Необходимость повышения прочности и вязкости при одновременном улучшении свариваемости и снижении себестоимости проката массового назначения стимулировали создание новых эффективных технологических процессов получения листов и фасонных профилей с комплексом высоких механических и технологических свойств из стали с минимальным содержанием углерода и легирующих элементов.
В России и за рубежом созданы и успешно эксплуатируются принципиально новые агрегаты и устройства для термического упрочнения проката с реализацией термомеханического эффекта с использованием тепла нагрева под прокатку.
Сравнительно новым и высокоэффективным способом управления структурой и свойствами является регулируемое ускоренное охлаждение на отдельных стадиях прокатки при относительно низких степенях деформации и после ее завершения. Это позволяет в потоке станов относительно невысокой мощности значительно повышать одновременно характеристики прочности, пластичности и ударной вязкости проката из малоуглеродистой стали.
Прокатка с регламентированными температурными и деформационными параметрами в сочетании с интенсивным охлаждением с различными скоростями, вплоть до закалочных, позволяет получать широкий спектр структур и наперед заданные высокие прочностные характеристики у проката из стали с пониженным содержанием углерода и легирующих элементов. Низкий углеродный эквивалент такой стали обеспечивает ее хорошую свариваемость.
Применяют различные сочетания температурных и деформационных параметров прокатки, а также ускоренного охлаждения. При этом в интервалах температур рекристаллизации и превращения аустенита в зависимости от заданных свойств ускоренное охлаждение осуществляют с различными скоростями: от умеренных между клетями прокатных станов на разных стадиях деформации до прямой закалки после окончания деформации. Особенностью такой технологии является то, что фазовые превращения протекают в деформированном аустените, что оказывает существенное влияние на кинетику его распада и процессы структурообразования при охлаждении после прокатки. Именно это обеспечивает получение проката с прогнозируемым комплексом механических свойств из хорошо свариваемой стали с низкими содержанием углерода и легирующих элементов. ,
В настоящей главе приводится описание основных технологических приемов повышения механических свойств проката массового назначения, а также влияния отдельных параметров при деформационно-термическом производстве на формирование структуры и эксплуатационных свойств.
Рассмотрены также основные технологические процессы упрочнения и результаты исследований свойств упрочненных проката и труб большого диаметра как из описанных выше стандартных сталей, так и из новых, эффективность применения которых обеспечивается лишь при реализации различных технологических схем упрочнения. В основном рассмотрены технологические процессы упрочнения и типы сталей, к разработке которых авторы имеют непосредственное отношение.
В отечественных и зарубежных работах отмечается, что, несмотря на дополнительные затраты, производство и применение термоулучшенного проката и металлических изделий более эффективно и экономично, чем горячекатаного или нормализованного проката равной прочности из низколегированной стали.
Термическое упрочнение проката для строительных конструкций с отдельного печного нагрева достаточно широко распространено в современной металлургической промышленности. С конца пятидесятых годов на меткомбинате им. Ильича (г. Мариуполь) и НТМК проводили такое упрочнение толстых листов. Нагрев для аустенитизации и отпуска проводили в камерных (обычно пламенных) термических печах с выдвижным подом; затем листы охлаждали в баке с водой при температуре около 20° С Листы погружали в воду вертикально или под некоторым углом к поверхности воды.
Более совершенным и рациональным был подогрев в проходной печи с роликовым подом, откуда листы толщиной до 40-50 мм подавали в закалочный пресс, и, охлажденные водой, они поступали в отпускную печь и вновь возвращались на пресс. Недостатки этого процесса подробно рассмотрены в работе.
Дальнейшее усовершенствование технологии термического упрочнения было связано с разработкой и вводом в эксплуатацию нового технологического оборудования — роликовых машин. Закалку листов в этих установках осуществляют в процессе непрерывного их перемещения Между роликами, установленными с зазором, практически равным толщине обрабатываемого листа, для предотвращения его коробления.
За рубежом используют роликовые машины, разработанные фирмой «Древер» (США), которая их, как правило, и изготавливает. Первая такая машина эксплуатируется на заводе фирмы «Бетлехем стил корпорейшен» в Берне Харбор. Затем аналогичные машины были установлены в Швеции (фирмы «Гренгеес»), Великобритании (фирма «Бритиш стил»). Они установлены и эксплуатируются практически на всех фирмах, производящих толстолистовой прокат. В России и на Украине работают такие машины, спроектированные и изготовленные на заводе «Уралмаш». Роликозакалочные машины имеют два ряда роликов. Давление верхних роликов на охлаждаемый лист составляет 1000 т. Листы охлаждают водой, подаваемой специальными форсунками (соплами), обеспечивающими высокие давления (до 10 атм.) и скорость истечения струи.
При термическом улучшении особое внимание уделяют скорости охлаждения при закалке, которую стремятся получить наиболее высокой. Поэтому охлаждающим устройствам роликозакалочных машин также уделяют особое внимание и постоянно их совершенствуют.
Повышение скорости охлаждения при спрейерном охлаждении достигается увеличением расхода воды: при увеличении расхода с 25 до 250 м3/мин скорость охлаждения листов толщиной 12 мм повышается с 120 до 480° С/с, при этом скорость охлаждения центральных слоев изменяется от 100 до 150° С/с.
В роликозакалочных машинах последних модификаций для уменьшения коробления листов служат два ряда прижимных роликов и две пары тянущих, которые обеспечивают правку листов и их расположение в машине. Сопла, через которые под высоким давлением подают воду, расположены между прижимными роликами и могут изменять угол наклона струи.
При закалке толстых листов применяют высокоэффективный способ водовоздушного охлаждения, при котором скорость охлаждения регулируют в широких пределах давлением воздуха, соотношением воды и воздуха в струе, а также скоростью.истечения и углом наклона струи. Для получения дозвуковой скорости истечения водовоздушной струи используют сопла дроссельного типа, а сверхзвуковой — сопла типа Лаваля. Разработаны методы, позволяющие в широких пределах регулировать соотношение воды и воздуха при охлаждении проката: эти методы позволяют эффективно использовать смесь, состоящую из 10% воды и 90 % воздуха. Увеличение в водовоздушной смеси воздуха с 60 % до 75% при закалке листов толщиной 12 мм из низколегированной стали феррито-перлитного класса приводит к повышению их предела текучести с 900 до 1150 Н/мм2. Приведенные в литературе сведения, а также исследования авторов свидетельствуют о том, что при термическом упрочнении проката массового назначения из рассматриваемой стали скорость охлаждения является ключевым фактором. Минимальная скорость охлаждения при закалке должна обеспечивать отсутствие в структуре грубозернистого полигонального феррита, который, как будет показано ниже, приводит к понижению эксплуатационных характеристик проката.
В связи с увеличением спроса на тол стол и сто вой термически упрочненный прокат в шестидесятых и 70-х гг. XX столетия многие зарубежные металлургические фирмы установили роликозакалочные машины с печным нагревом. Характерно, что такие машины преимущественно были установлены и эксплуатируются до настоящего времени в странах со слаборазвитой металлургией (Бразилии, Польше, Румынии и др.). В промышленно развитых странах для упрочнения тол стол и сто во го и тяжелого фасонного проката опережающими темпами сооружают агрегаты с использованием прокатного тепла и эффектов ТМО. К настоящему времени эксплуатируется достаточно большое количество таких агрегатов, имеющих часто значительные технологические различия и конструктивные особенности.
Среди технологических процессов упрочнения проката в настоящее время наиболее распространены термическое улучшение (закалка с отпуском), ускоренное охлаждение (вплоть до охлаждения с закалочными скоростями) после окончания прокатки и контролируемая прокатка. Термическое упрочнение имеет несколько разновидностей:
- традиционная двойная термообработка — закалка с печного нагрева с последующим высоким отпуском;
- закалка с прокатного нагрева с последующим отпуском;
- прерванная закалка.
Последние два процесса часто рассматривают как альтернативу контролируемой прокатке.
Использование системы OLAC приводит к равномерному распределению температуры по ширине листа, исключает его коробление. Важно, что система OLAC позволяет охлаждать с одинаковой скоростью листы различной толщины. При закалке с использованием этой системы конечная температура ускоренного охлаждения после прокатки составляет около 550° С. Технология обеспечивает получение одинаковой структуры и механических свойств листов в широком диапазоне толщин (от 10 до 40 мм). Исследование толстых листов, упрочненных в агрегате системы OLAC показало, что твердость по толщине листа более равномерна, чем после контролируемой прокатки.
С повышением температуры конца прокатки (т. е. начала охлаждения листов) характеристики прочности проката повышаются, а условный порог хладноломкости (Т50) несколько сдвигается в область более высоких температур. Авторы установили, что при такой технологии упрочнения положение границ критического интервала хрупкости на температурной оси остается неизменным, несколько увеличивается крутизна (наклон) кривой вида излома от температуры испытания.
Прокат, упрочненный с использованием тепла прокатного нагрева, по механическим свойствам выгодно отличается от проката равной прочности, полученного методом контролируемой прокатки. Комплекс высоких механических свойств может быть получен у проката из стали с углеродным эквивалентом и показателем трещиностойкости (рассчитываемыми по содержанию химических элементов) значительно меньшими, при охлаждении с высокими скоростями непосредственно после завершения горячей деформации.
Значительно более высокие характеристики прочности, пластичности и вязкости обеспечиваются при ускоренном охлаждении, со скоростями от 7 до 25° С/с, после окончания горячей деформации с увеличенными обжатиями при температурах 780-850° С. Структура такого проката состоит из однородной смеси мелких зерен феррита, участков (колоний) перлита, вырожденного перлита, а также небольшого количества (до 15 %) мелкодисперсного бейнита. Упрочненный по такой схеме прокат не требует дополнительной термической обработки (отпуска). Такую технологию упрочнения проката в потоке станов называют деформационно-термическим упрочнением (ДТУ).
Более высокие скорости охлаждения, чем при ДТУ, с формированием структуры от частично или полностью бейнитной до мартенситной могут быть получены при традиционной двойной термообработке — улучшении (закалке с отпуском) после печного нагрева, при закалке с прокатного нагрева или прерванной закалке с самоотпуском. При этих способах термического упрочнения может быть обеспечен наперед заданный комплекс высоких механических свойств вплоть до полной (максимальной) реализации возможностей стали, обусловленных ее химическим составом.
Наиболее простой способ получения заданных механических свойств — это формирование в прокате микроструктуры с оптимальным сочетанием структурных составляющих (феррита, перлита, мартенсита). При этом следует иметь в виду, что преобладание в структуре бейнита и (или) мартенсита требует проведения последующего отпуска (самоотпуска) стали. Опыт производства проката повышенной прочности из стали с минимальным углеродным эквивалентом при ускоренном охлаждении показал, что для получения нужного сочетания структурных составляющих необходимо строго регулировать темп снижения температуры проката в интервале 700-250° С, предварительно установив корреляцию между температурой конца охлаждения в указанном интервале и формирующейся структурой.
Фирма Dillinger Hutlenwerke (Германия) разработала и установила за чистовой четырехвалковой клетью тол стол и сто во го стана 4800 агрегат длиной 30 метров, позволяющий осуществлять многоцелевое прерывистое охлаждение. Установки Mulpic и OLAC легко обеспечивают максимально возможные скорости охлаждения, достигаемые в закалочных машинах, и, кроме того, на них можно осуществлять как прямую закалку (DQ) с прокатного нагрева (охлаждение до комнатной температура), так и прерванную закалку с самоотпуском (QST).
В результате совместных разработок, выполненных металлургическими фирмами Бельгии, Великобритании и Люксембурга, организовано производство закаленных с самоотпуском (процесс QST) крупногабаритных двутавровых балок высотой до 1100 мм с полкой толщиной до 140 мм. Балки с пределом текучести 355 Н/мм2 и 460 Н/мм2 прокатывают из стали с углеродным эквивалентом 0,24 (типа Ст2сп) и 0,35 (типа СтЗсп) соответственно. Полученные по такой технологии тяжелые балки используют для сооружения буровых платформ, в высотном домостроении и других конструкциях ответственного назначения. Это подтверждает, что преимущество закалки с прокатного нагрева после предварительной горячей деформации по сравнению с традиционной закалкой с печного нагрева обусловлено особенностями влияния предшествующей ТМО и связано с тем, 1 го зерн;. аустенита имеют вытянутую (а не равноосную) форму и соответственно большую протяженность границ, что благоприятно сказывается одновременно на показателях прочности и вязкости проката.
Meталлографическое исследование листов, упрочненных в потоке станов, доказало, что слои, отстоящие от поверхности листов толщиной 20- 25 мм на расстоянии до 4 мм, имеют структуру отпущенного мартенсита, пластины (рейки) которого плотно прилегают друг к другу в виде еловых веток», ориентированных вдоль бывших сплющенных зерен аустенита. Участки, примыкающие к центру сечения, состоят из феррито-перлито-бейнитной ультромелкозернистой смеси с сильно фрагментированными зернами феррита и очень тонкими пластинами перлита и бейнита. При этом у листов толщиной до 50 мм из стали с содержанием 0,15 % С, класса прочности 345 (ГОСТ 19281-89) и С345 (ГОСТ 27772-88), предел текучести и временное сопротивление увеличиваются на 55-60 и 68-70 Н/мм2 соответственно, и они могут быть уверенно переведены в класс прочности 390 (С390 Т) без дополнительного легирования и увеличения содержания углерода; у такой стали ударная вязкость при температуре -40° С на образцах с острым надрезом не менее 200 Дж/см2; а условный порог хладноломкости (Т50) располагается ниже —100° С.
Значительно позже, чем в России, в США (совместно с Германией) и в Японии разработаны оборудование и технологический процесс термического упрочнения магистральных труб диам. 400-2500 мм с толщиной стенки до 40 мм, а также высокопрочных профильных труб строительного сортамента (в том числе круглого сечения диам. 270 мм). Нагрев труб под закалку и отпуск производят токами высокой частоты. Наружную и внутреннюю поверхности труб охлаждают с высокими скоростями устройствами спрейерного типа. Организовано производство труб с толщиной стенки 9,5 и 12,5 мм двух категорий прочности с пределом текучести 550 и 720 Н/мм2, временным сопротивлением 650 и 800 Н/мм2 и относительным удлинением 27,5%.
Ускоренный нагрев в печи до температуры аустенитизации на 30-50° С выше температуры АС3, выдержка при этой температуре, охлаждение с закалочными скоростями (более 60° С/с) до температуры охлаждающей среды и последующий, как правило, ускоренный высокотемпературный отпуск при 580-680° С.
Термоупрочнение в потоке толстолистовых, сортовых и универсальных станов, предусматривающее после окончания прокатки при 920-960° С охлаждение с закалочными скоростями до 600-680° С (прерванная закалка), далее самоотпуск. Если охлаждение в процессе закалки произведено до температуры окружающей среды, то последующий отпуск осуществляют в подовых или роликовых нормализационных печах при 580-680° С.
Упрочнение в потоке непрерывных широкополосных, толстолистовых и универсальных станов, предусматривающее после прокатки с регулируемыми параметрами ускоренное (7-30° С/с) охлаждение до температуры 550-620° С. При этой температуре полосы сматывают в рулон, а дальнейшее охлаждение толстолистового или универсального проката осуществляют на рольганге на открытом воздухе или в стопах. Этот процесс получил название деформационно-термическое упрочнение (ДТУ).
Для термического упрочнения электросварных труб (Волжский трубный завод) диам. до 1420 мм их нагревают по форсированному режиму в проходных печах; охлаждают трубы только с наружной стороны спрейерным устройством, обеспечивающим скорость охлаждения в центральных слоях стенки трубы до 60° С/с. Кратковременный отпуск труб производится при температурах 630-670° С.
Рассмотрим для сопоставления некоторые данные авторов по термическому упрочнению и нормализации малоуглеродистой стали после аустенитизации с отдельного нагрева.
Отличие механических свойств термически упрочненных малоуглеродистых сталей типа СтЗ, ускоренно охлажденных после аустенитизации, по сравнению с низколегированными сталями феррито-перлитного класса, прежде всего связаны с более высоким содержанием Мn и Si в последних.
Хорошо известно, что для термического упрочнения низколегированных сталей среднетемпературный отпуск нерационален, а высокотемпературный — приводит к оптимальному сочетанию механических свойств; при этом на диаграммах σ—ε появляются площадки текучести, что свидетельствует о протекании четвертого превращения при отпуске закаленной низколегированной стали с мартенситной или промежуточной структурой.
Изменение микроструктуры и основных механических свойств сталей массового назначения подробно описано в работе, где достаточно четко обоснована необходимость применения высокотемпературного отпуска для обеспечения комплекса высоких эксплуатационных свойств в прокате из этих сталей, охлажденном в воде после аустенитизации с отдельного нагрева.
Несколько иная, более сложная, картина наблюдается при термическом упрочнении проката из малоуглеродистых сталей. При отпуске этих сталей их свойства изменяются плавно и относительно в небольшом интервале значения. Даже непосредственно после охлаждения в воде диаграмма σ—ε такого материала имеет площадку текучести, поскольку в прокате доминируют структуры, сформировавшиеся при превращении аустенита по рекристаллизационному механизму. Однако имеются и участки с промежуточными структурами (игольчатый феррит и отчасти верхний бейнит), в результате распада которых при отпуске и происходит наблюдаемое изменение механических свойств.
Повысить прочность и хладостойкость листов при приемлемых затрат; к можно, применяя термическое упрочнение стали непосредственно с прокатного нагрева.
И ряде случаев на металлургических заводах при производстве сталей с феррито-перлитной структурой как в России, так и за рубежом проводят нормализацию — термическую обработку, заключающуюся в нагреве выше температуры АС3, выдержке и охлаждении проката на воздухе. Применительно к малоуглеродистым сталям типа СтЗ, а также к низколегированным сталям феррито-перлитного класса (09Г2С, 17Г1С и т.п.), нормализация используется для получения высокой для данной группы сталей ударной вязкости при отрицательных температурах. Прочность проката при этом изменяется мало. Например, согласно немецкому стандарту DIN 17100, толстые листы из малоуглеродистых сталей марок St 37-3 и St 44-3, и низколегированной St 52-3 (аналог стали 17Г1С) — только в нормализованном состоянии поставляются с гарантиями по ударной вязкости на продольных образцах KCV-20 ≥ 34 Дж/см2. Этот металл специально раскисляют алюминием и титаном, дисперсные частицы (нитриды и карбонитриды) которых обеспечивают в нормализованном прокате относительно мелкое зерно. В нашей стране малоуглеродистые стали подвергают нормализации редко. Поставка же низколегированных сталей с ат = 315...375 Н/мм2 в нормализованном состоянии предусмотрена всеми основными стандартами.
Нормализацию как обязательную термическую обработку используют для сталей, микролегированных карбонитридами ванадия — 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФпс, 15Г2АФДпс и т.п. Дисперсные частицы карбонитридов ванадия играют двоякую роль: измельчают аустенитное зерно при нагреве и упрочняют сталь, выделяясь в феррите при охлаждении. Эти стали описаны в литературе достаточно полно, например.
Были разработаны схемы термической обработки, предусматривающие упрочнение при охлаждении из межкритического интервала температур. При предложенных схемах без совмещения температурных воздействий с пластической деформацией сталь нагревают (или подстуживают) до температур, соответствующих двухфазной (α + γ)-области, выдерживают в течении определенного времени и охлаждают с различными скоростями. Ферритные структуры при температурах двухфазной области переходят в феррито-аустенитные, а количество аустенита возрастает по мере увеличения выдержки и температуры.
При температурах, несколько превышающих AC3, содержание углерода в аустените может достичь 0,5-0,6 %, но относительная доля аустенита невелика. С повышением температуры содержание углерода в аустените уменьшается, а его относительная доля увеличивается. При последующем охлаждении с достаточно высокими скоростями образуется микроструктура, состоящая из феррито-мартенситной смеси. В реальных условиях охлаждения наблюдаются комбинации из вышеперечисленных продуктов распада аустенита.
После нагрева до температур двухфазной области (765° С) и охлаждения в воде структура состоит из ферритных зерен и участков пакетного и двойникованного мартенсита. Размер пакетов мартенсита 1,5-2 мкм, зерна феррита — 4-5 мкм. В ферритных зернах наблюдается высокая плотность дислокаций.
Оптимальные свойства проката получаются при содержании в структуре 10—15% мартенсита.
Описанную выше схему упрочнения можно реализовать в потоке прокатного стана с использованием тепла прокатного нагрева, подстуживая металл до необходимой температуры и осуществляя затем выдержку в изотермических условиях, или с отдельного нагрева в специальной печи. Разумеется высокий комплекс механических свойств упрочненный по этой схеме прокат приобретет лишь после высокотемпературного отпуска.
Авторов монографии достаточно давно интересовали процессы термического упрочнения массовых сталей в потоке станов, поскольку при такой обработке ускоренное охлаждение проката осуществляется после окончания горячей прокатки. Такая обработка в экономическом отношении Существенно эффективнее закалки со специального печного нагрева. На первых этапах исследований горячую прокатку проводили при обычных режимах, температура конца прокатки была выше температуры нормализации, т.е. 920° С для сталей типа СтЗ и 09Г2С. Однако даже при обжатиях в чистовой клети на ~50 % в этих условиях не получили прокат с более высокими механическими свойствами, чем при обычном термическом упрочнении с отдельного нагрева. Поэтому преимущество упрочнения с прокатного нагрева в этом случае было чисто экономическим.
Гораздо более эффективной упрочняющей обработкой оказался метол прерванной закалки. В общих чертах схема обработки по этому методу описана в работе: прокатка по обычным режимам (с обеспечением температуры конца прокатки не ниже 900-840° С), быстрое охлаждение водой до феднемассовой температуры не выше 580-680° С и последующий отпуск за счет тепла, аккумулированного во внутренних слоях металла (т. е. самоотпуск).
Примером эффективного использования подобных технологий является упрочнение толстых листов, а также фасонных профилей. Необходимо было получить толстые листы 12-30 мм из малоуглеродистой стали повышенной прочности в сочетании с высокими эксплуатационными свойствами. Принципиальные пути достижения таких свойств в промышленных условиях с использованием тепла прокатного нагрева при интенсивном водяном охлаждении были представлены в работах. Были созданы, эксплуатировались и совершенствовались промышленные установки для осуществления метода прерванной закалки (например, в потоке стана 3600 комбината «Азовсталь»), расположенные за чистовой клетью на отводящем рольганге. Такая установка ванного типа подробно описана в работе.
Установка для двухстороннего охлаждения ламинарными потоками воды горизонтально расположенных, движущихся со скоростью 0,5— 3,5 м/с листов толщиной 12...30 мм позволяет проводить ускоренное охлаждение после горячей прокатки листов со скоростью 7...30° С/с.
Действующий на стане 3600 технологический процесс термического упрочнения включает транспортировку листов после прокатки из чистовой клети к установке охлаждения, прерванное охлаждение до заданной температуры в процессе перемещения листов через установку и ускоренный отпуск при 600° С в нормализационных печах.
Проведены работы по реализации процессов термического упрочнения фасонных профилей — уголков, швеллеров, балок. Созданы установки в потоке сортовых станов на комбинатах Западно-Сибирском, Алчевском и «Азовсталь». При реализации такой схемы упрочнения были преодолены многие технологические трудности, характерные для массового производства. Прежде всего — регулирование температурно-деформационных режимов на заключительной стадии прокатки, предопределяющих конечную микроструктуру и свойства изделий; организация принудительного охлаждения; разработка надежных охлаждающих устройств и размещение их в линии действующих прокатных станов; вопросы дополнительного нагрева при отпуске и, наконец, сохранение заданных геометрических параметров профилей, их правка и резка. Но основная трудность, возникшая при освоении процесса термического упрочнения при массовом производстве, была связана с необходимостью охлаждения проката с высокой скоростью, чтобы не снижать производительность прокатного стана.
Прочность стали при отпуске зависит от максимальной температуры нагрева и может регулироваться продолжительностью и интенсивностью быстрого охлаждения.
Охлаждающее устройство камерного типа длиной 8 м размещено в линии стана на участке между последней чистовой клетью и летучими ножницами. Охлаждение проката по периметру осуществляют турбулентным потоком воды, поступающим через нагнетающую форсунку, при избыточном статическом давлении 0,08-0,18 МПа. Наряду с этим осуществляли избирательное охлаждение массивной части сечения, например у уголков — вершины уголка с прилегающими участками полок, что устраняет влияние несимметричности проката в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Расход воды для термического упрочнения 1200-2100 м3/ч, ее температура — 20...30° С. Для водоснабжения установки предусмотрена насосная станция с системой очистки и охлаждения воды.
