СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНЫХ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ПОЛОС Российский патент 2009 года по МПК C21D8/02 C22C38/20 

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 σ_в, 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 Т_кп, °C Т_см, °C Механические свойства Q, % σ_B, МПа σ_т, 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.

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.

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,

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.