УДК 669.14.018.29
освоение производства на стане 5000 оао «ммк» толстолистового проката из низколегированных сталей с повышенными характеристиками прочности и хладостойкости
©Настич Сергей Юрьевич, канд. техн. наук; Морозов Юрий Дмитриевич, канд. техн. наук; Матросов Максим Юрьевич, канд. техн. наук
ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». Россия, Москва. E-mail: morozov@chermet.net
Денисов Сергей Владимирович, д-р техн. наук; Галкин Виталий Владимирович;
Стеканов Павел Александрович
ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Россия. i-mail: denisov@mmk.ru Статья поступила 06.09.2011 г.
Представлены результаты разработки и внедрения в производство на новом стане 5000 ОАО «ММК» толстолистового проката из низколегированных сталей с повышенными характеристиками прочности (стт > 500 Н/мм2 и стт > 570 Н/мм2), ударной вязкости (КСУ-40 > 200^270 Дж/см2) и хладостойкости. Исследованы особенности структурообразования в прокате большой толщины в ходе контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Выявлено влияние величины обжатий в последних проходах черновой стадии прокатки на хладостойкость проката при ИПГ. С применением просвечивающей электронной микроскопии показано, что оптимальный комплекс свойств высокопрочного проката достигается при формировании дисперсной ферритно-бейнитной микроструктуры стали, основными структурными составляющими которой являются квазиполигональный и игольчатый ферриты.
Ключевые слова: высокопрочная низколегированная сталь; толстолистовой прокат; микролегирование; микроструктура; игольчатый феррит; контролируемая прокатка; ускоренное охлаждение; свариваемость.
Направлением развития низколегированных высокопрочных сталей, используемых для широкого спектра сварных конструкций, является повышение прочностных показателей, ударной вязкости и хладостойкости металла при одновременном улучшении свариваемости стали [1, 2]. При этом возрастает потребность в прокате повышенной толщины, предназначенном для труб с высоким рабочим давлением и сварных конструкций. Надежность сварных конструкций, по современным представлениям, основывается на торможении протяженных вязких разрушений, для чего необходимо значительное увеличение ударной вязкости основного металла конструкций, в особенности при температурах в области верхнего порога хладноломкости [3]. Сопротивляемость труб большого диаметра протяженным хрупким разрушениям гарантируется в случае положительных результатов при испытании падающим грузом (ИПГ) с обеспечением не менее 85% вязкой составляющей (В) в изломе полнотол-щинного образца [1, 4]. Необходимым условием расширения применения в сварных конструкциях проката из высокопрочных низколегированных сталей является обеспечение высоких характеристик механических свойств по толщине (^-свойства), в особенности величины относительного сужения образцов (^2). Эта задача реша-
ется путем выплавки чистой по неметаллическим включениям (НВ) стали и получения равномерной дисперсной микроструктуры проката [2]. В табл. 1 приведены современные требования по уровню механических свойств, предъявляемые к толстолистовому прокату.
Необходимое для толстолистового проката сочетание прочностных и вязкопластических характеристик в современной металлургической практике достигается благодаря формированию ферритно-бейнитной микроструктуры проката с малым размером зерна (элемента матрицы) и повышенной плотностью дислокаций [1, 4]. Стали с ферритно-бейнитной микроструктурой, как правило, характеризуются диаграммой растяжения с уменьшенной длиной площадки текучести, что может использоваться для повышения деформационной способности металлоконструкций и для снижения негативного влияния эффекта Баушин-гера при формовке труб. Ферритно-бейнитная микроструктура стали может быть получена при обеспечении переохлаждения аустенита: введе- ^ нием в сталь элементов, повышающих устойчи- 7 вость аустенита (Мо, Сг, N1, Си), либо при исполь- ^ зовании ускоренного охлаждения (УО) проката, . при этом наилучшие результаты достигаются при £ комбинированном использовании обоих подхо- 5 дов [4, 5]. 2
Таблица 1. Требования по механическим свойствам толстолистового проката из низколегированных сталей*
Класс прочности Рабочее давление в системе, МПа ов, Н/мм2, не менее от, Н/мм2, не менее От/Ов, не более Ударная вязкость КСУ, Дж/см2, не менее В (ИПГ-20), %, не менее С не более (формула МИС) Р х ст не более
К60 7,4 590 500 0,90 98 (-20 °С) 80 0,43 0,23
К60 8,2 590 500 0,90 108(-20 °С) 80 0,43 0,23
К60 11,8 590 500 0,90 154(-20 °С) 90 0,43 0,23
К65 11,8 640 570 0,92 270 (-40 °С) 90 0,45 0,23
485 ББ < 24,5 570-740 (1, ||)** 500-605 0,91 134(-10°С) 90 - 0,22
* Испытания на поперечных образцах. "Испытания на растяжение проката категории 485 ББ в продольном (1) и поперечном (||) направлениях.
Технология контролируемой прокатки с последующим ускоренным охлаждением (КП+УО) предусматривает последовательное измельчение элементов микроструктуры стали на всех стадиях процесса. В черновой стадии КП происходит интенсивное измельчение зерна аусте-нита при его многократной полной рекристаллизации. Поскольку возможности измельчения зерна при рекристаллизации ограничены, то создание повышенной плотности дефектов кристаллического строения, являющихся местами зарождения а-фазы при превращении (увеличение эффективной поверхности аустенита - 5„эфф), обеспечивается путем значительной суммарной деформации (как правило, не менее 70%) нере-кристализованного аустенита в чистовой стадии прокатки [4-6]. УО обеспечивает значительное переохлаждение аустенита, в результате чего при у^-а-превращении увеличивается скорость зарождения новых зерен и, как следствие, ограничивается рост зерна. При фазовом превращении переохлажденного аустенита происходит формирование дисперсных продуктов по сдвиговому механизму превращения вместо продуктов перлитного превращения [1, 4, 6].
Низколегированная сталь, предназначенная для реализации всех технологических возможностей процесса КП+УО с целью формирования мелкозернистой ферритно-бейнитной микроструктуры, должна иметь пониженное содержание углерода (0,04-0,07%), относительно высокое содержание марганца (1,4-1,8%), добавки элементов, повышающих устойчивость аустенита (Мо, ^ Сг, N1, Си в разных сочетаниях) и комплексное 7 микролегирование (№+11 (+У)) < 0,15% [4, 5]. ^ Пониженное содержание углерода обеспечивает . перевод ниобия в твердый раствор при нагреве £ слябов под прокатку, что необходимо для расши-5 рения области отсутствия рекристаллизации аус-г тенита и, соответственно, проработки структуры
стали, а также способствует улучшению ударной вязкости и свариваемости стали. Часть ниобия, не выделившаяся при прокатке в аустенитной области, остается в твердом растворе и повышает устойчивость аустенита при у^а-превращении, что также способствует формированию феррит-но-бейнитной микроструктуры [4, 6]. Пониженное содержание углерода и высокая чистота стали по вредным примесям (Б < 0,003%, Р < 0,010%) обеспечивают хорошую хладостойкость и свариваемость металла.
Технология КП+УО для производства хладостойкого проката большой толщины (25 мм и более) имеет особенности, главными из которых являются технологические затруднения с осуществлением деформации металла значительной толщины с высокими частными обжатиями, а также наличие градиента температур при УО с их последующим перераспределением по сечению листов. Учитывая отмеченные особенности структурообразования в толстолистовом металле, прокатное оборудование должно иметь высокие энергосиловые параметры (момент прокатки, максимальное усилие прокатки и др.), установка УО - обеспечивать высокие скорости охлаждения и возможность реализации гибких стратегий УО, а автоматизированные системы управления -воспроизводимость технологического процесса с минимальными отклонениями.
С целью удовлетворения растущих потребностей в толстолистовом широкоформатном прокате в ОАО «ММК» в 2009 г. был построен и введен в эксплуатацию новый металлургический комплекс, состоящий из МНЛЗ-6 и толстолистового стана (ТЛС) 5000. На МНЛЗ-6 производят слябы толщиной до 300 мм включительно с использованием системы «мягкого обжатия», что позволяет получать заготовку с пониженной осевой сегрегацией для проката большой толщины. ТЛС 5000 имеет энергосиловые характеристики,
позволяющие в полной мере реализовывать процесс КП+УО с использованием больших суммарных и частных обжатий (максимальный крутящий момент при прокатке 2x3,82 МН-м; максимально допустимое усилие прокатки 120 МН). Установка ускоренного охлаждения (УУО) стана имеет в своем составе секции спреерного (интенсивного) и ламинарного охлаждения, что позволяет осуществлять различные стратегии УО проката в широком диапазоне температур и скоростей охлаждения.
Разработка составов стали, технологии ее производства и последующее освоение производства на стане 5000 толстолистового проката наиболее массового сортамента с пределом текучести не менее 500 Н/мм2 (класса прочности К60 (Х70)) осуществлялись в тесном сотрудничестве специалистами ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» и ОАО «ММК». Разработка технологии и опробование производства толстолистового проката с пределом текучести не менее 570 Н/мм2 (класса прочности К65 (Х80)) выполнялись совместно с ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».
В основу технологических решений были положены результаты лабораторной проработки структурообразования в низколегированной стали с пределом текучести не менее 500 Н/мм2 при КП+УО с использованием деформационного дилатометра (БЛИИ-805) и лабораторного стана
дуо 300. На первом этапе исследований изучали фазовые превращения в низколегированных модельных сталях с пониженным содержанием углерода и добавками N1, Си, Мо путем имитации режимов КП+УО на деформационном дилатометре. Использовали цилиндрические образцы диам. 5 м и длиной 10 мм. Термокинетическая диаграмма (ТКД) превращения аустенита в модельной стали типа Х70 с добавкой М+Си и повышенным содержанием № (рис. 1) показывает, что формирование бейнитной составляющей в микроструктуре подобной стали возможно в широком диапазоне скоростей охлажде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.