Способ производства круглого сортового проката из автоматной стали
Владельцы патента RU 2493267:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к производству круглого сортового проката с повышенной обрабатываемостью резанием, используемого для изготовления крепежных изделий. Техническим результатом изобретения является повышение качества и выхода годного круглого сортового проката. Для достижения технического результата непрерывнолитую заготовку получают из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,18-0,23, марганец 0,70-1,10, кремний 0,17-0,37, хром 0,40-0,70, никель 0,40-0,70, молибден 0,15-0,25, алюминий 0,002-0,040, сера 0,035-0,040, фосфор не более 0,035, железо и примеси - остальное. Полученную заготовку нагревают до 1150-1270°C, подвергают черновой прокатке, а затем многопроходной чистовой прокатке, при этом в трех последних проходах чистовую прокатку осуществляют в системе калибров «круг - овал - круг» в температурном интервале от 1000-1100°C до 850-950°C с коэффициентом вытяжки в каждом из них 1,10-1,25. 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к производству круглого сортового проката с повышенной обрабатываемостью резанием, используемого для изготовления крепежных изделий.
Известен способ производства круглого сортового проката, включающий получение непрерывнолитой заготовки из стали следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,42-0,50 |
| Марганец | 0,50-0,80 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Сера | 0,02-0,04 |
| Фосфор | 0,001-0,03 |
| Алюминий | 0,03-0,06 |
| Кальций | 0,001-0,010 |
| Кислород | 0,001-0,015 |
| Хром не более | 0,25 |
| Никель | до 0,25 |
| Медь | не более 0,25 |
| Молибден | не более 0,10 |
| Мышьяк | не более 0,08 |
| Азот | не более 0,015 |
| Железо и примеси | Остальное. |
Непрерывнолитые заготовки охлаждают, нагревают, прокатывают на стане 700 в заготовку квадрат 170 мм, правят, очищают от окалины, повторно нагревают до температуры 900°C и вновь прокатывают в непрерывных линиях - среднесортной и мелкосортной в круглый сортовой прокат ⌀22,5 мм [1].
Недостатки известного способа состоят в сложности его реализации, обусловленной необходимостью применения двух прокаток, а также низких качестве и выходе годного круглого сортового проката.
Известен также способ производства круглого сортового проката, включающий получение непрерывнолитой заготовки из стали следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,17-0,23 |
| Марганец | 0,65-0,95 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Хром | 0,35-0,65 |
| Никель | 0,40-0,75 |
| Молибден | 0,15-0,25 |
| Сера | 0,02-0,040 |
| Фосфор | 0,001-0,035 |
| Ниобий | 0,005-0,02 |
| Ванадий | 0,005-0,08 |
| Кальций | 0,001-0,010 |
| Кислород | 0,001-0,015 |
| Медь | не более 0,25 |
| Мышьяк | не более 0,08 |
| Азот | не более 0,015 |
| Железо и примеси | Остальное |
Непрерывнолитые заготовки сечением 300×360 мм охлаждают, затем нагревают и прокатывают на стане 700 в заготовки квадрат 170 мм. Катаные заготовки нагревают до температуры 900°C и повторно прокатывают в непрерывных линиях - среднесортной и мелкосортной в круглый сортовой прокат ⌀35 мм, который затем подвергают закалке в масло от температуры 860±10°C и отпуску при 165±10°C [2].
Недостатки известного способа состоят в сложности его реализации, низких качестве и выходе годного проката.
Наиболее близким аналогом является способ производства круглого сортового проката из среднелегированной стали, включающий получение непрерывнолитой заготовки из стали следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,17-0,23 |
| Марганец | 0,65-0,95 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Хром | 0,35-0,65 |
| Никель | 0,40-0,75 |
| Молибден | 0,15-0,25 |
| Сера | 0,02-0,040 |
| Фосфор | 0,001-0,035 |
| Ниобий | 0,005-0,02 |
| Ванадий | 0,005-0,08 |
| Кальций | 0,001-0,010 |
| Кислород | 0,001-0,015 |
| Медь | не более 0,25 |
| Мышьяк | не более 0,008 |
| Азот | не более 0,015 |
| Железо и примеси | Остальное. |
Непрерывнолитые заготовки сечением 300×360 мм охлаждают, затем нагревают и прокатывают на стане 700 в заготовки квадрат 170 мм. Катаные заготовки нагревают до температуры 900°C и повторно прокатывают в непрерывных линиях - среднесортной и мелкосортной в круглый сортовой прокат 035 мм, который затем подвергают закалке в масло от температуры 860±10°C и отпуску при температуре 165±10°C [2].
Недостатки известного способа состоят в сложности его реализации, низких качестве и выходе годного проката.
Техническим результатом изобретения является упрощение реализации, повышение качества и выхода годного круглого сортового проката.
Для достижения технического результата в известном способе производства сортового проката из автоматной стали, включающем получение непрерывнолитой заготовки, нагрев, черновую прокатку и многопроходную чистовую прокатку в регламентированном температурном диапазоне, согласно предложению непрерывнолитую заготовку получают из стали, содержащей следующий химический состав, мас.%:
| Углерод | 0,18-0,23 |
| Марганец | 0,70-1,10 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Хром | 0,40-0,70 |
| Никель | 0,40-0,70 |
| Молибден | 0,15-0,25 |
| Алюминий | 0,002-0,040 |
| Сера | 0,035-0,040 |
| Фосфор | не более 0,035 |
| Железо и примеси | Остальное, |
нагрев ведут до температуры 1150-1270°C, а чистовую прокатку в трех последних проходах осуществляют в системе калибров «круг - овал - круг» в температурном интервале от 1000-1100°C до 850-950°C с коэффициентом вытяжки в каждом из них 1,10-1,25.
Сущность изобретения состоит в следующем. Механические, функциональные свойства и выход годного круглого сортового проката определяются как химическим составом автоматной стали, так и режимами ее деформационно-термической обработки.
Нагрев непрерывнолитой заготовки из стали предложенного химического состава до температуры 1150-1270°C обеспечивает полное растворение в аустените крупных карбидов, образовавшихся при кристаллизации стали в процессе непрерывной разливки, а также повышение технологической пластичности. Это позволяет осуществить последующую горячую прокатку в пруток круглого сечения заданного диаметра за один передел, без промежуточного нагрева, что упрощает технологию.
Поскольку окончательные структурно-фазовый состав и функциональные свойства круглого сортового проката формируются в трех последних проходах чистовой прокатки, обжатие в них в системе калибров «круг - овал - круг» в температурном интервале от 1000-1100°C до 850-950°C с коэффициентом вытяжки в каждом из них 1,10-1,25 обеспечивает равномерную схему деформирования по сечению полосы, реализацию режима деформационно-термической обработки, при которой одновременно достигается равномерное по сечению укрупнение зерен микроструктуры вследствие динамической и статической рекристаллизации, повышающее обрабатываемость круглого проката резанием, и повышение его прочностных свойств по причине завершенного выделения из твердого раствора стали карбидных и карбонитридных частиц. Благодаря этому исключается необходимость проведения закалки с отпуском, упрощается реализация способа. Кроме того, сульфиды, в результате циклического деформационно-термического воздействия на микроструктуру стали в трех последних проходах в системе калибров «круг - овал - круг», приобретают форму глобулей. Это улучшает качество, т.е. обрабатываемость круглого сортового проката из автоматной стали резанием, при одновременном повышении прочности и вязкости. Повышение качества, в свою очередь, способствует сокращению количества некондиционной продукции и увеличению выхода годного.
Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Однако увеличение содержания углерода сверх 0,23% ухудшает обрабатываемость автоматной стали резанием, повышает износ резцов. Снижение содержания углерода менее 0,18% приводит к снижению прочности и выхода годного сортового проката.
Марганец, хром и молибден обеспечивают упрочнение стали. Помимо этого, марганец связывает серу в сульфиды, необходимые для улучшения обрабатываемости проката резанием. При содержании марганца менее 0,70%, хрома менее 0,40% и молибдена менее 0,15% прочностные свойства ниже допустимого уровня. Увеличение содержания марганца более 1,10%, хрома более 0,70% и молибдена более 0,25% ухудшает пластические свойства стали и ее обрабатываемость резанием.
Кремний раскисляет сталь, упрочняет ферритную фазу. При содержании кремния менее 0,17% прочностные свойства стали недостаточны, что ухудшает качество проката. Увеличение содержания кремния более 0,37% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, снижает пластичность и выход годного проката.
Никель повышает устойчивость аустенита, способствует более полному выпадению карбидных и карбонитридных частиц при чистовой прокатке. Повышение содержания никеля более 0,70% снижает «обработочную хрупкость» стали - ухудшает разрушение стружки при токарной обработке. Уменьшение содержание никеля менее 0,40% ухудшает теплопроводность стали, что приводит к перегреву режущего инструмента, увеличивает нестабильность механических свойств по длине проката, снижает качество и выход годного.
Алюминий раскисляет и модифицирует сталь, улучшает обрабатываемость стали резанием: за счет введения алюминия допустимая скорость резания возрастает до 80 м/мин. При содержании алюминия менее 0,002% его положительное влияние не проявляется. Вместе с тем, увеличение содержания алюминия более 0,040% графитизирует сталь, снижая ее прочность, вязкость, а также выход годного сортового проката.
Сера и фосфор улучшают обрабатываемость стали резанием, повышают стойкость инструмента, способствуют получению более чистой поверхности крепежных изделий.
Увеличение содержания серы более 0,040% и фосфора более 0,035% приводит к снижению пластических и вязкостных свойств круглого сортового проката, ухудшению качества и уменьшению выхода годного. Вместе с тем, снижение содержания серы менее 0,035% ухудшает обрабатываемость стали резанием и качество круглого сортового проката.
Нагрев непрерывнолитой заготовки до температуры ниже 1150°C не обеспечивает полного растворения в аустените крупных карбидных включений. Это приводит к снижению прочности, выхода годного и качества готового проката. Увеличение температуры нагрева выше 1270°C приводит к оплавлению границ кристаллитов непрерывнолитой заготовки, что не исключает образование дефектов при прокатке.
Начало прокатки в трех последних проходах при температуре выше 1100°C как и окончание при температуре выше 950°C приводит к снижению прочностных свойств и их стабильности по длине сортовых профилей. Уменьшение температуры начала прокатки в трех последних проходах ниже 1000°C или окончания ниже 850°C способствует измельчению зерен микроструктуры, что ухудшает обрабатываемость стали резанием (снижает допустимую скорость резания менее 20 м/мин) и качество круглых сортовых профилей.
Примеры реализации способа
В электросталеплавильной печи производят выплавку автоматных сталей следующих химических составов (табл.1).
| Таблица 1 | ||||||||||
| Составы автоматных сталей | ||||||||||
| № состава | Содержание химических элементов, мас.% | |||||||||
| C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | Al | S | P | Fe+ примеси | |
| 1 | 0,17 | 0,60 | 0,16 | 0,30 | 0,32 | 0,14 | 0,001 | 0,034 | 0,015 | Остальн. |
| 2 | 0,18 | 0,70 | 0,17 | 0,40 | 0,40 | 0,15 | 0,002 | 0,035 | 0,017 | -:- |
| 3 | 0,20 | 0,90 | 0,27 | 0,55 | 0,57 | 0,20 | 0,021 | 0,037 | 0,022 | -:- |
| 4 | 0,23 | 1,10 | 0,37 | 0,70 | 0,70 | 0,25 | 0,040 | 0,040 | 0,035 | -:- |
| 5 | 0,24 | 1,12 | 0,38 | 0,80 | 0,75 | 0,27 | 0,042 | 0,050 | 0,036 | -:- |
| 6 | 0,22 | 0,65 | 0,28 | 0,35 | 0,42 | 0,16 | - | 0,022 | 0,002 | -:- |
Выплавленную сталь состава №3 подвергают непрерывной разливке в заготовки квадратного сечения 100×100 мм. Полученные заготовки нагревают в методической печи до температуры аустенитизации Та=1210°C и подвергают их многопроходной прокатке в черновых и чистовых клетях мелкосортного стана 250 в прутки круглого сечения диаметром 15,5 мм. Три последних чистовых прохода выполняют в валках с калибрами по системе «круг - овал - круг». Температуру полосы в проходе, предшествующем предпоследнему, поддерживают равной Тнп=1050°C а температуру в последнем чистовом проходе, равной Ткп=900°C. При этом прокатку в каждом из трех последних чистовых проходах ведут с коэффициентом вытяжки λ=1,17. Готовый сортовой прокат применяют для изготовления крепежных изделий (болты, гайки, шпильки и др.).
Благодаря использованию предложенной автоматной стали и режимов ее деформационно-термической обработки допустимая скорость резания на токарных станках составляет Vp=80 м/мин, температура режущей кромки резца tp=140°C, выход годного Q=99,5%. Исключается необходимость второго прокатного передела, закалки и отпуска проката.
Варианты реализации способа производства и показатели их эффективности приведены в табл.2.
| Таблица 2 | ||||||||
| Режимы производства круглого сортового проката и их эффективность | ||||||||
| № варианта | № состава | Та,°С | Тнп,°С | Тк,°С | λ | Показатели эффективности | ||
| Vp, м/мин | tp, °C | Q, % | ||||||
| 1 | 1 | 1140 | 900 | 840 | 1,09 | 20 | 350 | 65,6 |
| 2 | 4 | 1150 | 1000 | 850 | 1,10 | 80 | 150 | 98,7 |
| 3 | 3 | 1210 | 1050 | 900 | 1,17 | 80 | 140 | 99,5 |
| 4 | 2 | 1270 | 1100 | 950 | 1,25 | 80 | 145 | 98,6 |
| 5 | 5 | 1280 | 1200 | 960 | 1,26 | 40 | 250 | 67,3 |
| 6 | 6 | 900 | не регл. | не регл. | не регл. | 20 | 270 | 65,2 |
Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение качества и выхода годного круглого сортового проката, исключается необходимость второго прокатного передела и проведения термического улучшения проката. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1, №5) или способа-прототипа (вариант №6) имеет место снижение качества и выхода годного, возникает необходимость термического улучшения проката.
В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа был выбран известный способ [3]. Промышленное использование предложенного способа обеспечивает повышение рентабельности производства круглого сортового проката из автоматной стали на 15-20%.
Источники информации
1. RU 2283875 C2, МПК C21D 8/06, C22C 38/44, 20.09.2006.
2. RU 2277595 C1, МПК C21D 8/06, C22C 38/44, 10.06.2006.
3. RU 2276192 C1, МПК C21D 8/06, C21C 5/52, C22C 38/44, 10.05.2006.
Способ производства круглого сортового проката из автоматной стали, включающий получение непрерывнолитой заготовки, нагрев, черновую прокатку и многопроходную чистовую прокатку заготовки в регламентированном температурном диапазоне, отличающийся тем, что получают непрерывнолитую заготовку из стали, имеющей следующий химический состав, мас.%:
| углерод | 0,18-0,23 |
| марганец | 0,70-1,10 |
| кремний | 0,17-0,37 |
| хром | 0,40-0,70 |
| никель | 0,40-0,70 |
| молибден | 0,15-0,25 |
| алюминий | 0,002-0,040 |
| сера | 0,035-0,040 |
| фосфор | не более 0,035 |
| железо и примеси | остальное |
нагрев заготовки ведут до температуры 1150-1270°C, а чистовую прокатку заготовки в трех последних проходах осуществляют в системе калибров «круг-овал-круг» в температурном интервале от 1000-1100°C до 850-950°C, с коэффициентом вытяжки в каждом из них 1,10-1,25.
