PL249000B1 - Sposób wytwarzania walcówki lub drutu o wielofazowej strukturze TRIP ze stali niskowęglowej i średniowęglowej oraz układ do realizacji tego sposobu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania walcówki lub drutu o wielofazowej strukturze TRIP ze stali niskowęglowej i średniowęglowej oraz układu do realizacji tego sposobu. Wynalazek ten zaliczyć można do dziedziny mechanicznej obróbki metali, a zwłaszcza do sposobów walcowania metali lub układów do produkcji półwyrobów walcowanych lub kształtowników.

W stanie techniki znany jest z opisu patentowego PL226273 B1 sposób wytwarzania cienkiego drutu stalowego polegający na tym, że ze stali niskowęglowej metodą wielokrotnego przeciągania walcówkę stalową o zawartości poniżej 0,06% węgla przeciąga się wielostopniowo do średnicy 1,8+2,0 mm, a następnie przeprowadza się wyżarzanie rekrystalizujące półwyrobu w atmosferze obojętnej w temperaturze 680°C, po czym drut chłodzi się do temperatury otoczenia w ciągu około 4 godzin. Po wyżarzeniu drut przeciąga się wielostopniowo na mokrociągu do średnicy o 0,8+0,6 mm, następnie nawija na szpule metalowe i wyżarza, po czym przygotowany drut pokrywa się chemicznie warstwą miedzi o grubości około od 0,55 do 0,56 μm i nawija na szpule handlowe.

Znany jest także z międzynarodowego zgłoszenia patentowego W O18217113 A1 sposób otrzymywania walcówki gładkiej i żebrowanej o strukturze wielofazowej, polegający na nagrzewaniu kęsów z różnych gatunków stali, zwłaszcza o zawartości 0,07-0,4% C, w piecu pokracznym do temperatury 1170-1195°C, a następnie walcowaniu ich na średnice końcowe w zakresie od 5,5 mm do 9 mm, przy czym sposób charakteryzuje się tym, że walcówka przechodzi przez skrzynie wodne po bloku Morgana z prędkością nie mniejszą niż V = 30 m/s. Po bloku Morgana zainstalowana jest co najmniej jedna skrzynia wodna, zespół rolek ciągnących oraz głowica zwijająca i układająca zwoje na transporterze linii regulowanego chłodzenia, a każda ze skrzyń wodnych wyposażona jest w rurę wejściową, co najmniej jedną chłodnicę, co najmniej jeden striper, osuszacz oraz rurę wyjściową, co zapewnia uzyskanie temperatury układania zwojów walcówki na transporterze linii regulowanego chłodzenia w zakresie 760-800°C, następnie walcówka w formie zwojów przechodzi na transporter linii kontrolowanego chłodzenia składający się z co najmniej 10 sekcji, z których każda ma odrębną regulację prędkości w zakresie 0,08-2,50 m/s, przy czym pod co najmniej dwiema sekcjami umieszczony jest co najmniej jeden wentylator przeznaczony do szybkiego schładzania walcówki do temperatury 350-500°C, ponadto nad co najmniej sześcioma sekcjami, obudowanymi ściankami bocznymi, umieszczone są pokrywy, których opuszczenie tworzy tunel pozwalający na przeprowadzenie procesu wygrzewania walcówki w temperaturze 350-500°C w czasie nie krótszym niż 60 s, po którym to procesie wygrzewania na nie mniej niż dwóch sekcjach transportera następuje studzenie walcówki na powietrzu do temperatury otoczenia. W tym patencie ujawniono sposób produkcji walcówki o strukturze TRIP poprzez walcowanie na gorąco kęsa stalowego o wymiarach nagrzanego do temp. powyżej 780°C w kilkudziesięciu parach walców o coraz mniejszym przekroju poprzecznym wykrojów na średnicę końcową w zakresie od 9,0 do 5,5 mm, a następnie regulowanym chłodzeniu tak uzyskanej walcówki poprzez przemieszczanie jej zwojów na transporterze nad kilkoma sekcjami wentylatorów o regulowanym nawiewie. Natomiast sposób według wynalazku polega na wytworzeniu struktury TRIP w walcówce wytworzonej według tradycyjnej technologii lub drutów uzyskanych w zakładzie ciągarskim z tradycyjnej walcówki - bez opisanego w dokumencie ze stanu techniki sposobu chłodzenia.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania walcówki oraz drutu zwłaszcza drutu, w którym materiał w wyniku odpowiedniej sekwencji obróbki cieplnej uzyskiwałby wielofazową strukturę typu TRIP, dzięki której ten materiał uzyskuje większą plastyczność oraz lepsze własności mechaniczne, głównie wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż walcówka lub druty wytwarzane z udziałem tradycyjnych obróbek cieplnych np. wyżarzania zmiękczającego lub obróbki cieplno-plastycznej niskolub wysokotemperaturowej.

Na potrzeby niniejszego zgłoszenia, przez określenie „stal o wielofazowej strukturze TRIP (ang. Transformation Induced Plasticity)” rozumie się strukturę stali zawierającą ferryt i bainit z zawartością austenitu szczątkowego wynoszącą maksymalnie w danym gatunku stali nawet 100-krotność zawartości procentowej węgla. I tak na przykład dla stali o zawartości 0,19% wag. C, maksymalna ilość austenitu może wynosić 19%. Są to zawartości teoretyczne, które można by uzyskać przy idealnie dobranym składzie chemicznym stali i przy małych wymiarach próbek oraz przy bardzo zawężonych zakresach parametrów obróbki cieplnej. W warunkach przemysłowych taki rezultat trudno osiągnąć, więc na potrzeby zgłoszenia przyjmuje się, że w strukturze TRIP uzyskanej w warunkach przemysłowych ilość austenitu szczątkowego zapewniająca korzystne własności materiału powinna wynosić min. 30-krotność zawartości procentowej C w materiale. Tak więc w stali SG3 zawierającej 0,09% wag. C powinno być minimum 2,4% wag. austenitu, a w stali S355J3 o zawartości 0,19% wag. C powinno być minimum 5,7% wag. austenitu.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania walcówki lub drutu o wielofazowej strukturze typu TRIP ze stali niskowęglowej i średniowęglowej zawierającej węgiel w ilości od 0,09 do 0,4% wag., zwłaszcza od 0,09 do 0,19% wag., mangan w ilości od 0,2 do 1,8% wag., zwłaszcza od 1,4 do 1,5% wag., oraz krzem w ilości od 0,2 do 1,5% wag., zwłaszcza od 0,5 do 0,8% wag., przy czym sposób ten obejmuje następujące etapy: materiał w postaci walcówki lub drutu ze stali niskowęglowej lub średniowęglowej rozwija się oraz prostuje się w prostownicy rolkowej, następnie nagrzewa się, a na koniec chłodzi się, po czym ciągnie się go i nawija. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że etap nagrzewania obejmuje dwa podetapy:

a) najpierw materiał nagrzewa się do temperatury w zakresie od 740°C do 850°C i dalej wygrzewa się go w tym samym zakresie temperatur przez 45 do 240 s,

b) następnie nagrzany materiał chłodzi się do temperatury w zakresie od 350°C do 450°C z prędkością chłodzenia wynoszącą od 30°C/s do 50°C/s, przy czym chłodzenie odbywa się za pomocą sprężonego powietrza w sposób ciągły lub mgły wodnej w sposób ciągły, i dalej wygrzewa się go w temperaturze w tym samym zakresie temperatur przez 45 do 240 s.

W efekcie realizacji sposobu uzyskuje się w materiale strukturę typu TRIP, zawierającą ferryt i bainit z zawartością austenitu szczątkowego powyżej 30-krotności procentowej zawartości węgla w danym gatunku stali.

Korzystnie, gdy czas nagrzewania do temperatury w zakresie od 740°C do 850°C w podetapie a) jest krótszy niż 5 s. Nagrzewanie do ww. temperatury roboczej w dłuższym czasie niż 5 s - na przykład w piecu - powoduje, że wtedy temperatura wzrasta w dłuższym czasie od powierzchni do osi drutu, co prowadzi do powstania różnic w strukturze drutu między powierzchnią a osią drutu spowodowane większym rozrostem ziarna. Przy przelotowym przesuwaniu drutu znacznie wydłużyłaby się długość linii technologicznej. Przy grzaniu oporowym lub indukcyjnym w czasie krótszym niż 5 s następuje bardzo szybki wzrost temperatury, przy czym temperatura wzrasta jednakowo na całym przekroju poprzecznym drutu. Równie korzystnie, gdy nagrzewanie w podetapie a) jest nagrzewaniem indukcyjnym lub nagrzewaniem oporowym.

Korzystnie, gdy czas wygrzewania w podetapie a) i b) wynosi około 100 s.

Przy niższej prędkości chłodzenia niż 30°C/s może nastąpić przemiana perlityczna a nie bainityczna, co spowoduje brak uzyskania struktury TRIP.

W innym aspekcie, przedmiotem wynalazku jest także układ do wytwarzania walcówki zwłaszcza drutu, ze stali niskowęglowej i średniowęglowej o wielofazowej strukturze typu TRIP, przy czym układ ten zawiera ustawione w ciągu: rozwijak do rozwijania materiału wyposażony w rolki ciągnące, zespół rolek prostujących, moduł grzewczo-chłodzący, obszar chłodzenia swobodnego, nawijarkę bębnową do nawijania materiału wyposażona w rolki ciągnące. Układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że moduł grzewczo-chłodzący obejmuje indukcyjne lub oporowe urządzenie grzewcze do szybkiego nagrzewania materiału do temperatury w zakresie 740°C do 850°C, które jest połączone z przelotowym piecem wysokotemperaturowym o temperaturze wygrzewania w zakresie od 740°C do 850°C oraz chłodnicę przelotową chłodzącą do temperatury w zakresie od 350°C do 450°C połączoną z przelotowym piecem niskotemperaturowym o temperaturze wygrzewania w zakresie od 350°C do 450°C.

Zaletą sposobu według wynalazku oraz układu według wynalazku jest to, że w wyniku wykorzystania opracowanego układu produkcyjnego można uzyskać walcówkę lub drut o strukturze wielofazowej TRIP, które charakteryzują się znacznie lepszą plastycznością określoną zmniejszonym współczynnikiem zapasu plastyczności Rp02/Rm, < 0,75, czyli stosunkiem umownej granicy plastyczności do wytrzymałości materiału na rozciąganie, niż w drutach wytwarzanych z udziałem innych rodzajów obróbki cieplnej lub bez obróbki cieplnej gdzie Rp02 > Rm 0,75. Dodatkowo w wyniku uzyskania struktury TRIP, możliwej do uzyskania na zaproponowanym według wynalazku układzie, wytrzymałość Rm drutów o strukturze typu TRIP po odkształceniu plastycznym jest o ponad 200 MPa wyższa, niż dla drutów o strukturze ferrytyczno-perlitycznej umocnionych takimi samymi odkształceniami plastycznymi. Zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie jest możliwe dzięki temu, że umocnienie materiału jest spowodowane nie tylko odkształceniami plastycznymi lecz także dzięki umocnieniu materiału w efekcie przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania nieograniczających jego zakresu oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ do realizacji sposób wytwarzania drutu o strukturze typu TRIP z wykorzystaniem dwuetapowej obróbki cieplnej.

Przykład 1

W pierwszym przykładzie realizacji sposobu według wynalazku, materiał 1 w postaci drutu ze stali niskowęglowej SG3 o zawartości węgla wynoszącej 0,09% wag., manganu wynoszącej 1,4% wag. oraz krzemu wynoszącej 0,8% wag. uprzednio nawinięty na rozwijak 2, rozwija się za pomocą rolek ciągnących 3 oraz prostowany za pomocą zespołu rolek prostujących 4 ustawionych w dwóch płaszczyznach. Następnie materiał 1 podaje się do urządzenia grzewczego 5 i nagrzewa do temperatury austenizacji Ti wynoszącej około 750°C w czasie nagrzewania ti poniżej 5 s, a następnie materiał 1 wprowadza się z prędkością Vi wynoszącą 0,06 m/s do przelotowego pieca wysokotemperaturowego 6 o długości 6 m w celu dalszego wygrzewania w temperaturze austenityzacji T2 wynoszącej około 750°C w czasie t2 wynoszącym 100 s, a następnie przemieszczony zostaje do chłodnicy przelotowej 7 z regulowanym nadmuchem sprężonego powietrza lub mgły wodnej umożliwiającym uzyskanie spadku temperatury do temperatury T3 wynoszącej 350°C przy prędkości chłodzenia Vc wynoszącej 50°C/s (prędkość chłodzenia może być mniejsza i wynosić do 30°C/s), po czym materiał 1 przemieszcza się jest z prędkością V2 wynoszącą 0,06 m/s do przelotowego pieca niskotemperaturowego 8 o długości 6 m i dalej wygrzewa się w temperaturze bainityzacji w temperaturze równej 350°C w czasie t3 wynoszącym 100 s, a następnie schładza się w obszarze chłodzenia swobodnego 9 i dalej ciągniony przez rolki ciągnące 10 i jest nawijany na nawijarkę bębnową 11. W wyniku realizacji ww. sposobu uzyskano materiał 1 o wielofazowej strukturze typu TRIP zawierający 3,4% wag. austenitu szczątkowego.

Prowadzono także eksperyment porównawczy w temperaturze austenityzacji 750°C w czasie t2 oraz t3 wynoszącym 40 s w temperaturze T3 oraz T4 wynoszącej 350°C, ale przy takich parametrach procesu stwierdzono w strukturze materiału tylko 2,24% austenitu szczątkowego, czyli przy zastosowanym w procesie czasie t2 i t3 < 45 s i z tego powodu nie został spełniony warunek 30-krotności zawartości % wag. węgla.

Prowadzono także badania przy czasie t2 oraz t3 większym do 240 s i zaobserwowano niekorzystny rozrost struktury materiału.

Przykład 2

W drugim przykładzie wykonania, sposób zrealizowano tak jak w przykładzie pierwszym, z tym że jako materiału 1 w postaci drutu użyto stali średniowęglowej S355J2 o zawartości węgla wynoszącej 0,19% wag., manganu wynoszącej 1,39% wag. oraz krzemu od 0,23% wag. W wyniku realizacji ww. sposobu z użyciem stali średniowęglowej S355J2 uzyskano również materiał 1 o wielofazowej strukturze typu TRIP zawierający 6,64% wag. austenitu szczątkowego, czyli więcej niż 30-krotność 0,19% węgla wynosząca 5,7% wag.

Przykład 3

Układ do wytwarzania drutu ze stali niskowęglowej i średniowęglowej o wielofazowej strukturze typu TRIP w przykładzie wykonania został zilustrowany na fig. 1 i zawiera ustawione w ciągu: rozwijak 2 do rozwijania materiału 1 wyposażony w rolki ciągnące 3, zespół rolek prostujących 4, następnie moduł grzewczy składający się z urządzenia grzewczego 5 o temperaturze nagrzewania w zakresie od 740°C do 850°C połączonego z przelotowym piecem wysokotemperaturowym 6 o temperaturze wygrzewania w zakresie od 740 do 850°C, układu chłodzącego składającego się z chłodnicy przelotowej 7 chłodzącej do temperatury w zakresie od 350 do 450°C połączonej z przelotowym piecem niskotemperaturowym 8 o temperaturze wygrzewania w zakresie od 350°C do 450°C, obszar chłodzenia swobodnego 9 oraz końcu układu nawijarkę bębnową 11 do nawijania materiału 1 wyposażona w rolki ciągnące 10.

Lista oznaczeń

- materiał

- rozwijak

- rolki ciągnące

- zespół rolek prostujących

- urządzenie grzewcze

- przelotowy piec wysokotemperaturowy

- chłodnica przelotowa

- przelotowy piec niskotemperaturowy

- obszar chłodzenia swobodnego

- rolki ciągnące

- nawijarka bębnowa

Claims (5)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania walcówki lub drutu o wielofazowej strukturze typu TRIP ze stali niskowęglowej i średniowęglowej zawierającej węgiel w ilości od 0,09 do 0,4% wag., zwłaszcza od 0,09 do 0,19% wag., mangan w ilości od 0,2 do 1,8% wag., zwłaszcza od 1,4 do 1,5% wag., oraz krzem w ilości od 0,2 do 1,5% wag., zwłaszcza od 0,5 do 0,8% wag., przy czym sposób obejmuje następujące etapy: materiał (1) w postaci walcówki, zwłaszcza drutu, ze stali niskowęglowej lub średniowęglowej rozwija się oraz prostuje się w prostownicy rolkowej, następnie nagrzewa się, a na koniec chłodzi się, po czym ciągnie się go rolkami i nawija, sposób znamienny tym, że etap nagrzewania obejmuje dwa podetapy:

a) najpierw materiał (1) nagrzewa się do temperatury w zakresie od 740°C do 850°C i dalej wygrzewa się go w tym samym zakresie temperatur przez 45 do 240 s,

b) następnie nagrzany materiał (1) chłodzi się do temperatury w zakresie od 350°C do 450°C z prędkością chłodzenia wynoszącą od 30°C/s do 50°C/s, przy czym chłodzenie odbywa się za pomocą sprężonego powietrza w sposób ciągły lub mgły wodnej w sposób ciągły, i dalej wygrzewa się go w tym samym zakresie temperatur przez 45 do 240 s.

2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że czas nagrzewania w podetapie a) jest krótszy niż 5 s.

3. Sposób według zastrz. 1 lub 2 znamienny tym, że nagrzewanie w podetapie a) jest nagrzewaniem indukcyjnym lub nagrzewaniem oporowym.

4. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że czas wygrzewania w podetapie a) i b) wynosi około 100 s.

5. Układ do wytwarzania walcówki lub drutu o wielofazowej strukturze typu TRIP ze stali niskowęglowej i średniowęglowej sposobem określonym w zastrz. od 1 do 4, przy czym układ ten zawiera ustawione w ciągu: rozwijak (2) do rozwijania materiału (1) wyposażony w rolki ciągnące (3), zespół rolek prostujących (4), moduł grzewczo-chłodzący, obszar chłodzenia swobodnego (9), nawijarkę bębnową (11) do nawijania materiału (1) wyposażoną w rolki ciągnące (10) znamienny tym, że moduł grzewczo-chłodzący obejmuje indukcyjne lub oporowe urządzenie grzewcze (5) do szybkiego nagrzewania materiału do temperatury w zakresie 740°C do 850°C, które jest połączone z przelotowym piecem wysokotemperaturowym (6) o temperaturze wygrzewania w zakresie od 740°C do 850°C oraz chłodnicę przelotową (7) chłodzącą do temperatury w zakresie od 350°C do 450°C połączoną z przelotowym piecem niskotemperaturowym (8) o temperaturze wygrzewania w zakresie od 350°C do 450°C.