CC BY
25
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. №16
2004 р.
УДК 621.771:658.562 Хлестов В.М.\ Мурашкин A.B.2, Фролова З.В.3, Рубец A.C.4
ВЛИЯНИЕ ЧЕРНОВОЙ ПРОКАТКИ НА СТРУКТУРУ ШТРИПСОВОЙ СТАЛИ Х70
Снижение температуры завершения черновой прокатки штрипсовой стали Х70 от 980 до 920 а также ускорение подстуживания заготовок сразу после окончания прокатки значительно измельчают аустенитное зерно, формирующееся к моменту начала чистовой прокатки. что существенно повышает дисперсность и однородность конечной микроструктуры в изделиях и сопротивление стали хрупкому разрушению.
Штрипсы (толстые стальные листы для труб магистральных газопроводов) производятся методом контролируемой прокатки в две стадии [1]. На первой - черновой - стадии слябы прокатываются на промежуточную заготовку, называемую подкатом, которая затем после подстуживания на воздухе до заданной температуры прокатывается в чистовой клети на лист требуемой толщины.
К настоящему времени разносторонне исследована роль чистовой прокатки в формировании микроструктуры и механических свойств толстого стального листа [2]. Однако роль черновой прокатки в формировании структуры и свойств изделий изучена недостаточно. Неясно, например, при какой температуре необходимо заканчивать черновую прокатку , чтобы обеспечить условия для формирования наиболее благоприятной конечной микроструктуры и механических свойств изделий в процессе их чистовой прокатки и охлаждения после ее завершения,
В связи с этим в настоящей работе поставлена цель выяснить, как влияют температура завершения чистовой прокатки и скорость подстуживания подкатов на аустенитное зерно, конечную микроструктуру и механические свойства образцов и опытных штрипсов.
Эксперименты были проведены в лабораторных условиях на образцах, а затем в производственных - на изделиях из стали Х70 (07Г2МФБ), химический состав которых приведен в табл. 1.
Таблица 1 - Химический состав исследованных плавок стали Х70
Плавка Содержание элементов по массе, %
С Мп Si S Р Ti Mo Nb V N
А * 0.08 1.57 0.26 0.004 0.011 0.014 0,183 0.052 0.066 0.007
Б 0.07 1.59 0.27 0,004 0.019 0.012 0,182 0,052 0.072 0,008
* Плавку А использовали для лабораторных опытов, а Б - для промышленных.
Образцы размером 10x10x8 мм вырезали из литых слябов производства ММК им,Ильича. Их нагревали и прокатывали на специальной лабораторной установке [3], позволяющей моделировать режимы контролируемой прокатки на малых заготовках. При изучении влияния черновой прокатки на аустенитное зерно и конечную микроструктуру образцы обрабатывали по 9-ти режимам, показанным на рис.1. Аустенитное зерно, формирующееся к моменту начала чистовой прокатки, фиксировали резкой закалкой образцов толщиной 3 мм, прокатанных за пять проходов, а выявляли зерно травлением в насыщенном растворе пикриновой кислоты с добавкой 0,5 % шампуня «Календула» рН 5,5.Изучали его на оптическом микроскопе «1Чсо£Ы».
'ш ТУ, канд.техн.наук, доцент
2ОАО ММК им.Ильича, инженер
ПГТУ. канд.техн.наук, доцент
40А0 ММК им.Ильича, инженер
а б
Рис. 1 - Режимы обработки образцов стали X 70 на аустснитнос зерно (а) и конечную структуру (б)
Из таблицы 2 видно, что величина зерна аустенита существенно зависит от температуры черновой прокатки и в несколько большей мерс - от скорости подстуживания образцов до 800 °С. Так. снижение температурного интервала прокатки от 1060 -980 до 1000-920 С измельчает аустснитнос зерно на 1-1,5 балла. Совместное же влияние понижения температуры деформации и ускоренного подстуживания оказывается весьма значительным: зерно измельчается от 6 балла до 8-9 балла, т.е. на 2-3 балла.
Таблица 2 - Влияние режимов черновой прокатки на балл зерна аустенита
980 950 920
0,6 6 6-7 7-8
6 7 7-8 8
13 7-8 8 8-9
Тк - температура окончания прокатки; Vovl - скорость подстуживания до 800 1 С.
Изучение микростроения аустенита. формирующегося при черновой прокатке, позволило выявить важную особенность его рекристаллизации во время ускоренного охлаждения после завершения деформации при 950 и 980 °С. Эта особенность заключается в том. что в аустените образуется 3 типа зерен: мелкие равноосные, существенно более крупные равноосные и крупные вытянутые зерна (рис.2 б,в). Такое строение аустенита формируется вероятнее всего в результате одновременного протекания в нем рекристаллизации обработки, не успевающей завершиться, и собирательной рекристаллизации тех зерен, которые образовались на ранней стадии процесса, возможно по механизму динамической рекристаллизации. В случае достаточно медленного охлаждения (0,6 °С/с) успевает практически полностью пройти не только рекристаллизация обработки, но также в значительной степени и собирательная рскритисталлизация после деформации при 980 "С, даже после быстрого подстуживания (рис.2 а,в). Только совместное влияние относительно низкой температуры деформации и быстрого подстуживания стали Х70 в значительной мерс подавляет развитие собирательной рекристаллизации и рекристаллизации обработки (рис.2 д.с).
Среди металловедов, работающих в области контролируемой прокатки, доминирует воззрение, что в малоуглеродистых низколегированных сталях, содержащих V и ЫЬ (09Г2ФБ, 07Г2Б. 08Г2МФБ и др.), рекристаллизация аустенита, особенно собирательная, практически
подавлена, если деформация завершается в интервале 980-960 °С [2.4]. А в работе [5] даже обосновывается эмпирическая формула, согласно которой нижний порог рекристаллизации аустенита этих сталей лежит выше 1100 "С. Основываясь на расчетах по этой формуле, авторы работы [6] утверждает, что черновая прокатка стали 07Г2Б (0,1 % ТМЬ) при 1000-980 '"С проходила без рекристаллизации аустснита. Экспериментальные данные настоящей работы, а также ранее выполненной [7], свидетельствуют о том, что в действительности при черновой прокатке, проводимой в интервале 1000-950 "С и во время подстуживания подкатов после завершения деформации активно протекает не только рекристаллизация обработки, но и собирательная рекристаллизация, приводящая к получению достаточно крупного зерна (рис, 2а).
Если бы размер аустенитного зерна в подкатах не влиял на микр о структур у готовых изделий, то температурно-деформационные параметры черновой прокатки можно было бы назначать исходя из технологических характеристик горячей деформации. Однако микроисследование стали Х70 после контролируемой прокатки показало, что условия черновой прокатки и подстуживания образцов- подкатов оказывает большое влияние на конечную структуру. Если черновую прокатку проводили по режиму, моделирующему производственный режим, то формировалась весьма разнозсрнистая структура (рис.За). Здесь необходимо отметить, что и в штрипсах из стали Х65 и Х70 нередко наблюдается микроструктура с еще более значительной разнозернистостостью.
Ускорение под стуж ив ани я образцов-подкатов сразу после завершения черновой прокатки при 980 "С существенно измельчает конечную микроструктуру (рис.3 б, в) и уменьшает ее разнозсрнистость. Примерно к такому же эффекту приводит и снижение температурного интервала завершающей стадии контролируемой прокатки на 60 "С (рис.3 г). Однако, наиболее значительное повышение однородности ферритного зерна и его измельчение достигаются при одновременном воздействии пониженной температуры черновой прокатки и ускоренного охлаждения образцов-подкатов (рис.3 с). Важное значение понижения температуры черновой прокатки до 920 ' С проявляется также в том, что для получения такой дисперсной микроструктуры, как на рис.Зе, можно использовать менее интенсивное подстуживание (6 °С/с вместо 13 °С/с), что весьма важно с технологической точки зрения. В случае завершения черновой прокатки при 950 и тем более при 980 °С такое эффективное измельчение микроструктуры не достигалось не только при скорости подстуживания 6 °С/с, но и - 13 "С/с.
Таким образом, существует прямая связь между размером аустенитного зерна и дисперсностью и однородностью конечной микроструктуры (рис.2 и рис.3); чем мельче аустенитное зерно в подкате, тем дисперснее и однороднее структура в готовом изделии.
Основываясь на данных лабораторных экспериментов и учитывая возможности прокатного стана 3000, были назначены 2 режима опытно-промышленной прокатки штрипсов. 1.Черновая прокатка слябов по действующей технологии, но ускоренное подстуживание подкатов до 870-850 "С, далее на воздухе до температуры начала чистовой прокатки; чистовая прокатка по действующей технологии.
2,Черновая прокатка слябов до 9-го пропуска по действующей технологии, затем подстуживание раскатов до 920 "С. далее завершающие 4-е обжатия; подстуживание подкатов и их чистовая прокатка по действующей технологии.
В полной мере, к сожалению, реализовать эти режимы не удалось. У скорение подстуживания подкатов водяными струями клетьевого гидрозбива окалины оказалось явно недостаточным, а при осуществлении режима 2 из-за разогрева подката при последних проходах черновая прокатка заканчивалась не при 920-910 °С. как планировалось, а при 940 "С.
Механические свойства штрипсов, прокатанных по этим режимам (по 2 на каждый режим), приведены в таблице 3.
Из приведенных данных видно, что небольшое ускорение подстуживания подкатов не оказывает заметного влияния на механические свойства штрипсов, Такой результат не является неожиданным, так как даже ускорение подстуживания до 13 ''С/с приводило лишь к небольшому улучшению микроструктуры (рис. 3 а,в). Микроструктура же в штрипсах.
* В проведении прокатки участвовал Тарасснко О.С
прокатанных по режиму 1 и по заводской (штатной) технологии, была одинаковой, поэтому и нет различий в свойствах.
Таблица 3 — Механические свойства опытных штрипсов толщиной 15,7 мм
Режим прокатки Тч.п., 1 °С Уохл.,1 °С/с Механические свойства (образцы поперечные) '
стт МПа ств, МПа 85, % Ударная вязкость, Дж/см"
КСУ-^
1 980 1,6 610 665 21,5 241 144 1 25
2 940 0,7 600 665 22,0 258 220 | 60
штатный 980 0,7 595 660 20,5 213 145 49
) - температура окончания черновой прокатки; ) -средняя скорость подстуживания подкатов; ^ - стт,ап иб5- средние значения из 2-х испытаний, а КСУ — 6-ти испытаний.
Снижение температуры завершающей стадии прокатки на 40 °С (режим 2) привело к получению положительного результата: несколько повысилась пластичность и существенно улучшилась вязкость при -40 и -60 °С. Микроисследование показало, что в этом случае ферритное зерно измельчалось примерно на полбалла и было более однородным, чем в штатных штрипсах. Если бы удалось понизить температуру черновой прокатки не до 940. а до 920 (>С (как планировалось), то вероятно измельчение микроструктуры и улучшение механических свойств могли быть более значительными.
Из совокупности рассмотренных экспериментальных данных следует. что улучшение конечной микроструктуры и механических свойств стали Х70 предопределяется измельчением аустенитного зерна, происходящем при благоприятных условиях черновой прокатки. Такой связи скорее всего не наблюдалось бы, если зарождение феррита активно протекало, как полагают авторы [2,3], на дефектах кристаллической решетки Т - фазы. Ведь в этом случае должно получаться сверхмелкое зерно феррита, как в мелкозернистом деформированном аустените, так и в крупнозернистом, поскольку плотность дефектов кристаллической решетки чрезвычайно высока и практически одинакова и в мелком и крупном зерне [9]. Однако, в действительности зарождение феррита в деформированном аустените ( и даже в деформируемом) протекает практически только на границах зерен [10]. Поэтому из крупнозернистого аустенита формируется достаточно крупное и неоднородное зерно феррита, а из мелкозернистого - мелкое и даже сверхмелкое зерно. Из приведенного рассуждения следует, что черновая прокатка должна проводиться при таких условиях, которые обеспечивают получение в подкате возможно более мелкого зерна аустенита. Эти условия не соответствуют концепции особо сильного торможения рекристаллизации аустенита в сталях, содержащих V и N1), поэтому она должна быть пересмотрена, так как дезориентирует гехпологов-прокатчиков. Необходимо назначать оптимальные температурно-деформационные параметры черновой прокатки, которые должны быть приемлемыми с точки зрения технологии прокатки и, главное, обеспечивать получение в готовых изделиях наиболее дисперсной и однородной микроструктуры, предопределяющей высокий и стабильный уровень механических свойств. Полученные в настоящей работе данные позволяют утверждать, что такими параметрами при производстве штрипсов из стали Х70 являются: 1) -завершение черновой прокатки (последние 3-4 прохода) при 920-940 °С; 2) -ускоренное (6 -15 °С/с) подстуживание подкатов сразу после окончания их деформации до 870-850 °С, затем на воздухе.
Выводы
1. Понижение температуры черновой прокатки штрипсовой стали Х70 и ускорение подстуживания заготовок сразу после завершения горячей деформации измельчают аустенитное зерно. Наиболее значительно (на 2-3 балла) зерно измельчается при совмещении пониженной температуры (920 °С) завершения деформации с ускоренным (6-13 °С/с) подстуживанием.
2. Аустенитное зерно, сформировавшееся в стали Х70 к началу чистовой прокатки, оказывает большое влияние на конечную феритто-бейнитную структуру. Крупное зерно аустенита обусловливает получение относительно крупного и весьма неоднородного зерна феррита. Наоборот, мелкое зерно аустенита приводит к получению сверхмелкого (13 балла) и гораздо более однородного зерна.
3. Понижение температуры черновой прокатки слябов из стали Х70 от 980 до 940 °С измельчает конечную микроструктуру штрипсов, не снижает их прочность, несколько улучшает пластичность и существенно повышает ударную вязкость KCV при -40 и -60 °С.
Перечень ссылок
1. Технология прокатного производства. Справочник. /Под редакцией Зюзппа В.И. и Третьякова. A.B. - M.: Металлургия, 1991. - 863 с.
2. Матросов Ю,И. Сталь для магистральных трубопроводов /Ю. И. Матросов, Д.А.Литвиненко, С.А Голованенко - М.: Металлургия, 1989. - 289 с.
3. Высокопрочные стальные штрипсы для магистральных труб /А.Штрейселъбергер, Дж.Бауэр, В.Шульц, В.Швинн Я Труды международной конференции «Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке». Т..4 - М.:МеТаллургия, 1994. -91 с.
4. Хлестов В.М. Превращение деформированного аустенита в стали /В.М.Хлестов, Г.К.Дорожко. - Мариуполь: ПГТУ, 2002. - 407 с.
5. Хунка К. Взаимосвязь между микролегированием обработкой и свойствами листовой трубной стали /К.Хулка // Доклады международной научно-технической конференции «Азовсталь - 2002». - М.: Металлургиздат, 2004. - С.43-47.
6. Borretto F. Thermomechanical Processing of Steels and other Materials / F.Borreto, - Isis Tokyo, 1988,- 278 p.
7. Освоение на ОАО MK «Азовсталь» промышленного производства толстолисто вой стали категории прочности Х65 для глубоководного газопровода !Ю.И Матросов, О.В Носоченко , Н.В.Ганошенко и др.: Труды 5-й международной научно-технической конференции «Харцызкий трубный завод».-Крым, 2005. - С.33-43.
8. Хлестов В.М. Влияние параметров контролируемой прокатки на аустенитную и конечную структуру стали 09Г2ФБ /В.М.Хлестов, З.В.Фролова П Изв. Вузов. Черная металлургия. -1989. - №4. - С.68-71.
9. Бернштейн ММ Структура деформированных металлов /М.Л.Бернштейн - М.: Металлургия, 1972.-432 с.
10. KMestov V.M. Effect of deformation in controled rolling on ferrite nucleation iKhiestov V.M.,Konopleva E. V. and McQueen H.J. - Canadian metallurgical Quarterly, 2001. -V.40. - №2. — P.221-233.
Статья поступила 17.02.2006
