CC BY
94
НАУКОВ1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ
УДК 669.15-194.53
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТКИ
НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ДРОБЛЕНИЯ ФЕРРИТО - ПЕРЛИТНОЙ
СТРУКТУРЫ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ
В. И. Большаков д. т. н.,проф., *А. В. Мурашкин к. т. н., проф., Г. Д. Сухомлин д. т. н., Д. В. Лаухин к. т. н., доц., А. В. Бекетов к. т. н., Т. В. Семёнов, магистр
* ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича»
Ключевые слова: горячая прокатка, феррито - перлитная структура, низкоуглеродистая сталъ, микролегированная сталъ.
Современные тенденции развития строительной индустрии требует от отечественных производителей металлопроката изготовления хорошо свариваемых высокопрочных сталей для металлических конструкций, в том числе ответственного назначения [1]. Это связано, в первую очередь, с необходимостью увеличения этажности и строительства новых зданий в центральных частях мегаполисов.
Отечественные конкурентоспособные стали, которые производятся металлургическими комбинатами для строительной индустрии, не отвечают современным требованиям, предъявляемым к прочности и пластичности. Одним из путей решения этой проблемы является использование в металлических конструкциях высокопрочного экономнолегированного, хорошо свариваемого металлопроката, который используется для производства труб большого диаметра магистральных нефтегазопроводов [2]. При этом необходимым условием использования данного типа сталей в строительстве является снижение анизотропии механических свойств, в том числе и по толщине проката [3].
Высокая анизотропия механических свойств данного типа сталей объясняется, в первую очередь, наличием в структуре металла перлитной полосчатости, которая является следствием технологии производства такого металлопроката - контролируемой прокатки.
Технологическая схема контролируемой прокатки подразумевает двухстадийное деформирование металла: черновую (деформация при температурах существования аустенита) и чистовую деформацию (деформацию в у+а - области) [4]. При этом необходимо отметить, что процессы структурообразования при высокотемпературной деформации в черновой клети листопрокатного стана имеют большое значение для процесса распада аустенита в межкритическом интервале температур, так как они определяют скорость формирования и количество зародышей доэвтектоидного феррита при последующем охлаждении и, как следствие, влияют на конечную структуру и комплекс свойств готового металлопроката [4].
В связи с этим основной целью данной работы являлось исследование влияния температурно-деформационных параметров во время горячего деформирования в аустенитной области и последеформационного охлаждения на процессы формирования зерна феррита и дробления перлитной полосчатости.
В качестве материала для исследований была выбрана сталь 10Г2ФБ, произведенная по технологии контролируемой прокатки на ОАО ММК им. Ильича, как одна из наиболее перспективных для использования в строительстве [5].
Влияние температуры конца деформации в черновой клети на комплекс механических свойств было изучено на основе статистического анализа данных результатов изготовления в заводских условиях партии количеством более 500 листов толщиной 16...22 мм из стали 10Г2ФБ. Температура конца черновой прокатки колебалась от 1 025 до 920 °С при неизменных температурно-деформационных режимах прокатки в чистовой клети (рис. 1).
Анализ данных, приведенных на рисунке 1 показал, что механические свойства, в основном, удовлетворяют требованиям ТУ 14-100 МКИ-02*. При этом необходимо отметить, что прокатки, которые были осуществлены при пониженных температурах конца деформации, показывают тенденцию к более высокому комплексу механических свойств. Например,
завершение прокатки в черновой клети при температуре выше 1 000 °С позволило получить максимальные значения показателей прочности, которые едва достигают среднестатистических значений механических свойств металла, деформированного при температурах порядка 930 °С.
Поскольку при использовании толстого листа в строительных конструкциях (колонны и балки металлического каркаса) металл должен выдерживать более сложные схемы нагрузок, чем в трубах газонефтепроводов, необходимо было скорректировать режимы контролируемой прокатки с целью получения такого структурного состояния металлопроката, при котором будут не только повышены его прочностные и эксплуатационные показатели, и обеспечены необходимые свойства в трех направлениях: вдоль, поперёк и по толщине проката [6]. Наиболее надежным путем решения этой задачи является дополнительное измельчение конечной структуры готовой продукции, которое в случае контролируемой прокатки может быть достигнуто через формирование оптимальной структуры металла на стадии горячей прокатки.
700
(XI
с
£ 650
н
о 600
Т
ф 550
ш
н
сц 500
сг
ш о. 450
с
400
Л'
'а'.и' л' .и .'у v
Л!^
*» • • ••• и • »*»# • • 1
ними *« и* •
м • и 4»•» " ♦ •" *
» ♦ V** «»* «*!»*♦
[ТРЕБОВАНИЯ ТУ|
920
940
960 980 1000 ТЕМПЕРАТУРА,°С
1020
320 280 240
I 200 ? 160
120 80 40
*ч
.V,
.. Л
-г:-.
{ТРЕБОВАНИЯ ТУ]
920
940
960 960 1000 ТЕМПЕРАТУРА,4С
1020
23
ш-26
х 24 ш X ^ 22
Р * 20
О 18 О х
16 14
* 4 «« * •« * 4
• «■•*» «4» *мм«м» «ии* «мим* *«•»*» «»« «•» «*• * • ♦
♦ * м* мм»«» »»ними * чти «****«•* * * «* » * ***** *
« «к«**** «*м*и* 4м»*«м**«ммм «*«* м* 4* «мм *
(ТРЕБОВАНИЯ ТУ|
920
940
960 980 1000 ТЕМПЕРАТУРА,°С
1020
23 ш 26
г.
24
22
20
£ 18
О 9 16
14
► ** *_♦
♦ ♦+ ♦ ♦ ♦ »♦
> *** «•*«« мммаммм «и* «* «
♦ »• » »
920
940
960 980 1000 ТЕМПЕРАТУР А,"С
1020
Рис. 1. Механические характеристики листов, прокатанных при разных температурах конца деформации в черновой клети: а - предел текучести; б - ударная вязкость; в - относительное удлинение (вдоль Н.П.); г - относительное удлинение (поперек Н.П.).
б
а
Основной идеей, положеной в основу разработки такого режима горячей деформации, который способен повысить прочностные и эксплуатационные свойства готового проката без существенного понижения пластичных характеристик, является принцип стабилизации и сохранения полигонизованной структуры гарячедеформованого аустенита вплоть до начала полиморфного превращения. Это может быть осуществлено снижением температуры либо путем ускоренного охлаждения по окончании горячей прокатки с использованием дополнительного оборудования, либо увеличением числа циклов горячей деформации, которые сопровождаются постепенным снижением температуры металла.
В промышленных условиях было исследовано, в какой мере увеличение циклов деформации влияет на формирование конечной структуры проката и на его механические свойства. Для этого были изготовлены опытно-промышленные партии толстого листа с увеличенным на 2, 4, и 6 числом циклов деформации в черновой клети без изменения суммарной деформации. Изучение микроструктуры полученного проката показало, что с увеличением количества циклов деформации уменьшаются размеры зерен и субзерен феррита, а также перлитная полосчатость в готовых листах. Результаты механических испытаний (табл.
1) показывают, что при увеличении числа циклов в черновой клети на 6 предел текучести повышается на 40...50 МПа при практически неизменном уровне относительного удлинения.
Т а б л и ц а 1
Температура прокатки, °С Количество дополнительных циклов деформации От, МПа Ов, МПа 52, %
980 - 525 600 36
950 +2 550 625 36
935 +4 560 635 35
920 +6 575 645 35
Кроме того, с применением увеличенного числа циклов возникла необходимость сократить длительность последующего пребывания раскатов на обводном рольганге перед чистовой прокаткой. Это необходимо для более полного сохранения полигонизованной структуры аустенита к началу у^а превращения, на основе которой возникают более многочисленные и мелкие зародыши феррита, чем в рекристаллизованном (крупнозернистом) аустените. Сокращение времени пребывания на обводном рольганге уменьшает возможность развития рекристаллизационных процессов в полигонизованой структуре феррита перед деформацией в чистовой клети. Во время последующего деформирования в чистовой клети металл приобретает более измельченную конечную феррито-перлитную структуру, которая обеспечивает в готовом прокате повышение комплекса механических свойств в трех направлениях.
На основе полученных данных для использования в промышленных условиях был предложен режим горячей прокатки с увеличением количества проходов в черновой клети до 17 при сокращении на 140 секунд времени пребывания на обводном рольганге. Этот режим был реализован в ходе экспериментальной прокатки толстого листа на стане 3 000 «ММК им. Ильича» (рис. 2).
^1150'С, 6 ч]
О
<
о.
£ 0-
ш [=
ш
11 циклов
50...70'
СУЩЕСТВУЮЩИМ РЕЖИМ
ПРЕДЛОЖЕННЫЙ РЕЖИМ
В Р Е М Я , минуты
Рис. 2. Схема прокатки листа конечной толщины И = 18,7 мм по штатному и предложенному режимам
По предложенному режиму были прокатаны слябы из стали 10Г2ФБ, при этом в черновой клети прокатного стана число циклов деформации было увеличено на 6 при сохранении суммарной деформации неизменной. Температура конца деформации слябов в черновой клети составила в среднем 920 °С, то есть снизилась на 50...70 °С по сравнению со штатной технологией. Микроструктура листов из стали 10Г2ФБ, изготовленных по предложенной технологии, характеризуется высокой дисперсностью и уменьшением перлитной полосчатости (рис. 3), что положительно влияет на механические свойства проката, в том числе по толщине проката.
Рис. 3. Микроструктура толстолистового проката из стали 10Г2ФБ, х500: а, б -поверхность; в, г - середина; а, в - штатная технология; б, г - предложенная
Механические испытания показали, что экспериментальные листы имеют показатели прочности выше, чем изготовленные по штатной технологии, при сохранении высокого уровня
пластичности (табл. 2).
_Т а б л и ц а 2
Технология Направление проката стт, Мпа стВ, Мпа 55, % V, % КСУ"20, Дж/см2
Штатная вдоль 513 ± 24 614 ± 25 22,5 ± 1,8 - -
поперёк 548 ± 33 635 ± 27 20,9 ± 1,9 - 189 ± 84
в 2-напр. 230 ± 25 320 ± 34 - 42 ±5 -
Предложенная вдоль 560 ± 20 660 ± 23 21,2 ± 2,6 - -
поперёк 610 ±21 690 ± 24 19,6 ± 2,4 - 212 ±59
в 2-напр. 450 ± 23 510 ±27 - 68 ±5 -
Одним из дополнительных показателей, важных при применении проката в строительстве, являются улучшенные механические характеристики в направлении, перпендикулярном поверхности, то есть в 2-направлении (определение относительного сужения при разрыве по толщине). Опытный прокат подвергали 2-испытаниям в соответствии со стандартом БК 10164:2005 и оценивали по нормам, отвечающим наивысшему классу качества 235, для которого среднее значение относительного сужения при разрыве образцов должно быть не менее 35 %. Установлено, что фактическое значение относительного сужения в 2-направлении в листах, изготовленных по предложенному режиму, значительно выше, чем в полученных по штатной технологии, и почти в 2 раза превышает нормативное.
Сравнительный анализ структуры и механических свойств листов показал, что преимущества предложенного режима проявляются в большей степени для листов толще, чем 16.20 мм, поскольку при этом повышается влияние условий прокатки в черновой клети.
Поэтому полученные в работе результаты приобретают особенное значение в условиях повышения потребления более толстого листа.
Выводы. 1. Снижение температуры металла путем увеличения числа циклов деформации в черновой клети способствует повышению прочностных характеристик, пластичности и вязкости при низких температурах.
2. Результаты испытаний в 2-направлении показали, что фактическое значение относительного сужения в листах, изготовленных по предложенному режиму, значительно выше, чем по штатному, и почти в 2 раза превышает нормативное.
3. Разработан температурно-деформационный режим горячей деформации низкоуглеродистых микролегированных сталей, который отличается повышенным количеством циклов горячей деформации, что стабилизирует субструктуру аустенита и способствует измельчению ферритного зерна и повышению механических свойств: прочности на 50...70 МПа и стабилизации пластичности и вязкости в готовых листах.
4. Усовершенствованный режим производства листа из стали типа 10Г2ФБ рекомендован к промышленному использованию в условиях ОАО «ММК им. Ильича»; внесены соответствующие изменения в технологическую инструкцию ТИ 227-ПГЛ-15-2006; это способствовало уменьшению рассеивания значений показателей прочности и пластичности готовой продукции и увеличению выхода годной продукции, выработанной за предложенным режимом контролируемой прокатки.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Жербин М. М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование) / Жербин М. М.- К. : Будiвельник, 1974. - 160 с.
2. Экономические предпосылки применения стали повышенной прочности при реконструкции зданий первых массовых серий / В. И. Большаков, О. Ю. Щеглова, Д. А. Вязовая // Матерiалознавство та термiчна обробка матерiалiв. - 2003. - № 2 - 3. - С. 40-45.
3. Большаков В. И. Использование сталей повышенной прочности в новом высотном строительстве и реконструкции / В. И. Большаков, О. В. Разумова. - Д.: Пороги, - 2008. - 216 с.
4. Погоржельский В. И. Контролируемая прокатка / В. И. Погоржельский, Д. А. Литвиненко, Ю. А. Матросов, А. В. Иваницкий. - М. : Металлургия, 1979. - 183 с.
5. Обоснование выбора материала для строительных металлических конструкций / В. И. Большаков, Г. М. Воробьев, Д. В. Лаухин [и др.] // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2008. - Вып. 45, ч. 3. - С. 116 - 122.
6. Лаухин Д. В. Особенности упрочнения низкоуглеродистых сталей, микролегированных ниобием и ванадием: Дисс. канд. техн. наук: 05.02.01 / Лаухин Дмитрий Вячеславович. - Днепропетровск, 2002. - 151 с.
УДК 669.15-194.53:669.112.227.322:548
ОБРАЗОВАНИЕ И РОСТ ПЕРЛИТНЫХ КОЛОНИЙ
В. И. Большаков д. т. н., проф., В. И. Куксенко, Г. Д. Сухомлин д. т. н., А. В. Бекетов к. т. н., Д. В. Лаухин, к. т. н., доц., Т. В. Семёнов, магистр
Ключевые слова: перлитные колонии, ветвление пластин перлита, перлитный распад.
Введение. Перлит является одной из основных структурных составляющих подавляющего большинства сталей, чугунов и некоторых сплавов, поэтому изучению его строения и свойств уделяется много внимания [1 - 5]. Несмотря на это, некоторые вопросы, касающиеся формирования структуры перлита, до настоящего времени остаются дискуссионными. Например, как зарождается колония перлита? Какая фаза является ведущей при её росте? Каковы кристаллографические параметры фаз в колонии? По какому механизму происходит увеличение количество пластин цементитного каркаса? Как можно управлять структурой и свойствами сталей, содержащих перлит? Постоянный интерес к этим вопросам объясняется тем, что перлитную компоненту содержит свыше 90 % металлопродукции.
Основные положения. В сталях с содержанием углерода до 1,7 % при умеренных скоростях охлаждения может иметь место эвтектоидная реакция; углеродистая сталь с 0,8 %
