Контролируемая прокатка низколегированной стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Влияние условий нагрева слябов на свойства стали

2. Оборудование линий для контролируемой прокатки

3. Основной принцип контролируемой прокатки

4. Параметры контролируемой прокатки

5. Влияние контролируемой прокатки и дальнейшей термической обработки на структуру и свойство стали 13Г1С-У

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Контролируемая прокатка представляет собой высокотемпературную обработку низколегированной стали и предполагает определенное сочетание основных параметров горячей деформации: температуры нагрева и конца прокатки; суммарной степени деформации и распределения деформации по температуре; скорости охлаждения и т. д. В температурном интервале прокатки с контролируемым режимом деформаций в деформируемом металле можно отметить три стадии изменения структуры. На первой стадии (>950 °С) в процессе деформации происходит рекристаллизация; на второй стадии (<950 °С) металл упрочняется вследствие измельчения структуры и повышения плотности дислокаций. На третьей стадии (деформация при 800--700 °С) происходит дисперсионное твердение сталей, легированных карбидо- и ни- тридообразующими элементами (Mo, Nb, V, Ti) вследствие выделения избыточных фаз.

При контролируемой прокатке листов большие степени обжатия назначают преимущественно в области относительно невысоких температур (<800°С). Заканчивают прокатку при температурах <750--700 °С. На широкополосном стане контролируемую прокатку проводят в области высоких температур, при которых происходит быстрая рекристаллизация аустенита. В этом случае наиболее важные технологические параметры -- скорость охлаждения полосы до температуры превращения аустенита и температура смотки полосы в рулон, так как степень влияния микролегирующих элементов (Nb, V, Mo и др.) на дисперсионное твердение стали также зависит от условий охлаждения листов и полос.

Одна из главных целей контролируемой прокатки -- получение в готовом прокате из низкоуглеродистой низколегированной стали мелкозернистой структуры феррита, определяющей прочность и высокое сопротивление вязкому и хрупкому разрушению. Размер зерна феррита горячекатаной стали зависит от химического состава стали и совокупности технологических факторов: условий нагрева слябов под прокатку; температурного режима прокатки (особенно при последних проходах); степени и кратности обжатия; скорости охлаждения между проходами; температуры смотки полосы.

1. Влияние условий нагрева слябов на свойства стали

контролируемая прокатка низколегированная сталь

Режим нагрева слябов перед прокаткой выбирают, учитывая химический состав стали и требования к ее качеству.

При контролируемой прокатке сталей с микродобавками карбо- и нитридообразующих элементов (V, Nb, Ti и др.) температуру нагрева слябов снижают, что ведет к понижению прочности и повышению хладостойкости. При снижении температуры нагрева марганцовистой стали, микролегированной ниобием, с 1200 до 1000 °С, предел текучести горячекатаного листа увеличивается примерно на 30 МПа, а переходная температура понижается с 0 до --50 °С. Опыт показывает, что для получения хладостойкого проката из микролегированных сталей контролируемой прокаткой наиболее приемлема температура начала прокатки 1150--1200 °С.

Низкотемпературный нагрев слябов целесообразно производить в печах с шагающими балками, так как в них в отличие от толкательных печей слябы нагреваются не с двух, а с четырех сторон, что повышает равномерность нагрева.

Температурный режим контролируемой прокатки. Стали, подвергаемые контролируемой прокатке, содержат микролегирующие элементы, существенно влияющие на кинетику рекристаллизации и способствующие получению мелкого зерна аустенита и соответственно феррита. В стали 0, 05 % С; 1, 8 °/о Мn; 0, 06 % Nb время рекристаллизации 70 % общего объема составляет: при температуре деформации 850 °С--~10³ с; при 925°С-- ~10² с; при 1000°С 5 с.

В результате задержки рекристаллизации аустенита при температуре 900 °С (и ниже) при последующих проходах дополнительно деформируются не рекристаллизованные зерна аустенита. Это способствует образованию в горячекатаной стали мелкозернистой структуры, определяющей хорошее сочетание свойств прочности и вязкости.

Промышленная контролируемая прокатка низкоуглеродистых сталей на втором (завершающем) этапе обычно производится в диапазоне температур Ar3-Ar1 при суммарной деформации > 66 %.

Снижение температуры конца прокатки увеличивает предел текучести. При понижении температуры конца прокатки с 950 до 800 °С температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому понижается. Дальнейшее снижение температуры конца прокатки неодинаково влияет на стали разного химического состава.

Контролируемая прокатка может применяться и при рулонном способе производства.

2. Оборудование линий для контролируемой прокатки

Контролируемая прокатка проводится на толстолистовых реверсивных и непрерывных широкополосных станах с поточным расположением оборудования.

В технологический поток стана входят: нагревательные печи; собственно стан; участок отделки. Один из основных элементов технологии контролируемой прокатки - охлаждение раската до определенной температуры перед чистовой прокаткой. Охлаждение производят в потоке и вне потока стана. Для уменьшения неравномерности охлаждения поверхности раската (из-за контакта с роликами) его покачивают на рольганге. При охлаждении вне потока раскат выводят на обводные секции рольгангов или поднимают над рольгангом на специальных рамах. Для ускорения охлаждения применяют душирование (на отводящем рольганге или между клетями). Управление процессом охлаждения производится автоматически.

Контролируемая прокатка на толстолистовых станах чаще всего осуществляется по схеме: черновая клеть -- выдержка -- чистовая клеть. Выдержка необходима для снижения температуры подката до той области, где не происходит рекристаллизация. В период выдержки подката возможен сильный рост зерен или частичная рекристаллизация, приводящая к получению разнозернистого феррита, ухудшающего ударную вязкость стали. Одним из путей, позволяющих устранить эти явления, является применение ускоренного охлаждения водой или воздушными смесями.

Контролируемая прокатка на широкополосных станах отличается от прокатки на толстолистовом стане. На широкополосном стане полоса завершения прокатки быстро охлаждается на от отводящем рольганге, а затем медленно в рулоне. Прокатка в черновых и чистовых клетях осуществляется с большими частными обжатиями и малыми проходами. Прокатка полос в черновых клетях осуществляется в зоне рекристаллизации, а в чистовых -- в области, где процесс рекристаллизации не протекает. Суммарное обжатие и температура раската при прокатке в чистовых клетях ограничены. Выдержка полос в рулоне после смотки способствует увеличению предела текучести вследствие большого выделении упрочняющих частиц карбонитридов ниобия и ванадия. Благодаря большому дисперсионному упрочнению переходная температура горячекатаных полос, обычно выше, чем у листов.

3. Основной принцип контролируемой прокатки

Основной принцип контролируемой прокатки заключается в измельчение аустенитного, а следовательно, и ферритного зерна, что приводит к одновременному повышению прочности и вязкости стали. Решающая роль при этом отводится температурным условиям процесса. При ограничении деформации только в аустенитной области можно выделить три диапазона температуры в соответствии с ее влиянием на структуру стали. Деформация при температуре выше 1000С приводит к образованию крупных рекристаллизованных зерен аустенита, которые при полиморфном превращении образуют грубую структуру феррита и структуру верхнего бейнита. При деформации в промежуточном температурном диапазоне (от 1000 до 900С) аустенит измельчается повторяющейся рекристаллизацией в результате чего образуется мелкозернистый феррит. Деформация ниже температуры рекристаллизации (ниже 900С) способствует получению мелкозернистой ферритной структуры.

При температуре деформации в области a+г различают три стадии контролируемой прокатки: деформация в зоне рекристаллизации аустенита, деформация некристаллизующегося аустенита и деформация в двухфазной аустенитно-ферритной области. Исследования показали, что в процессе прокатки в чистовой клетки при температуре ниже Аr3 на механические свойства оказывает влияние дислокационное, субструктурное и текстурное упрочнение.

Основные различия между обычной и контролируемой прокаткой состоит в том, что при контролируемой прокатке деформационные полосы разделяют аустенитные зерна на несколько блоков. Граница каждого блока является источником зарождения ферритных зерен. В результате из аустенитного зерна одинаковой величины при контролируемой прокатке образуются более мелкие ферритные зерна, чем при обычной горячей прокатке, когда зарождение ферритных зерен осуществляется на границах аустенитных. Кроме того, увеличение числа активных центров зарождения феррита ускоряет процесс a-превращения, в результате чего снижается вероятность выделения бейнитной структуры, придающей низкую вязкость стали.

В обычной горячекатаной и нормализованной сталях феррит зарождается исключительно на границах аустенитных зерен, что ограничивает измельчение зерна. В прокатанных по контролируемым режимам или закаленных сталях аустенитное зерно разделяется на несколько блоков :в первом случае деформационными полосами, во втором мартенситными пластинами. При этом размер ферритных зерен определяется не размером зерен аустенита, а величиной образующихся блоков.

Сталь, прокатанная по контролируемым режимам, часто имеет структуру, состоящую из мелких и крупных зерен феррита (или верхнего бейнита) и уменьшающую ее вязкость при низких температурах. Одной из причин образования такой структуры является частичная рекристаллизация аустенита, при которой мелкие рекристаллизации г-зерна образуются на границах крупных . Для предотвращения образования смешанной структуры используют оптимальные условия выдержки между проходами или непрерывный режим обжатия во всем температурном интервале горячей прокатки.

4. Параметры контролируемой прокатки

К параметрам технологии контролируемой прокатки относятся режим и температура нагрева металла под прокатку. Температура начала прокатки, величина обжатия и схема прокатки в черновой клети стана, величина обжатия и схема прокатки в черновой клети стана, величина суммарной деформации в черновой клети, постуживание раската перед чистовой клетью и способы его осуществления, температура начала прокатки в чистовой клети, режим частных обжатий в чистовой клети, величина частных обжатий и величина суммарного обжатия в чистовой клети, температура конца прокатки, режим охлаждения листов. По условию получения оптимальных свойств металла перечисленные факторы являются строго определенными для конкретной марки стали и могут изменяться в зависимости от колебаний химического состава, количества примесей в металле, способа получения заготовки под прокатку (обжатый сляб или непрерывнолитой), конструкции стана, а также конкретных условий производства.

Прокатка листов из непрерывнолитого металла требует создания таких условий деформирования, которые обеспечили бы уплотнение и заварку осевой пористости в литой заготовке. К этим параметрам относятся температура нагрева и прокатки, режимы обжатия в черновой клети стана и величина суммарной вытяжки. Температура нагрева металла под прокатку может быть от 1230 до 1100 С. Нагрев до 1230 С не представляет новизны для производства, в то же время нагрев до 1100 С требует существенного изменения работы печей, поскольку нагрев должен быть скоростным и ВТО же время обеспечить прогрев металла по всему сечению. Учитывая, что при контролируемой прокатке температура конца прокатки существенно ниже обычной, то для уменьшения времени подстуживания раската перед чистовой клетью более благоприятной температурой является 1100 С. Однако при этой температуре нагрева не полностью растворяются скоагулированные упрочняющие фазы, что может привести к снижению прочности стали после прокатки.

При назначении режима частных обжатий следует учитывать энергосиловые условия процесса, мощность стана и возможность получения плоского лиcта.

5. Влияние контролируемой прокатки и дальнейшей термической обработки на структуру и свойство стали 13Г1С-У

В наше время при производстве труб большого диаметра широко применяется низкоуглеродистые низколегированные стали, которые благодаря прокатки по контролируемым режимам получают высокий уровень механических свойств. Вместе с этим, остается широко распространенной горячая прокатка трубных сталей с дальнейшей нормализацией или термическим улучшением. В некоторых случаях термическая обработка является способом исправления недостатков структуры и повышает выход готового металла после контролируемой прокатки.

Исследование структуры и свойств низколегированной трубной стали 13Г1С-У после контролируемой прокатки и термической обработки:

Объектом исследования есть лист толщиной 15, 4 мм и 12, 4 мм со стали 13Г1С-У, изготовленные по технологии контролируемой прокатки с окончанием деформации при температуре 720-730 0С. Химический состав стали: 0, 14 %С; 1, 62 % Mn; 0, 50 % Si; 0, 005 % S; 0, 021 % P; 0, 018 % Ti; 0, 035 % Al; 0, 005 % V, 0, 01 % Nb; 0, 010 % N2.

На листах изучали структуру и свойства в «голове» листа и в середине длины листа. Термическую обработку проводили по следующим режимам: температура аустенитизация - 900-920 0С; время выдержки по всем режимам 20 мин.; охлаждение при нормализации проводили на воздухе, при полном отжиге - с печью, при закалке - в воде; температура нагрева при релаксационном отжиге - 500 и 600 0С (охлаждение с печью), а при высоком отпуске после закалки -550 и 620 0С.

После контролируемой прокатки стали 13ГС-У с окончанием деформации при 720-730 0С в листах толщиной 15, 4 мм прочность меньше, а пластичность больше (табл. 1) нежили в листах толщиной 12, 4 мм, тогда как показатели ударной вязкости KCU и KCV имеют близкие значения. Структура стали - феррито-перлитная с ярко выраженной полосчатостью. Вблизи поверхности листа наблюдается ориентированная структура в направлении течения металла бес четких полос. На расстоянии 1 мм от поверхности уже наблюдается полосчатая структура.

Таблица 1. Среднии показатели механических свойств стали 13Г1С-У

При приближении к осевой зоне ширина полос увеличивается и они становятся практически непрерывными. В осевой зоне листа толщиной 15, 4 мм наблюдается ликвационная полоса шириной до 0, 3 мм. В листах толщиной 12, 4 мм распределение толщины полосы феррита более равномерна нежили в листах толщиной 15, 4 мм.

Количество перлитной составляющей в листах разной толщины в поверхностной зоне одинакова: 28% в «голове» и 32% в середине длины листа. Проявляется тенденция увеличения доли перлита в структуре от поверхности до осевой зоны в листах толщиной 15, 4 мм. Размер зерна феррита и участков перлита увеличивается в направлении от поверхности до осевой зоны.

В листах толщиной 12, 4 мм средний размер структурных составляющих меньше, чем в листах толщиной 15, 4 мм. Твердость стали толщиной 15, 4 мм увеличивается в направлении от осевой до предповерхностной зоны от 81-83 HRB до 84-87 HRB, а в листах толщиной 12, 4 мм она увеличивается в направлении к одной из поверхности от 77-81 HRB до 81-84 HRB.

В данной работе исследуется влияние исходного состояния на структуру и свойства стали после термической обработки. Полный и релакционный отжиг не устраняет структурную полосчатость.

После нормализации, вне зависимости от исходного состояния, структура стали феррито-перлитная с мелким зерном. Полосчатость стали, нормализованной непосредственно после контролируемой прокатки и с предыдущим релаксационным отжигом выявлена достаточно ярко. Предыдущий полный отжиг достаточно заметно уменьшает степень полосчатости нормализованной стали.

В сравнении с состоянием после контролированной прокатки непосредственная нормализация не привела к заметному изменению среднего размера зерен феррита, но он увеличился в среднем на 1, 5-2 мкм после нормализации с предыдущим полным и релаксационным отжигом. При этом ширина ферритных полос после нормализации независимо от исходного состояния увеличивается почти в двое, а количество перлита уменьшилось на 2-5%. Независимо от предыдущей обработки нормализация приводит к снижению твердости.

Увеличение количества циклов нормализации на образцах после контролируемой прокатки приводит к небольшому увеличению размера феррита и участков перлита, уменьшение количество перлита в структуре, снижение твердости и устранение ликвационной полосы. Полосатая структура стали не устраняется в результате нормализации с 1-3 циклами, но увеличение циклов фазовой перекристаллизации приводит к формированию более «разорванных» полос перлита.

Закалку образцов проводили с межкритического интервала температур (800-8700С) и с однофазной аустенитной области. Закалка с двухфазной области введет к сохранению структуры остаточного феррита. В образцах без предыдущей термообработки после закалки от 8000С наблюдается некоторая полосчатость структуры, которая уменьшается с повышением температуры закалки до 8700С.

После закалки от 9200С структура стали состоит из бейнита и мартенсита. При закалки от 8000С сталь, без предыдущей термообработки и с предыдущим релаксационным отжигом, имеет одинаковую твердость, при этом твердость образцов с предыдущим полным отжигом была меньшей. Повышение температуры закалки с 800-9200С влияет на увеличению твердости.

При закалке от 920 0С сталь после предыдущего полного отжига имеет твердость больше, чем сталь бес предыдущей термообработки (также как и при закалке от (870 ± 100С)), а наибольшую твердость имеет сталь с предыдущим релаксационным отжигом. После отпуска закаленных образцов структура стали, закаленная от 920 0С, состоит из сорбита отпуска. После отпуска как при 5500С так и при 6200С наибольшую твердость имеет сталь с предыдущим полным отжигом, а наименьшую - с предыдущим релаксационным отжигом, что может свидетельствовать про большую ее склонность в таком положении к разупрочнению при отпуске.

Таким образом, условия предыдущей деформационно-термической обработки могут существенно влиять на структуру и свойства стали после термической обработке в связи с проявлениями структурной наследственностью, как при сдвиговых так и при диффузионных полиморфных превращениях.

Заключение

Современной тенденцией на рынке горячекатаного проката является расширение его номенклатуры при одновременном ужесточении требований по качеству продукции. В полном объеме удовлетворить эти требования возможно путем комплексного подхода к определению технологических параметров производственного процесса.

Контролируемая прокатка представляет собой разновидность процесса высокотемпературной термомеханической обработки сталей и сплавов, характеризующегося регламентированными, в зависимости от химического состава, условиями нагрева металла, температурными и деформационными параметрами процесса и заданными режимами охлаждения металла на различных стадиях пластической обработки, результатом чего является получение структуры, при которой увеличивается прочность и вязкость металла. Эта технология позволяет получать оптимальные сочетания прочностных и вязких свойств готового проката без использования термической обработки и при более низком расходе дефицитных легирующих добавок.

Характерными технологическими особенностями контролируемой прокатки листов по сравнению с обычными режимами являются: понижение температурных условий процесса, особенно в конечной его стадии; увеличение роли охлаждения раскатов в процессе деформации и после ее окончания.

Производство стального листа, соответствующего повышенным требованиям, возможно лишь при условии применения принципиально новой технологии, одним из важнейших элементов которой является контролируемая прокатка. Внедрение контролируемой прокатки связано с решением многих проблем, из которых основной является регулирование температуры металла в процессе его деформации.

Список используемой литературы

1. Бернштейн М.Л. Металловедение и термическая обработка стали : Металлургия / М.Л.Бернштейн, А.Г. Рахштадт .1983.216с.

2. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка: Металлургия / В.И. Погоржельский, Д.А. Литвиненко, Ю.И. Матросов и др. 1979 г.184 с.

3. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка непрерывнолитого металла: Металлургия, 1986 г.151 с.

4. Горбатенко В.П., Лукин А.В., Гриненко Д.В. Влияние контролируемой прокатки и дальнейшей термической обработки на структуру и свойства стали 13Г1С-У // Вестник ДонНАСА - 2007.

5. Груднев А.П. Технология прокатного производства / А.П. Груднев, Л.Ф. Машкин, М.И. Ханин. - М.: Арт-Бизнес-Центр, Металлургия, 1994.

Размещено на Allbest.ru