Способ изготовления листов из конструкционной стали Российский патент 2023 года по МПК C21D8/02 C22C38/48 C22C38/46 C22C38/44 C22C38/42 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству конструкционных сталей с высокими пластическими и прочностными свойствами, преимущественно для сосудов, работающих под давлением.

Известна конструкционная сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, ванадий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов:

Углерод 0,12-0,16 Марганец 0,50-0,80 Кремний 0,20-0,40 Хром 1,50-2,00 Никель 1,50-1,80 Молибден 0,20-0,40 Ванадий 0,07-0,12 Медь не более 0,30 Железо остальное

(RU 2 207 396, МПК C22C 38/46, опубл. 27.06.2003).

Недостатком аналога является недостаточность у стальных листов таких характеристик, как прочность, вязкость и относительное удлинение, что проявляется при применении стали для конструкций сосудов, работающих при высоких температурах и давлениях.

Наиболее близким аналогом является способ производства горячекатаного листа из низколегированной стали, включающий получение сляба, нагрев, последующую многопроходную реверсивную черновую и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки горячекатаного листа, отличающийся тем, что сляб получают из стали, имеющей следующий химический состав, мас. %:

Углерод 0,22-0,26 Кремний 0,30-0,40 Марганец 0,75-1,10 Алюминий 0,01-0,35 Хром не более 0,3 Никель не более 0,3 Медь не более 0,3 Ниобий 0,03-0,05 Сера не более 0,010 Фосфор не более 0,015 Азот не более 0,008 Титан не более 0,05 Ванадий не более 0,05 Железо и неизбежные примеси остальное,

при этом нагрев под прокатку осуществляют до температуры 1230-1250°С, черновую прокатку заканчивают при температуре не более 1000°С, чистовую прокатку ведут за 7-9 проходов и завершают в диапазоне температур 820-880°С с получением горячекатаного листа с феррито-перлитной структурой с размером зерна не крупнее 9 балла. (RU 2 613 262, МПК C21D 8/02, C22C 38/58, B21B 1/26 (2006.01), опубл. 15.03.2017).

Недостатком наиболее близкого аналога является низкая способность к выдерживанию температуры и давления, что проявляется при применении стали для конструкций сосудов, работающих при высоких температурах и давлениях и вызвано недостаточностью у стальных листов таких характеристик, как прочность, вязкость и относительное удлинение, в частности не обеспечивается стабильный показатель предела текучести со значением превышающим 200 МПа при температуре 500°C, что и не позволяет обеспечить стабильность при применение листов аналога в сосудах, работающих при высоких температурах.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является устранение недостатков аналогов.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа изготовления листов из конструкционной стали, способных выдерживать высокие температуры и давления, при изготовлении из указанных листов сосудов, работающих под давлением, обеспечив значение предела текучести свыше 200 МПа при температуре 500 °C.

Технический результат заключается в получении способа изготовления листов из конструкционной стали, способных выдерживать высокие температуры и давления, при изготовлении из указанных листов сосудов, работающих под давлением.

Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления листов из конструкционной стали включает изготовление непрерывной литой заготовки из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, ванадий, ниобий, алюминий, азот, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, ее нагрев до температуры аустенизации, черновую и чистовую прокатку, термообработку, согласно изобретению непрерывную литую заготовку изготавливают из стали, дополнительно содержащей молибден и, при необходимости бор, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

C 0,04 – 0,30;

Si 0,10 – 0,50;

Mn 0,20 – 0,90;

Cr 1,50 – 3,00;

Ni не более 0,4;

Cu не более 0,3;

Al не более 0,05;

V не более 0,06;

Nb не более 0,06;

Mo 0,4-1,0;

N не более 0,02;

S не более 0,02;

P не более 0,02;

при необходимости B не более 0,005;

железо и неизбежные примеси – остальное,

аустенизацию непрерывной литой заготовки осуществляют при температуре 1150-1300°C, черновую прокатку заканчивают при температуре 900-1100 °C, чистовую прокатку начинают при температуре 800-1050°C и заканчивают при температуре 730-990°C, далее осуществляют охлаждение листов на воздухе до температуры не более 50°C, после чего выполняют их термообработку, при которой производят нагрев до температуры 850-1000°C с выдержкой при указанной температуре в течение 20-90 минут, ускоренное охлаждение до температуры не более 350°C, нагрев до температуры 600-800°C и охлаждение листов на воздухе.

В частности, ускоренное охлаждение до температуры не более 350 °C осуществляют водой.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали толщиной 8,00-34,00 мм.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 20°C предел текучести не менее 275 МПа.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 20°C предел прочности не менее 390 МПа.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 20°C относительное удлинение не менее 18,0 %.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 450°C предел текучести не менее 245 МПа.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 450°C предел прочности не менее 345 МПа.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 450°C относительное удлинение не менее 17 %.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 510°C предел текучести не менее 215 МПа.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 510°C предел прочности не менее 295 МПа.

В частности, изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 510°C относительное удлинение не менее 16 %.

Создание способа изготовления листов из конструкционной стали с повышенными механическими свойствами, способных выдерживать высокие температуры и давления, при изготовлении из указанных листов сосудов, работающих под давлением обуславливает необходимость корректировки процентного соотношения компонентов состава и применения в нем легирующих компонентов.

Для приобретения необходимой для листа конструкционной стали устойчивости к высоким температурам и давлениям необходимо, чтобы такой лист из конструкционной стали содержал по меньшей мере 0,04% или более С, но не более 0,30% и не более 0,02% N.

Когда содержание С превышает 0,30% и/или N превышает 0,02%, проявляется тенденция к осаждению Cr, вследствие чего ухудшается устойчивость стального листа к высокотемпературному воздействию при высоком давлении. Кроме того, при изготовлении сосудов, применяются сварные швы и в зоне термического влияния при сварке происходит увеличение твердости, что также ухудшает ударную вязкость такого листа. С другой стороны, применение С менее 0,04% приводит к тому, что получаемый стальной лист обладает низкой прочность. Соответственно, величина содержания элемента С ограничивается диапазоном от 0,04 до 0,30%, а содержания элемента N ограничивается диапазоном до 0,02%.

Si является элементом, который используется как раскислитель, и для реализации обеспечиваемых Si преимуществ необходимо содержание Si в 0,10% или более. С другой стороны, когда содержание Si превышает 0,50%, ухудшается ударная вязкость горячекатаного стального листа. Соответственно, содержание Si ограничивается величиной, которая находится в пределах диапазона от 0,10 до 0,50%.

Mn, как упрочняющий элемент, обеспечивает необходимую для листа конструкционной стали прочность, кроме того, Mn также является элементом, стабилизирующим аустенит при высоких температурах. Для обеспечения возможности реализации такой функции необходимо установить содержание Mn в 0,2% или более. С другой стороны, когда содержание Mn превышает 0,9%, это не только не удовлетворяет условиям реализации обеспечиваемых Mn преимуществ, но и избыточное содержание Mn также ухудшает ударную вязкость стального листа, неблагоприятно влияет на качество поверхности, ухудшая удаление окалины на этапе производства, и увеличивает стоимость сплава. Соответственно, содержание Mn ограничивается величиной, которая находится в пределах диапазона от 0,2 до 0,9%.

Cr, Ni, и Cu обеспечивают увеличение прочности при повышенных температурах без потери пластичности, а никель еще и увеличивает ударную вязкость. Содержание в составе конструкционной стали Cr менее 1,50% приводит к недостаточной прочности стали и снижает её возможность выдерживать высокие температуры сосудов, работающих под давлением, а увеличение в содержание состава конструкционной стали Cr более 3,00% и Cu более 0,30% приводит к снижению вязкости стали, как следствие повышению хрупкости и ухудшению стойкости против температурного воздействия, а дополнительно к перерасходу легирующих материалов и, как следствие, к увеличению себестоимости стали, также как и содержание Ni более 0,40%. Соответственно, содержание Cr ограничивается величиной, которая находится в пределах диапазона от 1,50 до 3,00%, содержание Ni ограничивается величиной не более 0,40%, а содержание Cu ограничивается величиной не более 0,30%.

Al раскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании Al более 0,05% он связывает N, что ведет к снижению прочностных характеристик, ухудшая свойства конструкционной стали, в связи с чем его содержание в составе конструкционной стали должно быть не более 0,05%.

V ограничен верхним значением 0,06% для исключения вредного воздействия излишнего упрочнения из-за выделения нитридов, карбидов и карбонитридов этих элементов.

Верхний предел нормирования Al и V в составе конструкционной стали обусловлен предотвращением появления трещин на слябе, так как при превышении указанных значений высока вероятность их появления.

Nb повышает прочность и ударную вязкость конструкционной стали, измельчая зерно микроструктуры, что позволяет выдерживать изделиям, выполненным из этой стали высокие температуры и давление. Увеличение содержания ниобия более 0,06% нецелесообразно, так как значением до указанного в составе стали уже будет достигнуты необходимые ее свойства, а повышение указанной границы не ведет к дальнейшему улучшению свойств, а лишь увеличивает расход легирующих материалов.

Введение Mo в количестве 0,40-1,00 мас. % повышает теплоустойчивость стали. Предел Mo менее 0,40% не обеспечивает однородную структуру и необходимую прочность листа из конструкционной стали, а предел Mo более 1,00% приводит к хрупкости металла при воздействии на него высоким давлением и температурой а также при горячей прокатке проявляется шероховатость поверхности, поэтому качество поверхности очень сильно ухудшается.

S и P в данном листе из конструкционной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть нормирована. Содержание S и P в составе ограничено пределом не превышающим 0,02%, в противном случае при применении предела свыше происходит охрупчивание стали и невозможности применения листа для изготовления изделий, работающих под давлением и при высоких температурах.

Лист из конструкционной стали может содержать B для стабилизирования карбидов и придания стали необходимой твердости. Пределы бора ограничены значением не более 0,005%, превышение которых приведет к ухудшению свойств листа из конструкционной стали.

Нагрев сляба под прокатку осуществляют до температуры 1150 - 1300 °C (Тнагр), а конец черновой прокатки осуществляют при температуре 900 – 1100 °C (Ткп(черн)). При нагреве менее 1150 °C сляб недостаточно нагревается, что приводит к повышенной неоднородности конечной микроструктуры и, как следствие, к неравномерности механических свойств в листе. При температуре нагрева сляба свыше 1300 °C происходит рост аустентного зерна, что снижает прочность листа из конструкционной стали и невозможности его применения при высоких температурах.

При температуре конца черновой прокатки, превышающей 1000°С, в металле происходит рост аустенитного зерна перед чистовой прокаткой, который не способствует получению структуры готового проката, гарантирующей весь комплекс свойств. Рост аустенитного зерна объясняется собирательной и динамической рекристаллизацией. При температуре конца черновой прокатки, менее 900°С, в металле, приводит к повышенной неоднородности конечной микроструктуры проката и, как следствие, к неравномерности механических свойств в листе.

Начало чистовой прокатки осуществляют при температуре 800 – 1050 °C (Тнп(чист)), а заканчивают при температуре 730 – 990 °C (Ткп(чист)). Температура начала чистовой прокатки менее 800 °C не позволяет выдержать температуру конца чистовой прокатки более 730 °C, что приводит к ухудшению микроструктуры и пластических свойства листа, что увеличивает нагрузки на оборудование при прокатке. Температура начала чистовой прокатки более 1050 °C приводит к росту зерна и не позволяет завершить чистовую прокатку при температуре ниже 990 °C, что приводит к неравномерному росту аустенитных зерен, как следствие, к снижению прочности и стабильности механических свойств листа из конструкционной стали и невозможности изготовления из них сосудов, работающих под давлением и высоких температурах.

После прокатки осуществляют охлаждение листов на воздухе до температуры не более 50 °C, после чего выполняют его термообработку, при которой производят нагрев листов до температуры 850 – 1000 °C (Т1). При температуре нагрева менее 850°С в структуре листа из конструкционной стали не произойдут фазовые превращения, что снизит механические его свойства, а температура более 1000 °С вызовет рост зерна в структуре металла, что понизит прочность и ударную вязкость.

Предпочтительным является выдерживание листов из конструкционной стали при температуре 850 – 1000 °C в течении 20 – 90 минут (Твыдерж), по причине того, что время выдержки менее 20 минут не обеспечивает завершения прохождения фазовых превращений в структуре листа, время выдержки более 90 экономически нецелесообразно, так как в пределе этого времени все фазовые превращения будут завершены.

Затем проводят ускоренное охлаждение до температуры не более 350 °C. Это необходимо для обеспечения оптимальной однородной структуры по всей толщине проката. Ускоренное охлаждение до температуры не более 350 °C, предпочтительно осуществляют водой.

После осуществляют повторный нагрев до температуры 600 – 800 °C (Т2) и производят охлаждение листов на воздухе. Это связано с тем, что при температуре менее 600°С лист может сохранять высокие напряжения и возможно появление трещин на нем, а при температуре более 800 °С снимутся большие внутренние напряжения, но снизится прочность и теплоустойчивость изделия.

Толщина h прокатанного листа из конструкционной стали может находиться в диапазоне 8,00-34,00 мм, при этом при температуре 20 °C предел текучести σ_т полученного листа не менее 275 МПа, предел прочности σ_в не менее 390 МПа и относительное удлинение ζ не менее 18 %. При температуре испытания 450 °C предел текучести σ_т полученного листа из конструкционной стали не менее 245 МПа, предел прочности σ_в не менее 345 МПа и относительное удлинение ζ не менее 17 %. При температуре испытания 510 °C предел текучести σ_т полученного листа из конструкционной стали не менее 215 МПа, предел прочности σ_в не менее 295 МПа и относительное удлинение ζ не менее 16 %.

Примеры реализации способа.

Сталь выплавляли в электродуговой печи, разливали в непрерывные литые заготовки. Непрерывные литые заготовки нагревали до температуры аустенизации 1150 - 1300 °C и прокатывали на толстолистовом стане в листы до конечной толщины 8-34,0 мм, конец черновой прокатки осуществляли при температуре 900 – 1100 °C, начало чистовой прокатки осуществляли при температуре 800 – 1050 °C, а заканчивали при температуре 730 – 990 °C, далее листы охлаждали на воздухе до температуры не более 50 °C, далее осуществляли термообработку, при которой производили нагрев листов до температуры 850 – 1000 °C, затем производили ускоренное охлаждение до температуры не более 350 °C, после чего осуществляли повторный нагрев до температуры 600 – 800 °C и производили охлаждение листов на воздухе.

Химический состав полученных листов из конструкционной стали приведен в табл. 1, режимы производства листового проката в таблице 2, а его полученные механические свойства приведены в таблице 3.

Таблица 1

№ п/п C Si Mn Cr Ni Cu Al V Nb Mo N S P Fe и неизб. примеси 1 0,04 0,10 0,2 3,0 0,1 0,1 0,005 0,06 0,02 0,4 0,02 0,002 0,005 Ост. 2 0,06 0,17 0,4 2,5 0,2 0,1 0,03 0,04 0,02 0,8 0,01 0,005 0,004 Ост. 3 0,07 0,24 0,5 2,4 0,3 0,1 0,05 0,05 0,04 0,7 0,008 0,004 0,006 Ост. 4 0,09 0,31 0,6 2,2 0,2 0,2 0,03 0,02 0,03 0,6 0,006 0,006 0,005 Ост. 5 0,10 0,2 0,3 2,7 0,2 0,1 0,02 0,05 0,02 0,5 0,015 0,003 0,007 Ост. 6 0,12 0,37 0,7 2,0 0,1 0,3 0,04 0,03 0,05 0,8 0,01 0,006 0,006 Ост. 7 0,15 0,39 0,4 2,4 0,2 0,2 0,03 0,04 0,04 0,6 0,01 0,007 0,008 Ост. 8 0,21 0,41 0,5 2,1 0,3 0,2 0,04 0,03 0,05 0,7 0,008 0,012 0,012 Ост. 9 0,26 0,48 0,7 1,8 0,4 0,3 0,04 0,02 0,06 0,9 0,005 0,016 0,017 Ост. 10 0,30 0,50 0,9 1,5 0,4 0,3 0,05 0,01 0,06 1,0 - 0,02 0,02 Ост.

Таблица 2

№ п/п Тнагр, °C Ткп(черн), °C Тнп(чист), °C Ткп(чист), °C Т1, °C Т(выдеж), мин Т2, °C 1 1150 900 800 730 850 20 600 2 1234 1043 1010 901 945 89 743 3 1248 1015 993 892 955 50 740 4 1243 990 957 883 949 32 735 5 1180 945 842 784 888 35 650 6 1251 983 941 842 948 28 745 7 1214 997 890 832 911 51 702 8 1246 1020 918 857 956 66 756 9 1272 1078 961 908 985 72 779 10 1300 1100 1050 990 1000 90 800

Таблица 3

№ п/п h, мм При температуре испытания 20 °C При температуре испытания 450 °C При температуре испытания 510 °C σ_т, МПа σ_в, МПа ζ, % σ_т, МПа σ_в, МПа ζ, % σ_т, МПа σ_в, МПа ζ, % 1 34,00 275 395 22 255 375 20 225 305 17 2 34,00 345 400 30 260 355 19 230 300 16,5 3 16,00 425 570 24 270 380 18 232 315 17 4 10,00 430 590 25 300 420 20 268 340 19 5 25,00 394 507 18 365 370 17,5 234 317 16 6 8,00 435 593 23 405 490 19 270 415 18 7 18,00 417 522 19 262 361 18,5 249 331 16,5 8 16,00 436 562 21 296 384 19 271 338 18 9 12,00 376 479 22 336 409 21 307 375 19 10 8,00 455 600 25 409 496 22 291 426 20

Из приведенных табл. 1-3 следует, что предложенный химический состав и режимы его производства обеспечивают получение листов из конструкционной стали, соответствующих заданным механическим свойствам. Таким образом создан способ изготовления листов из конструкционной стали, который позволяет произвести листы, которые возможно применять для конструкций сосудов, работающих под давлением и при высоких температурах, в которых обеспечено значение предела текучести выше 225 МПа при температуре 510 °C.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству листового проката из конструкционных сталей, используемого для изготовления корпусов сосудов, работающих в условиях высоких температур и под давлением. Изготавливают непрерывную литую заготовку из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении компонентов, мас.%: C 0,04–0,30, Si 0,10–0,50, Mn 0,20–0,90, Cr 1,50–3,00, Ni не более 0,40, Cu не более 0,30, Al не более 0,05, V не более 0,06, Nb не более 0,06, Mo 0,40-1,0, N не более 0,02, S не более 0,02, P не более 0,02, при необходимости B не более 0,005, остальное - железо и неизбежные примеси. Нагревают непрерывную литую заготовку до температуры аустенизации, составляющей 1150-1300°C. Проводят горячую прокатку упомянутой заготовки, при этом черновую прокатку заканчивают при температуре 900-1100°C, чистовую прокатку начинают при температуре 800-1050°C и заканчивают при температуре 730-990°C. Осуществляют охлаждение листов на воздухе до температуры не более 50°C, после чего выполняют их термообработку. В процессе термообработки производят нагрев до температуры 850-1000°C с выдержкой при указанной температуре в течение 20-90 минут, ускоренное охлаждение до температуры не более 350°C, нагрев до температуры 600-800°C и охлаждение листов на воздухе. Обеспечиваются высокие механические свойства. 6 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ изготовления листов из конструкционной стали, включающий изготовление непрерывной литой заготовки из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, ванадий, ниобий, алюминий, азот, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, ее нагрев до температуры аустенизации, черновую и чистовую прокатку, термообработку, отличающийся тем, что непрерывную литую заготовку изготавливают из стали, дополнительно содержащей молибден и при необходимости бор, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

C 0,04-0,30 Si 0,10-0,50 Mn 0,20-0,90 Cr 1,50-3,00 Ni не более 0,40 Cu не более 0,30 Al не более 0,05 V не более 0,06 Nb не более 0,06 Mo 0,40-1,0 N не более 0,02 S не более 0,02 P не более 0,02 при необходимости B не более 0,005 железо и неизбежные примеси остальное,

аустенизацию непрерывной литой заготовки осуществляют при температуре 1150-1300°C, черновую прокатку заканчивают при температуре 900-1100°C, чистовую прокатку начинают при температуре 800-1050°C и заканчивают при температуре 730-990°C, далее осуществляют охлаждение листов на воздухе до температуры не более 50°C, после чего выполняют их термообработку, при которой производят нагрев до температуры 850-1000°C с выдержкой при указанной температуре в течение 20-90 минут, ускоренное охлаждение до температуры не более 350°C, нагрев до температуры 600-800°C и охлаждение листов на воздухе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ускоренное охлаждение до температуры не более 350°C осуществляют водой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают листы из конструкционной стали толщиной 8,00-34,00 мм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 20°C предел текучести не менее 275 МПа и предел прочности не менее 390 МПа.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 20°C относительное удлинение не менее 18,0%.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 450°C предел текучести не менее 245 МПа и предел прочности не менее 345 МПа.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают листы из конструкционной стали, имеющие при температуре 450°C относительное удлинение не менее 17,0%.