Методы обеспечения необходимых механических свойств толстолистового проката

Министерство образования и науки РФ 

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

« Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Новотроицкий филиал

 

 

 

Кафедра МТ

 

 

 

 

 

 

 

«Курсовая научно-исследовательская работа»

по теме «Методы обеспечения необходимых механических свойств толстолистового проката»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы ОМД-10-56 З

Жуков В.В.

Проверил:

Воронин Б.И.

 

 

 

 

Новотроицк 2013

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………..3

1 Температурный режим контролируемой прокатки………………………...5

2. Оборудование линий для контролируемой прокатки……………………...8

3.  Основной принцип  контролируемой прокатки…………………………….10

4 Ускоренное контролируемое  охлаждение…………………………………14

5. Влияние контролируемой  прокатки и дальнейшей термической  обработки на структуру и свойство стали 13Г1С-У………………………………………19

Заключение………………………………………………………………………25

Список используемой литературы……………………………………………..27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Контролируемая прокатка представляет собой высокотемпературную обработку низколегированной стали и предполагает определенное сочетание основных параметров горячей деформации: температуры нагрева и конца прокатки; суммарной степени деформации и распределения деформации по температуре; скорости охлаждения и т. д. В температурном интервале прокатки с контролируемым режимом деформаций в деформируемом металле можно отметить три стадии изменения структуры. На первой стадии (>950°С) в процессе деформации происходит рекристаллизация; на второй стадии (<950°С) металл упрочняется вследствие измельчения структуры и повышения плотности дислокаций. На третьей стадии (деформация при 800—700°С) происходит дисперсионное твердение сталей, легированных карбидо- и ни- тридообразующими элементами (Mo, Nb, V, Ti) вследствие выделения избыточных фаз.

При контролируемой прокатке листов большие степени обжатия назначают преимущественно в области относительно невысоких температур (<800°С). Заканчивают прокатку при температурах <750—700°С. На широкополосном стане контролируемую прокатку проводят в области высоких температур, при которых происходит быстрая рекристаллизация аустенита. В этом случае наиболее важные технологические параметры — скорость охлаждения полосы до температуры превращения аустенита и температура смотки полосы в рулон, так как степень влияния микролегирующих элементов (Nb, V, Moи др.) на дисперсионное твердение стали также зависит от условий охлаждения листов и полос.

Одна из главных целей контролируемой прокатки — получение в готовом прокате из низкоуглеродистой низколегированной стали мелкозернистой структуры феррита, определяющей прочность и высокое сопротивление вязкому и хрупкому разрушению. Размер зерна феррита горячекатаной стали зависит от химического состава стали и совокупности технологических факторов: условий нагрева слябов под прокатку; температурного режима прокатки (особенно при последних проходах); степени и кратности обжатия; скорости охлаждения между проходами; температуры смотки полосы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Температурный режим контролируемой прокатки.

 

Стали, подвергаемые контролируемой прокатке, содержат микролегирующие элементы, существенно влияющие на кинетику  рекристаллизации и способствующие получению мелкого зерна аустенита и соответственно феррита (рис.1). В стали 0,05% С; 1,8 °/о Мn; 0,06% Nb время рекристаллизации 70% общего объема составляет: при температуре деформации 850°С - 103 с; при 925°С  - 102 с; при 1000°С - 5 с.

Рисунок - 1 Диаграмма рекристаллизации деформированного аустенита в марганцовистой стали (а) и стали, легированной ниобием (б). Доля рекристаллизованной структуры : 1 - 5% , 2 - 10%, 3 - 50%, 4 - 90%, 5 - 100%.

В результате задержки рекристаллизации аустенита при температуре 900°С (и ниже) при последующих проходах дополнительно деформируются не рекристаллизованные зерна аустенита. Это способствует образованию в горячекатаной стали мелкозернистой структуры, определяющей хорошее сочетание свойств прочности и вязкости. 

 Промышленная контролируемая  прокатка низкоуглеродистых сталей на втором (завершающем) этапе обычно производится в диапазоне температур Ar3 - Ar1 при суммарной  деформации   > 66%.

Снижение температуры конца прокатки увеличивает предел текучести. При понижении температуры конца прокатки с 950 до 800°С температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому понижается. Дальнейшее снижение температуры конца прокатки неодинаково влияет на стали разного химического состава (рис. 2, 3).

Рисунок - 2 Влияние температуры конца прокатки (tк.п.) на размер зерна феррита (dф) предел текучести и переходную температуру стали, содержащей 0,17% С: а - без Nb; б - 0,4% Nb; 1 - 0,5% Мn; 2 - 1,0% Mn; 3 - 1,5% Mn.

 

 

 

 

 

 

Рисунок - 3 Влияние температуры конца прокатки на предел текучести и переходную температуру (tпер) низкоуглеродистых сталей:

1- 0,047% С: 1,5% Мn; 0,005% N; 0.064% Nb; 2 - 0,03% С; 1,5% Мn; 0,007% N; 0,03% Nb; 3 - 0,1% С; 0,8% Мn; 0,0025% N; 4 - 0,01% С; 0,8% Мn; 0,002% N.

Контролируемая прокатка может применяться и при рулонном способе производства (рис.4).

Рисунок - 4 Влияние температуры конца прокатки на размер ферритного зерна, переходную температуру и предел текучести листов (сплошные линии) и полос, свернутых в рулон (пунктирные линии): а — 0,12% С; 0,3% Si; 1,3% Мп; б - то же, что и а, но с добавками: 0,02% Nb (1); 0,02% Nb и 0,06% V (2).

 

2. Оборудование  линий для контролируемой прокатки

 

Контролируемая прокатка проводится на толстолистовых реверсивных и непрерывных широкополосных станах с поточным расположением оборудования.

В технологический поток стана входят: нагревательные печи; собственно стан; участок отделки. Один из основных элементов технологии контролируемой прокатки – охлаждение раската до определенной температуры перед чистовой прокаткой. Охлаждение производят в потоке и  вне потока стана. Для уменьшения неравномерности охлаждения поверхности раската (из-за контакта с роликами) его покачивают на рольганге. При охлаждении вне потока раскат выводят на обводные секции

рольгангов или поднимают над рольгангом на специальных рамах. Для ускорения охлаждения применяют душирование (на отводящем рольганге или между клетями). Управление процессом охлаждения производится автоматически.

Контролируемая прокатка на толстолистовых станах чаще всего осуществляется по схеме: черновая клеть - выдержка - чистовая клеть. Выдержка необходима для снижения температуры подката до той области, где не происходит рекристаллизация. В период выдержки подката возможен сильный рост зерен или частичная рекристаллизация, приводящая к получению разнозернистого феррита, ухудшающего ударную вязкость стали. Одним из путей, позволяющих устранить эти явления , является применение ускоренного охлаждения водой или воздушными смесями.

Контролируемая прокатка на широкополосных станах отличается от прокатки на толстолистовом стане. На широкополосном стане полоса завершения прокатки быстро охлаждается на от отводящем рольганге, а затем медленно в рулоне. Прокатка в черновых и чистовых клетях осуществляется с большими частными обжатиями и малыми проходами. Прокатка полос в черновых клетях осуществляется в зоне рекристаллизации, а в чистовых  - в области, где процесс рекристаллизации  не протекает. Суммарное обжатие и температура раската при прокатке в чистовых клетях ограничены. Выдержка полос в рулоне после смотки способствует увеличению предела текучести вследствие большого выделении упрочняющих частиц карбонитридов ниобия и ванадия. Благодаря большому дисперсионному упрочнению переходная температура горячекатаных полос ,обычно выше ,чем у листов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Основной принцип  контролируемой прокатки

 

Основной принцип контролируемой прокатки заключается в измельчение аустенитного, а следовательно, и ферритного зерна, что приводит к одновременному повышению прочности и вязкости стали. Решающая роль при этом отводится температурным условиям процесса. При ограничении деформации только в аустенитной области можно выделить три диапазона температуры в соответствии с ее влиянием на структуру стали. Деформация при температуре выше 1000Со приводит к образованию крупных рекристаллизованных зерен аустенита, которые при полиморфном превращении образуют грубую структуру феррита и структуру верхнего бейнита. При деформации в промежуточном температурном диапазоне (от 1000 до 900°С) аустенит измельчается повторяющейся рекристаллизацией в результате чего образуется мелкозернистый феррит. Деформация ниже температуры рекристаллизации (ниже 900°С) способствует получению мелкозернистой ферритной структуры.

При температуре деформации в области a+γ  различают три стадии контролируемой прокатки: деформация в зоне рекристаллизации аустенита, деформация некристаллизующегося аустенита и деформация в двухфазной аустенитно-ферритной области. Исследования показали, что в процессе прокатки вчистовой клетки при температуре ниже Аr3 на механические свойства оказывает влияние дислокационное, субструктурное и текстурное упрочнение.

Основные различия между обычной и контролируемой прокаткой состоит в том, что при контролируемой прокатке деформационные полосы разделяют аустенитные зерна на несколько блоков. Граница каждого блока является источником зарождения ферритных зерен. В результате из аустенитного зерна одинаковой величины при контролируемой прокатке образуются более мелкие ферритные зерна, чем при обычной горячей прокатке, когда зарождение ферритных зерен осуществляется на границах аустенитных. Кроме того, увеличение числа активных центров зарождения феррита ускоряет процесс превращения, в результате чего снижается вероятность выделения бейнитной структуры, придающей низкую вязкость стали.

В обычной горячекатаной и нормализованной сталях феррит зарождается исключительно на границах аустенитных зерен, что ограничивает измельчение зерна. В прокатанных по контролируемым режимам или закаленных сталях аустенитное зерно разделяется на несколько блоков: в первом случае  деформационными полосами, во втором мартенситными пластинами. При этом размер ферритных зерен определяется не размером зерен аустенита ,а величиной образующихся блоков.

Сталь,прокатанная по контролируемым режимам, часто имеет структуру ,состоящую из мелких и крупных зерен феррита (или верхнего бейнита) и уменьшающую ее вязкость при низких температурах. Одной из причин образования такой структуры является частичная рекристаллизация аустенита,  при которой мелкие рекристаллизации γ-зерна образуются на границах крупных . Для предотвращения образования смешанной структуры используют оптимальные условия выдержки между проходами или непрерывный режим обжатия во всем температурном интервале горячей прокатки.

Параметры контролируемой прокатки.

К параметрам технологии контролируемой прокатки относятся режим и температура нагрева металла под прокатку. Температура начала прокатки, величина обжатия и схема прокатки в черновой клети стана, величина суммарной деформации в черновой клети, постуживание раската перед чистовой  клетью и способы его осуществления, температура начала прокатки в чистовой клети, режим частных обжатий в чистовой клети, величина частных обжатий и величина суммарного обжатия в чистовой клети, температура конца прокатки, режим охлаждения листов. По условию получения оптимальных свойств металлаперечисленные факторы являются строго определенными для конкретной марки стали и могут изменяться в зависимости от колебаний химического состава, количества примесей в металле, способа получения заготовки под прокатку (обжатый сляб или непрерывнолитой), конструкции стана, а также конкретных условий производства.

Прокатка листов из непрерывнолитого металла требует  создания таких условий деформирования, которые обеспечили бы уплотнение и заварку осевой пористости в литой заготовке.  К этим параметрам относятся температура нагрева и прокатки, режимы обжатия в черновой клети стана и величина суммарной вытяжки. Температура нагрева металла под прокатку может быть от 1230 до 1100°С. Нагрев до 1230°С не представляет новизны для производства , в то же время нагрев до 1100°С требует существенного изменения работы печей, поскольку нагрев должен быть скоростным и ВТО же время обеспечить прогрев металла по всему сечению. Учитывая, что при контролируемой прокатке температура конца прокатки существенно ниже обычной, то для уменьшения времени подстуживания раската перед чистовой клетью более благоприятной температурой является 1100°С. Однако при этой температуре нагрева не полностью растворяются скоагулированные упрочняющие фазы, что может привести к снижению прочности стали после прокатки.

При назначении режима частных обжатий следует учитывать энергосиловые условия процесса, мощность стана и возможность получения плоского листа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Ускоренное контролируемое охлаждение

 

Для повышения прочностных свойств и сопротивляемости хрупким разрушениям при температуре до -20°С при сохранении высокой технологичности, определяемой соотношением Т/ В0, 90, осуществляют выплавку стали определенного химического состава в конверторе, разливку металла в непрерывнолитые заготовки, аустенизацию при температуре 1170-1220°С в течение 4 - 8 часов, затем проводят предварительную деформацию с суммарной степенью обжатия 40 - 60% и с регламентированными обжатиями не менее 14% за проход при температуре 1000 - 900°С, далее промежуточный подкат ускоренно охлаждают за два прохода в установке контролируемого охлаждения (УКО), причем после первого прохода осуществляют кантование подката, далее проводят подстуживание на воздухе в течение 3 - 5 с/мм и подвергают окончательной деформации при температуре 820 - 730°С с суммарной степенью обжатий 40 - 50 % и не менее 12% за проход, затем проводят охлаждение в УКО до температуры 500 - 350°С, далее замедленно охлаждают в кессоне до температуры не выше 150°С, затем на воздухе. 1 табл. Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству штрипсовой стали для магистральных трубопроводов диаметром до 1420 мм, толщиной не менее 20 мм и не более 40 мм. Известен способ производства штрипсовой стали с использованием контролируемой прокатки из низколегированной стали повышенной прочности марки 10Г2ФБ, отвечающей требованиям к стали данной категории прочности по стандарту API 5L в толщинах до 21,6 мм при температуре испытания падающим грузом -20°С с гарантированным содержанием волокнистой составляющей в изломе не менее 90%, при отношении T/B0, 9, содержащей, мас. %: углерод – 0,08-0,11, марганец – 1,55-1,75, кремний – 0,15-0,35, хром – не более 0,3, никель – не более 0,3, медь – не более 0,3, ванадий – 0,06-0,08, ниобий – 0,04-0,06, титан – 0,010-0,25, алюминий 0,015-0,06, фосфор – не более 0,020, сера – не более 0,005, железо – остальное. Основными недостатками этой марки являются использование технологии контролируемой прокатки для изготовления и, как следствие, отсутствие возможности изготовления в толщинах более 21,6 мм, что обуславливается образованием неоднородной структуры по толщине проката, определяющей снижение хладостойкости и изотропности механических свойств и снижение эксплуатационной надежности.Наиболее близким по технологии изготовления является способ производства штрипсовой стали для труб подводных морских газопроводов высоких параметров.