Введение к работе
Актуальность работы.
Среди приоритетных направлений развития экономики России в ХХI веке важное место отводится ускоренному освоению уникальных месторождений нефти и газа, а также развитие наукоемких отраслей промышленности, таких как автомобилестроение.
Интенсивное развитие промышленного производства в нашей стране и за рубежом, особенно в таких развивающихся странах, как Китай, Индия, Бразилия и др. требует большого количества энергоносителей, прежде всего природного газа и нефти. В Российской Федерации большие запасы этих энергоносителей значительно удалены от потребителей, так как находятся в труднодоступных районах Севера, Западной Сибири и арктическом шельфе. Ясно, что в связи с этим потребность в трубах как основном средстве транспортировки газа и нефти велика и в ближайшие годы будет только возрастать.
Соответственно будет растущей и потребность в трубных заготовках, получаемых из низколегированных сталей путем их контролируемой горячей прокатки на широкополосных и толстолистовых станах. Такой прокат относится к высокотехнологичным видам продукции, к которой потребители предъявляют высокие требования по достижению сложного комплекса свойств. Этот комплекс включает регламентируемые показатели пластичности и прочности, ударной вязкости и хладостойкости, свариваемости и др. Задавая указанный комплекс свойств и постоянно повышая их регламентируемые уровни, потребители стремятся получить значительную надежность трубопроводов при экономии металла и снижение стоимости строительства. В частности, последнего достигают путем повышения давления в трубах (в газовых – до 100 – 200 атм вместо традиционных 75 атм, в нефтяных до 75 – 100 вместо 55), снижения толщины стенки и другими методами. Соответственно повышаются требования к трубам по прочности до 565 Н/мм2 (К65), ударной вязкости (до 250 Дж/см2 при -20 0С) и др.
В последнее время потребители вынуждены были дополнить и без того широкий комплекс нормируемых показателей для трубных заготовок новыми, которые характеризуют коррозионную стойкость. Такая необходимость возникает и при транспортировании нефти из труднодоступных районов, где для пластовых вод характерно наличие агрессивных компонентов, и при использовании подводных морских трубопроводов (например, газопровод по дну Балтийского моря или через Черное море в Турцию и Болгарию). Для повышения срока службы трубопроводов в условиях коррозионных воздействий идут даже на такую затратную меру, как увеличение толщины стенки (40 мм и более).
Необходимость решения антикоррозионной проблемы требует создания сложных композиций химического состава стали и специальных режимов ее контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. При этом следует получить вместо традиционной для трубных сталей феррито-перлитной структуры со средним размером ферритного зерна ~ 5 мкм более мелкую феррито-бейнитную со средним размером бейнитного зерна ~ 1 мкм.
Современное совершенствование производства листовой стали для автомобилестроения определяет такие важные тенденции в развитии этой отрасли, как снижение массы кузова автомобиля, повышение его безопасности и комфортабельности, сохранение приемлемого уровня цен.
Реализация указанных тенденций возможна путем решения задачи производства высокопрочного листового проката с категорией прочности, определяемой величиной предела текучести для проката толщиной 1,5 - 16,0 мм.
В связи с этим целью настоящей работы являлось получение проката различного назначения с требуемым комплексом потребительских свойств из низколегированных сталей новых марок.
Для реализации сформулированной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
разработка комплексной методологии проектирования новых технологий с помощью специализированной исследовательской системы (СИС);
моделирование напряженно-деформированного состояния металла при горячей прокатке, в том числе, с учетом наличия и поведения поверхностных трещин;
экспериментальные пластометрические исследования сопротивления деформации низколегированных марок стали с изучением процессов рекристаллизации и разупрочнения;
разработка нейросетевой модели и изучение формируемых механических свойств проката в зависимости от температурно-деформационных режимов прокатки на широкополосных станах;
применение комплексной методологии для создания пакета новых технологий получения низколегированного высокопрочного проката;
опробование и внедрение разработанных технологий в практику работы широкополосных станов горячей прокатки.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Создана комплексная методология разработки технологий контролируемой прокатки низколегированных сталей новых марок с достижением уникального сочетания потребительских свойств, отличающаяся тем, что реализуется применением специализированной исследовательской системы (СИС).
2. Создана нейросетевая модель формирования механических свойств проката, отличающаяся тем, что процесс ее обучения выполнен на новых числовых массивах, описывающих температурно-деформационные режимы контролируемой прокатки современных низколегированных сталей на широкополосных станах.
3. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния металла при горячей прокатке, отличающаяся учетом наличия поверхностных трещин и описанием их поведения при формоизменении.
4. Установлены новые зависимости сопротивления деформации низколегированных сталей (05Г1Б, Х70, 10Г2ФБ, Х65) от основных условий контролируемой прокатки – марки стали, температуры металла, степени и скорости деформации, протекания процессов разупрочнения, длительности междеформационной паузы.
5. Определены рациональные параметры деформирования полос в черновой стадии прокатки, отличающиеся учетом длительности междеформационной паузы.
6. Установлены закономерности формирования в металле при его охлаждении после контролируемой прокатки структуры хладостойких и высокопрочных сталей, содержащих в качестве основных легирующих элементов углерод в количестве 0,04-0,07% и марганец 1,3-1,6%, а также дополнительные легирующие элементы Ti, V, Nb, Mo и др.
Практическая значимость работы состоит в следующем.
1. Создана возможность отыскания с применением указанной выше СИС для конкретных условий прокатки и заданной продукции основных технологических параметров (режимов) процесса:
- композиции химического состава стали;
- температурно-деформационных параметров;
- скоростных режимов;
- энергосиловых параметров.
2. Использование разработанной СИС позволило усовершенствовать процесс контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, что отражено в ТИ 101-Я-508-2009 «Производство газонефтепроводных труб», ТИ 101-П-ГЛ10-374-2004 «Горячая прокатка полос на стане «2000» горячей прокатки», ТИ 101- П - ГЛ4 - 71 - 2008 «Горячая прокатка полос на стане «2500» горячей прокатки» и ВТИ 101- П – ГЛ9 - 2 – 2009 «Горячая прокатка листов на стане «5000»».
3. Освоено производство разнообразного рулонного проката новых размеров из низколегированных сталей новых марок для изготовления труб и автомобилестроения. В частности, впервые в РФ разработаны и освоены технологии получения на ШСГП полос из низколегированных сталей толщиной 16,1-20 мм.
4. В результате ОАО «ММК» повысило конкурентоспособность выпускаемой продукции на рынке высокопрочных сталей и вышел на мировые рынки высокотехнологичной наукоемкой продукции. Химический состав новых сталей и технологии их производства защищены 8 патентами РФ.
Всего в рамках представленной работы освоено более 30 новых видов проката в ОАО «ММК». Прокатано на широкополосных станах 2000 и 2500 более 200 тысяч тонн такого металла, в том числе стали новых марок: 05Г1Б, Х70, Х65, S420MC и др. Экономический эффект от внедрения результатов работы в промышленности составил более 160 млн. рублей в год. Доля данной работы в достигнутом эффекте – 30%.
Апробация работы. Представленная диссертационная работа выполнялась более 7 лет. Соответственно ее основные положения и результаты доложены и обсуждены на многочисленных научно-технических конференциях, конгрессах и семинарах различного уровня. Наиболее значимые из них следующие: конгрессы прокатчиков в 2002, 2005, 2007 гг. в г. Магнитогорск, Липецк, Москва, международные конференции – «Трубы 2005, 2006, 2007 и 2008гг.» в г. Челябинске, школы-семинары «Фазовые и структурные превращения в сталях» в 2004, 2006, 2008гг. в г. Магнитогорске, ежегодные научно-технические конференции № 64-66 в г. Магнитогорске, I международная научно-практическая конференция «ИНТЕХМЕТ-2008» в 2008г. в г. Санкт-Петербург, международные конференции «Современные тенденции разработки и производства сталей и труб для магистральных газонефтепроводов», «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей» в 2008г. в г. Москва и др.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 34 печатных работах, среди которых монография, 25 статей (из них 12 в рецензируемых изданиях по перечню ВАК), 8 патентов на новые стали и способы их производства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 322 наименования и 12 приложений. Работа изложена на 352 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 59 таблиц.
