Способ производства рулонов горячекатаной трубной стали

Способ производства рулонов горячекатаной трубной стали

Реферат

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных полос, предназначенных для производства электросварных нефте-, газо- и водопроводных термически обработанных труб.

Известен способ горячей прокатки полос, включающий горячую прокатку полос на широкополосном стане с межклетевым охлаждением и охлаждением полос водой на отводящем рольганге перед последующей смоткой в рулон (см., например, Технология прокатного производства. В 2-х книгах. Кн.2. Справочник: Беняковский М.А., Богоявленский К.Н., Виткин А.И. и др. М.: Металлургия, 1991. - С.542, Пат. РФ №2037536, БИ №17, 1995 г., Пат. РФ №2223833, БИ №5, 2004 г.).

Недостатками известных способов является сложность обеспечения требуемого уровня механических свойств, а также невозможность формирования монотонного состава окалины для широких толстых полос из трубных марок стали.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту по совокупности признаков является способ производства рулонов горячекатаной трубной стали, включающий горячую прокатку металла в черновой и чистовой группах клетей, последующее охлаждение полосы водой на отводящем рольганге с последующей смоткой ее в рулон. При этом на отводящем рольганге применяют дифференцированное охлаждение поверхности полосы. Температуру полосы перед смоткой устанавливают в интервале 500-700°С (см. Патент РФ №2186641, БИ №22, 2002 г.).

Недостаток известного способа заключается в отсутствии регламентации температурно-скоростных параметров прокатки в черновой и чистовой группах клетей, охлаждения и смотки проката, в результате чего возникает значительная неоднородность состава окалины как по ширине полосы, так и по ее длине, что в наибольшей степени проявляется при производстве горячекатаных широких полос значительной толщины.

Задача заявляемого изобретения состоит в обеспечении в процессе горячей прокатки на широкополосном стане полос, предназначенных для производства электросварных труб, условий для формирования при требуемом уровне механических свойств монотонного состава окалины на поверхности полос, исключающего искривление труб в процессе их последующей термообработки.

Техническая задача решается регламентацией температурного режима прокатки в черновой и чистовой группах клетей стана, а также температурно-скоростных параметров при охлаждении горячей полосы на отводящем рольганге и смотки ее в рулон, что позволяет обеспечить требуемый монотонный состав окалины на поверхности полосы.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства рулонов горячекатаной трубной стали, преимущественно с содержанием углерода 0,17-0,20% и толщиной 5-14 мм, включающем прокатку металла в черновой и чистовой непрерывной группах клетей широкополосного стана, дифференцированное охлаждение полосы водой сверху и снизу секциями душирующего устройства на отводящем рольганге с последующей смоткой в рулон, согласно изобретению температуру раската в последнем проходе черновой группы клетей стана поддерживают не более 1080°С, в зависимости от конечной толщины полосы прокатку в двух последних проходах чистовой группы стана ведут с суммарным относительным обжатием 25-39%, при этом температуру конца прокатки полосы в чистовой группе поддерживают в диапазоне 790-875°С, после чего осуществляют охлаждение проката на отводящем рольганге, причем соотношение количества подаваемой охлаждающей воды на поверхность полосы снизу и воды, подаваемой сверху, устанавливают не менее 2:1, а температуру полосы перед ее смоткой поддерживают в диапазоне 500-570°С, причем намотку переднего конца полосы на барабан моталки осуществляют на заправочной скорости 135-360 м/мин с последующим ее ускорением не более 0,04 м/с². Кроме того, для полосы толщиной 5-9 мм температуру конца прокатки полосы в чистовой группе поддерживают в диапазоне 845-875°С, а температуру полосы перед ее смоткой поддерживают в диапазоне 530-570°С, причем намотку переднего конца полосы на барабан моталки осуществляют на заправочной скорости 260-360 м/мин, а для полосы толщиной 10-14 мм температуру конца прокатки полосы в чистовой группе поддерживают в диапазоне 790-840°С, при этом температуру полосы перед ее смоткой поддерживают в диапазоне 500-540°С, причем намотку переднего конца полосы на барабан моталки осуществляют на заправочной скорости 135-235 м/мин.

В заявляемом техническом решении отличительный признак, характеризующий температуру конца прокатки в черновой группе клетей (не более 1080°С), связан со следующим.

При высоких температурах (1050-1080°С) в микроструктуре раската для выбранных марок стали происходит незначительный рост зерна. При более высоких температурах (выше 1080°С) наступает бурный рост зерна аустенита (см. Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990). То есть при более высоких температурах будут созданы условия для формирования крупного зерна (7-9 баллов вместо требуемых 10-11 баллов). В результате в готовой горячекатаной полосе не будет обеспечен требуемый уровень механических свойств - прочностных, пластических и вязких. Столь высокая температура конца прокатки в черновой группе клетей в известных технических решениях не обнаружена.

Отличительный признак, характеризующий проведение процесса прокатки в двух последних проходах чистовой группы стана в зависимости от конечной толщины горячекатаной полосы с одновременной регламентацией величины суммарного относительного обжатия 25-39% при температуре конца прокатки в диапазоне 790-875°С, в известных технических решениях не обнаружен.

В заявляемом изобретении такая совокупность признаков направлена на возможность обеспечения в горячекатаном подкате, предназначенном для производства электросварных труб, требуемого уровня механических свойств. Как известно (см. Технология прокатного производства. В 2-х книгах. Кн.2. Справочник: Беняковский М.А., Богоявленский К.Н., Виткин А.И. и др. М.: Металлургия, 1991), конечная величина зерна феррита зависит от величины зерна аустенита на момент окончания горячей прокатки. Зерно феррита в готовом прокате тем мельче, чем меньше величина аустенитного зерна в полосе на момент окончания горячей прокатки. Величина и форма аустенитного зерна зависит от скорости рекристаллизации при прокатке, которая, в свою очередь, зависит от суммарной деформации в чистовой группе клетей стана, а именно от величины деформации в последних чистовых проходах (критическая деформация), а также от скорости и температуры прокатки в чистовой группе. Величина аустенитного зерна уменьшается с увеличением суммарной деформации в чистовой группе стана. Для обеспечения требуемых механических свойств температуру конца прокатки необходимо принимать такой, чтобы обеспечить формирование микроструктуры в однофазной (аустенитной) области кристаллизации стали. Как известно (см. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986. - 544 с.), при высоких температурах идут процессы собирательной и вторичной рекристаллизации, в результате чего в структуре металла образуется крупное зерно. Мелкозернистая структура, обеспечивающая требуемый комплекс механических свойств, образуется при первичной рекристаллизации (0,4-0,5) температуры плавления. Для выбранных марок стали температура конца прокатки, таким образом, должна быть в диапазоне 790-875°С.

В заявляемом способе производства горячекатаных полос диапазон величины относительного обжатия (ε≈25-39%) выбран, с одной стороны, из условия формирования равнобального зерна в микроструктуре подката толщиной 5-14 мм, что будет влиять на механические свойства горячекатаного подката. А, с другой стороны, уровень суммарного относительного обжатия в двух последних чистовых проходах стана выбран из условия формирования качественной геометрии подката. При больших обжатиях в профиле поперечного сечения широкого подката образуется нарушение плоскостности и значительная разнотолщинность.

Отличительный признак, характеризующий температурный интервал смотки в интервале 500-700°С, известен (см., например, прототип - Патент РФ №2186641, БИ №22, 2002 г.). Однако в известных технических решениях температурный интервал расширен. Температурный интервал смотки определяется требованиями получения равномерного равноосного зерна феррита. В заявляемом же способе расширение температурного интервала до известного уровня недопустимо, и поэтому он сужен. Температура смотки для выбранных согласно заявляемому способу марок стали должна быть не более температуры 570°С. При температуре смотки выше указанной образуется крупнозернистая структура с неравномерным зерном, включая крупное.

Кроме того, необходимо отметить следующее. Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является формирование равномерного монотонного состава окалины, что исключит в дальнейшем искривление труб, получаемых из горячекатаной полосы по заявляемому способу, при их термообработке.

Как известно (см. М.А.Беняковский, В.А.Мазур, В.Н.Мелешко. Производство автомобильного листа. М.: Металлургия, 1979), нагрев слябов под прокатку сопровождается окислением их поверхности - образованием печной окалины. При прокатке полос их поверхность покрывается воздушной окалиной. После завершения прокатки, когда полоса свернута в рулон, процесс нарастания окалины продолжается, хотя и с убывающей скоростью по мере остывания металла. Скорость и степень удаления печной и воздушной окалины на линии стана гидросбивом зависит от фазового состава, структуры, количества и толщины слоя окислов на поверхности проката.

Процесс окисления стали слагается из диффузии кислорода к поверхности раздела фаз, адсорбции его на этой границе, диффузии реагирующих веществ через слой уже образовавшейся окалины и кристаллохимических превращений, вызывающих изменение состава и структуры твердых фаз. При высоких температурах, обычных для нагрева слябов в методических печах, диффузия через окалину и кристаллохимические превращения целиком определяет скорость всего процесса окисления металла.

Железо с кислородом при температурах, характерных для условий нагрева слябов, образует три окисла: закись железа FeO (вюстит), закись-окись железа Fe₃O₄ (магнетит) и окись железа Fe₂О₃ (гематит).

Указанные окислы образуют собственно окалину на поверхности металла. При этом вюстит является внутренним слоем окалины, магнетит - средним, а гематит - наружным. Такой порядок расположения слоев согласуется с диаграммой состояния железо - кислород, которая содержит соответствующие гомогенные области, расположенные последовательно увеличению кислорода в окисле.

Слои окалины различаются по внешнему виду. Вюстит - черный, сравнительно пористый, структура излома мелкокристаллическая, легко разделяется на две части. Граница между этими частями (подслоями внутреннего слоя) воспроизводит исходную поверхность окисленного металла. Магнетит - черный, плотный, структура излома кристаллическая. Гематит - черный, темно-синий или кирпично-красный, отличается большими плотностью и твердостью, структура излома стекловидная. Железо относится к группе металлов, у которых объем окисла (высшего окисла) превышает объем прореагировавшего вещества. Следовательно, в процессе образования окалины во внутренних слоях ее возникают напряжения сжатия, а в наружных - растяжения. Напряжения эти будут способствовать, с одной стороны, созданию плотного слоя окисла (главным образом магнетита), надежно отделяющего газовую среду от металла, а с другой, - образованию трещин на наружной поверхности окалины, ускоряющих окисление. Преимущественное развитие первого или второго процесса будет зависеть от конкретных условий окисления металла: длительности окисления, температуры металла, состава окислительной среды, химического состава металла и др.

Загрязнение железа примесями уменьшает скорость его окисления вследствие уменьшения ионами окислов элементов, присутствующих в твердом растворе железа, концентрации вакансий в катионной подрешетке вюстита, образованной Fe. В соответствии с этим возникают дополнительные препятствия для диффузии ионов железа навстречу потоку атомов кислорода и, следовательно, образования окислов. Так, в стали нагрева до 1100°С обнаружено в два раза меньше окалины, чем на в техническом железе.

Своеобразный характер окисления воздухом полос, свернутых в рулоны, определяет не только различную толщину окалины, но и различный фазовый состав ее. На поверхности участков полос, к которым достаточно свободно проникал воздух, возникает, как правило, высший окисел - гематит, о чем свидетельствует иссиня-черный цвет окалины на кромках и концах полос. То есть состав окалины в процессе производства горячекатаной полосы в традиционных процессах не монотонный.

Появление жидкой фазы в окалине увеличивает в несколько раз скорость диффузии ионов железа. Это вызывает энергичное окисление соответствующих участков поверхности металла, на которых обнаруживаются глубокие оспины, заполненные окислами, которые объединяются с окалиной на поверхности металла в единый конгломерат. В результате увеличивается поверхность контакта между металлом и окалиной. Удаление ее с поверхности металла встречает в данном случае значительные затруднения.

Очевидно, что отвод тепла с поверхности полосы осуществляется через торцевые участки (начало и конец рулона) и кромки. В результате тепловой профиль полосы при охлаждении будет не равномерный. Это способствует значительному перепаду состава формируемой вторичной окалины на поверхности полосы в процессе прокатки в чистовой группе стана, транспортировке ее по отводящему рольгангу и в смотки полосы в рулон. Поэтому полоса толщиной 5-14 мм, имеющая температуру в конце прокатки в интервале 790-875°С при незначительной скорости намотки (135-360 м/мин) с последующим незначительным ускорением (не более 0,04 м/с²) и принудительном охлаждении на большой длине, будет иметь температуру при смотке в диапазоне 500-570°С. Такие условия проведения процесса будут способствовать выравниванию при смотке скорости окисления как центральной части формируемого рулона, так и на торцевых участках. Соответственно, на поверхности полосы будет формироваться равномерный гомогенный слой окалины. Так как отвод тепла идет от кромок, как указывалось выше, то на концах полосы и на кромках температура может незначительно отличаться от центральной части рулона. Однако для толстой полосы (толщиной 10-14 мм) в рулоне будет аккумулировано достаточное количество тепла для выравнивания температуры по объему всего рулона. И таким образом, температура конца прокатки в диапазоне 790-840°С при охлаждении на отводящем рольганге и заправочная скорость намотки 135-235 м/с обеспечат усредненную по объему рулона температуру полосы в указанном интервале 500-540°С. Для тонкой полосы (толщиной 5-9 мм) заявляемые температурный интервал конца прокате (845-870°С) и скоростные параметры смотки (заправочная скорость намотки 260-360 м/с при максимальном ускорении не более 0,04 м/с²) также будут способствовать выравниванию температуры рулона при смотке полосы в интервале 540-570°С. Из указанных соображений формирования монотонного состава окалины при одновременном обеспечении заданного уровня механических свойств выбрана указанная совокупность признаков.

В известных технических решениях данная совокупность признаков не обнаружена.

Осуществление дифференцированного охлаждения проката на отводящем рольганге известно (см., например, Патент РФ №2186641, БИ №22, 2002 г.). Признак, характеризующий соотношение расхода воды при охлаждении полосы на отводящем рольганге, известен (см., например, Пат. РФ №1817714). Однако выбранный диапазон соотношения расхода воды снизу над расходом воды, подаваемой сверху 2:1, в известных технических решениях не обнаружен.

Этот признак позволяет уменьшить разницу в механических свойствах верхней и нижней поверхностей полосы. Вода, попадая на верхнюю поверхность полосы, стекая через кромки, обладает в 2 раза большей охлаждающей способностью за счет большего времени контакта полосы с водой по сравнению с нижней поверхностью. При большем соотношении с нижней поверхности будет происходить более интенсивное охлаждение, что приведет к появлению перепада механических свойств на верхней и нижней поверхностях полосы.

На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ горячей прокатки полос не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентноспособности "изобретательский уровень".

Пример осуществления способа.

На широкополосном стане 2000 горячей прокатки ОАО "ММК" по заявляемому способу были прокатаны полосы из стали марки 20 толщиной 6-14 мм шириной 1770 мм.

Слябы, нагретые до требуемой температуры 1200-1220°С, поступали на широкополосный стан 2000 горячей прокатки, имеющий в своем составе черновую непрерывную группу клетей, промежуточный рольганг, чистовой окалиноломатель, чистовую непрерывную группу клетей с устройствами межклетевого охлаждения, а также отводящий рольганг с охлаждающими секциями и две группы моталок, расположенные на различных расстояниях от последней клети стана. После прокатки в черновой группе клетей широкополосного стана раскат толщиной 35-40 мм, имеющий температуру 1040-1080°С, направлялся по промежуточному рольгангу в чистовую непрерывную группу клетей. Чистовая группа клетей стана имеет в своем составе семь рабочих клетей.

Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялась прокатка в чистовой группе клетей, охлаждение на отводящем рольганге и смотка полосы в рулон, представлены в таблице.

Таблица
Толщина готовой полосы, мм	Толщина раската, MM	Суммарное относит. обжатие в двух последних проходах,%	Температура конца прокатки, ТКП, °С	Заправочная скорость намотки, м/мин	Температура смотки, Тсм, °С
6	32	29,4	840-860	360	550-570
9	35	33,8	830-850	260	530-550
14	42	35,2	790-810	135	500-520

Скоростной режим прокатки выбирали с таким учетом, чтобы при суммарном относительном обжатии в двух последних чистовых проходах стана обеспечить температуру конца прокатки полосы в последнем чистовом проходе стана (в зависимости от конечной толщины) в диапазоне 790-840°С. После этого прокат по отводящему рольгангу направлялся к моталкам второй группы. Намотку переднего конца полосы на барабан моталки осуществляли на заправочной скорости (согласно таблице) с последующим незначительным ускорением (не более 0,04 м/с²). На отводящем рольганге осуществляли дифференцированное охлаждение поверхности полосы водой сверху и снизу секциями дущирующего устройства. При этом соотношение воды, подаваемой на поверхность полосы сверху и снизу, составляло 2:1.

Проведение процесса изготовления полосы по указанным режимам позволяет выравнить скорость окисления поверхности полосы как в центральной ее части, так и на торцевых участках. Это обеспечивает формирование монотонного состава окалины на поверхности полосы.

Кроме того, заявляемый технологический режим процесса горячей прокатки полосы обеспечивает получение требуемых механических свойств проката. Поверхность рулонной стали имеет однотонный цвет.

Заявляемая технология производства рулонов на примере горячей прокатки стали марки 20 позволяет получить следующие механические свойства: σ_в=430-475 МПа, σт=325-370 МПа, δ₅≈31-39%, ударная вязкость - KCU_-40 - 46-69,5 Дж/см². При этом, при проведении объемной термообработки труб, изготавливаемых из полосы, прокатанной по заявляемой технологии, случаев искривления труб в рабочем пространстве печи не наблюдалось.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.

Заявляемый способ может найти широкое применение на широкополосных станах горячей прокатки при производстве полос из трубных марок стали с требуемыми регламентируемыми физико-механическими свойствами горячекатаного проката, в частности с монотонным составом окалины на поверхности полосы, как по ширине, так и по ее длине.

Следовательно, заявляемый способ, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

1. Способ производства рулонов горячекатаной трубной стали преимущественно с содержанием углерода 0,17-0,20% и толщиной полосы 5-14 мм, включающий прокатку металла в черновой и чистовой непрерывной группах клетей широкополосного стана, дифференцированное охлаждение полосы водой сверху и снизу секциями душирующего устройства на отводящем рольганге с последующей смоткой в рулон, отличающийся тем, что температуру раската в последнем проходе черновой группы клетей стана поддерживают не более 1080°С, в зависимости от конечной толщины полосы прокатку в двух последних проходах чистовой группы стана ведут с суммарным относительным обжатием 25-39%, при этом температуру конца прокатки полосы в чистовой группе поддерживают в диапазоне 790-875°С, после чего осуществляют охлаждение проката на отводящем рольганге, причем соотношение количества подаваемой охлаждающей воды на поверхность полосы снизу и воды, подаваемой сверху, устанавливают не менее 2:1, а температуру полосы перед ее смоткой поддерживают в диапазоне 500-570°С, причем намотку переднего конца полосы на барабан моталки осуществляют на заправочной скорости 135-360 м/мин с последующим ее ускорением не более 0,04 м/с².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для полосы толщиной 5-9 мм температуру конца прокатки полосы в чистовой группе поддерживают в диапазоне 845-875°С, а температуру полосы перед ее смоткой поддерживают в диапазоне 530-570°С, причем намотку переднего конца полосы на барабан моталки осуществляют на заправочной скорости 260-360 м/мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для полосы толщиной 10-14 мм температуру конца прокатки полосы в чистовой группе поддерживают в диапазоне 790-840°С, а температуру полосы перед ее смоткой поддерживают в диапазоне 500-540°С, причем намотку переднего конца полосы на барабан моталки осуществляют на заправочной скорости 135-235 м/мин.