Способ производства горячекатаного проката Российский патент 2024 года по МПК B21B1/24 C21D8/02 C22C38/38 C22C38/58 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве проката, предназначенного для изготовления труб для нефте-газопроводов и для транспортировки воды.

Известен способ производства листового проката из низколегированной трубной стали, включающий выплавку стали, разливку на слябы, нагрев слябов до температуры аустенитизации, многопроходную черновую прокатку при единичных относительных обжатиях не менее 12%, подстуживание, многопроходную чистовую прокатку с последующим ускоренным охлаждением водой с температуры не менее 780°C, согласно которому выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,05-0,08, марганец 1,6-1,75, кремний 0,10-0,35, алюминий 0,02-0,05, хром 0,01-0,10, никель 0,15-0,30, медь 0,10-0,20, молибден 0,002-0,27, титан 0,015-0,030, ниобий 0,045-0,065, ванадий 0,003-0,030, азот 0,001-0,008, сера 0,001-0,005, фосфор 0,003-0,013, железо - остальное, при этом нагрев слябов осуществляют до температуры 1130-1180°C, черновую прокатку проводят при температуре 950-1070°C, чистовую прокатку - при температуре 790-850°C, а ускоренное охлаждение листового проката осуществляют со скоростью 16-26°C/с, при этом температуру конца ускоренного охлаждения устанавливают в диапазоне 530-600°C [Патент RU №2696186, МПК C21D 8/02, C22C 38/58, B21B 1/26, 2017].

Недостатком известного аналога является низкая производительность из-за длительных пауз для снижения температуры между черновой и чистовой стадиями прокатки.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства рулонного проката толщиной 8-20 мм из высокопрочной хладостойкой стали с феррито-бейнитной микроструктурой, включающий выплавку стали, непрерывную разливку, нагрев сляба, прокатку на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки в черновой и чистовой группах клетей, последующее ускоренное охлаждение, смотку полосы в рулон и ускоренное охлаждение рулона, согласно которому выплавляют сталь следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,03-0,010

Марганец 1,2-1,8

Кремний 0,1-0,5

Ниобий 0,01-0,10

Ванадий 0,05-0,10

Титан 0,005-0,04

Молибден не более 0,04

Хром не более 0,30

Никель не более 0,30

Медь не более 0,30

Алюминий 0,01-0,05

Азот 0,007-0,012

Сера не более 0,005

Фосфор не более 0,015

Железо остальное,

при этом суммарное содержание V+Nb+Ti≤0,15%, Сэ≤0,41%, нагрев сляба осуществляют до температуры 1190-1280°C, прокатку в группе черновых клетей ведут в области рекристаллизации аустенита с относительным обжатием 45-85% и охлаждают раскат со скоростью охлаждения 0,7÷1,8°C/с до температуры входа в чистовую группу клетей 980÷900°C, затем проводят прокатку в чистовой группе клетей в области отсутствия рекристаллизации с суммарной деформацией 60-80% и с завершением деформации в нижней части γ-области при температуре конца прокатки Ткп=Ar3+(30÷80)°C, а ускоренное охлаждение производят в две стадии, при этом на первой стадии полосу охлаждают со скоростью 4-12°C/с до температуры 530-670°C, а полосы на второй стадии охлаждают со скоростью 4,0-5,0°C/с до температуры смотки полосы в рулоны [Патент RU № 2549807, МПК C21D 8/02, C22C 38/38, C22C 38/40, B21B 1/26, 2015].

Недостатком данного способа является низкая скорость охлаждения после прокатки в следствии чего для получения механических свойств требуется более дорогое легирование, приводящее к удорожанию стали.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в разработке способа производства горячекатаного проката, предназначенного для труб нефте-газопроводов и водопроводов. Прокат по заявляемому изобретению должен характеризоваться следующими механическими свойствами: предел текучести 500-650 МПа, предел прочности 600-720 МПа, относительное удлинение не менее 22%, ударная вязкость по KCV при -20°С не менее 100 Дж/см², твердость не более 245 HV, DWTT при -20°С не менее 85%.

Технический результат достигается тем, что в способе производства горячекатаного проката, включающем выплавку стали, разливку стали с получением заготовки, ее аустенизацию, горячую прокатку, охлаждение и смотку полосы в рулон, выплавляют сталь, содержащую, мас. %:

Углерод 0,03-0,20

Кремний 0,09-0,75

Марганец 1,10-1,95

Сера не более 0,01

Фосфор не более 0,02

Хром не более 0,70

Никель не более 0,15

Медь не более 0,40

Алюминий 0,008-0,12

Молибден не более 0,09

Ванадий не более 0,015

Титан не более 0,06

Ниобий 0,01-0,10

Бор не более 0,0015

Кальций не более 0,01

Азот не более 0,025,

Железо

и неизбежные примеси остальное,

при этом полученный прокат состоит из не менее 80% феррита и до 20% бейнита и характеризуется размером зерна не более 10 баллов.

Аустенизацию заготовки осуществляют при температуре 1170-1280°С.

Чистовую прокатку начинают при температуре не более 1050°С и заканчивают при температуре 790-900°С, далее осуществляют охлаждение проката в два этапа, на первом со скоростью охлаждения 6-24°C/c, на втором со скоростью охлаждения 3-12°C/c до температуры смотки 400-600°С.

Полученный прокат соответствует следующим характеристикам: предел текучести 500-650 МПа, предел прочности 600-720 МПа, относительное удлинение не менее 22%, ударная вязкость по KCV при -20°С не менее 100 Дж/см², твердость не более 245 HV, DWTT при -20°С не менее 85%.

Сущность изобретения

Углерод - один из основных упрочняющих элементов. При содержании углерода менее 0,03% не достигаются требуемые прочностные характеристики после горячей прокатки. увеличение концентрации углерода выше 0,20% приводит к увеличению прочностных характеристик, но при этом сильно снижается пластичность металла.

Добавка кремния необходима для раскисления стали при выплавке. Для обеспечения необходимого уровня раскисленности его содержание должно быть не менее 0,09%. Увеличение содержания кремния более 0,7% приводит к повышению склонности стали к трещинообразованию.

Легирование стали марганцем в диапазоне 1,10-1,95% позволяет обеспечить оптимальную микроструктуру и требуемый уровень механических характеристик стали. При содержании марганца менее 1,10% снижается прочность и вязкость стали при отрицательных температурах. Содержание марганца более 1,95% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.

Для повышения чистоты стали по вредным примесям содержание серы, фосфора и азота строго регламентировано. Сталь предложенного состава содержит в виде примесей не более 0,010% серы, не более 0,020% фосфора и не более 0,025 азота. При заявленных предельных концентрациях эти элементы не оказывают заметного негативного воздействия на механические свойства горячекатаных листов, тогда как их удаление из расплава существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс.

Хром упрочняет сталь, но при концентрации более 0,7% имеет место падение пластичности полосы ниже допустимого уровня.

Никель увеличивает ударную вязкость и прокаливаемость стали, но содержание его в количестве более 0,15% экономически не целесообразно.

При увеличении содержания меди более 0,40% повышается вероятность образования «холодных» трещин, что ухудшает качество поверхности металлопроката и отрицательно влияет на свариваемость.

Содержание алюминия в заявленном диапазоне необходимо для минимизации риска образования большого числа силикатных алюминатных включений. Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании алюминия менее 0,008% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания алюминия более 0,12% приводит к графитизации углерода и снижению прочностных характеристик. При этом снижаются характеристики жаропрочности и ударной вязкости стали за счет дополнительного выделения на границе зерен нитридов алюминия.

Молибден сдерживает рост зерна в процессе кристаллизации и тем самым обеспечивает мелкозернистую однородную структуру. Микродобавки молибдена препятствуют выделению феррита по границам крупных зерен вблизи линии сплавления при сварке, что позволяет сохранить высокую вязкость сварных соединений. Содержание молибдена в количестве не превышающем 0,09% для заявляемой стали способствует получению требуемого уровня прочности и ударной вязкости стали.

Содержание ванадия более 0,015% приводит к ухудшению свариваемости стали и экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование.

При содержании титана более 0,06% увеличивается количество дефектов поверхности, что приводит к дополнительным трудозатратам.

Содержание ниобия в диапазоне 0,01-0,10% необходимо для ограничения роста аустенитного зерна при нагреве слябов под прокатку, повышения прочностных характеристик. Превышение указанного уровня приводит к наличию крупных карбонитридных включений, сконцентрированных преимущественно в осевой зоне проката, приводящие в свою очередь к снижению таких показателей коррозионной стойкости, как сероводородное и водородное растрескивание. Содержание ниобия менее 0,01% приводит к снижению прочностных характеристик.

Бор повышает прочность стали, а также измельчает микроструктуру. Увеличение содержания бора более 0,0015% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает ударную вязкость стали при отрицательных температурах.

Кальций вводят для модификации сульфидных неметаллических включений. Содержание кальция более 0,01% приведет к образованию большого количества включений - алюминатов кальция, что отрицательно скажется на хладостойкости и коррозионной стойкости стали. Содержание кальция в заявленных пределах обеспечивает получение сульфидов глобулярной формы, что способствует повышению уровня ударной вязкости при низких температурах.

Осуществляют аустенизацию с нагревом под прокатку до температур 1170 - 1280°С. Превышение верхней границы интервала стимулирует аномальный рост зерен аустенита, приводящего к снижению прочностных и вязкостных свойств. При не достижении нижней границы данного температурного интервала нагрева, карбонитриды растворяются в аустените не полностью, что оказывает негативное влияние на протекание процессов рекристаллизации, а также снижает прочностные и вязкостные свойства.

Чистовую прокатку начинают при температуре не более 1050°С и заканчивают при температуре 790-900°С. Температура начала чистовой прокатки в данном диапазоне необходима для более интенсивного измельчения зерна аустенита. При температуре начала чистовой прокатки более 1050°С и конца чистовой прокатки более 900°С формируется не оптимальный размер ферритного зерна, что снижает комплекс механических свойств. При температуре конца чистовой прокатки ниже 790°С происходит «подстуживание» раската, что приводит к неравномерной микроструктуре проката и высокой анизотропии свойств.

После чистовой прокатки осуществляют ускоренное охлаждение проката в два этапа. Скорость охлаждения на первом этапе 6,0-24,0°С/с до температуры 600-750°, при снижении скорости охлаждения в структуре наблюдается уменьшение доли бейнита и как следствие снижение прочностных характеристик проката, при повышении скорости охлаждения снижаются пластические характеристики проката. Охлаждение проката на втором этапе со скоростью 3,0-12,0°С/с до температуры смотки 460-600°С является оптимальным для завершающей стадии формирования микроструктуры и всего комплекса характеристик металлопроката. При увеличении скорости охлаждения свыше 12,0°С/с увеличится доля бейнита в микроструктуре и снизится пластичность металлопроката. При снижении скорости охлаждения ниже 3,0°С/с снижаются прочностные характеристики.

Микроструктура полученного проката состоит из не менее 80% феррита и до 20% бейнита с размером зерна не более 10 баллов. Данная структура достигается оптимально подобранными химическим составом в сочетании с разработанными технологическими режимами прокатки и охлаждения.

Примеры осуществления способа

Сталь выплавляли в конвертере, проводили внепечную обработку и производили разливку в слябы. После чего прокатывали слябы до конечной толщины 6-15 мм при температуре начала чистовой прокатки не более 1050°C и заканчивали чистовую прокатку при температуре 790-900°C. Затем осуществляли охлаждение проката в два этапа, на первом со скоростью охлаждения 6-24°C/c, на втором со скоростью охлаждения 3-12°C/c. После прокат сматывали в рулон при температуре 400-600°C.

В таблице 1 приведены химические составы выплавленных слябов с различным содержанием элементов. В таблице 2 приведены технологические параметры и механические свойства получаемого проката. Примеры 1-4 это примеры по предлагаемому изобретению, пример 5 по прототипу.

При соблюдении указанных диапазонов химического состава и технологических параметров (примеры №1-4) достигались следующие механические свойства проката: предел прочности 600-720 МПа, предел текучести 500-650 МПа, относительное удлинение не менее 22%, ударная вязкость по KCV при -20°С не менее 100 Дж/см², твердость не более 245 HV, DWTT при -20°С не менее 85% и наблюдалась феррито-бейнитная микроструктура с не менее 80% феррита и не более 20% бейнита.

При выполнении примера по прототипу (пример №5) были получены неудовлетворительные эксплуатационные свойства металлопроката.

Испытания показали, что использование предложенного способа производства проката с соблюдением указанных химического состава и параметров позволяет обеспечить высокие механические свойства проката (предел прочности 600-720 МПа, предел текучести 500-650 МПа, относительное удлинение не менее 22%, ударная вязкость по KCV при -20°С не менее 100 Дж/см², твердость не более 245 HV, DWTT при -20°С не менее 85%) и обеспечить хорошую хладостойкость.

Таблица 1

Химические составы стали

Плавка C Si Mn S P Cr Ni Cu Al Mo V Ti Nb B Ca N Железо и неизбежные примеси 1 0,11 0,10 1,30 0,004 0,01 0,15 0,13 0,35 0,034 0,075 0,006 0,019 0,072 0,001 0,009 0,020 остальное 2 0,09 0,65 1,45 0,003 0,009 0,70 0,09 0,10 0,040 0,060 0,003 0,016 0,046 0,0005 0,006 0,004 остальное 3 0,08 0,35 1,65 0,007 0,011 0,50 0,08 0,05 0,038 0,030 0,002 0,015 0,050 0,0002 0,001 0,007 остальное 4 0,15 0,40 1,70 0,006 0,015 0,30 0,10 0,20 0,020 0,045 0,0042 0,025 0,038 0,0008 0,003 0,005 остальное 5* 0,05 0,23 1,45 0,003 0,012 0,20 0,25 0,10 0,020 0,030 0,060 0,010 0,080 - 0,004 0,007 остальное

Таблица 2

Контролируемые параметры и получаемые механические свойства

Пример Контролируемые параметры Эксплуатационные свойства Микроструктура Размер зерна, балл Т_а, °С Т_нп, °С Т_кп, °С Vохл1, °С/с Vохл2, °С/с Тсм, °С σв, МПа σт, МПа δ, % KCV^-20, Дж/см² Твердость, HV DWTT^-20, % феррит, % бейнит, % 1 1200 1050 860 6 5 420 710 630 23 220 230 80 90 10 8 2 1190 990 820 12 3 405 680 620 25 250 220 90 95 5 9 3 1210 970 840 8 8 520 695 590 24 280 220 100 80 20 10 4 1240 985 870 16 6 550 715 605 23 310 240 60 85 15 7 5* 1190 980 835 4 4 600 580 500 22 180 250 100 75 25 11

Изобретение относится к способу получения высокопрочного проката. Осуществляют выплавку стали, содержащей, мас.%: 0,03-0,20 C, 0,09-0,75 Si, 1,1-1,95 Mn, не более 0,01 S, не более 0,02 P, не более 0,7 Cr, не более 0,15 Ni, не более 0,4 Cu, 0,008-0,12 Al, не более 0,09 Mo, не более 0,015 V, не более 0,06 Ti, 0,01-0,10 Nb, не более 0,0015 B, не более 0,01 Ca, не более 0,025 N, железо и неизбежные примеси – остальное. Осуществляют разливку стали с получением заготовки, аустенизацию, горячую прокатку, охлаждение и смотку полосы в рулон. Полученный прокат характеризуется структурой, содержащей не менее 80% феррита и до 20% бейнита, при этом размер зерна составляет не более 10 баллов. В результате получают прокат с пределом текучести 500-650 МПа, пределом прочности 600-720 МПа, относительным удлинением не менее 22%, ударной вязкостью по KCV при -20°С не менее 100 Дж/см², твердостью не более 245 HV, DWTT при -20°С не менее 85%. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ производства горячекатаного проката, включающий выплавку стали, разливку стали с получением заготовки, ее аустенизацию, горячую прокатку, охлаждение и смотку полосы в рулон, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:

Углерод 0,03-0,20 Кремний 0,09-0,75 Марганец 1,10-1,95 Сера не более 0,01 Фосфор не более 0,02 Хром не более 0,70 Никель не более 0,15 Медь не более 0,40 Алюминий 0,008-0,12 Молибден не более 0,09 Ванадий не более 0,015 Титан не более 0,06 Ниобий 0,01-0,10 Бор не более 0,0015 Кальций не более 0,01 Азот не более 0,025

Железо

и неизбежные примеси остальное,

при этом полученный прокат характеризуется структурой, содержащей не менее 80% феррита и до 20% бейнита, при этом размер зерна составляет не более 10 баллов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что аустенизацию заготовки осуществляют при температуре 1170-1280°С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что чистовую прокатку начинают при температуре не более 1050°С и заканчивают при температуре 790-900°С, далее осуществляют охлаждение проката в два этапа, на первом со скоростью охлаждения 6-24°C/c, на втором со скоростью охлаждения 3-12°C/c до температуры смотки 400-600°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокат имеет предел текучести 500-650 МПа, предел прочности 600-720 МПа, относительное удлинение не менее 22%, ударную вязкость по KCV при -20°С не менее 100 Дж/см², твердость не более 245 HV, DWTT при -20°С не менее 85%.