» » Развитие черной металлургии и роль металловедения в разработке новых материалов и технологий
24.01.2015

Благодаря высокой прочности, разнообразным свойствам и хорошей способности к утилизации значение стали как важнейшего конструкционного материала, как и раньше, не подлежит сомнению. Сталь нашла применение практически во всех важнейших отраслях промышленности: строительстве, машиностроении, энергетике, транспорте и др. Кроме разнообразия свойств важнейшими причинами того, что сталь — лидер среди конструкционных материалов, являются постоянные инновации в отрасли и непрерывное повышение эффективности производства.
Требования, предъявляемые потребителями в отношении механических, технологических и эксплуатационных свойств стали, выполняются металлургами в широком диапазоне: появляются новые марки стали и технологии их производства. Таким образом, потребители продукции черной металлургии имеют возможность удовлетворить самые разнообразные требования к стали, например, в отношении прочности и вязкости, формуемости и свариваемости, стойкости к коррозии и износу. Металлургия предлагает множество марок стали, изделий из них разнообразной формы в горяче- и холоднокатаном состоянии и различного исполнения, к этому следует добавить огромное количество типоразмеров стальных труб, а также соединительных деталей к ним.
Строительная индустрия является крупнейшим заказчиком продукции черной металлургии: высотное и подземное строительство, строительство гидротехнических сооружений, дорожное строительство, сооружение трубопроводов, подъемных кранов, стальных конструкций (цехов, стадионов и мостов). В черной металлургии непрерывно ведутся исследования по разработке высокопрочных и ультравысокопрочных сталей, которые позволяют создавать большепролетные конструкции. Наряду с высокой прочностью стали характеризуются хорошей вязкостью, в том числе при низких температурах. При этом они хорошо и экономично свариваются. Сварные соединения обладают высокой прочностью и стойкостью к хрупкому разрушению. В области материалов для сооружения трубопроводов для транспортировки нефти и природного газа за последние 30 лет черная металлургия прошла огромный путь разработки производства стали до класса прочности X120, освоив материалы для арктических условий, для транспортировки кислого газа, увеличив вязкость, свариваемость, обеспечив работу трубопроводов в сейсмических условиях, на больших глубинах под водой и др.
Возможности стали хорошо иллюстрируют модернизированные и заново сооруженные стадионы, например в Пекине к Олимпийским играм 2008 г. Большую эффективность демонстрирует сталь и в мостостроении. Самый высокий мост в мире расположен в Южной Франции, он проходит над долиной Тарн и имеет длину 2460 м и высоту 343 м. Рекордную длину пролета (1991 м) имеет мост Akashi Kaikyo в Японии: подвешенные на двух стальных пилонах высотой 297 м и массой 25 тыс. т стальные тросы диаметром 1,12 м несут мостовые стальные балки общей длиной 3911 м.
Машиностроение включает множество различных секторов — станко-, двигателе-, редукторо- и судостроение, производство контейнеров, бойлерных установок, конвейерных линий, строительных машин, создание полномасштабных производств, транспортных систем, а также собственно металлургическое машиностроение. Среди транспортных систем железнодорожный транспорт играет важнейшую роль. Применение новых быстроходных поездов на высокоскоростных магистралях с повышенным уровнем безопасности возможно только при наличии сверхмощных тележек и колесных пар, изготовленных из высококачественной стали. Железнодорожные пути можно поддерживать в рабочем режиме в течение длительного периода только тогда, когда рельсы обладают повышенной стойкостью к нагрузкам и износу. При производстве с использованием высокотехнологичных процессов пассажирских судов, контейнеровозов, а также нефтяных танкеров эффективно применяются высоко- и ультравысокопрочные судостроительные стали для изготовления корпусов, двигательных установок и судовых надстроек. В танкерах для транспортировки сжиженного газа используются стали, обладающие высокой коррозионной стойкостью и вязкостью при температурах до -162 °C и удовлетворяющие самым высоким требованиям по обеспечению безопасности.
В области возобновляемой энергетики с самого начала разработка ветроэнергетических установок велась в тесном сотрудничестве черной металлургии и машиностроителей. Установки мощностью до 5 МВт с длиной лопастей более 50 м могут обеспечить длительный режим эксплуатации только при использовании высоко- и ультравысокопрочных сталей в несущих конструкциях и высокоэффективных улучшенных конструкционных сталей в редукторах.
При массовой доле более 50% (привод, ходовая часть, кузов) сталь является важнейшим материалом автомобилестроения. С целью сокращения расхода топлива и снижения выбросов совместные усилия и разработки автомобилестроителей и производителей стали направлены прежде всего на создание легковесной конструкции автомобиля за счет применения новых высокопрочных марок стали при одновременно хорошей способности к холодному формоизменению. Кроме того, стремление к повышению коррозионной стойкости обусловило дифференцированное применение процессов обработки поверхности изделий из стали различных марок, например, при цинковании или нанесении полимерного покрытия, а также резкое увеличение использования тонколистовой стали с обработанной поверхностью. В целом усилия обеспечили снижение массы транспортных средств до 40% без ухудшения эксплуатационных свойств, надежности и стоимости. Хорошо функционирующая в Европе связь между автомобилестроителями и производителями стали способствовала значительному ускорению работ по созданию новых марок стали.
Полоса из электротехнической стали как конечный продукт черной металлургии и изготовленные из нее изделия используются для генерации электрической энергии, ее превращения в механическую работу. Этот продукт используется во всех работающих на электрической энергии приборах и машинах (водяные, ветряные и турбогенераторы, мощные трансформаторы, моторы, бытовая техника).
За последние десятилетия в мировой черной металлургии произошли значительные инновационные изменения в технологии. Если еще в 60-е годы XX века основной объем стали производился мартеновским и томасовским способами, то с 80-х годов оба процесса практически не играют никакой роли и заменены кислородно-конвертерным процессом и выплавкой в электродуговых печах. Переход от разливки стали в слитки к процессу непрерывной разливки означал для черной металлургии не только технологически инновационный этап модернизации отрасли, но одновременно и существенное повышение эффективности производства. На стадии прокатного передела эффективно и экономично формируются требуемые свойства широкой гаммы сталей с использованием различных вариантов термомеханической прокатки. На тонкослябовых машинах непрерывного литья заготовок (MHJI3) сталь разливается в кристаллизатор, геометрические характеристики которого приближены к размерам конечной полосы. В будущем технология прямой разливки полосы позволит получать готовые изделия практически конечных размеров. Это приведет к повышению производительности и, как следствие, конкурентоспособности производства стали. Технический прогресс в области производства стали за последние десятилетия отразился на повышении эффективности использования ресурсов и энергоносителей.
Что же делает сталь таким популярным материалом? Аллотропия в сочетании со специфической конфигурацией валентных электронов, с одной стороны, обусловливает превосходную способность воспринимать легирование, с другой стороны, дает возможность целенаправленного изменения микроструктуры за счет термической и термомеханической обработки. Практически до бесконечности расширяется спектр свойств стали при легировании. Многие из возможных комбинаций легирования еще даже и не апробированы. В новых сталях для автомобилестроения (TRIP, TWIP, TRIPLEX) марганец придает сталям высокую прочность и хорошую пластичность одновременно. Из этого материала легко изготавливаются элементы кузова автомобиля, обладающие высокой прочностью и стойкостью к удару одновременно.
Несмотря на универсальность, сталь находится в жесткой конкуренции с другими материалами, например алюминием в автомобилестроении. Когда более 20 лет назад были сделаны попытки применить алюминий в автомобилестроении, и в результате этого появились новые возможности по созданию более легких и экономичных автомобилей, стальные конструкции были вынуждены делать более легкими, чтобы оказаться востребованными. Инновационные решения оптимизированных по массе кузовов из стали на 24% легче по сравнению с традиционной конструкцией. Большое значение для снижения массы автомобиля приобрели многофазные стали, которые одновременно обладают очень большой прочностью, хорошей формуемостью и способностью поглощать энергию, кроме того, позволяют добиться значительного улучшения характеристик элементов конструкции и повышения безопасности транспортного средства. Эти стали (AHSS — Advanced High Strength Steels) при деформации в результате столкновения автомобиля сильно упрочняются и могут поглотить большое количество энергии. Тенденция потребления более прочных марок стали, которые позволяют создавать легкие и одновременно жесткие и поэтому более безопасные конструктивные элементы, по-прежнему сохраняется, особенно при производстве автомобильного кузова.
До настоящего времени перед запуском в производство соответствующего продукта для каждого агрегата технологической линии заранее задавались строго определенные параметры работы. Однако при традиционной системе управления технологическим процессом существовала опасность того, что возникавшие незначительные отклонения в работе отдельных агрегатов в ходе всего технологического цикла наслаивались, и в результате конечный продукт обладал свойствами, не отвечавшими требуемым значениям. Теперь же после каждой стадии технологического цикла компьютерная модель рассчитывает ожидаемые конечные свойства материала на основе заложенных исходных данных по условиям производства и заказа, статистических данных и математических моделей, которые отражают влияние производственных параметров на механические свойства. Если, например, состав стали данной плавки дает основание ожидать, что значения прочности будут находиться на нижней границе допустимого диапазона, то можно оптимизировать температурный режим горячей прокатки и охлаждения полосы так, что прочность будет несколько повышена.
Также реализуется тенденция приближения металлургической продукции к требованиям потребителя; например, в 1980 г. для днища автомобиля «Ауди» был создан так называемый Tailored Blank — полуфабрикат для элементов конструкции автомобиля, специально изготовленный путем сварки листов стали различной толщины и/или класса прочности, и работы в этом направлении продолжаются. Основой для поиска инновационных решений является кооперация с потребителем, черная металлургия все больше и больше становится для автомобилестроителей системным производителем и инновационным партнером. Это важное положение, а также потенциал стали как материала для автомобилестроения на перспективу является мотивацией и производителей, и потребителей стали. Постоянно разрабатываются новые материалы, при этом используются все новые физические явления для повышения их прочности и других свойств. Комплексность структуры и используемых явлений растет, однако потенциал совершенствования стали еще далеко не исчерпан.
Основная цель данной монографии — показать и обосновать роль металловедения в разработке новых материалов и технологий, изделий последующего передела, освоении их производства при исследовании поведения изделий в процессе эксплуатации. Эта роль обусловлена в первую очередь постоянным повышением технических требований к металлопродукции ответственного назначения, что в свою очередь вызывает необходимость усложнения химического состава материалов и технологических схем, а также поиска новых технологических приемов, обеспечивающих формирование заданной структуры и свойств. Кроме того, это связано и с повышением возможностей самого металловедения в связи с развитием его теории, совершенствованием методов и подходов. Металловеды должны обеспечить осознанный подход к формированию структуры и свойств металлопродукции по всей технологической цепочке, т.е. объединить группу специалистов различных металлургических переделов для выполнения единой задачи — создания и внедрения материала и технологии или даже нового производства. Ниже приведены направления работ металловедов для реализации вышеуказанной цели:
— с учетом понимания требований к продукции необходимо формулировать требования к исходной заготовке для производства проката (слитку): по химическому составу, структуре, чистоте по примесям и неметаллическим включениям и др.;
— при создании новых производств (коренной реконструкции) необходимо создание металловедческой концепции как основы технологической концепции;
— производство высококачественного проката все более смещается в сторону получения комплекса его свойств в потоке прокатного стана, в процессе термомеханической обработки и др., соответственно необходим комплексный подход, включающий как создание новых материалов и технологий, так и совершенствование существующих;
— совершенствование технологии дальнейшего передела, например производство электросварных труб;
— разработка мер по предотвращению старения, коррозии, стресс-коррозии и др. в процессе эксплуатации изделий.
Основные вопросы, которые могут задать технологи (и проектировщики) сталеплавильных цехов металловеду: каковы требования к исходной заготовке (слябу) для проката и чем они обоснованы? Поскольку завышенные требования приведут к повышению цены продукции, а на стадии проектирования и строительства — к серьезному увеличению капиталовложений, то заниженные требования не обеспечат эксплуатационных свойств продукции. Речь идет о базовом химическом составе (содержание элементов и допустимый интервал разброса), допустимом содержании вредных примесей и газов, загрязненности неметаллическими включениями, металлургическом качестве заготовки, макроструктуре, размере заготовки (например, толщине сляба, обеспечивающей получение проката данного размерного сортамента и качества) и др. Ответ базируется на требованиях к конечной продукции (вязкость, хладостойкость, трещиностойкость, коррозионная стойкость, сплошность, свариваемость и др.), допускаемых разбросах свойств (в пределах плавки, в пределах всего заказа), влиянии примесей и неметаллических включений (HB) на свойства и другие характеристики, влиянии структуры заготовки на структуру проката, закономерностях формирования структуры металла при используемой технологической схеме, закономерностях трансформации дефектов из заготовки в прокат, технологии дальнейшего передела проката и др.
Качество заготовки в основном определяют процессы обработки жидкой стали в ковше, в агрегате вакуумирования, установке ковш-печь, а также в промежуточном ковше и кристаллизаторе MHЛЗ. Решаемые задачи обычно относятся к одной из указанных ниже категорий: достижение заданного химического состава; гомогенизация плавки по температуре и химическому составу, а также контроль температуры; глубокое обезуглероживание; десульфурация; удаление примесей; дегазация; раскисление; сфероидизация включений; повышение степени чистоты; контроль структуры, образующейся при кристаллизации. Эта стадия производства определяет внутреннюю чистоту, осевую химическую неоднородность, центральную пористость, качество поверхности, формирование трещин, загрязненность неметаллическими включениями и в целом сплошность произведенного из этой заготовки проката (по результатам ультразвукового контроля), ударную вязкость, сопротивление сероводородному растрескиванию и др.
Когда производители оборудования предлагают цех или производство «под ключ», включая технологию, это обычно означает технологию не в том смысле, как привыкли понимать металловеды, а набор технологических операций и их автоматизацию. Для того чтобы создать реальную технологию производства металлопродукции с высокими потребительскими характеристиками, надо пройти путь от анализа требований к готовому продукту через понимание процессов формирования структуры и свойств до требований к технологии и возможностей оборудования, далее провести работу по определению оптимальных химического состава и сочетаний технологических параметров и установлению технологического «окна».
Задача разработки новых материалов всегда считалась задачей металловедов, однако часто ограничивалась химическим составом материала и режимом термической обработки, а также единичными изделиями. При массовом производстве металлопродукции с применением термомеханической прокатки появляются новые металловедческие задачи на прокатном переделе, связанные с процессами формирования структуры и свойств на различных стадиях (нагрев, прокатка, охлаждение) с учетом характеристик исходной заготовки (сляба), химического состава стали и др.
От идеи химического состава и технологической схемы до производства — большой путь. Самый простой, на первый взгляд (но в конечном итоге и наиболее затратный и рискованный), подход состоит из следующих этапов: поставленная задача (получение информации о подобном производстве (обычно недостаточной); предположение о том, как это можно сделать или сделано у других (плюс статистика собственного производства); промышленное опробование. Оптимальный подход длиннее, но в конечном итоге с большой степенью вероятности и меньшими затратами приведет к успеху: информация, лабораторный эксперимент (плюс статистика собственного производства), полупромышленное опробование, промышленное опробование. Если расписать более подробно, то добавляются стадии: математическое моделирование процесса, имитация процесса, лабораторное воспроизведение, промышленные эксперименты.
При исследовании процесса дальнейшего передела проката на примере производства электросварных труб следует выделить вопросы свариваемости, изменения свойств металла в процессе трубного передела, возможного изменения механических свойств в процессе нанесения покрытия.
Термин «свариваемость» в данном случае означает низкую склонность к образованию сварочных трещин и эксплуатационную надежность, т.е. достаточный уровень сопротивления хрупкому и вязкому разрушению при требуемом уровне прочности. Холодные трещины в зоне термического влияния сварки наблюдаются в случае, когда уровень локальной вязкости недостаточен, чтобы противостоять напряжениям, возникающим в сварном соединении в результате процессов, происходящих при сварке (термических напряжений и напряжений полиморфного превращения). Низкий уровень вязкости обусловлен наличием в микроструктуре прочной и хрупкой фазы и свободного водорода. Обеспечить требуемый уровень свариваемости можно лишь благодаря обоснованному с металловедческих позиций подходу.
Эффект Баушингера (металл, подвергнутый слабой пластической деформации нагрузкой одного знака, обнаруживает при перемене знака нагружения пониженное сопротивление начальным пластическим деформациям) хорошо известен при трубном переделе и часто выражается в снижении предела текучести основного металла труб по сравнению с этим показателем исходного листового проката. Это обусловлено тем, что первоначальная деформация (при формовке трубы) и последующая деформация — разгиб пробы для изготовления образца для проведения испытаний на статическое растяжение как раз и являются деформациями противоположных знаков. На этот процесс в большинстве случаев влияет также экспандирование труб. Величина эффекта Баушингера при трубном переделе зависит от условий формовки труб (соотношения толщины и диаметра), исходной кривой «напряжение-деформация» металла, а именно длиной площадки текучести, что определяется типом структуры; степенью экспандирования; типом используемого образца. Это следует учитывать при назначении требований к прокату для получения труб с заданным комплексом свойств.
При нанесении трехслойного наружного антикоррозионного покрытия труба большого диаметра перед хроматированием и нанесением слоя эпоксидного покрытия подвергается нагреву до ~200 °С, в результате чего в металле могут проходить процессы деформационного старения, что также должно учитываться.
В процессе длительной эксплуатации труб в результате воздействия напряжений и, возможно, коррозионной среды происходит изменение структурного состояния металла, что может оказывать влияние на его конструктивную прочность. Это изменение связано с процессами деформационного старения, повышения содержания водорода, накопления дефектов кристаллического строения типа микротрещин, под влиянием внешних силовых и химических воздействий на металл труб в ходе длительной эксплуатации. Основные факторы, от которых зависит сопротивление разрушению металла труб после длительной эксплуатации, можно разделить на две основные группы: внутренние (структурные) и внешние (эксплуатационные). Структурные факторы — это старение и деформационное старение, степень чистоты стали, внутренние микронапряжения и дефекты типа микротрещин. К эксплуатационным факторам относятся: уровень рабочего давления, температура эксплуатации, коррозионно-активная среда и водород.
Пройдя всю цепочку производства и эксплуатации материала, вернемся к самому процессу разработки. Обычно основой разработки является металловедческая идея (или комплекс идей). Все основано на известной металловедческой схеме «состав-структура-свойства», которая реализуется через технологические воздействия.
При разработке следует действовать таким образом:
— установить наиболее важные свойства, определяющие возможность использования материала;
— выявить связь этих свойств с параметрами структуры и химическим составом;
— предложить структурные механизмы;
— установить оптимальные параметры структуры и химический состав;
— определить основные требования к технологическим процессам для получения оптимальных характеристик структуры и свойств с учетом экономических соображений.
Металловедческая идея или основа присутствует в каждой стали или технологии (в большинстве случаев для рассматриваемых случаев это пара «сталь-технология»). Если говорить о технологии, то основа контролируемой прокатки — металловедческая, а главная идея — измельчение зерна. Проведенные в 60-70-е годы прошлого столетия работы показали, что зерно феррита можно измельчить весьма эффективно путем: измельчения зерна аустенита, последующего его наклепа (деформируя ниже температуры рекристаллизации), повышения его удельной эффективной поверхности и реализации внутризеренного зарождения феррита, без увеличения энергетических затрат на термообработку. Однако анализ показал, что сочетание свойств при этом не является оптимальным, и были реализованы еще две металловедческие идеи:
— продолжение прокатки в (γ+α)-области с целью наклепа (и последующей полигонизации) феррита с одновременным формированием благоприятной кристаллографической текстуры и применения дисперсионного твердения;
— целенаправленное управление фазовыми превращениями путем использования регламентированного ускоренного охлаждения (рис. 1.1) и выбора оптимального состава стали.
Развитие черной металлургии и роль металловедения в разработке новых материалов и технологий

Если рассматривать конструкционные стали, то, вероятно, первой идеей было упрочнение стали углеродом. Тогда если сталь находится в нормализованном или горячедеформированном состоянии, то она имеет ферритно-перлитную структуру, и чем больше содержание углерода, тем выше прочность стали, поскольку больше объемная доля перлита. Однако эффект упрочнения невелик и сопровождается снижением сопротивления разрушению и ухудшением свариваемости. Поэтому дальнейшее развитие сталей сопровождалось поиском и применением других механизмов формирования структуры, позволяющих получать лучшие соотношения, например «прочности и вязкости»: зернограничного, твердорастворного, дисперсионного твердения, упрочнения превращением и др. Например, требуемый предел текучести трубной стали Х80 может быть обеспечен при структуре, состоящей из деформированного (полигонизированного) феррита (ДФ), и небольшой доле верхнего бейнита (ВБ), смеси полигонального феррита (ПФ) и ≥50% верхнего бейнита либо более 80% гранулярного бейнита (ГБ). Однако при этом достигается различный уровень вязкости и хладостойкости (а также свариваемости), что требует дальнейшей оптимизации.
Одно из основных направлений работы — металловедческое исследование технологических процессов или совершенствование производственных процессов на основе металловедческих исследований. Речь идет о металловедческом анализе проблемы, выборе правильных параметров и состава стали для оптимизации производственного процесса с целью достижения заданной структуры и свойств. В целом этот процесс включает этапы: анализ проблемы, выбор методики исследования, проведение исследований и выявление металловедческой причины проблемы, установление способа решения проблемы.
Важным этапом является освоение технологии и продукции или переход от технологической схемы к стабильному производству. Здесь основное — результаты статистической обработки данных механических испытаний. Если технологическая схема выбрана правильно, то задача сводится к стабилизации технологии на основе выявления статистически значимых факторов, определения допустимых разбросов по содержанию элементов, технологического окна, выполнения требований по структуре, чистоте по примесям, HB и др.
Одна из важнейших и традиционных областей деятельности металловедов в промышленности — выявление природы дефектов металла, мест их образования в технологической цепочке и причин возникновения брака. Дефекты поверхности, нарушения сплошности, отклонения от заданной микро- и макроструктуры слитка, проката и изделий могут быть связаны с процессом производства стали, ее разливкой, кристаллизацией слитка, условиями деформации, термической обработки, дальнейшим переделом (формовка, сварка и др.). Эти дефекты могут существенно влиять как на технологические характеристики металла (при последующей обработке), так и на эксплуатационные свойства. Наличие дефектов определяется как оптимальностью технологии, так и степенью ее соблюдения. В задачи установления причин неудовлетворительного качества металлопродукции входит не только выявление дефектов металла, но и установление их природы и причин возникновения. При установлении причин появления дефектов на конкретной металлопродукции, кроме этого, следует учитывать: размеры дефектов и степень пораженности ими как отдельного изделия, так и партии, плавки; периодичность их повторения в пределах изделия, плавки, партии; частоту их появления в продукции разных партий из одной или разных марок стали, в том числе полученных от разных поставщиков; конкретные условия производства и переработки металла. Важнейшим моментом здесь является анализ трансформации дефектов из заготовки в прокат. Возможна и постановка специальных экспериментов в условиях производства для изучения природы и трансформации дефектов слитка в дефекты проката.
Если вернуться к схеме разработки стали и технологии, то в качестве первой стадии лабораторного эксперимента можно рассматривать математическое моделирование процессов. В настоящее время разработаны и существуют на рынке различные модели. На примере модели структурообразования и формирования свойств стали при горячей деформации и последующем охлаждении можно выделить следующие основные блоки модели: рост зерна, рекристаллизация и наклеп аустенита; выделение дисперсных фаз; распад аустенита; расчет свойств проката на основании данных о структуре. Моделируют и многие другие процессы, например: термодинамику и кинетику процессов в жидком металле; кристаллизацию непрерывнолитой заготовки (и «мягкое обжатие»); формообразование при горячей деформации; энергосиловые параметры горячей прокатки; формоизменение при холодной деформации; упрочнение металла; релаксацию напряжений; тепловые поля в материале при различных условиях нагрева и охлаждения; многодуговую сварку, включая процессы в околошовной зоне; эффект Баушингера и др.
Анализ базы данных имеющихся в компании результатов опытных прокаток и производства проката формирует основу для оптимизации процессов и разработки новых производственных стратегий. Это дополняется численными методами, которые помогают в разработке состава стали и технологии. В последние десятилетия численное моделирование фазового равновесия и кинетики фазовых превращений развилось в инструмент, который может внести заметный вклад в понимание процессов, происходящих в стали по всей производственной цепочке.
В микролегированных сталях большое значение имеет фазовое равновесие карбонитридов ниобия, ванадия, титана, так как эти выделения оказывают влияние на размер зерна, рекристаллизацию, дисперсионное твердение и механические свойства продукта. Рассчитанные температуры растворения карбонитрида ниобия используются как ориентир для выбора температур нагрева для экспериментальной прокатки в лабораторных условиях. Равновесные температуры образования карбонитридов Nb и Ti могут быть рассчитаны с использованием, например, программного продукта Thermo-Calc в комбинации с необходимой базой данных. Расчеты фазовых равновесий показывают, что богатые титаном и азотом карбонитриды образуются при температурах, близких или немного выше температуры солидус, их образование в процессе кристаллизации в целом нежелательно, поскольку их частицы могут быстро укрупняться вследствие высокой подвижности легирующих элементов в жидкой фазе. Это приводит к появлению частиц размером порядка нескольких микрон, что ведет к ухудшению вязкости, особенно в зоне термического влияния стали для труб большого диаметра. Более реалистичные результаты расчетов получаются при использовании программ, которые позволяют моделировать и кинетику диффузионных фазовых превращений (например, Scheil-Gulliver и DICTRA). Таким образом, использование численных методов позволяет дать предварительную оценку композиции легирования, что в комбинации с анализом результатов опытных прокаток создает основу для выбора соответствующего химического состава для последующих экспериментальных исследований.
Разработке моделей процессов, протекающих при производстве металлопродукции, уделялось огромное внимание в металлургической промышленности в течение последних 30 лет. Все в большей мере многие из этих моделей базируются на физических принципах и включают субмодели, с помощью которых прослеживается эволюция структуры при конкретной технологической схеме. Особенно большое внимание создатели моделей уделяли горячей прокатке толстых листов, начиная с пионерских работ Селларса в конце 70-х годов, математические модели интенсивно разрабатывались в 80-х годах. Параллельно разрабатывались модели для непрерывных широкополосных станов горячей прокатки, т.е. наиболее сложного прокатного оборудования, где компьютерное моделирование стало ключевой технологией. Новейшие технологии производства полосы, т.е. литейно-прокатный комплекс (разливка тонкого сляба и прямая прокатка), созданные в 90-е годы, сделали необходимой адаптацию моделей, которые были первоначально созданы для традиционных прокатных станов, для новых технологических условий. Технологический коридор для современных сталей существенно уже, чем для традиционных сталей. Поэтому создание и управление устойчивым технологическим процессом мотивируют разработку передовых микроструктурных моделей, что предполагает более глубокое понимание основополагающих физических принципов.
Известные микроструктурные модели для производства листов и другой продукции обычно создаются на макроуровне, т.е. микроструктура описывается с помощью набора так называемых параметров состояния, таких как размер зерна, доля рекристаллизованных зерен, доля превратившегося материала. Однако компьютерные технологии делают возможным проводить моделирование на мезоуровне (если не на атомном уровне), этот подход позволяет открыть новый этап моделирования эволюции микроструктуры. В этой методологии реальная микроструктура может быть предсказана точнее, чем средняя величина, которая обычно используется в традиционных моделях для характеристики структуры. Важность этой новой стратегии моделирования поддерживается пониманием того, что свойства материала могут заметно зависеть от морфологии и пространственного распределения микроструктурных составляющих. Характеристики механических свойств проката обычно рассчитывают по данным о химическом составе стали и параметрам структуры (размере зерна и объемным долям структурных составляющих и др.) в приближении линейной аддитивности действующих механизмов упрочнения. Вариант расчета прочностных свойств для сложных структур представляет собой определение: объемной доли структурных составляющих (феррита, перлита, бейнита, мартенсита), твердости каждой из них с использованием эмпирических соотношений, учитывающих химический состав и скорость охлаждения, твердости металла. Далее предел текучести и временное сопротивление определяются как линейная функция от твердости.
Следующий этап — имитация процессов, под которой в первую очередь понимается применение лабораторного оборудования, которое позволяет имитировать различные процессы: нагрев, деформацию, охлаждение и другие, что дает возможность с определенной степенью достоверности воспроизводить реальные технологические схемы производства продукции, например, нагрев, многостадийную деформацию, охлаждение по заданной схеме. После имитации обычно получаем образец из реального материала небольших размеров для исследования структуры, но в ряде случаев есть возможность определить и механические свойства. Имитация процессов включает точное воспроизведение в лаборатории термических и механических процессов, которым материал подвергается в процессе производства или применения в виде готовой продукции.
Лабораторная имитация термомеханического процесса имеет огромную важность для разработки сталей новых марок. Если рассматривать процесс горячей прокатки, то он может быть воспроизведен на лабораторном прокатном стане. Основное преимущество такой имитации — получение достаточно большого образца, который позволит провести испытания механических и технологических свойств. Ho это следующая стадия в процессе разработки технологии. Сначала надо определить состав стали, критические точки, температуры рекристаллизации, процессы структурообразования, общую схему TMO. Например, при создании технологии термомеханической (контролируемой) прокатки, прежде чем создавать технологическую схему, металловед должен определить, по крайней мере, следующие точки: температуру начала интенсивного роста зерна аустенита при нагреве, температуры полного протекания и остановки рекристаллизации аустенита (T95, T5), температуры начала ферритного, бейнитного и мартенситного превращений. Важно воспроизвести схему, скорость деформации, равномерность температуры и деформации по сечению образца.
Важная идея — использовать это лабораторное оборудование для разработки металлургических моделей различных этапов горячей прокатки. Известен ряд таких установок, например, комплекс Gleeble производства фирмы Dynamic Systems, Inc. может быть использован для исследования следующих процессов: непрерывной разливки, горячей прокатки, прерывного отжига, ковки, термообработки, экструзии, процессов в зоне термического влияния при сварке, диффузионной сварки и др. (рис. 1.2).
Следующая стадия — лабораторное (полупромышленное) воспроизведение процесса, здесь может быть эффективно использован лабораторный прокатный стан — средство помочь производственникам разработать и коммерциализовать новые идеи быстрее и с более высоким уровнем достоверности (рис. 1.3). Лабораторный прокатный стан нельзя считать чем-то новым в практике металловедческих исследований, они используются отечественными металловедами десятки лет, но сегодня речь идет о лабораторных комплексах, к которым предъявляется ряд требований:
— технологические возможности лабораторного стана должны превышать возможности промышленного стана;
— программирование технологической схемы, автоматическое управление;
— контроль максимального количества параметров;
— наличие оборудования для осуществления последеформационного охлаждения (ускоренного, замедленного, многостадийного).
Это последняя стадия лабораторного эксперимента, позволяющая значительно приблизиться к промышленной технологии и воспроизвести ее основные параметры:
— химический состав стали,
— исходное состояние заготовки перед прокаткой,
— температуру нагрева и деформации,
— частные и суммарные обжатия при прокатке,
— скорость деформации,
— междеформационные паузы,
— параметры охлаждения.
Размер получаемого листа определяется получением необходимых образцов.
Развитие черной металлургии и роль металловедения в разработке новых материалов и технологий

Эксперименты в промышленных условиях — самые близкие к условиям промышленного производства — позволяют получить наиболее важный и правильный результат, однако они очень дороги и могут привести к потере большого объема металла в брак или к переводу в другое назначение. Существуют способы увеличить объем получаемой информации:
— прокатка промышленного сляба с заваренными лабораторными слитками, после чего лист разрезают и исследуют образцы лабораторного металла, прокатанного в промышленных условиях;
— при изучении влияния ускоренного охлаждения в промышленных условиях автоматика позволяет на одном листе получить широкий интервал температур завершения ускоренного охлаждения и изучить влияние этого параметра на структуру и свойства;
— использование для экспериментов металла, который затем подвергают термообработке;
— определение свойств в различных частях проката (по длине рулона, по площади листа и др.).
Важным является и развитие методов исследования структуры сталей. Бейнитные микроструктуры в настоящее время все в большей степени используют для получения требуемого комплекса свойств высокопрочных сталей, применяемых для изготовления труб классов прочности Х80-Х120, при этом необходимо не только эффективное измельчение структуры, обеспечиваемое мелким и сверхмелким бейнитным ферритом, но и формирование бейнита определенного типа. Например, вязкость чувствительна к типу и распределению второй фазы. Поэтому очень важно понять морфологию бейнита на уровне, который контролирует свойства материала. Бейнит — весьма сложная структура для количественной интерпретации, его характеристики не выявляются с помощью оптической микроскопии. Основная проблема количественной оценки бейнита в структуре — определение эффективного размера зерна, т.е. типа границ и их разориентировки, определяющих прочность и вязкость металла. Современные исследования с применением метода дифракции обратнорассеянных электронов (EBSD) делают возможным получение информации об относительной частоте существования границ с различной разориентацией, что позволяет идентифицировать эффективный размер зерна. Картины микродифракции отраженных электронов содержат информацию об ориентации кристаллов, помогают в идентификации фаз с разной кристаллической структурой и др.
Дальнейшим развитием этого метода можно считать получение трехмерного изображения структуры с использованием ионного пучка и последовательного изучения нижерасположенных слоев металла.
История развития трубных сталей и технологии их производства — это история использования металловедческих идей с учетом постоянно повышающихся требований к продукту. Примером успешных разработок являются стали для труб большого диаметра, разработанные в ЦНИИчермете им. И.П. Бардина за последние несколько десятилетий и освоенные совместно с металлургическими и трубными предприятиями.
Первоначально (в 50-е годы прошлого века) в России для труб магистральных газопроводов применяли горячекатаные стали, прочностные свойства которых обеспечивались за счет повышенного содержания углерода и марганца или хрома. Стали (19Г, 14ХГС) соответствовали категориям Х42-Х46 по API, имели повышенную склонность к хрупкому разрушению (особенно 19Г); известны случаи протяженных разрушений газопроводов.
В середине 60-х годов для газонефтепроводных труб диаметром до 1220 мм на давление 5,5 МПа были созданы низколегированные стали (17ГС, 17Г1С, 17Г1С-У) на основе твердорастворного упрочнения (горячекатаные и нормализованные) с уровнем временного сопротивления 510 Н/мм2. Повышение прочностных свойств (до категории Х52) обеспечивалось за счет увеличения содержания марганца, некоторое снижение содержания углерода и ограничение содержания серы (не более 0,020%) улучшили ударную вязкость.
Стали третьего поколения с карбонитридным упрочнением (нормализованные стали 14Г2САФ, 17Г2АФ, 14Г2АФ-У) имели временное сопротивление 550-590 Н/мм2. Высокие вязкие свойства таких сталей достигались также в результате снижения содержания серы (до 0,008% у стали марки 14Г2АФ-У) и контроля формы сульфидных включений. Началось использование выплавки стали в кислородных конвертерах с непрерывной разливкой, для отдельных марок использовали обработку в ковше жидкими синтетическими шлаками. Однако с точки зрения предотвращения лавинных разрушений эти стали не отвечали предъявляемым требованиям вследствие невысоких характеристик сопротивления хрупкому разрушению — (ИПГ (DWTT).
С целью повышения сопротивления хрупкому разрушению и свариваемости металла для труб с временным сопротивлением 510— 540 Н/мм2 была создана группа экономнолегированных сталей марок 13ГС, 13Г1С-У, подвергаемых термомеханической прокатке, которые характеризовались пониженным содержанием углерода, повышенной чистотой по сере (до 0,007%) и микролегирующей добавкой титана.
Стали четвертого поколения — малоперлитные микролегированные (09Г2ФБ, 10Г2ФБ и др), подвергаемые термомеханической прокатке, были созданы на базе зернограничного, субструктурного и дисперсионного упрочнения (временное сопротивление 550-590 Н/мм2), оптимизация структуры позволила снизить температуру эксплуатации труб из этих сталей до -15/-20 °С.
Дальнейшее развитие проводилось в направлении создания низколегированных сталей с иными типами структур (низкоуглеродистого бейнита), подвергаемых термомеханической прокатке с ускоренным охлаждением (рис. 1.4).
Развитие черной металлургии и роль металловедения в разработке новых материалов и технологий

Развитие технологии на деформационном переделе происходило по следующим основным направлениям:
— горячая прокатка без регулирования температурно-деформационных параметров;
— горячая прокатка с последующей нормализацией для измельчения зерна феррита (выделения дисперсных фаз в микролегированных сталях);
— термомеханическая прокатка с завершением в γ-области (ниже температуры рекристаллизации аустенита) в комплексе с микролегированием ниобием для оптимизации температурного интервала рекристаллизации;
— термомеханическая прокатка с завершением в (γ+α)-области, где происходят наклеп и последующая полигонизация феррита, кроме того, формируется кристаллографическая текстура, являющаяся фактором достижения высоких значений доли вязкой составляющей в изломе образцов DWTT (ИПГ) при отрицательных температурах;
— термомеханическая прокатка с ускоренным охлаждением.
С точки зрения применения структурных механизмов упрочнения развитие сталей происходило в направлении увеличения вклада зернограничного механизма упрочнения и прочих механизмов, вызывающих наименьшее удельное охрупчивание:
— твердорастворное упрочнение и упрочнение углеродом;
— то же + измельчение зерна (нормализация);
— то же + более эффективное измельчение зерна и дисперсионное упрочнение;
— твердорастворное упрочнение + измельчение зерна + субструктурное упрочнение + дисперсионное упрочнение + формирование кристаллографической текстуры (термомеханическая прокатка с завершением в (γ+α)-области);
— измельчение зерна + формирование оптимальной структуры за счет управления (γ-α)-превращением.
Развитие трубных сталей постоянно давало толчок совершенствованию металлургической технологии на всех переделах, что привело к созданию комплексной технологической цепочки производства высококачественной стали и проката, включающей: десульфурацию чугуна; комплекс внепечной обработки, обеспечивающей высокую степень чистоты металла; регулирование температуры и химического состава металла в узких пределах; непрерывную разливку с защитой струи и термомеханическую прокатку с ускоренным охлаждением на современных специализированных прокатных станах. При отсутствии на предприятиях того или иного оборудования вопросы производства продукции решались с применением металловедческого подхода, путем изменения состава стали и технологической схемы.
К сожалению, металловеды на отечественных металлургических предприятиях сосредоточены в центральной заводской лаборатории, и их работа в основном связана с оценкой структуры металлопродукции и установлением причин брака, в других подразделениях и цехах металловедов практически нет. Такие специалисты есть в научно-исследовательских институтах, вузах и новых для России структурах—корпоративных исследовательских центрах. Успешной реализации исследовательских проектов должна способствовать структура, при которой специалисты, компетентные в той или иной области (ТМО и составы сталей, теория и моделирование, имитация процессов, микроскопия и др.), кооперируются с технологами для решения задач, поставленных производством или наукой. В научно-исследовательских институтах и вузах область деятельности металловедов расширяется и углубляется за счет:
— использования тонких методов исследования;
— комплексных работ по разработке материалов и технологий их производства;
— имитации и математического моделирования процессов.