» » Замедленное охлаждение проката
25.01.2015

Некоторое время последнему температурному интервалу в технологической цепочке производства проката (примерно от 400-450 °C до температуры окружающей среды) не уделялось внимания, и охлаждение проката в потоке стана не контролировалось до тех пор, пока не потребовался прокат для газопроводных труб больших толщин (более 15 мм) с повышенными требованиями по сплошности (по результатам УЗК) и пластичности (δ5 не менее 22-23% для класса прочности К60).
В стали всегда присутствует водород. Механизмы и формы проявления водородной хрупкости в металлах описаны в многочисленных монографиях. Важнейшими источниками водорода являются влажные скрап и ферросплавы, известь; влага, содержащаяся в воздухе — источник водорода, так как водяной пар диссоциирует на водород и кислород. Из-за резкого снижения растворимости водорода при кристаллизации стали и при последующем снижении растворимости с понижением температуры в твердом состоянии водород оказывается внутри матрицы и диффундирует как в направлении поверхности проката, выходя из него, так и в направлении центра сляба или листа. На дефектах решетки, включениях, в зоне сегрегации атомарный водород накапливается и рекомбинирует в молекулярный. Давление газообразного H2 может достигать очень высоких значений, превышающих прочность стали, что может привести к возникновению трещин. В частности, при концентрации водорода 3 ppm и температуре 300 °C равновесное давление H2 составляет около 300 бар.
Возникновение дефектов металла зависит от ряда факторов:
— содержания водорода;
— химического состава и структуры стали;
— толщины проката (в основном склонность к флокенообразованию возрастает с увеличением поперечного сечения проката, так как при затвердевании водород не может легко удаляться из металла, кроме того, возрастает вероятность макроликвации и возможность увеличения термических напряжений);
— чистоты металла по сере и неметаллическим включениям;
— условий охлаждения.
Уменьшить попадание водорода в сталь можно путем удаления влаги из шихты, например, путем прокаливания ферросплавов. Содержание водорода в значительной мере зависит от наличия защиты струи металла при выпуске из сталеразливочного ковша в промежуточный. Наиболее очевидный способ снижения содержания водорода в стали — вакуумирование жидкого металла. Ранее вакуумирование до содержания водорода ниже 2 ppm считалась лучшим решением для предотвращения дефектов водородного происхождения. С тех пор требования по чистоте стали очень сильно выросли. Производство стали было значительно усовершенствовано, что дало возможность производить сталь с содержанием серы и кислорода менее 20 ppm. Такие стали обладают значительно более низким (на порядок) количеством включений, которые могут быть ловушками водорода. Для полного предотвращения возникновения дефектов водородного происхождения в современных сталях требуется снижать содержание водорода (по возможности оно должно составлять менее 1 ppm). Однако удаление водорода при вакуумировании до такого уровня — процесс длительный, требующий больших затрат, кроме того, при последующей непрерывной разливке происходит поглощение водорода из воздуха и шлака, так что его содержание может вырасти на 2 ppm.
Удаление водорода возможно из слябов при их замедленном охлаждении (штабелировании и др.). Однако литые слябы имеют определенную пористость, особенно в центральной зоне. Следовательно, при медленном охлаждении часть водорода будет собираться внутри этих пор. Эксперименты показали, что при исходном содержании водорода в плавке 6 ppm при охлаждении слябов толщиной 200 мм от 900 до 450 °C в течение 52 ч, его среднее содержание снизилось до 2 ppm, при этом в центральной части сляба содержание водорода повысилось до 9 ppm (рис. 5.87). В больших сечениях в твердом состоянии нельзя удалить существенное количество водорода за приемлемое время: так, при сечении 100 мм при исходном содержании водорода 4 ppm даже через 200 ч на расстоянии 20 мм от поверхности содержание водорода превышает 3 ppm. В любом случае водород удаляется из литой стали только вблизи поверхности, а его концентрация в центре значительно возрастает из-за неизбежной пористости.
Замедленное охлаждение проката

Для проката, полученного из непрерывнолитой заготовки, характерно наличие выраженной осевой ликвационной неоднородности с повышенным содержанием углерода, марганца и других элементов. В результате образуются участки повышенной устойчивости аустенита, которые приводят к образованию бейнитных и мартенситных структур, снижая пластические и вязкостные свойства. Кроме того, сохранение в центральных зонах проката относительно низких температур участков с аустенитной структурой приводит к повышенной концентрации водорода, а, следовательно, и к возможности образования микротрещин.
Более эффективным способом устранения вредных последствий присутствия водорода в готовом прокате из сталей для газопроводных труб большого диаметра является замедленное охлаждение металла после прокатки. Основной задачей является устранение дефектов сплошности листов, выявляемых с помощью УЗК, а также повышение пластичности металла.
Из-за связи с растворимостью водорода формирование трещин (флокенов) имеет место только при низких температурах (менее 200 °С). Инкубационный период продолжается от нескольких часов до нескольких дней, образование флокенов завершается через несколько дней после охлаждения.
Для предотвращения образования дефектов водородного происхождения используют укладку листов в штабели для замедленного охлаждения, для снижения содержания водорода до концентраций, при которых дефекты уже не образуются. Дополнительным положительным эффектом при этом является снижение остаточных напряжений. На рис. 5.88 приведены рекомендации по содержанию водорода для проката разных толщин, при котором требуется замедленное охлаждение. Например, для того, чтобы не производить укладку листов толщиной 20 мм в штабель необходимо исходное содержание водорода менее 1,5 ppm. Укладку в штабель следует начинать при температуре около 400-450 °С, но обычно не ниже 350 °С. Реально все листы из высокопрочных низколегированных сталей толщиной более 12 мм желательно укладывать в штабели после чистовой прокатки.
Замедленное охлаждение проката

Это единственный надежный и целесообразный способ снижения содержания водорода до значений, при которых не происходит образования дефектов водородного происхождения.
Относительно необходимого времени замедленного охлаждения нет единого мнения, в работе приводятся данные о том, что достаточно нескольких часов при укладке листов в штабели при 400 °С. На некоторых заводах этот процесс продолжается до двух суток, из расчета, чтобы температура штабеля достигла 100-150 °C (рис. 5.89). Длительность выдержки зависит от начального содержания водорода, начальной температуры штабеля, а также от толщины листов и марки стали.
Замедленное охлаждение проката

Комплекс исследований проката, проведенный в ОАО «МК «Азовсталь», показал, что для листов, прошедших охлаждение в потоке стана 3600, имеет место прямая зависимость между исходным содержанием водорода в жидкой стали и количеством дефектов УЗК, например, при содержании водорода в жидкой стали 4,6-6,9 ppm отбраковка составила 3,7%, а при содержании 8,1-10,2 ppm — 7,2%. По данным ОАО «Харцызский трубный завод», при повышении содержания водорода в указанных пределах отбраковка труб по дефектам УЗК на концевых участках возрастала с 13,7 до 25,5%.
При исследовании осевой зоны листов, отбракованных по результатам УЗК, установлены значительные зигзагообразные прерывистые микротрещины, проходящие по зонам бейнитной структуры (рис. 5.90). Основная поверхность изломов представляет собой квазискол, что подтверждается механизмом водородного охрупчивания. Исследование кинетики выделения из стали 09Г2ФБ при замедленном охлаждении показало, что в области температур 500-150 °C скорость удаления водорода достаточна для получения существенных эффектов: снижения общего содержания водорода и улучшения распределения оставшегося водорода по толщине листа. Последнее предполагает, что после замедленного охлаждения металла наблюдается более равномерное распределение водорода между осевой зоной листа и основным объемом металла, т.е. водород успевает выйти из более дефектной осевой зоны вследствие более медленного ее остывания. Эффект диффузионного рафинирования составляет в среднем 40-50%, т.е. в процессе замедленного охлаждения в стопе выделяется на 40-50% водорода больше, чем при охлаждении листов в потоке стана.
Замедленное охлаждение проката

Основными технологическими параметрами такой обработки являются температура укладки листов в штабель, скорость охлаждения и температура завершения замедленного охлаждения.
Результаты металлографических исследований микроструктуры стали трубных марок (13Г1С-У, 09Г2ФБ, 10Г2ФБЮ), прошедшей и не прошедшей замедленное охлаждение после прокатки, показывают следующее. Продукты промежуточного превращения в осевой зоне отмечены во всех случаях, результаты измерения микротвердости структур промежуточного типа в осевой зоне показывают тенденцию к ее снижению в металле, прошедшем замедленное охлаждение (362-490 и 277-330HV соответственно). Микротрещины водородного типа в осевой зоне, проходящие по продуктам промежуточного превращения аустенита, обнаружены исключительно в металле, прошедшем охлаждение в потоке стана.
В процессе исследований установлено положительное влияние термодиффузионной обработки на величину относительного удлинения листового проката. Водород при охлаждении проката на воздухе не успевает полностью выйти из кристаллической решетки a-железа, что вызывает микронапряжения и снижает пластичность. При замедленном охлаждении возможно выделение значительно большего количества водорода, что положительно влияет на пластичность металла.
На больших массивах данных (488 партий проката) проведено статистическое сопоставление механических свойств листового проката из стали марки 09Г2ФБ после замедленного охлаждения в штабеле (48-56 ч) и после охлаждения листов в потоке стана на воздухе. Анализ полученных результатов показал, что применение диффузионного рафинирования проката в штабеле приводит к статистически значимому повышению уровня относительного удлинения на 1-1,9% (абс.), при этом не наблюдается снижения прочности стали. При сопоставлении характеристик вязкости и хладостойкости металла после двух вариантов охлаждения установлено, что массивы ударной вязкости KCV и DWTT (ИПГ) статистически не отличаются при незначительном повышении KCU в состоянии после замедленного охлаждения.
Внедрение технологии замедленного охлаждения привело к уменьшению в 5,9 раза количества партий металла, показавших при первичных испытаниях неудовлетворительные результаты по относительному удлинению, отсортировка труб в ОАО «ХТЗ» по результатам кольцевого УЗ-контроля готовых труб уменьшилась в 9,7 раза.
Практические правила обычно формируются следующим образом:
— прокат из стали повышенной прочности толщиной более 12 мм следует укладывать в штабель, так же как и весь прокат толщиной более 30-40 мм;
— температура укладки листов в штабель должна быть не ниже 350 °С.