. После выдачи из печи осуществляли черновую прокатку раската в температурном интервале 980-940°C до толщины 130 мм (расчетное при h_ш=40 мм). При этом степень обжатия в первых двух проходах составила 11%, а в последующих 4 - около 15% за проход.

Затем производили подстуживание раската до температуры 780°C.

Чистовую прокатку производили с обжатиями, величина которых за проход составляла 13-16%, причем в двух последних проходах обжатие составило 2%. Ускоренное охлаждение готового штрипса толщиной h_ш=40 мм, после выхода из клети толстолистового стана, производили до температуры 350°C (расчетная).

Затем осуществляли правку листов с их замедленным охлаждением на воздухе.

Механические свойства определяли на поперечных образцах. Температурно-деформационный режим прокатки обеспечил получение мелкозернистой феррито-бейнитной структуры с заметной поперечной и продольной анизотропией зерен. Испытания на статическое растяжение осуществляли на плоских образцах по ГОСТ 1497, а на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 при температуре -40°C. Получены следующие механические свойства для поперечных образцов: временное сопротивление σ_в=650 Н/мм²; предел текучести σ_т=540 Н/мм²; относительное удлинение δ=23,7%. Указанный уровень свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к штрипсу категории прочности Х70.

Технико-экономические преимущества рассматриваемого изобретения состоят в том, что предложенные температурно-деформационные режимы производства позволяют в наибольшей степени использовать все механизмы упрочнения низколегированной стали данного химического состава: измельчение зерен микроструктуры, дислокационное упрочнение, дисперсионное твердение, анизотропия структуры и свойств. Использование предложенного способа для производства штрипсов категории прочности Х70, толщиной 20-40 мм из низколегированной стали позволяет повысить выход годного на данном сортаменте на 3-5%.

Таким образом, применение предложенного способа прокатки обеспечивает достижение требуемого результата - получение на толстолистовом реверсивном стане штрипса для труб большого диаметра с уровнем механических свойств, соответствующих категории прочности Х70.

Источники информации

1. Заявка Японии №59-61504, МПК B21B 1/38; B21B 1/22, 1984.

2. Патент РФ №2265067, МПК C21D 8/02, 2004.

Способ производства толстолистового низколегированного штрипса, включающий получение заготовки, ее аустенизацию, черновую прокатку, подстуживание раската перед чистовой прокаткой, чистовую прокатку, ускоренное охлаждение готового штрипса до заданной температуры и последующее замедленное охлаждение, отличающийся тем, что заготовку получают из стали со следующим содержанием элементов, мас.%:

углерод	0,03-0,06
марганец	1,5-1,7
кремний	0,15-0,35
никель	0,15-0,3
ниобий	0,04-0,06
хром не более	0,2
молибден	0,08-0,15
медь	0,15-0,3
ванадий	0,02-0,04
титан	0,005-0,02
алюминий	0,02-0,05
железо и примеси,
с содержанием каждого
элемента примеси менее 0,03%	остальное

причем углеродный эквивалент составляет С_экв≤0,4, при этом черновую прокатку после аустенизации осуществляют при температуре 1000-920°С, со степенью обжатия в первых двух проходах не менее 9% за проход, а в последующих не менее 12% за проход, на толщину раската, определяемую в зависимости от толщины готового штрипса из соотношения
Н_раск=(161,5+0,0955·h_ш ²-4,6191·h_ш)±5 мм,
где Н_раск - толщина раската, мм;
161,5 - эмпирический коэффициент, мм;
0,0955 - эмпирический коэффициент, 1/мм;
h_ш - толщина готового штрипса, мм;
4,6191 - безразмерный эмпирический коэффициент,
охлаждение раската производят до температуры 760-800°С, чистовую прокатку осуществляют с обжатиями не менее 12% за проход, за исключением трех последних проходов, а ускоренное охлаждение готового штрипса производят до температуры, определяемой в зависимости от его толщины из соотношения
Т_ко=(422-0,1364·h_ш ²+3,6273·h_ш)±15°C,
где Т_ко - температура конца охлаждения, °С;
422 - эмпирический коэффициент, °С;
0,1364 - эмпирический коэффициент, °С/мм²;
h_ш - толщина готового штрипса, мм;
3,6273 - эмпирический коэффициент, °С/мм.