ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ

Термическая обработка — самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных заводах термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса. Все процессы термической обработки состоят из следующих операций: нагрев, выдержка и охлаждение.

Рисунок 1. Схема термической обработки

Охлаждение изделий при термической обработке.

Охлаждение является важным этапом всех процессов термической обработки стали, особенно выполняемых при нагреве выше температуры фазовых превращений. В зависимости от состава стали одинаковая интенсивность охлаждения приводит к реализации различных видов термической обработки.

Задачей технологии термической обработки является выбор условий охлаждения для осуществления заданных превращений в металле с целью достижения требуемых свойств в поверхностных слоях и по сечению изделий.

Охлаждающие среды.

Для осуществления различных операций термической обработки используют медленное охлаждение в печах, охлаждение на воздухе и в специальных охлаждающих средах (жидких или газообразных). Наиболее распространены жидкие охлаждающие среды.

Ранее в качестве охлаждающих сред в основном применяли воду, масло и воздух.

Недостаток воды — высокая охлаждающая способность в интервале температур мартенситного превращения и опасность возникновения трещин.

Недостатки масла: недостаточная для закалки изделий из углеродистых сталей охлаждающая способность в интервале температур перлитного превращения, высокая стоимость, пожароопасность, загазованность помещений и т. п. Попытки заменить масло привели к разработке весьма большого числа новых закалочных сред, представляющих водные растворы различных веществ с регулируемой в широком диапазоне охлаждающей способностью.

По характеру охлаждения все охлаждающие среды делят на два вида:

1.  Среды, не испытывающие изменений агрегатного состояния во всем диапазоне температур охлаждения изделий (от температуры нагрева изделий до температуры охлаждающей среды): воздух, газы, металлические плиты, расплавы солей и щелочей, псевдожиженный (кипящий) слой, расплавы металлов и сплавов.

2.  Среды, претерпевающие изменения агрегатного состояния в связи с их кипением на поверхности охлаждаемых изделий: охлаждение в воде, применение водо-воздушных смесей, охлаждение в масле, охлаждение в водных растворах полимеров и низкомолекулярных органических соединениях.

В этих средах в связи с их кипением интенсивность охлаждения изменяется с понижением температуры поверхности изделий.

Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства низкоуглеродистой трубной стали.

Упрочнение низкоуглеродистых микролегированных сталей путем применения контролируемой прокатки (КП) нашло широкое применение в практике производства плоского проката из высокопрочных трубных сталей. Развитие технологии позволило корректировать их состав в сторону снижения содержания углерода и легирующих элементов, определяющих закономерности распада переохлажденного аустенита за счет управления термодеформационными условиями проката и внедрения посдедеформационного ускоренного охлаждения (УО).

На формирование структуры низкоуглеродистых легированных сталей при непрерывном охлаждении в аустенитной области в существен­ной мере влияет перераспределение углерода между образующимися ферритом и бейнитной α-фазой, с одной стороны, и непревращенной частью аусте­нита — с другой. В стали 05Г2МФБ этот эффект обусловливает при малых скоростях охлаждения (по­рядка 0,3—0,01°С/с) образование верхнего бейнита, а при больших — приводит к возникновению мартен­сита с повышенным содержанием углерода. Пластическая деформация на 23% при 820°С не вносит каких-либо принципиальных изменений в формировании структуры при последующем охлаж­дении со скоростями 0,1;4 0,9; 2,8 и 52°С/с. Однако после охлаждения со скоростями 0,1—2,8°С/с дефор­мированные образцы имеют более мелкое ферритное зерно, чем недеформированные. После охлаждения со скоростью 52°С/с бейнитная структу­ра деформированных образцов также оказалась более дисперсной, чем недеформированных. Механические характеристики и средний размер ферритного зерна (d_зер) стали 05Г2МФБ представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Механические характеристики и средний размер ферритного зерна (d_зер) стали 05Г2МФБ. (В числителе — свойства и d_зер недеформированной стали, в знаменателе – после прокатки при 820°С, 23 % физический предел текучести)

Наименьший уровень прочностных свойств стали 05Г2МФБ наблюдается после охлаждения со скоро­стью 0,1°С/с, когда формируется феррито-перлитная структура. Увеличение скорости охлаждения до 0,9 и до 2,8°С/с приводит к определенному повышению пределов текучести и прочности, причем относительное сужение также растет, а относитель­ное удлинение практически не меняется (таблица 1). Наиболее высокий уровень прочностных характери­стик и относительного сужения обеспечивает охлажде­ние со скоростью 52°С/с, при котором формируется преимущественно бейнитная структура.

Влияние ускоренного охлаждения на структуру и свойства сталей для газопроводных труб большого диаметра.

С целью модернизации технологической схемы производства толстых листов ответ­ственного назначения и приведения ее в со­ответствие с мировым уровнем техники на ме­таллургических комбинатах, таких как ПАО МК «АЗОВСТАЛЬ», применяется современная установка ускоренного контролируемого охлаждения (УКО).

Важным критерием качества охлаждения является симметрия охлаждения верхней и нижней сторон листа, что обеспечивается соот­ношением потоков воды низ:верх 3:1.

Скорость охлаждения раската зависит от тем­пературы начала и окончания охлаждения, тем­пературы охлаждаемой воды, толщины листа, скорости движения листа по рольгангу и интен­сивности потока воды.

Принципиальное отличие новой технологии ускоренного контролируемого охлаждения от традиционной контролируемой прокатки (КП) заключается в том, что благодаря ускоренному охлаждению устраняется необходимость в проведении деформации в (γ+α)-области при температурах ниже точки A_r3. Это позволяет значительно облегчить условия эксплуата­ции оборудования чистовой клети и существен­но повысить производительность прокатных листовых станов (примерно на 15—20 %).

В таблице 2 приведены механические свойства листов из сталей Б415/Х60, Б450/Х65, Х70 и Х80, изготовленных на ПАО МК «АЗОВСТАЛЬ» по техноло­гии ускоренного контролируемого охлаждения. Для сравнения приведены механические свойства листов таких же сталей, но произведенных по традиционной технологи­ческой схеме контролируемой прокатки.

Таблица 2.

Средние значения механических свойств листов исследованных сталей

Из данных таблицы 2 видно, что после обработки по технологии УКО наблюда­ется существенно более высокая энергия удара на образцах Шарпи, чем после КП. Осталь­ные механические свойства остаются на сопоста­вимом уровне.

На рисунке 2 приведены фотографии микро­структуры исследованных сталей при оптическом увеличении.

Рисунок 2. Микроструктура листов из стали Х70 после обработки по технологии КП (а) и УКО (б)

После обработки по технологии КП с охлаждением на воздухе в исследованных сталях наблюдаются существенная вытянутость зерен феррита в плоскости прокатки и ферритно-перлитная полосчатость. В случае применения про­цесса УКО формирует­ся микроструктура, состоящая из игольчатого феррита, бейнита и небольших включений оста­точного аустенита (МА-фаза). Перлитная полос­чатость в микроструктуре отсутствует в связи с недостаточно длительным пребыванием металла при ускоренном охлаждении при температурах формирования перлита.

Ускоренное охлаждение после контролируемой прокатки является эффективным способом совершенствования микроструктуры и повышения основных свойств толстолистового проката, предназначенного для изготовления электросварных газонефтепроводных труб большого диаметра. Высокая скорость охлаждения после горячей пластической деформации в режиме КП приводит к формированию микроструктуры, способствующей повышению механических свойств трубных сталей — прочности и сопротивления вязкому разрушению при низких климатических температурах. Кроме того, применение процесса УКО обеспечивает существенную экономию легирующих и микролегирующих элементов, что позволяет уменьшить себестоимость производства листа.

Влияние системы ламинарного охлаждения на структуру и свойства листового проката.

Автоматическое управление системы ламинарного охлаждения проката (СЛОП) основано на мате­матической модели охлаждения полос, разработанной ДонНИИчерметом, и позволяет поддерживать заданную тем­пературу смотки с отклонением ±10 °С для проката толщиной до 4 мм и ±15°С для проката толщиной свыше 4 мм.

Конструкционные особенности и ав­томатическое управление СЛОП позво­ляют использовать различные режимы охлаждения полос.

Возможность управления включени­ем и выключением секций по длине сис­темы позволяет получать различные мик­роструктуры проката за счет варьирова­ния скорости (условий) охлаждения.

Меньшая длина и большая пропускная способность СЛОП обеспечивают требуемую температуру смотки за меньшее время, т. е. за счет по­вышения скорости охлаждения. В связи с этим для обеспечения необходимых ме­ханических свойств проката разрабатывают и уточняют температурно-скорост­ные режимы охлаждения полос различных марочного и размерного сортаментов.

Увеличение скорости охлаждения полос на отводящем рольганге стана за счет повышения температуры конца прокатки при неизменной температуре смотки позволяет получить структуру с более мелким зерном, что обеспечивает механические свойства проката по 345-му классу прочности и по 12-й и 15-й категориям (ГОСТ 19281).

Внедрение СЛОП позволяет повысить стабильность механических свойств на всем сортаменте горячекатаной продукции.

Заключение.

1.  Влияние различных скоростей охлаждения на структуру и свойства низкоуглеродистой трубной стали, наглядно показы­вает перспективность применения контролируемой прокатки с посдедеформационным ускоренным охлаждением. Это позволяет получать преимущественно бейнитную структуру игольчатой и глобулярной морфологии, при которой сталь имеет не только более высокие значения пре­делов текучести и прочности, но и большие относительное удлинение и ударную вязкость. Такая струк­тура обеспечивает высокую ударную вязкость как при комнатной температуре испытания в условиях вязкого транскристаллитного разрушения, так и при отрица­тельных температурах при разрушении квазисколом. Пластическая деформация, осуществляемая перед регламентированным охлаждением, обеспечивает до­полнительное упрочнение стали с бейнитной структу­рой при одновременном повышении ударной вязкости при отрицательных температурах.

2.  Применение технологии ускоренного охлаждения листового проката позволяет облегчить условия работы оборудования листопрокатных станов в результате снижения усилий прокатки в чистовой стадии деформации и повысить их производительность при производстве трубных сталей на 15—20 %. При этом, совершенствуется микро­структура, состоящая из смеси игольчатого фер­рита и бейнита по всей толщине листа, благодаря чему обеспечивается необходимое упрочнение при меньшем расходе легирующих элементов и повышается ударная вяз­кость стали, увеличивая работу разрушения на об­разцах Шарпи на 50—120 Дж. А это имеет существенное значение для повышения эффективности произ­водства трубных сталей.

3.  Система ламинарного охлаждения обеспечивает требуемые механические свойства с использованием различных режимов охлаждения, соответствующих марочного и размерного сортаментов, за счет получения микроструктуры с минимальной разнозернистостью по толщине проката. Внедрение на предприятиях СЛОП приведет к увеличению выхода годного по механическим свойствам с 97,1 до 98,9 % и повышению стабильности их распределения, как по длине полос, так и в целом по партиям.

Список литературы:
1.    Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки стали. — М.: Металлургия, 1986. — 424 с.
2.    Иванцов О.В., Каскин Б.К., Васькин А.М., Вивенцов А.С., Зимаков Е.А. Стабилизация механических свойств проката после реконструкции системы ламинарного охлаждения НШПС 1700. Металлург № 2, 2005, С. 42—44.
3.    Матросов Ю.И., Цкитишвили Э.О., Попов Е.С., Коновалов Г.Н., Холодный А.А. Ускоренное охлаждение после контролируемой прокатки при производстве толстолистовых трубных сталей на стане 3600 «МК» АЗОВСТАЛЬ». Металлург № 9, 2013, С. 77—82.
4.    Минаев А.А., Устименко С.М. Контролируемая прокатка сортовой стали. — М.: Металлургия, 1990. 176 с.
5.    Овчинников В.В. Технология термической обработки. — М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА — М, 2013. — 320 с. — (Профессиональное образование).
6.    Пышминцев И.Ю., Борякова А.Н., Смирнов М.А. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства низкоуглеродистой трубной стали. Металлург № 8, 2008, С. 48—51.