способ производства сортового проката

Формула изобретения

1. Способ производства сортового проката из низколегированной стали для холодной объемной штамповки крепежных изделий, включающий нагрев заготовки до температуры аустенитизации, последующую многопроходную горячую прокатку с обжатием в валках калибрами с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой, отличающийся тем, что нагрев заготовки производят до температуры 1100-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 950-1100°С, а охлаждение водой ведут до температуры 850-950°С, причем при использовании катаной заготовки многопроходную прокатку ведут с суммарной вытяжкой не менее 16, а при использовании литой заготовки - с суммарной вытяжкой не менее 36.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сортовой прокат производят из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

Углерод	0,20-0,33
Кремний	0,17-0,35
Марганец	0,9-1,3
Бор	0,001-0,005
Алюминий	0,01-0,05
Титан	Не менее 0,01
Фосфор	Не более 0,035
Сера	Не более 0,035
Хром	Не более 0,25
Никель	Не более 0,30
Медь	Не более 0,30
Азот	Не более 0,012
Железо	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при горячей прокатке круглых сортовых профилей из низколегированной стали, используемых для изготовления холодной объемной штамповкой крепежных изделий.

Сортовой прокат круглого сечения диаметром 8,0-28,0 мм из низколегированной стали, используемый для изготовления крепежных изделий холодной объемной штамповкой (холодной высадкой), должен обладать следующим комплексом механических свойств (табл.1):

Таблица 1
Механические свойства сортового проката для холодной объемной штамповки
Стандарт на продукцию	в, Н/мм2	, %	10, %	НВ, ед.
ТУ 14-1-4459	500-650	не менее 52	не менее 18	не более 195

Помимо этого, образцы проката должны выдерживать осадку в холодном состоянии на 1/3 от первоначальной высоты.

Известен способ сортовой прокатки профилей круглого сечения, включающий нагрев стальной заготовки до температуры аустенитизации, многопроходную прокатку в валках с калибрами черновой и чистовой групп клетей до конечного диаметра с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой, согласно которому средний участок полосы регламентированной длины подвергают межклетевому принудительному охлаждению [1].

Недостаток известного способа состоит в том, что сортовой прокат из низколегированной стали приобретает из-за неравномерного охлаждения раската низкие и нестабильные механические свойства по длине, что снижает качество и выход годного проката.

Известен также способ производства сортового проката из легированных сталей, по которому проводят нагрев заготовки до температуры аустенитизации и прокатку в валках с калибрами. Затем производят подогрев заготовки, причем поверхностный слой переднего конца регламентированной длины перегревают на 30-100°С относительно остального металла и производят повторную прокатку в непрерывной группе клетей, после чего прокат охлаждают [2].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемых механических свойств сортового проката, стабильных по длине. В результате сортовой прокат из низколегированной стали имеет низкие качество и выход годного.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства стального сортового проката, включающий нагрев заготовки до температуры аустенитизации 1200°С, последующую многопроходную горячую прокатку с обжатием в вертикальных и горизонтальных валках с калибрами с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой до температуры 800-900°С [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в том, что сортовой прокат из низколегированной стали для холодной объемной штамповки имеет низкие и нестабильные по длине механические свойства как при использовании катаной, так и непрерывно-литой заготовки. Это снижает качество и выход годного проката.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества и выхода годного сортового проката. Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства сортового проката, включающем нагрев заготовки до температуры аустенитизации, последующую многопроходную горячую прокатку с обжатием в валках калибрами с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой, согласно предложению нагрев заготовки производят до температуры 1100-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 950-1100°С, а охлаждение водой ведут до температуры 850-950°С, причем при использовании катаной заготовки многопроходную прокатку ведут с суммарной вытяжкой не менее 16, а при использовании литой заготовки - с суммарной вытяжкой не менее 36. Кроме того, сортовой прокат производят из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,20-0,33
Кремний	0,17-0,35
Марганец	0,9-1,3
Бор	0,001-0,005
Алюминий	0,01-0,05
Титан	не менее 0,01
Фосфор	не более 0,035
Сера	не более 0,035
Хром	не более 0,25
Никель	не более 0,30
Медь	не более 0,30
Азот	не более 0,012
Железо	Остальное.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Механические свойства сортового проката определяются совместно химическим составом низколегированной стали и деформационно-термическими режимами его производства. Нагрев заготовки из низколегированной стали предложенного состава до температуры Т_а=1100-1280°С обеспечивает ее аустенитизацию, высокие пластические свойства металла и получение оптимальной температуры конца прокатки Т_кп=950-1100°С.

Суммарная вытяжка при прокатке 16, характеризующая степень механической проработки микроструктуры катаной заготовки из легированной стали, необходима для повышения ее гомогенности, устранения остаточной осевой рыхлости и ликвации, разрушения фрагментов от крупных дендритных зерен. Для получения такой же степени механической проработки литой заготовки суммарную вытяжку в процессе ее прокатки необходимо увеличить до значения 36. При такой степени механической проработки микроструктуры литой заготовки, имеющей дендритное строение, внутренние несплошности и ликвацию, также достигается полное устранение осевой рыхлости и ликвации, разрушение крупных дендритных зерен.

Охлаждение сортового профиля водой от температуры Т_кп до температуры Т_о=850-950°С тормозит процессы вторичной и собирательной рекристаллизации деформированной микроструктуры, предотвращает рост отдельных зерен. Благодаря этому гомогенизируется микроструктура и стабилизируются механические свойства сортового проката.

Следует отметить, что рассмотренные выше деформационно-термические режимы производства обеспечивают требуемый комплекс механических свойств сортового проката при использовании низколегированной стали предложенного химического состава.

Экспериментально установлено, что при нагреве заготовки до температуры ниже 1100°С ухудшаются пластические свойства стали, не обеспечивается получение заданной температуры конца прокатки и требуемых механических свойств. Увеличение температуры нагрева заготовки выше 1280°С приводит к ослаблению границ зерен, их окислению, образованию трещин на поверхности, что снижает качество и выход годного проката.

При температуре конца прокатки выше 950°С формируется крупнозернистая неравномерная микроструктура низколегированной стали, в результате чего снижаются ее и пластические свойства (относительные удлинение и сужение). Снижение температуры конца прокатки менее 850°С повышает прочность стали в горячекатаном состоянии, ее твердость превышает 195 НВ, что недопустимо.

При повышении температуры окончания охлаждения сортового профиля водой выше 950°С происходит неравномерный рост зерен микроструктуры, что снижает качество проката. Снижение температуры его окончания менее 790°С приводит к повышению твердости и прочности выше допустимого уровня.

В случае снижения суммарной вытяжки менее 16 при использовании катаной заготовки или менее 36 при использовании литой заготовки имеет место ухудшение проработки микроструктуры стали, в результате образцы сортового проката не выдерживают осадку в холодном состоянии на 1/3 высоты.

Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,20% сталь из-за низкой прочности не пригодна для изготовления крепежных изделий, а при его содержании более 0,33% твердость выше, а пластические свойства ниже требуемых значений.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность. При концентрации кремния менее 0,17% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,35% снижается пластичность, сталь не выдерживает испытания на холодную осадку.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,9% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания марганца более 1,3% приводит к снижению пластических свойств.

Бор измельчает микроструктуру, увеличивает прокаливаемость стали, связывает вредные неметаллические включения. При концентрации бора менее 0,001% его положительное влияние не проявляется. Увеличение содержания бора более 0,005% способствует увеличению количества неметаллических включений, что снижает пластические свойства, образцы проката не выдерживают холодную осадку на 1/3 высоты.

Алюминий и титан раскисляют сталь и измельчает зерно. Они связывают растворенный азот в нитриды, уменьшая его вредное влияние на штампуемость при изготовлении крепежных изделий. При содержании алюминия менее 0,01% и титана менее 0,01% их положительное влияние мало, прокат не выдерживает испытание на холодную осадку. Увеличение содержания алюминия более 0,05% загрязняет сталь неметаллическими включениями, ведет к снижению прочности и пластичности сортового проката.

Фосфор и сера в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации фосфора не более 0,035% и серы не более 0,035% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время более глубокая дефосфорация и десульфурация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.

Хром, никель и медь являются примесными элементами, ухудшающими объемную штампуемость сортового проката в холодном состоянии. Однако при содержании хрома не более 0,25%, никеля не более 0,30% и меди не более 0,30% в стали данного химического состава после ее деформационно-термической обработки по предложенному режиму их отрицательное влияние проявляется незначительно. При повышении содержания хрома более 0,25%, никеля более 0,30% или меди более 0,30% прочность сортового проката выше допустимой, он не выдерживает испытание на холодную осадку.

Азот является вредной примесью. При концентрации азота не более 0,012% от связан в нитриды и не ухудшает свойства стали. Увеличение содержания азота более 0,012% приводит к ухудшению штампуемости, прокат не выдерживает испытание на холодную осадку.

Примеры реализации способа

В дуговых электропечах производят выплавку низколегированных сталей следующих составов (табл.2):

Таблица 2
Составы низколегированных сталей для холодной штамповки крепежных изделий
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
	С	Si	Mn	В	Al	Ti	P	S	Cr	Ni	Си	N	Fe
1.	0,19	0,16	0,8	0,0009	0,009	0,009	0,011	0,020	0,10	0,15	0,15	0,006	Остальн.
2.	0,20	0,17	0,9	0,001	0,01	0,01	0,013	0,021	0,15	0,18	0,19	0,008	..
3.	0,27	0,26	1,1	0,003	0,03	0,02	0,022	0,028	0,20	0,24	0,25	0,010	..
4.	0,33	0,35	1,3	0,005	0,05	0,03	0,035	0,035	0,25	0,30	0,30	0,012	..
5.	0,34	0,36	1,4	0,006	0,06	0,04	0,036	0,036	0,26	0,31	0,31	0,013	..

Выплавленную сталь разливают в слитки и непрерывно-литые заготовки (ЛЗ) квадратного сечения 150×150 мм. Слитки подвергают прокатке на обжимном и непрерывно-заготовочном стане в катаные заготовки (КЗ) квадратного сечения 100×100 мм.

Пример 1. Производство сортового проката из катаных заготовок

Катаные заготовки из стали состава 3 (табл.2) нагревают в газовой методической печи до температуры аустенитизации Т_а =1190°С. Нагретые заготовки подвергают горячей прокатке на мелкосортном стане 250 за 15 проходов в горизонтальных и вертикальных валках с калибрами в пруток круглого сечения диаметром d=26 мм. Температуру конца прокатки поддерживают равной Т_кп =1025°С. Суммарная вытяжка при прокатке заготовки составляет:

Выходящий из валков последней клети стана пруток направляют в трубчатый холодильник, в который подают охлаждающую воду и производят охлаждение движущегося прутка от температуры T_кп=1025°С до температуры Т_о=900°С. Дальнейшее охлаждение прутка происходит самопроизвольно на воздухе.

После завершения охлаждения от прокатанного прутка отбирают пробы для испытания механических свойств и способности выдерживать холодную осадку на 1/3 высоты образца. Готовый сортовой прокат имеет высокие качественные показатели, за счет чего обеспечивается увеличение выхода годного в прокатном переделе до Q=99,5%.

Пример 2. Производство сортового проката из литых заготовок

Все те же операции, что в примере 1, только непрерывно-литую заготовку квадратного сечения 150×150 мм прокатывают в пруток круглого сечения с диаметром d=26 мм за 20 проходов с суммарной вытяжкой:

Благодаря увеличению суммарной вытяжки готовый пруток приобретает такую же микроструктуру и механические свойства, как и пруток, прокатанный из катаной заготовки. Поэтому сортовой прокат из непрерывно-литой заготовки также имеет высокие качественные показатели, за счет чего обеспечивается увеличение выхода годного до Q=99,5%.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице 3.

Из табл.2 и 3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты 3-8, составы сталей 2-4) достигается повышение качества и выхода годного сортового проката как при использовании катаной, так и литой заготовки. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты 1 и 2, составы сталей 1 и 5) свойства проката ухудшаются, только часть металла выдерживает испытание на осадку в холодном состоянии. Выход годного Q снижается до 42,0-46,6%. В других случаях (варианты 9 и 10) при запредельных значениях параметров сортовой прокат не пригоден для холодной объемной штамповки крепежных изделий. В случае реализации способа-прототипа (вариант 11) качество и выход годного сортового проката из низколегированной стали снижаются.

Технико-экономические преимущества предложенного технического решения заключаются в том, что одновременная оптимизация химического состава низколегированной стали и режимов ее деформационно-термической обработки позволяет наилучшим образом реализовать возможности формирования микроструктуры и свойств сортового проката как при использовании катаной, так и литой заготовки. Это способствует повышению качества и выхода годного сортового проката.

В качестве базового объекта при определении экономической эффективности предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства сортового проката из низколегированной стали для холодной объемной штамповки крепежных изделий на 25-35%.

Таблица 3
Режимы производства и показатели качества сортового проката из низколегированной стали
№ варианта	№ состава	Тип заготовки	Та, °С		Ткп, °С	То, °C	в, Н/мм2	, %	10, %	HB, ед.	Хол. осадка на 1/3 высоты	Q, %
1.	1	КЗ	1090	15,5	940	840	740-510	28-52	16-18	195-236	выдерж. частичн.	46,6
2.	5	ЛЗ	1095	35,8	945	845	650-775	26-52	12-18	190-240	выдерж. частичн.	42,0
3.	4	КЗ	1100	16,0	950	850	650	52	18	190	выдерж.	98,9
4.	4	ЛЗ	1100	36,0	950	850	650	52	18	190	выдерж.	98,8
5.	3	КЗ	1190	18,84	1025	900	575	58	22	175	выдерж.	99,5
6.	3	ЛЗ	1190	42,40	1025	900	575	58	22	175	выдерж.	99,5
7.	2	КЗ	1280	22,45	1100	950	500	57	19	170	выдерж.	98,7
8.	2	ЛЗ	1280	46,88	1100	950	500	57	19	170	выдерж.	98,8
9.	5	КЗ	1290	22,7	1110	955	470-490	48-51	14-17	180-198	не выдерж.	-
10.	1	ЛЗ	1255	44,3	1110	960	460-500	49-52	15-18	190-195	не выдерж.	-
11.	5	ЛЗ	1200	35,9	1200	850	630-680	28-52	13-18	180-210	выдерж. частичн.	48,8

Источники информации

1. Патент России №2148443, МПК В 21 В 1/16, 2000 г.

2. Авт. свид. СССР №1692691, МПК В 21 В 1/00, 1991 г.

3. Беняковский М.А. и др. Технология прокатного производства. Справочник. Кн.1. М.: Металлургия, 1990 г., с.388-396 - прототип.