Развитие научных основ, создание и реализация эффективных технологий прокатки низколегированных стальных полос и листов с повышенными потребительскими свойствами (06.04.2009)

Автор: Денисов Сергей Владимирович

разработка комплексной методологии проектирования новых технологий с помощью специализированной исследовательской системы (СИС);

моделирование напряженно-деформированного состояния металла при горячей прокатке, в том числе, с учетом наличия и поведения поверхностных трещин;

экспериментальные пластометрические исследования сопротивления деформации низколегированных марок стали с изучением процессов рекристаллизации и разупрочнения;

разработка нейросетевой модели и изучение формируемых механических свойств проката в зависимости от температурно-деформационных режимов прокатки на широкополосных станах;

применение комплексной методологии для создания пакета новых технологий получения низколегированного высокопрочного проката;

опробование и внедрение разработанных технологий в практику работы широкополосных станов горячей прокатки.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Создана комплексная методология разработки технологий контролируемой прокатки низколегированных сталей новых марок с достижением уникального сочетания потребительских свойств, отличающаяся тем, что реализуется применением специализированной исследовательской системы (СИС).

2. Создана нейросетевая модель формирования механических свойств проката, отличающаяся тем, что процесс ее обучения выполнен на новых числовых массивах, описывающих температурно-деформационные режимы контролируемой прокатки современных низколегированных сталей на широкополосных станах.

3. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния металла при горячей прокатке, отличающаяся учетом наличия поверхностных трещин и описанием их поведения при формоизменении.

4. Установлены новые зависимости сопротивления деформации низколегированных сталей (05Г1Б, Х70, 10Г2ФБ, Х65) от основных условий контролируемой прокатки – марки стали, температуры металла, степени и скорости деформации, протекания процессов разупрочнения, длительности междеформационной паузы.

5. Определены рациональные параметры деформирования полос в черновой стадии прокатки, отличающиеся учетом длительности междеформационной паузы.

6. Установлены закономерности формирования в металле при его охлаждении после контролируемой прокатки структуры хладостойких и высокопрочных сталей, содержащих в качестве основных легирующих элементов углерод в количестве 0,04-0,07% и марганец 1,3-1,6%, а также дополнительные легирующие элементы Ti, V, Nb, Mo и др.

Практическая значимость работы состоит в следующем.

1. Создана возможность отыскания с применением указанной выше СИС для конкретных условий прокатки и заданной продукции основных технологических параметров (режимов) процесса:

- композиции химического состава стали;

- температурно-деформационных параметров;

- скоростных режимов;

- энергосиловых параметров.

2. Использование разработанной СИС позволило усовершенствовать процесс контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, что отражено в ТИ 101-Я-508-2009 «Производство газонефтепроводных труб», ТИ 101-П-ГЛ10-374-2004 «Горячая прокатка полос на стане «2000» горячей прокатки», ТИ 101- П - ГЛ4 - 71 - 2008 «Горячая прокатка полос на стане «2500» горячей прокатки» и ВТИ 101- П – ГЛ9 - 2 – 2009 «Горячая прокатка листов на стане «5000»».

3. Освоено производство разнообразного рулонного проката новых размеров из низколегированных сталей новых марок для изготовления труб и автомобилестроения. В частности, впервые в РФ разработаны и освоены технологии получения на ШСГП полос из низколегированных сталей толщиной 16,1-20 мм.

4. В результате ОАО «ММК» повысило конкурентоспособность выпускаемой продукции на рынке высокопрочных сталей и вышел на мировые рынки высокотехнологичной наукоемкой продукции. Химический состав новых сталей и технологии их производства защищены 8 патентами РФ.

Всего в рамках представленной работы освоено более 30 новых видов проката в ОАО «ММК». Прокатано на широкополосных станах 2000 и 2500 более 200 тысяч тонн такого металла, в том числе стали новых марок: 05Г1Б, Х70, Х65, S420MC и др. Экономический эффект от внедрения результатов работы в промышленности составил более 160 млн. рублей в год. Доля данной работы в достигнутом эффекте – 30%.

Апробация работы. Представленная диссертационная работа выполнялась более 7 лет. Соответственно ее основные положения и результаты доложены и обсуждены на многочисленных научно-технических конференциях, конгрессах и семинарах различного уровня. Наиболее значимые из них следующие: конгрессы прокатчиков в 2002, 2005, 2007 гг. в г. Магнитогорск, Липецк, Москва, международные конференции – «Трубы 2005, 2006, 2007 и 2008гг.» в г. Челябинске, школы-семинары «Фазовые и структурные превращения в сталях» в 2004, 2006, 2008гг. в г. Магнитогорске, ежегодные научно-технические конференции № 64-66 в г. Магнитогорске, I международная научно-практическая конференция «ИНТЕХМЕТ-2008» в 2008г. в г. Санкт-Петербург, международные конференции «Современные тенденции разработки и производства сталей и труб для магистральных газонефтепроводов», «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей» в 2008г. в г. Москва и др.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 34 печатных работах, среди которых монография, 25 статей (из них 12 в рецензируемых изданиях по перечню ВАК), 8 патентов на новые стали и способы их производства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 322 наименования и 12 приложений. Работа изложена на 352 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 59 таблиц.

Основное содержание работы

В первой главе был проведен литературный обзор существующих способов производства низколегированного проката для получения труб большого диаметра и автомобилестроения, применяемых в металлургической промышленности. При изучении работ Гуляева А.П., Гладштейна Л.И., Пикеринга Ф.Б., Полухина П.И., Клименко В.М., Бровмана М.Я., Полухина В.П., Фонштейн Н.М., Литвиненко Д.А., Зикеева В.Н., Голованенко С.А., Матросова Ю.И., Погоржельского В.И., Перельмана Л.Д., Хайстеркампа Ф., Хулки К., Mohrbacher H., De Ardo A.J., Морозова Ю.Д., Эфрона Л.И., Шабалова И.П., Коцаря С.Л., Белянского А.Д., Мухина Ю.А., Шафигина З.К., Гуркалова П. И. и др., посвященных данной тематике, а также опыта ведущих металлургических заводов России, СНГ и других стран мира отмечено, что среди многообразия способ производства низколегированного проката, используемого для производства труб большого диаметра и автомобилестроения, наиболее перспективным является контролируемая прокатка с последующим ускоренным охлаждением.

Развитие металлургической промышленности в России и за рубежом в последнее время в большой степени определяется потребностями двух самых металлоемких отраслей – автомобилестроение и нефтегазовый комплекс.

В настоящее время протяженность магистральных газопроводов России составляет приблизительно 150 тыс. км, а их металлоемкость примерно 50 млн. т труб.

По оценкам ОАО «Газпром», потребность в трубах большого диаметра в ближайшие годы может достигнуть 4,0 млн.т в год для строительства новых газопроводов и до 400 тыс. т для ремонта существующих.

Для закупки такого количества труб на Западе или на Украине Российской Федерации ежегодно понадобится по самым скромным подсчетам до 8 млрд. дол. США. Эти денежные средства необходимо оставить в Российской Федерации. Для этого требуется разработать технологию производства штрипса из низколегированных марок стали на существующих в Российской Федерации станах требуемой толщины и ширины.

Надежность трубы – это прежде всего реализация высоких требований к качеству металла, потребительские свойства которого определяются его химическим составом и технологией производства. За последние 40 лет требования к материалу полос из которых изготавливаются трубы существенно возросли, что вынуждает технологов радикально совершенствовать химический состав стали и технологические процессы для получения новых видов продукции. Среди многообразия способов производства штрипсов, используемых для производства труб большого диаметра, наиболее перспективным является контролируемая прокатка с последующим ускоренным охлаждением (КП+УО).

Для производства современных автомобилей используется прокат различных категорий прочности. Применение высокопрочных марок стали дает возможность сбалансировать противоречия между необходимостью снижения веса автомобиля и повышения его безопасности.

После многолетнего эволюционного пути наиболее востребованными являются высокопрочные низколегированные стали (HSLA), отличающиеся пониженным содержанием углерода, добавками элементов, повышающих устойчивость аустенита для формирования феррито-бейнитной микроструктуры (Mo, Cr, Ni, Cu) и комплексным микролегированием Ti+Nb+V. Для обеспечения мелкого зерна используется технология КП+УО, характеризующаяся значительными обжатиями (деформациями).

Для разработки технологий контролируемой прокатки полос и листов из новых марок стали возможно использование известных подходов и методик. Анализируя представленную в литературе информацию, можно отметить, что для этих целей компании и исследовательские центры применяют различные методы. Их можно укрупнено классифицировать по 2 видам.

Первый вид разработки новых технологий можно отнести к чисто эмпирическим. Он опирается на сведения, полученные путем анализа литературных данных, и собственный опыт производства аналогичной продукции.

Второй вид предусматривает использование расчетного анализа на основе моделирования некоторых аспектов разрабатываемого процесса. При этом широко используют как статистические подходы с получением регрессионных моделей, так и феномологические с использованием аналитических моделей. Первый тип моделей, как правило, применяют для описания связей «технологические параметры процесса – механические свойства продукции», второй вид - для оценки энергосиловых параметров, причем на уровне инженерных методик.

Вторая глава посвящена разработке специальной исследовательской системы (СИС), включающей пять блоков.

При использовании станов горячей прокатки важное значение имеет наличие достоверного количественного описания явлений, характеризующих технологические процессы. Однако получение такой информации сопряжено со значительными трудностями. Эти трудности вызваны наличием многофакторной связи между параметрами формоизменения, энергосиловыми и другими параметрами, а также одновременным протеканием наряду с пластическим деформированием таких сложных процессов, как формирование микроструктуры – рост зерна, рекристаллизация, выделение карбонитридов, фазовые превращения и физико-механических свойств металла, трансформация дефектов слябов в дефекты на поверхности проката и др. Указанные факторы и процессы, оказывая взаимное влияние друг на друга, требуют системного подхода к их расчетному описанию и исследованию.


загрузка...