» » Металловедческая концепция производства проката
24.01.2015

Для создания нового современного предприятия и технологии производства металлопродукции с высокими потребительскими характеристиками необходима разработка технологической концепции производства на основе металловедческой концепции.
Последовательность работы примерно такая: анализ требований к конечному продукту; формулирование требований к исходной заготовке (слябу); определение химического состава стали и структуры, обеспечивающей заданный комплекс свойств; описание процессов формирования требуемой структуры; определение необходимых технологических воздействий; разработка технологической схемы производства; определение требований к технологии и оборудованию.
Рассмотрим этот процесс на примере современного листопрокатного цеха по производству проката из стали низколегированных марок для изготовления электросварных труб большого диаметра по технологии термомеханической прокатки и ускоренного охлаждения. Продукция стана с современными потребительскими свойствами может быть использована также в машиностроении, судостроении, мостостроении, энергетике, промышленном и гражданском строительстве.
Требования к прокату трубного назначения. 1. Наряду с прочностью и толщиной прокат должен обладать полным комплексом механических характеристик, включая вязкость и хладостойкость металла в больших сечениях.
2. Важнейшей характеристикой проката для труб является хладостойкость, определяемая долей вязкой составляющей в изломе образцов для ИПГ (DWTT) при температуре эксплуатации трубопровода.
3. Для изготовления труб, стойких к сероводородному растрескиванию, металл должен соответствовать высоким требованиям чистоты по вредным примесям, газам, неметаллическим включениям и по однородности микроструктуры.
4. Для труб с особыми требованиями металл должен обладать дополнительными свойствами: стойкостью к водородному и сероводородному растрескиванию, стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН), трещиностойкостью (CTOD), равномерным удлинением и др.
5. Прокат должен обеспечивать заданные качественные характеристики (в том числе механические свойства, сплошность и т.д.) основного металла труб в зоне термического влияния при сварке.
Требования к исходной заготовке (слябу). 1. Базовый химический состав металла в соответствии с требованиями к прокату.
2. Чистота металла по примесям, неметаллическим включениям, включая требования к слябу для проката с особыми требованиями (стойкость к сероводородному растрескиванию и др.).
3. Требования к макроструктуре (табл. 2.3).
Металловедческая концепция производства проката

4. Толщина сляба для листа больших толщин.
Жесткие требования предъявляются к исходной заготовке (слябу) по допускам на химический состав, чистоте по примесям и неметаллическим включениям, макроструктуре, качеству поверхности. Требования возрастают при повышении класса прочности, толщины проката и при наличии дополнительных требований к прокату.
Химический состав стали и структура, обеспечивающая заданный комплекс свойств. Существуют два основных метода производства проката для электросварных труб большого диаметра:
— термомеханическая контролируемая прокатка с охлаждением на воздухе;
— термомеханическая прокатка с последующим ускоренным охлаждением по различным вариантам.
Граница применимости этих технологических вариантов зависит от толщины проката, класса прочности и дополнительных требований (сероводородостойкость, полосчатость и др.), и в концепции построения прокатного стана должны быть предусмотрены обе схемы.
Первый метод обычно применяют для проката класса прочности не выше Х70 (К60). В этом случае структура состоит из деформированного феррита и перлита. Такой подход применяют для проката толщиной не более 22 мм (в отдельных случаях — до 25-27 мм и выше). Химический состав стали характеризуется повышенным содержанием углерода, добавками легирующих (Mn и Si) и микролегирующих элементов. Для проката более высоких классов прочности или больших толщин химический состав стали обычно характеризуется пониженным содержанием углерода и комплексом легирующих элементов, повышающих устойчивость аустенита (Cr, Ni, Cu, Mo, В). Такие добавки (за исключением бора) могут вводиться и в стали класса прочности Х65 в случае производства проката повышенной толщины. Для сталей, стойких к сероводородному растрескиванию, в связи с необходимостью снижения содержания углерода и марганца получаемое разупрочнение компенсируют легированием ванадием и добавками Ni, Cu.
Общий подход к выбору химического состава стали следующий:
— содержание углерода определяется в зависимости от требований по прочности и структуре стали и выбирается минимальным для обеспечения требований вязкости, хладостойкости, свариваемости и соотношения σт/σв; максимальное содержание углерода для стали с высоким уровнем требований не более 0,09% С;
— уровень содержания легирующих элементов определяется уровнем упрочнения твердого раствора, кинетикой превращения аустенита и свариваемостью (углеродным эквивалентом);
— необходимость микролегирования стали определяется управлением процессами структурообразования (рост зерна, рекристаллизация аустенита) и влиянием дисперсионного упрочнения на предел текучести;
— содержание вредных примесей и газов и загрязненность стали неметаллическими включениями определяются уровнем основных и дополнительных требований к прокату.
Требования к структуре металла определяются в первую очередь классом прочности проката, во вторую — размерным сортаментом:
— до класса прочности Х70 включительно — феррит + перлит (Ф + П); в зависимости от требований по прочности и хладостой-кости феррит может быть полиэдрическим или частично состоять из зерен с субзеренной структурой;
— Х65-Х80-Ф + бейнит + П (для Х65 обычно при больших толщинах листа);
— Х70-Х80 — гранулярный бейнит (квазиполигональный феррит + составляющая мартенсит/аустенит (М/А), цементит, бейнит) + феррит;
— X100 — преимущественно гранулярный бейнит;
— Х120 — нижний бейнит, вырожденный нижний бейнит, бейнитно-мартенситная смесь, отпущенный мартенсит.
Общее требование к структуре — максимальная дисперсность.
До класса прочности Х70 включительно структурная матрица может представлять собой полиэдрический феррит. Размер зерна феррита для производства хладостойкого проката — не крупнее № 10 по ГОСТ 5639.
В зависимости от требований по прочности и хладостойкости феррит может быть полиэдрическим или частично состоять из зерен с совершенной субзеренной структурой. Вторая структурная составляющая: перлит (не более 15%) или бейнит (не более 25%), или квазиполигональный феррит (до 50%), а также допускается небольшое (до 2-3%) количество фазы (М/А). Полосчатость ферритно-перлитной структуры может достигать балла 3 (в осевой зоне 4) по ГОСТ 5640. К структуре проката для специальных условий эксплуатации, например в случае транспортировки сероводородсодержащего газа (HIC), предъявляются дополнительные требования: снижение полосчатости (не более балла 2 или 1 в зависимости от класса стойкости) и твердых структурных составляющих (М/А), в отдельных случаях подобные требования предъявляют для особых условий эксплуатации трубопроводов (сейсмически опасные районы).
Класс прочности Х80 достигается при структуре, состоящей из полигонального феррита и бейнита (более 50-60%) или преимущественно гранулярного бейнита.
При переходе к структуре матрицы, состоящей из продуктов промежуточного превращения (бейнит), количественная оценка дисперсности структуры затруднительна вследствие морфологической сложности таких структур. Малоугловые границы между рейками верхнего бейнита не препятствуют распространению трещин (их задерживают только границы бейнитного пакета или исходного аустенитного зерна), поэтому вязкость бейнитной стали может быть увеличена только воздействием на структуру исходного аустенита. Росту кристаллов бейнита препятствуют границы аустенитных зерен, поэтому уменьшение размера последних по толщине проката соответственно уменьшает размер пакетов и длину реек. Цель — получение после черновой стадии прокатки аустенитного зерна размером примерно 30 мкм, а в чистовой стадии прокатки после осуществления прокатки с суммарной степенью деформации 75-80% (4-5-кратное обжатие) происходит соответствующее уменьшение размера зерен в направлении толщины проката. При более тонких исследованиях структуры установлено, что неполигональный (квазиполигональный, бейнитный) феррит должен иметь размер эффективного зерна не более 1-2 мкм.
В связи с тем, что структура проката формируется в условиях непрерывного охлаждения, она представляет собой смесь продуктов превращения аустенита. Для стали классов прочности Х100-Х120 технологическое окно (области температур и скорости охлаждения), обеспечивающее преимущественно заданный тип структуры (не более 10% прочих структурных составляющих), сужается.
Для стали X120 наилучшее сочетание свойств получено при формировании структуры нижнего бейнита с дисперсными выделениями цементита внутри реек, при этом для улучшения вязкости желательно предотвратить образование фазы М/А. При этом рекомендуемый размер деформированных зерен аустенита (в направлении толщины проката) не более 4 мкм.
Процессы формирования структур, необходимые технологические воздействия и цели операций.
1. Нагрев слябов под прокатку. Условия нагрева определяются кинетикой роста зерна и растворимости карбонитридных фаз. Последнее в значительной мере определяется соотношением содержаний углерода и ниобия в стали: чем выше содержание углерода и ниобия, тем выше должна быть температура нагрева. Недостаточная температура нагрева приводит к потере части кар-бонитридообразующих элементов (Nb) и, следовательно, снижению прочности, слишком высокая — к получению грубого зерна, которое, если не принять мер, может изменить тип структуры (бейнит вместо ферритно-перлитной структуры), и потере вязкости и хладостойкости.
Цель операции с точки зрения структуры: формирование мелкого равномерного зерна аустенита; растворение частиц карбонитридных фаз для их последующего выделения в дисперсной форме.
2. Черновая прокатка. Цель операции: максимальное измельчение зерна аустенита за счет процесса многократной рекристаллизации после каждого прохода.
3. Промежуточное охлаждение подката. Цель операции: достижение требуемой температуры начала чистовой прокатки (ниже температуры остановки рекристаллизации аустенита); сохранение мелкозернистой структуры; предотвращение выделения частиц NbCN в аустените.
4. Повторный нагрев (возможный вариант). В этом случае подкат после черновой прокатки охлаждается до температуры завершения фазовых превращений и повторно нагревается до температуры несколько выше Ac3 (аналогично нормализации) и передается на чистовую прокатку. Ожидаемый результат — получение более мелкого и равномерного зерна аустенита перед чистовой прокаткой и формирование конечной мелкозернистой структуры, повышенной вязкости и хладостойкости. Недостаток — возможное снижение прочности из-за потери части ниобия.
5. Чистовая прокатка. Если деформация завершается в γ-области, формируется аустенит с высокой удельной эффективной поверхностью (повышенная удельная плотность границ зерен, полосы деформации, двойники, дислокационные построения и др.), увеличивающей количество мест зарождения феррита и измельчение его зерна; кроме того, уменьшение размера зерен в направлении толщины проката ограничивает размер пакетов продуктов промежуточного и сдвигового превращения (бейнит, мартенсит), а также наследование субструктуры аустенита в бейните и мартенсите.
Если деформация завершается в (γ+α)-области: первоначально деформация осуществляется в γ-области (цели указаны выше), далее с постепенным переходом в (γ+α)-область деформация выделившегося феррита, в котором происходит полигонизация с образованием субзеренной структуры, что обеспечивает повышение прочности и вязкости; важным моментом является формирование в феррите кристаллографической текстуры, что приводит к формированию характерного излома с «расщеплениями» и повышает хладостойкость проката.
6. Последеформационное охлаждение. Структура в целом формируется на этой стадии.
При естественном охлаждении проката на воздухе формируется структура, соответствующая химическому составу стали (в большинстве случаев для низколегированных сталей — феррит + перлит; для более легированных сталей — феррит + бейнит и т.д.). При различных вариантах ускоренного охлаждения происходит переохлаждение аустенита и наблюдаются следующие изменения:
— измельчение зерна;
— изменение типа, соотношения структурных составляющих и их взаимного расположения;
— изменение дисперсности частиц карбонитридных фаз и др.
Указанные выше типы структур, кроме отпущенного мартенсита, получают путем выбора оптимального химического состава и применения одного из вариантов ускоренного охлаждения: УО, «жесткое» УО, закалка с самоотпуском без последующей термической обработки. Отпущенный мартенсит может получаться закалкой с последующим отпуском.
7. Замедленное охлаждение. Практически не оказывает влияния на тип конечной структуры, за исключением некоторого изменения структуры в осевой зоне проката (снижение склонности к образованию бейнита и мартенсита и снижение твердости осевой ликвационной зоны проката). На этой стадии происходят удаление диффузионно-подвижного водорода, снятие напряжений.
8. Термическая обработка вне потока. Нормализация для производства основного сортамента трубных сталей не подходит, поскольку металл при конкретном уровне прочности будет характеризоваться повышенным углеродным эквивалентом и низким сопротивлением хрупкому разрушению в сравнении с термомеханической прокаткой (ТМП). Закалка с отпуском принципиально может обеспечить требуемое сочетание свойств, однако здесь встает вопрос производительности и затрат. В ряде случаев термообработка применяется в соответствии с требованиями НТД, может быть использована в качестве альтернативы термомеханической прокатке (закалка с отпуском) или для исправления брака по механическим свойствам (отпуск).
Технологическая схема производства. Основа концепции стана — требуемая структура и свойства проката — формируется в потоке стана путем применения термомеханической (контролируемой) прокатки и последующего регламентированного охлаждения. В ряде случаев (малые толщины и невысокий требуемый уровень прочности) возможно применение контролируемой прокатки с охлаждением на воздухе.
Требования к технологии и оборудованию. Нагрев слябов должен осуществляться до температур 950-1250 °C с высокой точностью и равномерностью.
Черновая клеть должна обеспечить деформацию исходного сляба с относительными обжатиями до 15-20% в температурном интервале до 950 °С, чистовая клеть — деформацию листа максимальной ширины с относительными обжатиями до 10-15% до температур 650-700 °C с высокой точностью поддержания температурного режима.
Система ускоренного охлаждения должна обеспечивать охлаждение проката с большим диапазоном скоростей. При этом должны быть обеспечены равномерность охлаждения по ширине и длине листа, отсутствие коробления и высокая точность поддержания параметров охлаждения (скорость, температура завершения), в том числе колебания температуры по длине листа, разница температур переднего и заднего концов листа и по его ширине, точность достижения температуры завершения охлаждения, разница температур начала охлаждения переднего и заднего концов листа.
Оборудование должно обеспечивать гибкость технологического процесса и возможность применения нестандартных технологических воздействий.
Далее исходя из требований к сортаменту готовой продукции с учетом металловедческих аспектов и требований к технологии и оборудованию стана разрабатываются последовательность операций и параметры технологии.