Контролируемая прокатка

Необходимость внедрения контролируемой прокатки связана с тем, что при обычной прокатке достижение или улучшение одного или нескольких из требуемых параметров прокатываемого металла (механические и служебные свойства, характер микроструктуры и др.) нередко приводило к снижению или ухудшению других свойств проката. Контролируемая прокатка даёт возможность одновременно повысить эти свойства до необходимого уровня и фактически является одной из форм термомеханической обработки (ТМО). Оптимальное сочетание прочности, пластичности, вязкости и мелкозернистости при контролируемой прокатке определяется тремя структурными факторами^[3]:

• получение однородной мелкозернистой структуры с повышением прочности и вязкости;
• дисперсионное упрочнение;
• полигонизация структуры с целью сохранения высокой пластичности.

Контролируемую прокатку успешно применяют для реверсивных толстолистовых станов с длиной бочки рабочих валков до 5000 мм, клети которых могут выдерживать большие усилия прокатки, возникающие в ходе значительных деформаций металла при пониженных температурах конца прокатки. Также эта технология вполне применима и для широкополосных станов горячей прокатки.

Температура нагрева слябов для прокатки на толстолистовом стане находится в интервале 1050—1250 °С. Процесс прокатки охватывает 15—22 проходов с одной или двумя паузами для подстуживания раската. Деформацию осуществляют в три стадии. На первых двух стадиях и в первых проходах третьей стадии производят максимальную деформацию с целью обеспечения необходимой производительности стана. А в последних 3—5 проходах обжатие снижают для получения полигонизированной структуры, суммарное обжатие в этих проходах составляет 50—60 %. Температуру конца прокатки устанавливают в пределах 750—850 °С в зависимости от марки стали. При контролируемой прокатке на широкополосных станах также практикуется понижение температуры раската в чистовой группе клетей, но допускается не снижение обжатий в этой группе, а наоборот, их увеличение^[3][4].

Контролируемая прокатка активно используется не только для толстолистовых и широкополосных станов, но и для производства длинномерной продукции на мелкосортных и проволочных станах^[5]. Основные варианты её применения сводятся к следующим:

• установка степени заключительной деформации не менее 15—29 %;
• оптимизация прокатного оборудования для обеспечения финальной прокатки при больших обжатиях и низких температурах (до 750 °С), в том числе использование более высокопрочных и износостойких марок стали для изготовления прокатных валков;
• изменение технологии для прокатки более длинных прутков с целью улучшенного выравнивания температуры по длине раската (и соответствующее увеличение диаметра бунтов катанки);
• создание участков охлаждения и выравнивания температуры профиля, позволяющих получить требуемый режим охлаждения проката (установка более длинных секций холодильника с несколькими линиями охлаждения).

Для достижения целей контролируемой прокатки используют регулирование следующих параметров^[3][6].

1. Температура аустенитизации (температура нагрева металла под прокатку), которая определяет исходное состояние стали. При нагреве под прокатку протекают два процесса: растворение карбонитридов и рост зерна аустенита. От температуры нагрева под прокатку зависит степень пересыщения твёрдого раствора и, следовательно, интенсивность последующего упрочнения феррита. Если при нагреве под прокатку не происходит полного перехода карбонитридов в твёрдый раствор, то нерастворившиеся частицы не оказывают упрочняющего действия на сталь.

2. Температура конца прокатки, влияющая на требуемое измельчение зерна феррита. Его можно достигнуть чрез различные механизмы:

• снижение температуры аустенитизации для уменьшения зерна исходного аустенита;
• замедление рекристаллизации аустенитного зерна за счёт их своевременного выделения;
• понижение температуры (γ → α)-превращения путём более быстрого охлаждения металла;
• предотвращение роста зерна феррита при помощи образовавшихся карбонитридов.

3. Деформационный режим прокатки (распределение обжатий по проходам, особенно в 3—5 последних проходах), когда в металле активно идут процессы структурообразования (динамическая полигонизация и динамическая рекристаллизация). Было установлено, что увеличение суммарной степени деформации до 60 % в последних проходах при температуре (γ → α)-превращения оказывает наиболее благоприятное влияние на комплекс механических свойств.

4. Время пауз между проходами. Основная идея заключается в том, что при прокатке толстых листов (например, из низколегированных сталей) максимальный уровень прочности металла достигается за счёт дискретного режима горячей деформации стали в двух температурных интервалах: черновая прокатка при 1200—1080 °С, а чистовая — ниже 850 °С. Спрейерное охлаждение и отсутствие деформации в температурном интервале 1080—850 °С предотвращает выделение грубых карбонитридов, которые не способствуют измельчению феррита и не оказывают упрочняющего влияния.

5. Режимы заключительного охлаждения (скорость охлаждения перед смоткой и температура смотки), определяющие степень дисперсионного упрочнения проката и, следовательно, его прочность, пластичность и вязкость. Для этого полосу после прокатки подвергают спрейерному охлаждению, а смотку в рулоны проводят при температуре ниже (γ → α)-превращения.

Контролируемая прокатка имеет две основные технологические схемы^[2].

Низкотемпературная контролируемая прокатка (НКТП).

Она применяется, главным образом, на реверсивных станах для производства толстолистового проката, который в дальнейшем используется для изготовления магистральных трубопроводов большого диаметра. Технология НКТП включает три стадии многопроходной горячей деформации с регламентированными разовыми и суммарными обжатиями. Деформация осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации аустенита, в результате при повторной рекристаллизации происходит измельчение его зерна, а также на­клёп и полигонизация феррита с последу­ющим охлаждением со скоростью до 15—20 °С/с. НКТП даёт возможность добиться резкого повышения (на 100—150 МПа) прочности и особенно вязкости горячекатаного металла вследствие вы­деления мелкодисперсных карбидных час­тиц. Однако, необходимость значительных разовых обжатий (до 20 %) при пониженных температурах окончания горячей деформации (700—780 °С) обусловливает большие нагрузки на валки чистовых клетей, что требует приме­нения для НТКП специализированных прокатных станов и, соответственно, сужает области применения этой технологии, в частности, для сортового и фасонного проката.

Высокотемпературная (рекристаллизационная) контролируемая прокатка (ВКТП).

Структурно-технологические принципы ВТКП базируются на фазовых превращениях в Fe-C сплавах, когда мелкозернистая ферритно-перлитная структура в результате горячей деформации сопровождается перекристаллизацией аустенита с образованием достаточно мелкого зерна. В ходе этого процесса в горячедеформированном аустените выделяются дис­персные карбонитридные фазы, препятствующие росту зерна. ВТКП в России наиболее полно реализована на Нижнетагильском металлургическом комбинате (ЕВРАЗ НТМК) при производстве сортовых и фасонных профилей из микролегированных сталей типа 18САТЮ и 12ГСАФТЮ.