» » Реализация идей и вопросы практического применения технологий
25.01.2015

Рассмотрим в качестве примера технологию ускоренного охлаждения проката. Установлено, что при использовании ускоренного охлаждения повышается прочность стали, при этом изменяются и другие свойства. Это связано с изменениями структуры, что, в свою очередь, обусловлено переохлаждением, влиянием температуры превращения на структуру стали и других факторов; на процессы формирования структуры и свойств также влияет состав стали. Эти процессы многократно исследованы и описаны, в том числе и в настоящей книге.
Следующий шаг к практическому применению: определение оптимальных параметров процесса, определяющих структуру и свойства, что может быть осуществлено даже в лабораторных условиях. Построив соответствующие зависимости, можно определить оптимальные значения технологических параметров:
— температуру окончания прокатки;
— температуру начала ускоренного охлаждения;
— скорость охлаждения;
— температуру завершения ускоренного охлаждения;
— скорости охлаждения в различных температурных интервалах для более сложных схем охлаждения.
Аналогично по химическому составу стали можно выявить влияние отдельных элементов на структуру и свойства проката и даже подобрать оптимальную композицию легирования стали для конкретных условий и требований.
Следующий шаг — формулирование требований к технологии и оборудованию, создание (выбор) установки ускоренного охлаждения. Здесь важны параметры охлаждения, точность их выполнения, однородность, а также расположение установки в потоке стана.
Одна из основных целей прокатки — производство плоского проката требуемых размеров и с заданными предельными отклонениями. При ТМСР контроль плоскостности более критичен, чем при обычной прокатке, поскольку при ускоренном охлаждении наблюдается тенденция к увеличению дефектов плоскостности, поэтому требуется современная система управления, обеспечивающая правильный режим прокатки.
Следует отметить, что основные трудности внедрения технологии ТМСР не металловедческие. Металловедческие проблемы по большей части решены, а при освоении производства сталкиваются, в первую очередь, с вопросами обеспечения равномерности охлаждения и получения геометрических характеристик проката (это не относится к производству проката с крайне высокими требованиями по механическим и специальным свойствам).
При производстве стандартной продукции основная трудность связана с отработкой схемы автоматизированного расчета параметров системы ускоренного охлаждения по заданным технологическим параметрам и дополнительным требованиям, определением факторов, влияющих на стабильность режима охлаждения, обеспечением воспроизводимости заданного режима охлаждения на каждом раскате в партии.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Следующий шаг — освоение технологии (например, на новой установке ускоренного охлаждения). После изготовления первой опытной партии ускоренно охлажденных листов, например, выясняется, что охлаждение неоднородно по площади (передний и задний конец раската, боковые кромки, полосы, пятна); листы в процессе УО и после его завершения могут гнуться (вверх или вниз) и коробиться; плохо удаленная печная окалина влияет на процесс охлаждения и приводит к локальной неоднородности температуры; отклонения режима прокатки влияют на конечную структуру и свойства; процесс нестабилен с точки зрения температуры от листа к листу; химический состав плавок различен, что также влияет на результаты.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

На рис. 7.1 приведено «пилообразное» распределение временного сопротивления по ширине листа после УО (испытания проводили на продольных образцах для увеличения количества проб). Это является результатом неоднородной подачи охладителя на лист при его движении через установку. В листе после охлаждения наблюдаются полосы с более высокой и более низкой температурой, следовательно, установка не отрегулирована или имеет конструктивные недостатки. На рис. 7.2 показан пример распределения прочностных свойств по длине листа; наблюдается характерное повышение прочности переднего и заднего концов листа. Здесь необходимо решить два вопроса: оптимизировать охлаждение концевых участков листа (отсечка и др.), а также определить размер технологической обрези, что является важным этапом освоения технологии. На рис. 7.3 показано типичное изменение температуры средней части (по толщине) и поверхности листа толщиной 30 мм при ускоренном охлаждении. В зависимости от условий охлаждения, толщины проката и химического состава стали структура и свойства могут различным способом изменяться по толщине листа (рис. 7.4).
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Важен вопрос управления охлаждением по ширине листа: для этой цели используют экранирование боковых кромок от воды или изменение расхода воды по ширине, сюда же примыкает вопрос определения размера боковой обрези. На рис. 7.5 показан пример распределения временного сопротивления и предела текучести стали по ширине листа с резким изменением свойств в прикромочных зонах: повышением временного сопротивления и снижением предела текучести (с изменением формы кривой «напряжение-деформация»). Указанный характер изменения свойств говорит об изменении типа структуры стали от ферритно-перлитной к ферритно-бейнитно-мартенситной за счет изменения условий охлаждения по ширине листа.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

На рис. 7.6 показана грубая микроструктура проката после TMCP с неудаленной на участке толстой окалиной, в результате чего структура становится гетерогенной и снижается комплекс свойств. Оставшиеся участки толстой окалины могут препятствовать теплопередаче, локальная скорость охлаждения будет отличаться и, соответственно, будет отличаться структура данного участка от остальной части листа.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Высокий уровень прочности проката при низком углеродном эквиваленте стали достигается при охлаждении с высокой скоростью при низкой температуре завершения ускоренного охлаждения. Это обусловливает высокие требования к оборудованию для ускоренного охлаждения, поскольку такие схемы УО могут привести к повышенному риску отклонений от плоскостности вследствие увеличенного градиента температуры внутри листа в процессе охлаждения. Многообразие таких типов дефектов намного больше, чем в случае прокатки. Особенным недостатком для последующего их удаления путем горячей и холодной правки является факт, что дефекты плоскостности типа выпуклостей и впадин могут возникать на листе в непосредственной близости друг от друга. Поэтому необходимо управлять плоскостностью в процессе охлаждения путем поддержания низкими температурных градиентов в продольном и поперечном направлениях и остаточных напряжений путем правильного выбора параметров охлаждения и настроек оборудования.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

На рис. 7.7 приведен пример моделирования с помощью системы фирмы SMS Demag охлаждения листа класса прочности Х70 без маскировки переднего и заднего концов (температура на длине 1 м от концевых участков снижалась на 100 °С). Для всех других участков листа распределение температуры по длине и ширине листа было задано равномерным. Лист был охлажден от 800 до 500 °C при скорости охлаждения 80 °С/с. Результаты моделирования показали неплоскостность проката, превышающую 160 мм.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

На этой стадии опять полезно рассмотреть физические процессы. Прежде всего, максимальное значение скорости охлаждения ограничивается теплопередачей от поверхности листа в охлаждающую среду. При идеальных условиях охлаждения коэффициент теплопередачи становится очень большим, и поверхность листа принимает температуру охлаждающей среды. В этих условиях скорость охлаждения листа зависит только от теплопроводности материала (стали). Как видно из рис. 7.8, толщина листа оказывает значительное влияние на скорость охлаждения. Таким образом, при определенных обстоятельствах необходимо провести корректировку химического состава стали при увеличении толщины листа.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Независимо от приведенных выше соображений, существуют и другие ограничения для скорости охлаждения; они связаны со следующими факторами: регламентация температуры окончания ускоренного охлаждения; регламентация минимальной температура поверхности проката (она ниже температуры окончания ускоренного охлаждения) в процессе охлаждения (допустимое количество бейнита и мартенсита на поверхности), допустимая разница между температурой поверхности и середины листа.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Неравномерное охлаждение может привести к деформации листа (рис. 7.9). Определяют это два фактора: во-первых, усадка стали при охлаждении; во-вторых, при низких температурах прочность стали больше, чем при высоких. На практике все сложнее. В самом простом случае неравномерность охлаждения может наблюдаться в направлении толщины, в продольном или поперечном направлении (рис. 7.10). Также может быть и более сложная неоднородность по температуре проката после охлаждения (полосы, пятна и др.).
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Система охлаждения должна обеспечивать равномерное охлаждение листа по толщине, ширине и длине; скорость охлаждения должна быть управляемой в определенном рабочем диапазоне. Температура листа до и после охлаждения должна быть точно известна. В дополнение к измерению температуры поверхности также необходим расчет температурного профиля листа.
В любом случае неплоскоскостность после ускоренного охлаждения обычно выше, чем после прокатки, поэтому требуется внимательное отношение к правке. Самая распространенная ошибка — править листы с неоднородным распределением температуры сразу после ускоренного охлаждения. Для ускоренно охлажденных листов часто применяемая практика — использование нескольких проходов при правке. Для получения хорошего результата важно гарантировать достаточную степень деформации в первых проходах, при этом превышается предел текучести в 60-70% толщины листа.
Для листов после термомеханической прокатки дефекты плоскостности и особенно внутренние напряжения могут быть исправлены в ограниченных пределах. Поэтому должна быть поставлена цель — произвести лист как можно более ровный и как можно с более низкими напряжениями перед правкой.
Температурный градиент, возникающий при нагреве или прокатке, приводит к микроструктурной негомогенности и несимметричной деформации в ходе прокатки с остаточными напряжениями и в результате — к дефектам плоскостности.
Однако разница температур, присутствующая после охлаждения водой, имеет наибольшее влияние на уровень и распределение остаточных напряжений в конечной продукции, так как после ускоренного охлаждения температура слишком низка для полной релаксации напряжений. При охлаждении на воздухе на поверхности листов формируются небольшие растягивающие напряжения. Остаточные напряжения, формирующиеся при охлаждении водой, заметно больше и могут быть как растягивающими, так и сжимающими. Вероятность возникновения сжимающих напряжений возрастает с понижением температуры окончания охлаждения. Области, имеющие более низкую температуру по сравнению с остальными, в начале ускоренного охлаждения, вероятно, будут иметь высокие напряжения сжатия после охлаждения водой. Когда скорости охлаждения верхней и нижней поверхностей заметно различаются, напряжения образуются за счет разницы теплового сжатия и могут приводить к дефектам плоскостности. Уровень напряжений повышается с понижением температуры завершения охлаждения и повышением разницы степени охлаждения верхней и нижней поверхностей.
Важно иметь равномерное распределение температуры в листе в начале охлаждения. Дефекты плоскостности входящего листа будут также сильно влиять на теплопередачу при охлаждении водой и неизбежно приведут к остаточным напряжениям.
Для высокопрочных сталей, имеющих в структуре низкотемпературные продукты превращения, или для толстых листов полезно использовать отпуск, снижающий напряжения. Кроме снижения внутренних напряжений такой отпуск, вероятно, снижает разброс прочности.
Контроль точности нагрева — ключевой фактор, особенно при использовании технологии ускоренного охлаждения. После нагрева сляб должен иметь равномерную температуру, гомогенную металлургическую структуру и легко удаляемую окалину. Термическая и микроструктурная неоднородность сляба наследуется прокатанным листом и возрастает при ускоренном охлаждении. Например, это ведет к дефектам плоскостности, внутренним напряжениям и разбросу механических свойств в объеме листа.
При нагреве микроструктурные изменения, такие как рост зерна и частичное растворение частиц имеют место вблизи целевой температуры. Поскольку эти явления зависят от времени нагрева, равномерная температура в конце процесса не гарантирует металлургически гомогенной структуры, если только скорость нагрева различных частей сляба не одинакова. По этой причине разница в скорости нагрева и/или разница температур делает сляб в сущности композитом, разные участки которого ведут себя по-разному в последующих стадиях процесса. Например, дефект плоскостности, такой как «лыжеобразный» конец, может быть вызван градиентом напряжения течения, из-за градиента температуры остановки рекристаллизации по толщине проката. Такой градиент может быть вызван изменением температуры сляба по толщине с соответствующим изменением состава металла. Для температурного градиента этот эффект становится сильнее, если средняя температура сляба снижается от обычно используемой 1200-1250 °C до более низких температур, типичных для ТМСР (например 1150 °С). При высоких температурах нагрева весь ниобий находится в твердом растворе, а при снижении температуры количество растворенного ниобия уменьшается.
Точное управление нагревательной печью необходимо также для получения листов с хорошим качеством поверхности. Стали, содержащие никель, кремний и медь, могут быть поражены поверхностными дефектами при несовершенной технологии нагрева. Однако количество таких дефектов может быть в значительной мере снижено путем предотвращения интенсивного нагрева поверхности. Наряду с повышением окалинообразования перегрев может привести к расплавлению некоторых компонентов окалины. Эти легкоплавкие соединения проникают на границы зерен и повышают сцепление окалины с поверхностью, что приводит к образованию поверхностных дефектов проката.
Таким образом, режим нагрева металла, подвергаемого ускоренному охлаждению, должен удовлетворять следующим требованиям:
— обеспечивать равномерную температуру сляба;
— позволять изменять температуру в соответствии с типом стали и требованиями производства;
— осуществлять «мягкий» нагрев (иметь достаточную мощность печи), что позволит исключить перегрев поверхности и сильный температурный градиент в направлении толщины при обеспечении требуемой производительности.
Очень важно расстояние между агрегатами — расстояние от чистовой клети прокатного стана до установки ускоренного охлаждения. С металловедческой точки зрения есть мнение, что никакого расстояния не требуется, хотя может быть необходимо время для протекания определенных процессов в аустените до начала УО. Практически это реализуется различными способами: известны варианты с расстоянием от нескольких метров (в 80-е годы XX в. стан 2800 OXMK (ОАО «Уральская сталь») — установка конструкции ВНИИМЕТМАШа) до 50-60 м на ряде современных станов. Реальный подход при создании современных цехов — независимость работы клети и установки ускоренного охлаждения (расстояние должно быть таким, чтобы помещался раскат максимальной длины), в противном случае необходимо:
— синхронизировать по скорости работу клети и УКО — что приведет к необходимости прокатки на малых скоростях и резкому снижению температуры тонких листов (так в свое время было сделано на OXMK в системе САРТКП, разработанной ВНИИМЕТМАШем);
— заканчивать прокатку на четном проходе (по направлению к печам) и потом передавать раскат холостым проходом через клеть к установке УО, но при этом также неизбежны потери времени и температуры.
Общий подход: ускоренное охлаждение в промышленных масштабах можно производить только от температур аустенитной области, при этом задний конец листа должен также войти в установку при температуре выше точки Ar3. Корректировка температурного клина путем ускорения движения листа обеспечивает постоянство Tко при различной Tно для головной и хвостовой частей листа. Предполагается, что при этом свойства будут постоянны по длине листа.
Ускоренное охлаждение из промежуточной (γ+α)-области теоретически приводит к различному исходному соотношению фаз в начале охлаждения на переднем и заднем концах листа и, по мнению ряда специалистов, не должно применяться в промышленных условиях. Однако практически в ряде случаев такую технологию применяют. Здесь возможны два варианта. Можно применять УО с уменьшенной скоростью (10-15 °С/с) до несколько повышенных температур. Второй вариант — быстрое перемещение листа полностью в установку УО, последующее включение охлаждающей воды и реверсирование листа в пределах системы. В этом случае установка должна быть как минимум на 2 м длиннее охлаждаемого листа.
Основные причины применения ускоренного охлаждения при производстве проката для электросварных труб большого диаметра следующие:
— необходимость получения высокой прочности: ферритно-перлитные структуры имеют ограничения по соотношению прочности, вязкости и хладостойкости, следовательно, надо воздействовать на превращение для получения структур промежуточного типа (частично или полностью);
— при большой толщине проката необходимо использовать все возможности для повышения дисперсности структуры;
— необходимо устранить неоднородность структуры (полосчатось);
— получение достаточной прочности при низком содержании углерода и легирующих элементов (стали, стойкие к H2S).
В принципе можно определить границы эффективного применения технологии УО (TMCP), отделив возможные области применения контролируемой прокатки с охлаждением на воздухе: по толщине листа — в пределах 15-20 мм в зависимости от характеристик прокатного стана; по классу прочности в районе Х70 (К60). Некоторые производители имеют ограничения по ширине листа (соотношения толщины и ширины), а также по длине охлаждаемого листа (двух- или трехкратный).
Если сопоставлять две схемы (КП и КП + УО), то можно сделать следующие заключения:
— при использовании технологической схемы КП + УО выше прочность при одном и том же режиме прокатки; при оптимальных режимах КП выше хладостойкость проката (с учетом ограничений по размерному сортаменту и типу структуры);
— технологическая схема КП + УО требует изменения состава стали: снижения содержания углерода (фазы), повышения устойчивости аустенита (легирование);
— в целом КП + УО эффективнее для достижения особых сочетаний свойств проката.
При выборе технологической схемы следует принимать во внимание:
— упрощение технологии при КП;
— проблему коробления проката при УО;
— температурный интервал прокатки (нагрузки и производительность агрегатов);
— возможность обеспечения свойств при охлаждении на воздухе.
Обычно основными недостатками КП называют неоднородную структуру, анизотропию свойств и наличие расщеплений. Полосчатость структуры и разрушение с формированием расщеплений в изломе могут проявляться одновременно и по отдельности в зависимости от режима прокатки и охлаждения (табл. 7.1).
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Требование по исключению или ограничению полосчатости в структуре приводит к варианту технологии только с применением УО, что не всегда выполнимо с учетом размерного сортамента (толщина, ширина листа), требует изменения системы легирования стали. Следует учитывать, что подавление полосчатости структуры не устраняет ликвационную неоднородность в металле. Полосчатость влияет в основном на две характеристики металла: анизотропию свойств; стойкость к сероводородному растрескиванию. Анизотропия свойств — вопрос вообще надуманный, поскольку в современных стандартах и технических требованиях формулируются требования к прокату как в продольном (в направлении прокатки), так и в поперечном направлениях и задача технологов выполнить эти требования. Ударная вязкость в Z-направлении (надрез по осевой ликвации) всегда существенно меньше, даже для закаленной и отпущенной стали (с однородной структурой). Основная методика, характеризующая свойства проката в Z-направлении, включает определение относительного сужения. Высоким уровнем свойств в строительных сталях, на которые обычно ссылаются, является значение Ψ>35%, а в современной чистой по примесям и неметаллическим включениям трубной стали даже при наличии полосчатости и интенсивной текстуры относительное сужение в Z-направлении превышает 70%.
В случае, когда критично наличие осевой ликвации, полосчатости структуры и текстуры, например для сталей, стойких к сероводородному растрескиванию, эти характеристики нормируются и принимаются меры к их устранению:
— ликвация — ограничением содержания элементов (С, Mn и др.), применением мягкого обжатия при непрерывной разливке и др.;
— полосчатость — применением ускоренного охлаждения после прокатки (на рис. 7.11 приведены баллы полосчатости, характерные для проката различного назначения, видна связь этой характеристики с назначением и технологией производства проката);
— кристаллографическая текстура — проведением прокатки только в аустенитной области.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Требования устанавливаются на основании четких взаимосвязей между этими параметрами и стойкостью к сероводородному растрескиванию. Более жесткие требования не имеют смысла с сточки зрения надежности трубопровода, при этом повышаются цена металлопродукции из-за усложнения технологической схемы, снижения производительности, изменения состава стали, увеличения расхода материалов.
Металловедческие идеи реализуются на практике в виде новых марок сталей, технологий, оборудования и, в конечном счете, в виде произведенной новой продукции с иными потребительскими свойствами.
Идея контролируемой прокатки реализована на практике в виде:
— промышленных технологий;
— формулирования требований к оборудованию и созданных производств (прокатных цехов) с мощными прокатными клетями (рис. 7.12), современным оборудованием для нагрева, охлаждения, контроля, управляющими моделями;
— миллионов тонн произведенного листового и рулонного проката, который использован для изготовления труб и строительных конструкций.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

При осуществлении процесса контролируемой прокатки используют следующие системы контроля: идентификация раската; положения раската в потоке стана; энергосиловых параметров прокатки; формы и толщины раската; температуры.
Система ускоренного охлаждения должна обеспечивать выполнение заданного режима охлаждения — заданной температуры окончания ускоренного охлаждения с определенной точностью по всей площади раската; воспроизводимость заданного режима охлаждения от раската к раскату. Кроме того, система ускоренного охлаждения должна обеспечивать равномерность охлаждения раската по толщине, длине и ширине, без пятен, полос и др., что обычно определяется при сканировании температуры поверхности тестовых листов. Кроме того, необходимо обеспечить отсутствие коробления проката в процессе охлаждения и после правки и полного остывания.
Для обеспечения равномерности охлаждения по площади раската могут применяться специальные устройства, например подвижные боковые экраны, предохраняющие боковые кромки от переохлаждения (при этом должна быть обеспечена центровка раската при транспортировке его через систему), изменение скорости транспортировки раската (ускорение), устройства, предохраняющие попадание воды от нижних коллекторов на передний и задний концы листа, по определенному закону распределения расхода воды по ширине, и/или другими способами. Для исключения неконтролируемого охлаждения листа за пределами УКО должно быть обеспечено полное удаление воды с верхней поверхности листа после завершения ускоренного охлаждения. В связи с возможным включением секций УКО «через одну» или другим способом, должно быть предусмотрено удаление воды с верхней поверхности листа после каждой включенной секции.
Ускоренное охлаждение проката при всех режимах не должно снижать производительность стана.
Длина зоны охлаждения и технологические параметры при всех схемах охлаждения, включая «мягкое» ускоренное охлаждение (7-12 °C /с), должна обеспечивать разницу температур начала ускоренного охлаждения заднего по ходу прокатки конца листа и переднего конца не более заданной величины (например, 20 °С). Для этого предпочтение отдается схемам охлаждения с максимальным количеством включенных секций и максимальной скоростью транспортировки листа. В целом длина системы УО должна быть максимально возможной с учетом всех прочих условий. Таким образом, длина системы определяется из следующего расчета: при охлаждении листа минимальной толщины и максимальной длины с минимальной скоростью охлаждения при расчетной скорости транспортировки температура начала охлаждения хвостовой части листа должна отличаться не более чем на 20 °C от температуры начала охлаждения головной части листа.
Идея ускоренного охлаждения к настоящему времени реализована в виде установок, разработанных и освоенных технологий TMCP оптимизированных применительно к данному процессу и составам сталей. С применением этой технологии произведены миллионы тонн металлопродукции классов прочности до Х100-Х120.
До 1962 г. охлаждение на воздухе горячекатаных сталей было наиболее быстрым из применяемых в промышленном производстве. Следовательно, процесс производства листового проката был достаточно простым, некоторые изменения были характерны для производства полосового проката, поскольку температура смотки изменялась в направлении, противоположном движению отводящего рольганга. Поскольку механические свойства полосы улучшались с понижением температуры смотки, то производство высококачественного проката требовало удлинения отводящего рольганга. Впервые ускоренное охлаждение было применено на непрерывном широкополосном стане в 1962 г. (Brinsworth, Великобритания). Применение спрейерного охлаждения позволило достичь низкой температуры смотки при наличии весьма короткого отводящего рольганга и улучшить структуру и свойства проката. Одна из первых работ, в которой обсуждались металлургические преимущества ускоренного охлаждения, была опубликована в 1965 г.
Ускоренное охлаждение толстого листа как часть технологической схемы термомеханической прокатки применяется в промышленности с 1980 г. Исследования применения ускоренного охлаждения листового проката после контролируемой прокатки начали проводить в Японии в конце 70-х годов XX в. Первая система ускоренного охлаждения — «OLAC» была разработана NKK Corporation и была введена в эксплуатацию на толстолистовом стане в технологическом потоке в 1980 г. в г. Фукуяма для производства судостроительного проката класса прочности 355. Ко второй половине 80-х годов системами ускоренного охлаждения были оснащены все основные листопрокатные станы Японии и Европы. Длина установок находилась в пределах 12-44 м. Расстояние от установки до чистовой клети прокатного стана составляло 12-80 м. Из построенных установок пять представляли собой системы охлаждения с водяными завесами, пять — системы с ламинарными струями и одна — систему водо-воздушного охлаждения.
В настоящее время наиболее распространен ряд систем ускоренного охлаждения.
Компания SMS Siemag поставляет системы ламинарного ускоренного охлаждения с U-образными трубками (рис. 7.13). Компания поставила наибольшее количество систем (более 20) на различные предприятия. Верхние коллекторы системы состоят из распределительной емкости и U-образных трубок, нижние — из емкости с внутренней распределительной трубой и струйными трубками. Система снабжается водой из напорного бака, при этом расход воды не зависит от мощности насоса. Длина установки определяется возможностью охлаждения листов при максимальной скорости их транспортировки через установку и возможностью охлаждать листы большой толщины в режиме покачивания.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Для повышения равномерности охлаждения листа по длине возможно регулировать расход на входе и выходе листа из системы или изменять скорость рольганга. Система слежения может включать или выключать подачу воды с нижней стороны с учетом движения листа во избежание переохлаждения концевых частей листа. Экранирование кромок производится в зависимости от ширины листа и может производиться раздельно по секциям. Расход воды может регулироваться отдельно для каждого верхнего и нижнего коллекторов.
Регулирование охлаждения проводится с использованием физико-математической модели. На основании данных о материале, размерах листа, параметрах прокатки, температуре воды и окружающей среды и заданном режиме охлаждения модель рассчитывает скоростной профиль перемещения листа, количество включенных коллекторов, положение боковых экранов, расход воды, при этом учитываются данные о теплопроводности, теплоемкости и плотности стали, параметры превращения и рекристаллизации аустенита.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

По оценке компании SMS Siemag их система имеет следующее преимущества:
— низкие расходы на техническое обслуживание;
— низкое энергопотребление;
— отсутствие дополнительных насосов и воздуходувок;
— низкий уровень шума;
— управляющая модель создана на основе опыта эксплуатации многих установок;
— быстрый пуск установки;
— экранирование кромок, головной и хвостовой части листа;
— большое расстояние между верхним коллектором и движущимся листом.
В 1998 г. в Японии была разработана и установлена в поток прокатного стана 4500 в г. Фукуяма новая установка ускоренного охлаждения — Super-OLAC (рис. 7.14), на которой теоретически достигаются самые высокие скорости охлаждения благодаря новой системе подачи воды. Позднее системы Super-OLAC были установлены на два других толстолистовых прокатных стана фирмы JFE Steel.
При охлаждении металла водой разделяют два механизма теплообмена: пузырьковое кипение и образование паровой рубашки (рис. 7.15). При традиционных методах охлаждения, если расход охлаждающей воды увеличивается с целью интенсификации охлаждения, механизм теплообмена быстро меняется на переходный процесс и состоит из смешанного пузырькового кипения и паровой рубашки. В результате охлаждение становится неустойчивым, разница температур на поверхности листа увеличивается и возникает проблема, связанная с неравномерностью охлаждения листа.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Решить эту проблему позволила система Super-OLAC. JFE Steel проводила разработку метода охлаждения, который позволил бы избежать переходного процесса между кипением и паровой рубашкой, а охлаждение с самого начала осуществлялось пузырьковым кипением по всей поверхности металла и фактически одновременно. Охлаждение верхней поверхности листа осуществляется водой через сопла, расположенные в непосредственной близости к листу (охлаждение «коридорным» потоком) в направлении его перемещения. При охлаждении нижней поверхности листа использовалась система охлаждения, в которой вода разбрызгивалась из сопел, плотно расставленных в водяном коллекторе, и охлаждение осуществляется потоком воды, сопровождающим движение листа (спрейерное охлаждение системой плотно расположенных форсунок). Этот метод охлаждения позволил получить пузырьковое кипение с высокой эффективностью и равномерностью охлаждения верхней и нижней поверхностей листа, что привело к получению однородной структуры, а, следовательно, и свойств проката.
Для проката толщиной 30 мм и более данный метод позволяет достичь максимально высокой скорости охлаждения, теоретически возможной для проката этой толщины, ограничиваемой передачей тепла от внутренних слоев металла. Охлаждение на установке Super-OLAC позволяет получать скорости охлаждения в 2-5 раз превышающие скорость обычного ускоренного охлаждения. Кроме того, распределение температур по поверхности листа после Super-OLAC однородно и сравнимо с их распределением по поверхности листа после прокатки без применения ускоренного охлаждения.
Компания Siemens VAI предлагает систему охлаждения MULPIC многоцелевое прерванное ускоренное охлаждение (рис. 7.16). Система была разработана с целью преодоления недостатков традиционных систем: в первую очередь — малой гибкости и управляемости, ограниченной интенсивности охлаждения и в некоторых случаях — недостаточной равномерности. Конструкция MULPIC дает возможность изменять удельный расход воды от минимального до максимального в соотношении 20:1, в то время как обычные системы струйного охлаждения в соотношении не более 4:1. Основной целью разработки MULPIC явилась возможность реализации всех видов охлаждения: ускоренного охлаждения, прерванной закалки и прямой закалки на одной установке (рис. 7.17).
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

В основу MULPIC заложена идея охлаждения «водяной подушкой» (рис. 7.18): вода подается на лист с целью получения слоя (водяной подушки), в котором производится интенсивное перемешивание. В системе используется большое количество струй для: получения высокой скорости истечения воды и обеспечения высокой степени турбулентности в водяной подушке (для увеличения интенсивности охлаждения), а также для повышения равномерности охлаждения.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

При большой ширине листа для повышения равномерности охлаждения по ширине используется распределение подачи воды в виде «короны». Это дает возможность уменьшать расход воды по определенному закону в областях листа, примыкающих к боковым кромкам (~1 м с каждой стороны) за счет частичного закрытия клапанов, подающих воду в эти области. Кроме того, как и в других системах, здесь используются боковые экраны для отсечки воды от кромок листа. Если первая система используется для получения равномерных свойств по ширине листа, то вторая в основном для повышения планшетности.
Для обеспечения равномерности охлаждения листа используются следующие основные приемы:
— при постоянной скорости охлаждения по всей длине листа скорость перемещения листа через установку рассчитывается таким образом, чтобы ее увеличение к хвостовой части листа обеспечивало постоянную температуру завершения охлаждения по всей длине;
— для того, чтобы избежать переохлаждения концов проката потоком воды, направленным вдоль листа, в зоне переднего и заднего концов уменьшают поток воды;
— для обеспечения постоянной температуры завершения ускоренного охлаждения расход воды регулируется системой с прямой связью на основе замера температуры входящего в систему листа, его скорости перемещения и др., при этом автоматически компенсируется пониженная температура концов листа, а также отклонения фактической температуры листа на входе от заданной.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

История создания трубных сталей собственно и есть история применения идей: снижение содержания углерода, микролегирование, измельчение зерна, формирование структур промежуточного типа и др.
История использования ниобия в конструкционных сталях начинается, вероятно, с выдачи в 1941 г. в США патента, в котором сообщалось об улучшении свойств нелегированной стали за счет добавки ниобия, при этом наблюдалось измельчение зерен, повышение прочностных свойств и ударной вязкости. Однако до конца 50-х — начала 60-х годов XX в. в промышленности не было проявлено интереса к этому новшеству в связи с отсутствием потребности в прочных и вязких сталях и отсутствием ниобия на рынке по доступным ценам. При появлении такой потребности в судостроительной и газовой промышленности производство было организовано.
По нашим сведениям, первая промышленная ниобийсодержащая сталь была получена в виде горячекатаной полосы с пределом текучести 310-440 Н/мм2 в 1962 г. фирмой National Steel Параллельно в начале 60-х годов проводились опыты по получению толстолистового проката из стали, микролегированной ниобием. Однако в толстых листах ударная вязкость проката была неудовлетворительна. Это объяснялось тем, что повышение ударной вязкости за счет некоторого измельчения зерна феррита не компенсировало ее снижения за счет дисперсионного упрочнения карбонитридной фазой ниобия. Положительный сдвиг в этом направлении был достигнут только после того, как был применен режим контролируемой прокатки, обеспечивший существенное измельчение зерна. На этой базе в середине 60-х годов было начато промышленное производство сталей класса прочности Х52 для электросварных труб, однако содержание углерода в них составляло 0,2-0,3%. Следующим шагом было снижение содержания углерода до ~0,1 %, что позволило одновременно повысить вязкость (за счет уменьшения доли перлита в структуре) и прочность стали за счет повышения растворимости ниобия в аустените. Это позволило освоить промышленное производство стали класса прочности Х65 в толщинах до 19 мм, которая удовлетворяла условиям эксплуатации трубопроводов конца 60-х годов.
В середине 60-х — начале 70-х годов исследователями ЦНИИчермета им. И.П. Бардина были проведены первые работы по изучению влияния микролегирования на структуру и свойства сталей и проведено промышленное опробование ниобийсодержащих сталей различного назначения: трубных, высокопрочных свариваемых и сталей для крепи горных выработок.
Одним из первых опытов опробования производства трубной стали можно считать совместно проведенную в 1965 г. научно-исследовательскую работу Череповецкого металлургического завода и ЦНИИчермета, руководителем работы был Д.А. Литвиненко, от ЧМЗ — B.C. Дьяконова. На ЧМЗ при выплавке стали марки 17ГС в изложницу вводили сплав, содержащий 50% Nb и 23% Si, из расчета получения 0,02-0,03% ниобия в стали. Исследование влияния ниобия на структуру и свойства листов толщиной 9-11 мм в горячекатаном и нормализованном состояниях показало повышение прочностных свойств на 40-60 Н/мм2 в горячекатаном и до 30 Н/мм2 в нормализованном состояниях, при этом отмечено измельчение зерна феррита на один номер.
В начале 70-х годов проведено промышленное опробование производства листового и рулонного проката из низкоуглеродистых сталей 08Г2СФБ и 07Г2ФБ (HJIMK, «Азовсталь») с применением элементов контролируемой прокатки.
Следует отметить, что история развития отечественных трубных сталей дала возможность в промышленных условиях проверить влияние различных систем микролегирования:
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

На базе системы V-Ti (Ti ≤ 3,4N) была разработана сталь 10Г2Ф: в принципе удалось получить прокат категории прочности К56 и изготовить трубы на Харцызском трубном и Челябинском трубопрокатном заводах. Хладостойкость стали была несколько хуже, чем ниобийсодержащей стали, кроме того, было необходимо применять более жесткие режимы контролируемой прокатки с параметрами в более узком интервале (также следует учесть невысокую толщину проката). В 80-х годах было решено отказаться от этой системы легирования.
Сталь 10Г2Т системы, легированная Ti (≥ 3,4N), созданная на основе использования как нитридов, так и карбидов титана (до 0,1% Ti), проходила промышленное опробование во второй половине 80-х годов. При производстве этой стали столкнулись с рядом проблем:
— имевшееся сталеплавильное оборудование (MK «Азовсталь») не обеспечивало получение стабильного (и низкого) содержания азота в стали, что обусловливало нестабильный уровень свойств стали, поскольку трудно было выявить распределение титана между сульфидной, нитридной и карбидной фазами;
— сталь с содержанием титана выше стехиометрического соотношения имела низкий уровень вязкости сварного соединения и была склонна к образованию трещин. Поэтому такая сталь дальше опытно-промышленных партий не пошла.
Следует отметить, что добавка ниобия и некоторое снижение содержания титана позволили решить эту проблему и стали типа 09Г2БТ и 10Г2БТ производились в промышленных масштабах.
Есть данные, что впервые промышленная технология КП была применена в Австралии компанией Australian Iron and Steel. Одна из первых публикаций о влиянии температуры чистовой прокатки на свойства проката в промышленных условиях относится к 1962 г.
В нашей стране в промышленных масштабах контролируемая прокатка была применена в конце 70-х годов прошлого века: сталь 09Г2ФБ (К56) на стане 3600 MK «Азовсталь». (Д.А. Литвиненко, Ю.И. Матросов, Ю.Д. Морозов). Технология контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением трубной стали 10Г2ФБ впервые была опробована на стане 3600 MK «Азовсталь» в 1982 г. (Ю.Д. Морозов, Л.И. Эфрон). В промышленных масштабах технология была применена в середине 80-х годов на стане 3000 MK им. Ильича при производстве проката из сталей 09Г2ФБ, 09Г2БТ.
Процесс внедрения в производство материала или технологии обычно осуществляется в такой последовательности.
1. Разработанный состав стали и технологические параметры производства фиксируются в технологической документации.
2. Производится установочная партия.
3. Проводится статистическая обработка полученных данных: построение гистограмм распределения свойств, установление статистических зависимостей, связывающих свойства с химическим составом и с технологическими параметрами.
4. Выявляются отклонения от требований и поиск путей корректировки (сдвиг гистограмм, либо снижение разброса («сужение гистограмм») (рис. 7.19). Металловедческая задача заключается в выявлении на этом этапе по статистически установленным зависимостям структурных механизмов (тип, параметры структуры), определяющих уровень свойств, и в соответствующей корректировке состава стали и технологии.
Задача металловеда — установить механизмы, определяющие:
— отклонения параметров, в первую очередь определяющих данную характеристику,
— параметр (технология, состав, структура), который надо изменить, чтобы сдвинуть в нужную сторону пик гистограммы, используя соотношения «структура-свойства»;
— что влияет на минимуме, максимуме данной характеристики;
— как это воздействие влияет на другие свойства.
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Разброс свойств — это «шум» и влияние дополнительных факторов (технологических и химического состава) — иногда не учтенных. Важнейший способ воздействия — сужение разброса содержания основных элементов, влияющих через определенные механизмы (твердорастворный и др.) на свойства стали, но при постоянном типе структуры и/или технологических параметров, определяющих характеристики структуры.
Гистограмма с двумя максимумами может означать, что имеется несколько механизмов, определяющих основные свойства, например — два типа структуры (ферритно-перлитная и ферритно-бейнитная) — отсюда временное сопротивление может меняться в широком диапазоне, а предел текучести — иметь двойное (бимодальное) распределение, поскольку могут быть случаи как физического, так и условного предела текучести. Может изменяться механизм разрушения, и бимодальным будет распределение ударной вязкости и др. В целом, это та же металловедческая работа в системе «состав-структура-свойства» (с учетом технологии).
Иногда требуется просто изменить соотношение свойств. Например, снизить прочность, и тогда увеличится пластичность металла.
5. Стабилизация производства — это, собственно, результат всей работы. Здесь также решается вопрос однородности и стабильности свойств: от плавки к плавке, по площади листа.
На этой стадии уточняется «технологическое окно».
Статистическая обработка и анализ массива результатов производства проката из трубных сталей (толщиной 8-14 мм) в условиях стана 2800 ОАО «Северсталь» в состоянии после контролируемой прокатки показали В.И. Ильинский и автор данной монографии, что на уровень временного сопротивления значимое влияние оказывает содержание элементов: С, Si, Mn, Cr, Mo, V, Nb (положительное), а также толщина листа (отрицательное) в соответствии с выражением:
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Для предела текучести зависимость более сложная: линейные зависимости от химического состава (наиболее сильно влияющие элементы — Mn, V, Nb) реализуются только в области структуры одного типа: ферритно-перлитной. Формирование ферритно-бейнитной структуры при увеличении содержания элементов, повышающих устойчивость аустенита, вызывает рост временного сопротивления при снижении предела текучести.
Установлены значимые связи ударной вязкости KCV-20 с содержанием углерода, серы и уровнем временного сопротивления (отрицательные) и толщиной листа (положительные). Для массива стали 12ГСБ получена следующая зависимость:
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Обработка имеющихся данных по доле вязкой составляющей в изломе образцов ИПГ показала, что наибольшее влияние (при примерно постоянной технологии прокатки на стане 2800) на эту характеристику оказывает содержание углерода и ниобия, также существенно влияет толщина проката.
Регрессионный анализ массива промышленных данных показал наличие следующей статистически значимой зависимости порога хладноломкости от содержания углерода, ниобия и толщины проката, произведенного на стане 2800 по режиму контролируемой прокатки с завершением при 780±15 °С:
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Комплексное влияние содержания углерода и ниобия на порог хладноломкости трубных сталей близкого базового химического состава (промышленные данные) показывает, что как снижение содержания углерода, так и повышение содержания ниобия в стали благоприятно влияет на хладостойкость исследуемых сталей (рис. 7.20).
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Определив максимально возможное содержание углерода и минимально допустимое содержание ниобия, обеспечивающие при данной толщине проката требуемый уровень вязкости и хладостойкости стали, можно в дальнейшем определять технологические параметры и состав стали, основываясь только на требуемом уровне прочностных свойств (при условии низкого содержании серы в стали).
С использованием полученных зависимостей сделана оценка граничного содержания углерода и ниобия, обеспечивающих для листового проката толщиной 14 мм порог хладноломкости T50 ниже -70 °C (на образцах KCV): при содержании ниобия 0,05% максимальное содержание углерода должно быть 0,075% при принятом для большинства сталей содержании ниобия 0,03-0,036% С.
С другой стороны, для оптимизации структуры необходимо чистовую стадию прокатки проводить при температуре ниже температуры рекристаллизации аустенита. Обработка собственных и литературных экспериментальных данных позволила получить следующую зависимость для минимальной температуры, выше которой полностью проходит рекристаллизация:
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

При содержании в стали 0,03% ниобия эта температура составляет 960 °С, а при 0,05% — 1020 °С. Следует учитывать, что ниже этой температуры располагается область частичной рекристаллизации аустенита, деформация в которой приведет к получению грубой разнозернистой структуры аустенита. Фактическая температура начала чистовой прокатки на стане 2800 (ширина листа 2200 мм) составляла 930-950 °C (по данным пирометра), следовательно, в средней части подката толщиной около 55 мм температура была примерно на 50 °C выше, т.е. порядка 980-1000 °С. Таким образом, для правильного с точки зрения структурообразования осуществления чистовой прокатки в указанном температурном интервале содержание ниобия должно быть не меньше 0,05%. Дальнейшее повышение его содержания может оказать только благоприятное влияние на структуру и свойства стали (с учетом растворимости ниобия в аустените).
Так решается вопрос обеспечения требуемой вязкости и хладостойкости проката, однако при пониженном содержании углерода снижается прочность, в первую очередь — временное сопротивление разрыву. Возможны следующие пути компенсации потери прочности стали при снижении содержания углерода:
— упрочнение твердого раствора (Si, Mn);
— изменение типа структуры стали от ферритно-перлитной к ферритно-бейнитной (Mo, Cr, Mn);
— дисперсионное упрочнение (Nb, V).
Реализация идей и вопросы практического применения технологий

Первый и третий пути имеют существенные ограничения, связанные с малой эффективностью упрочнения при образовании твердых растворов замещения и существенным ухудшением свариваемости в первом случае и существующими ограничениями по суммарному содержанию карбидообразующих элементов в трубных сталях в действующей нормативно-технической документации (суммарное содержание Nb + V + Ti не более 0,12-0,16%). На основе вышеизложенного перспективное направление — это использование допустимого содержания ванадия или переход в трубных сталях от ферритно-перлитной к ферритно-бейнитной и бейнитной структурам за счет правильного выбора композиции легирования и/или изменения условий последеформационного охлаждения.
Таким образом, например, был оптимизирован химический состав стали 12ГСБ (содержание углерода снижено до 0,06-0,09%, среднее содержание ниобия повышено до 0,042%, введена добавка ванадия), что гарантированно обеспечило для проката толщиной до 12 мм достижение ударной вязкости KCV и доли вязкой составляющей на образцах для ИПГ при температуре -20 °C при отсутствии возможности осуществления оптимального режима контролируемой прокатки.
На основе предложенного подхода оптимизирован химический состав (среднее содержание ниобия в стали составило 0,055%) и освоена технология производства стали L450MC в прокате толщиной 12,1 мм для производства труб диаметром 610 мм. Проведенный статистический анализ (рис. 7.21) показал, что обеспечено производство высококачественного проката для электросварных труб с узкими пределами разброса механических свойств (временное сопротивление — от 563 до 629 Н/мм2 предел текучести — от 491 до 544 Н/мм2), гарантированной работой удара при -30 °C и соответствием дополнительным требованиям по равномерному удлинению и прочностным свойствам в продольном направлении, что позволило использовать прокат для изготовления труб для международного проекта «Сахалин-1».