Способ изготовления полос 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.

Известен высокопрочный стальной прокат, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, медь, молибден, алюминий, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,2-0,65 Кремний 0,1-1,7 Марганец 0,15-0,9 Фосфор не более 0,02 Сера не более 0,015 Хром 0,1-2,0 Никель 0,7-2,2 Медь не более 0,5 Молибден 0,1-0,9 Алюминий 0,005-0,15,

при этом он имеет толщину от 1,5 до 50 мм, твердость 160-400 HB, структуру со средним размером зерна не более 8 баллов и размером неметаллических включений не более 4 баллов, а также глубину зоны общего обезуглероживания на каждую из сторон не более 3 %, прокатку осуществляют с суммарным обжатием не менее 80%, при этом температура начала прокатки составляет 980-1100°С, а температура конца прокатки составляет 880-950°С, после прокатки осуществляют смотку проката в диапазоне температур 650-750°С, после смотки осуществляют охлаждение рулонов со скоростью не более 5°С/мин (RU 2 761 572, МПК C22C 38/44, C21D 8/02, опубл. 10.12.2021).

Недостатком аналога является недостаточность у стальных полос 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 листов из конструкционной стали, включающий нагрев слябов, горячую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки и смотку в рулоны, отличающийся тем, что для повышения механических свойств смотанные рулоны замедленно охлаждают со средней скоростью 4-10°С/ч до температуры не выше 400°С, при этом температуру конца прокатки поддерживают равной 870-930°С, а охлаждение полос водой ведут до температуры 670-760°С, при этом конструкционная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод 0,10-0,15

Кремний 0,25-0,40

Марганец 0,52-0,80

Хром 0,8-1,2

Молибден 0,4-0,6

Сера Не более 0,010

Фосфор Не более 0,020

Никель Не более 0,30

Медь Не более 0,20

Алюминий Не более 0,02

Азот Не более 0,010

Мышьяк Не более 0,07

Железо Остальное (RU 2 255 124, МПК C21D 8/02, C22C 38/44, опубл. 27.06.2005).

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 полос таких характеристик, как прочность, вязкость и относительное удлинение, в частности не обеспечивается стабильный показатель предела текучести со значением превышающим 300 МПа при температуре 20°C и со значением превышающим 250 МПа при температуре 450°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 полос из конструкционной стали, способных выдерживать высокие температуры и давления, при изготовлении из указанных полос сосудов, работающих под давлением, обеспечив значение предела текучести свыше 300 МПа при температуре 20 °C и свыше 250 МПа при температуре 450 °C.

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

Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления полос из конструкционной стали включает изготовление непрерывной литой заготовки из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, азот, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, ее нагрев до температуры аустенизации, черновую и чистовую прокатку, смотку в рулон, согласно изобретению непрерывную литую заготовку изготавливают из стали, дополнительно содержащей медь, ванадий, ниобий 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,

нагрев до температуры аустенизации, составляющей 1150-1300 °C, осуществляют в течение не менее 2,5 часов и не более 4,5 часов, черновую прокатку заканчивают при температуре 1000-1170 °C, чистовую прокатку начинают при температуре 900-1100 °C и заканчивают при температуре 800-1000 °C, смотку полос в рулон осуществляют при температуре 650-770 °C с последующим охлаждением рулона до температуры не более 50 °C со скоростью 0,3-0,7 °C/мин.

В частности, изготавливают полосы из конструкционной стали толщиной 2,0-10,0 мм.

В частности, изготавливают полосы из конструкционной стали, имеющие при температуре 20 °C предел текучести не менее 295 МПа.

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

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

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

В частности, изготавливают полосы из конструкционной стали, имеющие при температуре 450 °C предел прочности не менее 290 МПа.

В частности, изготавливают полосы из конструкционной стали, имеющие при температуре 450 °C относительное удлинение не менее 15 %.

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

Для приобретения необходимой для полос конструкционной стали устойчивости к высоким температурам и давлениям необходимо, чтобы такая полоса из конструкционной стали содержала 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 стальной полосы 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 такой полосы. С другой стороны, применение С менее 0,04% приводит к тому, что получаемая стальная полосы 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 стальной полосы. Соответственно, содержание Si ограничивается величиной, которая находится в пределах диапазона от 0,10 до 0,50%.

Mn, как упрочняющий элемент, обеспечивает необходимую для полосы 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 стальной полосы, 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 полосы из 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 полос из конструкционной 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 полосы 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 данной полосе 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 полосы для изготовления изделий, работающих под давлением и при высоких температурах.

Полоса 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 полосы из конструкционной стали.

Нагрев сляба под прокатку осуществляют до температуры 1150 - 1300 °C (Тнагр) в течении не менее 2,5 часов, предпочтительно, не более 4,5 часов (Тv), а конец черновой прокатки осуществляют при температуре 1000 – 1170 °C (Ткп(черн)). При нагреве менее 1150 °C и/или в течении менее 2,5 часов сляб недостаточно нагревается, что приводит к повышенной неоднородности конечной микроструктуры и, как следствие, к неравномерности механических свойств в полосе. При температуре нагрева сляба свыше 1300 °C и/или в течении более 4,5 часов происходит рост аустентного зерна, что снижает прочность полосы из конструкционной стали и невозможности его применения при высоких температурах.

При температуре конца черновой прокатки, превышающей 1170°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 1000°С, в металле, приводит к повышенной неоднородности конечной микроструктуры проката и, как следствие, к неравномерности механических свойств в полосе.

Начало чистовой прокатки осуществляют при температуре 900 – 1100 °C (Тнп(чист)), а заканчивают при температуре 800 – 1000 °C (Ткп(чист)). Температура начала чистовой прокатки менее 900 °C не позволяет выдержать температуру конца чистовой прокатки более 800 °C, что приводит к ухудшению микроструктуры и пластических свойства полосы, что увеличивает нагрузки на оборудование при прокатке. Температура начала чистовой прокатки более 1100 °C приводит к росту зерна и не позволяет завершить чистовую прокатку при температуре ниже 1000 °C, что приводит к неравномерному росту аустенитных зерен, как следствие, к снижению прочности и стабильности механических свойств полосы из конструкционной стали и невозможности изготовления из них сосудов, работающих под давлением и высоких температурах.

После прокатки осуществляют смотку полос в рулон при температуре 650-770 °C (Тсмотк) и затем производят охлаждение рулона до температуры не более 50 °C со скоростью 0,3-0,7 °C/мин (Vохл).

Смотка полос ниже 650°С приводит к образованию в прокате закалочных структур и, как следствие этому к образованию, торцевых трещин при изготовлении сосудов. При температуре смотки выше 770°С пластичность полос из конструкционной стали повышается, однако это приводит к снижению ее прочности ниже допустимого уровня. При скорости охлаждения ниже 0,3 °С/мин до температуры не более 50 °C будет увеличиваться балл структурной полосчатости в металлопрокате, негативно сказывающийся на значения ударной вязкости ниже требуемого уровня. При скорости охлаждения выше 0,7 °С/мин до температуры не более 50 °C приводит к образованию закалочных структур и образованию торцевых трещин. Охлаждение рулона до температуры не более 50 °C необходимо для окончания завершения внутренних превращений в полосе из конструкционной стали.

Толщина h прокатанной полосы из конструкционной стали может находиться в диапазоне 2,0-10,0 мм, при этом при температуре 20 °C предел текучести σ_т полученной полосы не менее 295 МПа, предел прочности σ_в не менее 390 МПа и относительное удлинение ζ не менее 20%. При температуре испытания 450 °C предел текучести σ_т полученной полосы из конструкционной стали не менее 245 МПа, предел прочности σ_в не менее 290 МПа и относительное удлинение ζ не менее 15 %.

Примеры реализации способа.

Сталь выплавляли в электродуговой печи, разливали в непрерывные литые заготовки. Непрерывные литые заготовки нагревали до температуры аустенизации 1150 - 1300 °C в течении не менее 2,5 часов, предпочтительно, не более 4,5 часов и прокатывали на непрерывном широкополосном стане в полосы до конечной толщины 2,0-10,0 мм, конец черновой прокатки осуществляли при температуре 1000 – 1170 °C, начало чистовой прокатки осуществляли при температуре 900 – 1100 °C, а заканчивали при температуре 800 – 1000 °C, далее осуществляли смотку полос в рулон при температуре 650-770 °C и затем производили охлаждение рулона до температуры не более 50 °C со скоростью 0,3-0,7 °C/мин.

Химический состав полученных полос из конструкционной стали приведен в табл. 1, режимы производства полос в таблице 2, а их 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 Тv, час Ткп(черн), °C Тнп(чист), °C Ткп(чист), °C Т(смотк), °C Vохл, °C/мин 1 1150 4,5 1000 900 800 650 0,3 2 1234 4,3 1083 1048 941 765 0,5 3 1248 4,0 1076 1024 912 753 0,4 4 1243 3,7 1069 1002 883 747 0,3 5 1180 4,5 1020 934 832 670 0,4 6 1251 3,3 1053 971 852 692 0,5 7 1214 3,1 1161 990 887 712 0,4 8 1246 2,9 1113 1048 908 746 0,7 9 1272 2,7 1134 1081 979 758 0,6 10 1300 2,5 1150 1100 1000 770 0,7

Таблица 3

№ п/п h, мм При температуре испытания 20 °C При температуре испытания 450 °C σ_т, МПа σ_в, МПа ζ, % σ_т, МПа σ_в, МПа ζ, % 1 10,00 305 410 23 245 315 18 2 8,00 345 400 25 260 310 19 3 6,00 425 570 24 270 380 18 4 4,00 430 590 25 300 420 15 5 9,00 315 407 20 265 377 17,5 6 2,00 435 593 23 305 430 19 7 8,00 317 422 21 272 361 18,5 8 6,00 446 544 21 296 384 19 9 4,00 476 579 22 336 409 18 10 2,00 455 600 25 325 440 17

Из приведенных табл. 1-3 следует, что предложенный химический состав и режимы его производства обеспечивают получение полос из конструкционной стали, соответствующих заданным механическим свойствам. Таким образом создан способ изготовления полос из конструкционной стали, который позволяет произвести полосы, которые возможно применять для конструкций сосудов, работающих под давлением и при высоких температурах, в которых обеспечено значение предела текучести выше 305 МПа при температуре 20 °C и свыше 245 МПа при температуре 450 °C.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству полос из конструкционных сталей с высокими пластическими и прочностными свойствами. Способ включает изготовление непрерывной литой заготовки из конструкционной стали, ее нагрев до температуры аустенизации, черновую и чистовую прокатку и смотку в рулон. Непрерывную литую заготовку изготавливают из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, 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. Нагрев до температуры аустенизации, составляющей 1150-1300°C, осуществляют в течение не менее 2,5 часов и не более 4,5 часов. Черновую прокатку заканчивают при температуре 1000-1170°C. Чистовую прокатку начинают при температуре 900-1100°C и заканчивают при температуре 800-1000°C. Смотку полос в рулон осуществляют при температуре 650-770°C с последующим охлаждением рулона до температуры не более 50°C со скоростью 0,3-0,7 °C/мин. Обеспечиваются высокие механические свойства, позволяющие применять полосы из конструкционной стали при изготовлении корпусов сосудов, работающих в условиях высоких температур и под давлением. 5 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ изготовления полос из конструкционной стали, включающий изготовление непрерывной литой заготовки из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, азот, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, ее нагрев до температуры аустенизации, черновую и чистовую прокатку, смотку в рулон, отличающийся тем, что непрерывную литую заготовку изготавливают из стали, дополнительно содержащей медь, ванадий, ниобий 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,

нагрев до температуры аустенизации, составляющей 1150-1300°C, осуществляют в течение не менее 2,5 часов и не более 4,5 часов, черновую прокатку заканчивают при температуре 1000-1170°C, чистовую прокатку начинают при температуре 900-1100°C и заканчивают при температуре 800-1000°C, смотку полос в рулон осуществляют при температуре 650-770°C с последующим охлаждением рулона до температуры не более 50°C со скоростью 0,3-0,7°C/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают полосы из конструкционной стали толщиной 2,0-10,0 мм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают полосы из конструкционной стали, имеющие при температуре 20°C предел текучести не менее 295 МПа и предел прочности не менее 390 МПа.

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

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают полосы из конструкционной стали, имеющие при температуре 450°C предел текучести не менее 245 МПа и предел прочности не менее 290 МПа.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают полосы из конструкционной стали, имеющие при температуре 450°C относительное удлинение не менее 15%.