EP4206337A1 - Grobblech und thermomechanisches behandlungsverfahren eines vormaterials zur herstellung eines grobblechs - Google Patents

Grobblech und thermomechanisches behandlungsverfahren eines vormaterials zur herstellung eines grobblechs Download PDF

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EP4206337A1
EP4206337A1 EP21218236.4A EP21218236A EP4206337A1 EP 4206337 A1 EP4206337 A1 EP 4206337A1 EP 21218236 A EP21218236 A EP 21218236A EP 4206337 A1 EP4206337 A1 EP 4206337A1
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EP
European Patent Office
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temperature
cooling rate
thickness
rolling
heavy plate
Prior art date
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Pending
Application number
EP21218236.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rupert Egger
Martin Klima
Erik Parteder
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Voestalpine Grobblech GmbH
Original Assignee
Voestalpine Grobblech GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voestalpine Grobblech GmbH filed Critical Voestalpine Grobblech GmbH
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Priority to PCT/EP2022/088050 priority patent/WO2023126506A1/de
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Definitions

  • the invention relates to a heavy plate and a thermomechanical treatment method of a starting material, in particular a slab, for the production of a heavy plate consisting of a steel alloy.
  • thermomechanical treatment process In order to increase the toughness, especially the low-temperature toughness, of a heavy plate made of a steel alloy, WO2011/079341A2 a thermomechanical treatment process is known in which the starting material is hot-rolled in several stages and accelerated between two hot-rolling passes to below the Ar3 temperature and then inductively heated to above the Ac3 temperature. After the last hot rolling pass, a two-stage cooling to room temperature takes place - first with an accelerated cooling rate by water quenching to a cooling stop temperature below Ar3 and finally with cooling at room temperature.
  • these heavy plates have the disadvantage of low uniform elongation Ag, which limits their use in earthquake zones, for example.
  • thermomechanical treatment process for the production of a heavy plate with which an improved uniform elongation Ag can be achieved reproducibly on the heavy plate despite high toughness values.
  • the invention solves the problem set by the features of claim 1.
  • the steel alloy in each case in % by weight) 0.02 to 0.1 carbon (C), 1.0 to 2.0 manganese (Mn), 0.1 to 0.80 silicon (Si), 0.010 to 0.15 aluminum (Al), ⁇ 0.050 Phosphorus (P) and ⁇ 0.010 Sulfur (S) on.
  • the steel alloy can be used individually or in combination from the group (each in % by weight): 0 to 0.75 copper (Cu) 0 to 3.0 Nickel (Ni) 0 to 0.20 vanadium (V) 0 to 0.003 boron (B) exhibit.
  • the desired microstructure consisting of ferrite, bainite and optionally martensite, can be produced more reproducibly in the steel alloy according to the invention in order to achieve high uniform elongation Ag with high toughness.
  • the lower limit for the cooling rate KR2 of the starting material can be 16 °C/s for a heavy plate with a thickness of 25 mm.
  • the lower limit for the cooling rate KR2 of the starting material can be 3.9 °C/s for a heavy plate with a thickness of 80 mm.
  • An exemplary upper limit based on the above formula for cooling rates KR2 for a heavy plate with a thickness of 25 mm is 78.6 °C/s - for a heavy plate with a thickness of 80 mm this is 5.9 °C/s.
  • the range for the second cooling rate KR2 for the thinner heavy plate (starting material after final forming) is in the range from 16 °C/s to 78.6 °C/s and for the thicker heavy plate (starting material after the final forming) can be in the range from 3.9 °C/s to 5.9 °C/s according to the invention.
  • the thicknesses are to be used in mm (millimeters) and the temperatures in °C and the cooling rates in °C/s.
  • the ratio of the second cooling rate KR2 to the first cooling rate KR1 is at least 2:1, this can further increase the uniform elongation Ag if the toughness is sufficiently high.
  • the ratio of the second cooling rate KR2 to the first cooling rate KR1 is at least 3:1, this can lead to an optimum balance between toughness and uniform elongation Ag in the case of stressed steel alloys.
  • the first cooling rate (KR1) is preferably ⁇ 5° C./s, particularly preferably ⁇ 3° C./s, which makes it easier to handle the method and can also further improve the reproducibility for a high uniform elongation Ag with high toughness.
  • the first temperature is T1 in degrees Celsius ⁇ are 1 + 0.1 ⁇ are 3 ⁇ are 1 2 and ⁇ are 1 + 1.9 ⁇ are 3 ⁇ are 1 2
  • a first temperature T1 in this range can, among other things, reproducibly lead to a maximum of uniform elongation Ag in the steel alloy according to the invention.
  • the second temperature T2 is preferably in the range from 450° C. to 100° C., preferably in the range from 400° C. to 150° C., particularly preferably in the range from 400° C. to 250° C., in order to set the structure for high toughness and in this way an optimum combination of high strength, uniform elongation and toughness can be set.
  • Cooling from the second temperature to room temperature in a third stage at a third cooling rate KR3, with the third cooling rate KR3 ⁇ second cooling rate KR2, can further improve the mechanical characteristics of the steel alloy.
  • the third cooling rate KR3 is ⁇ 5° C./s, preferably ⁇ 3° C./s, because—in terms of process technology—the cooling can be carried out unaccelerated in air.
  • the starting material can be inductively heated for this purpose, which can be advantageous for the overall duration of the production route, since this reduces both the cycle time and the heating rate can be set very high.
  • heating can also take place via thermal radiation - this represents a particularly simple and robust method for heating.
  • End forming is preferably carried out to a thickness of the plate in the range from 8 to 150 mm (millimeters), in particular to a thickness of the plate in the range from 25 to 120 mm.
  • the invention solves the problem set by the features of claim 14.
  • the heavy plate produced by the thermomechanical treatment process can have a yield strength ratio (R p0.2 /R m ) of ⁇ 0.7.
  • This heavy plate can preferably have a yield point ratio (R p0.2 /R m ) of ⁇ 0.70.
  • This heavy plate can preferably have a yield point ratio (R p0.2 /R m ) of ⁇ 0.65.
  • the heavy plate has a thickness in the range from 8 to 150 mm.
  • the heavy plate can have a thickness in the range from 25 to 120 mm.
  • the heavy plate preferably has a yield point R p0.2 >550 N/mm 2 (Newton per square millimeter), in particular a yield point R p0.2 (0.2% yield point) >590 N/mm 2 , in order to have a comparatively high to guarantee strength.
  • This heavy plate can therefore be particularly suitable as a longitudinally welded pipe for a natural gas pipeline or as a construction material, especially in a seismically active region.
  • the respective cooling rate (KR1, KR2, KR3) or heating rate from the initial temperature to the final temperature is an average value, namely a cooling rate or heating rate from the initial temperature to the final temperature averaged over the thickness of the starting material.
  • Both heavy plates A, B have the same steel alloy 0.04% by weight (C) carbon, 1.63% by weight (Mn) manganese, 0.34% by weight (Si) silicon, 0.04% by weight (Al) aluminum, 0.012% by weight (P) phosphorus, 0.001% by weight (S) sulphur, 0.17% by weight (Cr) chromium, 0.02% by weight (Mo) molybdenum, 0.035% by weight (Nb) niobium, 0.014% by weight (Ti)titanium, 0.0003% by weight (B) boron, 0.0045% by weight (N) nitrogen and the remainder iron (Fe) and impurities that are unavoidable as a result of production, each with a maximum of 0.05% by weight and a maximum of 0.15% by weight in total.
  • the primary material, namely the slab, of the respective heavy plate A, B is heated 4 to above the Ac3 temperature, namely 1100° C. (degrees Celsius), for example with a slab heating device.
  • the starting material is then partially formed by first rolling W1.
  • accelerated cooling 5 namely quenching, preferably water quenching, with which the starting material is cooled from the first final rolling temperature, which is above Ac3, to below the Ar3 temperature, namely - as in 1 recognizable - the primary material is cooled or quenched to below the Ar1 temperature.
  • quenching preferably water quenching
  • the starting material leaves the second rolling W2 with a second final rolling temperature EW2 ⁇ Ar3, namely 830 °C.
  • EW2 ⁇ Ar3 a second final rolling temperature
  • other heating sources are also conceivable, for example sources with radiant heat. This rapid heating, be it inductive or with radiant heat etc., takes place at a minimum of 12°C/min.
  • This second roll W2 which can also be referred to as end rolls, is followed by two different multi-stage coolings 3 to room temperature (which is usually between 0 and 60 degrees Celsius, for example 20 degrees Celsius in these processes).
  • the starting material of the heavy plate A is accelerated from the second final rolling temperature to a temperature below Ar1 by water quenching at 30° C./s, namely quenched. This is followed by cooling at 0.1° C./s in still air at ambient temperature as the second immediately following second stage 7b of cooling 3 to room temperature RT.
  • the multi-stage cooling 3 according to the invention can be seen from the starting material of the heavy plate B.
  • the starting material is cooled at a first cooling rate KR1, namely 0.6 °C/s, from the second final rolling temperature EW2 to a first temperature T1 between Ar3 and Ar1, namely 720 °C (Centigrade).
  • the starting material is quenched from the first temperature T1 to a second temperature T2 ⁇ Ar1, namely 150° C., at a second cooling rate KR2, namely 30° C./s.
  • a second cooling rate KR2 namely 30° C./s.
  • room temperature RT which has not been detailed.
  • the first cooling rate KR1 ⁇ second cooling rate KR2 specifically by a factor of 3 less than the second cooling rate KR2.
  • a third stage 8c with a third cooling rate KR3 from the second temperature T2 to room temperature RT in still air at ambient temperature can be seen in the multi-stage cooling.
  • the third cooling rate KR3 is preferably 0.1° C./s.
  • accelerated cooling can be understood to mean faster cooling than cooling at room temperature and still air, which is also often referred to as quenching.
  • a block or a billet is also conceivable as the starting material.
  • first and/or second rolling can consist of one or more part-rolls with possibly several part-rolling steps (passes), which is possible, for example, by reversing rolling.
  • the uniform elongation A g of the heavy plate B was increased from 8.9% to 14.7%, ie by 5.8% compared to heavy plate A. Heavy plate B therefore enables a significantly higher energy dissipation capacity, ie energy absorption capacity.
  • heavy plate B undergoes plastic deformation more quickly than heavy plate A (cf. 0.2% yield strength R p0.2 ), but it still occurs with heavy plate B much later to failure (cf. A g ).
  • This property is particularly advantageous when used in earthquake-prone regions or seismically active regions, where the dissipation capacity of the material is crucial.
  • the heavy plate B produced according to the invention can therefore be particularly suitable, for example, as longitudinally welded pipes for natural gas pipelines or in steel construction in seismically active regions. Due to the high uniform elongations, components made from this heavy plate B have a high energy dissipation capacity. It is also conceivable to use it as a building material in steel construction in the production of welded I-beams with advantageous behavior in the event of a hole reveal failure.

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Abstract

Es wird ein Grobblech und ein thermomechanisches Behandlungsverfahren eines Vormaterials, insbesondere einer Bramme, zur Herstellung des Grobblechs bestehend aus einer Stahllegierung gezeigt. Um vorteilhafte mechanische Kennwerte am Grobblech schaffen zu können, wird vorgeschlagen, dass eine mehrstufige Abkühlung mit optional zumindest einem Richten nach dem Endumformen erfolgt, in dem in einer ersten Stufe (8a) nach dem zweite Walzen (W2) mit einer ersten Abkühlrate (KR1) von einer zweiten Endwalztemperatur, insbesondere ≥ Ar3, des zweiten Walzens (W2) auf eine erste Temperatur (T1) zwischen Ar3 und Ar1 abgekühlt und in einer nachfolgenden zweiten Stufe (8b) mit einer zweiten Abkühlrate (KR2) von der ersten Temperatur (T1) auf eine zweite Temperatur (T2) < Ar1 abgekühlt wird, wobei erste Abkühlrate (KR1) < zweite Abkühlrate (KR2) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Grobblech und ein thermomechanisches Behandlungsverfahren eines Vormaterials, insbesondere einer Bramme, zur Herstellung eines Grobblechs bestehend aus einer Stahllegierung.
  • Um die Zähigkeit, besonders die Tieftemperaturzähigkeit, eines Grobblechs aus einer Stahllegierung zu erhöhen, ist aus der WO2011/079341A2 ein thermomechanisches Behandlungsverfahren bekannt, bei dem das Vormaterial mehrstufig warmgewalzt und zwischen zwei Warmwalzstichen beschleunigt auf unter Ar3-Temperatur abgekühlt und induktiv auf über Ac3-Temperatur erwärmt wird. Nach dem letzten Warmwalzstich erfolgt eine zweistufige Abkühlung auf Raumtemperatur - zunächst mit einer beschleunigen Abkühlrate durch Wasserabschrecken bis zu einer Kühlstopptemperatur unterhalb von Ar3 und abschließend mit einer Abkühlung bei Raumtemperatur. Trotz hoher Tieftemperaturzähigkeit weisen diese Grobbleche nachteilig eine geringe Gleichmaßdehnung Ag auf, was deren Verwendung beispielsweise in Erdbebengebieten beschränkt.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein thermomechanisches Behandlungsverfahren zur Herstellung eines Grobblechs zu schaffen, mit dem reproduzierbar am Grobblech trotz hoher Zähigkeitswerte eine verbesserte Gleichmaßdehnung Ag erreicht werden kann.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Indem bei einer mehrstufigen Abkühlung in einer ersten Stufe nach dem zweiten Walzen mit einer ersten Abkühlrate KR1 von einer zweiten Endwalztemperatur, insbesondere ≥ Ar3, des zweiten Walzens auf eine erste Temperatur zwischen Ar3 und Ar1 abgekühlt und in einer nachfolgenden zweiten Stufe mit einer zweiten Abkühlrate KR2 von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur < Ar1 abgekühlt wird, wobei erste Abkühlrate KR1 < zweite Abkühlrate KR2 ist, kann im Gegensatz zum Stand der Technik eine verzögerte Gefügeumwandlung angestoßen werden, die zu einer erheblichen Verbesserung in der Gleichmaßdehnung Ag des Grobblechs führt. Es wird angenommen, dass durch die vergleichsweise geringe erste Abkühlrate KR1 sich aus dem austenitischen Gefüge Ferrit ausscheiden kann, welcher eine geringere Löslichkeit für Kohlenstoff (C) besitzt als dies bei Austenit der Fall ist. Daher kann sich Kohlenstoff vom Ferrit in den verbliebenen Austenit verlagern und sich dort anreichern. Bei Anwendung einer vergleichsweise hohen zweiten Abkühlrate KR2 zur weiteren Abkühlung des Vormaterials kann sich dann ein mehrphasiges Gefüge bestehend aus Ferrit und Bainit oder Ferrit und Martensit (in Abhängigkeit der Legierung, Dicke des Grobblechs, Abkühlrate KR2 und ersten Temperatur für diesen Kühlbeginn) ausbilden. Eine gegenüber der zweiten Abkühlrate reduzierte erste Abkühlrate auf eine Temperatur zwischen Ar3 und Ar1 lässt nämlich gerade jene Gefügeumwandlung zu, die für die Gleichmaßdehnung ausschlaggebend ist. In der nachfolgenden zweiten Stufe wird das Vormaterial beschleunigt abgekühlt, beispielsweise abgeschreckt, was den Zähigkeitsverlust am Grobblech beschränken kann. Je nach Bedarf (also optional) kann die mehrstufigen Abkühlung auch ein Richten oder andere Verfahrensschritte umfassen. Das erfindungsgemäße Grobblech mit einer Stahllegierung, aufweisend (jeweils in Gew.-%)
    • 0,01 bis 0,20 Kohlenstoff (C),
    • 0,5 bis 2,50 Mangan (Mn),
    • 0,05 bis 0,80 Silizium (Si),
    • 0,01 bis 0,20 Aluminium (Al),
    • < 0,05 Phosphor (P),
    • < 0,01 Schwefel (S) und
    als Rest Eisen (Fe) sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, beispielsweise mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-%, kann daher im Gegensatz zum Stand der Technik reproduzierbar bei vergleichsweise hohen Zähigkeitswerten auch eine besonders hohe Gleichmaßdehnung aufweisen. Optional kann diese Stahllegierung auch einzeln oder in Kombination aus der Gruppe:
    0 bis 1,5 Chrom (Cr)
    0 bis 1,0 Molybdän (Mo)
    0 bis 1,0 Kupfer (Cu)
    0 bis 5,0 Nickel (Ni)
    0 bis 0,30 Vanadium (V)
    0 bis 0,20 Titan (Ti)
    0 bis 0,20 Niob (Nb)
    0 bis 0,005 Bor (B)
    0 bis 0,015 Stickstoff (N)
    0 bis 0,01 Kalzium (Ca)
    aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Stahllegierung (jeweils in Gew.-%))
    0,02 bis 0,1 Kohlenstoff (C),
    1,0 bis 2,0 Mangan (Mn),
    0,1 bis 0,80 Silizium (Si),
    0,010 bis 0,15 Aluminium (Al),
    < 0,050 Phosphor (P) und
    < 0,010 Schwefel (S)
    auf.
  • Optional kann die Stahllegierung einzeln oder in Kombination aus der Gruppe (jeweils in Gew.-%):
    0 bis 0,75 Kupfer (Cu)
    0 bis 3,0 Nickel (Ni)
    0 bis 0,20 Vanadium (V)
    0 bis 0,003 Bor (B)
    aufweisen.
  • Indem beispielsweise die zweite Abkühlrate (KR2) in Grad Celsius ≥ C 1 min + C 2 min Dicke Nmin ∗ e − C 3 min ∗ Dicke
    Figure imgb0001
     mit C1min = 0,5, C2min = 69,7, C3min = 0,02148 und Nmin = 0,3 und Dicke = Dicke des Grobblechs in Millimetern ist, kann mit dieser Untergrenze im Verfahren die gewünschte Gefügeausbildung, bestehend aus Ferrit, Bainit und gegebenenfalls Martensit, bei der erfindungsgemäßen Stahllegierung reproduzierbarer erzeugt werden, um hohe Gleichmaßdehnung Ag bei hoher Zähigkeit zu erreichen.
  • Beispielhaft kann die Untergrenze für die Abkühlrate KR2 des Vormaterials 16 °C/s für ein Grobblech mit einer Dicke von 25 mm betragen. Die Untergrenze für die Abkühlrate KR2 des Vormaterials kann 3,9 °C/s für ein Grobblech mit einer Dicke von 80 mm betragen.
  • Als ausreichend kann sich herausstellen, wenn die zweite Abkühlrate (KR2) in Grad Celsius ≤ C 1 max + C 2 max Dicke Nmax ∗ e − C 3 max ∗ Dicke
    Figure imgb0002
     mit C1max = 1,5, C2max = 12294,5, C3max = 0,02264 und Nmax = 1,43 und der Dicke = Dicke des Grobblechs in Millimetern ist. Denn mit dieser Obergrenze kann im Verfahren die gewünschte Gefügeausbildung besonders reproduzierbar erzeugt werden, um hohe Gleichmaßdehnung Ag bei hoher Zähigkeit zu erreichen.
  • Eine beispielhafte Obergrenze anhand obiger Formel für Abkühlraten KR2 für ein Grobblech mit einer Dicke von 25 mm beträgt 78,6 °C/s - für ein Grobblech mit einer Dicke von 80 mm beträgt diese 5,9 °C/s.
  • Dies bedeutet in Kombination, dass in diesem Beispiel der Bereich für die zweite Abkühlrate KR2 für das dünnere Grobblech (Vormaterial nach dem Endumformen) im Bereich von 16 °C/s bis 78,6 °C/s und für das dickere Grobblech (Vormaterial nach dem Endumformen) im Bereich von 3,9 °C/s bis 5,9 °C/s erfindungsgemäß liegen kann. Bei allen Formelangaben sind die Dicken in mm (Millimeter) und die Temperaturen in °C und die Kühlraten in °C/s zu verwenden.
  • Beträgt das Verhältnis von der zweiten Abkühlrate KR2 zur ersten Abkühlrate KR1 mindestens 2:1, kann dies bei ausreichend hoher Zähigkeit die Gleichmaßdehnung Ag weiter erhöhen. Insbesondere wenn Verhältnis von der zweiten Abkühlrate KR2 zur ersten Abkühlrate KR1 mindestens 3:1 beträgt, kann dies bei beanspruchten Stahllegierung zu einem Optimum in der Ausgewogenheit von Zähigkeit und Gleichmaßdehnung Ag führen.
  • Vorzugsweise beträgt die erste Abkühlrate (KR1) ≤ 5 °C/s, besonders bevorzugt ≤ 3 °C/s, was die Handhabung des Verfahrens erleichtern und auch die Reproduzierbarkeit für eine hohe Gleichmaßdehnung Ag bei hoher Zähigkeit weiter verbessern kann.
  • Vorzugsweise ist die erste Temperatur T1 in Grad Celsius ≥ Ar 1 + 0,1 ∗ Ar 3 − Ar 1 2
    Figure imgb0003
     und ≤ Ar 1 + 1,9 ∗ Ar 3 − Ar 1 2
    Figure imgb0004
  • Eine in diesem Bereich liegende erste Temperatur T1 kann unter anderem reproduzierbar zu einem Maximum an Gleichmaßdehnung Ag bei der erfindungsgemäßen Stahllegierung führen.
  • Vorzugsweise liegt die zweite Temperatur T2 im Bereich von 450 °C bis 100 °C bevorzugt im Bereich von 400 °C bis 150 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 400 °C bis 250 °C, um damit das Gefüge für eine hohe Zähigkeit einzustellen und derart eine optimale Kombination aus hoher Festigkeit, Gleichmaßdehnung und Zähigkeit eingestellt werden kann.
  • Wird in einer dritten Stufe mit einer dritten Abkühlrate KR3 von der zweiten Temperatur auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei die dritte Abkühlrate KR3 < zweite Abkühlrate KR2 ist, kann dies die mechanischen Kennwerte der Stahllegierung weiter verbessern.
  • Beispielsweise ist die dritte Abkühlrate KR3 ≤ 5 °C/s, bevorzugt ≤ 3 °C/s, weil damit - verfahrenstechnisch erleichtert - die Kühlung unbeschleunigt an Luft erfolgen kann.
  • Vorzugsweise wird auf die zweite Walzanfangstemperatur für ein zweites Walzen mit einer Heizrate von mindestens 12°C/min erwärmt.
  • Beispielsweise kann hierfür das Vormaterial induktiv erwärmt werden, was vorteilhaft für die Gesamtdauer der Herstellungsroute sein kann, da damit sowohl die Taktzeit reduziert als auch die Heizrate sehr hoch eingestellt werden können. Alternativ kann auch eine Erwärmung über eine Wärmestrahlung erfolgen - dies stellt ein besonders einfaches und robustes Verfahren zur Erwärmung dar.
  • Vorzugsweise wird auf eine Dicke des Grobblechs im Bereich von 8 bis 150 mm (Millimeter), insbesondere auf eine Dicke des Grobblechs im Bereich von 25 bis 120 mm, endumgeformt.
  • Es ist zudem die Aufgabe der Erfindung ein Grobblech zu schaffen, das trotz hoher Zähigkeitswerte eine verbesserte Gleichmaßdehnung Ag aufweist.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 14.
  • Erfindungsgemäß kann das durch das thermomechanische Behandlungsverfahren hergestellte Grobblech ein Streckgrenzenverhältnis (Rp0.2/Rm) von < 0,7 aufweisen. Vorzugsweise kann dieses Grobblech ein Streckgrenzenverhältnis (Rp0.2/Rm) von < 0,70 aufweisen. Vorzugsweise kann dieses Grobblech ein Streckgrenzenverhältnis (Rp0.2/Rm) von < 0,65 aufweisen.
  • Beispielsweise weist das Grobblech eine Dicke im Bereich von 8 bis 150 mm auf. Insbesondere kann das Grobblech eine Dicke im Bereich von 25 bis 120 mm aufweisen.
  • Vorzugsweise weist das Grobblech eine Streckgrenze Rp0.2 > 550 N/mm2 (Newton pro Quadratmillimeter), insbesondere eine Streckgrenze Rp0,2 (0,2 %-Dehngrenze) > 590 N/mm2, auf, um eine vergleichsweise hohe Festigkeit garantieren zu können.
  • Damit kann sich dieses Grobblech als längsnahtgeschweißtes Rohr für eine Erdgaspipeline oder als Baumaterial, speziell auch in einer seismisch aktiven Region, besonders eignen.
  • Im Allgemeinen wird erwähnt, dass bei einem Vormaterial aufgrund dessen vergleichsweise hohen Dicke sich über die Dicke des Vormaterials verschiedenste Abkühlraten und/oder Heizraten ausbilden. Beispielsweise kann eine Abkühlrate auf der Außenseite des Vormaterials wesentlich höher sein als jene Abkühlrate in seinem Kern. Daher ist die jeweilige Abkühlrate (KR1, KR2, KR3) oder Heizrate von der Anfangstemperatur bis zur Endtemperatur ein Durchschnittswert, nämlich eine über die Dicke des Vormaterials gemittelte Abkühlrate oder Heizrate von der Anfangstemperatur bis zur Endtemperatur.
  • In den Figuren ist beispielsweise der Erfindungsgegenstand anhand einer Ausführungsvariante näher dargestellt. Es zeigen
    • Fig. 1
    Temperaturprofile von zwei thermomechanischen Behandlungsverfahren und
    Fig. 2
    ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm zu zwei Grobblechen, hergestellt durch je ein thermomechanisches Behandlungsverfahren nach Fig. 1.
  • Nach Fig. 1 werden zwei Temperaturprofile 1, 2 eines thermomechanischen Behandlungsverfahrens zur Herstellung eines Grobblechs A, B aus einer Stahllegierung dargestellt. Beide Grobbleche A, B weisen die gleiche Stahllegierung mit
    0,04 Gew.-% (C) Kohlenstoff,
    1,63 Gew.-% (Mn) Mangan,
    0,34 Gew.-% (Si) Silizium,
    0,04 Gew.-% (Al) Aluminium,
    0,012 Gew.-% (P) Phosphor,
    0,001 Gew.-% (S) Schwefel,
    0,17 Gew.-% (Cr) Chrom,
    0,02 Gew.-% (Mo) Molybdän,
    0,035 Gew.-% (Nb) Niob,
    0,014 Gew.-% (Ti) Titan,
    0,0003 Gew.-% (B) Bor,
    0,0045 Gew.-% (N) Stickstoff
    und als Rest Eisen (Fe) sowie herstellungsbedingt unvermeidliche Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% auf.
  • Nach Fig. 1 ist zu erkennen, dass das erste Temperaturprofil 1 und das zweite Temperaturprofil 2 sich am Ende des Verfahrens, der mehrstufigen Abkühlung 3 auf Raumtemperatur, unterscheiden. Die vorangehenden Verfahrensschritte sind gleich.
  • So durchlauft das Vormaterial, nämlich Bramme, des jeweiligen Grobblechs A, B eine Erwärmung 4 auf über Ac3-Temperatur, nämlich 1100 °C (Grad Celsius), beispielsweise mit einer Einrichtung zur Brammenerwärmung.
  • Das Vormaterial wird anschließend durch erstes Walzen W1 teilumgeformt.
  • Dem schließt ein beschleunigtes Abkühlen 5, nämlich Abschrecken, vorzugsweise Wasserabschreckung, an, mit dem das Vormaterial von der ersten Walzendtemperatur, die über Ac3 liegt, auf unter Ar3-Temperatur abgekühlt wird, nämlich - wie in Fig. 1 zu erkennen - wird das Vormaterial auf unter Ar1-Temperatur abgekühlt bzw. abgeschreckt.
  • Dem folgt unmittelbar eine schnelle, bevorzugt induktive, Erwärmung 6 auf über Ac3-Temperatur, mit welcher Temperatur als Walzanfangstemperatur das Vormaterial einem zweiten Walzen W2 auf eine Dicke des Grobblechs (Enddicke des Vormaterials) endumgeformt wird.
  • Das Vormaterial verlässt das zweite Walzen W2 mit einer zweiten Endwalztemperatur EW2 ≥ Ar3, nämlich 830 °C. Anstatt des induktiven Erwärmens ist sind auch andere Heizquellen vorstellbar, beispielsweise Quellen mit Strahlungswärme. Dieses schnelle Erwärmen, sei es nun induktiv oder mit Strahlungswärme etc., erfolgt mit mindestens 12°C/min.
  • An dieses zweite Walzen W2, was auch als Endwalzen bezeichnet werden kann, schließen zwei unterschiedliche mehrstufige Abkühlungen 3 auf Raumtemperatur (welche üblicherweise bei diesen Verfahren zwischen 0 und 60 Grad Celsius liegt, beispielsweise 20 Grad Celsius beträgt) an.
  • So wird das Vormaterial des Grobblechs A in einer ersten Stufe 7a der Abkühlung 3 nach dem zweiten Walzen W2 von der zweiten Endwalztemperatur auf eine Temperatur unter Ar1 beschleunigt durch Wasserabschrecken mit 30 °C/s abgekühlt, nämlich abgeschreckt. Daran schließt eine Abkühlung mit 0,1 °C/s an ruhender Luft bei Umgebungstemperatur als zweite unmittelbar nachfolgende zweite Stufe 7b der Abkühlung 3 auf Raumtemperatur RT an.
  • Die erfindungsgemäße mehrstufige Abkühlung 3 ist am Vormaterial des Grobblechs B zu erkennen. Hier wird nach dem zweiten Walzen W2 in einer ersten Stufe 8a das Vormaterial mit einer ersten Abkühlrate KR1, nämlich 0,6 °C/s, von der zweiten Endwalztemperatur EW2 auf eine erste Temperatur T1 zwischen Ar3 und Ar1 abgekühlt, nämlich auf 720 °C (Grad Celsius).
  • In einer unmittelbar nachfolgenden zweiten Stufe 8b wird das Vormaterial mit einer zweiten Abkühlrate KR2, nämlich 30 °C/s, von der ersten Temperatur T1 auf eine zweite Temperatur T2 < Ar1, nämlich auf 150 °C, abgeschreckt. Es kann aber auch auf Raumtemperatur RT abgeschreckt werden, was nicht näher dargestellt worden ist.
  • Wie in der Fig. 1 zu erkennen, ist die erste Abkühlrate KR1 < zweite Abkühlrate KR2, nämlich um deutlich einen Faktor 3 kleiner als die zweite Abkühlrate KR2.
  • Nach Fig. 1 ist bei der mehrstufigen Abkühlung eine dritte Stufe 8c mit einer dritten Abkühlrate KR3 von der zweiten Temperatur T2 auf Raumtemperatur RT an ruhender Luft bei Umgebungstemperatur zu erkennen. Vorzugsweise beträgt die dritten Abkühlrate KR3 0,1 °C/s.
  • Im Allgemeinen wird erwähnt, dass unter einem beschleunigten Abkühlen eine schnellere Abkühlung als eine Abkühlung bei Raumtemperatur und ruhender Luft verstanden werden kann, was auch oftmals als Abschrecken bezeichnet wird.
  • Als Vormaterial ist auch ein Block oder ein Knüppel denkbar.
  • Zudem kann das erste und/oder zweite Walzen aus einem oder mehreren Teilwalzen mit eventuell mehreren Teilwalzschritten (Stichen) bestehen, was beispielsweise durch ein reversierendes Walzen möglich ist.
  • Dieser Verfahrensunterschied in der mehrstufigen Abkühlung 3 führt bei den Grobblechen A, B zu den nach Tabelle 2 angeführten mechanischen Kennwerten. Spannung σ und Dehnung ε wurden mit mittels Zugversuch (Zugprüfung laut Norm DIN EN 10002-1) und die Zähigkeit wurde mittels einer Kerbschlagbiegeprüfung laut Norm DIN EN ISO 148-1 ermittelt. Tabelle 1: Kennwerte
    Grobblech Rp0.2 Rm Ag Rp0.2/Rm Kerbschlagarbeit bei -80 °C [J]
    [N/mm2] [N/mm2] [%]
    A 519 598 8,9 0,87 398
    B 369 602 14,7 0,61 130
  • Wie der Tabelle 1 und auch der Fig. 2 zu entnehmen, wurde die Gleichmaßdehnung Ag des Grobblechs B von 8,9 % auf 14,7 %, d. h. um 5,8 % gegenüber Grobblech A erhöht. Grobblech B ermöglicht daher ein deutlich höheres Energiedissipationsvermögen, also Energieaufnahmevermögen.
  • Bei geringen Dehnungen (vgl. 0,2 %-Dehngrenze Rp0,2) erfolgt bei Grobblech B zwar eine plastische Verformung rascher als bei Grobblech A (vgl. 0,2 %-Dehngrenze Rp0,2), dennoch kommt es bei Grobblech B wesentlich später zum Versagen (vgl. Ag).
  • Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft in der Anwendung in erdbebengefährdeten Regionen bzw. seismisch aktiven Region, in denen das Dissipationsvermögen des Werkstoffs entscheidend ist.
  • Das erfindungsgemäß hergestellte Grobbleche B kann sich daher beispielsweise als längsnahtgeschweißte Rohre für Erdgaspipelines oder im Stahlbau in seismisch aktiven Regionen besonders eignen. Durch die hohen Gleichmaßdehnungen weisen aus diesem Grobblech B hergestellte Bauteile ein hohes Energiedissipationsvermögen auf. Denkbar ist auch der Einsatz als Baumaterial im Stahlbau in der Erzeugung von geschweißten I-Trägern mit einem vorteilhaften Verhalten bei Lochlaibungsversagen.
  • Im Allgemeinen wird erwähnt, dass gemäß der DIN EN 10052 folgende Definitionen bestehen:
    • Ac3: Temperatur, bei der die Umwandlung des Ferrits in Austenit bei einem Wärmen endet.
    • Ar1: Temperatur, bei der die Umwandlung des Austenits in Ferrit oder in Ferrit und Zementit bei einem Abkühlen endet.
    • Ar3: Temperatur, bei der die Bildung des Ferrits bei einem Abkühlen beginnt.

Claims (17)

  1. Thermomechanisches Behandlungsverfahren eines Vormaterials, insbesondere einer Bramme, zur Herstellung eines Grobblechs bestehend aus einer Stahllegierung, aufweisend jeweils in Gew.-% 0,01 bis 0,20 Kohlenstoff (C), 0,5 bis 2,50 Mangan (Mn), 0,05 bis 0,80 Silizium (Si), 0,01 bis 0,20 Aluminium (Al), < 0,05 Phosphor (P), < 0,01 Schwefel (S),
    optional einzeln oder in Kombination aus der Gruppe: 0 bis 1,5 Chrom (Cr) 0 bis 1,0 Molybdän (Mo) 0 bis 1,0 Kupfer (Cu) 0 bis 5,0 Nickel (Ni) 0 bis 0,30 Vanadium (V) 0 bis 0,20 Titan (Ti) 0 bis 0,20 Niob (Nb) 0 bis 0,005 Bor (B) 0 bis 0,015 Stickstoff (N) 0 bis 0,01 Kalzium (Ca)
    und als Rest Eisen (Fe) sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, welches Behandlungsverfahren folgende Schritte umfasst:
    Erwärmen auf über Ac3-Temperatur und Teilumformen durch ein erstes Walzen (W1),
    beschleunigtes Abkühlen nach dem ersten Walzen (W1) von einer ersten Walzendtemperatur auf unter Ar3-Temperatur, insbesondere auf unter Ar1-Temperatur,
    Erwärmen nach diesem beschleunigten Abkühlen auf eine zweite Walzanfangstemperatur für ein zweites Walzen (W2) über Ac3-Temperatur und Endumformen durch dieses zweite Walzen (W2) auf eine Dicke des Grobblechs und
    mehrstufige Abkühlung mit optional zumindest einem Richten nach dem Endumformen, indem
    in einer ersten Stufe (8a) nach dem zweiten Walzen (W2) mit einer ersten Abkühlrate (KR1) von einer zweiten Endwalztemperatur, insbesondere ≥ Ar3, des zweiten Walzens (W2) auf eine erste Temperatur (T1) zwischen Ar3 und Ar1 abgekühlt und
    in einer nachfolgenden zweiten Stufe (8b) mit einer zweiten Abkühlrate (KR2) von der ersten Temperatur (T1) auf eine zweite Temperatur (T2) < Ar1 abgekühlt wird,
    wobei erste Abkühlrate (KR1) < zweite Abkühlrate (KR2) ist.
  2. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abkühlrate (KR2) in Grad Celsius ≥ C 1 min + C 2 min Dicke Nmin ∗ e − C 3 min ∗ Dicke
    Figure imgb0005
     mit
    C1min = 0,5
    C2min = 69,7
    C3min = 0,02148
    Nmin = 0,3
    und
    Dicke = Dicke des Grobblechs in Millimetern.
  3. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abkühlrate (KR2) in Grad Celsius ≤ C 1 max + C 2 max Dicke Nmax ∗ e − C 3 max ∗ Dicke
    Figure imgb0006
     mit
    C1max = 1,5
    C2max = 12294,5
    C3max = 0,02264
    Nmax = 1,43 und
    Dicke = Dicke des Grobblechs in Millimetern.
  4. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von der zweiten Abkühlrate (KR2) zur ersten Abkühlrate (KR1) mindestens 2:1, insbesondere mindestens 3:1, beträgt.
  5. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abkühlrate (KR1) ≤ 5 °C/s, besonders bevorzugt ≤ 3 °C/s, ist.
  6. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T1) in Grad Celsius ≥ Ar 1 + 0,1 ∗ Ar 3 − Ar 1 2
    Figure imgb0007
     und ≤ Ar 1 + 1,9 ∗ Ar 3 − Ar 1 2
    Figure imgb0008
     ist.
  7. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur (T2) im Bereich von 450 °C bis 100 °C, insbesondere im Bereich von 400 °C bis 150 °C, bevorzugt im Bereich von 400 °C bis 250 °C, liegt.
  8. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer dritten Stufe (8c) mit einer dritten Abkühlrate (KR3) von der zweiten Temperatur (T2) auf Raumtemperatur abgekühlt wird, wobei die dritte Abkühlrate (KR3) < zweite Abkühlrate (KR2) ist.
  9. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Abkühlrate (KR3) ≤ 5 °C/s, bevorzugt ≤ 3 °C/s, ist.
  10. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zweite Walzanfangstemperatur für ein zweites Walzen (W2) mit einer Heizrate von mindestens 12°C/min erwärmt wird.
  11. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Dicke des Grobblechs im Bereich von 8 bis 150 mm, insbesondere auf eine Dicke des Grobblechs im Bereich von 25 bis 120 mm, endumgeformt wird.
  12. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung jeweils in Gew.-% 0,02 bis 0,1 Kohlenstoff (C), 1,0 bis 2,0 Mangan (Mn), 0,1 bis 0,80 Silizium (Si), 0,010 bis 0,15 Aluminium (Al), < 0,050 Phosphor (P) und < 0,010 Schwefel (S)
    aufweist.
  13. Thermomechanisches Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung jeweils in Gew.-% optional einzeln oder in Kombination aus der Gruppe: 0 bis 0,75 Kupfer (Cu) 0 bis 3,0 Nickel (Ni) 0 bis 0,20 Vanadium (V) 0 bis 0,003 Bor (B)
    aufweist.
  14. Grobblech, hergestellt durch das thermomechanische Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Grobblech ein Streckgrenzenverhältnis (Rp0.2/Rm) von < 0,7, bevorzugt von < 0,65, aufweist.
  15. Grobblech nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Grobblech eine Dicke im Bereich von 8 bis 150 mm, insbesondere im Bereich von 25 bis 120 mm, aufweist.
  16. Grobblech nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Grobblech eine Streckgrenze Rp0.2 > 550 N/mm2, insbesondere > 590 N/mm2, aufweist.
  17. Verwendung eines Grobblechs nach Anspruch 14, 15 oder 16 als längsnahtgeschweißtes Rohr für eine Erdgaspipeline oder als Baumaterial, insbesondere in einer seismisch aktiven Region.
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