Термическая и термомеханическая обработка листа

Более важной и первоочередной считается задача улучшения качества толстолистового металла за счет правильного выбора температурного режима прокатки, термической и термомеханической обработки листа в технологическом потоке стана.

Исследования показывают (проведены на стане 2800 ЧерМК), что из-за неправильного выбора параметров термической обработки до 40 % толстых листов по первым испытаниям не удовлетворяют требованиям стандартов.

Температура конца прокатки для среднеуглеродистых сталей должна быть в диапазоне от А_с3 до (А_с3 + 50). Более высокие температуры способствуют росту зерна, поэтому вязкие характеристики металла снижаются. При температурах конца прокатки ниже А_с3 (в межфазной области) свойства также снижаются. Из аустенита выделяется феррит, а оставшийся аустенит обогащается углеродом вплоть до эвтектоидного состава (при температуре А_с1). При деформации в межфазной области зерна феррита и аустенита деформируются с разной интенсивностью. При охлаждении после деформации и при образовании из оставшегося аустенита перлита появляется пестрая структура металла, в которой за счет взаимодействия между зернами феррита и перлита появляются дополнительные напряжения, снижающие общие механические свойства.

Для низколегированных малоуглеродистых (менее 0,1 % С), так назаваемых малоперлитных, сталей полезны температуры конца прокатки в межфазной области. При выделении феррита из аустенита ниже А_с3 в таких сталях оставшийся аустенит представляет собой обедненный углеродом эвтектоид (псевдоэвгекто- ид), который при у -> «-переходе распадается на феррит и цементит в виде пластин, которые за счет деформации располагаются внутри ферритных зерен. Под действием пластической деформации этот процесс протекает быстрее и при более высокой температуре. Появляется возможность управлять формой, размерами и расположением цементитных выделений. Деформация в межфазной области способствует также измельчению и упрочнению ферритных зерен. Кроме того, при деформации в этом температурном интервале интенсивно выделяются частицы карбонитридов ванадия и ниобия, которые дополнительно размельчают и упрочняют ферритные зерна. Промышленные исследования показали, что снижение температуры конца прокатки с 1000 до 800 °С увеличивает предел текучести низколегированной стали 09Г2ФБТ на 110—130 Н/мм².

Большое значение имеет скорость охлаждения после прокатки. При ее увеличении и уменьшении температуры изотермической выдержки ниже температуры А_сХ подавляются диффузионные процессы, поэтому уменьшается и затем полностью исчезает количество избыточного феррита. С увеличением переохлаждения аустенита получается более обедненный углеродом псевдоэв- текгоид. Последний представляет собой смесь цементита и обогащенного углеродом феррита, располагающегося между цементитными пластинами. Чем ниже температура переохлаждения псевдоэвтекгоида, тем мельче пластинки цементита и меньше расстояние между ними, поэтому выше прочность и пластичность готового металла. Таким образом, варьируя скоростью охлаждения и температурой изотермической выдержки в рассматриваемой области (в области гак называемых перлитных структур), можно получать различную конечную структуру металла и его механические свойства. На кинетику фазового у->а- превращения большое влияние оказывают легирующие элементы.

При переохлаждении аустенита ниже перлитных температур (520—490 °С) псевдоэвгектоид уже не образуется, из такого аустенита образуется бейниг, представляющий собой феррит с избыточным содержанием углерода, который сильно искажает решетку «-фазы и повышает ее прочность, снижая пластичность. При более низких температурах переохлаждения и высоких скоростях охлаждения превращение у -» а осуществляется по мартенситному механизму без изменения концентрации аустенита, с наследованием его структуры и с сильным искажением решетки а-фазы.

Для формирования окончательных свойств толстого листа на толстолистовых станах в технологическом потоке, а также на отдельно стоящих термических агрегатах применяют все виды перечисленных превращений и осуществляют все виды термической обработки — отжиг, нормализацию, ускоренное охлаждение, закалку и отпуск — с большим разнообразием графиков нагрева, выдержки и охлаждения металла. Но при производстве многих видов толстого листа наиболее высокие эксплуатационные свойства достигаются при термомеханической (ТМО) и контролируемой прокатке (КП), которые ставят своей задачей разработку режимов нагрева, дозированной деформации и точного графика охлаждения после прокатки в целях получения требуемой структуры и свойств металла. Наиболее перспективны такие режимы на низколегированных малоуглеродистых сталях типа 09Г2, 08Г2ФБ, 09Г2СФ, 17Г1СУ, 10 ХСНД и др. Одно из главных требований к листам, прокатываемым из таких сталей, — высокая ударная вязкость при низких темпера турах (—40, -60 °С и ниже). Стали с микродобавками V и N6 реализуют свои оптимальные свойства только после контролируемой прокатки.

Существует несколько разновидностей ТМО низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Для толстого листа распространена термическая обработка, при которой лист после горячей деформации закаливается и затем отпускается с получением ферритно-перлитных или бейнигных структур. Наилучший результат достигается в том случае, когда закалка осуществляется от температуры, лежащей в интервале двухфазной (а + у) области, гак как при этих температурах аустенит имеет мелкозернистую развитую полигональную структуру, которую полностью наследует мартенсит. Для закалки с прокатного нагрева широкое распространение получили роликозакалочные машины.

После прокатки в (а + у) области часто вместо закалки применяют другие способы охлаждения металла. В зависимости от времени выдержки, температуры конца прокатки и скорости последующего охлаждения получают различные структуры и свойства готового листа. При малых скоростях охлаждения получают полигональный феррит с мелкими вытянутыми зернами, при более высоких скоростях — игольчатый феррит с зернами неправильной формы с развитой субструктурой и плоскими границами, размер которых зависит от зерен первоначально образующегося феррита. При тех же скоростях охлаждения, но более низких температурах деформации образуется верхний бейнит, размер зерен которого и плотность дислокационной структуры определяются размером зерен исходного аустенита, а не феррита, как в предыдущем случае. Основная задача при охлаждении состоит в том, чтобы, во-первых, обеспечить требуемую скорость охлаждения металла во всех точках по плоскости и высоте листа, во-вторых, избежать коробления полосы из-за неравномерного ее охлаждения. Соответственно установка контролируемого охлаждения (УКО) должна содержать компьютер, рассчитывающий требуемый режим охлаждения в каждой точке листа. Кроме того, она должна быть оборудована системами, обеспечивающими и контролирующими равномерность охлаждения полосы по всей площади. Обычно перед установкой лист должен пройти правку. Донниичермет разработал совмещенный процесс правки и контролируемого или ускоренного охлаждения листа. Правильно-охлаждающая машина снабжена системой подачи воды на полосу между правящими роликами. Система работает от ЭВМ, рассчитывающей режим подачи воды, скорость движения полосы и другие параметры.

Легко реализуема в потоке стана ВТМО, заключающаяся в горячей деформации аустенита с последующим быстрым охлаждением до температур фазового превращения а с последующей деформацией при этих температурах. Происходит перекристаллизация металла за счет зарождения и роста новых зерен. При этом зерно резко размельчается, происходит полигонизация структуры образующегося мелкозернистого вытянутого феррита. Равномерно распределенные в нем мелкие сферические или мелкопластинчатые частицы цементита обеспечивают высокие прочностные и не снижают пластические свойства листа. Пластическая деформация при этих температурах приводит, во-первых, к дополнительному измельчению зерна, во-вторых, к размещению цементитных частиц внутри ферритных зерен, в-третьих, к образованию новых дефектных структур, способствуя распаду аустенита. Чем ниже температура деформации в (а + у) области и выше степень деформации, тем большая доля феррита оказывается в наклепанном состоянии, и зерна феррита становятся мелкими и полигонизованными, что способствует увеличению его прочности. При наличии в стали микролегирующих добавок V и N6 (в сотых долях процента) происходит их растворение при высоких температурах, что замедляет процессы, связанные с диффузией, — рост зерна, рекристаллизацию и процесс у-нх-превращения. При снижении температуры прокатки происходит обильное выделение мелкодисперсных карбонигридов этих элементов, которые, с одной стороны, препятствуют росту зерен феррита и способствуют еще большему их измельчению, и, с другой стороны, упрочняют феррит.

При контролируемой прокатке, которую некоторые авторы причисляют к разновидностям ВТМО, должны строго выдерживаться режим и температура нагрева металла под прокатку, температура прокатки и режим обжатия в черновой клети, время подстуживания раската перед чистовой клетью, частные и суммарное обжатия в чистовой клети, температура конца прокатки, режим охлаждения листа после прокатки. Оптимальные свойства листа, т. е. высокая прочность при высокой пластичности металла и высокой вязкости при низких температурах, достигаются при определенных для каждой марки стали значениях перечисленных технологических параметров. Формирование таких свойств осуществляется от одновременного действия следующих основных механизмов: измельчение зерна феррита, вносящего в общий вклад долю 35—45 %; полигонизация структуры (примерная доля 25—35 %) и дисперсионное упрочнение карбонитридами ванадия, титана и ниобия (20—25 %).

Следует отметить, что механизм упрочнения феррита с помощью карбо- нитридов различен в зависимости от вида микролегирующих добавок. Титан растворяется в аустените при высоких температурах, поэтому применяется для сталей, нагреваемых до максимально возможных температур (1200—1250 °С). Нитриды титана стабильны при высоких температурах и позволяют контролировать размер зерна аустенита. При последующем охлаждении в процессе прокатки карбиды титана выделяются при высоких температурах и упрочняют аустенит. Деформация упрочненного и мелкозернистого аустенита и его последующий распад обеспечивают получение упрочненных мелких зерен феррита.

Ванадий растворяется в аустените при более низких температурах (около 1150 °С), следовательно, допускает более низкий нагрев под прокатку. Он практически не формирует выделений в аустените. Выделение карбонитридов ванадия происходит в основном в процессе и после фазового у-> а-превращения. Часть частиц выделяется непосредственно в феррит, способствуя его измельчению и упрочнению. Деформация ускоряет его выделение.

Как микролегирующий элемент для измельчения зерна наиболее эффективен ниобий, карбонитриды которого обеспечивают максимальное торможение рекристаллизации аустенита. Мелкодисперсные частицы карбонитридов ниобия, обильно выпадающие при пластической деформации при температурах фазового перехода у -» а, измельчают зерно по механизму торможения рекристаллизации. При наличии ниобия в количестве 0,03 % сталь вообще не рекристаллизуется при температурах ниже 950 °С. Карбонитриды продолжают выпадать также при охлаждении после прокатки и упрочняют феррит по механизму дисперсионного твердения. Это дает возможность наиболее эффективно измельчать и упрочнять феррит в процессе деформации в (у + а) области и при последующем охлаждении. При совместном легировании металла ванадием и ниобием расширяются возможности каждого из механизмов измельчения и упрочнения металла, расширяется диапазон температур, при которых выделяются упрочняющие частицы.

Таким образом, в зависимости от легирующих добавок для каждой марки стали выбираются температура нагрева под прокатку, температурный и деформационный режим прокатки и режим охлаждения металла после деформации, или в совокупности — режим контролируемой прокатки. Например, исследования, проведенные на стане 3600 “Азовстали” при прокатке листов толщиной от 12 до 32 мм из сталей марок 08Г2СФБ и 09Г2ФБ, применяемых для производства электросварных хладостойких газопроводных труб диаметром 1420 мм, показали, что существует определенный интервал значений перечисленных параметров для получения одного из главных технологических свойств толстого листа — высокой ударной вязкости металла при температурах —40 и —60 °С. С повышением температуры нагрева металла под прокатку до 1250 °С ударная вязкость снижается, снижается также доля вязкой составляющей при испытании падающим грузом (ИПГ, или по иностранным нормативам — 0^гГТ) при температурах ниже —15 °С (испытание осуществляется путем разрушения стандартного образца падающим грузом и визуальной оценки доли вязкой составляющей в изломе). При высоких температурах нагрева быстро растет зерно аустенита, и после прокатки в готовом листе может наблюдаться структура верхнего бейнита, возможны участки с остаточным аустенитом. При высоком нагреве уменьшается плотность дислокаций, больше растворяются высокодисперсные карбонитриды ванадия и ниобия, которые в свободном (нерастворенном) виде необходимы при чистовой прокатке как центры зарождения новых зерен феррита. При снижении температуры нагрева под прокатку до 1150 °С увеличивается ударная вязкость металла на 0,3—0,8 Дж/м², также увеличивается доля вязкой составляющей в изломе при ИПГ. При этом хрупкое разрушение металла при низких температурах происходит не столь лавинообразно, как при прокатке от высоких температур. Зерна аустенита при нагреве и прокатке от этих температур имеют вытянутую ладьеобразную форму, внутри зерен формируются полосы деформации с высокой плотностью дислокаций. Высокая энергия внутризеренных структур при остывании способствует зарождению мелкозернистых зерен феррита.

Более низкий нагрев под прокатку (ниже 1150 °С) также нежелателен, так как приводит к недостаточному растворению в аустените карбонигридов ванадия и ниобия. При дальнейшей прокатке и охлаждении металла из раствора выпадает меньшее количество высокодисперсных частиц, которые необходимы для упрочнения зерен феррита при у-»а-превращении.

Важнейшими параметрами контролируемой прокатки являются степень деформации и температура прокатки в каждом пропуске. Прокатку обычно ведут в два этапа. До толщин, равных примерно двум-трем толщинам готового листа, проводится первая прокатка по обычным режимам, аустенит деформируется при температурах нагрева. Затем лист подстуживают на отводящем рольганге или на специализированной площадке, оборудованной установкой для ускорения охлаждения. Вторая (чистовая) прокатка проводится при температурах ниже начала фазового перехода. Эта температура, строго говоря, должна вычисляться отдельно для каждой марки и даже плавки металла. Например, для листа 16,8x2195 мм из стали 09Г2ФБ температура конца прокатки лежит в интервале 700—750 °С. Чем ниже температура подстуживания в интервале фазовых превращений и выше суммарная степень деформации при этой температуре (г. е. в чистовых пропусках), тем выше свойства листа. Низкотемпературная прокатка даже при небольших единичных обжатиях способствует увеличению ударной вязкости при низких температурах и позволяет увеличить долю вязкой составляющей при ИПГ при —60 °С от 0 до 100 %. При этом уменьшается также размер зерна (до балла 9—11). В структуре стали наблюдаются хорошо развитые мелкие субзерна, разделенные малоугловыми границами. Дислокационная сетка внутри зерен имеет правильную форму.

На многих толстолистовых станах температура и режим деформации при второй прокатке сдерживаются возможностями оборудования. Станы 3600 и 5000, описанные выше, специально проектировались под контролируемую прокатку. На стане 5000 прокатана в режиме ТМО партия листа из стали 10ГБ для толстостенных груб подводного трубопровода. Термомеханическая прокатка проводится на стане 2800 ОХМК для производства хладостойких труб из стали 10г2СФБ. Успешное промышленное опробование режимов контролируемой прокатки проведено также на непрерывных широкополосных станах: на стане 2000 ОАО “Северсталь” (стали 12ГСБ и 12Г2СБ) и на стане 2000 НЛМК на сталях 08ГБЮ и 09ГБЮ, предназначенных для труб северного исполнения диаметром 530 мм с толщиной стенки 5—12 мм. При проектировании режимов контролируемой прокатки широко используют компьютерные модели нагрева сляба, температурно-деформационных параметров, управления прокаткой сразу нескольких слябов на разных стадиях их обработки. Разрабатываются также модели рекристаллизации аустенита и выделения карбонитридных фаз, модели фазовых переходов, модели типа структура—свойства.

Следует заметить, что с увеличением толщины листа резко возрастают трудности получения требуемых свойств листа. Например, при производстве листа по оптимальной технологии для толстостенных груб зона температур,

Рис. 15.27. Режимы контролируемой прокатки

при которых наблюдается 100 % вязкой составляющей на образцах DWTT, резко возрастает от — 100 °С при толщинах 5—10 мм до —10...—20 °С при толщинах 35— 40 мм. В связи с этим указанные выше модели должны строиться для каждой марки стали, каждого размера листа с учетом всех особенностей его производства, начиная от выплавки металла.

Разновидностью контролируемой прокатки является способ упрочнения проката в потоке стана с промежуточной перекристаллизацией металла после черновой клети, запатентованный японской фирмой “Сумитомо Кинзуки Kore”. Вначале проводится обычная прокатка в области аустенита, затем следует глубокое подстуживание и вновь подогрев до межкритических температур, затем вторая прокатка при этих температурах и охлаждение на воздухе. Дополнительное измельчение зерна достигается за счет двойной фазовой перекристаллизации при а-э у-превращениях.

Та же идея может быть использована при построении более сложных режимов контролируемой прокатки. Например, для мало- и среднеуглеродистых сталей разработаны режимы, приведенные на рис. 15.27. По первой схеме (см. рис. 15.27, а) металл нагревается до 1050 °С и выдерживается до полной аустенизации, после чего следует охлаждение до 900 °С и черновая прокатка. Затем лист охлаждается до 650 °С и осуществляется вторая прокатка, после чего металл повторно аусгенизируется и еще раз подстуживается. Окончательная прокатка ведется при 800 °С, после чего металл охлаждается на воздухе. На рисунке указана суммарная степень деформации при каждой прокатке.

Этот режим, а также приведенные выше режимы ВТМО имеют один общий существенный недостаток: лист после прокатки может иметь полосчатую структуру, когда отдельные фазы располагаются слоями, вытянутыми в направлении прокатки. Между этими слоями возможны остаточные напряжения, что снижает пластичность металла при штамповке деталей. При штамповке возможна также фестонистость, т. е. разная вытяжка в разных направлениях.

Чтобы устранить полосчатость структуры листа, после прокатки применяют глубокое переохлаждение металла с последующим отжигом. Например, Донниичермет предложил режим термообработки (см. рис. 15.27, б), по которому после нагрева предусматривается глубокое охлаждение и высокая степень деформации за один проход при температуре 600 °С, затем следует кратковременная аустенизация при 910 °С и прокатка сначала при температуре 800 °С, а затем окончательно при температуре 650 °С. Суммарная степень деформации во всех проходах 75 %. Реализация этих схем требует не только мощного оборудования стана, но и наличия соответствующих печей в линии прокатного стана, которых на действующих отечественных станах не хватает.

Дополнительное измельчение зерна за счет перекристаллизации достигается при термоциклической обработке листа. При этом металл несколько раз переходит границу фазового перехода за счет нагрева и последующего охлаждения. Практически удобна такая схема обработки, когда после прокатки в аустенитной области лист кратковременно замачивается в баке с водой, в котором температура поверхностных слоев опускается значительно ниже температуры фазового перехода, затем вылеживается на рольганге до выравнивания температуры по высоте. При этом поверхностные слои переходят температуру фазового перехода вверх, после чего следует вторая замочка листа в баке и очередное вылеживание на рольганге. На толстых листах температуры металла хватает на три-четыре таких термоцикла, за счет чего зерно феррита в поверхностных слоях листа значительно размельчается. На рис. 15.28 представле

ние. 15.28. Изменение температуры по слоям листа толщиной 48 мм при термоциклирова- нии (числа на графиках соответствуют глубине слоя от поверхности) ны полученные расчетным путем графики изменения температуры по высоте листа толщиной 48 мм при такой термоциклической обработке (на графике указана глубина слоя от поверхности листа). Видно, что наиболее глубокие циклы соответствуют поверхностным слоям, тогда как внутренние слои остывают практически монотонно. При такой обработке свойства листа по высоте будут различными. Но даже поверхностное увеличение свойств имеет большое значение для формирования окончательных эксплуатационных характеристик листа.

Еще более высокие свойства не только поверхностных, но и серединных слоев листа могут быть достигнуты при совмещении термоциклирования со значительной суммарной деформацией металла перед очередной замочкой в баке. Тепло от пластической деформации также используется для термоциклирования, а сама деформация необходима для дополнительного измельчения зерна. При этом достигается эффект контролируемой прокатки, при которой для измельчения зерна используется сразу несколько механизмов.

В целом производство толстого листа следует рассматривать как совокупность чередующихся операций деформации и термической или термомеханической обработки на всех стадиях, начиная от нагрева под прокатку, кончая операциями правки и охлаждения металла. После рассмотренных выше гермо- механических видов обработки процесс формирования свойств металла продолжается при последующей правке и термообработке металла. На рис. 15.29 приведена обобщенная схема проведения ВТМО и НТМО при производстве толстого листа.

Как видно, в процесс формирования свойств металла вовлечены также операции горячей и холодной правки, на которых осуществляется также дозированная деформация металла за счет знакопеременного изгиба. В зависимости от толщины листа и марки стали состав и порядок операций меняется, а режимы конкретизируются.

Рис. 15.29. Обобщенная схема термомеханических процессов при производстве толстого листа:

I— нагрев металла; 2— горячая и низкотемпературная прокатка; 3, 5— охлаждение, 4— горячая правка; 6— холодная правка; 7— термообработка; 8— охлаждение и горячая правка; 9 — холодная правка

Следует заметить, что к настоящему времени нет достаточного опыта промышленного применения как термоциклирования, так и контролируемой прокатки с использованием термоциклирования. Но лабораторные исследования показывают высокую эффективность этих видов термической и термомеханической обработки. Основным препятствием для их промышленного внедрения является отсутствие необходимого оборудования и падение производительности при производстве листа.