СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРМАТУРНОЙ ПРОВОЛОКИ ИЗ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ Российский патент 2013 года по МПК C21D8/06 C21D8/08 C21D1/02 C21D9/52 

Изобретение относится к металлургии, в частности к метизному производству и может быть использовано при производстве из высокоуглеродистой стали проволоки больших диаметров, преимущественно 9-12 мм, предназначенной для изготовления, например, высокопрочной арматуры для железобетонных шпал.

Известен способ производства высокопрочной арматурной проволоки, включающий ускоренное охлаждение катанки после прокатки заготовки, выплавленной из высокоуглеродистой стали стандартных марок 70-85. В этом способе осуществляют ускоренное охлаждение катанки перед виткоукладчиком сортового стана горячей прокатки, затем укладку витков в закрытую камеру, охлаждение витков в этой камере до заданной температуры продувкой газом с заданной скоростью охлаждения и окончательное охлаждение до цеховой температуры. При этом охлаждение продувкой газом ведут до температуры не выше 500°С. Данным способом исключается операция термообработки перед холодным волочением и термомеханической обработкой высокопрочной арматуры и достигается прочность готовой арматуры до 1370 Н/мм² (патент на изобретение РФ №2044073, МПК C21D 9/52, 1995 г.).

Известны способы производства высокопрочной проволоки, включающие переработку катанки в проволоку конечных размеров волочением с применением операции термической обработки патентированием заготовки, заключающейся в нагреве заготовки в различных технологических средах при регламентированной температуре выше линии Ас₃ диаграммы состояния «железо-углерод», выдержки при данной температуре с последующим ускоренным охлаждением (Зубов В.Я., Патентирование проволоки, «Металловедение и термическая обработка металлов», 1972, №9; Юхвец И.А. Производство высокопрочной проволочной арматуры, М., 1973, с.48-55).

Известен также способ непрерывного патентирования проволоки, включающий нагрев проволоки в безокислительной атмосфере до аустенитного состояния и охлаждение в безокислительной атмосфере, причем перед нагревом на проволоку наносят слой графита путем пропускания ее через камеру, заполненную графитом с плотностью 0,5-1,8 г/см³, а охлаждение ведут в три этапа в камерах заполненных графитом плотностью 0,5-1,8 г/см³.

При этом на первом этапе охлаждают до температуры ферритного превращения, на втором - изотермическую выдержку до завершения ферритного превращения и на третьем - окончательное охлаждение. На первом и третьем этапах охлаждение проводят в водоохлаждаемом теплопроводящем слое графита толщиной 5-15 диаметров проволоки мм. (патент №2023727, МПК C21D 9/52).

Известен способ обработки проволоки, включающий нагрев до 820-970°С, выдержку при этой температуре, интенсивное охлаждение до 400-550°С, окончательное охлаждение водой до цеховой температуры и очистку поверхности от окалины, при котором очистку поверхности проволоки от окалины проводят перед интенсивным охлаждением, которое осуществляют продувкой защитным газом (см. патент РФ №2023030, МПК C21D 9/52).

Во известных процессах термической обработки катанки при получении высокопрочной проволоки процесс патентирования на стадии интенсивного охлаждения катанки ведут на экологически чистой основе без использования свинца, селитры и кислоты, например, в водном растворе поверхностно-активных веществ или продувкой газом. Однако необходимая структура обработанной высокоуглеродистой проволоки известными способами, ее прочностные и пластические свойства могут быть достигнуты только при патентировании проволоки небольших диаметров не более 6-8 мм.

Наиболее близким техническим решением по достигаемому результату получения физико-механических свойств проволоки из высокоуглеродистой стали является способ термической обработки проволоки диаметром 6,5 мм с содержанием углерода 0,45-0,85%, включающий ее нагрев до температуры выше Ас₃ (780-920)°С, выдержку при этой температуре до завершения процесса аустенизации, интенсивное охлаждение до температуры (500-500+(-) 15)°С, выдержку при этой температуре, в зависимости от ее диаметра (1,5-8) с и окончательное охлаждение до цеховой температуры. По данному способу интенсивное охлаждение ведут продувкой газом со скоростью 30-1000°С в секунду в течение времени, определяемом в зависимости от диаметра обрабатываемой проволоки и скорости подаваемого на охлаждение газового потока (см. патент РФ №2102502, C21D 9/52, C21D 9/54, C21D 8/06).

Однако по данному способу высокие физико-механические свойства проволоки с содержанием углерода от 0,45 до 0,85% можно получить также только для проволоки диаметров от 0,8 до 6,5 мм, т.е. малых диаметров.

При получении высокоуглеродистой проволоки больших диаметров (более 6-8 мм) путем проведении термообработки катанки в соответствии с известными техническими решениями, из-за высокого градиента температуры по сечению не достигается равномерный уровень физико-механических свойств по ее сечению и соответственно не достигается однородность высоких механических (в первую очередь, прочностных) свойств по сечению проволоки конечных диаметров в процессе холодной деформации.

Фактором, влияющим на достижение однородности высоких механических (в первую очередь, прочностных) свойств по сечению проволоки конечных диаметров в процессе холодной деформации, являются условия теплоотвода при интенсивном охлаждении заготовки обрабатываемой катанки больших диаметров (12-16 мм), в процессе патентирования.

Метизные заводы не имеют опыта патентирования катанки и получения проволоки больших диаметров (более 9 мм) при проведении интенсивного охлаждения заготовки в технологической среде, указанной в выше приведенных источниках.

Технической задачей в соответствии с заявляемым техническом решении является обеспечение высоких прочностных свойств (σ_в>1300 Н/мм²), равномерно распределенных по сечению в проволоке большого диаметра, преимущественно 9-12 мм, содержащей до 0,8% С, за счет создания технологии термической обработки заготовки крупных профилей 12-16 мм.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления проволоки из высокоуглеродистой стали, включающем термическую обработку катанки путем нагрева до температуры выше Ас₃, выдержку при этой температуре до завершения процесса аустенитизации, интенсивное охлаждение с последующей выдержкой в течение регламентированного времени в зависимости от диаметра обрабатываемой заготовки, дальнейшее спокойное охлаждение и волочение на требуемый размер, в качестве заготовки используют катанку диаметром 15-16 мм, которую в процессе термической обработки подвергают интенсивному охлаждению до температуры 550±10°С, с последующей выдержкой в этом диапазоне температур в течение времени, определяемом по формуле:

Т=740/D×V, где

Т - время выдержки, с;

D - диаметр проволоки, мм;

V - скорость перемещения катанки в процессе интенсивного охлаждения в охлаждающей среде, м/с;

740 - эмпирический коэффициент, установленный опытным путем.

Сущность изобретения поясняется следующим.

Как известно, для формирования высоких прочностных свойств в проволоке перед ее волочением используется операция предварительной термической обработки катанки по типу патентирования, которое применяется для получения тонкопластинчатой феррито-карбидной микроструктуры (структура сорбита). Данный вид термообработки заключается в нагреве катанки (прокатной заготовки) до температур 870÷950°С, последующего быстрого охлаждения в расплаве соли или свинца до температуры 450÷570°С, для превращения переохлажденного аустенита с выдержкой при этих температурах нагрева и охлаждения, с дальнейшим спокойным охлаждением на воздухе или в воде.

Проведение термообработки в таких известных условиях необходимо для получения мелкозернистой структуры сорбита, отличающейся от перлита более высокой дисперсностью, что увеличивает механические свойства катанки и повышает ресурс пластичности металла, а, соответственно, позволяет осуществлять последующее деформационное воздействие с большими степенями деформации. В результате этого в проволоке конечных размеров достигаются большие значения прочностных характеристик. Известные технические решения операции патентирования ограничиваются диаметрами катанки 3-9 мм, что обусловлено существенной дифференциацией механических свойств при обработке катанки большего диаметра из-за отсутствия регламентации температурно-скоростных условий проведения процессов ее нагрева и интенсивного охлаждения. При этом ограничивающим фактором, обусловливающим масштабный эффект в заготовках большого диаметра (12-16 мм) при проведении термообработки в соответствии с известными техническими решениями, является ухудшение условий теплоотвода при термическом воздействии - патентировании или сорбитизации катанки. Это способствует структурной неоднородности обрабатываемой катанки по ее сечению и невозможности обеспечить высокие механические (в первую очередь, прочностные) свойства в проволоке больших конечных диаметров. Как указано выше метизные заводы не имеют опыта патентирования катанки и проволоки толстых диаметров (более 9 мм).

Достаточно значимым фактором процесса аустенитного превращения стали с содержанием до 0,8% углерода при нагреве вблизи точки Ас₃ диаграммы состояния «железо-углерод» с последующим охлаждением до температур распада аустенита в близи 550°С является продолжительность выдержки при данных температурах..

Процесс патентирования катанки организован по принципу непрерывных линий. Поэтому длительность нахождения катанки в зонах нагрева и интенсивного охлаждения определяется скоростными условиями ее прохождения через печь нагрева и, соответственно, ванны охлаждения. При этом операция нагрева при патентировании высокоуглеродистых марок стали (с содержанием углерода до 0,8%) служит для протекания процесса аустенизации, в результате которого наблюдается формирования большого количества центров зарождения перлитных колоний и высокая скорость их роста. Это способствует при дальнейшем интенсивном охлаждении катанки измельчению перлитных колоний до 4-2 мкм и уменьшению межпластиночного расстояния до 0,15-0,10 мкм (распад аустенита).

Опытным путем было установлено, что оптимальное измельчение перлитных колоний до 4-2 мкм и уменьшение межпластиночного расстояния до 0,15-0,10 мкм (распад аустенита) наблюдается в диапазоне температур интенсивного охлаждения (550±10)°С.

При проведении многочисленных исследований, установлено, что при более высокой температуре интенсивного охлаждения (более 560°С) в катанке больших диаметров (более 15 мм) возникают дополнительные неравномерные по сечению термические напряжения при выходе ее из ванны охлаждения, что связано с высокой теплоемкостью металла. Это приводит также к повышенной вероятности обрывов при последующем волочении и существенной дифференциации механических свойств в готовой проволоке. Помимо этого, необходимы дополнительные расходы для поддержания повышенной температуры охладителя в ванне интенсивного охлаждения, что также снижает эффективность процесса.

При меньшей температуре (менее 540°С) ухудшаются условия протекания процесса распада аустенита и значительно увеличивается межпластинчатое расстояние в перлитных колониях, что приводит к большой вероятности обрывности катанки при последующем ее волочении с большими степенями деформации.

Для обеспечения полного протекания указанных фазовых превращений в катанке диаметром 15-16 мм необходимо жестко регламентировать время термического воздействия, особенно при температурах интенсивного охлаждения. Как показывает многочисленная

Учитывая, что в процессе термообработки необходимо снизить температуру в ванне интенсивного охлаждения с 880-900°С до 550°С, а также с учетом того, что эффективная скорость движения катанки диаметром 15-16 мм через технологическую линию патентирования составляет 4-6 м/с, то, следовательно, наиболее оптимальной продолжительностью выдержки будет определяться заявленной эмпирической зависимостью T=740/(D*V), с, где

D - диаметр катанки, мм;

V - скорость перемещения катанки в процессе нагрева, м/с.;

740 - эмпирический коэффициент, установленный опытным путем.

Заявленный температурно-скоростной режим термообработки катанки при изготовлении проволоки больших размеров (более 9 мм) обеспечивает формирование в патентированной катанке однородную по всему сечению микроструктуру, в которой пластины цементита имеют однородный контраст по всей длине и свободны от дефектов, причем, плотность дислокации в феррите низкая, а межфазная граница феррит-цементит в перлитной колонии плоская. Это обуславливает возможность проведения последующего волочения катанки при значительных степенях деформации, что, в конечном итоге, позволяет получить высокие прочностные свойства (σ_в>1300 Н/мм²). Пример осуществления конкретного способа.

Катанку диаметром 15,0-16,0 мм, содержащую до 0,8% С подвергают нагреву в многозонной проходной печи до температуры выше Ас₃ диаграммы состояния «железо-углерод». После этого осуществляют интенсивное охлаждение катанки в расплаве свинца до температуры 550±10°С. При этом производят выдержку катанки при указанных температурах, продолжительность которой в секундах определяют из соотношения T=740/(D*V),c, где D - диаметр катанки, мм; V - скорость перемещения катанки в процессе интенсивного охлаждения, м/с, что соответствует при скорости движения обрабатываемой катанки диаметром 15-16 мм через линию патентирования 4-5 м/с (исходя из конструктивных особенностей известных технологических линий патентирования) 9-12 с. Далее термообработанную катанку подвергают спокойному охлаждению водой и последующему волочению на конечный размер на станах многократного волочения.

Примеры конкретного осуществления заявляемого способа.

Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялось изготовление высокопрочной проволоки больших диаметров из стали с содержанием углерода до 0,8% на заводе ОАО «ММК-МЕТИЗ», а также результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1 Технологические параметры изготовления высокопрочной проволоки диаметром 9-12 мм в производственных условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» № п/п Диаметр катанки, мм Конечный диаметр проволоки, мм Температура интенсивного охлаждения, °С Продолжительность интенсивного охлаждения, с Механические свойства проволоки* Примечание Временное сопротивление разрыву, σ_в, Н/мм² Относительноеудлинение, δ,% 1 15 9,6 530 8 1100 9,4 значительный разброс механических свойств 2 15 9,6 550 10 1460 7.5   3 15 9,6 550 14 1380 7,8 повышенная обрывность проволоки 4 15 9,6 570 12 1230 8,2   4 15,5 9,8 550 12 1450 7,5   5 15,5 9,8 550 17 1360 7,9 повышенная обрывность проволоки 6 16 9,9 570 14 1200 8,5 повышенная обрывность проволоки 7 16 9,9 530 12 1200 8,5 значительный разброс механических свойств 8 16 12 550 10 1380 7,8   прототип   1   2,5 520 3,6 1210     2   6,5 510 2,8 1185                     * - усредненное значение

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, что в соответствии со способом по прототипу интенсивное охлаждение проводится при более низкой температуре в течении меньшего времени и на меньших диаметрах проволоки, при этом не достигается требуемое значение величины временного сопротивления разрыву. При увеличении температуры на малых диаметрах происходит сильный прогрев по сечению, что приведет к образованию мартенсита и соответственно к повышенной обрывности при волочении. При использовании таких режимов термообработки для больших диаметров не обеспечивается равномерный прогрев заготовки по сечению, не достигаются необходимые прочностные свойства готовой продукции.

Выбранная совокупность признаков в соответствии с заявляемом техническим решением позволяет сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.

Заявляемый способ может найти широкое применение при производстве высокопрочной проволоки диаметром 9-12 мм, обладающей повышенными прочностными свойствами, равномерно распределенными по сечению, и используемой для изготовления арматуры для железобетонных шпал.

Изобретение относится к металлургии, в частности к метизному производству, и может быть использовано при производстве из высокоуглеродистой стали проволоки больших диаметров, преимущественно 9-12 мм, предназначенной для изготовления, например, высокопрочной арматуры для железобетонных шпал. Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение в проволоке больших диаметров, содержащей до 0,8% С, высоких прочностных свойств (σ_в>1300 Н/мм²), равномерно распределенных по сечению. Достижение требуемого уровня прочностных свойств в получаемой высокопрочной проволоке больших диаметров из катанки диаметром 15-16 мм достигается за счет регламентации температурно-скоростных условий нагрева и интенсивного охлаждения катанки в процессе термообработки. При этом температуру интенсивного охлаждения поддерживают 550±10°С, а продолжительность выдержки при охлаждении катанки определяется соотношением T=740/(D*V), c, где D - диаметр катанки, мм; V - скорость перемещения катанки в процессе интенсивного охлаждения, м/с. 1 табл.

Способ получения арматурной проволоки из высокоуглеродистой стали, включающий термическую обработку заготовки путем нагрева до температуры выше А_{С 3} выдержки при этой температуре до завершения процесса аустенитизации, интенсивного охлаждения с последующей выдержкой в течение регламентированного времени в зависимости от диаметра обрабатываемой заготовки, дальнейшего спокойного охлаждения и волочение на требуемый размер арматурной проволоки, отличающийся тем, что в качестве заготовки используют катанку диаметром 15-16 мм, которую в процессе термической обработки после аустенизации подвергают интенсивному охлаждению до температуры 550±10°С с последующей выдержкой в этом диапазоне температур в течение времени, определяемого по формуле:
Т=740/D·V,
где Т - время выдержки, с;
D - диаметр катанки, мм;
V - скорость перемещения катанки в процессе интенсивного охлаждения в охлаждающей среде, м/с;
740 - эмпирический коэффициент, установленный опытным путем.