способ производства высокопрочной толстолистовой стали

Формула изобретения

Способ производства высокопрочной толстолистовой стали, включающий непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку листов в регламентированном температурном интервале, закалку водой и отпуск, отличающийся тем, что непрерывной разливке подвергают сталь следующего химического состава, мас.%:

углерод	0,13-0,18
кремний	0,40-0,60
марганец	0,70-0,90
хром	1,3-1,6
алюминий	0,02-0,07
ниобий	0,03-0,06
титан	0,01-0,06
кальций	0,002-0,030
никель	не более 0,30
медь	не более 0,30
азот	не более 0,010
железо и примеси	остальное

при этом отлитые слябы перед нагревом подвергают отжигу при температуре 640-660°C, нагрев слябов производят до температуры 1200-1260°C и подвергают горячей прокатке в температурном интервале до 870-950°C.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении высокопрочной листовой стали толщиной 8,0-40,0 мм для изготовления платформ и других тяжело нагруженных деталей грузовых автомобилей, работающих в условиях Крайнего Севера.

При изготовлении упомянутых сварных конструкций транспортных и горнодобывающих машин используют термоулучшенный горячекатаный листовой прокат. Горячекатаные листы после термического улучшения должны сочетать высокую прочность, вязкость при отрицательных температурах и стойкость против абразивного износа. Требуемый комплекс свойств горячекатаных листов в состоянии поставки приведен в табл.1.

Известен способ производства высокопрочной низколегированной стали, включающий изготовление слябов, их нагрев до температуры 1000-1180°C, многопроходную горячую прокатку с температурой конца прокатки Т_кп=950°C в листы конечной толщины. Горячекатаные листы затем нагревают со скоростью не менее 25°C/мин, закаливают водой и подвергают отпуску [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что горячекатаные листы после термического улучшения (закалки с отпуском) имеют низкие вязкостные свойства и недостаточную прочность.

Известен также способ производства высокопрочных листов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры не выше 1150°C и горячую прокатку за несколько проходов с суммарным обжатием не менее 30% и с температурой конца прокатки 900-950°C. Горячекатаные листы нагревают до температуры Ac₃÷1000°C и закаливают, после чего подвергают отпуску при температуре 200-400°C и охлаждают водой [2].

Недостатки данного способа состоят в том, что готовые листы имеют низкие вязкостные свойства. Кроме того, колебания содержаний химических элементов в стали оказывают существенное влияние на уровень и стабильность механических свойств, что снижает выход годного.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали, включающий разливку стали в слябы, их нагрев до 1230°C, многопроходную горячую прокатку в листы в регламентированном температурном диапазоне, закалку водой и отпуск, согласно которому горячую прокатку осуществляют с суммарным относительным обжатием не менее 50% и завершают при температуре 830-950°C, закалку листов осуществляют от температуры 850-940°C, а отпуск ведут при температуре 600-690°C, причем сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,13-0,18
Кремний	0,4-0,7
Марганец	1,2-1,8
Хром	0,4-0,8
Медь	0,20-0,45
Ванадий	0,04-0,08
Алюминий	0,02-0,05
Титан	0,02-0,05
Кальций	0,002-0,030
Ниобий	не более 0,06
Церий	не более 0,05
Сера	не более 0,008
Фосфор	не более 0,015
Железо	остальное [3]

Недостатки данного способа состоят в том, что толстолистовая сталь имеет низкий и нестабильный комплекс механических свойств, особенно при отрицательных температурах. Это, в свою очередь, приводит к снижению выхода годного.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении комплекса механических свойств и выхода годного.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства высокопрочной толстолистовой стали, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку листов в регламентированном температурном интервале, закалку водой и отпуск, в отличие от ближайшего аналога непрерывной разливке подвергают сталь следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,13-0,18
Кремний	0,40-0,60
Марганец	0,70-0,90
Хром	1,3-1,6
Алюминий	0,02-0,07
Ниобий	0,03-0,06
Титан	0,01-0,06
Кальций	0,002-0,030
Никель	не более 0,30
Медь	не более 0,30
Азот	не более 0,010
Железо и примеси	остальное

отлитые слябы дополнительно подвергают отжигу при температуре 640-660°C, после чего производят нагрев до температуры 1200-1260°C и подвергают горячей прокатке, температуру конца чистовой прокатки устанавливают 870-950°C.

Сущность изобретения состоит в следующем. Конечные механические и функциональные свойства листовой стали определяются одновременно ее химическим составом, температурными режимами прокатки, закалки и отпуска. В процессе проведения экспериментальных исследований осуществляли варьирование всех значимых факторов, включая химический состав стали и температурные режимы производства, добиваясь получения заданных и стабильных механических свойств, что увеличивает выход годного. Было установлено следующее.

Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,13% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,18% ухудшается ударная вязкость и износостойкость стали.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность. При концентрации кремния менее 0,40% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,60% снижается пластичность, сталь не выдерживает испытания на холодный загиб.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,70% резко снижается износостойкость листовой стали. Увеличение содержания марганца более 0,90% приводит к снижению вязкости при отрицательных температурах, ухудшению пластичности, снижению выхода годного.

Хром повышает прочность, вязкость и износостойкость стали. При его концентрации менее 1,3% прочность, вязкость и износостойкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 1,6% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов, снижению выхода годного листового термоулучшенного проката.

Алюминий дораскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании алюминия менее 0,02% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания этого элемента более 0,07% ведет к нестабильности вязкостных свойств и снижению выхода годного листового проката.

Ниобий способствуют измельчению микроструктуры стали по толщине листа, повышению хладостойкости и прочности. Мелкие карбиды ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокаций и тем самым упрочняют сталь. Однако, если содержание ниобия будет более 0,06%, произойдет снижение выхода годного, ухудшится свариваемость стали. При снижении содержания ниобия менее 0,03% не достигается высокая ударная вязкость при отрицательных температурах и ухудшается износостойкость листовой стали.

Титан, являясь сильным карбидообразующим элементом, способствует повышению прочностных свойств полос при одновременном повышении ударной вязкости при отрицательных температурах. Снижение содержания титана менее 0,01% приводит к снижению прочностных и вязкостных свойств листов. Увеличение содержания титана более 0,06% приводит к снижению механических свойств и выхода годной листовой стали.

Кальций является модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает серу в глобулярные сульфиды, повышая вязкостные свойства стали. При концентрации кальция менее 0,002% его модифицирующее действие проявляется недостаточно. Увеличение концентрации кальция более 0,030% увеличивает количество и размеры неметаллических включений, ухудшает ударную вязкость при отрицательных температурах и снижает выход годного листового проката.

Никель и медь способствуют повышению пластических и вязкостных свойств толстолистовой стали. Однако увеличение содержания никеля более 0,30% или меди более 0,30% приводит к возрастанию в фазовом составе листовой стали после закалки остаточного аустенита, что является причиной ухудшения механических свойств.

Азот в химических соединениях с титаном, ванадием и другими легирующими элементами упрочняет сталь по механизму дисперсионного твердения. Однако увеличение содержания азота более 0,010% снижает пластичность стали и ее вязкостные свойства.

Для выравнивания механических свойств и исключения трещинообразования отлитые слябы подвергают отжигу при 640-660°C. Снижение температуры отжига менее 640°C не исключает наличия трещин в слябах, что снижает выход годного. Повышение температуры отжига выше 660°C не ведет к дальнейшему повышению качества и выхода годной металлопродукции, а лишь увеличивает затраты на производство.

Было также установлено, что при температуре начала прокатки слябов из стали предложенного химического состава 1200-1260°C обеспечивается ее аустенитизация, полное растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, легирующих и примесных соединений, карбидных упрочняющих частиц. При температуре начала прокатки выше 1260°C имеет место интенсивное окисление границ кристаллитов, образование трещин и снижение выхода годного, а при температуре начала прокатки ниже 1200°C ухудшается комплекс механических свойств листов.

Процесс прокатки происходит с непрерывным падением температуры металла, которая к моменту окончания прокатки листов снижается до значения Т_кп=870-950°C, что способствует интенсификации выделения упрочняющих карбидных и карбонитридных частиц, измельчению зеренной микроструктуры стали. При Т _кп ниже 870°C предложенная сталь приобретает двухфазный состав, неравномерный размер зеренной микроструктуры, толстолистовая сталь сохраняет анизотропию свойств, имеет место ухудшение комплекса механических свойств и снижение выхода годного. При Т_кп выше 950°C имеет место интенсивный и неравномерный рост зерен микроструктуры, снижение вязкостных свойств при отрицательных температурах и уменьшение выхода годного.

Примеры реализации способа

Стали различного химического состава выплавляют в кислородном конвертере с использованием металлического лома. В ковше сталь раскисляют ферросилицием, ферромарганцем, легируют феррохромом, ферротитаном, вводят металлические алюминий и ниобий. Кальций вводят в расплав в виде силикокальция, никель и медь попадают в расплав из металлического лома. Выплавленные стали подвергают дегазации путем вакуумирования для удаления водорода и снижения содержания азота до концентраций N 0,010%. Химический состав выплавленных сталей приведен в табл.2.

Сталь с составом № 3 подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 250 мм. Слябы после разливки помещают в ямы-термостаты, где происходит их замедленное охлаждение до температуры ~90°C. Охлажденные слябы вновь подогревают до температуры 300°C и производят зачистку с удалением дефектов. Зачищенные слябы помещают в камерную печь и производят их отжиг при температуре Т_о=650°C.

Отожженные слябы нагревают в методической печи до температуры начала прокатки T_нп=1200°C и прокатывают за 12 проходов на толстолистовом реверсивном стане 5000 в листы толщиной H=20 мм. Во время прокатки (в проходах и паузах между проходами) происходит снижение температуры (остывание) листов. Прокатку в последнем проходе ведут при температуре T_кп =910°C.

Прокатанные листы укладывают в штабель, где они замедленно охлаждаются на воздухе.

Прокатанные листы затем нагревают под закалку до температуры T_з =915°C и подвергают закалке водой в роликовой закалочной машине. Закаленные листы в дальнейшем подвергают отпуску путем нагрева и выдержки при температуре T_отп=650°C.

После термического улучшения от листов отбирают пробы, производят испытания механических свойств и после разбраковки определяют выход годного Q.

Варианты реализации способа производства высокопрочной свариваемой листовой стали и показатели их эффективности приведены в табл.3.

Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенные режимы производства высокопрочной толстолистовой стали (варианты № 2-4) обеспечивают повышение комплекса механических свойств, благодаря чему достигается максимальный выход годного: Q=98,3-98,8%.

При запредельных значениях концентраций химических элементов в стали, температурных режимов горячей прокатки, закалки и отпуска (варианты № 1 и № 5) а также использовании способа - ближайшего аналога [3] имеет место снижение комплекса механических свойств готовых листов и выхода годного Q. В этих случаях листовую сталь используют для менее ответственного назначения.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что дополнительный гомогенизирующий отжиг непрерывно литых слябов предложенного химического состава при температуре 640-660°C, а также одновременная оптимизация химического состава стали, температурных режимов горячей прокатки, и последующей закалки с отпуском позволяют повысить комплекс механических свойств высокопрочной толстолистовой стали. Благодаря этому увеличивается выход годного.

Источники информации

1. Заявка № 61-163210, Япония. МПК C21D 8/00, 1986 г.

2. Заявка № 61-223125, Япония. МПК C21D 8/02, C22C 38/54, 1986 г.

3. Патент Российской Федерации № 2455105, МПК B22D 11/00, 2012 г.

Таблица 1
Механические свойства листовой стали
в, Н/мм2	т, Н/мм2	5, %	KCU-40 , Дж/см2	KCV-40, Дж/см2	HB, ед.	Угол загиба, град.
не менее
690	590	14	40	30	340-400	120

Таблица 2
Химический состав высокопрочных толстолистовых сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
	C	Si	Mn	Cr	Al	Nb	Ti	Ca	Ni	Cr	N	Fe
1	0,12	0,3	0,6	1,2	0,01	0,02	0,009	0,001	0,10	0,10	0,008	Остальн.
2	0,13	0,4	0,7	1,3	002	0,03	0,010	0,002	0,20	0,10	0,007	-:-
3	0,15	0,5	0,8	1,5	0,05	0,04	0,035	0,016	0,20	0,20	0,006	-:-
4	0,18	0,6	0,9	1,6	0,07	0,06	0,060	0,030	0,30	0,30	0,010	-:-
5	0,19	0,7	1,0	1,7	0,08	0,07	0,070	0,032	0,40	0,40	0,012	-:-

Таблица 3
Режимы производства высокопрочной толстолистовой стали и показатели их эффективности
№ п/п	№ состава	Tо, °C	Tнп, °C	Tкп, °C	Tз, °C	Tотп, °C	в, Н/мм2	т, Н/мм2	5, %	KSU-40 , Дж/см2	KCV-40, Дж/см2	Угол загиба, град.	Q, %
1	5	630	900	860	890	620	650	580	19	33	26	89	-
2	2	640	1200	870	900	630	690	590	15	42	31	120	98,7
3	3	650	1230	910	915	650	700	600	18	44	32	130	98,8
4	4	660	1260	950	940	670	710	610	17	42	31	120	98,3
5	1	670	1270	960	950	680	680	585	13	32	29	ПО	-