автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии производства холоднокатаного листа из новой высокопрочной автомобильной стали с повышенной коррозионной стойкостью

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Виктор Валентинович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОГО ЛИСТА ИЗ НОВОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ АВТОМОБИЛЬНОЙ СТАЛИ С ПОВЫШЕННОЙ КОРРОЗИОННОЙ

СТОЙКОСТЬЮ

□□3448357

Специальность 05 16 05 - «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец 2008

О 2 ОКТ 2008

003448357

Работа выполнена на Череповецком металлургическом комбинате ОАО «Северсталь»

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Гарбер Эдуард Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ Чиченев Николай Алексеевич

- кандидат технических наук Чащин Валерий Васильевич

Ведущая организация

АКХ «ВНИИМЕТМАШ им академика А И Целикова»

Защита диссертации состоится 22 10 2008 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 002 060 02 при Институте металлургии и материаловедения им А А Байкова Российской академии наук по адресу 117334, г Москва, Ленинский пр , дом 49

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института металлургии и материаловедения им А А Байкова Российской академии наук

Автореферат разослан

Справки по телефону (495) 135-96-29

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Шелест А Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Концепция современного автомобиля предусматривает существенное повышение безопасности его эксплуатации и снижение расходов на его изготовление и обслуживание Успешная реализация этой концепции во многом зависит от применения высококачественных автомобильных сталей, обладающих высокой прочностью, сочетающейся с хорошей штампуемостью и коррозионной стойкостью Эти свойства определяются химическим составом стали и технологией изготовления из нее листовой продукции, принятых на предприятиях черной металлургии

Зарубежная металлургическая промышленность предлагает большой ассортимент высокопрочных сталей с различным структурным состоянием, уровнем прочности и пластичности для применения в легковых и грузовых автомобилях Конкурентноспособность отечественных металлургических предприятий, выпускающих автомобильный листовой прокат, зависит от того, смогут ли они предложить потребителям автомобильную сталь не уступающую по качеству продукции зарубежных металлургов и имеющую при этом приемлемую цену

Данная диссертационная работа направлена на решение этой задачи, что определяет ее актуальность Разработанная на Череповецком металлургическом комбинате (ЧерМК) ОАО «Северсталь» автомобильная сталь не уступает по качеству зарубежным аналогам, а по некоторым показателям превосходит их она обладает повышенными характеристиками прочности и стойкости к атмосферной коррозии при сохранении высокой пластичности, при этом обладает эффектом упрочнения в процессе ее термической обработки у автопроизводителя

До настоящего времени была хорошо проработана технология получения автомобильных листов из низкоуглеродистых сталей (типа 08Ю), низкоуглеродистых сталей с твердорастворным упрочнением и П7 сталей Эти стали не полностью удовлетворяли возросшим требованиям автомобилестроителей по прочности и коррозионной стойкости

Чтобы обеспечить выполнение указанных требований, в работе был исследован комплекс вопросов, включая улучшение химического состава

сверхнизкоуглеродистой стали, путем дополнительного легирования фосфором и

3

медью, усовершенствования режимов горячей прокатки, травления, холодной прокатки, рекристаллизационного отжига и дрессировки

Исследования выполнялись с использованием теоретических методов, лабораторных и промышленных экспериментов в условиях действующего производства

Цель работы состояла в разработке и внедрении технологии производства конкурентноспособного тонколистового проката из сверхнизкоуглеродистой стали с повышенными характеристиками прочности и коррозионной стойкости для автомобильной промышленности, обеспечивающей заданный комплекс прочностных и пластических характеристик при относительно низких производственных затратах

Для достижения поставленной цели в работе решались, применительно к разрабатываемому виду проката, следующие задачи

- исследование влияния легирования фосфором и медью сверхнизкоуглеродистой стали на механические и функциональные свойства холоднокатаного проката и определение химического состава, обеспечивающего заданный комплекс механических свойств и повышенную стойкость к атмосферной коррозии,

- определение режима нагрева слябов, температурных режимов горячей прокатки, смотки и охлаждения рулонов, разработка режима солянокислотного травления горячекатаных полос,

- исследование деформационного упрочнения разрабатываемой стали при холодной прокатке и адаптация упруго-пластической модели напряженно-дефомирован-ного состояния полосы в очаге деформации с учетом установленной зависимости,

- исследование влияния положения нейтрального сечения в очаге деформации при непрерывной холодной прокатке на текстуру, показатели штампуемости и чистоту поверхности холоднокатаных полос,

- разработка режимов непрерывной холодной прокатки с заданным положением нейтральных сечений очагов деформации в клетях непрерывного стана, с целью снижения загрязненности поверхности холоднокатаных полос и обеспечения требуемого комплекса свойств готового листа,

- определение зависимости механических свойств и показателей штампуемости готовой холоднокатаной стали от суммарного обжатия при холодной прокатке, режимов рекристаллизационного отжига и дрессировки,

- определение ключевых параметров сквозной технологии прокатного передела и их эффективных значений

Научная новизна.

1 Разработана сверхнизкоуглеродистая высокопрочная холоднокатаная листовая сталь для автомобилестроения, обладающая ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостью, впервые установлены рациональные диапазоны содержания в ней фосфора 0,03-0,05% и меди 0,2-0,3%

Новая сверхнизкоуглеродистая сталь, отличающаяся регламентированным содержанием фосфора и меди, и изделие, выполненное из нее, защищены патентом РФ № 2237101 Решением международного жюри «Архимед-2005» VIII международного салона промышленной собственности разработка «Сталь для глубокой вытяжки» награждена золотой медалью.

2 Для анализа закономерностей пластического формоизменения в процессе холодной прокатки полос из разработанной автомобильной стали впервые применена упруго-пластическая модель напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации с использованием вновь установленной для этой стали зависимости предела текучести от обжатия

3 Впервые установлено влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации на характеристики текстуры разработанной стали увеличение относительной длины зоны отставания увеличивает долю компонентов текстуры стали, благоприятных для штамповки, что значительно повышает коэффициент нормальной пластической анизотропии г и показатель упрочнения п

4 Экспериментальным путем установлено комплексное влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации на чистоту поверхности полосы и расход энергии при холодной прокатке увеличение зоны отставания повышает чистоту поверхности, но увеличивает расход энергии, увеличение зоны опережения вызывает противоположный эффект Это объясняется влиянием противоположно направленных напряжений трения в очаге деформации в зоне

5

отставания - вперед по ходу прокатки, в зоне опережения - в обратном направлении Способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетьевом стане, включающий управление положением нейтрального сечения в очагах деформации клетей, защищен патентом РФ № 2238809

5 Установлены количественные зависимости механических свойств и показателей штампуемости разработанной холоднокатаной стали от суммарного обжатия при холодной прокатке, режимов рекристаллизационного отжига и степени деформации при дрессировке

Практическая значимость работы.

1 Определены ключевые параметры сквозной технологии прокатного передела и их эффективные значения при производстве разработанной стали, включая температуру нагрева слябов, температуры горячей прокатки и смотки, режим обжатий и натяжений при холодной прокатке, режимы рекристаллизационного отжига и дрессировки Технология обеспечила получение заданного комплекса механических свойств, и показателей штампуемости листов Способ производства холоднокатаной стали для холодной штамповки защищен патентом РФ № 2313584

2 На основе адаптированной упруго-пластической математической модели напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации предложен способ регулирования межклетевых напряжений и частных обжатий на непрерывном стане, позволяющий путем изменения соотношения протяженностей зон отставания и опережения в очаге деформации влиять на качество поверхности полосы и на энергетические затраты

3 С использованием адаптированной упруго-пластической модели напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации рассчитаны деформационные и энергосиловые параметры холодной прокатки разработанной стали с заданными положениями нейтральных сечений в очагах деформации клетей непрерывного стана Применительно к высокопрочной сверхнизкоуглеродистой стали определены режимы деформации, обеспечивающие высокую чистоту поверхности полос и снижение энергозатрат при холодной прокатке

Реализация и внедрение результатов работы:

1 Разработана и внедрена в условиях ЧерМК ОАО «Северсталь» технология производства высокопрочной сверхнизкоуглеродистой автолистовой стали, обладающей ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостью, выпущена маршрутная карта МК105-16-242-05

Режимы горячей прокатки внедрены на стане 2000 листопрокатного цеха № 2 Режимы холодной деформации внедрены на непрерывном 5-тиклетевом стане 1700 Режимы рекристаллизационного отжига и дрессировки внедрены в цехе отделки металла производства холоднокатаного листа

2 Выпущены технические условия ТУ14-105-738-04 на поставку нового вида продукции, получившего наименование марки 01ЮПД Использование опытных и промышленных партий листов из стали 01ЮПД на автомобильных заводах подтвердили эффективность разработанной стали и технологии ее производства

3 Внедрение разработанной стали и технологии ее производства обеспечивают экономический эффект в условиях ЧерМК ОАО «Северсталь» 5,74 млн руб в год

4 Применение в автомобилестроении экономно легированной фосфором и медью сверхнизкоуглеродистой высокопрочной холоднокатаной стали обладающей ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостью, вместо обычной низкоуглеродистой стали, позволило улучшить эксплуатационные характеристики автомобилей, а именно - повысить сопротивляемость вмятинам и коррозионную стойкость панелей кузова автомобиля

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях V конгрессе международного союза прокатчиков (Череповец, 2003); международной конференции «IF Steels 2003» (Япония, Токио, 2003), международной конференции «Association for Iron & Steel Technology 2004» (September 15-17, 2004, USA, Tennessee, Nashville), второй международной конференции по новым разработкам в металлургической технологии (Riva del Garda, Italy, 19-21 September 2004), международной

научно-технической конференции, посвященной 50-летию ОАО «Северсталь» (Череповец, 2006), международной конференции «Машины, технологии, материалы» (София, Болгария, 2007)

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 научных работах и 3 патентах Российской Федерации

Достоверность результатов и сделанных на их основе выводов обеспечивается применением корректных методов теоретического анализа процессов формоизменения металлов при их деформации, сопоставлением расчетных и измеренных значений параметров, результатами внедрения усовершенствованной технологии на промышленных агрегатах при производстве товарной продукции Достоверность математического моделирования подтверждена сравнением с экспериментальными данными

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка, включающего 100 наименований, и 3 приложений Объем работы составляет 119 страниц, 20 рисунков, 36 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, выбрана цель работы и определены задачи исследований

В первой главе выполнен обзор научно-технических публикаций, посвященных современной концепции развития и классификации автомобильных сталей, особенностям № сталей с ВН-эффектом, как основы для разработки продукта с улучшенными потребительскими свойствами, а также вопросам теории и технологии производства стального автолиста, выполнен анализ требований, предъявляемых к автомобильным сталям

Вопросам теории и технологии производства холоднокатаного автомобильного листа в отечественной металлургии посвящены работы известных ученых Павлова И М , Полухина П И, Целикова А И, Пименова А Ф , Мазура В Л , Гарбера Э А и других Анализ литературных источников показал, что основными тенденциями развития современных автомобильных сталей, является применение в составе кузова и других частей автомобиля широкого сортамента сталей с

высокими прочностными характеристиками, при сохранении параметров пластичности В последнее десятилетие были разработаны и получили большое распространение новые виды проката с уникальными свойствами Перспективными являются холоднокатаные высокопрочные 1Р стали, обладающие повышенной стойкостью к коррозии, что позволит заменить более дорогую оцинкованную сталь.

С одним из основных отечественных производителей автомобилей ОАО «ГАЗ» согласованы следующие требования к механическим свойствам холоднокатаного листа из высокопрочной коррозионностойкой стали. с0,2=180-210 МПа, ств= 300-380 МПа, 54> 32% (Ь=0,70-1,50мм), 64 > 34% (Ь= 1,51 -2,00мм), гад > 2,0, >0,20, ВН2 > 40 МПа

Во второй главе описаны материалы, оборудование и методики проведения экспериментальных исследований В производственных условиях эксперименты проводились на опытно-промышленных партиях металла в соответствии со схемой производства на ЧерМК ОАО «Северсталь» (рис 1) в объеме 14-ти конвертерных плавок общей массой 4500 т В лабораторных условиях исследования проводили на образцах горячекатаного и холоднокатаного проката Определение механических характеристик при испытаниях на растяжение (сг02, От, ав, 64, коэффициента нормальной пластической анизотропии г, коэффициента деформационного упрочнения и), а также величину ВН-эффекта проводили в соответствии с рекомендациями ГОСТ 11701

Рис 1 Технологическая схема производства тонколистовой Настали иа ЧерМК ОАО «Северсталь»

Исследовали структуру и текстуру металла, методом внутреннего трения определяли количество остаточного углерода в твердом растворе, изучали процесс удаления окалины с поверхности горячекатаных полос, определяли степень загрязненности поверхности холоднокатаных полос

Коррозионную стойкость оценивали по величине удельного привеса образцов (г/м2) после 30-ти циклов испытаний по методу переменного погружения Метод переменного погружения образцов разработан в ФГУП ЦНИИчермет им ИП Бардина на основе стандарта ASTM G 44-75 Метод включает циклическое погружение образцов на 10 минут в 3,5% раствор хлористого натрия с последующим пребыванием на воздухе лабораторного помещения в течение 50 минут

Текстуру готового проката исследовали методами рентгеноструктурного анализа Съемку обратных полюсных фигур (ОПФ) выполняли в МоК0- излучении на аппарате ДРОН-2 в диапазоне отражений (HKL) от рефлексов (200) до (712) Коэффициент Лэнкфорда г рассчитали из рентгеновских измерений полюсных плотностей P})KL поверхности листа по корреляционному уравнению

В третьей главе представлены исследования, направленные на разработку экономно легированной автолистовой Настали повышенной прочности и стойкости к атмосферной коррозии Поскольку одной из основных целей дополнительного легирования является повышение уровня прочности при сохранении приемлемой пластичности, то в первую очередь рассматривали твердорастворное упрочнение феррита, как основной фазовой оставляющей сверхнизкоуглеродистой стали

Основными легирующими элементами для получения заданного комплекса свойств рассматривали медь и фосфор Степень легирования сверхнизкоуглеродистой стали фосфором и медью осуществляли с учетом влияния этих элементов на стойкость к атмосферной коррозии, механические свойства проката в состоянии поставки и величину ВН-эффекта

(2)

На основании результатов исследования автомобильных сталей производства ЧерМК ОАО «Северсталь» (табл 1) сделан вывод о том, что повышение суммарного содержания углерода и кремния снижает стойкость к атмосферной коррозии, тогда как медь и фосфор положительно влияют на эту характеристику

Таблица 1

Стойкость к атмосферной коррозии автомобильных сталей _производства ЧерМК ОАО «Северсталь»_

Марка стали Химический состав сталей, %(по массе) Удельный привес, г/м2 Группа коррозионной стойкости

С С+81 Мп Р Си Т1

08Ю 0,0340,054 0,0090,025 0,0450,079 0,180,26 0,0040,010 0,0080,028 <0,002 9,0-19,1 3 (не стойкие)

08ПС 0,082 0,02 0,084 0,46 0,016 0,057 - 11,2

08ГСЮТ 0,062 0,383 0,445 0,84 0 012 0,036 0,037 10,6

01ЮТ 0,0030,006 0,0130,020 0,0190,023 0,110,13 0,0070,010 0,0100,025 0,0320,061 6,3 2 (удовлетворительно стойкие)

08ЮП 0,040 0,047 0,087 0,23 0,059 0,011 - 6,7

01ЮПД 0,011 0,020 0,031 0,18 0,056 0,230 0,003 3,0 1 (стойкие)

Сталь 01ЮПД является по классификации табл 1 «стойкой» к коррозии Учитывая этот вывод, а также полученные в результате экспериментов данные по влиянию фосфора и меди на механические свойства конечного продукта, был определен рациональный химический состав новой коррозионностойкой автолистовой стали с т зр обеспечения комплекса свойств проката при минимальных затратах на легирующие материалы Содержание элементов должно быть в пределах, масс %• С=0,005-0,010, 81<0,03, Р=0,03-0,05, Си=0,2-0,3, Мп=0,1-0,3, А1=0,02-0,06, N<0,007 Разработаны технические условия на прокат из стали 01ЮПД ТУ 14-105-738-2004

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке технологических режимов горячей прокатки, травления и холодной прокатки автолистовой стали 01 ЮПД

Технологию горячей прокатки полос из непрерывно литых слябов

отрабатывали на опытных плавках стали 01 ЮПД Нагрев слябов производили в

методических печах до температуры в интервале 1200-1240°С. В процессе

нагрева слябов перед прокаткой в течение 3,5-4 часов достигается выравнивание

11

температуры по сечению слябов и полное растворение в аустените карбидов и нитридов Повышение температуры нагрева слябов, как и увеличение их выдержки в печи, приводило к росту зерна аустенита и формированию неравномерной микроструктуры, ухудшающей вытяжные свойства листов, а также повышению расходного коэффициента металла из-за окалинообразования Снижение температуры нагрева слябов затрудняло получение требуемой температуры конца прокатки Горячую прокатку слябов до конечной толщины 3,2-5,5 мм проводили на непрерывном широкополосном стане «2000» с температурой конца прокатки в интервале 855-885°С Такая прокатка формирует благоприятную текстуру деформации, измельчает зерна аустенита Понижение температуры конца прокатки ниже 850°С вызывало в дальнейшем образование текстуры холоднокатаного листа, неблагоприятной для холодной штамповки

Охлаждение горячекатаных полос водой на отводящем рольганге стана необходимо вести до температуры 540-580°С (ниже точки Аг^ Это обеспечивает превращение деформированных зерен переохлажденного аустенита в феррит с равноосными зернами 6-8 баллов Технология горячей прокатки должна обеспечить структурное состояние, при котором в наибольшей степени проявляется ВН-эффект. При температуре смотки более 580°С резко сокращается количество растворенного углерода Это вызывает снижение ВН-эффекта Механические свойства горячекатаного проката приведены в табл. 3

Таблица 3.

Механические свойства стали 01ЮПД после горячей прокатки

Толщина, мм Механические свойства

от, МПа ств, МПа 64, % ШВ,ед

4,0 250-260 345-350 40-44 55-56

3,2 275-290 350-360 38-39 59-61

Травление. С целью определения рациональных режимов травления горячекатаного подката стали 01ЮПД исследовали скорость удаления окалины и скорость растворения основного металла В лабораторных условиях использовали два типа травильных растворов водный раствор серной кислоты и водный раствор соляной кислоты без добавления и с добавлением ингибиторов кислот-

ной коррозии Травление стали с повышенным содержанием фосфора и меди требует особых условий из-за ее склонности к перетраву Скорость удаления окалины в растворе соляной кислоты в 2,7-3,6 раза выше, чем в растворе серной кислоты При этом скорость растворения металла в соляной кислоте меньше в 1,9 раза без применения ингибитора и в 6-10 раз с применением ингибитора, что способствует повышению чистоты поверхности полосы после травления

В производственных условиях солянокислотное травление проката обеспечило чистоту поверхности полос, характеризующуюся степенью отражения светового потока 50-70%, что на 10-20% (абс) больше, чем при травлении в серной кислоте Однако это явилось недостаточным для получения высокого качества поверхности холоднокатаной полосы, и потребовало разработки специальных режимов холодной прокатки

Разработка режимов холодной прокатки. Высокий уровень загрязнения поверхности полос из стали легированной фосфором и медью, вызывает повышенную отсортировку готовой продукции Поэтому были выполнены исследования, с целью установить влияние параметров холодной прокатки на чистоту поверхности полос Основанием для этих исследований явилась выдвинутая автором гипотеза о зависимости чистоты поверхности полосы от положения нейтральных сечений в очагах деформации рабочих клетей непрерывного стана

Классические методики энергосилового расчета, наиболее распространенные в конструкторской и технологической практике, не позволяли достоверно определять положение нейтрального сечения в очаге деформации Поэтому для проведения исследований была использована ранее разработанная с участием автора методика, основанная на упруго-пластической модели напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации Согласно этой методике, контур очага деформации, с учетом упругого сплющивания (рис 2), аппроксимирован двумя прямыми отрезками Одним - от входного сечения до вертикальной осевой плоскости валков (он соответствует углу захвата а и, следовательно, наклонен к оси прокатки на угол а/2) Вторым - на участке упругого восстановления части толщины полосы (он наклонен к оси прокатки в

противоположном направлении на угол (3) Очаг деформации г-ой рабочей клети разбит на три участка

- упругого сжатия полосы длиной х1упр, пластической деформации длиной

хтУ состоящий из двух зон отставания - длинои хп

и опережения - длиной

хт опср , упругого восстановления части толщины полосы на выходе из очага деформации длиной Х2упр

У

Рис 2 Расчетная схема очага деформации йк^р и АЬ2упр - упругое сплющивание и восстановчение почосы, К - радиус бачка, Нч - толщина почосы в нейтральном сечении 1С, -длина очага деформации, а, /, а, - натяжение до и посче клети (заднее и переднее)

Протяженность участков х1}„р, хтотст и хпя отр можно определить,

аппроксимировав дугу контакта отрезками прямых В этом случае из

геометрических соотношений следует

Ыч+ЫНу,

Ща/2)

^т ^т ппеп >

(3)

(4)

(5)

(6)

где х, = ^йД/г, + , /г„- толщина полосы в нейтральном сечении,

АИы„р и Ак2уПр - максимальные упругие деформации полосы, рассчитываемые, исходя из закона Гука

Расчет контактных напряжений выполнен для каждого участка отдельно путем решения системы трех уравнении

1) дифференциального уравнения равновесия полосы в очаге деформации

К tgia.ll) \

ДД + Д/г,,„„ где / 2) = ——— ;

2*1

2) уравнения закона трения в виде зависимости

Ъ = (8)

где рх и тх - нормальные и касательные контактные напряжения, переменные по длине очага деформации, ц - коэффициент трения, усредненный по длине очага деформации,

3) уравнения пластичности (9) в зонах отставания и опережения, уравнений упругости (11), (12) на упругих участках

Уравнения пластичности на пластических участках приняты в классическом виде, предложенном А И Целиковым

рх-ах = 2г„ (9)

где ох — сжимающие нормальные напряжения, параллельные оси прокатки, т5 = 1,15а02~ сопротивление чистому сдвигу

Для стали 01ЮПД зависимость предела текучести оо2 от суммарного обжатия впервые определены в данной работе С этой целью провели механические испытания образцов, взятых от горячекатаного подката и от полос, прокатанных в холодном состоянии с обжатиями в диапазоне от 9% до 70% Полученная зависимость а0 2 от суммарного обжатия аппроксимировали эмпирической формулой А В Третьякова

<Г0 2=°'0 2»С*+А *суЛ (Ю)

где а о 2исх = 290 МПа — исходный предел текучести горячекатаного подката, А =

47,25 МПа - фактор наклепа, есум - суммарное относительное обжатие в

процентах, В = 0,482 - коэффициент наклепа Выражение (10) использовали для

расчета технологических и энергосиловых параметров холодной прокатки

Отличительная особенность методики расчета контактных напряжений

состоит в том, что уравнения упругости, использованные вместо уравнений

пластичности (9) на упругих участках, выражены в соответствии с законом Гука.

а) на первом упругом участке.

б) на втором упругом участке.

А-<Т,=1,15£л^, (12)

где Еп - модуль упругости материала полосы, , А, - толщина полосы на входе в очаг деформации г-ой клети и выходе из него, их - текущее значение толщины полосы в сечении с координатой <а»

Выражения (11) и (12) изменили структуру дифференциального уравнения равновесия, которое на упругих участках, в отличие от уравнения Кармана, не могло быть решено методом разделения переменных Оно было решено методом замены переменных, который используется в интегральном исчислении для линейных дифференциальных уравнений 1-го порядка В результате получены формулы для расчета переменных контактных напряжений на различных участках по длине очага деформации, приведенные в диссертации

Описанная методика расчета была апробирована на фактических режимах холодной прокатки на 5-ти клетевом стане 1700 Расхождения расчетных и измеренных усилий прокатки не превысили 10%, составив в среднем 3-5% Это позволило достоверно определять и прогнозировать положение нейтрального сечения в очаге деформации

Использование упруго-пластической модели очага деформации обеспечило возможность управления положением нейтрального сечения при холодной прокатке в каждой рабочей клети непрерывного стана В ходе исследований с использованием новой модели было выявлено, что на чистоту поверхности холоднокатаной полосы влияют два основных фактора чистота поверхности исходного горячекатаного травленого подката и положение нейтрального сечения в каждой рабочей клети Для характеристики очага деформации и положения нейтрального сечения предложен комплексный критерий Х„ равный

где хт отст - длина зоны отставания, хш - полная длина пластического участка. Чем ближе значение X, к 1, тем чище полоса, так как тем большую часть очага деформации занимает зона отставания Управление режимами холодной прокатки по критерию Х,=тах позволяет повысить качество поверхности холоднокатаных полос На 5-ти клетевом стане 1700 при прокатке по оптимизированному режиму, по сравнению с рабочим, в 1,9-2,4 раза снижается прирост загрязнения и увеличивается чистота холоднокатаного металла на величину от 0,5 % до 4,4 % отражения светового потока

Увеличение зоны отставания улучшает чистоту поверхности, но увеличивает расход энергии, увеличение зоны опережения вызывает противоположный эффект Поэтому режим холодной прокатки стали 01ЮПД на непрерывном 5-ти клетевом стане 1700 оптимизировали следующим образом варьировали частные обжатия в клетях и межклетевые натяжения, чтобы увеличить зону отставания в последних (4-й и 5-й) клетях и уменьшить ее в наиболее энергоемких промежуточных (2-й и 3-й) клетях Это обеспечило повышение чистоты поверхности листов и сокращение требуемой суммарной мощности главных приводов рабочих клетей (Л'сум) в целом по стану на 460 кВт, или 3,8%, что позволяет в сутки экономить 11000 кВтч (около 40 тыс МДж) электроэнергии

Формирование текстуры при холодной прокатке металла определяется характером напряженно-деформированного состояния, что зависит от соотношения протяженностей зон отставания и опережения в очаге деформации При переходе из зоны отставания в зону опережения меняющееся направление напряжений контактного трения приводит к текстурным преобразованиям, направленным на возникновение неблагоприятных для штамповки листа текстурных компонентов {113}, {120}, {122} и др, увеличивая многообразие ориентировок деформируемых зерен. Чем большую длину имеет зона отставания на пластическом участке очага деформации, тем более благоприятная для нормальной пластической анизотропии кристаллографическая текстура зерен образуются в стальном листе По данным рентгеноструктурного анализа образцов холоднокатаной стали 01ЮПД, при увеличении усредненного по всем клетям параметра Хг от 0,86 до 0,92, возрастает доля компонентов текстуры

{100} на 28%, {111} на 25% и {112} на 13%, и компонентов, близких к октаэдри-ческой текстуре: {332} и {534}. Одновременно в структуре поверхности проката количество зёрен {113}, {120} уменьшается. Рекристаллизационный отжиг сохраняет полученное преимущество кристаллографической текстуры стали.

Влияние суммарного обжатия при холодной прокатке на конечные свойства готового листа. Увеличение суммарного обжатия в исследованном диапазоне приводит к увеличению ВН-эффекта и коэффициента анизотропии г90. Эти зависимости представлены на рис. 3 и рис. 4. В исследованном диапазоне суммарных обжатий от 67% до 76% величина ВН-эффекта соответствует установленной норме - не менее 40 МПа. Наилучшие значения этого показателя от 45 до 60 МПа достигаются при суммарном обжатии 75-76%. Коэффициент анизотропии гда при этом так же приобретает максимальные значения: от 2,1 до 2,3.

у = 0,5836х - 82,5х + 2954,4 R2 = 0,4964

65 л

во -

55 -

1

^ ЯП -|

ь

я 45 -

ti- 40 -

35 -

ro

30

25 -

Рис. 3. Влияние суммарного обжатия на ВН-эффект в готовом прокате стали 01ЮПД.

70 72 74 Суммарное обжатие, %

76

78

Рис.4. Влияние суммарного обжатия на коэффициент нормальной пластической анизотропии в готовом прокате стали 01ЮПД.

В пятой главе приведены результаты разработки и исследования режимов рекристаллизационного отжига и дрессировки стали 01ЮПД. Основными параметрами рекристаллизационного отжига являются температура и продолжительность выдержки. Результаты экспериментального исследования влияния этих параметров на свойства стали 01ЮПД представлены на рис. 5-8.

1

2,3 -2,2 ■ г,1 -2 -1,9-1

"у = -0,0047k2 + 0,688х - 23,227 R2 = 0,5957

70 72 74

Суммарное обжатие. %

Статистически значимыми получены зависимости предела текучести (рис 5) и временного сопротивления (рис. 6) от температуры отжига, ВН-эффекта (рис 8) от продолжительности выдержки при температуре отжига При температуре 730°С ВН-эффект имеет наиболее стабильные значения - в пределах 43-48 МПа (рис 7) Исходя из этих зависимостей, был выбран режим отжига Для получения предела текучести в пределах 180-210МПа и наибольших значений ВН-эффекта (ВН2) температура отжига в колпаковых печах должна быть 720-730°С, продолжительность выдержки при температуре отжига в колпаковых печах должна быть не менее 22 часов

225 1

ё 220 -S

s 215

8 210 I 205

с 200

190

-0 234х + 368 77 R2 = 0,6479

620 640 660 680 700 720 Температура отжига °С

740

Рис 5 Вчияние температуры отжига на преде 7 текучести готовой стали 01ЮПД

Г 345

! 340

; 335 !• «

! | 330 ! 325 | 320 < 315

у = 0 0045Х2 6 24х + 2485,4 R3 = 0 5272

660 680 700 Температура отжига °С

Рис б Влияние температуры отжига на временное сопротивление готовой стали 01ЮПД

X

О 620 640 660 680 700 720 740 Температура отжига °С

Рис 7 Влияние температуры отжига на ВН-эффект готовой стапи 01ЮПД

60 -

55 ^

та С 50 •

Ё 45 - ♦

1

•е- 40 -

♦

X 35 - ♦

ш

30 -

25 —

14

у = - 27,35х + 284,31

И2 = 0,7944

16 18 20 Время отжига час

22

24

Рис 8 Виляние продогжитепь-ности выдержки при отжиге на ВН-эффект готовой стали 01ЮПД

Разработка режимов дрессировки стали 01ЮЦД

Исследование механических свойств, полученных при разных степенях деформации при дрессировке показало, что наилучшее сочетание свойства полосы обеспечиваются при степени деформации 0,8 % (рис 9 -12)

ззо

320 -

ш | 310 £ *

то 300 ■

290

у = -20.96Х2 + 30,334х + 305,95 ^ = 0,7112

0,2 0,4 0,6 0,8 1 Обжатие при дрессировке, %

Рис 9 Вчияние степени деформации при дрессировке на временное сопротивление стали 1ЮПД

210

205 -200 -195 190185180 -0,5

0,7 0,9

Степень обжатая при дрессировке,%

1,1

Рис 10 Вчияние степени деформации при дрессировке на предеч текучести стали 01ЮПД

О 0 2 0 4 0,6 0,8 1 Обжатие при дрессировке,%

Рис 11 Вчияние степени деформации при дрессировке на относитечъное удпинение стали 01ЮПД

55 •

50

45 ■

40

у = 43 75х2 - 57 5х + 64 25 ^ = 0.6118

0,5 0,6 0,7 0,8 0,5

Обжатие при дрессировке, %

Рис 12 Вешние степени деформации при дрессировке па ВН-эффект стали ОИОПД

В шестой главе описано внедрение технологии производства автолистовой стали 01ЮПД на ЧерМК ОАО «Северсталь» Отличие от предшествовавшей технологии состоит в новых технологических режимах, обеспечивающих получение качественной продукции в соответствии с требованиями потребителя Требования были сформулированы в совместном техническом соглашении ТС 105-301-2003 ОАО «Северсталь» и ОАО «ГАЗ», а затем в технических условиях на поставку стали 01ЮПД в ТУ 14-105-738-04 На основе проведенных исследований и опытно-промышленных опробований разработана маршрутная (технологическая) карта, включающая технологические режимы обработки на всех переделах производства Выход годной продукции по качеству поверхности составил 90-95%, что сопоставимо со сталью 08Ю

Сталь 01ЮПД должна заменить на ОАО ГАЗ сталь 08Ю категории ОСВ для изготовления деталей автомобиля «Газель» - «панель крыши фургона», «панель передка», «надставка боковины» с уменьшением толщины используемого проката Готовый холоднокатаный лист из стали 01ЮПД обладает высокими показателями штампуемости, характеризуемыми величинами с0 г, §4, >"9о, и90, и проявляет четко выраженный ВН-эффект - более 40 МПа

Эффективность производства новой автолистовой стали оценивали по экономическому эффекту у производителя за счет замещения менее эффективного вида продукции - стали 08пс Экономический эффект составляет 5,74 млн руб в год

Основные выводы

1 Разработана сверхнизкоуглеродистая высокопрочная холоднокатаная листовая сталь для автомобилестроения, обладающая ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостью, впервые установлены рациональные диапазоны содержания в ней фосфора 0,03-0,05% и меди 0,2-0,3%

Новая сверхнизкоуглеродистая сталь и изделия, выполненные из нее, защищены патентом РФ № 2237101

2 Определены ключевые параметры сквозной технологии прокатного передела и их эффективные значения при производстве разработанной стали, включая температуру нагрева слябов, температуры горячей прокатки и смотки, режим обжатий и натяжений при холодной прокатке, режимы рекристаллизационного отжига и дрессировки Технология обеспечила получение заданного комплекса механических свойств, и показателей штампуемости листов Способ производства холоднокатаной стали для холодной штамповки защищен патентом РФ № 2313584

3 Для разработанной стали установлена зависимость предела текучести от обжатия, которая использована в упруго-пластической модели напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации для анализа закономерностей пластического формоизменения в процессе холодной прокатки

4 Впервые установлено влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации на характеристики текстуры разработанной стали- увеличение относительной длины зоны отставания увеличивает долю компонентов текстуры стали, благоприятных для штамповки, что значительно повышает коэффициент нормальной пластической анизотропии г и показатель упрочнения п

5 Экспериментальным путем установлено комплексное влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации на чистоту поверхности

22

полосы и расход энергии при холодной прокатке увеличение зоны отставания повышает чистоту поверхности, но увеличивает расход энергии, увеличение зоны опережения вызывает противоположный эффект Это объясняется влиянием противоположно направленных напряжений трения в очаге деформации в зоне отставания - вперед по ходу прокатки, в зоне опережения - в обратном направлении Способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетьевом стане, включающий управление положением нейтрального сечения в очагах деформации клетей, защищен патентом РФ № 2238809

6 С использованием адаптированной упругопластической модели напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации рассчитаны деформационные и энергосиловые параметры холодной прокатки разработанной стали с заданными положениями нейтральных сечений в очагах деформации клетей непрерывного стана Применительно к высокопрочной сверхнизкоуглеродистой стали определены режимы деформации, обеспечивающие высокую чистоту поверхности полос и снижение энергозатрат при холодной прокатке

7 Сквозная технология производства разработанной стали внедрена на ЧерМК ОАО «Северсталь», что обеспечило экономический эффект в условиях ОАО «Северсталь» 5,74 млн руб в год

8 Применение в автомобилестроении экономно легированной фосфором и медью сверхнизкоуглеродистой высокопрочной холоднокатаной стали обладающей ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостью, вместо обычной низкоуглеродистой стали, позволило улучшить эксплуатационные характеристики автомобилей, а именно - повысить сопротивляемость вмятинам и коррозионную стойкость панелей кузова автомобиля

Результаты работы изложены в следующих публикациях:

1 Кузнецов В В , Гарбер Э А , Шалаевский Д Л, Юсупов В С

Производство холоднокатаного автомобильного листа из новой

коррозионностойкой экономно легированной стали с ВН-эффектом

Производство проката, 2007 г , № 11, с 9-12

23

2 Кузнецов В В, Славов В И Исследование влияния положения нейтрального сечения в очаге деформации при холодной прокатке на текстуру и свойства проката Бюллетень НТИ Ч М №1, 2008, с. 44-48

3 Кузнецов В В , Шадрунова И А, Дилигенский Е В и др Повышение чистоты поверхности холоднокатаных полос воздействием на технологические режимы непрерывного стана холодной прокатки Труды пятого конгресса прокатчиков М ОАО «Черметинформация», 2004, с 95-99

4 Гарбер Э А, Кузнецов В В Стандарты на холоднокатаный лист и проблема повышения эффективности листопрокатного производства. Производство проката, 2002, № 12, с 34-37

5 Гарбер Э А, Шадрунова И А, Кузнецов В В Новые решения контактной задачи в очаге деформации при холодной прокатке тонких полос Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением Межрегиональный сборник научных трудов - Магнитогорск МГТУ, 2002, с 23-29

6 Гарбер Э А, Шадрунова И А , Кузнецов В В , Никитин Д И, Дилигенский ЕВ Улучшение качества поверхности холоднокатаных полос путем воздействия на положения нейтрального сечения в очаге деформации Производство проката, 2003, №2, с 16-19

7 Гарбер Э А, Кузнецов В В , Шадрунова И.А и др Технологические режимы непрерывного стана холодной прокатки, обеспечивающие повышение чистоты поверхности холоднокатаных полос Материалы IV международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» Череповец, 8-10 декабря 2003 г - с 187-194

8 Юсупов В С , Трайно А И, Кузнецов В В , Гарбер Э А, Современное состояние производства и применения IF-стали. Производство проката, 2004, № 5, с 11-20

9 Garber Е А , Shadranova IА, Kuznetsov V V, Tramo АI, Yusupov V S New methods of optimization of cold rolling modes at continuous mills which provide improvement of surface cleamness and reduction of energy consumtion 2nd International Conference & Exhibition on New Developments in Metallurgical Process

24

Technology (Riva del Garda, Italy, 19-21 September 2004) Associazione Itahana di Metallurgia, 2004, p. 124-125

10 Garber E A , Shadrunova I A, Kuznetsov V V , Traino AI, Yusupov V S Improvement of Rolling Schedules at Continuous Cold Rolling Mills AISTech-2004 Iron & Steel Technology conference Proceedings Volume II (September 15-17, 2004, Nashville, Tennessee) Association for Iron & Steel Technology, 2004, p 3-9

11 Степаненко A A, Ламухин A M , Кузнецов В В и др Сталь для глубокой вытяжки и изделие, выполненное из нее (Варианты) Патент РФ № 2237101, МПК 7 С22СЗ8/42, С22С38/50, С22С38/54 Заявлено 05 06 2003, заявка N2 2003116851/02 Опубликовано 27 09 2004 Бюл № 3

12 Гарбер ЭА, Шадрунова И А, Кузнецов В В и др Способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетьевом стане Патент РФ № 2238809 Заявлено 08 01 2003, заявка № 2003100674/02 Опубликовано 27 10 2004 Бюл №30

13 Немтинов А А, Кузнецов В В, Струнина ЛН, Шурыгина MB, Черноусов В Л и др Способ производства холоднокатаной стали для холодной штамповки Патент РФ № 2313584, МПК C21D 8/04, С22С38/16 Заявлено 24 01 2006, заявка №2006101757/02 Опубл 27 12 2007 Бюл №36

14 Гарбер Э А , Кожевникова И А, Кузнецов В В и др Новые методы моделирования процессов холодной прокатки, обеспечивающие улучшение качества холоднокатаных листов, экономию энергии и увеличение скорости непрерывных станов Машины, технологии, материалы», 2007, № 2-3, с 108-111

15 Гарбер Э А , Шалаевский Д Л, Кожевникова И А , Кузнецов В В Совершенствование силового расчета процесса холодной прокатки на основе нового подхода к расчету сплющивания валков Производство проката, 2008, № 5, с 14-18

Введение

Глава 1. Тенденции развития автомобильных листовых сталей

1.1. Концепция развития и современная классификация автомобильных сталей

1.2. Особенности IF стали с эффектом упрочнения при нагревании (ВН-эффектом), как основа для разработки продукта с улучшенными потребительскими свойствами и технологии его производства

1.3. Анализ требований, предъявляемых к автомобильным, в том числе, высокопрочным сталям

1.4. Технология производства автолиста из IF стали в условиях

ОАО «Северсталь»

1.5. Выводы из литературно-аналитичекого обзора и основные задачи работы

Глава 2. Материалы, оборудование и методики при проведении экспериментальных исследований

2.1. Объем и сортамент исследованного материала

2.2. Промышленные эксперименты. Оборудование и технология

2.3. Лабораторные исследования механических и технологических свойств горячекатаного и холоднокатаного проката

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Разработка экономно легированной автолистовой стали повышенной прочности и стойкости к атмосферной коррозии

3.1. Требования к тонколистовому прокату из разрабатываемой стали

3.2. Исследование влияния легирующих элементов на стойкость к атмосферной коррозии

3.3. Влияние легирования фосфором и медью на механические свойства автолистовой стали

3.4. Выводы по главе

Глава 4. Исследование и разработка технологических режимов горячей прокатки, травления и холодной прокатки, обеспечивающих заданный уровень потребительских свойств автолистовой стали 01ЮПД

4.1. Разработка технологии горячей прокатки полос из непрерывнолитых слябов

4.2. Исследование процессов травления горячекатаных полос

4.3. Исследование, моделирование и разработка режимов холодной прокатки, включающих управление положением нейтрального сечения в очагах деформации клетей непрерывного стана

4.4. Исследование упрочнения стали 01ЮПД при холодной деформации

4.5. Влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации при холодной прокатке на текстуру и свойства проката

4.6. Исследование влияния суммарного обжатия на механические свойства готовой стали 01ЮПД

4.7. Выводы по главе

Глава 5. Исследование и разработка режимов рекристаллизационного отжига и дрессировки холоднокатаной стали 01ЮПД

5.1. Рекристаллизационный отжиг и дрессировка как факторы управлениями свойствами холоднокатаного листа

5.2. Разработка режимов рекристаллизационного отжига холоднокатаных полос из стали 01ЮПД

5.3. Разработка режимов дрессировки стали 01ЮПД

5.4. Выводы по главе

Глава 6. Внедрение технологии производства высокопрочного автолистового проката из стали 01ЮПД

6.1. Производство высокопрочного автолистового проката из стали 01ЮПД в условиях ЧерМК ОАО «Северсталь»

6.2. Испытание новой автолистовой стали в условиях потребителей (ОАО «ГАЗ», ОАО «АВТОВАЗ», РУП «МАЗ»)

6.3. Экономическая эффективность производства проката из стали 01ЮПД

Выводы

Актуальность темы Концепция современного автомобиля предполагает существенный рост безопасности при приемлемом уровне затрат на его производство и эксплуатацию. Реализация этой концепции требует применения высокопрочных коррозионностойких автомобильных сталей. Наряду с высокой прочностью, автомобильные листы, из которых изготавливают методом штамповки кузовные детали, должны обладать хорошей штампуемо-стью, зависящей от пластических свойств применяемой стали.

Зарубежная металлургия предлагает большой ассортимент высокопрочных сталей с различным структурным состоянием, уровнем прочности и пластичности для различного назначения в легковых и грузовых автомобилях. Конкурентноспособность отечественных металлургических предприятий, выпускающих автомобильный листовой прокат, зависит от того, смогут ли они предложить потребителям автомобильную сталь, обладающую комплексом потребительских свойств, не уступающих свойствам продукции зарубежных металлургов и имеющую при этом приемлемую цену.

Данная диссертационная работа направлена на решение этой задачи, что определяет её актуальность.

В последние десятилетия ведущие производители автомобильных сталей в Японии, США, Швеции, Кореи, Германии и других странах разработали ряд новых марок стали, обладающих улучшенными потребительскими свойствами. Особую перспективную группу среди них представляют стали без атомов внедрения - Interstitial Free Steel (IF-сталь), которые не подвержены старению и обладают повышенной штампуемостью. Один из недостатков автомобильных листов, изготовленных из IF-стали, - низкое сопротивление смятию лицевых деталей автомобиля. Для преодоления этого недостатка были созданы стали с эффектом упрочнения при нагревании в процессе сушки лакокрасочного покрытия - ВН-эффекта (Bake Hardening Effekt).

Несмотря на все свои преимущества, эти виды автолистовой стали без защитного покрытия обладают значительно меньшей коррозионной стойкостью по сравнению с оцинкованной сталью. Применение оцинкованной — более дорогой стали приводит к увеличению цены автомобиля, что снижает его привлекательность для массового покупателя.

Из-за острой конкуренции среди производителей, подробности технологии производства листов из IF-сталей с ВН-эффектом, обладающих высокой коррозионной стойкостью, в технической литературе не публиковались, поэтому для получения отечественной металлургической промышленностью автомобильных листов, конкурентноспособных на мировом рынке, как по качеству, так и по цене, требовалось выполнить комплексное исследование, начиная с выбора химического состава и кончая производством готовых автомобильных листов в рулонах.

В завершающих этапах производства автомобильного листа — холодной прокатке, отжиге, дрессировке, также имелся ряд вопросов, требующих уточнения. К ним относится оптимизация режимов обжатий и натяжений, обеспечивающая улучшение чистоты поверхности холоднокатаных полос. Этот вопрос на момент начала данной работы не был проработан, публикации зарубежных специалистов по этому вопросу отсутствовали.

Без проведения теоретических и экспериментальных исследований по всем перечисленным вопросам ведущий российский производитель автомобильного листа - Череповецкий металлургический комбинат ОАО «Северсталь» - не мог освоить выпуск высококачественной автомобильной стали, пользующейся спросом на российском и мировом рынках.

Цель работы состояла в разработке и внедрении технологии производства конкурентноспособного тонколистового проката из сверхнизкоуглеро-дистой стали с повышенными характеристиками прочности и коррозионной стойкости для автомобильной промышленности, обеспечивающей заданный комплекс прочностных и пластических характеристик при относительно низких производственных затратах.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

- исследование влияния легирования фосфором и медью сверхнизкоуглеро-дистой стали на механические и функциональные свойства холоднокатаного проката и определение химического состава, обеспечивающего заданный комплекс механических свойств и повышенную стойкость к атмосферной коррозии;

- определение режима нагрева слябов, температурных режимов горячей прокатки, смотки и охлаждения рулонов, разработка режима солянокислотного травления горячекатаных полос;

- исследование деформационного упрочнения разрабатываемой стали при холодной прокатке и адаптация упруго-пластической модели напряженного состояния полосы в очаге деформации с учётом установленной зависимости;

- исследование влияния положения нейтрального сечения очага деформации при непрерывной холодной прокатке, с использованием адаптированной упруго-пластической модели напряженного состояния полосы, на текстуру, показатели штампуемости и чистоту поверхности холоднокатаных полос;

- разработка режимов непрерывной холодной прокатки с заданным положением нейтральных сечений очагов деформации в клетях непрерывного стана с целью снижения загрязненности поверхности холоднокатаных полос и обеспечения требуемого комплекса свойств готового листа;

- определение зависимости механических свойств и показателей штампуемости готовой холоднокатаной стали от суммарного обжатия при холодной прокатке, режимов рекристаллизационного отжига и дрессировки;

- определение ключевых параметров сквозной технологии прокатного передела и их эффективных значений.

Научная новизна.

1. Разработана сверхнизкоуглеродистая высокопрочная холоднокатаная листовая сталь для автомобилестроения, обладающая ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостью; впервые установлены рациональные диапазоны содержания в ней фосфора 0,03-0,05% и меди 0,2-0,3%.

Новая сверхнизкоуглеродистая сталь, отличающаяся регламентированным содержанием фосфора и меди, и изделие, выполненное из нее, защищены патентом^Ф № 2237101. Решением международного жюри «Архимед-2005» VIII международного салона промышленной собственности разработка «Сталь для глубокой вытяжки» награждена золотой медалью. Копия диплома представлена в приложении 1.

2. Для анализа закономерностей пластического формоизменения в процессе холодной прокатки полос из разработанной автомобильной стали впервые применена упруго-пластическая модель напряженного состояния полосы в очаге деформации с использованием вновь установленной для этой стали зависимости предела текучести от обжатия.

3. Впервые установлено влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации, на характеристики текстуры разработанной стали: увеличение относительной длины зоны отставания увеличивает долю компонентов текстуры стали, благоприятных для штамповки, что значительно повышает коэффициент нормальной пластической анизотропии г и показатель упрочнения п.

4. Экспериментальным путём установлено комплексное влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации на чистоту поверхности полосы и расход энергии при холодной прокатке: увеличение зоны отставания повышает чистоту поверхности, но увеличивает расход энергии; увеличение зоны опережения вызывает противоположный эффект. Это объясняется влиянием противоположно направленных напряжений трения в очаге деформации: в зоне отставания — вперёд по ходу прокатки, в зоне опережения - в обратном направлении. Способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетьевом стане, включающий управление положением нейтрального сечения в очагах деформации клетей, защищен патентом РФ № 2238809.

5. Установлены количественные зависимости механических свойств и показателей штампуемости разработанной х/к стали от суммарного обжатия при холодной прокатке, режимов рекристаллизационного отжига и степени деформации при дрессировке.

Практическая значимость.

1. Определены ключевые параметры сквозной технологии прокатного передела и их эффективные значения при производстве разработанной стали, включая температуру нагрева слябов, температуры горячей прокатки и смотки, режим обжатий и натяжений при холодной прокатке, режимы рекристаллизационного отжига и дрессировки. Технология обеспечила получение заданного комплекса механических свойств, и показателей штампуемости листов. Способ производства холоднокатаной стали для холодной штамповки защищён патентом РФ № 2313584.

2. На основе адаптированной упруго-пластической математической модели напряженного состояния полосы в очаге деформации предложен способ регулирования межклетевых напряжений и частных обжатий на непрерывном стане, позволяющий путём изменения соотношения протяженно-стей зон отставания и опережения в очаге деформации влиять на качество поверхности полосы и на энергетические затраты.

3. С использованием адаптированной упругопластической модели напряженного состояния полосы в очаге деформации рассчитаны деформационные и энергосиловые параметры холодной прокатки разработанной стали с заданными положениями нейтральных сечений в очагах деформации клетей непрерывного стана. Применительно к высокопрочной сверхнизкоуг-леродистой стали определены режимы деформации, обеспечивающие высокую чистоту поверхности полос и снижение энергозатрат при холодной прокатке.

Реализация и внедрение результатов работы:

1. Разработана и внедрена в условиях ЧерМК ОАО «Северсталь» технология производства высокопрочной с в ерхн из коугл ер од исто й автолистовой стали, обладающей ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостью; выпущена маршрутная карта МК105-16-242-05.

Режимы горячей прокатки внедрены на стане 2000 листопрокатного цеха № 2. Режимы холодной деформации внедрены на непрерывном пяти-клетевом стане 1700. Режимы рекристаллизационного отжига и дрессировки внедрены в цехе отделки металла производства холоднокатаного листа.

2. Выпущены технические условия ТУ14-105-738-04 на поставку нового вида продукции, получившего наименование марки 01ЮПД. Использование опытных и промышленных партий листов из стали 01ЮПД на автомобильных заводах подтвердили эффективность разработанной марки стали и технологии ее производства.

3. Внедрение разработанной стали и технологии ее производства обеспечивают экономический эффект в условиях ОАО «Северсталь» 5,74 млн. руб. в год.

4. Применение в автомобилестроении экономно легированной фосфором и медью сверхнизкоуглеродистой высокопрочной холоднокатаной стали обладающей ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостью, вместо обычной низкоуглеродистой стали, позволило улучшить эксплуатационные характеристики автомобилей, а именно — повысить сопротивляемость вмятинам и коррозионную стойкость панелей кузова автомобиля.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V конгрессе международного союза прокатчиков (Череповец, 2003); международной конференции «IF Steels 2003» (Япония, Токио, 2003), международной конференции «Association for Iron & Steel Technology 2004» (September 15-17, 2004, USA, Tennessee, Nashville); второй международной конференции по новым разработкам в металлургической технологии (Riva del Garda, Italy, 19-21 September 2004); международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ОАО «Северсталь» (Череповец, 2006); международной конференции «Машины, технологии, материалы» (София, Болгария, 2007).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 научных работах и 3 патентах Российской федерации.

Достоверность результатов и сделанных на их основе выводов обеспечивается применением корректных методов теоретического анализа процессов формоизменения металлов при их деформации, результатами внедрения усовершенствованной технологии на промышленных агрегатах при производстве товарной продукции. Достоверность математического моделирования подтверждена сравнением с экспериментальными данными.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка, включающего 100 наименований и 3 приложений. Объем работы составляет 119 страниц, 20 рисунков, 36 таблиц.

5.4. Выводы по главе 5.

1. Выполнен комплекс экспериментальных исследований влияния на свойства холоднокатаных полос из стали 01ЮПД основных параметров рекристаллизационного отжига в колпаковых печах — температуры и продолжительности выдержки.

В результате исследований установлено, что наилучшая пластичность, максимальные значения коэффициентов анизотропии, упрочнения и ВН-эффекта обеспечиваются при температуре 730 °С и продолжительности выдержки не менее 23 часов.

2. Исследование влияния дрессировки холоднокатаных полос из стали 01ЮПД с применением методов рентгеноструктурного анализа кристаллической текстуры образцов показало, что наилучшее сочетание механических свойств достигается при дрессировке с обжатием в диапазоне 0,8-1,0%.

Глава 6. Внедрение технологии производства высокопрочного автолистового проката из стали 01ЮПД

Теоретические и экспериментальные разработки, а также опытно-промышленные работы, изложенные в главах 3-5, легли в основу технологии производства новой автолистовой стали с заданным комплексом потребительских свойств на Череповецком металлургическом комбинате ОАО «Северсталь». При этом учитывался состав имеющегося оборудования и особенности технологического процесса производства автолистовых сталей. Разработана маршрутная карта МК 105-16-242-05.

6.1. Производство высокопрочного автолистового проката из стали 01ЮПД в условиях ЧерМК ОАО «Северсталь»

Технологическая схема производства высокопрочной автолистовой стали 01ЮПД по основным технологическим операциям, используемая на Череповецком металлургическом комбинате ОАО «Северсталь», приведена на рис. 6.1. Отличие от автолистового сортамента состоит в новых технологических режимах, обеспечивающих на всех этапах получение качественной продукции, соответствующей требованиям потребителя. Данные требования были сформулированы в совместном техническом соглашении ТС 105-3012003 ОАО «Северсталь» и ОАО «ГАЗ», а затем в разработанных технических условиях на поставку стали 01ЮПД ТУ 14-105-738-04 между ОАО «Северсталь» и ОАО «ГАЗ». На основе проведенных исследований и опытно-промышленных опробований разработаны операционные карты, включающие технологические режимы обработки. Сталь 01ЮПД должна заменить на ОАО ГАЗ сталь 08Ю категории ОСВ для изготовления деталей автомобиля «Газель» - «Панель крыши фургона», «Панель передка», «Надставка боковины», и автомобиля «Волга» - «Панели двери внутренние» с уменьшением толщины используемого проката.

Выплавка стали в кислородном конвертере г

Внепечная обработка, вакуумирование

1

Непрерывная разливка слябов

1 г

Горячая прокатка полос на НШС 2000

Солянокислотное травление в НТА

Холодная прокатка на 5-клетевом стане 1700

1

Отжиг в колпаковых водородных печах

- ■

Дрессировка на одн^клетевом стане 1700

Порезка, отгрузка м—

Рис. 6.1. Технологическая схема производства автолйстовой стали 01ЮПД на ЧерМК ОАО «Северсталь»

Сравнение требований ТС 105-301-2003 и ТУ 14-105-738-04 к механическим свойствам проката из стали 01ЮПД приведены в табл.6.1.

1. Козлов А.В. Мировое пространство и глобальный рынок стали. Производство проката. 2006. №3. С.41-47.

2. Бюллетень UK Steel от 22.08.05.

3. Иводитов В.А. Автомобильная сталь // Производство проката. 2005. № 1-6.

4. Руководство по применению улучшенной высокопрочной стали. Международный институт черной металлургии. Июнь 2006. www.worldautosteel.org/

5. Kwon O., Lee K.Y., Hong M.H. Interstitial-free Steels for Automotive Applications in Korea — Forum Book. International Forum for the Properties and Applications of IF Steels (IF Steels 2003) May 12-14, 2003. Arcadia Ichigaya, Tokio, Japan, pp. 39-46.

6. Родионова И., Филиппов Г. Технологические аспекты производства сталей для автомобилестроения // Национальная металлургия. 2004. №2. С.93-97.

7. Титов В. Стальной прокат для автомобильной промышленности // Национальная металлургия. 2004. №5. С.84-89.

8. Т. Misawa and S. Komazaki. Hydrogen Embrittlement and Electrochemical Corrosion of Cu-IF and Microalloyed HSLA Steels// THERMEC'2003. Material Science Forum Vols. 426-432 (2003). pp. 1425-1432.

9. Bhattacharya D. Metallurgical Perspectives on Interstitial-free steels in the New Millennium Forum Book. International Forum for the Properties and Applications of IF Steels (IF Steels 2003) May 12-14, 2003. Arcadia Ichigaya, Tokio, Japan, pp. 29-38.

10. A.Lucas, J-CL.Herman and A.Schmitz. Cu-containing TRIP steels Int. Conf. On TRIP-aided High Strength Ferrous Alloys, Ed. B.D.Cooman, GRIPS, Ghent, 2002, pp.231-236.

11. S-J.Kim, C.G.Lee, W-C.Jeong and I.Park. Microstructure and Mechanical Properties of 0,15%C TRIP-aided Cold-rolled Steels containing Cu, Ni and Cr. Int. Conf. On TRIP-aided High Strength Ferrous Alloys, Ed. B.D.Cooman, GRIPS, Ghent, 2002, pp. 165-169.

12. Козлов A.B. Наукоемкая металлургическая продукция // Производство проката. 2006. №10. С.30-46.

13. Якубовский О.Н. Особонизкоуглеродистые стали как основа для-производства листа // Производство проката. 1999. №6. С. 37-42.161. (Gupta and D.Bhattacharya: Metallurgy of Vacuum Degassed Steel Products, TMS, (1989), 43).

14. M.F. Shi, J.A. Brindza, P.F. Michel, P.J. Bucklin, P.J. Belanger and J.M. Prencipe: SAE Technikal Paper № 970158, 1998.

15. PJ. Belanger, J.P. Singh, P.F. Badgley and L. Redo, Proceedings — IF 2000, ISS Pittsburg, (2000), 13.

16. SAE Specification J2340 and Properties of Dent Resistant High Strength and Ultra High Strength Automotive Sheet Steel. October (1999).

17. H. Takechi: Microalloying 95 Conference Proceedings, ISS Pittsburg, (2000), 13.

18. W. Bleck, R. Bode, O. Maid and L. Meyer: Proceedings-Symposium on High Strength Sheet Steels for the Automotive Industry, ISS, Baltimore, (1994), 141.

19. K. Ushioda, N. Yoshinaga, K. Koyama and O. Akisue:International Forum for Physical Metallurgi of IF Steels, ISIJ ,Tokio, (1994), 227.

20. VanShick, D. Vanderschueren, S. Vandeputte and J. Dilewijns: Proceedings^111 Mechanical Working and Steel Processing Conference, ISS, (1997), 225.

21. A. Pichler, H. Spindler, T. Kurz, R. Mandyczewsky, M. Pimminger and P. Staiszny: Proceedings-39th Mechanical Working and Steel Processing Conference, ISS, (1997), 63.

22. T. Irie, S. Satoh, A. Yasuda and O. Hashimoto: Metallurgi of Continuously Annealed Sheet Steel, TMS, (1982), 155).

23. Юсупов B.C., Трайно А.И., Гарбер Э.А., Кузнецов B.B. Современное состояние производства и применения IF-стали. Производство проката, 2004 г., №5, с. 11-20.

24. Гарбер Э.А., Кузнецов В.В. Стандарты на холоднокатаный лист и проблемы повышения эффективности листопрокатного производства. Производство проката, 2002 г., № 12, с. 34-37.

25. SAE J2329. Categorization and Properties of Low Carbon Automotive Steel Sheets, May 1997.

26. ГОСТ 19904-90. Прокат листовой холоднокатаный. Сортамент.

27. Стандарт EN 10130: 1991. Холоднокатаный лист из низкоуглеродистой стали для холодной штамповки.

28. ASTM А568/А568М — 06А. Стандартная спецификация по общим требованиям к горячекатаным и холоднокатаным листам из углеродистой,конструкционной и высокопрочной низколегированной стали.

29. ГОСТ 9045. Минск, 1997. Прокат тонколистовой холоднокатаный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки.

30. Стандарт FIAT Auto 52811 - 04. Холоднокатаный лист и полоса из микролегированной стали с высоким пределом текучести.

31. Стандарт EN 10268 — 06. Холоднокатаная плоская продукция с высоким пределом текучести для холодной штамповки.

32. Стандарт FIAT Auto — 52814 — 04. Листы и полосы из высокопрочной стали с пределом текучести от 180 до 300 МПа.

33. Стандарт EN 10131. Холоднокатаная полоса без покрытия из мягких сталей и сталей с повышенным пределом текучести для холодной штамповки. Размеры и допуски.

34. Беняковский М.А., Мазур B.JL, Мелешко В.И. Производство автомобильного листа. М.: Металлургия, 1979. 256 с.

35. Гусева С.С., Гуренко В.Д., Зварковский Ю.Д. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. М., Металлургия, 1979. 224 с.

36. Пименов А.Ф., Полухин В.П., Липухин Ю.В. и др. Высокоточная прокатка тонких листов. М., Металлургия, 1988. 176 с.

37. Коцарь С.Л., Белянский А.Д., Мухин Ю.А. Технология листопрокатного производства. М., Металлургия, 1997. -272 с.

38. Франценюк И.В., Франценюк Л.И. Современные технологии производства металлопроката на Ново липецком металлургическом комбинате. Москва, ИКЦ «Академкнига», 2003. 208 с.

39. Современный цех холодной прокатки углеродистых сталей /Франценюк И.В., Железнов Ю.Д., Кузнецов Л.А.и др. М., Металлургия, 1984. 154 с.

40. Белянский А.Д., Кузнецов Л.А., Франценюк И.В. Тонколистовая прокатка. Технология и оборудование. М., Металлургия, 1994. 380 с.

41. Технология процессов прокатки и волочения. Листопрокатное производство/ Сафьян М.М., Мазур В.Л., Сафьян A.M. и др. Киев, Выща школа, 1988.351 с.

42. Технология прокатного производства. Кн.2. Справочник /Беняковский М.А., Богоявленский К.Н., Виткин А.И. и др. М., Металлургия, 1991.423 с.

43. Процесс прокатки /Зайков М.А., Полухин В.П., Зайков A.M. и др. -М., МИСИС, 2004. 640 с.

44. Роберте В. Холодная прокатка стали. М., Металлургия, 1982, 542 с.

45. Оптимизация прокатного производства./ Скороходов А.Н., Полухин П.И., Илюкович Б.М. и др. М., Металлургия, 1983. 432 с.

46. Степанов А.А., Ламухин A.M., Степаненко В.В., Кузнецов В.В., Зинченко С.Д. и др. Способ производства листовой стали. Патент РФ № 2197542, МПК С 21 D 8/04, 9/48. Заявлено 28.06.2001, заявка № 2001117936/02; опубл. 27.01.2003. Бюл. № 3.

47. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. М. АН СССР,1959.

48. Крениг В.О. Коррозия металлов, М.-Л. ОНТИ НКТП СССР, 1936.

49. Штейнберг С.С. Металловедение. Т.З. (Специальные стали). М. ОНТИ, 1935.

50. Гринберг Д.Л., Кузькина Т.А., Козыревич Н.П, Шебаленкова Е.К. Сталь, 1972, №5, с. 1023-1027.

51. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки. М., Металлургия, 1980, 320 с.

52. Третьяков А.В., Гарбер Э.А., Давлетбаев Г.Г. Расчет и исследование прокатных валков. М., Металлургия, 1976, 256 с.

53. Теория прокатки. Справочник. А.И.Целиков, А.Д.Томленов, В.ИЗюзин идр. М., Металлургия, 1982, 335 с.

54. Ершов Г.С., Бычков Ю.Б. Физико-химические основы рационального легирования стали и сплавов// М., Металлургия, 1982, 300с.

55. Шевандин Е.М., Резов И.А. Хладноломкость и предельная пластичность металлов в судостроении// Судостроение, 1965, 335 с.

56. Медь в черных металлах : Под редакцией И Ле Мэя и Л М-Д Шет-ки. Перев. с анг./Под редакцией Банных О.А. /Металлургия. 1988, 312с.

57. Козлов А.В., Коррозия стального проката // Производство проката. №8,2004, с.32-38

58. Беняковский М.А., Масленников В.А. Автомобильная сталь и тонкий лист. Издательский дом «Череповец», Череповец, 2007, 625 с.

59. Родионова И.Г., Шаповалов Э.Т., Кузнецов В.В. и др. Повышение стойкости против атмосферной коррозии автолистовых сталей путем оптимизации их химического состава и технологических параметров производства. Металлург, 2005, № 8, с.46-52.

60. Родионова И.Г., Бакланова О.Н., Зайцев А.И., Металлы, 2004, № 5, с.13-18.

61. Горин А.Д. Повышение потребительских свойств сверхнизкоугле-родистых сталей путем оптимизации их химического состава и технологических параметров производства. Автореферат кандидатской диссертации. Москва, 2006, 29 с.

62. International Forum for the Properties and Application of IF Steels (IF Steels 2003), May 12-14, 2003: Arcadia Ichigaya, Tokyo, Japan. ISJ. P. 63-71.

63. Shimizu Т., Funakawa YO., Kaneko Sh. JFE technical report. ISSN № 1348-0677.

64. Теория прокатки. Справочник / А.И. Целиков, А.Д. Томленов, В.И.

65. Зюзин и др. — М.: Металлургия, 1982. — 335 с.

66. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А. Энергосиловые параметры процесса холодной прокатки стальных полос толщиной менее 0,5 мм // Производство проката. 2002. № 3. С. 13-18.

67. Кузнецов В.В., Славов В.И. Исследование влияния положения нейтрального сечения в очаге деформации при холодной прокатке на текстуру и свойства проката. Бюллетень НТИ Ч.М. №1; 2008; с. 44-48.

68. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А., Кузнецов B.B., Никитин Д.И., Дили-генский Е.В. Улучшение качества поверхности холоднокатаных полос путем воздействия на положения нейтрального сечения в очаге деформации // Производство проката. № 2. 2003 г. С. 16-19.

69. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А., Кузнецов В.В., Ламухин A.M., Трайно А.И., Степаненко В.В., Дилигенский Е.В., Никитин Д.И., Павлов С.И. Способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетевом стане. Патент РФ № 2238809, Бюл. № 30.

70. Гарбер Э.А. Станы холодной прокатки (теория, оборудование, технология). М.: ОАО «Черметинформация», 2004. - 416 с.

71. Коновалов Ю.В., Налча Г.И., Савранский К.Н. Справочник прокатчика. М., Металлургия, 1977. 312 с.

72. ГОСТ 19903-74. Прокат листовой горячекатаный. Сортамент.

73. Шахпазов Е.Х., Зайцев А.И., Родионова И.Г. Прогресс в технологии производства автолистовых сталей. Неделя металлов в Москве 13-17 ноября 2006 г. Сборник трудов конференций и семинаров. М.: ОАО «АКХ ВНИИ-МЕТМАШ им.акад.А.И.Целикова», 2007, с. 143-149.

74. Тихонов А.К. Разработка материалов для автомобилестроения. Доклады Международного семинара «Современные достижения в металлургии и технологии производства сталей для автомобильной промышленности», М., 2004, с.7-13.

75. Сторожева Л.М. Ультранизкоуглеродистые стали для автомобилестроения с эффектом упрочнения при сушке готовых деталей //Металловедение и термическая обработка металлов. 2001. №9. С. 9-18.

76. Шулина Н.А. // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1987. №2. с.36.

77. Дьяконова B.C., Иванова Г.Л., Сарак В.И. и др. // Сталь. 1971, № 6. с.543-546.

78. Востриков АЛ.// Сталь. 1992. №2. С. 65-68.

79. Matsudo К., ShimomuraN. // Texture Cryst Solids. 1978. N 1.3. 53-72.91 .Совершенствование технологии и повышение выхода годного припроизводстве автолиста / А.И. Добронравов, М.И. Колов, Ю.А. Токарев и др. Металлург, 1973, №11.

80. Teshima S., Shimizu М. // A.I.M.E. Soc. Conf. 1965. 26, 279. New York and London.

81. Третьяков E.M. Теоретические основы процесса дрессировки листовой стали и калибровки. Автореф. докт. дис. М., 1971.

82. Повышение качества листового проката / Мазур В.Л. и др. — К.: Техшка, 1979, 143 с.

83. Бороздкина М.М., Спектор Э.Н. Рентгено-графический анализ текстуры металлов и сплавов. М. Металлургия. 1981.

84. Кузнецов В.В., Гарбер Э.А., Шалаевский Д.Л., Юсупов B.C. Производство холоднокатаного автомобильного листа из новой коррозионностой-кой экономно легированной стали с ВН-эффектом. Производство проката, 2007, №11, с.9-12.

85. ТУ 14-105-738-2004. Прокат холоднокатаный из стали марки 01ЮПД повышенной прочности и коррозионной стойкости.

86. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.

87. ГОСТ 5640. Сталь. Металлографический метод оценки микроструктуры листов и ленты.