ITUD970105A1 - Procedimento di trattamento termico per laminati - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per titolo:

"PROCEDIMENTO DI TRATTAMENTO TERMICO PER LAMINATI"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Forma oggetto del presente trovato un procedimento di trattamento termico per laminati come espresso nella rivendicazione principale.

In particolare, il trovato si applica su prodotti laminati come uscenti dalla laminazione e prima dell'avvolgimento in strutture compatte quali bobine o rotoli.

STATO DELLA TECNICA

Sono noti i problemi relativi ai trattamenti termici di raffreddamento, eseguiti sui prodotti laminati uscenti dalla laminazione, che hanno anche la funzione di garantire che il prodotto presenti caratteristiche strutturali e qualitative ottimali sia superficiali che interne .

E ' noto applicare al prodotto uscente dall ’ ultimo passaggio di laminazione un raffreddamento rapido in modo da superare una determinata velocità di raffreddamento, o velocità critica, al di sopra della quale si ottengono microstrutture cristalline caratterizzate da elevata durezza e resistenza.

Con tale raffreddamento rapido, che esegue una tempra superficiale del prodotto, si ottiene una zona superficiale in cui sono presenti strutture martensitiche molto fini tipiche del trattamento di tempra. L’ottenimento di strutture martensitiche deriva dalla soppressione della trasformazione dell 'austenite a causa della rapidità della discesa della temperatura.

Nello stesso tempo, al di sotto della superficie del prodotto laminato, si ottengono strutture bainitiche mentre nel cuore del prodotto, dove l'asportazione del calore è più lenta, si ottengono strutture perlitiche meno resistenti ma caratterizzate da elevata tenacità.

Il raffreddamento può essere regolato per ottenere differenti profondità di trattamento in modo da giungere, tramite il bilanciamento delle proprietà meccaniche delle diverse strutture che si vengono a creare alle differenti profondità del prodotto, al miglior bilanciamento tra resistenza e tenacità del prodotto finito. Le possibilità di regolazione del processo, in termini quanto meno di durata e di intensità del raffreddamento, permettono il trattamento di diametri differenti e di differenti composizioni chimiche del materiale allo scopo di ottenere gli stessi requisiti meccanici e qualitativi su differenti tipi di prodotti.

Il processo di trattamento termico sopra citato permette di raggiungere le caratteristiche meccaniche minime stabilite dalle differenti normative nazionali senza richiedere l'utilizzo di elementi leganti che innalzerebbero inevitabilmente il costo del prodotto. Inoltre, dato il loro limitato contenuto di carbonio, vengono mantenute le caratteristiche di saldabilità dei laminati.

L'ottenimento di tale compromesso fra resistenza meccanica e tenacità del prodotto in modo da soddisfare i requisiti qualitativi richiesti è quindi sostanzialmente basato sui parametri di durata e di intensità del raffreddamento applicato. Detti parametri, oltre a definire la specifica penetrazione del trattamento di tempra, determinano il livello termico che si stabilisce sul prodotto laminato quando il calore del cuore diffonde verso le zone superficiali equalizzando la temperatura sull'intera sezione del laminato.

La conoscenza e la definizione di detto livello termico è estremamente importante in quanto fornisce una misura dell'efficacia del rinvenimento delle strutture martensitiche ottenute nelle parti superficiali del prodotto. Detto processo di rinvenimento ha luogo durante almeno parte della fase di equalizzazione della temperatura che segue detto processo di raffreddamento rapido.

Al termine della fase di equalizzazione, nella successiva fase di raffreddamento in aria, ad esempio eseguita in placca, in cui la temperatura di tutti i punti del prodotto comincia a scendere, si ha il proseguimento del processo di rinvenimento; in tale fase del processo, la durezza delle zone superficiali si ridimensiona, ottenendo nel contempo un consistente aumento della tenacità.

Nei casi in cui si ha il raffreddamento in placca la velocità di discesa della temperatura è comunque generalmente sufficientemente elevata da limitare i negativi effetti di un eccessivo rinvenimento sulle caratteristiche meccaniche superficiali del prodotto. Se invece il prodotto viene ad essere subito disposto in strutture compatte, ad esempio avvolto in rotoli o bobine, la riduzione della superficie esposta allo scambio termico per convezione ed irraggiamento determina un sensibile rallentamento del processo di raffreddamento con conseguente aumento dei tempi.

Tale aumento dei tempi di raffreddamento ha come conseguenza una maggior efficacia ed influenza del rinvenimento del materiale e quindi comporta un decadimento spesso eccessivo ed inaccettabile delle caratteristiche meccaniche del materiale.

Per tale motivo, nella tecnica nota il prodotto laminato viene sempre sottoposto alla fase di raffreddamento in placca, e solo quando detto raffreddamento si è completato in tempi compatibili a bilanciare le conseguenze del rinvenimento detto prodotto viene avvolto nella relativa struttura compatta di raccolta ed evacuazione.

Ciò comporta un evidente ed ingente aumento degli spazi necessitati sulla linea e dei tempi di ottenimento del prodotto finito.

Per ovviare a tale inconveniente e per ottenere ulteriori vantaggi come nel seguito esposti, la proponente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione principale.

Le rivendicazioni secondarie espongono varianti all'idea di soluzione principale.

Il trovato ha come scopo quello di realizzare u trattamento termico di prodotti uscenti dalla laminazione che permetta di eseguire la raccolta e la disposizione in strutture compatte quali rotoli e bobine senza necessitare di un preliminare raffreddamento del prodotto in placca.

Tale trattamento termico permette di ovviare alle conseguenze negative derivanti dall'eccessivo rinvenimento del materiale/prodotto, superando gli inconvenienti che derivano dalla riduzione dello scambio termico per convezione ed irraggiamento derivanti dalla disposizione in una struttura compatta, e dal conseguente aumento dei tempi di raffreddamento, una volta che il prodotto si trova avvolto in detta struttura compatta.

Il trovato si può applicare, ad esempio, a prodotti lunghi in filo od in barra di qualsivoglia sezione ed in una ampia gamma di diametri, ovvero anche a prodotti piani quali nastri o lamiere.

Secondo il trovato, il prodotto uscente da laminazione viene sottoposto alle convenzionali fasi di raffreddamento rapido ed almeno parziale tempra, che determina la formazione di strutture martensit iche di elevata resistenza sulla sua superficie, nonché alla fase di equalizzazione dell temperatura sulle varie profondità di sezione.

Secondo il trovato, il processo di rinvenimento del materiale/prodotto che segue detta fase di raffreddamento rapido viene interrotto nelle sue prime fasi mediante raffreddamento in almeno uno stadio, preferibilmente da due a quattro stadi di raffreddamento.

L'interruzione del rinvenimento al termine della fase di equalizzazione che segue il trattamento di raffreddamento rapido fa sì che le strutture martensitiche ad alta resistenza' presenti sulla superficie del prodotto vengano soltanto in minima parte interessate e modificate dalla propagazione del calore dal cuore alla periferia del laminato. Secondo il trovato, detti stadi di raffreddamento successivi al raffreddamento rapido vengono regolati in durata ed intensità di raffreddamento affinchè le strutture cristalline formatesi nel materiale non vengano modificate, in quanto il calore viene asportato soltanto dalla parte superficiale esterna già temprata, non andando a variare lo spessore di tale strato superficiale.

Pertanto, la temperatura della parte interna del laminato non temprata viene comunque mantenuta al di sopra del livello in cui si forma la martensite per non provocare aumenti di spessore della zona esterna temprata che avrebbero come conseguenza la riduzione del rapporto tra i carichi di rottura e snervamento del materiale, ossia una riduzione della duttilità del detto materiale.

Inoltre, gli stadi di raffreddamento sono fra loro separati da zone di equalizzazione della temperatura che permettono al materiale di rimanere ben al di sopra di detta zona di formazione della martensite per la parte interna.

Con tale procedimento di trattamento termico, il prodotto laminato può essere avviato direttamente alla fase di avvolgitura o bobinatura in strutture compatte, senza che sia necessitato un prolungato raffreddamento in placca; ciò permette di ottenere un ingente risparmio di occupazione della linea ed una riduzione dello spazio necessario per lo stoccaggio del prodotto.

Il procedimento di cui al trovato può essere applicato per acciai calmati o semicalmati contenenti manganese, ad esempio in una percentuale compresa tra lo 0,25 e l'l,5%, ed a basso tenore di carbonio. Inoltre, secondo una variante adottabile nella produzione di acciai speciali, possono essere utilizzati componenti microleganti quali Vanadio e/o Niobio e/o Titanio, per aumentare la resistenza e la durezza superficiale dell'acciaio.

Il basso tenore di carbonio dell'acciaio assicura la completa saldabilità del prodotto così ottenuto.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Le figure allegate sono fornite a titolo esemplificativo, non limitativo, ed illustrano una soluzione preferenziale del trovato.

Nella tavola abbiamo che:

- la fig. 1 illustra schematicamente la parte terminale di una linea di laminazione adottante il trovato;

- la fig. 2 illustra un grafico temperatura-distanza in cui sono riportate, con riferimento alla fig. 1, le temperature della superficie del prodotto sottoposto al trattamento termico di cui al trovato.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La linea di laminazione 10, schematizzata nel suo tratto terminale in fig. 1, comprende un gruppo di raffreddamento rapido 11 disposto in uscita dal treno finitore 12 da cui esce il prodotto laminato 13 nel suo formato finale.

Il gruppo di raffreddamento rapido 11 esegue un trattamento di tempra sul prodotto laminato 13 sì da determinare la formazione sulla superficie esterna di una struttura martensitica molto fine, mentre nello strato subito al di sotto si forma una struttura bainitica ed al cuore si forma una struttura perlitica meno resistente ma caratterizzata da alta tenacità.

Detto trattamento di raffreddamento e tempra è eseguito in modo da asportare una quantità di calore estremamente elevata (vedere fig. 2 in cui si vede come nel gruppo di raffreddamento rapido 11 la temperatura della superficie del laminato 13 passi da valori nell'intorno di 1000°C a valori nell'intorno di 200°C) in modo da concretizzare la trasformazione metallurgica sopra menzionata.

Il gruppo di raffreddamento rapido 11 è seguito da un tratto 14 di almeno parziale equalizzazione in aria in cui il laminato 13 comincia a rinvenire per la progressiva propagazione del calore dal cuore alla superficie.

Secondo il trovato, ad una definita distanza dal detto gruppo di raffreddamento rapido 11, è presente un primo stadio di raffreddamento 15a. Tale primo stadio di raffreddamento 15a blocca il rinvenimento del laminato 13 sì che le strutture martensitiche presenti superficialmente non vengono modificate. Come si vede in fig. 2, il primo stadio di raffreddamento 15a determina una riduzione di temperatura dal valore raggiunto di circa 650°C ad un valore posto nell'intorno di 300°C.

Dopo un breve tratto di equalizzazione in aria che determina un aumento di temperatura superficiale derivante dalla progressiva propagazione del calore dal cuore del laminato 13, è presente sulla linea 10 un secondo stadio di raffreddamento 15b mediante il quale detta temperatura superficiale viene riportata ancora ad un valore dell’ordine di 300°C.

Detto secondo stadio di raffreddamento 15b è seguito anch'esso da un breve tratto di equalizzazione in aria e quindi da un terzo stadio di raffreddamento 15c, mediante il quale la temperatura superficiale del laminato 13 viene ancora riportata a valori posti, nel caso di specie, nell'intorno di 300°C.

Tale successione di stadi di raffreddamento 15a, 15b, 15c serve ad interrompere la progressione del rinvenimento evitando che il calore propagantesi dal cuore del laminato 13 vada a modificare le strutture martensi tiche formatesi sulla superficie del laminato 13 stesso.

La pluralità di stadi di raffreddamento e la relativamente bassa riduzione di temperatura che S ciascuno di essi comporta serve comunque a far sì che la profondità dello strato superficiale martensitico non aumenti, lasciando sostanzialmente inalterata la struttura cristallina come formatasi in uscita dal trattamento di raffreddamento rapido e tempra eseguito dal gruppo 11.

Gli stadi di raffreddamento 15a, 15b e 15c sono tarati in durata ed intensità di raffreddamento, funzionalmente alla dimensione di sezione del prodotto ed alla sua composizione chimica, affinchè la temperatura superficiale non scenda in modo significativo, nel caso di specie al di sotto di 300°C, per non modificare, come detto, la struttura cristallina e per evitare la formazione di martensite anche nella parte interna del laminato 13, cosa che andrebbe a compromettere la duttilità del prodotto.

Inoltre, detti stadi di raffreddamento sono tarati affinchè la temperatura superficiale del laminato 13 assuma un valore, all'atto dell'avvolgimento sul relativo gruppo avvolgitore 16, non inferiore ad un valore prestabilito, nel caso di specie non inferiore a circa 450°C.

Tale valore di temperatura serve per garantire che anche in condizione di limitato scambio termico pe convezione ed irraggiamento, come derivante dall'avvolgimento compatto del laminato 13 sull'avvolgitore 16, il rallentamento dei tempi di raffreddamento non concretizzi modifiche e conseguenze negative sulla struttura cristallina complessiva, in particolare sulla struttura martensitica superficiale del laminato 13.

Tale successione di stadi di raffreddamento 15a, 15b e 15c presenti tra la fase di raffreddamento rapido e l'avvolgimento del laminato 13 permette di evitare la necessità di un raffreddamento in placca, ciò comportando notevoli vantaggi in termini di spazi per lo stoccaggio del materiale, spazi occupati dalla linea e tempi complessivi per l'ottenimento del prodotto finito.

Gli acciai utilizzati in detto procedimento sono a basso tenore di carbonio; inoltre, possono essere calmati o semicalmati con un contenuto di manganese in una percentuale compresa tra lo 0,25 e l'l,5%. Nella produzione di acciai speciali, detti acciai possono essere arricchiti con microleganti quali Vanadio, Niobio e/o Titanio.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 - Procedimento di trattamento termico per laminati in acciaio a basso tenore di carbonio uscenti da un treno di laminazione (12) e da avvolgere in strutture compatte quali rotoli o bobine, detti laminati (13) essendo sottoposti ad un trattamento di raffreddamento rapido ed almeno parziale tempra in un gruppo di raffreddamento rapido (11) creante una struttura superficiale martensitica, una struttura subsuperficiale bainitica ed una struttura interna perlitica, detto raffreddamento rapido essendo seguito da una fase di equalizzazione in aria e rinvenimento superficiale, caratterizzato dal fatto che detto rinvenimento superficiale viene bloccato in almeno uno stadio di raffreddamento (15a) intermedio prima della degradazione delle strutture martensi tiche superficiali, detto almeno uno stadio di raffreddamento (15a) essendo tarato in modo da non modificare la struttura cristallina interna e da almeno evitare la formazione di strutture martensitiche nella parte interna del laminato (13), detto almeno uno stadio di raffreddamento (15a) essendo seguito da un breve tratto di equalizzazione in aria e quindi direttamente dall'avvolgimento del laminato (13) in forma compatta sul relativo supporto avvolgitore (16). 2 - Procedimento come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nel tratto tra la fase di raffreddamento rapido e l'avvolgimento in forma compatta sul supporto avvolgitore (16), il laminato (13) viene sottoposto ad un numero compreso tra due e quattro stadi di raffreddamento intermedi. 3 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il rinvenimento della superficie del laminato (13) a struttura martensitica viene completato con il laminato (13) già disposto in forma compatta sul relativo supporto avvolgitore (16). 4 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in ciascuno degli stadi di raffreddamento intermedi (15a, 15b, 15c) la temperatura superficiale del laminato (13) viene abbassata ad un valore non inferiore a 300°C funzionalmente al mantenimento di una struttura cristallina subsuperficiale bainitica ed interna perlitica. 5 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'ultimo stadio di raffreddamento (15c) monte del supporto avvolgitore ( 16 ) determina abbassamento della temperatura superficiale del laminato ( 13 ) funzionale all ' ottenimento di una temperatura superficiale del laminato (13) compresa fra 420°C e 570°C all'atto dell'avvolgimento in forma compatta sul supporto avvolgitore (16). 6 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che si applica ad acciai a basso tenore di carbonio calmato o semicalmato con contenuto in manganese compreso fra lo 0,25 e l'l,5%. 7 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che si applica ad acciai arricchiti con microleganti quali Vanadio e/o Niobio e/o Titanio. 8 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che adotta i contenuti di cui alla descrizione ed ai disegni .