» » Эксперименты в промышленных условиях
25.01.2015

В чем разница между промышленным экспериментом и промышленным опробованием? Это последняя стадия исследований и разработок, которая позволяет окончательно уточнить параметры технологии и химический состав стали перед изготовлением опытной партии металлопродукции на основе результатов предыдущих стадий исследования. Эксперимент позволяет использовать одну плавку (один химический состав), варьировать, например, параметры технологии. В случае термомеханической прокатки можно изменять параметры нагрева, параметры черновой и чистовой прокатки, условия последеформационного охлаждения (ускоренного и замедленного), температуру смотки (при прокатке на НШС) и другие для различных слябов.
Промышленные эксперименты очень дороги, однако существуют способы, позволяющие увеличить объем получаемой информации и снизить затраты:
1) в промышленном слябе сверлятся отверстия, в них помещают обточенные лабораторные слитки различного химического состава, заваривают и такой сляб прокатывают на лист или полосу, после чего прокат разрезают и получают участки лабораторного металла, прокатанного в промышленных условиях и при строго выдержанных технологических параметрах (рис. 6.52);
Эксперименты в промышленных условиях

2) при изучении влияния ускоренного охлаждения в промышленных условиях автоматика современной системы охлаждения позволяет на одном листе получить широкий интервал температур завершения ускоренного охлаждения при транспортировке листа через установку с ускорением (рис. 6.53 и 6.54);
3) использование металла, который впоследствии подвергают термической обработке и др.
Эксперименты в промышленных условиях

Однако обычные эксперименты дают достаточно важную информацию, поскольку за исключением варьируемых параметров все остальные точно соответствуют производственным условиям.
В условиях HЛMK проведен промышленный эксперимент по выявлению влияния технологических параметров прокатки и смотки на структуру и свойства низкоуглеродистой стали — стали марки СтЗсп текущего производства. Режим прокатки на стане 2000 включал в себя деформацию в чистовой группе стана с завершением в (γ+α)-области (720-780 °С), душирование полосы на отводящем рольганге и смотку в рулон при температурах 500-600 °С. Для сравнения исследовали металл, прокатанный по действующей технологии.
После прокатки по принятой технологии металл имел характерный для стали СтЗсп комплекс механических свойств: σт = 229-276 Н/мм2, σв = 420-460 Н/мм2, δ5 = 28,7-36,6%, ударная вязкость КCU-20 = 49-64 Дж/см2 для полос толщиной 10 мм и 90-100 Дж/см2 (6 мм), порог хладноломкости Т50 находился при 3-5 °C и -45 °С, соответственно. Сталь имела ферритно-перлитную структуру с величиной зерна феррита 14,2-18,5 мкм, и 10,9 мкм при толщине полосы 10 и 6 мм, соответственно.
Прокатка по рекомендованным режимам привела к существенному упрочнению стали (на 50-140 Н/мм2 в зависимости от толщины полосы, режима прокатки и смотки) при одновременном улучшении хладостойкости (порог хладноломкости T50 снизился на 30-70 °С). При понижении температуры окончания прокатки полос толщиной 6 мм наблюдается интенсивное повышение предела текучести (140 Н/мм2 в исследованном интервале), временное сопротивление возрастает слабее (83 Н/мм2), для полос толщиной 10 мм эффект составляет 92-100 и 67-87 Н/мм2, соответственно. Влияние повышенной температуры смотки (570-610 °C в сравнении с 500-520 °С) проявляется в снижении временного сопротивления на 10-30 Н/мм2. Критическая температура хрупкости T50 монотонно снижается с понижением Ткп, при этом T50 полос толщиной 6 мм на 30-50 °C ниже, чем полос толщиной 10 мм. Ударная вязкость KCU-40 слабо зависит от температуры окончания прокатки, при некоторой тенденции к росту для полос толщиной 10 мм при снижении Ткп. При изучении влияния технологических параметров на сопротивление вязкому разрушению установлено, что KCU при полностью вязком разрушении с понижением Tкп снижается (что характерно для контролируемой прокатки), причем наиболее интенсивно для полос толщиной 6 мм (от 125 до 80 Дж/см2), для полос толщиной 10 мм этот эффект выражен существенно слабее (не более 15-25 Дж/см2); кроме того, отчетливо прослеживается преимущество повышенных температур смотки (КCU при полностью вязком разрушении повышается на 15-40 Дж/см2 при постоянной Ткп). Точки, отражающие зависимость относительного удлинения от Ткп, находятся на одной общей кривой, в интервале Tкп от 720 до 790 °C пластичность практически не зависит от режима прокатки.
Снижение Tкп привело к измельчению ферритного зерна от 14,2-18,5 до 7,4-9,5 мкм для полос толщиной 10 мм и от 10,9 до 6,7-8,3 мкм для полос толщиной 6 мм. Влияния пониженной температуры нагрева под прокатку и повышенных температур смотки на величину зерна феррита не отмечено. Исследование стали с применением просвечивающей электронной микроскопии показало, что прокатка с относительно высокими Tкп и Tсм приводит к формированию полигональных ферритных зерен с низкой плотностью дислокаций, грубопластинчатого перлита и выделению крупных частиц цементита по границам ферритных зерен. При более низкой Ткп (765-775 °С) и повышенной Tсм в феррите повышается плотность дислокаций, которые формируют ячеистую структуру с размером ячеек 1-1,5 мкм. Перлитная составляющая структуры состоит из колоний грубопластинчатого перлита и многочисленных участков со сфероидизированными частицами цементита. Дальнейшее понижение Tкп до 740-755 °C при низкой температуре смотки (500 °С) приводит к увеличению объема феррита, занятого ячеистой структурой, и уменьшению размера ячеек до 0,3-0,5 мкм (при Tкп = 740 °С), перлитные колонии имеют тонкопластинчатое строение, в структуре отмечены отдельные участки верхнего бейнита. При Tкп = 740 °C и ниже в феррите наблюдается формирование субзеренной структуры.
С целью определения оптимальных режимов прокатки стали типа СтЗсп для обеспечения комплекса механических свойств, соответствующего классам прочности 325 и 345, проведена статистическая обработка результатов проведенных экспериментов, а также массива сдаточных испытаний текущего производства ЛПЦ-3 НЛМК. Проведенный корреляционный анализ позволил установить существование статистически значимой связи прочностных свойств с температурой окончания прокатки (Tкп) , температурой смотки (Tcv), толщиной полосы (h) и содержанием углерода (С). С применением регрессионного анализа получены модели, адекватно описывающие зависимости предела текучести и временного сопротивления от указанных параметров:
Эксперименты в промышленных условиях
Эксперименты в промышленных условиях

Исходя из технологических соображений прокатку и расчеты по моделям проводили при фиксированной Tкп = 780 °С. На рис. 6.55 приведены результаты расчетов, показывающие допустимые температуры смотки в зависимости от толщины полос и содержания углерода в стали для получения проката классов прочности 325 и 345.
В условиях стана 3600 MK «Азовсталь» установлены закономерности влияния параметров контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения на структуру и свойства листового проката из стали 10Г2ФБЮ повышенной толщины (до 34 мм). Полученные результаты показывают, что увеличение толщины листа от 20 до 34 мм при постоянном режиме КП приводит к снижению прочностных свойств на 20-50 Н/мм2 при одновременном повышении переходной температуры хрупкого разрушения.
Эксперименты в промышленных условиях

Эффект упрочнения от ускоренного охлаждения с повышением толщины листа несколько снижается, однако применение этого технологического приема достаточно эффективно и для листов толщиной 34 мм: 35-45 Н/мм2 по пределу текучести и 25-35 Н/мм2 по временному сопротивлению, прочие характеристики значимо не изменяются.
Результаты проведенных в условиях стана 2800 промышленных экспериментов приведены на рис. 6.56. Были исследованы плавки стали СтЗсп текущего производства, а также опытной партии стали 09Г2ФТ. При анализе экспериментальных результатов установлены значимые эффекты влияния температуры окончания прокатки и ускоренного охлаждения на прочность и сопротивление хрупкому разрушению всех исследованных сталей, наблюдаемые эффекты зависели от базового состава стали и микролегирования. Проведенные количественные исследования структуры сталей позволили подтвердить установленную зависимость величины зерна феррита от химического состава и температуры окончания прокатки.
Эксперименты в промышленных условиях

Результаты промышленных экспериментов в условиях листопрокатного стана 5000 ОАО «Северсталь» (совместно с М.Ю. Матросовым) позволили определить характер зависимости между параметрами деформации и охлаждения и структурой, механическими свойствами и характеристиками сопротивления разрушению сталей различных систем легирования.
Снижение температуры окончания прокатки в интервале температур 770-734 °C ((γ+α)-область) с последующим охлаждением на воздухе приводит к повышению прочностных свойств листов толщиной 38,1 мм из стали типа 07Г2ФБ на 30-40 Н/мм2.
Однако применение такой технологии не обеспечивает уровня прочностных свойств, необходимых для стали класса прочности Х56. Контролируемая прокатка с охлаждением на воздухе не обеспечивает в данных условиях (толщина сляба 250 мм, толщина листа 38,1 мм) эффективного измельчения зерна. Ускоренное охлаждение приводит к дополнительному измельчению зерна и изменению соотношения структурных составляющих. Ускоренное охлаждение со скоростью 10-12 °С/с вызывает упрочнение стали, достигающее наиболее высокого уровня (50-70 Н/мм2) при Tko = 600— 625 °С. При дальнейшем снижении Tko свойства изменяются несущественно. Снижение температуры начала охлаждения из γ- в (γ+α)-область (780-710 °С) ведет к снижению предела текучести и временного сопротивления металла на 60-80 Н/мм2. При температуре ~700-720 °C кривые прочностных свойств для технологических схем КП и КП + УО пересекаются, что говорит о неэффективности применения в этом случае ускоренного охлаждения (рис. 6.57). Снижение Tно приводит к увеличению доли феррита, образованного при медленном охлаждении, и снижению количества более прочных структурных составляющих.
Эксперименты в промышленных условиях

При снижении температуры окончания ускоренного охлаждения временное сопротивление разрыву стали 05Г1МБ монотонно возрастает с одновременным снижением пластичности. Зависимость предела текучести от Tко для стали 05Г1МБ имеет более сложный вид: первоначально возрастает на 40-50 Н/мм2, достигая максимума при Tко ~ 550 °С, далее снижается и снова возрастает при Tко ниже 400 °C (рис. 6.58).
Зависимость предела текучести от Tко определяется характером изменения структуры: если изменяется тип структуры или дисперсность матрицы (измельчение зерна феррита, переход от полиэдрического феррита к игольчатому ферриту или бейниту), то предел текучести возрастает, а если изменения затрагивают в первую очередь вторую структурную составляющую — переход от перлита к бейниту и/или мартенситу, то имеет место экстремальная зависимость, обусловленная изменением вида кривой «напряжение-деформация: (исчезновением площадки текучести).
Хладостойкость стали (см. рис. 6.58) слабо зависит от Tко в интервале 600-470 °С. При более низких Tко доля вязкой составляющей в изломе снижается, в основном за счет образования мартенсита.
Эксперименты в промышленных условиях

Эффект ускоренного охлаждения существенно зависит от температуры начала ускоренного охлаждения (Тно). Снижение Tно ниже точки Ar3 приводит к снижению прочности исследуемой стали, поскольку частично превращение происходит до начала ускоренного охлаждения. Повышение Tно выше 800 °C может привести, с одной стороны, к повышению устойчивости аустенита, а с другой — к увеличению размера зерна аустенита, и вследствие повышения температурного интервала деформации выделению части ниобия в аустените в виде крупных частиц с потерей части эффекта дисперсионного упрочнения. Поэтому в стали 05Г1МБ при Tно выше 800 °C отмечено снижение прочностных свойств (рис. 6.59).
Получены экспериментальные данные о снижении хладостойкости трубной стали типа 06(Х)Г2НДФБ при повышении температуры деформации в интервале Ar3 < Тдеф < Трекр, что может быть связано с аннигиляцией дефектов решетки в нерекристаллизованном аустените при повышенных температурах.
Эксперименты в промышленных условиях