Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса производства труб большого диметра 13
1.1. Обзор современного состояния рынка труб большого диаметра и толстолистового проката 13
1.2. Основные требования, предъявляемые к сталям для труб большого диаметра 17
1.3. Технология производства листового проката из трубных сталей 19
1.4. Современный подход к процессу освоения новых технологий 28
Выводы по Главе 1 31
ГЛАВА 2. Материалы, методики и оборудование исследования 32
2.1. Исследуемые материалы 32
2.2. Математическое моделирование 34
2.3. Физическое моделирование на Gleeble 3800 36
2.4. Лабораторная прокатка на стане ДУО-300 37
2.5. Промышленная прокатка 38
2.6. Определение механических свойств и исследование микроструктуры 41
Выводы по Главе 2 41
ГЛАВА 3. Исследование распределения деформации, температуры и степени рекристаллизации аустенитного зерна по сечению раската в черновой стадии прокатки 43
3.1. Обзор методов исследования деформированного состояния при плоской прокатке 43
3.2. Математическое моделирование прокатки в условиях стана 5000 55
3.2.1. Описание и постановка задачи моделирования 55 Стр.
3.2.2. Теоретические основы DEFORM 58
3.2.3. Моделирование первого чернового прохода в изотермических условиях 60
3.2.4. Влияние неравномерности температуры на распределение деформации по толщине раската 67
3.2.5. Распределение деформации и температуры при многопроходной прокатке 69
3.3. Исследование распределения доли рекристаллизованного зерна по толщине раската в черновой стадии 76
3.3.1. Особенности физического моделирования на Gleeble 3800 76
3.3.2. Методика проведения эксперимента 78
3.3.3. Эксперимента для первого чернового прохода 81
Выводы по Главе 3 83
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование влияния режимов чистовой прокатки на микроструктуру и механические свойства листового проката 84
4.1. Особенности физического моделирования контролируемой прокатки 84
4.2. Эксперимент на лабораторном стане ДУО-300 4.2.1. Исходные данные и проведение эксперимента 92
4.2.2. Результаты эксперимента 100
4.3. Эксперимент на промышленном толстолистовом стане 5000 103
4.3.1. Особенности режимов прокатки на стане 5000 103
4.3.2. Исходные данные и проведение эксперимента 105
4.3.3. Результаты эксперимента 107
4.3.4. Обсуждение результатов экспериментов на станах дуо 300
и стане 5000 110
Выводы по Главе 4 111 Стр.
ГЛАВА 5. Разработка и внедрение коплексной методики предварительных исследований 113
5.1. Описание комплексной методики предварительных исследований.. 113
5.2. Разработка технологии производства листового проката класса прочности К60 толщиной 30,5 мм 117
5.3. Разработка и освоение технологии производства листового проката классов прочности К52-К56 121
Выводы по Главе 5 123
Основные выводы по работе 125
Список литературы 1
- Технология производства листового проката из трубных сталей
- Лабораторная прокатка на стане ДУО-300
- Распределение деформации и температуры при многопроходной прокатке
- Особенности режимов прокатки на стане 5000
Технология производства листового проката из трубных сталей
История технологии производства трубных сталей берёт начало своего развития с середины ХХ века, когда листовой прокат для труб большого диаметра производился способом традиционной горячей прокатки, а достижение требуемых механических свойств обеспечивалось в первую очередь повышенным содержанием углерода, марганца и хрома (предел текучести около 300 МПа). Дальнейшей развитие технологии (до конца 70-х годов) представляло собой оптимизацию легирования и использование нормализации, что позволило повысить требования по пределу текучести до 350 – 400 МПа, а также улучшить ударную вязкость сталей.
Следующем этапом было освоение процесса термомеханической прокатки (конец 70-х – 80-е годы) в комплексе с микролегированием ниобия, что позволило производить листовой прокат классов прочности вплоть до К60 (Х70). Использования ускоренного последеформационного охлаждения листов (начиная с конца 80-х годов) обеспечило возможность разработки технологии производства сталей классов прочности свыше К60, а также листового проката большей толщины [23].
В настоящее время перспективными направлениями являются разработки технологии производства листового проката толщиной свыше 30 мм классов прочности К56 – К60 (Х65 – Х70), листового проката классов прочности К65 (Х80) и выше [41-44], проката с особыми требованиями по хладостойкости и коррозионной стойкости. Актуальным также остаётся разработка более экономичных способов производства трубных сталей, в том числе за счёт снижения легирования.
Современная технология термомеханической прокатки предусматривает регулирование температуры нагрева, температуры прокатки и величин обжатия, а также процесса охлаждения после завершения прокатки [45]. Также важной составляющей технологии контролируемой прокатки является микролегирование ниобием, ванадием и титаном [46]. Эффект упрочнения низколегированных сталей достигается несколькими структурными механизмами: измельчение зерна, управление механизмом аустенитно-ферритного превращения, дисперсионное упрочнение твёрдого раствора. Измельчение зерна является основным механизмом упрочнения, который оказывает положительное влияние одновременно на прочность и хладостойкость стали [47].
В связи с этим, главной целью термомеханической прокатки является получение измельченной структуры аустенита, что достигается благодаря управлению процессом рекристаллизации и последующего роста зерна в промежутках между пропусками при многопроходной прокатке.
На современных толстолистовых станах технология производства листового проката из трубных сталей включает в себя следующие основные этапы [23]:
1. Повторный нагрев слябов перед прокаткой. Как правило, нагрев слябов осуществляется в печах с шагающими балками, иногда используются также и методические печи. При этом температура и время нагрева оказывают значительное влияние на комплекс механических свойств готового листового проката.
2. Черновая прокатка – первоначальный процесс деформации, проходящий обычно при наиболее высокой температуре – выше температуры рекристаллизации, сразу после выдачи сляба из нагревательной печи. Иногда процесс осуществляется на специальной черновой клети. При этом в состав оборудования стана 5000 как правило входит только одна клеть, на которой осуществляется и черновая и чистовая стадии прокатки.
3. Чистовая прокатка – окончательный процесс деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации и обычно выше температуры аустенитно-ферритного превращения. В определённых случаях прокатку может завершаться в двухфазной области.
4. Последеформационное охлаждение на воздухе или ускоренное охлаждение водой. Ускоренное охлаждение позволяет дополнительно увеличить дисперсность структуры. Благодаря этому возможно измельчение зерна до 5 мкм и менее, что может быть необходимо для сталей классов прочности от К56 и выше. Начало охлаждения обычно близко к температуре начала фазового превращения из аустенита в феррит, однако иногда охлаждение может начинаться в двухфазной области.
Классическая печь с шагающими балками состоит из четырёх зон: конвективная зона, зона предварительного нагрева, зона нагрева, зона выравнивания температуры (Рис.1.3) [48].
В конвективной зоне слябы предварительно нагреваются за счёт горючих газов, поступающих из последующих зон печи. В зоне предварительного нагрева осуществляется щадящий нагрев склонных к образованию трещин марок стали, т.е. медленный нагрев до достижения средней температуры в диапазоне 800-900С. В зоне нагрева металл быстро нагревается до температуры выдачи. При этом неоднородность температуры по сечению значительно увеличивается. В зоне выравнивания температура поддерживается приблизительно на 30-50 С ниже целевой температуры нагрева, в результате чего постепенно разность температуры по сечению становится равной нулю.
Лабораторная прокатка на стане ДУО-300
Характерной особенностью процесса прокатки является неравномерность распределения деформации металла по сечению раската. Особенно важным становится знание о распределении деформации металла по сечению в случае многопроходной прокатки крупногабаритных слябов, так как в каждом проходе в результате деформационного воздействия формируются определенные свойства металла, которые наследуются в последующих проходах и, в конечном счете, определяют характеристики готового проката. Внимание исследователей к этому вопросу вызвано необходимостью разработки рациональных режимов деформирования, обеспечивающих требуемую структуру металла, его физико-механические и иные свойства.
При прокатке заготовок с большим отношением ширины к длине дуги захвата уширение происходит за счёт тех участков металла, которые находятся близко к боковым граням, а основная масса металла практически не деформируется в направлении ширины. Пренебрегая общим незначительным уширением, характерным для широких полос, можно рассматривать эквивалентную деформацию центральной части очага деформации как плоскую деформацию (Рис.3.1). Уравнение эквивалентной деформации для плоской задачи [92] имеет следующий вид:
В уравнении х = —у - линейные деформации растяжения и сжатия по соответствующим осям, уху - сдвиговая деформация. Под линейными деформациями для плоской задачи понимается сжатие по оси Y и растяжение по оси Х, которые равны по модулю, но отличают по знаку (рис.3.2а). Под сдвиговыми деформациями подразумевается искривление элементарной ячейки под действием разности скоростей разных слоёв прокатываемого металла (Рис.3.2б).
Рис.3.2. Виды деформации: а – линейные, б – сдвиговые
Существует несколько методов исследования распределения деформации при прокатке. Один из методов – экспериментальный – был популярен среди исследователей, в том числе и из СССР, в середине ХХ века [93-98]. Однако и сегодня экспериментальный метод применяется как в условиях лабораторных, так и промышленных прокатных станов [99-101]. Для определения деформации используются различные приёмы: 1. Прокатка пластилина, определение деформации с помощью шарикового контакта; 2. Холодная и горячая прокатка с заранее нанесёнными координатными сетками на боковых поверхностях, в отдельных случаях с фиксацией течения металла скоростными видеокамерами; 3. Прокатка при комнатной температуре с нанесением координатной сетки в средних слоях по ширине и последующим сплавлением сплавом Вуда; 4. Холодная и горячая прокатка металла с заранее засверленными горизонтальными или вертикальными штифтами и др.
На основе многочисленных экспериментальных исследований прокатки установлено, что повышение степени обжатия ведёт к лучшей проработке сечения и выравниванию деформации по толщине, отмечается зависимость распределения деформации от ширины слитков [102].
Преимуществами экспериментальных методов является возможность получить реальные значения деформаций, однако в большинстве случаев только в условиях лабораторных прокатных станов. Кроме того, натурные эксперименты трудоёмки и по ним не всегда можно сделать обобщённые выводы. В частности, при недостаточно мелкой сетке эксперимент может не показать характер сдвиговых деформаций (Рис.3.3) [96]. Рис.3.4. Деформация штифтов при прокатке на стане 5000
Использование засверленных штифтов возможно несколькими способами. При горизонтальном расположении небольшое количество штифтов достаточно большого диаметра позволяет судить о деформации на основе их формоизменения. В работе [100] приведён результат эксперимента, проведённого на стане 5000. Прокатывали два сляба толщиной 250 мм до толщины 146 мм за 3 и 12 проходов соответственно. При этом показано (Рис.3.4), что в случае большего количества проходов штифты в середине проката деформируются слабо, что может говорить о малой накопленной деформации и не проработке сечения. Однако неравномерная деформация штифтов может быть вызвана различным материалом основного металла и штифтов, трением между ними, схемами деформации в различных слоях по толщине. О различии напряжённого состояния между центральными и поверхностными слоями свидетельствуют, в частности, разрывы основного металла в центральных слоях. Диаметр горизонтальных штифтов может быть значительно меньше толщины проката, а количество штифтов больше, чем в предыдущем примере. В таком случае течение металла наблюдают по перемещению штифтов. В работе [89] проведены эксперименты на лабораторном непрерывном прокатном стане горячей прокатки с горизонтальными штифтами со скоростной видеосъёмкой. Исходная толщина полосы 45 мм, обжатие 20%. При таких условиях деформации наблюдается искривление вертикальной линии штифтов, что свидетельствует о значительной сдвиговой деформации поверхностных слоёв (Рис.3.5). Недостатком такого способа является искажение результатов из-за искривления боковой грани раската.
Штифты, засверленные в заготовку вертикально как правило используются при прокатке тонких заготовок. В работе [101] прокатана стальная заготовка толщиной 10 мм с обжатием 40%. Искривление штифта, как и в предыдущем примере свидетельствует о неравномерности сдвиговых деформаций по толщине проката (Рис.3.6). теоретическими методами. Например, в работе [103] произведён расчёт методом полей линий скольжения (Рис.3.7) и показано наличие неравномерности деформации по толщине даже при прокатке горячекатаной полосы толщиной менее 1,2 мм. Аналитическим методом можно определить глубину зоны затруднённой деформации (Рис.3.8) при различных параметрах прокатки [104], распределение деформаций при бесслитковой прокатке [105,106] и др. Недостатком теоретических методов исследования могут быть трудоёмкость расчётов и в некоторых случаях упрощенное представление процесса.
Математическое моделирование, в частности методом конечных элементов или конечных разностей, корректно отнести к теоретическому методу исследования процессов деформации. Однако нередко математическое моделирование называют «численным экспериментом». В результате бурного развития вычислительных технологий эти, ранее трудоёмкие и сложные, методы приобрели новое воплощение в виде компьютерных программных комплексов с удобным пользовательским интерфейсом и большими возможностями. В настоящий момент моделирование методом конечных элементов на ЭВМ является одним из наиболее актуальных и востребованных методов для определения теплового и напряжённо-деформированного состояния металла при обработке давлением, в том числе при прокатке.
Распределение деформации и температуры при многопроходной прокатке
Физическое моделирование на лабораторном прокатном стане более приближено к реальным условиям производства, чем эксперименты, проводимые на имитационной машине Gleeble 3800. Существенные размеры готового лабораторного проката позволяют проводить полноценные исследования механических свойств в соответствии с требованиями на листовой прокат. Важной задачей является приведение режимов лабораторной прокатки к состоянию максимально близкому к прокатке в промышленных условиях. Как показано в главе 3 выбор режимов прокатки обусловлен необходимостью соблюдать подобие температуры, деформации и скорости деформации.
В настоящем разделе показаны возможности применения лабораторного стана ДУО-300 при разработке технологии производства листового проката К52-К56 для стана 5000 ОАО «ВМЗ».
Ниже представлено обоснование выбора схемы термомеханической обработки и химического состава стали, рассмотрены возможности и ограничения метода подобия при проектирования эксперимента, а также приведены результаты экспериментов на лабораторном стане ДУО-300 и стане 5000.
Трубы диметром 530-1020 из стали классов прочности К52-К56 небольшой толщины используются как правило для замены изношенных частей действующих трубопроводов, а также для прокладки трубопроводов небольшой протяжённости.
В Таблицах 11 и 12 представлены требования к механическим свойствам и химическому составу листового проката классов прочности К52-К56, соответствующие нормативным документациям ведущих отечественных потребителей труб. Таблица 11. Механические свойства листового проката в соответствии с требованиями нормативной документации Класс прочности ов, МПа от, МПа 5,% от/ов KCV при -20С, Дж/см2 ИПГ при -20С, %
Существует два основных подхода к формированию структуры и свойств проката:
1. Контролируемая прокатка с охлаждением на воздухе - в этом случае комплекс механических свойств определяется температурным интервалом чистовой стадии прокатки, которая может завершаться в или + области.
2. Контролируемая прокатка с последующим ускоренным охлаждением – в этом случае комплекс свойств в значительной мере определяется параметрами последеформационного охлаждения. Выбор схемы определяется сортаментом проката и требованиями к нему, особенностями оборудования стана и производительностью. В частности, может быть использован коэффициент, зависящий от целевых толщины и временного сопротивления листового проката: где H – номинальная толщина готового проката (мм), в – целевое значение временного сопротивления (МПа).
При значении К менее 11000±2000 Н/мм следует применять контролируемую прокатку с охлаждением на воздухе, при значении К более 11000±2000 Н/мм – контролируемую прокатку с ускоренным охлаждением (Таблица 13).
Преимуществом технологии без ускоренного охлаждения (низкотемпературной контролируемой прокатки – НКП) является её относительная простота (на конечный результат влияет меньшее количество технологических параметров), а следовательно устойчивость к колебанием технологических параметров. Однако используя НКП сложно получить прокат большой толщины с требуемым комплексом механических свойств. Технологическую схему контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением (КП+УО) в свою очередь не целесообразно применять для проката небольшой толщины, т.к. на входе в установку охлаждения наблюдается значительное различие температуры головной и хвостовой частей проката. Данная неравномерность температур может послужить причиной значительного различия в механических свойствах листового проката в направлении его длины.
Таким образом, на следующем шаге необходимо подобрать оптимальный химический состав для технологии КП без УО, уделяя внимание экономичности и универсальности. Необходимо определить содержание в стали углерода, кремния, марганца, алюминия, ниобия, ванадия и титана.
Содержание углерода в стали в первую очередь определяет её прочность. При этом содержание углерода менее 0,03% не позволяет достигнуть требуемой прочности, а содержание свыше 0,11% обеспечивает неудовлетворительные показатели пластичности и ударной вязкости. Поэтому оптимальным диапазоном для экономнолегированного состава является 0,09 – 0,11%.
Кремний обеспечивает чистоту стали по кислороду и неметаллическим включениям, а также увеличивает прочность. Содержание кремния менее 0,15% ухудшает раскисленность стали и снижает прочность. Содержание свыше 0,45% обуславливает возрастание содержания силикатных включений, снижение ударной вязкости. Кремний также является одним из самых недорогих легирующих элементов, что обуславливает возможность использования в диапазоне 0,35 – 0,4%.
Марганец обеспечивает твёрдорастворное упрочнение, повышает хладностойкость и коррозионную стойкость. При содержании марганца ниже 1,40% не обеспечивается требуемая хладностойкость. Содержание марганца свыше 1,95% ухудшает свариваемость. В рассматриваемом случае также иммется ограничение для стали класса прочности К55 – не более 1,55% – поэтому оптимальный диапазон 1,40 – 1,50%.
Алюминий раскисляет и модифицирует сталь, связывает азот в нитриды. При содержании алюминия менее 0,02% не достигается требуемый комплекс механических свойств. При содержании более 0,05% происходит снижение вязких свойств.
Ниобий необходим для образования карбидов. Карбиды ниобия тормозят рост зерна при нагреве, смещают температуру рекристаллизации, способствуют формированию в прокате мелкодисперсной структуры. Содержание ниобия менее 0,03% не обеспечивает достаточного дисперсионного и зернограничного упрочнения. Содержание ниобия свыше 0,07% ухудшает свариваемость и экономически нецелесообразно. Ниобий является одним из самых дорогостоящих легирующих элементов, поэтому обосновано его использование в диапазоне 0,03 – 0,04%.
Ванадий необходим в сталях с более высокими требованиями по прочностным свойствам с целью образования карбидов ванадия, т.к. они выделяются при охлаждении. Содержание ванадия свыше 0,10% ухудшает свариваемость и удорожает легирование. Целесообразность использования ванадия в значительной мере определяется стратегией последеформационного охлаждения. При охлаждении проката на воздухе эффект от ванадия минимален или вообще не наблюдается, поэтому его использование может быть не оправдано.
Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь и связывает азот в нитриды. Одной из главных задач титана является сдерживание роста аустенитного зерна при повторном нагреве слябов. При содержании титана меньше 0,01% снижается прочность. При содержании свыше 0,035% титан способствует снижению вязких свойств.
Применения технологии низкотемпературной контролируемой прокатки (НКП) предусматривает три основных технологических этапа: нагрев сляба в печи, черновую стадию при температуре выше температуры остановки рекристаллизации и чистовую стадию с температурой начала ниже температуры остановки рекристаллизации.
Особенности режимов прокатки на стане 5000
При прокатке за 8 проходов в точке максимальной деформации между проходами, а также через 60 секунд после последней деформации наблюдается полная рекристаллизация. В зоне минимальной деформации (середине раската) степень рекристаллизации постепенно увеличивается от 29% после первого обжатия до 97% после пятого, после шестого, седьмого и восьмого составляет 100%. Зона максимальной деформации при прокатке за 12 проходов также характеризуется высокими значениями доли рекристаллизованного зерна (90-100% в каждом проходе). В середине раската рекристаллизация между проходами затруднена вплоть до 10 прохода (около 50%). Однако относительно большие деформации в последних проходах способствуют протеканию почти полной рекристаллизации.
Полученные результаты показывают, что при прокатке двукратного листа обжатия в черновой стадии недостаточно для протекания полной рекристаллизации в середине раската между проходами, что может быть причиной формирования неоднородного аустенитного зерна. Однако слой с максимальной деформацией, а следовательно и соседние слои, находящиеся на толщины, рекристаллизовались полностью. Правомерность в дальнейшем принимать решение о возможности производства листового проката с подобными режимами проверена экспериментально. Проведены опытные прокатки однократных и двукратных листов толщиной 30,5 мм по деформационным режимам черновой стадии, представленным в Таблице 26.
Механические свойства на растяжение для однократного и двукратного листового проката схожи. Следует отметить небольшое снижение для двукратных раскатов временного сопротивления на 15 МПа (610-620 МПа вместо 625-635 МПа для однократных), предела текучести на 5 МПа (540-560 МПа вместо 545-565 МПа для однократных), ударной вязкости при температурах -40С и ниже на 10-30 Дж/см2, что, безусловно, может быть следствием менее интенсивной рекристаллизации. При этом ударная вязкость и доля вязкой составляющей на образцах после ИПГ одинаковы при температуре -20С и составляют 380 Дж/см2 и 97% соответственно, а доля вязкой составляющей при температурах -40С и -60С на двукратных листах даже немного выше (Рис.5.4). Микроструктура проката исследованных листов аналогична, представлена ферритом полигональным в количестве до 40%, квазиполигональным ферритом (до 30%) и бейнитом различной морфологии (Рис.5.3).
Таким образом, высокая степень рекристаллизации на толщины раската в черновой стадии прокатки позволяет достигать требований по механическим свойствам даже с учётом недостаточной рекристаллизации в середине раската. Однако необходимо учитывать возможное снижение механических свойств при испытании на растяжение.
Освоение технологии производства листового проката классов прочности К52-К56 Другим примером применения методики предварительных исследований для нужд стана 5000 ОАО «Выксунский металлургический завод» является разработка и внедрение технологии производства листового проката классов прочности К52-К56 толщиной 10-16 мм с экономнолегированным химическим составом. При производстве данного сортамента задача достижения требуемого уровня механических свойств решается стандартными приёмами при разработке технологии контролируемой прокатки. Поэтому в данном сегменте важными становятся работы, направленные на снижение себестоимости проката, в том числе за счёт снижения содержания легирующих и микролегирующих элементов. В рамках диссертационной работы предложен химический состав для сталей К52-К56 со сниженным по сравнению с ранее производимым легированием (экономия в среднем 429 руб./т). Однако опробование нового химического состава в условиях стана 5000 сопряжено с риском получения некачественной продукции вследствие отсутствия гарантии достижения механических свойств с новым химическим составом. В таком случае в соответствии с предложенной методикой и с учётом технологических особенностей производство данного сортамента (использование сляба толщиной 250 мм, высокие частные обжатия при черновой прокатке и небольшая толщина готового листа) целесообразно проводить предварительные исследования в условиях лабораторного стана дуо 300.
Проведенные лабораторные прокатки позволили подтвердить возможность производства из предложенного химического состава листового проката классов прочности К52, К55 и К56, а также определить температурные режимы прокатки на стане 5000. На рис.5.5. приведены гистограммы распределения механических свойств для листов толщиной 15 мм класса прочности К56, произведённых в соответствии с выбранной на опытном этапе технологией, а также труб из них. Диапазон фактических значений по всем механическим свойствам соответствует требованиям нормативной документации. По разработанной технологии в 2013-2014 гг. произведено 213 000 тонн проката. Годовой эффект от внедрения нового химического состава и технологии составляет 84 405 946 рублей.
