СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ МАЛОПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ Российский патент 1996 года по МПК B21B1/22 

Изобретение относится к прокатному производству, конкретно к изготовлению горячекатаных полос из низкоуглеродистых и низколегированных сталей c их поставкой по заданным заказчиком значениям физико-механических свойств.

Основные факторы, определяющие уровень свойств горячекатаной полосовой стали это химический состав, температурно-деформационные режимы прокатки, режимы охлаждения полос на отводящем рольганге.

Известен способ горячей прокатки полос [1] преимущественно из углеродистых и низколегированных сталей, заключающийся в обжатии заготовок на конечный размер с заданной температурой окончания прокатки, охлаждении полос перед их смоткой в рулоны струями воды с регламентированным удельным расходом, который устанавливается из уровня регрессии, связывающего химический состав стали, температуру окончания прокатки, температуру смотки и расход воды с величиной предела текучести стали.

К недостаткам этого способа относятся, во-первых, ограниченная узким диапазоном достоверность статистических зависимостей характеристик механических свойств от химического состава и параметров прокатки. К тому же регрессионные уравнения зачастую недостоверно отражают физическую сущность влияния параметров технологии на свойства проката из-за наличия корреляционных связей между параметрами технологии. Например, такие параметры, как толщина прокатываемой полосы, температура окончания прокатки, расход охлаждающей воды, температура смотки полос, тесно между собой связаны. Это приводит к значительному искажению коэффициентов уравнений регрессии, на основе которых устанавливаются значения параметров технологии. В рассматриваемом случае это относится к расходу охлаждающей воды. Вторым существенным недостатком аналога является то, что способ предназначен для обеспечения ограниченного технического результата, а именно, достигается расчет лишь одного из показателей механических свойств проката предела текучести.

В качестве прототипа взят известный способ [2] включающий выплавку стали, разливку, нагрев и прокатку заготовок на стане, изменение условий прокатки, скорости вращения валков, толщины раската, расчет размера зерна феррита и проверку его на соответствие требованиям к свойствам стали. В основу этого способа положен наиболее перспективный физический подход к описанию механических свойств стали на основе математического моделирования процесса формирования микроструктуры стали. Метод обладает достоверностью описания механических свойств целого класса стали, в частности малоперлитной.

Несмотря на отмеченные достоинства, способ [2] имеет существенные недостатки. Во-первых, способ пригоден для регулирования технологии в процессе прокатки, когда металл уже прокатывается на конкретный заказ. Может оказаться, что возможностей стана будет недостаточно, чтобы за счет изменения параметров прокатки можно было получить необходимую структуру и свойства стали. В результате прокатанная партия металла не будет удовлетворять требованиям заказчика. Во-вторых, далеко не все станы оснащены теми средствами изменения, которые необходимы для реализации способа.

Цель изобретения по известному химическому составу стали с высокой точностью установить такие режимы прокатки полос, которые обеспечили бы получение одновременно всех свойств, заданных заказчиком.

Заявляемый способ производства листового проката из малоперлитной стали включает выплавку стали, определение в ней массовых долей химических элементов, разливку, нагрев и прокатку на прокатном стане по базовой технологии с требуемыми показателями механических свойств и зерна феррита, регулирование условий прокатки при отклонениях от заданных значений механических свойств и зерна феррита, отличающийся тем, что регулирование условий прокатки осуществляют путем изменения температур конца прокатки и смотки полосы в рулон, определяемых по зависимостям:
Т_кп= Тσкп

+m₁·(d_α-dσα),
T_см= Тσсм+m₂·(d_α-dσα), где Тσкп,Тσсм температуры конца прокатки и смотки полосы по базовой технологии;
dσα ожидаемый диаметр зерна феррита при базовой технологии;
m₁, m₂ коэффициенты (m₁=7-12^oC/мкм, m₂=5-15^oC/мкм);
d_α- диаметр зерна феррита, равный минимальному значению из трех величин d_α1, d_α2, d_α3, определяемых по зависимостям:
d_α1=1/ka_o+ a_i•x_i•[σ_T],
d_α2=1/kb_o+ b_i•x_i•[σ_B],
d_α3= 1/kc_o+ c_i•x_i•[t_хр] , где k₁, k₂, k₃ коэффициенты зеренного упрочнения стали;
a_i, b_i, c_i коэффициенты твердорастворного упрочнения стали;
x_i процентное содержание i-го химического элемента в стали;
[ σ_T] [ σ_B] [t_хр] заданные значения предела текучести, предела прочности, температуры хрупкого разрушения стали.

Предложенный способ универсален, так как химический состав стали и размер ферритного зерна практически однозначно определяют свойства листа независимо от того, на каком стане он производится.

Сущность изобретения заключается в том, что конкретно оговариваются заданные величины уровней предела текучести [ σ_T] временного сопротивления разрыву [ σ_B] и температура хрупкого разрушения [t_хр] в связи с чем необходимо заводу-изготовителю каждый подобный заказ выполнять с соответствием требуемым характеристикам проката.

Сталь в холодном состоянии представляет из себя природный композит, состоящий из отдельных фаз феррита, перлита, бейнита и мартенсита. Для рассматриваемого класса сталей с низким содержанием углерода (L=0,25%) основной структурной компонентой является феррит, свойства которого определяются его химическим составом и структурой. Основными механизмами упрочнения феррита являются твердорастворное и зеренное упрочнения.

Активному воздействию в процессе прокатки поддается лишь механизм зеренного упрочнения. Путем управления температурной-деформационными режимами прокатки и охлаждения полос можно сформировать благоприятное структурное состояние и необходимый комплекс физико-механических свойств стали.

Связь микроструктуры стали с пределом текучести, временным сопротивлением и температурой хрупкости описывается уравнением Холла-Петча.

σ_T=a_o+ a_i•x_i+k₁•d-1/2α

,
(1)
σ_B=b_o+ b_i•x_i+k₂•d-1/2α,
(2)
t_xp=c_o+ c_i•x_i+k₃•d-1/2α,
(3) где a_i, b_i, c_i коэффициенты при i-ом химическом элементе для σ_T, σ_B, t_хр соответственно.

х_i процентное содержание i-го химического элемента в стали,
k₁, k₂, k₃ коэффициенты зеренного упрочнения стали для σ_T, σ_B, t_хр соответственно.

В таблице приведены значения коэффициентов а_i, b_i, c_i, k₁, k₂, k₃ в условиях прокатки на стане горячей прокатки "2000" АО "Северсталь".

Расчеты показывают, что уменьшение диаметра зерна феррита с 20 до 15 микрон (с 0,020 до 0,015 мм), т.е. на 5 микрон приводит к увеличению предела текучести на 19 Н/мм², предела прочности на 8 Н/мм² и к снижению температуры хрупкого излома на 12^оС. Следовательно, воздействуя на размер ферритного зерна, можно управлять физико-механическими свойствами металла, добиваясь их соответствия заданным требованиям.

Названные выше характеристики механических свойств регламентируются лишь с одной стороны, σ_T и σ_B, как правило, лимитируются по нижнему значению, а t_хр по верхнему. Учитывая монотонность зависимостей (1)-(3) в определенном интервале температур конца прокатки и смотки, не сложно определить то значение зерна феррита (d), которое обеспечит соответствие полученных свойств заданным.

σ_T(d_α ) ≥ [ σ_T] (4)
σ_B(d_α) ≥[ σ_B] (5)
t_хр(d_α) ≥[t_хр] (6) где [ σ_T] [ σ_B] [t_хр] заданные заказчиком граничные значения свойств.

Выполнение условий (4)-(6) можно трактовать так, что существует такое значение диаметра зерна феррита (d_α ), которое обеспечит при конкретном химическом составе стали заданные механические свойства проката. Причем величина d_α не должна превышать минимальное из трех значений.

d=1/ka_o+ a_i•x_i•[σ_T],
(7)
d=1/kb_o+ b_i•x_i•[σ_B],
(8)
d=1/kc_o+ c_i•x_i•[t_хр],
(9) т.е.

d_α ≥ min{d₁, d₂, d₃} (10)
Математическая модель формирования микроструктуры стали представляет собой систему установленных ранее зависимостей размеров зерна от химического состава стали, степени деформации, температуры деформируемого металла, скорости охлаждения металла после прокатки и температуры смотки полос в рулон. Размер зерна феррита рассчитывали по следующему уравнению: d_α[5,51·10¹⁰ ·d1,75γ

· exp(-21430/T)] ^1/3, (11) где d_γ диаметр зерна аустенита перед превращением, мкм;
Т температура превращения, К.

Для расчета размера зерна аустенита стали d, входящего в уравнение (11), можно использовать следующее уравнение:
d_γd_oγ-(d_oγ-d_rγ)· X^0,125, (12) где d_oγ исходный размер аустенита, мкм;
d_rγ размер рекристаллизованного зерна аустенита, мкм;
Х степень рекристаллизации.

Величины d_oγ, d_rγ и Х могут быть рассчитаны по одной из известных методик.

Способ реализуют следующим образом.

В листопрокатном цехе создается программно-технический комплекс из нескольких персональных ЭВМ, объединенных в вычислительную сеть. ЭВМ устанавливается на складе слябов и в планово-распределительном бюро цеха.

Ядром системы является программа прогнозирования структуры стали, основу которой составляет математическая модель расчета размера зерна феррита и механических свойств стали.

После выплавки стали, определения ее химического состава, разливки полученные заготовки поступают на склад листопрокатного цеха. Учетчик склада заготовок вводит в компьютерную систему значения массовых долей химических элементов данной партии заготовок. Инженер-технолог заранее вводит в компьютерную систему значения параметров базовой технологии прокатки полос заданного сортамента, включая температуру окончания прокатки и температуру смотки полос в рулон. Фабрикатор ПРБ вводит в компьютерную систему требуемые заказчиком значения механических свойств листового проката и запускает в действие программу, которая на основе математических зависимостей (7)-(12) рассчитывает величины d_α1,d_α2,d_α3,d_α и проверяет условие (10).

Если условие (10) выполняется, то прокатка полос ведется по базовой технологии. В случае несоблюдения условия (10) программа выполняет вычислительный эксперимент, в ходе которого одновременное изменяется температура конца прокатки и смотки полос в рулон. Затем рассчитывается новое значение d и проверяется условие (10).

Если условие (10) выполняется, то прокатка ведется по скорректированной технологии, если условие (10) не соблюдается, то продолжается корректировка скорости прокатки и, соответственно, температур конца прокатки и смотки. Корректировка продолжается до тех пор, пока не будет выполняться условие (10). В случае, когда температура конца прокатки и смотки становятся меньше допустимых значений, установленных заранее для конкретных условий производства, вычислительный эксперимент заканчивается рекомендацией фабрикатору о переназначении данной плавки на прокатку полос другого заказа с более низкими требованиями к механическим свойствам.

П р и м е р. Заявленный способ был опробован в промышленных условиях на стане горячей прокатки полос.

Из слябовых заготовок стали 3сп с химическим составом, мас. С 0,14; Mn 0,46; Si 0,23; Ni 0,04; Cr 0,04; Al 0,01; S 0,02; P 0,02 необходимо получить полосы толщиной 10 мм со следующими свойствами:
[σ_T] ≥ 320 H/мм²; [ σ_B]≥ 480 H/мм²; [t_хр]<-80^оС.

По зависимостям (7)-(9) рассчитывали значения диаметров зерна феррита, которые могут обеспечить заданные свойства.

С учетом данного химического состава установили, что
d_α1≅13,5 мкм
d_α2≅10,5 мкм
d_α3≅10,2 мкм
Базовая (по технологической инструкции) технология предполагает следующий режим прокатки: толщина раската за черновой клетью Н_р=44 мм; температура раската, Т_р= 1135^оС; температура конца прокатки Т_кп=900^оС; температура смотки Т_см=650^оС.

Прогнозирование микроструктуры проката показало, что эта технология обеспечивает получение зерна диаметром 14,5 мкм, которое больше значений d_α1, d_α2,d_α3.

Очевидно, что базовая технология не обеспечивает получения необходимой микроструктуры стали, и как следствие заданных свойств проката.

В результате коррекции технологии прокатки в сторону снижения скорости прокатки, температуры конца прокатки и смотки были установлены такие режимы, которые позволяют получить зерно феррита размером 10 мкм, удовлетворяющее условию (10):
Т_кп=835^оС; Т _cм=600^оС.

Этот размер зерна обеспечивает следующие механические свойства:
σ_T= 361 Н/мм²; σ_В=493 Н/мм²; t_хр-83^оС, которые удовлетворяют требованиям заказчика.

Использование предлагаемого способа производства проката из малоперлитной стали позволит гарантированно получать высокие прочностные и пластические свойства из малоперлитных сталей.

Использование: при изготовлении горячекатаных полос из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. В способе, включающем выплавку стали, определение в ней массовых долей химических элементов, разливку, нагрев, прокатку заготовок на стане, перед назначением металла на прокатку вводят в компьютерную систему значения массовых долей химических элементов стали, параметры базовой технологии, включая температуру окончания прокатки и смотки полос в рулон, значения требуемых механических свойств стали, определяют по математической модели процесса формирования структуры и свойств стали ожидаемые значения механических свойств, в случае их несоответствия требуемым значениям температуру окончания прокатки и температуру смотки полос устанавливают на компьютерной системе методом вычислительного эксперимента таким образом, чтобы они обеспечивали получение размера зерна феррита, не превышающего минимального из трех значений, зависящих от заданных значений предела текучести, временного сопротивления, температурной хрупкости, которые определяются по регламентированным зависимостям. Технологический результат от использования заключается в том, что при производстве полос с заданными заказчиком физико-механическими свойствами устанавливаются такие режимы горячей прокатки данной партии заготовок, которые обеспечивают деформирование необходимой структуры стали и свойств. 1 табл.

Способ производства листового проката из малоперлитной стали, включающий выплавку, определение в ней массовых долей химических элементов, разливку, нагрев и прокатку на прокатном стане по базовой технологии с требуемыми показателями механических свойств и зерна феррита, регулирование условий прокатки при отклонениях от заданнных значений механических свойств и зерна феррита, отличающийся тем, что регулирование условий прокатки осуществляют путем изменения температур конца прокатки и смотки полосы в рулон, определяемых по зависимостям
T_кп= Tσкп

+m₁(d_α-dσα);
T_см= Tsсм+m₂(d_α-dsα),
где Tsкп,Tsсм температуры конца прокатки и смотки полосы по базовой технологии;
dσα ожидаемый диаметр зерна феррита при базовой технологии;
m₁, m₂ коэффициенты (m₁ 7 12^oС/мкм, m₂ 5 15^oС/мкм);
d_α диаметр зерна феррита, равный минимальному значению трех величин d_α1,d_α2,d_α3, определяемых по зависимостям



где K₁, K₂, K₃ коэффициенты зеренного упрочнения стали;
a_i, b_i, c_i коэффициенты твердорастворного упрочнения стали;
x_i процентное содержание i-го химического элемента в стали;
[σ_т],[σ_в],[t_хр] - заданные значения предела текучести, предела прочности и температуры хрупкого разрушения стали.