УДК 621.77:669.14.018.29:621.643
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСА К65-К70 (Х80-Х90) НА БАЗЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
© Круглова Александра Анатольевна, канд. техн. наук; Орлов Виктор Валерьевич, д-р техн. наук; Сыч Ольга Васильевна; Хлусова Елена Игоревна, д-р техн. наук
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». Россия, Санкт-Петербург. E-mail: victorm@crism.ru Статья поступила 15.10.2012 г.
Показано влияние температурной схемы деформации на чистовой стадии прокатки и режима охлаждения на морфологию и дисперсность структурных составляющих и комплекс прочностных характеристик трубной стали. На основании установленных с помощью имитационного моделирования на комплексе Gleeble 3800 количественных взаимосвязей структуры и свойств усовершенствованы химический состав и технологические режимы производства трубной стали. Представлены результаты изготовления опытно-промышленных партий листового проката классов прочности К65-К70 (Х80-Х90).
Ключевые слова: имитационное моделирование; комплекс Gleeble 3800; термомеханическая обработка; композиция легирования; чистовая стадия прокатки; температура окончания ускоренного охлаждения; скорость охлаждения; бейнит; феррит; субструктура; прочность; сопротивление хрупкому разрушению.
В 2007-2010 гг. применительно к оборудованию ЧерМК ОАО «Северсталь» была разработана технология производства листового проката для труб классов прочности К65 (Х80) - К80 (Х100) на базе стали марганцево-никелевой композиции легирования [1]. Полученный результат позволил обеспечить производство отечественного штрип-са и впервые обеспечить масштабное импорто-замещение высокотехнологичной продукции. В 2009 г. запущен комплекс оборудования стана 5000 в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Это оборудование нового поколения с высокой степенью автоматизации, требующее принципиально новых научных подходов и методов исследования при разработке технологических схем производства листового проката.
Принципы формирования структуры в промышленных условиях должны учитывать технические характеристики используемого оборудования (мощность прокатного стана, расположение дополнительного оборудования, тип ¡2 системы охлаждения, возможность компьютер™ ного управления параметрами процесса). При ™ этом ограничения по энергосиловым параметрам прокатки современных станов 5000 определяют £ требования к технологическому процессу:
- при высоком крутящем моменте на валках г (моменте прокатки) в сочетании с более низким
усилием прокатки проработка структуры должна быть обеспечена преимущественно на черновой стадии;
- при высоком усилии и лимитированном моменте прокатки проработка структуры металла наиболее интенсивно осуществляется на чистовой стадии.
Цель работы - выбор химического состава стали, температурно-деформационных параметров прокатки и условий охлаждения, позволяющий получить уникальное сочетание потребительских свойств трубных сталей в зависимости от технологических возможностей оборудования ОАО ММК.
Однако промышленные эксперименты становятся все более дорогостоящими. Комплекс С1ееЬ1е 3800 позволяет имитировать процессы термомеханической обработки (ТМО) стали. Варьирование ключевых параметров ТМО - кратности обжатий на чистовой и черновой стадиях, степени и температуры деформации при каждом проходе, скорости деформации, температуры и скорости охлаждения - позволяет совершенствовать химические составы и термодеформационные режимы прокатки и охлаждения низколегированной низкоуглеродистой стали классов прочности К65-К70 (Х80-Х90), обеспечивающие снижение себестоимости, повышение произво-
Таблица 1. Композиция легирования исследованных сталей при Сэ = 0,44
Вариант легирования стали Химический состав, мас. %
C Mn № & Mo Микролегирование
Состав № 1 0,06 1,70 До 0,20 До 0,20 + + ЫЬ+У+Т!
Состав № 2 До 0,40 - + + ЫЬ+И
1400 1200 я 1000 А
ер
о; =
800
600
а г0)
Н 400 200
0
1400 и 1200
£ 1000
^
Й 800 ср
о;
С 600 Н 400 200
1220 °С
1100 °С
1050°С 820 °С
15 "С/с
550 °С 500 °С 450 °С
200 400 600 800 1000 1200 1400 Время, с
50 °С/с 30 °С/с 20 °С/с 15 °С/с 10 °С/с
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 Время, с
Рис. 1. Схемы ТМО для определения оптимального режима охлаждения на комплексе Gleeble 3800 путем варьирования:
а - температуры окончания ускоренного охлаждения; б - скорости охлаждения
дительности и экономической эффективности производства. В связи с этим для достижения требуемых механических характеристик и мелкодисперсной структуры выбор химического состава и термодеформационных параметров чистовой стадии прокатки и ускоренного охлаждения (УО) высокопрочной трубной стали осуществлялся на основе имитационного моделирования процессов.
В качестве материала для исследования выбрана марганцевая трубная сталь двух базовых систем легирования с различным содержанием хрома, никеля и ванадия (табл. 1). Углеродный эквивалент рассчитан по формуле Сэ = С + Мп/6 + +(Сг+Мо+У)/5+(М+Си)/15.
Имитация процесса ТМО на комплексе С1ее-Ь1е 3800 проводилась на цилиндрических образ-
цах диам. 10 мм и высотой 15 мм при деформации сжатия. Для определения прочностных характеристик проводили испытания на сжатие цилиндрических образцов размерами 6x10 мм, вырезанных из деформированной заготовки. При этом предел текучести и временное сопротивление устанавливали расчетным путем, исходя из подобия истинных диаграмм деформирования при одноосном сжатии и растяжении.
Для выбора оптимальных режимов ТМО варьировали режим охлаждения и схему чистовой стадии прокатки (рис. 1 и 2). Температуру окончания УО изменяли в пределах 450-550 °С (см. рис. 1, а); скорость охлаждения 10-50 °С/с (см. рис. 1, б).
5 £
1400 1200 1000 : 800 600 400 200
0
1400 1200 1000 800 600 400 200
1220 °С
1100°С
1050 °С 820 °С
15 °С/с
200 400 600 800 1000 1200 1400 Время, с
15 "С/с
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 Время, с
1400 1200
и
°я 1000
8006004002000
,800 °С
15 "С/с
200 400 600 800 1000 1200 1400 Время, с
Рис. 2. Схемы ТМО для определения оптимального режима чистовой стадии прокатки на комплексе Gleeble 3800:
а - деформация по режиму № 1; б - деформация режиму № 2; в - деформация по режиму № 3
а
а
6
6
в
Для определения оптимальной схемы деформации опробовали три режима деформации на чистовой стадии: при постоянной температуре 820 °С (№ 1), по убывающему 840^800 °С (№ 2) и возрастающему 800^840 °С (№ 3) температурным графикам (см. рис. 2).
На основании исследований с помощью комплекса Gleeble 3800 провели промышленное опробование технологии изготовления листового проката классов прочности К65 (Х80) и К70 (Х90) по рекомендованным режимам.
Оценку механических свойств проводили в соответствии с требованиями стандарта ISO 3183-2007. Сопротивление металла хрупкому разрушению определяли по результатам испытания падающим грузом полнотолщинных проб при температуре испытания -20 °С с определением количества вязкой составляющей в изломе образцов для ИПГ по API 5L3 (В(ИПГ), %).
Исследование микроструктуры проведено методом оптической металлографии на шлифах после травления в 3%-ном спиртовом растворе HNO3 по ГОСТ 5640. Количественная оценка содержания феррита, гранулярного и реечного бейнита после различных режимов ТМО определялась с помощью анализатора изображений Thixomet и растрового электронного микроскопа Quanta 3D FEG методом автоматизированного анализа дифракционных картин обратного рассеяния электронов (EBSD-анализа), а именно анализа межфазных разориентировок.
Имитационное моделирование на комплексе Gleeble 3800. Формирование структуры с различным соотношением и дисперсностью структурных составляющих (полигонального феррита и бейнита гранулярной и реечной морфологии) при варьировании температуры окончания охлаждения, скорости охлаждения и схем деформации без изменения композиции легирования позволяет изменять комплекс прочностных и пластических характеристик, удовлетворяющий классам прочности сталей от Х70 (К60) до Х90 (К70).
Исследования позволили установить, что:
- для состава № 1 ств = 640-800 МПа, ат = 460-650 МПа;
- для состава № 2 0в = 680-800 МПа, 7 0т = 500-650 МПа.
Как известно, формирование в структуре из-• быточного феррита приводит к понижению проч-£ ности стали при повышении вязкости и пластич-5 ности, преобладание структур реечного типа s - к повышению прочностных характеристик при
одновременном понижении пластичности и сопротивления хрупкому разрушению в готовом листовом прокате [2-5]. Поэтому оптимальное сочетание механических характеристик достигается при формировании в листовом прокате из сталей класса прочности: К60 (Х70) - ферритно-бейнитной структуры с долей свободного феррита до 50%; для К65 (Х80) - ферритно-бейнитной структуры с бейнитом гранулярной морфологии и долей феррита до 25-30%; для К70 (Х90) - преимущественно бейнитной структуры реечной и гранулярной морфологии.
Выбор температуры окончания ускоренного охлаждения. Результаты определения предела текучести и временного сопротивления образцов после имитации ТМО с охлаждением до температур 450, 500 и 550 °С со скоростью 15 °С/с (см. рис. 1, а) представлены в табл. 2.
Повышение температуры окончания охлаждения приводит к увеличению количества свободного феррита и гранулярного бейнита (рис. 3). После охлаждения до температуры 550 °С в сталях обоих составов формируется ферритно-бейнитная структура. Формирование бейнита гранулярной морфологии и свободного феррита в количестве 30-40% в стали состава № 1 (см. рис. 3, в) способствует понижению значений ат до 460-470 МПа и ав до 640-650 МПа. В стали состава № 2 после охлаждения до 550 °С формируется смешанная структура с бейнитом гранулярной и реечной морфологии и долей свободного феррита порядка 20% (см. рис. 3, е), что не позволяет получить значений ат выше 520-530 МПа и ств выше 680-690 МПа.
Понижение температуры окончания охлаждения до 450 °С способствует формированию в стали состава № 1 неоднородной ферритно-бей-нитной структуры с крупными областями бейни-та реечной морфологии (см. рис. 3, а), при этом ат = 540-550 МПа и 0в = 750-760
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.