Способ производства рулонного горячекатаного полосового стального проката толщиной 2-16 мм Российский патент 2023 года по МПК C21D8/02 C22C38/58 B21B1/26 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве горячекатаной рулонной стали для изготовления сварных металлических конструкций и изделий строительного назначения.

Известен способ производства горячекатаного широкополосного рулонного проката из стали марки S355MC, включающий прокатку, ускоренное охлаждение и смотку полос в рулоны, где сталь содержит компоненты в заданных соотношениях, при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне Ar₃÷(Ar₃-30)°C, температуру смотки - ниже Ar₁ на 100÷150°C, а определяют Ar₃ и Ar₁ из уравнений, в зависимости от содержания в стали углерода, кремния, марганца, хрома и никеля, мас.%. [Патент RU № 2516212, МПК C21D 8/02, C22C 38/38, B21B 1/26, 2014].

Недостатком этого способа является низкое содержание углерода, что не обеспечивает достаточных прочностных свойств и требуемого уровня физико-механических свойств проката.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства рулонов полос горячекатаной стали толщиной 8-16 мм с содержанием углерода 0,14-0,20%, включающий нагрев сляба под горячую прокатку, прокатку его в черновой и чистовой непрерывной группах клетей широкополосного стана с температурой конца прокатки 780-840°С, охлаждение полосы водой на отводящем рольганге с последующей смоткой в рулон, при этом температуру конца прокатки в черновой группе клетей в зависимости от конечной толщины полосы устанавливают равной 1030-1100°С [Патент RU № 2351413, МПК B21B 1/26, 2009].

Недостатком данного способа является сложность обеспечения требуемого уровня физико-механических свойств горячекатаных полос.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является разработка технологии производства хорошо свариваемого, горячекатаного проката толщиной 2-16 мм с заданным комплексом физико-механических свойств (предел текучести не менее 355 МПа, предел прочности не менее 470 МПа, относительное удлинение не менее 20%).

Поставленная задача достигается тем, что в способе производства рулонного горячекатаного полосового стального проката толщиной 2-16 мм, включающем выплавку стали в сталеплавильном агрегате, выпуск стали в сталь-ковш, внепечную обработку, разливку, горячую прокатку путем черновой и чистовой прокатки с получением горячекатаных полос и их смотку в рулоны, согласно изобретения выплавляют сталь, содержащую следующие компоненты, мас. %:

Углерод 0,1-0,2

Марганец 1,1-1,9

Кремний не более 0,05

Сера не более 0,01

Фосфор не более 0,015

Хром 0,05-0,3

Никель 0,05-0,3

Медь 0,05-0,3

Алюминий 0,02-0,1

Ниобий 0,005-0,05

Титан 0,005-0,05

Азот не более 0,01,

при этом углеродный эквивалент не более 0,45%,

чистовую прокатку начинают при температуре 950-1050°С и заканчивают при температуре до 915°С, а смотку горячекатаных полос в рулоны осуществляют при температуре до 700°С.

Средний балл неметаллических включений в структуре рулонного горячекатаного полосового стального проката по каждому виду включений не превышает 2,5.

Сталь имеет предел текучести не менее 355 МПа, предел прочности 470-630 МПа, относительное удлинение не менее 20%, ударную вязкость не менее 27 Дж/см².

Выплавляемая сталь, дополнительно может содержать РЗМ в количестве не более 0,001 мас.%.

Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.

Сущность заявляемого технического решения заключается в оптимизации химического состава стали и параметров температурного режима прокатки и смотки для полосовой стали, что позволяет получать горячекатаную сталь с заданными физико-механическими свойствами.

Выбранные пределы содержания углерода (0,1÷0,2%) в сочетании с марганцем (1,1÷1,9%), никелем и медью (0,05÷0,3% каждого) обеспечивают получение феррито-перлитной структуры, позволяют достичь высоких значений предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, а также улучшить свариваемость. Содержание углерода более 0,2% ухудшает свариваемость, способствует образованию горячих и холодных трещин. При содержании углерода менее 0,1% и марганца менее 1,1% сталь является недостаточно прочной. При содержании марганца более 1,9% заметно снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам, увеличивается отношение предела текучести к пределу прочности, а также ухудшается стойкость металла в зоне термического влияния сварного шва ввиду формирования ликвационных дефектов.

Заявленные содержания кремния (не более 0,05%) и алюминия (0,02÷0,1%) обеспечивают необходимую чистоту стали по неметаллическим включениям. Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость, содержание кремния не более 0,05% обеспечивает достаточные прочностные характеристики стали.

Сера и фосфор являются вредными примесями, которые снижают весь комплекс свойств стали. Фосфор придает стали хладноломкость - хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а сера - горячеломкость (красноломкость) - хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Фосфор способствует снижению уровня ударной вязкости стали при пониженных температурах, повышая порог хладноломкости. Содержание серы не более 0,01% и фосфора не более 0,015% необходимо для получения высоких значений ударной вязкости и сопротивления металла хрупкому разрушению при отрицательных температурах.

При содержании хрома и никеля более 0,3% сталь имеет чрезмерную твердость, снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам, а также происходит удорожание стали.

Заявленное содержание меди (0,05÷0,3%) повышает прочность без ухудшения ударной вязкости стали, способствуя предотвращению образования горячих трещин в рулонном прокате. При содержании меди свыше 0,3% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.

Для эффективного раскисления стали, улучшения ударной вязкости стали необходимо содержание алюминия 0,02÷0,10%. При содержании алюминия более 0,10% увеличивается количество неметаллических включений в стали, что ведет к снижению ее пластичности и стойкости к ударным нагрузкам.

При содержании ниобия более 0,05% повышается склонность стали к охрупчиванию.

Титан способствует измельчению структуры, а также является раскислителем стали. При содержании титана менее 0,005% сталь является недостаточно раскисленной, снижается ее прочность, а также повышается чувствительность к перегреву. Верхний предел его содержания ограничен 0,05%, поскольку добавление больших количеств титана приводит к значительному ухудшению ударной вязкости и сопротивлению хрупкому разрушению из-за образования карбидов титана.

Верхний предел содержания азота в стали ограничен 0,01%, поскольку большее значение оказывает отрицательное влияние на ударную вязкость и хладостойкость металла.

Ограничение углеродного эквивалента С_экв≤0,45 мас.% способствует улучшению свариваемости горячекатаного металлопроката. При С_экв>0,45% снижается способность стали к сварке, и в результате металл сварного шва становится менее пластичным и более склонным к хрупкому разрушению.

Заявленные температуры начала, конца горячей прокати и температуры смотки определены экспериментальным путем и позволяют повысить предел текучести и прочности при сохранении стабильного значения по относительному удлинению.

Температура начала чистовой прокатки 950-1050°C необходима для подавления рекристаллизации и обеспечения условий для измельчения зерна. При снижении температуры менее 950°C происходит существенный рост нагрузок на оборудование стана, при увеличении температуры более 1050°C эффективность чистовой прокатки существенно снижается в виду интенсивности диффузионных процессов.

Снижение температуры конца чистовой прокатки ниже 915 °С и повышение температуры смотки выше 700 °С приводит к значительному снижению скорости охлаждения и увеличению зерна феррита, что в свою очередь ведёт к снижению прочностных характеристик и неудовлетворительному качеству металлопроката.

Обеспечение среднего балла неметаллических включений в стали не более 2,5 позволяет добиться улучшения комплекса механических свойств стали: предела прочности, текучести и удлинения.

Редкоземельные металлы (РЗМ) обладают эффективной раскислительной и десульфурирующей способностью, улучшают качество стали. Увеличение содержания РЗМ более 0,001 % не приводит к дальнейшему улучшению механических свойств стали.

Изобретение поясняется результатами экспериментов (таблица 1, таблица 2).

В таблице 1 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов. В таблице 2 представлены параметры прокатки и контролируемые параметры сталей. Балл неметаллических включений в проведенных экспериментах составлял 2,0. РЗМ, в количестве 0,0008 % присутствовали в стали в 4 и 5 экспериментах.

Пример осуществления способа.

На широкополосном стане 2000 горячей прокатки прокатывали сталь с содержанием 0,1-0,2 мас.% углерода, 0,05% кремния, 1,1-1,9% марганца, 0,05-0,3% хрома, 0,05-03% никеля, серы 0,01%, фосфора 0,015%, алюминия 0,02-0,1%, меди 0,05-0,3%, титана 0,005-0,05%, азота 0,01, ниобия 0,005-0,05%.

Сляб, нагретый до требуемой температуры 1200-1250 °С (температура начала черновой прокатки), поступает на широкополосный стан горячей прокатки. После прокатки в черновой группе клетей широкополосного стана с температурой 950-1050°С раскат направляется по промежуточному рольгангу в чистовую непрерывную группу клетей. При этом в зависимости от требуемой конечной толщины полосы единичные относительные обжатия в каждой клети чистовой группы стана поддерживали в диапазоне от 9% до 15%. Температуру конца прокатки полосы в последнем чистовом проходе группы устанавливали до 915°С. После этого горячекатаная полоса по отводящему рольгангу, на котором осуществляют дифференцированное охлаждение поверхности полосы душирующими устройствами, направляется к моталкам второй группы, где сматывается в рулон при температуре 700°С. В случае превышения температуры начала, конца прокати и смотки, относительно заявленных значений, предел прочности превысит допустимые значения (630 МПа), а относительное удлинение будет ниже минимального значения (20%).

Заявляемая технология производства рулонов горячекатаной стали позволяет обеспечить получение в горячекатаной полосе толщиной 2-16 мм следующих физико-механических свойств после нормализации: предел текучести σ_т - не менее 355 МПа, временное сопротивление разрыву σ_в - 470-630 МПа, относительное удлинение δ не менее 20%, ударная вязкость: KCV-20°С не менее 27 Дж/см².

Таким образом, предложенный способ производства позволяет производить горячекатаный рулонный прокат с заданными физико-механическими свойствами. Экспериментальным путем подтверждено, что полученные физико-механических свойства стали повышают долговечность и стойкость деталей, изготовленных из них. Сталь обладает удовлетворительной свариваемостью, металл в зоне сварного шва отвечает необходимым требованиям к стальным строительным конструкциям в соответствии с ГОСТ 23118-99.

Таблица 1
Химические составы сталей № примера Содержание химических элементов, % C Si Mn P S Cr Ni Cu Al N2 Ti Nb 1 0,143 0,024 1,52 0,01 0,0035 0,161 0,119 0,119 0,03 0,0068 0,011 0,027 2 1,117 0,024 1,51 0,09 0,0053 0,085 0,067 0,067 0,031 0,0068 0,023 0,026 3 0,136 0,019 1,53 0,01 0,0062 0,158 0,122 0,136 0,027 0,007 0,012 0,025 4 0,144 0,023 1,45 0,01 0,0082 0,145 0,112 0,121 0,037 0,0066 0,015 0,025 5 0,141 0,013 1,47 0,01 0,011 0,145 0,121 0,129 0,034 0,006 0,015 0,025

Таблица 2
Технологические параметры прокатки горячекатаной полосы из стали марки S355JR и S355J2 № примера Толщина, мм Контролируемые параметры Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % Ударная вязкость, Дж/см² Температура начала прокатки, °С Температура конца прокатки, °С Температура смотки, °С Г/к после N Г/к после N Г/к после N Г/к после N 1 16 415 389 547 515 25 28 1066 905 651 Прототип 16 н/д 305 н/д 450 н/д 19 н/д 21 1040 1080 н/д 2 12 413 370 521 481 26 31 1103 914 659 Прототип 12 н/д 320 н/д 480 н/д 23 н/д 27 1050 1090 н/д 3 10 432 387 544 506 27 31 1087 907 651 Прототип 10 н/д 320 н/д 470 н/д 23 н/д 26 1060 1100 н/д 4 8 442 400 547 504 27 30 1101 903 648 Прототип 8 н/д 360 н/д 500 н/д 28 н/д 29 1000 1050 н/д 5 5 469 424 555 525 26 28 1114 906 648

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве горячекатаной рулонной стали для изготовления сварных металлических конструкций и изделий строительного назначения. Способ производства рулонного горячекатаного полосового стального проката толщиной 2-16 мм включает выплавку стали в сталеплавильном агрегате, выпуск стали в сталь-ковш, внепечную обработку, разливку, горячую прокатку путем черновой и чистовой прокатки с получением горячекатаных полос и их смотку в рулоны. Выплавляют сталь, содержащую, мас.%: углерод 0,1-0,2, марганец 1,1-1,9, кремний не более 0,05, сера не более 0,01, фосфор не более 0,015, хром 0,05-0,3, никель 0,05-0,3, медь 0,05-0,3, алюминий 0,02-0,1, ниобий 0,005-0,05, титан 0,005-0,05, азот не более 0,01, при этом углеродный эквивалент - не более 0,45%. Чистовую прокатку начинают при температуре 950-1050°С и заканчивают при температуре до 915°С. Смотку горячекатаных полос в рулоны осуществляют при температуре до 700°С. Получают прокат с заданным комплексом физико-механических свойств: предел текучести - не менее 355 МПа, предел прочности - не менее 470 МПа, относительное удлинение - не менее 20%. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Способ производства рулонного горячекатаного полосового стального проката толщиной 2-16 мм, включающий выплавку стали в сталеплавильном агрегате, выпуск стали в сталь-ковш, внепечную обработку, разливку, горячую прокатку путем черновой и чистовой прокатки с получением горячекатаных полос и их смотку в рулоны, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:

Углерод 0,1-0,2 Марганец 1,1-1,9 Кремний не более 0,05 Сера не более 0,01 Фосфор не более 0,015 Хром 0,05-0,3 Никель 0,05-0,3 Медь 0,05-0,3 Алюминий 0,02-0,1 Ниобий 0,005-0,05 Титан 0,005-0,05 Азот не более 0,01,

при этом углеродный эквивалент - не более 0,45 мас.%,

чистовую прокатку начинают при температуре 950-1050°C и заканчивают при температуре до 915°С, а смотку горячекатаных полос в рулоны осуществляют при температуре до 700°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что средний балл неметаллических включений в структуре рулонного горячекатаного полосового стального проката по каждому виду включений не превышает 2,5.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сталь имеет предел текучести не менее 355 МПа, предел прочности 470-630 МПа, относительное удлинение не менее 20%, ударную вязкость не менее 27 Дж/см².

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выплавляют сталь, дополнительно содержащую РЗМ в количестве не более 0,001 мас.%.