Стабилизация свойств от плавки к плавке.

1972 год, НЛМК приступил к производству судосталей. В это время сталь нормальной прочности производилась в соответствии ГОСТ 380-66, который предусматривал производство проката стали 3СП. После того как было изготовлено несколько судов, они развалились при сборке, на стапелях, т.к. суда строили методом сварки.

***(Стапель (судостроение) - сооружение для постройки судна и спуска его на воду. Постройка (сборка) судна на стапеле начинается с его закладки. Как правило, сборку судна на стапеле осуществляют из готовых блоков и секций, изготовленных в специализированных цехах (возможность изготовления блоков и секций «под крышей» позволяет повысить качество их сборки и сократить время изготовления). Одновременно со сборкой корпуса его насыщают крупногабаритным оборудованием. Процесс постройки судна на стапеле завершается его спуском.)***

Установили, что ударная вязкость снизилась с 6 до 5 кДж. В результате экспериментов была установлена зависимость механических свойств стали 3СП.

 

 

При этом содержание углерода изменилось по ГОСТ от 0,14 до 0,22%, а содержание алюминия от 0,005 до 0,07%. Поскольку ГОСТ установлено, что должно находиться в интервале:

 

 

При указанных диапазонах C и Al невозможно получить стабильно требуемое качество Ме. Коридор допускаемых температур конца прокатки и смотки составляет 10-15^о, что невозможно обеспечить в реальных процессах. Поэтому было принято решение о уменьшении содержания углерода в пределах 0,15-0,20, а содержание алюминия 0,03-0,05.

 

Была определена область t_см и t_кп с учетом производительности стана и этот диапазон был внедрен в техническую инструкцию, а изменения состава внесены в ГОСТ 5521 по производству судосталей.

 

 

Поскольку судосталь 4-16 мм толщиной, то необходимо принять меры для обеспечения стабильности свойств во всем диапазоне толщины и стабилизировать свойства от плавки к плавке. По требованиям регистра необходимо было брать пробу от каждого рулона с середины рулона (т.е. свойства меняются).

Необходимо доказать не только стабильность свойств в пределах рулона, но и показать отсутствие временного тренда (влияние погодных условий). В течение года производились испытания, и было установлено отсутствие трендов. Необходимо было вычислить основной источник приводящий к колебаниям мех. свойств.

Как известно для оценки стабильности используют характеристики: математическая статистика и дисперсия.

Суммарная дисперсия определяется хим. составом и дисперсией тех. параметров.(среднее квадратичное отклонение).

 

W- средний размах технол. Параметров ( как изменится t_кп по длине рулона).

dN – табличный параметр, зависящий от объема выборки.

 

Установлено, что основную долю в изменение мех. свойств вносит изменение хим. состава ( по , по , по KCU – 90%)

Для уменьшения разброса провели анализ зависимости мех. свойств от толщины полосы.

 

Где h- толщина полосы, y- свойства, S- содержание серы. , , - средние значения.

Содержание серы особенно важно для ударной вязкости.

Величина и зависят от толщины полосы. Для стабилизации необходимо осуществлять селективное назначение плавок в зависимости от толщины полосы и хим. состава.

 

Отбор проб производили на каждой 10-й плавке.

И если мех. свойства удовлетворяли требованиям стандартов, то никаких изменений не вносили. При изменении мех. свойств- выяснялась причина.

В настоящее время судостали практически не производят.

 

 

«высокопрочные низколегированные стали (ВНС)»

В начале предпочтение отдавалось повышению σ_B поэтому основными легирующими элементами являлись C и Si. Постепенно пришли к выводу что основной характеристикой является σ_Т и обратили внимание что мех. характеристики зависят от размера зерна.

Так же необходимо было увеличить ударную вязкость. Это было связано с переходом заклепок к сварке металлоконструкций. Сварка способствовала развитию ВНС.

Важную роль играет увеличение отношения Mn к S. (соединение MnS).

Стали уделять внимание температурным режимам обработки, т.к. это влияет на структуру стали в значительной мере. Вывод: одним из способов увеличения мех. свойств является контролируемая прокатка (регламентируемая), которая позволяет увеличить прочностные свойства и обеспечить нужную ударную вязкость.

Важный момент – обработка Ме редкоземельными элементами (SiCa, SiBa). Использование таких элементов позволяет избавится от неметаллических включений, что важно при производстве толстолистового проката.

В настоящее время в ККЦ оборудуются специальные установки для дозированного микролегирования металла.

 

«Механизмы упрочнения»

 

1) Именно изменение размера зерна является основным способом повышения прочностных и вязких характеристик.

2) Перлитное упрочнение. Содержание перлита в низкоуглеродистых сталях от 5 до 25%, что оказывает влияние на прочностные характеристики.

3) Дислокационное упрочнение (холодная прокатка ). Увеличение плотности дислокаций влияет на прочностные характеристики.

4) Упрочнение при образовании твердых растворов. C и N – твердые растворы внедрения, остальные – замещения (Mn, Si, Ni).

5) Дисперсное упрочнение. В качестве элементов обеспечивающих упрочнение выступают V, Ti, Nb. Эти элементы образуют карбонитриды, которые выделяются в процессе деформации и приводят к изменению зерна, т.к. являются одним из центров рекристаллизации. (d зерен карбонитридов ≈ 50 ангстрем).

Для обеспечения достаточного упрочнения используют определенный режим контролируемой прокатки, который обеспечивает развитие всех мех. свойств.

 

 

«Принципы разработки ВНС»

Основным механизмом производства конструкций является сварка, низколегированные стали должны обеспечивать возможность процесса. В настоящее время институтом сварки разработан показатель, характеризующий пригодность стали к процессу сварки.

 

 

 

УЭ – углеродный эквивалент. Он выбран исходя из того что при сварке не должно наблюдаться мартенситного превращения.

Mn широко используется для производства низколегированной стали. (09Г2, 09Г2С и т.д.)

При производстве стали учитывают на сколько изменяется критическая температура (t_кр) при легировании стали данным элементом, если увеличится на 15 МПа. Практически все элементы приводят к увеличению критической температуры хрупкости, за исключением Mn и Al. Al связывает N.

 

Эта кривая имеет min т.к. Al должен связать N.

должно быть порядка 8÷10. Дальнейшее увеличение Al приводит к охрупчиванию.

 

 

P + 53

N + 30

C + 10

Si + 8

Mn – 5

Al – 27

 

Перлит не влияет на величину предела текучести, но влияет на t_кр.

Дислокации увеличивают предел текучести на 15 МПа, и увеличивают t_кр на 6^о.

 

1- перлит

2- Дислокации

3- Растворы внедрения

4- Размер зерна

 

Mn существенно влияет на мех. характеристики, т.к. оказывает влияние на структуру и мех. свойства.

1) Mn снижает температуру γ->αпревращения (т.е. увеличивает устойчивость аустенита), что позволяет снизить температуру конца прокатки => уменьшит зерно феррита.

2) Необходимо учитывать, что содержание Mn<1,5% т.к. в противном случае может присутствовать бейнит.

3) Mn связывает S и образует пластич. соединение MnS.

4) Mn способствует перемещению неметаллических включений внутрь зерна и очищает тем самым границы, что влияет на Т_хр

При разработке сталей последнее время используют микролегирование ванадием и ниобием. Ниобий измельчает зерно феррита, особенно при последующей нормализации стали.

 

«Судосталь повышенной прочности А32- Е32»

А и Е отличаются только по величине ударной вязкости. Пример: А = 30Дж при t = +20 ^оС.

Е = 30 Дж при t = -60 ^оС.

Сталь 3СП содержащая 0,015% ванадия имеет характеристики соответствующие маркам А32-Е32, но при определенных температурных режимах. Т.о из одной и той же марки стали можно получать различные мех. характеристики в зависимости от условий прокатки.

Использование Mn влияет на характер излома. Mn увеличивает долю вязкого излома, что важно для строительных конструкций.

DWTT – испытание по вязкости излома.

Следует отметить, что большое внимание уделяется анизотропии ударной вязкости.

 

Во втором образце ударная вязкость выше.

 

 

кантовка снижает анизотропию ударной вязкости.

 

«Контролируемая прокатка»

(регламентированная прокатка)

Регламентированная, т.к. любая прокатка является контролируемой. Контролируемую прокатку используют для низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением.

Контролируемая прокатка – термомеханический процесс обработки стали и сплавов, особенностью которого является: нагрев; механическая обработка; охлаждение Ме на различных стадиях обработки; пониженные температуры при прокатке и как следствие увеличение силовых параметров прокатки.

К.п. позволяет получить структуру с более лучшими мех. свойствами, без большого расхода дефицитных легирующих элементов и без дополнительной ТО.

Принцип: измельчение аустенитного и соответственно ферритного зерна, что приводит к увеличению прочностных и пластических свойств. Решающая роль отводится температуре.

При определенной деформации в аустенитной области выделяют 3 этапа:

1) Выше 1000 ^оС – образуются крупные зерна аустенита и как следствие грубая структура феррита.

2) 900-1000 ^оС – аустенит измельчается повторяющейся рекристаллизацией и в результате – мелкозернистый феррит.

3) Ниже 900 ^оС – мелкозернистый феррит.

3 вида упрочнения ( в процессе прокатки в чистовой группе клетей):

- дислокационный (при перемещении дислокации взаимодействуют друг с другом);

- субструктурный (сопротивление движению дислокаций через их упорядоченное расположение зависит от плотности дислокаций);

- текстурный (упрочнение обусловлено наличием текстуры и анизотропии свойств);

 

Основные различия между контролируемой и обычной прокаткой, по мнению Танаки:

при контролируемой прокатке аустенитное зерно разделяется д……..ми полосами, которые являются центром зарождения феррита.

Сталь после К.П. зачастую имеет смешанную структуру (различные зерна Ф) из-за частичной рекристаллизации аустенита. К.П. осуществляют на толстолистовых станах (стан 3600 Азовсталь, стан 2000 ЧМК и др.)

Улучшение структуры и свойств стали может быть достигнуто:

1) Понижением температуры;

2) Измельчением зерна аустенита при прокатке в чистовой группе;

3) Правильный выбор паузы для подстуживания подката;

4) Оптимальный выбор обжатий в чистовой группе;

КП осуществляется по принципу: Черновая группа -> Выдержка -> Чистовая группа

Выдержка необходима для снижения температуры подката, до той области, где не происходит рекристаллизация. В период выдержки может проходить собирательная рекристаллизация, и получатся крупные зерна аустенита. Для предотвращения этого используют ускоренное охлаждение водой и воздушными смесями.

При прокатке на НШСГП после окончания деформации Ме быстро остывает на отводящем рольганге и медленно в рулонах.

Прокатка осуществляется в зоне рекристаллизации, однако в чистовой группе рекристаллизация уже не происходит.(??) Выдержка полос в рулоне способствует увеличению предела текучести после смотки вследствие выделения большого количества упрочняющих частиц – карбонитридов ниобия и ванадия.

Параметры контролируемой прокатки:

1) Режим и температура нагрева Ме под прокатку;

2) Температура начала прокатки;

3) Величина обжатия и схема прокатки в черновой группе;

4) Величина суммарных деформаций в черновой группе;

5) Подстуживание раската перед чистовой группой и способы его осуществления;

6) Температура начала прокатки в чистовой группе;

7) Режим частных обжатий в чистовой группе;

8) Величина суммарных обжатий в чистовой группе;

9) Температура конца прокатки;

10) Режим охлаждения полосы;

11) Температура смотки полосы;