不同钢种的冷却和终轧温度

В процессе горячей обработки температура прекращения деформации существенно влияет на микроструктуру стали. Чем выше температура прекращения деформации, тем сильнее тенденция к укрупнению и росту зерен, что приводит к образованию более крупных зерен аустенита. Поэтому температуру прекращения деформации в процессе обработки следует минимизировать насколько это возможно, но, как правило, не ниже Ar3. Таким образом, измельчение зерна и улучшение качества продукции могут быть достигнуты путем контроля процессов прокатки и охлаждения.

Для низкоуглеродистых сталей температура прекращения деформации должна поддерживаться на уровне около 800 °C, но не ниже 750 °C. Для высокоуглеродистых сталей, чтобы предотвратить образование сетчатого цементита, температуру прекращения деформации в процессе обработки следует контролировать на уровне около 850 °C. Если эта температура должным образом согласуется с быстрым охлаждением после прокатки, осаждение проэвтектоидного цементита может быть эффективно подавлено, что позволяет избежать или минимизировать образование сетчатого цементита. Даже если он образуется, он будет тонким и мелкозернистым, легко удаляемым без дополнительных этапов обработки.

В заэвтектоидных углеродистых и легированных сталях избыток цементита (карбида) образует сетчатую структуру вдоль границ зерен после прокатки. Сталь, содержащая такие цементитные сетки, демонстрирует сниженную обрабатываемость в холодном состоянии и повышенную восприимчивость к закалочным трещинам. Для устранения этих сеток требуются сложные термические обработки, которые не всегда эффективны. Поэтому необходимо создать условия, исключающие образование цементитной сетки во время прокатки. Этого можно достичь путем чистовой прокатки при относительно низких температурах и быстрого охлаждения после прокатки. Например, в стали GCr15 перед прокатным станом устанавливаются устройства водяного охлаждения для снижения температуры перед окончательной прокаткой, после чего следует быстрое охлаждение — с помощью продувки сжатым воздухом и последующего переноса в яму медленного охлаждения. Однако медленное охлаждение после прокатки приводит к образованию крупных зерен феррита, снижает предел текучести и повышает температуру хрупкого перехода. Скорость охлаждения зависит от размера поперечного сечения стали; большие сечения трудно быстро охладить. Таким образом, для стали одной и той же марки большие поперечные сечения обычно демонстрируют худшие механические свойства. В зарубежной практике круглые прутки обычно охлаждают на воздухе после прокатки, что напрямую связано с низким содержанием газа в стали. Закалка в воде в процессе прокатки дала бы лучшие результаты, хотя эта технология обычно применяется только к пруткам диаметром менее 75 мм. Системы закалки в воде часто приводят к длинным линиям охлаждения и увеличению инвестиционных затрат. Тем не менее, быстрое охлаждение помогает уменьшить образование вторичных полос. Однако, когда зерна аустенита крупные — особенно в сталях с высоким содержанием марганца — быстрое охлаждение может привести к образованию видманштеттеновой феррита. Поэтому быстрое охлаждение после прокатки должно сочетаться с низкой температурой прекращения деформации. Когда температура прекращения деформации низкая, а зерна аустенита мелкие, даже быстрое охлаждение не вызовет образования видманштеттеновой феррита. После прокатки на прокатных станах среднего размера легированные конструкционные стали диаметром менее 60 мм охлаждают на воздухе, а стали диаметром более 60 мм — в необогреваемых ямах медленного охлаждения. Время, необходимое для охлаждения в яме до 100–150°C, должно составлять не менее 30 часов. Подшипниковые стали склонны к образованию белых пятен, поэтому их следует медленно охлаждать после прокатки или подвергать определенным процедурам термообработки. Во время загрузки температура не должна быть ниже 700°C, а заготовки должны оставаться в яме до тех пор, пока средняя температура не снизится до 100–200°C примерно за 72 часа. Даже при относительно низких температурах конечной прокатки медленное охлаждение может привести к образованию цементитной сетки. Цементитная сетка не образуется, когда охлаждение начинается ниже 650°C. Поэтому, чтобы избежать образования сетки, каждый стержень следует охлаждать индивидуально как можно быстрее непосредственно до температуры ниже 650°C. Скорость охлаждения, необходимая для получения подшипниковой стали без цементитной сетки, зависит от температуры конечной прокатки. Когда температура конечной прокатки находится в диапазоне 900–950°C, скорость охлаждения должна быть не менее 45–50°C/мин. По мере снижения конечной температуры прокатки требуемая скорость охлаждения может быть соответственно уменьшена. Контроль соответствующей конечной температуры чистовой прокатки (близкой к Ac3) и применение подходящих степеней сжатия (приблизительно 40%) в прокатном стане позволяют достичь идеальной микроструктуры и оптимальных механических свойств для низко- и среднеуглеродистых сталей, а также легированных сталей, таких как пружинная сталь и подшипниковая сталь. Для этого перед последними двумя станами прокатного стана устанавливается камера водяного охлаждения, а перед прокатным станом размещается гомогенизирующая секция для обеспечения равномерной внутренней и внешней температуры после быстрого охлаждения. После прокатки стальные изделия могут охлаждаться несколькими способами: 1. На воздухе; 2. В материалах с низкой теплопроводностью; 3. В изоляционных камерах; 4. В изолированных ямах без нагревательного оборудования; 5. В предварительно нагретых изолированных ямах или печах; 6. В изолированных ямах или печах, оборудованных нагревательными устройствами; 7. В воде. Ниже описаны типичные методы контролируемой прокатки и контролируемого охлаждения, используемые для конкретных марок стали: 1. Подшипниковая и пружинная сталь требуют чистовой обработки при низких температурах с последующей выдержкой и медленным охлаждением. Для предотвращения осаждения карбидов подшипниковую сталь следует быстро охлаждать сразу после прокатки, а затем медленно. Температура окончательной прокатки подшипниковой стали должна строго контролироваться в диапазоне 800–850 °C для разрушения карбидов. Если температура окончательной прокатки превышает 900 °C, применяется водяное распыление для быстрого охлаждения стали до 600–650 °C (для предотвращения дальнейшего осаждения карбидов), после чего следует медленное охлаждение. Для этой цели перед прокатным станом устанавливается камера водяного охлаждения для контроля температуры поступающей заготовки. 2. Закаленная и отпущенная сталь (двойная обработка закалкой и высокотемпературным отпуском) имеет микроструктуру отпущенного сорбита. Этот тип стали обладает как высокой предельной прочностью, так и пределом текучести, а также достаточной пластичностью и ударной вязкостью, что обеспечивает превосходные общие механические свойства. Закаленная и отпущенная сталь в основном используется для ответственных компонентов, требующих высокой прочности и подверженных ударным или переменным нагрузкам, таких как шатуны и валы. Согласно плану непрерывной прокатки: 225 000 тонн высококачественной углеродистой конструкционной стали и 225 000 тонн легированной конструкционной стали, что составляет 90% от общего объема производства. Точный контроль температуры таких больших объемов стали обеспечивает значительное преимущество в повышении конкурентоспособности. 3. Высококачественная углеродистая конструкционная сталь и легированная конструкционная сталь относятся к доэвтектоидным сталям. Температура закалки для доэвтектоидных сталей составляет 30–50°C выше AC3. Для круглых прутков диаметром менее 40 мм перед прокатным станом устанавливается резервуар с охлаждающей водой для измельчения зерна и получения мартенситной микроструктуры после закалки. Затем проводится высокотемпературный отпуск — отпуск включает нагрев закаленной стали ниже A1 для преобразования ее в стабильную отпущенную микроструктуру.

Для круглых прутков большего диаметра производители, такие как ABS LUNA в Удине, Италия, внедряют онлайн-контроль температуры. Это предприятие выпускает круглые прутки диаметром от 20 до 100 мм, включая углеродистую сталь, поверхностно-упрочненную сталь, закаленную и отпущенную сталь, микролегированную сталь, подшипниковую сталь, пружинную сталь и нержавеющую сталь. Онлайн-контроль температуры применяется для круглых прутков диаметром от 20 до 90 мм. Учитывая текущее позиционирование продукции Shijiazhuang Steel (Shi Gang), по мере развития требований клиентов, обеспечение автомобильной стали и расширение на новые рынки становится крайне важным. Обеспечение идеальной микроструктуры и оптимальных механических свойств дает конкурентное преимущество. При проектировании процессов охлаждения резервуары для водяного охлаждения следует устанавливать до и после прокатного стана, в первую очередь для круглых прутков диаметром менее 40 мм, для эффективного онлайн-контроля температуры.

Установка резервуара для водяного охлаждения после прокатного стана считается зарубежными экспертами малоэффективной для круглых прутков большого диаметра. Хотя это может удалить окалину и улучшить качество поверхности, это мало способствует измельчению зерна и может вместо этого привести к неоднородности размеров зерна внутри прутка. Внедрение системы контроля температуры в режиме реального времени неизбежно приведет к увеличению длины прокатной линии и росту инвестиций. Существует немного примеров, касающихся длины резервуаров для водяного охлаждения после прокатного стана; только завод ABS LUNA в Италии может похвастаться системой длиной 55 метров.

С учетом долгосрочных требований к разработке и качеству, следует внедрить онлайн-контроль температуры. Установка резервуара с водяным охлаждением после прокатного стана, как минимум, может эффективно удалить окалину и улучшить качество поверхности. Графики нагрева, окончательной прокатки и охлаждения для различных марок стали приведены в таблице 1:

I. Контролируемая прокатка
1. Теория контролируемой прокатки
В процессе горячей прокатки, благодаря правильному контролю нагрева, деформации и температурного режима, твердотельные фазовые превращения могут сочетаться с термопластической деформацией для получения мелкозернистой микроструктуры, что улучшает общие механические свойства стали. Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей контролируемая прокатка в основном измельчает деформированные зерна аустенита за счет точного контроля параметров процесса. В процессе превращения из аустенита в феррит и перлит образуются мелкие зерна феррита и относительно мелкие колонии перлита, что улучшает прочность, ударную вязкость и свариваемость. Для высокоуглеродистых и заэвтектоидных сталей прокатка при контролируемой температуре измельчает деформированные зерна аустенита и выполняет окончательную прокатку вблизи точки превращения аустенита.

2. Горячая прокатка с последующим контролируемым охлаждением (горячая механическая прокатка)
В настоящее время горячая механическая прокатка применяется к круглым пруткам диаметром менее 40 мм, в основном к низкоуглеродистым и низколегированным сталям, с целью измельчения ферритных зерен. Окончательная прокатка проводится при температуре 750–790 °C с водяным охлаждением до и после чистовых проходов. Однако для прутков большего диаметра водяное охлаждение после прокатки приводит к неравномерности температур между поверхностью и сердцевиной, увеличивая риск образования мелких поверхностных трещин. В процессе рекристаллизации различия в размере зерен между сердцевиной и поверхностью приводят к неоднородной микроструктуре по всему поперечному сечению прутка.

3. Нормализация прокатки
Нормализующая прокатка может применяться для круглых прутков диаметром от ∮40 до ∮80 мм. Суммарная деформация за последние четыре прохода должна составлять 50–60%. После поступления в прокатный стан материал подвергается изотермической выдержке при температуре окончательной прокатки 800–850 °C, после чего следует быстрое охлаждение.

4. Прокатка с регулируемой температурой
Температура окончательной прокатки составляет от 850 до 900 °C, после прокатки проводится контролируемое охлаждение для улучшения качества поверхности. Для высокоуглеродистых сталей этот метод позволяет получать более мелкие перлитные колонии; для заэвтектоидных сталей он уменьшает образование сетчатых карбидов. 2. Для производства круглых прутков диаметром от ∮50 до ∮80 из таких марок стали, как 20#, 45#, 20CrMo, 20CrMnTi, 40Cr и 40MnB, компания Shigang Steel может использовать процесс нормализованной прокатки. Однако перед поступлением в прокатный стан для чистовой прокатки требуется изотермическая обработка, что увеличивает технологический пробег, снижает производительность и требует большей деформации на заключительных проходах. Для обеспечения более высокой точности продукции и равномерной деформации по всему поперечному сечению прокатанного изделия целесообразно добавить калибровочный стан, что увеличивает капиталовложения. Для прутков диаметром более ∮80 необходимо использовать прокатку при контролируемой температуре. Для производства пружинных плоских прутков может использоваться горячая прокатка с окончательной прокаткой в двухфазной области феррита и аустенита. Это позволяет измельчить размер зерен аустенита в процессе деформации, а за счет фазового превращения аустенита в феррит и перлит образуются мелкие зерна феррита и относительно мелкие перлитные включения, что повышает прочность и ударную вязкость стали. Однако до и после прокатного стана требуется закалка в воде, что увеличивает объем литьевой массы и продлевает время прокатки. Для подшипниковой стали необходимо применять прокатку с контролируемой температурой на всем протяжении процесса, чтобы предотвратить осаждение карбидов и улучшить качество поверхности. С точки зрения литьевой массы и технологической схемы, компания Shigang Steel использует прокатку с контролируемой температурой, снижая начальную температуру прокатки, точно контролируя конечную температуру прокатки и управляя охлаждением после прокатки для достижения превосходного качества поверхности и благоприятной внутренней микроструктуры.