способ производства высокопрочных свариваемых арматурных профилей

Формула изобретения

1. Способ производства высокопрочных свариваемых арматурных профилей из низколегированной стали, включающий непрерывную разливку, нагрев заготовок, многопроходную прокатку в валках с калибрами, ускоренное охлаждение движущихся полос водой и последующее самопроизвольное охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что заготовки нагревают до температуры 1150-1250°С, прокатку ведут с суммарным коэффициентом вытяжки не менее 15 и завершают при температуре 900-1100°С, а ускоренное охлаждение водой производят до температуры 200-570°С со скоростью 50-150°С/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

углерод	0,04-0,17
кремний	0,15-0,35
марганец	1,30-1,95
ниобий	не более 0,08
титан	не более 0,07
ванадий	не более 0,08
железо и примеси	остальное

3. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что непрерывную разливку заготовок производят при температуре 1520-1570°С со скоростью 0,6-0,9 м/мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к прокатному производству, и предназначено для получения на сортовых станах стальных высокопрочных свариваемых арматурных профилей из непрерывнолитых заготовок.

Высокопрочные свариваемые арматурные профили из низколегированной стали в термоупрочненном состоянии должны отвечать следующему комплексу механических и эксплуатационных свойств (таблица 1):

Таблица 1 Свойства высокопрочных арматурных профилей
в, МПа	т, МПа	5, %	KCU-60, МДж/м2	Угол загиба , град.	Свариваемость
не менее 840	не менее 600	не менее 14	не менее 0,6	не менее 90	удовлетв.

Известен способ производства стальных арматурных профилей, включающий нагрев заготовок из углеродистой стали марки Ст3, многопроходную прокатку в валках с калибрами, охлаждение движущихся полос водой вначале на 35-40°С непосредственно на выходе из валков чистовой клети, затем их ускоренное охлаждение водой до температуры 600-650°С и окончательное охлаждение на воздухе [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что арматурные профили имеют низкие прочностные и вязкостные свойства. Это снижает их качество и выход годного.

Известен также способ производства стального арматурного профиля из углеродистой стали марки Ст3сп, включающий нагрев заготовки, многопроходную прокатку с коэффициентом вытяжки в последнем проходе µ=1,20, ускоренное охлаждение движущихся полос водой и последующее охлаждение на воздухе [2].

Указанный способ также не обеспечивает высоких прочностных и вязкостных свойств арматурных профилей, что снижает их качество и выход годного.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства круглого высокопрочного сортового проката из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,6-1,0
Кремний	Не более 1,0
Марганец	Не более 1,5
Железо	Остальное

Способ включает нагрев заготовок, многопроходную прокатку на 10-клетевом стане 300-3 в валках с калибрами, ускоренное охлаждение водой движущихся полос непосредственно на выходе из валков чистовой клети вначале до температуры 770-850°С, затем до температуры 750°С и последующее охлаждение на воздухе за два этапа, причем время охлаждения регламентируют в зависимости от содержания в стали легирующих элементов [3].

Недостатки указанного способа состоят в том, что полученные при его использовании высокопрочные арматурные профили имеют низкие качество и выход годного вследствие недостаточных пластических, вязкостных свойств и свариваемости.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества и выхода годных арматурных профилей.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства высокопрочных свариваемых арматурных профилей из низколегированной стали, включающем непрерывную разливку и нагрев заготовок, многопроходную прокатку в валках с калибрами, ускоренное охлаждение движущихся полос водой и последующее самопроизвольное охлаждение на воздухе, согласно изобретению, заготовки нагревают до температуры 1150-1250°С, прокатку ведут с суммарным коэффициентом вытяжки не менее 15 и завершают при температуре 900-1100°С, а ускоренное охлаждение водой производят до температуры 200-570°С со скоростью 50-150°С/с. Низколегированная сталь имеет следующий химический состав: 0,04-0,17% углерода; 0,15-0,35% кремния; 1,30-1,95% марганца; не более 0,08% ниобия; не более 0,07% титана; не более 0,08% ванадия; железо и примеси - остальное; которую подвергают непрерывной разливке в заготовки при температуре 1520-1570°С со скоростью 0,6-0,9 м/мин.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Требуемое сочетание механических свойств свариваемых арматурных профилей (таблица 1) осуществляется одновременной оптимизацией химического состава стали, режимов ее непрерывной разливки и деформационно-термической обработки в совмещенном процессе прокатки и последующего термического упрочнения. Благодаря тому, что дополнительное упрочнение достигается путем диспергирования микроструктуры стали в процессе многопроходной прокатки и закалки свежедеформированного аустенита, обеспечивается возможность снижения степени ее легирования. Это позволяет при обеспечении высокой прочности готовых арматурных профилей повысить их свариваемость, вязкость и пластичность.

Экспериментально установлено, что нагрев непрерывно литых заготовок из стали предложенного химического состава до температуры ниже Т_а=1150°С не обеспечивает полного растворения карбидов в аустените. Это снижает прочность термоупрочненных арматурных профилей. При увеличении Т_а более 1250°С не исключается пережог и окисление границ зерен непрерывнолитых заготовок, что увеличивает окалинообразование и снижает выход годного.

Степень механической проработки литой структуры заготовки определяется коэффициентом суммарной вытяжки , определяемым как соотношение площадей поперечного сечения заготовки и готового арматурного профиля. При суммарном коэффициенте вытяжки менее 15 снижается степень «проработки» микроструктуры непрерывнолитой заготовки. В результате микроструктура арматурных профилей содержит неразрушенные грубые фрагменты кристаллитов, образовавшихся в процессе кристаллизации жидкой стали. Это приводит к резкому снижению вязкостных и пластических свойств стали, снижению выхода годного.

В случае завершения прокатки при температуре Т_кп ниже 900°С замедляются процессы рекристаллизации деформированного аустенита. Последующая закалка с прокатного нагрева не обеспечивает необходимой степени термического упрочнения арматурных профилей. Увеличение Т_кп более 1100°С приводит к огрублению микроструктуры, неравномерному росту аустенитных зерен, снижению вязкостных, прочностных и пластических свойств арматурных профилей.

Ускоренное охлаждение движущихся полос водой до температуры выше Т_з=570°С (прерванная закалка) приводит к их разупрочнению в процессе самоотпуска. Это снижает качество арматурных профилей и выход годного. При уменьшение Т_з ниже 200°С арматурные профили имеют низкие вязкостные и пластические свойства (особенно в малых сечениях), что ухудшает их качество.

При скорости охлаждения V_з, превышающей 150°С/с, готовые арматурные профили имеют неравномерную микроструктуру и низкую пластичность. В случаях, когда V_з ниже 50°С/с, термоупрочнение сортовых профилей недостаточно, что ухудшает их качество и снижает выход годного. Непрерывная разливка заготовок из стали предложенного состава при температуре Т_р выше=1570°С и скорости разливки V_р выше 0,9 м/мин ухудшает их макроструктуру, увеличивает балл неметаллических включений, количество сегрегации, неравномерность химического состава и выход годных арматурных профилей. В то же время, снижение Т_р ниже 1520°С или скорости разливки V_р менее 0,6 м/мин приводит к образованию несплошностей, огрублению макроструктуры. Это отрицательно сказывается на качестве высокопрочных арматурных профилей и выходе годного.

Углерод в предложенной низколегированной стали является основным упрочняющим элементом, поэтому при его концентрации менее 0,04% прочностные свойства снижаются, что ухудшает качество арматурных профилей. В то же время, увеличение концентрации углерода более 0,17% приводит к потере вязкостных и пластических свойств, ухудшает свариваемость высокопрочных арматурных профилей.

Кремний вводят в качестве раскислителя и упрочняющего элемента.

Однако увеличение содержания кремния более 0,35% приводит к увеличению количества неметаллических включений в микроструктуре, снижению пластических и вязкостных свойств термоупрочненных арматурных профилей. Снижение содержания кремния менее 0,15% приводит к потере прочностных свойств. Все это снижает качество и выход годных арматурных профилей.

Марганец одновременно повышает прочность и прокаливаемость стали за счет уменьшения скорости превращения аустенита при охлаждении. При его содержании 1,30-1,95% он упрочняет сталь, не снижая вязкостных и пластических свойств. Увеличение содержания марганца сверх 1,95% ведет к потере пластичности стали в термоупрочненном состоянии. Снижение содержания марганца менее 1,30% вызывает снижение прочностных и пластических свойств стали. И в том, и в другом случае имеет место снижение качества и выхода годных арматурных профилей.

Ниобий, титан и ванадий являются элементами, оказывающими положительное влияние на свойства арматурных профилей. При содержании ниобия не более 0,08%, титана не более 0,07% и ванадия не более 0,08% они способствуют измельчению зерна микроструктуры, повышают прочность и пластичность стали, но ведут к удорожанию производства высокопрочных арматурных профилей. В то же время, увеличение концентрации ниобия более 0,08%, титана более 0,07% и ванадия более 0,08% удорожает себестоимость производства высокопрочных арматурных профилей, ухудшает их свариваемость. Это приводит к снижению выхода годного.

Примеры реализации способа

Выплавку сталей различного химического состава производили в электродутовой печи. Для раскисления и легирования сталей в расплав вводили ферросилиций, ферромарганец, ферротитан, феррованадий, ниобий. Химический состав выплавленных сталей приведен в таблице 2.

Таблица 2 Состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание химических элементов, масс.%
С	Si	Mn	Nb	Ti	V	Fe+примеси
1.	0,03	0,14	1,20	0,03	0,02	0,03	Остальное
2.	0,04	0,15	1,30	0,04	0,04	0,05	-:-
3.	0,07	0,22	1,60	0,05	0,06	0,06	-:-
4.	0,17	0,35	1,95	0,08	0,07	0,08	-:-
5.	0,18	0,36	2,00	0,09	0,08	0,09	-:-
6. (прототип)	0,80	1,15	1,40	-	-	-	-:-

Выплавленную сталь подвергают непрерывной разливке при температуре Т_р=1545°С в заготовки квадратного сечения 100×100 мм. Скорость разливки поддерживают равной V_p=0,7 м/мин.

Непрерывнолитые заготовки из низколегированной стали с составом № 3 нагревают в методической печи сортопрокатного стана 350 до температуры аустенитизации Т_а=1200°С и осуществляют многопроходную горячую прокатку арматурных профилей диаметром 28 мм. Прокатку ведут с суммарным коэффициентом вытяжки =16,25. Последний проход осуществляют при температуре Т_кп=1000°С в круглом калибре с винтовыми канавками для формирования периодического арматурного профиля.

Прокатанный арматурный профиль пропускают через трубчатые холодильники, в которых осуществляют его ускоренное охлаждение водой (закалку) от температуры

Т_кп=1000°С до температуры Т_з=340°С со скоростью V_з=100°С/с. Скорость охлаждения регулируют расходом и давлением воды, подаваемой в трубчатые холодильники.

Окончательное охлаждение закаленного арматурного профиля от Т_з=340°С до температуры окружающей среды проводят на воздухе. В процессе охлаждения на воздухе происходит самоотпуск закаленной стали. Микроструктура термоупрочненного арматурного профиля по всему поперечному сечению состоит из мартенсита, нижнего и частично верхнего бейнита. Для такой микроструктуры характерно сочетание высокой прочности, пластичности, ударной вязкости. Благодаря этому достигается повышение качества и выхода годных высокопрочных свариваемых арматурных профилей.

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

Данные, представленные в таблице 3, свидетельствуют о том, что при реализации предложенного способа (варианты № 2-4) достигается наиболее высокое качество высокопрочных свариваемых арматурных профилей при одновременном повышении выхода годного. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты № 1 и 5), а также способа-прототипа (вариант № 6) качество и выход годных высокопрочных профилей снижаются, их свариваемость из-за высокой степени легирования становится неудовлетворительной.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что одновременная оптимизация химического состава стали и параметров деформационно-термической обработки обеспечивают повышение комплекса механических свойств, точное выполнение формы поперечного сечения арматурного профиля. В результате повышается качество (механические свойства, свариваемость) и выход годных Q арматурных профилей.

Использование предложенного способа обеспечит повышение уровня рентабельности производства высокопрочных свариваемых арматурных профилей на 10-15%.

Таблица 3 Режимы производства высокопрочных арматурных профилей и их эффективность
№ варианта	№ состава	Технологические	Режимы	Показатели качества	Q, %
Т р, °С	Vp, м/мин	Та, °С		T кп, °с	Vз, °С/с	Тз °С	в, МПа	т, МПа	5, %	KCU-60, МДж/м2	, град.	Свариваемость
1.	1.	1580	1,0	1260	14,80	1110	49	580	820	560	22	0,4	100	удовл.	84,1
2.	4.	1570	0,9	1250	15,00	1100	50	570	840	610	18	0,7	100	удовл.	99,2
3.	3.	1545	0,7	1200	16,25	1000	100	340	860	630	18	0,7	110	удовл.	99,3
4.	2.	1520	0,6	1150	24,54	900	150	200	865	640	17	0,7	90	удовл.	99,2
5.	5.	1510	0,5	1149	23,12	890	160	190	870	640	13	0,4	83	неудовл.	85,3
6.	6.	1580	0,8	1200	14,12	890	70	800	700	600	10	0,2	45	неудовл.	87,7

Источники информации

1. Патент РФ № 2197340, МПК В21В 1/16, 2003 г.

2. Патент РФ № 2254179, МПК В21В 1/16, 2005 г.

3. Патент РФ № 2212458, МПК C21D 8/06, C21D 1/02, 2003 г. - прототип.