» » Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе
25.01.2015

Общие принципы термомеханической прокатки изложены выше и предполагают управление процессами формирования структуры при нагреве, в черновой и чистовой стадиях прокатки и при последующем охлаждении проката. При этом ТМП может быть реализована не только на толстолистовом реверсивном прокатном стане, но и на станах других типов, например на непрерывном широкополосном стане, или стане Стеккеля (Steckel mill) с учетом особенностей этого оборудования.
По сравнению с прокаткой на толстолистовых станах процесс на непрерывном широкополосном стане (НШС) более экономичен, особенно в случае производства более тонкой полосы.
На НШС количество стадий деформации обычно ограничено количеством клетей. Такое ограниченное количество стадий деформации существенно снижает возможности выбора стратегии обжатий, особенно с учетом практически полной загрузки клетей при осуществлении ТМО. Следует отметить, что существуют прокатные станы с реверсивной черновой клетью, что повышает гибкость технологии, но снижает производительность стана. Кстати, подобное оборудование есть в столице, так как гибка металла в Москве весьма востребована.
Сопротивление деформации возрастает с понижением температуры деформации; если аустенит не рекристаллизуется, например в ниобийсодержащих низколегированных сталях, эта зависимость более резкая. В отличие от прокатки толстого листа, при которой эту проблему можно решить большим числом пропусков с относительно низкой степенью деформации за один проход, при горячей прокатке полосы необходимо повысить температуру прокатки в чистовой группе НШС. Чтобы обеспечить необходимую степень деформации в области температур ниже температуры рекристаллизации аустенита, необходимо повысить температуру остановки рекристаллизации (T5 или Tnr), для этого наиболее приемлемым является повышение содержания ниобия в твердом растворе. Таким образом, полосовой материал, как правило, содержит большее количество ниобия, чем толстолистовая сталь для изделий одинаковой толщины и прочности. Для растворения карбонитридов ниобия при повышенном содержании ниобия необходима также более высокая температура нагрева под прокатку.
В отличие от инициированных деформацией выделений в аустените и имеющих, как правило, размер частиц около 20 нм и слишком крупных для того, чтобы способствовать повышению прочности путем дисперсионного твердения, размер частиц выделяющихся в феррите намного меньше и составляет единицы нанометров. Если в твердом растворе при температуре чистовой прокатки остается до 0,02% ниобия, то при выделении в феррите прочность может возрасти приблизительно на 90 Н/мм2. Относительно медленное охлаждение полосы после смотки в рулон также способствует оптимизации дисперсионного твердения.
Если рассматривать выделение частиц карбида ниобия в зависимости от времени и температуры, то при коротком времени и низкой температуре выдержки выделение частиц неполное, а при длительной высокотемпературной выдержке размеры частиц превышают оптимальные (перестариваются). Поскольку скорость охлаждения начала и конца рулонной полосы намного выше, чем остальной части рулона, температура смотки должна быть такой, чтобы обеспечивать одинаковую прочность по всей длине полосы. Неизбежно более высокая температура смотки начала и конца полосы обеспечивает технологические преимущества с этой точки зрения. Для рулонной стали, содержащей ванадий, который не влияет на размер зерна феррита, но повышает прочность путем выделения карбонитридов ванадия в феррите, описанные взаимосвязи аналогичны.
При производстве горячекатаной полосы больших толщин температура материала перед входом в чистовую группу клетей слишком высока для термомеханической прокатки. Это устраняется путем задержки подачи раската после черновой прокатки. Чтобы обеспечить постоянную температуру чистовой прокатки по всей длине полосы, используют подогреваемый рольганг, coil box (технология, при которой подкат после черновой прокатки сматывают в рулон, после чего начинают задавать в чистовую группу) и др. Также для устранения температурного клина по длине подката при выдержке на промежуточном рольганге стана применяется прокатка в чистовой группе стана с ускорением. Это приводит при постоянных Tкп и Tсм к увеличению скорости охлаждения на отводящем рольганге и изменению структуры по длине полосы, что должно учитываться при выборе состава стали с позиции кинетики превращения. Температуру окончания чистовой стадии прокатки стремятся выдержать вблизи критической точки Ar3 данной стали.
Вследствие высокой скорости деформации и коротких временных интервалов между проходами в чистовой группе клетей НШС выделение карбонитридов, вызванное деформацией, происходит в меньшей степени, чем в толстолистовой стали. Вместе с повышенной температурой чистовой прокатки полосы неполное выделение карбонитридов обеспечивает более высокое содержание ниобия в твердом растворе при завершении деформации. Растворенный ниобий замедляет процессы фазовых превращений, повышая устойчивость аустенита, и может выделяться в феррите в процессе или после превращения, вызывая его дисперсионное твердение.
Традиционным для горячей прокатки на полосовых станах является ускоренное охлаждение после чистовой прокатки, что обеспечивает полное превращение аустенита до смотки полосы даже при высокой скорости чистовой прокатки.
Специфическим этапом технологии производства листового проката на НШС является стадия медленного остывания полосы после смотки ее в рулон. Режим смотки включает температуру смотки и ее распределение по длине полосы, и эти параметры определяют формирование конечной структуры и распределение свойств по длине полосы. Дополнительные трудности с точки зрения получения стабильного уровня свойств по всей длине полосы составляет изменение скорости охлаждения металла в рулоне от витка к витку, что приводит к неодинаковым условиям структурообразования и формирования свойств.
Изменение параметров охлаждения на отводящем рольганге после окончания прокатки позволяет управлять температурой смотки по длине полосы. Это необходимо для обеспечения равномерности механических свойств в различных частях рулона, которые охлаждаются с различными скоростями и в которых проявляется различный эффект дисперсионного твердения. На рис. 5.91 схематически показано, что более гомогенное состояние материала достигается, если температура смотки изменяется по длине рулона по определенному закону. Это особенно необходимо для микролегированных сталей.
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе

Проводятся работы по регулируемому охлаждению уже смотанного рулона, что позволяет как повысить скорость и равномерность охлаждения различных участков по длине полосы, так и осуществлять замедленное охлаждение (термостатирование), что в итоге повышает однородность свойств проката.
Низкая скорость охлаждения рулона способствует диффузии фосфора к границам зерен, которые ориентированы параллельно поверхности полосы в результате «расплющивания» зерен аустенита в процессе термомеханической прокатки. Это вызывает локальное охрупчивание. В результате во время ударных испытаний в образцах наблюдается излом, в котором наблюдаются «расщепления», представляющие собой субтрещины, образованные до прохождения магистральной трещины и ориентированные перпендикулярно поверхности основного излома. Чем больше количество расщеплений, которые образуются выше температуры вязкохрупкого перехода, тем ниже работа удара. Кроме понижения содержания фосфора в стали, снижение температуры смотки полосы в рулон также ведет к уменьшению количества расщеплений в результате уменьшения сегрегации фосфора, что увеличивает работу удара.
Результаты последних отечественных разработок в области производства рулонного проката для электросварных труб большого диаметра обобщены в работе. Здесь основное внимание уделено формированию ферритно-бейнитной структуры за счет управления фазовыми превращениями путем использования стали с пониженным содержанием углерода (0,04-0,07%), введения в сталь добавок Mo, Cr, Ni, Cu, Nb (до 0,08-0,10%) и ускоренного охлаждения на отводящем рольганге. Данный подход позволяет формировать дисперсную структуру и комплекс высокой прочности, вязкости и хладостойкости в условиях ограниченных технологических возможностей конкретного НШС. Стремление к формированию бейнита в структуре вступает в противоречие с использованием карбонитридных фаз для дисперсионного упрочнения, поскольку требуются различные температуры завершения ускоренного охлаждения. Поэтому основная идея для современных высокопрочных сталей, производимых на НШС — использование микролегирования (в первую очередь Nb) для измельчения структуры и повышения устойчивости аустенита.
Идея по составу стали заключается в том, чтобы он обеспечивал формирование заданной ферритно-бейнитной структуры при ограниченных скоростях охлаждения на отводящем рольганге, а также по длине полосы при возрастающей в связи с ускорением полосы скорости охлаждения «от головы к хвосту».
Изложенный выше металловедческий подход позволяет на отечественных НШС 2000 производить прокат для изготовления электросварных труб большого диаметра класса прочно сти К60 с толщиной стенки до 16 мм.
Прокатный стан Стеккеля — это реверсивный прокатный стан, в котором полоса после каждого прохода сматывается в рулон на подогреваемых печных моталках (моталки Стеккеля), которые расположены с обоих концов прокатного стана (рис. 5.92).
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе

При производстве проката на НШС временные интервалы между проходами относительно короткие, поскольку заготовка передается от одной клети к другой, которые расположены последовательно. Кроме того, время между проходами постепенно уменьшается, так как полоса продвигается по стану с ускорением, при этом каждая часть заготовки находится между клетями приблизительно одинаковое время. Поскольку стан Стеккеля — реверсивный, вся заготовка должна завершить проход прежде, чем начнется следующий. Таким образом, общее время прокатки больше, чем у непрерывного стана, и обычно составляет 250-400 с в зависимости от конечной толщины проката. Различные части по длине полосы испытывают значительно различающиеся термомеханические циклы. После того, как головной конец полосы пройдет через клеть, он останется на моталке Стеккеля приблизительно на 100 с, пока не начнется второй проход. Для «хвостовой» части полосы время между первым и вторым проходом может составлять ~5 с, поскольку основная часть полосы уже была смотана. Таким образом, концы заготовки поочередно испытывают то короткие, то длинные интервалы выдержки в печных моталках.
На стане Стеккеля, несмотря на наличие печных моталок, предназначенных для поддержания температуры полосы, есть некоторая потеря температуры между проходами. Это следствие того, что между проходами сбивается окалина, и происходит охлаждение. Также вал моталок охлаждается водой и есть некоторая потеря температуры непосредственно от барабана моталки, особенно на конце полосы, которая находится в прямом контакте с ним. Дальнейшее охлаждение происходит на концевой части заготовки, при каждом проходе через клеть. Эта «хвостовая» часть заготовки не попадает после того, как выходит из клети, остается на поверхности рулона на короткий интервал между проходами. По этим причинам в течение прокатки концы полосы охлаждены больше, чем основная часть рулона. Для более тонких полос и время прокатки, и скорость охлаждения увеличиваются и захоложенность концов полосы усиливается. Чтобы поддерживать постоянную температуру полосы при смотке в рулон, при охлаждении относительно холодной «головы» и «хвоста» сокращается расход воды используемой системой охлаждения. Фактически для «головной» части листа поддерживается более высокая температура смотки в рулон, чем для остальной части полосы.
Длительный цикл прокатки на стане Стеккеля имеет один недостаток — частицы Nb(C, N) продолжают выделяться в аустените, пока продолжается прокатка. Это уменьшает количество Nb в твердом растворе после завершения прокатки и, в свою очередь, снижается выпадение упрочняющих частиц в феррите. Таким образом, в стали требуется большее содержание Nb, для достижения желательного дисперсионного упрочнения феррита.
Середина длинной заготовки имеет более высокую температуру прокатки, но более медленно охлаждается в рулоне, тогда как на концах заготовки температура прокатки более низкая, но они более быстро охлаждаются после смотки в рулон. Уменьшение выделения упрочняющих частиц в феррите на внешних витках рулона возмещено упрочняющим эффектом более низкой температуры прокатки на концах заготовки. В результате получается прокат с относительно однородными свойствами по всей длине.
Прокатка полосы на НШС производится только в продольном направлении, что оказывает влияние на анизотропию свойств через кристаллографическую и металлографическую текстуру, а также морфологию неметаллических включений. Ситуация на одно-клетьевом стане Стеккеля аналогична, а в случае наличия черновой клети может применяться «разбивка» ширины сляба.
Производство рулонного проката для электросварных труб большого диаметра освоено до класса прочности Х80. Спиральношовные трубы, изготовленные из рулонного проката классов прочности Х70-Х80, произведенные как на НШС, так и на станах Стеккеля с толщиной стенки до 18,4 мм, нашли применение в проектах газопроводов в США, Китае.
Низкие удельные капиталовложения и короткий строительный цикл, простая и компактная технология, региональное сырье в виде металлического лома, специализированный сортамент продукции, ориентированный на конкретного потребителя, высокая производительность труда при оптимизации производственных издержек, появление новых технологий — весь этот комплекс объективных предпосылок сделал литейно-прокатные комплексы (Compact Strip Production (CSP)) одним из наиболее динамично развивающихся и эффективных направлений в черной металлургии. В начале идея работала при производстве продукции простого сортамента, далее возникла необходимость решения проблем формирования структуры и свойств, в том числе и путем изменения конфигурации оборудования и схемы производства. В настоящее время технология разливки тонких слябов и прямой прокатки одна из многообещающих технологических схем для сохранения стали в качестве ведущего материала. С увеличением промышленного опыта и знаний наблюдается быстрое расширение сортамента продукции, а высокопрочные стали становятся важной частью продукции. Таким образом, первоначальная цель была экономическая, а потом подключились технологи и металловеды, в том числе для проведения исследования и оптимизации процессов для производства все более сложных и качественных сталей.
Горячий посад (ГП) слябов в нагревательную печь (до того как в стали пройдет (γ-α)-превращение) используется не только в технологической схеме CSP, но в ней используется всегда, поэтому и рассматривается здесь. Причин применения горячего посада исходно было две.
Во-первых, горячий посад исторически применялся для легированной стали определенных марок, если в литом состоянии сляб восприимчив к растрескиванию при структурных и термических напряжениях в процессе охлаждения (и последующего нагрева). Если слитку такой стали позволить охладиться до комнатной температуры, остаточный аустенит превратится в мартенсит (при весьма низких температурах), таким образом создавая высокие внутренние напряжения в литом слябе. Грубое зерно в литом слябе с микросегрегацией в междендритных областях (особенно сегрегацией углерода, которая понижает температуру начала мартенсит-ного превращения в этих областях) означает, что сляб ломкий и хрупкий. Когда присутствуют высокие структурные напряжения, при наличии водорода в слябе трещины могут легко зарождаться и распространяться. Борясь с развитием такого растрескивания, необходимо нагреть сляб (горячий посад) прежде, чем в металле пройдут мартенситные и бейнитные превращения. Средняя температура посада в таком случае обычно 550-600 °С.
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе

Вторая причина горячего посада — возможность экономить энергию, для чего процесс непрерывной разливки должен осуществляться таким образом, чтобы исключить поверхностные трещины на слябах, в противном случае требуется осмотр слябов и зачистка дефектов.
В литом слябе микроструктура останется неизменной, если он не охлажден ниже температуры Ar3 и, естественно, она намного более крупнозернистая, по сравнению с размером зерна аустенита после нагрева из ферритной области. Из рис. 5.93 видно, что до температуры посада 700 °C зерно аустенита очень крупное и только при 600 °C и ниже резко измельчается.
Основные результаты по горячему посаду трубных сталей можно обобщить следующим образом.
Стали с Nb и Ti при ГП в аустенитном состоянии имеют неоднородный размер зерна и пониженную вязкость. В процессе горячего посада трудно измельчить крупное литое зерно аустенита путем стандартной контролируемой прокатки, поэтому низкотемпературная вязкость заметно снижается. Деформации при черновой прокатке может быть недостаточно для измельчения рекристаллизованного зерна аустенита в той же мере, как при обычной прокатке. Это связано с тем, что торможение рекристаллизации аустенита смещено к более высоким температурам в случае более крупного зерна аустенита (рис. 5.94). Для улучшения вязкости применяют специальные методы прокатки. Увеличение температуры начала прокатки при посаде сляба с аустенитной структурой приводит к измельчению структуры, улучшению вязкости стали, микролегированной Nb и Ti. Увеличение температуры посада и нагрева и снижение времени выдержки для сляба, посаженного в аустенитном состоянии, приводит к возрастанию прочности.
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе

Чтобы прокатать металл со структурой крупнозернистого аустенита без растрескивания сляба, нужна достаточно высокая температура первой деформации (выше 1000-1050 °С). Горячее растрескивание можно объяснить выпадением карбонитридов ниобия Nb(C, N) на протяженных границах аустенитного зерна, образованных в процессе кристаллизации при разливке и в течение нагрева перед прокаткой. Карбонитриды ниобия приводят к значительной концентрации напряжений в процессе прокатки и способствуют образованию микропор, приводящих к разрыву связи между зернограничными выделениями и матрицей.
В литой микроструктуре сляба при горячем посаде выделение Nb(C, N) происходит далеко не полностью, что делает растворение проще. Поэтому можно сказать, что для определенных условий нагрева эффект микролегирования усиливается. При горячем посаде и до некоторой степени при теплом посаде эффективность микролегирующих добавок повышается, так как они могут быть все еще в твердом растворе или их мелкие карбонитриды могут быть растворены при последующем нагреве. Можно получить более высокую прочность стали при горячем посаде по сравнению с традиционным процессом, поскольку элементы, обеспечивающие дисперсионное упрочнение (такие как Nb), растворяются полнее.
Последний анализ относится к стандартной схеме производства проката из толстого сляба с нагревом в методической печи. В случае схемы CSP ситуация более сложная, и обычно наблюдается снижение эффективности использования, например ниобия, поскольку слябы фактически не нагревают в туннельных печах, а просто производят выравнивание температуры переохлажденной поверхности и граней.
По данным работ металлургические преимущества разливки в тонкий сляб состоят в:
— более низкой макросегрегации углерода и микролегирующих элементов в процессе кристаллизации;
— меньшей суммарной степени обжатия, требуемой при производстве проката;
— меньшем размере включений.
Для того чтобы избежать смешанной структуры (рис. 5.95, а), необходимо проводить деформацию в первых двух клетях с суммарным обжатием не менее 50%, в том числе эффективно снижать скорость деформации, чтобы способствовать протеканию динамической рекристаллизации.
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе

Важным моментом в технологической схеме CSP является выявление причин образования и устранение трещин и других поверхностных дефектов проката.
Причин образования поверхностных трещин очень много, и они могут образовываться и развиваться на различных стадиях процесса: при разливке, деформации и даже охлаждении на отводящем рольганге. Причинами могут быть различная скорость охлаждения на поверхности и в сердцевине сляба; нестабильность твердой корочки на ранней стадии кристаллизации; механические напряжения; процессы, происходящие в металле при кристаллизации, приводящие к охрупчиванию металла; влияние шлакообразующей смеси, напряжения на поверхности первого сляба вследствие охлаждающего влияния кристаллизатора, термические напряжения и напряжения превращения совместно с низкой пластичностью ниобийсодержащих сталей в интервале 800-850 °С, особенно на фоне неоднородной структуры. Термические напряжения создаются на поверхности полосы в процессе ускоренного охлаждения. Кроме того, аустенитная фаза на поверхности полосы превращается в феррит на более ранней стадии, пока центр еще в аустенитном состоянии. Впоследствии температура в центре также снижается, и аустенит превращается в феррит или бейнит, приводя к напряжениям превращения вдоль поперечного сечения полосы. Параметры процесса прокатки должны быть оптимизированы с учетом состава, параметров деформации, в том числе, чтобы избежать растягивающих напряжений на поверхности стали при ускоренном охлаждении.
Вопрос получения однородной и мелкозернистой структуры при производстве микролегированных ниобием трубных сталей на CSP очень важен. В работе отмечаются следующие особенности этой схемы, которые надо принимать во внимание:
— на входе прокатного стана микроструктура характеризуется широким интервалом размеров зерен (существует определенная доля зерен с размером более 1 мм);
— общая степень вытяжки заметно меньше, чем применяемая при обычной прокатке на НШС с использованием сляба толщиной 200-250 мм.
Это значит, что при уменьшении количества проходов при прокатке (5-7 на большинстве заводов) есть две основных цели: устранить полностью грубую литую микроструктуру по мере того, как она измельчается, и как только это достигнуто, произвести чистовую деформацию в области температур ниже температуры рекристаллизации.
Здесь проблемы связаны с:
— более медленной кинетикой рекристаллизации крупных зерен в сравнении с зернами, обычно присутствующими в металле на входе в чистовую группу при обычной прокатке; дополнительно эта кинетика заметно замедляется вследствие присутствия ниобия;
— уменьшением суммарной степени деформации и, следовательно, возможности измельчения микроструктуры путем рекристаллизации с повышением толщины готового проката;
— существованием инициированных деформацией выделений Nb(C, N) до достижения полного измельчения грубой микроструктуры, подавляющих рекристаллизацию, причем эффект возрастает с повышением содержания ниобия в стали.
При неоптимальных условиях структура проката может быть неоднородной: проявляются полосы с микроструктурой, отличающейся от окружающей матрицы (см. рис. 5.95, б). Параметры этой структуры дают основание полагать, что она связана с исходными крупными зернами аустенита, которые не рекристаллизовались в ходе прокатки. С точки зрения вязкости это создает дополнительные проблемы (кроме формирования групп грубых ферритных зерен): локальное повышение прокаливаемости, что ведет к формированию более низкотемпературных фаз (более прочных и хрупких). EBSD анализ показывает, что зерна (фрагменты), сформированные в этих областях, имеют меньшие углы разориентировки, что может создавать единый кластер с точки зрения разрушения.
Для измельчения зерна аустенита могут быть рассмотрены два инструмента:
— активизировать статическую рекристаллизацию путем увеличения деформации за проход и начальной температуры прокатки;
— способствовать протеканию динамической рекристаллизации. Известно, что размер рекристаллизованного зерна после динамической рекристаллизации не зависит от исходного размера зерна.
Кроме того, должно быть исключено раннее выделение Nb(C, N). Как это было описано в работе, взаимосвязь между составом (в основном, содержанием Nb, С, N) и параметрами процесса (исходной температурой прокатки, деформацией за проход, распределением обжатий между проходами и конечной структурой) весьма сложно. Лучше всего оптимизировать этот процесс на основе модели структурообразования. В работе были созданы карты процесса с помощью модели преобразования микроструктуры. Авторы показали, что есть область, где комбинация низкой начальной температуры прокатки и малых обжатий может привести к существованию нерекристаллизованных аустенитных зерен. Уменьшить риски существования нерекристаллизованных зерен (литой структуры) можно путем оптимизации режима прокатки. И для статической, и для динамической рекристаллизации благоприятно, если большие степени деформации за проход применяются в первых клетях. Это может быть обеспечено путем концентрации деформации в меньшем числе клетей путем выведения отдельных клетей. Дополнительно это увеличивает время между активными проходами и, следовательно, помогает прохождению статической рекристаллизации. Были рассмотрены три схемы, которые условно можно обозначить следующим образом (клети № 1-3, прочерк — выведенная клеть):
1) 1, 2, 3, 5, 6;
2) 1, -, 3, -, 5, 6;
3) 1, 2, -, 5, 6.
Степень деформации в первом проходе во второй и третьей схемах существенно увеличена, два последних прохода во всех случаях неизменны. Для стали, содержащей 0,06% С, 1,1% Mn, 0,05% Nb и 0,008% N, проведены расчеты формирования структуры для трех схем прокатки. Модель предсказывает, что третья схема приведет к лучшей структуре (рис. 5.96).
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе

Критическая деформация для начала динамической рекристаллизации (ДР) увеличивается с возрастанием исходного размера зерна аустенита. В схемах 2 и 3 деформация ε = 1, примененная в первой клети, только преодолевает величину критической деформации для зерен мельче 800 мкм. Для более крупных зерен статическая рекристаллизация (CP) будет единственным механизмом, действующим в первом межклетьевом промежутке. Вместе с тем, более низкие деформации, примененные в режиме 1 в первых двух клетях, не позволяют активировать ДР. В режиме 3 при втором обжатии нерекристаллизованные крупные зерна могут достичь критической величины деформации для ДР с учетом деформации, сохраненной от первого прохода. Альтернативно холостой проход в схеме 2 во второй клети благоприятствует существованию CP, так как междеформационная пауза длиннее. Как отмечалось в работе, процесс будет комбинацией статической и метадинамической рекристаллизации. Одновременное существование обоих механизмов делает заметный вклад в уменьшение количества грубых зерен литой структуры перед чистовыми проходами при прокатке.
Режим прокатки на CSP следует оптимизировать, в противном случае трудно производить прокат для сварных труб, эффективным инструментом оптимизации может стать адекватная модель структурообразования при горячей прокатке. В этом контексте характеризовать аустенитную структуру следует не средним размером, а параметрами распределения, обращая особое внимание на правую его часть (крупные зерна).
Классический процесс CSP был описан в ряде статей. После сталеплавильного агрегата и внепечной обработки жидкая сталь разливается на МНЛЗ в сляб обычно толщиной 50 мм. Сляб режут на требуемую длину, транспортируют к туннельной печи, обычно с установленной температурой 1150-1170 °С, где происходит выравнивание температуры. В этом месте сляб имеет размер зерна аустенита 500-1000 мкм, после этого он сразу поступает в чистовую группу клетей примерно при 1000 °С. Размер зерна на входе в клеть № 1, не значительно отличается от размера зерна на входе в печь. После прокатки (5-7 клетей), полоса попадает на отводящий рольганг, где подвергается ускоренному охлаждению до температуры смотки. Этот состав оборудования не является оптимальным для производства трубных сталей, однако в работе рассматриваются возможности оптимизации процесса для такой схемы. Обращается внимание на две возможные проблемы при такой схеме:
— потерю ниобия за счет образования «звездообразных» частиц, не участвующих в дальнейших процессах структурообразования (рис. 5.97);
— формирование неоднородной структуры проката, включающей полосы крупнозернистых структур (см. рис. 5.95, в).
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе

Большинство трубных сталей содержит ниобий. Выделение частиц фазы NbC происходит путем гетерогенного зарождения, т.е. на ранее существующих дефектах решетки с высокой поверхностной энергией или подложках. Часто встречающаяся подобная подложка обеспечивается частицами TiN, которые могут выделяться или в жидком состоянии между дендритами δ-феррита или в аустените при более низких температурах. Исследования показали наличие NbC или Nb(CN), выделившихся на частицах TiN, результирующие «звездообразные» частицы имели в центральной части TiN и ответвления NbC. Очевидно Nb, затраченный на формирование звездообразных частиц, не будет влиять ни на управление рекристаллизацией аустенита при прокатке, ни на упрочнение феррита. Частицы NbC не сформировались бы в этом диапазоне температуры в отсутствии выделений TiN. Присутствие TiN + Nb(CN) — звездообразных частиц означает, что требуется более высокий уровень содержания Nb в стали для обеспечения заданных свойств. Следует отметить, что подобные комплексные частицы наблюдались и в V-содержащих сталях. Кинетика формирования частиц TiN зависит от состава стали перед разливкой (произведения [Ti][N]). Выход — оптимизация состава стали и снижение содержания азота (технология плавки, вакуумирование и др.). Исследования показали, что есть еще два способа понизить объемную долю звездообразных частиц:
— повысить температуру туннельной печи до 1200 °С, при которой растворится большинство частиц. Этот подход не полностью решает вопрос, так как растворенные частицы могут заново сформироваться на ранних стадиях горячей прокатки;
— второй подход основан на температуре формирования TiN: большая часть частиц TiN, формируется в интервале 1150-1050 °C в процессе охлаждения сляба между выходом из МНЛЗ и входом в туннельную печь, работающую при 1150 °С. Эти частицы TiN могут быть минимизированы, если будет использована практика охлаждения, когда температура поверхности сляба не падает ниже 1100-1150 °С. Это трудно практически осуществить, поскольку мы имеем дело с непрерывным процессом, а для МНЛЗ также имеются оптимальные параметры.
Задача технологиии горячей прокатки — достижение мелкой и однородной микроструктуры в прокате достаточно больших сечений, предназначенного, например, для производства сварных труб. Как указано ранее, в Nb-содержащих сталях, произведенных на CSP, часто наблюдается смешанная структура зерна, особенно в полосе толщиной свыше 6-8 мм (см. рис. 5.95, в). Наблюдаются полосы грубого, высокотемпературного полигонального феррита, смешанного с более низкотемпературным неполигональным ферритом, ожидаемым при температуре смотки 565 °С. Такая смешанная структура вызывает ухудшение вязкости и хладостойкости и ложные сигналы при УЗК труб и сварных швов.
Схема диаграммы рекристаллизации приведена на рис. 5.98. Практически полная рекристаллизация происходит выше температуры T95, в то время как приблизительно полное подавление рекристаллизации происходит ниже температуры T5. Параметры диаграммы зависят от исходного размера зерна аустенита, состава стали и междеформационной паузы. Стандартная схема шестипроходной прокатки (F1-F6) используется на заводе NUCOR Steel Berkeley. Видно, что параметры деформации выбраны неправильно с точки зрения формирования структуры аустенита. С целью устранения проблемы смешанного зерна была разработана новая схема проходов, основанная на максимальном измельчении зерна (черновая стадия) и формировании оладьеобразных зерен аустенита (чистовая стадия) в пределах шести проходов.
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе

Известно, что достижение 100%-ной статической рекристаллизации аустенита за время междеформационной паузы зависит от четырех факторов: начального размера зерна аустенита, состава стали, степени и температуры деформации. Показано, что рекристаллизация крупнозернистого аустенита может произойти только при очень больших обжатиях. Было предложено исключить проходы F3 и F4 и увеличить степени деформации в F1 и F2, наряду с более длительным временем паузы между F1 и F5, одновременном увеличении степени деформации в последних проходах. В работе обращается внимание еще на одну причину образования разнозернистости. Некоторые зерна аустенита неоптимально ориентированы относительно направления прокатки и в них не формируются полосы деформации, являющиеся местами зарождения феррита (рис. 5.99). Если увеличивается степень деформации за проход, то большее количество таких неоптимально ориентированных зерен сформирует места зарождения феррита, при этом повысится однородность конечной микроструктуры.
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе

В целом технология CSP имеет определенные недостатки с точки зрения формирования оптимальной дисперсной структуры проката, обусловленные в первую очередь отсутствием перекристаллизации перед началом деформации и малой суммарной степенью деформации. Означает ли это, что прокат для электросварных труб ответственного назначения классов прочности Х70 и выше с гарантированной хладостойкостью (DWTT (ИПГ) при температуре -20 °C и ниже) в толщинах до 10-12 мм не может производиться по такой схеме? Нет, и об этом говорит опыт производства трубных сталей.
Металловедческими предпосылками этого являются:
— выбор оптимального состава стали (в том числе системы микролегирования);
— определенное соотношение толщины исходного сляба и готовой полосы (желательно не менее 7);
— оптимальный температурный режим процесса;
— интенсивная деформация в области рекристаллизации аустенита (черновая группа клетей) для измельчения зерна;
— наличие оборудования на промежуточном рольганге, способствующего проведению контролируемой прокатки в чистовой группе стана (интенсивное охлаждение, снижение температуры раската, последующее обеспечение гомогенизации температуры). Промежуточное охлаждение дает возможность обеспечить большую степень деформации, например, при температуре ниже 950 °С, что увеличивает низкотемпературную вязкость (снижает переходную температуру);
— гибкая система ускоренного охлаждения на отводящем рольганге.
Также важным моментом является адекватная система управления процессом.
В целом этим требованиям удовлетворяет, например, состав и характеристики оборудования литейно-прокатного комплекса Объединенной металлургической компании (рис. 5.100).
Контролируемая прокатка на непрерывном широкополосном стане, стане Стеккеля и литейно-прокатном комплексе