Способ получения стали для легких конструкций с высоким содержанием марганца

Способ получения стали для легких конструкций с высоким содержанием марганца

Реферат

Изобретение относится к способу и устройству для получения горячекатаной полосы из хорошо деформируемой при холодной прокатке, высокопрочной аустенитной стали для легких конструкций с повышенным содержанием марганца (Mn), алюминия (Al) и кремния (Si), а также обладающей TWIP-эффектом (пластичность, вызванная двойникованием кристаллической решетки), при этом сталь первоначально разливают на установке непрерывной разливки в бесконечную заготовку, которую делят на слябы и затем прокатывают до конечной толщины.

Аустенитные стали для легкий конструкций, обладающие TWIP-эффектом и применяемые для изготовления, например, корпусных элементов, корпусных элементов с элементами жесткости, в том числе криогенных емкостей и трубопроводов, согласно документу EP 0889144 B1 имеют следующий химический состав: 10-30% Mn, 1-6% Si, 1-8% Al (при этом сумма Al+Si меньше или равна 12%), и остаток Fe.

В документе DE 19900199 A1 описана высокопрочная сталь для легких конструкций, содержащая: 7-30% Mn, 1-10% Al, 0,7-4% Si, ≤10%Cr, ≤10% Ni, ≤3% Cu и ≤0,5% С, а также в качестве необязательных легирующих элементов N, V, Nb, Ti, P, при этом сталь обладает высокими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью, а также стойкостью к точечной коррозии под напряжением. Такая сталь разливается методом непрерывной разливки и затем подвергается горячей прокатке или непосредственно разливается в тонкую полосу конечных размеров.

Производство стали с высоким содержанием марганца благодаря целому ряду причин рассматривается в сегодняшнем уровне техники как сложное или невозможное. Названными причинами являются: сниженная прочность корочки при затвердевании заготовки, вызываемая сильной микросегрегацией марганца (опасность прорыва металла при Mn>15%), высокая прочность при низких температурах (перегрузка установок, проблема возникновения трещин), взаимодействие алюминия, содержащегося в стали, с литейным порошком (ограничение функции последнего), макросегрегация, усвоение водорода и/или кислорода при распылительном водяном охлаждении, увеличенное количество неметаллических включений, обогащение легирующими элементами кромки полосы, а также окисление по границам зерен при повторном нагреве слябов в методических печах.

В публикации Spitzer и др. «Innovative Stahlprodukte - Herausforderung für die Prozessentwicklung», Konfernz-Einzelbericht: Barbara 2001, стр.71-84, указано, что стали с повышенным содержанием марганца являются более сложными для разливки. С одной стороны, такие стали при высоких температурах после начала кристаллизации имеют низкую прочность, так как марганец при высоком содержании обогащает остаточный, незатвердевший расплав и снижает температуру плавления в междендритных областях. За счет этого возрастает склонность к прорыву металла, что согласно сегодняшнему уровню техники делает невозможной непрерывную разливку стали с содержанием марганца 15% и выше. С другой стороны, при низких температурах стали обладают очень высокой прочностью, так что при изгибе заготовки возникает перегрузка оборудования и повышается опасность возникновения трещин. Далее при содержании алюминия несколько процентов, как имеется в указанных сталях, возникает снижение плотности стали, взаимодействие с литейным порошком, что ухудшает его функционирование.

В другой публикации Gigacher и др. «Eigenschaften hochmanganhaltigen Stähle unter stranggiessähnlichen Bedingungen» ВНМ 149 (2004) Heft 3, стр.112-117 резюмируется, что при разливке подобных легированных сталей для получения TWIP-эффекта не является предпочтительным использование литейного порошка.

Существующая проблема при разливке сталей с высоким содержанием алюминия (более 1%) объясняется взаимодействием алюминия, содержащегося в стали, с оксидными компонентами литейного порошка. Вследствие восстановления оксида кремния, содержащегося в шлаке при разливке, алюминием, содержащимся в стали, образуется Al₂O₃, который ассимилируется шлаком, за счет чего повышается основность шлака (отношение СаО/SiO₂). Следствием является то, что вязкость и характеристики плавления шлака в кристаллизаторе существенно меняются. Исходя из названных проблем, ранее применялись различные способы производства сталей с TWIP-эффектом.

В документе WO 02/101109 A1 описан способ, согласно которому, за счет повышения концентрации углерода (С≤1%) и за счет присадки дополнительных легирующих элементов, таких как бор, и никель, медь, азот, ниобий, титан, ванадий, фосфор, достигается существенное снижение предела текучести и улучшение деформируемости при горячей и холодной прокатке. Для получения такой стали заготовка (сляб, тонкий сляб или полоса) нагревается и с учетом определенных температурных границ подвергается горячей прокатке и смотке.

В документе EP 1341937 B1 описан способ, при котором сталь, содержащая от 12 до 30% марганца, разливается на двухвалковой литейной машине в тонкую полосу толщиной от 1 до 6 мм, вертикально выходящая из литейного зазора полоса охлаждается посредством подачи охлаждающего средства на поверхность полосы и за один проход прокатывается до конечной толщины. Общее время, проходящее между выходом полосы из литейного зазора и входа в прокатную клеть, составляет примерно 8 секунд.

Из документа EP 1067203 B1 известен способ получения полосы их сплава Fe-C-Mn, при котором сначала посредством двухвалковой литейной машины производят тонкую стальную полосу с толщиной от 1,5 до 10 мм и со следующим составом: Mn 6-30%, C 0,001-1,6, Si≤2,5%, Al≤6%, Cr≤10%, а также неизбежные примеси, полосу обжимают с коэффициентом обжатия 10-60% и затем на одном или нескольких последующих этапах подвергают горячей прокатке.

Исходя из указанного уровня техники, задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, которые наиболее легко реализуются и обеспечивают получение непрерывной разливкой высокомарганцовистых сталей с заданным химическим составом.

Поставленная задача в части способа решается отличительными признаками пункта 1 формулы, согласно которым при последовательных этапах способа сталь для легких конструкций, имеющую заданный химический состав с 15-27% марганца, 1-6% алюминия, 1-6% кремния, 0,8% или менее углерода, и остаток железо и неизбежные примеси:

разливают в заготовку на машине непрерывной разливки тонких слябов (d≤120 мм) с применением подходящего литейного порошка, который быстро достигает равновесия и затем не меняет своих характеристик плавления, и затем делят на слябы;

непосредственно после окончания кристаллизации и разделения заготовки на слябы осуществляют выравнивание температуры сляба в промежуточной печи, расположенной в технологической линии;

сляб без промежуточного охлаждения подвергают горячей прокатке.

При изготовлении тонкого сляба, например, на CSP литейной машине (CSP - производство тонких слябов) непрерывная заготовка транспортируется вертикально, по окончании кристаллизации изгибается в горизонтальное направление и делится на слябы. Таким образом, отсутствует проблема с возникновением внутренних трещин. Изготовление высокопрочной аустенитной стали достигается, в отличие от уровня техники, без перегрузки оборудования.

Микросегрегация, которая имеется в заготовке по окончании кристаллизации, в значительной мере исчезает благодаря диффузии или при прохождении заготовки через промежуточную печь, например через печь с роликовым подом, или при последующей прокатке. Макросегрегация в середине сляба в достаточной степени устраняется, как и в случае аустенитной нержавеющей стали при сильном обжатии в прокатном стане.

Преимущественно, при применении печи с роликовым подом в CSP установке, согласно изобретению, за счет сокращения времени прохождения устраняется существенная сегрегация легирующих элементов и окисление по границам зерен, что встречается при больших временах нагрева в методических печах традиционной линии для горячей прокатки полосы и ведет к заметным трудностям.

Чтобы использовать способ разливки сталей с TWIP-эффектом для легких конструкций, содержащих значительные количества марганца и алюминия, с использованием машины для непрерывной разливки тонких слябов, требуется применение подходящего литейного порошка. Такой подходящий литейный порошок обладает, согласно изобретению, свойством очень быстро достигать равновесия и затем не менять свои характеристики плавления.

Для того чтобы, например, уменьшить равновесие реакции восстановления SiO₂ алюминием, растворенным в стали, литейный порошок, согласно изобретению, содержит повышенное количество Al₂O₃ более 10%. Для того, чтобы в состоянии равновесия иметь большие количества SiO₂, альтернативно или дополнительно следует повысить долю SiO₂ в литейном порошке, при этом такое повышение следует осуществлять до значений основности (соотношение CaO/SiO₂) 0,5-0,7.

Так как оксид MnO₂ восстанавливается алюминием, содержащимся в стали, легче, чем оксид SiO₂, то оксид SiO₂ защищен от восстановления, таким образом, согласно изобретению, другим мероприятием может являться добавка MnO₂ к литейному порошку.

Согласно изобретению в литейном порошке часть оксида SiO₂ может быть замененаоксидом TiO₂, который, как и оксид SiO₂, является газообразующим, но не восстанавливается алюминием, содержащимся в стали.

Заключительная возможность состоит в снижении вязкости литейного порошка в кристаллизаторе. К этому расход литейного порошка может повышаться, за счет чего повышается количество связываемого Al₂O₃, так что достигается равновесное состояние при меньшем содержании оксида алюминия. Снижение вязкости достигается присадками к литейному порошку B₂O₃ (бората), Na₂O и/или Li₂O.

Далее на схематическом чертеже представлен способ и установка для получения горячекатаной полосы согласно изобретению.

В принципе речь идет о применении известной CSP установки, в которой, согласно изобретению, расстояния между отдельными компонентами установки изменяют таким образом, что способ согласно изобретению осуществляют так, что непосредственно после окончания кристаллизации в промежуточной печи осуществляют усреднение температуры, и затем сляб без промежуточного охлаждения подвергают горячей прокатке.

Показанная на чертеже установка состоит из машины 1 для литья тонких слябов и расположенной за ней промежуточной печи 4, в которую подают полученные из бесконечной заготовки 2 после кристаллизации слябы 3. За промежуточной печью 4 расположен прокатный стан 5, в котором сляб 3 после усреднения по температуре в промежуточной печи 4 повергается горячей прокатке в готовую полосу 6, без промежуточного охлаждения.

1. Способ получения горячекатаной полосы (6) из хорошо деформируемой в холодном состоянии, высокопрочной аустенитной стали для легких конструкций с высоким содержанием марганца (Mn), алюминия (Al) и кремния (Si), а также обладающей пластичностью, вызванной двойникованием кристаллов- TWIP-эффектом, включающий разливку стали на машине (1) непрерывной разливки в непрерывную заготовку (2), разделение ее в слябы (3) и прокатку до конечной толщины, отличающийся тем, что сталь имеет химический состав, мас.%:

марганец	15-27
алюминий	1-6
кремний	1-6
углерод	0,8 или менее
железо и
неизбежные примеси	остальное

и ее разливают в заготовку толщиной d≤120 мм с применением литейного порошка, затем делят на слябы (3), при этом в литейный порошок вводят минералы-оксиды, которые обеспечивают снижение скорости восстановления оксида SiO₂ алюминием, содержащимся в стали и/или снижение концентрации Al₂O₃ путем снижения вязкости шлака в кристаллизаторе, непосредственно после окончания кристаллизации и разделения непрерывной заготовки (2) на слябы (3) осуществляют выравнивание температуры сляба (3) в промежуточной печи (4), расположенной в технологической линии, а затем сляб (3) без промежуточного охлаждения подвергают горячей прокатке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что литейный порошок имеет содержание оксида Al₂O₃ более 10%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что литейный порошок имеет повышенное содержание SiO₂ и основность в виде CaO/SiO₂, равную 0,5-0,7.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что литейный порошок содержит MnO₂ и/или TiO₂.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для снижения вязкости литейный порошок содержит В₂O₃ (борат), Na₂O и/или Li₂O.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что промежуточной печью (4) является печь с роликовым подом.