ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ - ПОТРЕБИТЕЛЯМ

Несмотря на постоянную конкуренцию со стороны материалов-заменителей, анализ спроса на различные виды металлопродукции показывает, что пс-видимому и в XXI веке сталь будет сохранять свою ведущую роль универсального конструкционного материала. Однако конкретные объемы и области применения стальных изделий будут зависеть от того, насколько металлурги смогут ответить на вызов конкурентных материалов и создать новые поколения сталей и стальной продукции, отвечающие все возрастающим требованиям развивающихся, новых и перестраивающихся традиционных отраслей промышленности.

Прогнозирование направлений развития черной металлургии дэлжно определяться тем соображением, что металлургия является сос-тавной частью комплексного решения следующих глобальных проблем, определяющих науч- но-технический прогресс современного общества:

Эффективное решение каждой из указанных проблем ставит задачи перед металлургами по обеспечению соответствующими сталями и сплавами, а также видами металлопродукции с максимальным использованием резервов, опре-деляемых имеющимися технологическими воз-можностями собственно металлургии. Основными направлениями совершенствования и разработки нового марочного сортамента сталей 82 являются повышение эксплуатационных характеристик стали как таковой — пластичности, вязкости, хладо- и износостойкости, коррозионной v эрозионной стойкости, окалино- стойкости, теплоустойчивости, жаропрочности и других свойств; улучшение потребительских технологических свойств — свариваемости, штампуемости, обрабатываемости резанием, окрашиваемости, эмалируемости, шлифуемости, полируемости и т.п.; улучшение технологичности сталей в металлургии в применении к существующим и вновь создаваемым процессам выплавки, горячей и холодной деформации, термической обработке, отделке поверхности и в ряде случаев покрываемости защитными металлическими и неметаллическими слоями.

Необходимость наиболее экономичного по-требления (по свойствам) сталей и сплавов в виде металлопродукции требуемой формы, размеров, точности, отделки поверхности ставит ряд дополнительных задач перед металлургами и разработчиками металлургических агрегатор, систем управления и контроля.

Приводимый анализ задач и некоторых путей их решения в области разработки сталей с новым комплексом свойств рассматривает наиболее распространенные классы сталей, различающиеся уровнем легирования.

Наиболее типичным представителем углеро-дистых сталей массового применения является сталь с содержанием углерода 0,14—0,22 % (СтЗ по стандарту бывшего СССР, применяемому на территории России и стран СНГ, или St52DlN).

На территории СНГ эти стали традиционно производятся в самом большом объеме, который достигает 60—70% от общего производства, и предназначаются для неответственных конструкций и деталей машин в состоянии поставки с металлургических предприятий. В России 40—50 % этих сталей выпускается в виде горячекатаного листа. По действующему стандарту предел текучести этой стали составляет 240—250 Н/мм2, лто влечет за собой утяжеление конструкций, увеличение расходов на транспортировку, строительство и эксплуатацию машин и сооружений. Увеличение прочностных характеристик хотя бы на 50-60 Н/ммг, эквивалентно экономии более 2 млн.т в год стали в расчете на объем производства и потребления в России.

Такое повышение прочности должно дости-гаться экономичным способом, чтобы затраты не превышали получаемого эффекта, связанного с увеличением прочности. В этом случае легирование и даже микролегирование, а также полная термическая обработка (закалка + отпуск) не экономичны. Более эффективно использовать коррекцию температурно- деформационных параметров технологии горячей прокатки с направленным воздействием на характер у а-преврагдения с учетом сортамента проката и возможностей конкретных прокатных станов.

Эффективность контролируемой прокатки (ВТМО) и регламентированного охлаждения подтверждены экспериментами на стане 3000. Показано, что контролируемая прокатка угле-родистых сталей обеспечивает необходимое повышение прочности, вязкости и хладостой- кости СтЗ.

Разновидности такого процесса — регла-ментируемое охлаждение (закалка) мелкого сорта (арматуры) с прокатного нагрева с са- моотпуском в потоке прокатного стана, регламентируемое охлаждение широкополосной стали перед смоткой в рулон и/или низкотемпературная смотка, регламентируемое (ускоренное) охлаждение фасонных профилей строительного назначения и др.

Эти технологические приемы дают до 10-30 % прироста прочности простых углеродистых сталей, однако они еще более эффективны при сочетании их с небольшим легированием (Mn, Si, Сг) для повышения прокали- ваемости.

Другой прием — это сужение пределов со-держания углерода при повышении среднего его содержания, что позволит поставлять сталь СтЗ более высокой категории прочности. Ранее он не использовался ввиду ухудшения свариваемости. Значительный прогресс в телнологии сварки, достигнутый в последнее десятилетие, в сочетании с возможностями на ряде заводов снижать уровень вредных прйме- сей в стали делает более реальным этот путь повышения прочности рядовой углеродистой стали.

В целом повышение свойств углеродистых сталей массового применения требует решения следующих общих задач: 1) улучшения чистоты стали по сере (< 0,010 %) и фосфору (< 0,010 %), неметаллическим включениям, газам и примесям цветных металлов; 2) сужения рассеяния содержания углерода (до 0,02%), кремния и марганца (до 0,1%); 3) снижения ликвации углерода, легирующих и примесей, что особенно актуально для стали непрерывной' разливки; 4) снижения температуры нагрева стали перед прокаткой и температуры конца прокатки, т.е. внедрения контролируемой прокатки; 5) повышения степени деформация в последних проходах при горячей прокатке; 6) применения регламентируемого ускоренного и замедленного охлаждения проката непосредственно после окончания прокатки, в* том числе и дифференциального по элементам фасонных профилей.

Решение указанных задач позволит повысить потребительские свойства массового ме-таллопроката — прочности (на ~ 20 %), плас-тичности, хладоетойкости, свариваемости и надежности.

Среди низколегированных сталей в настоящее время основное место занимают толсто- листовые стали для сварных труб газо-, нефтепроводов; строительные стали, производимые в основном в виде фасонных профилей и сорта, включая стали для армирования железобетона.

Ведутся разработки и частично производятся новые категории низколегированных сталей специального назначения, в том числе: стойкие против сероводородного охрупчивания и карбонатного растрескивания; так называемые двухфазные ферритомартенситные стали повышенной штампусмоети и прочности для автотракторной промышленности; высокопрочные с пределом текучести 80—120 Н/мм2 для уникальных строительных конструкций и машиностроения (горная и землеройная техника).

Развитие производства этих новых низко-легированных сталей особенно важно для базовых отраслей экономики - энергетики, транспорта, тяжелого машиностроения.

Прогноз показывает, что доля низколеги-рованных сталей в общем производстве метал-лопроката СНГ в начале XXI в. может достигнуть (при благоприятных условиях инвестиционной политики в машиностроении и металлургии) 20—25% по сравнению с 10—15% в последней четверти XX в.

Производство значительной части низколе-гированных сталей (~50%) с временным со-противлением 600—700 Н/мм2 будет достигаться. как традиционными методами (легирование, микролегирование), так и новыми технологи-ческими приемами (контролируемая прокатка, ускоренное или регламентируемое охлаждение и Т.П.).

Соответственно перед металловедами стоят задачи разработки новых экономичных систем легирования и технологических приемов, обеспечивающих наиболее эффективное сочетание различных микромеханизмов упрочнения — твердорастворного, дисперсионного, зерно-граничного, дислокационного и др.

В связи с интенсивным развитием добычи газа и нефти, в том числе в северных районах России, достигнут значительный прогресс в области создания высоконадежных сталей для магистральных газопроводов. Диаметр труб, применяемых в СНГ, увеличился с 1220 до 1420 мм, а рабочее давление все чаще применяется до 7,5 МПа. Была разработана и внедрена на заводах СНГ гамма сталей с пределом текучести 460—490 Н/мм2, температура вязко-хрупкого перехода которых не выше —20 °С, при хорошей свариваемости, в том числе в условиях Севера.

Эти успехи были достигнуты благодаря микролегированию карбонитридообразующими элементами (V, Nb, Ti), модифицированию, контролируемой прокатке и глубокому рафини-рованию стали от вредных примесей.

В ближайшее время потребуется дальнейшее повышение эффективности трубопроводного транспорта при смещении районов добычи газа в зону еще более суровых климатических условий, что ставит перед металлургами задачу создания сталей для газопроводных труб диаметром 1020—1220 мм с рабочим давлением до 15 МПа, прокладываемых в частности по дну Северного Ледовитого океана.

При этом помимо прочности на уровне Х70, а далее и Х80 по API нужно обеспечить повышение ряда эксплуатационных и технологических характеристик стали: пластичность и ударную вязкость при —15 °С и —40 °С при одновременном увеличении прочности, что требует дальнейшего значительного измельчения зерна и повышения чистоты стали.

В последние годы в СНГ возникла совершенно новая проблема, которая без сомнения будет существовать и в XXI в. Это проблема коррозионной стойкости трубопроводов, опре-деляемая наличием в природном газе серово-дорода (Астраханское, Оренбургское и др. газоконденсатные месторождения), а также склонностью к стресс-коррозионному растрес-киванию действующих газопроводов после дли-тельного срока эксплуатации в условиях на-рушения изоляции труб, кислых почвенных сред и принятого катодного способа защиты трубопровода от общей коррозии.

Для решения этой проблемы потребуются иные подходы к созданию сталей и последующей защите труб в процессе эксплуатации. Исчерпывающая концепция разработки сталей, устойчивых к сероводороду и растрескиванию под напряжением в карбонатных средах, еще не создан^, но уже сейчас ясно, что потребуются новые большие усилия по созданию новых марок сталей и новых технологических процессов производства металла. Потребуется 84 резко повысить чистоту стали по примесям и создать термодеформационный режим прокатки, обеспечивающий оптимальное структурное сос-тояние стали.

Для строительства морских ледовых платформ, буровых установок, специальных судов для добычи и транспортировки газа и нефти на шельфе в Северном Ледовитом океане необходимы стали с пределом текучести 500-900 Н/мм2.

Для сталей этого назначения требуется изотропность механических свойств в трех направлениях, стойкость листов толщиной до 50—100 мм против слоистых разрушений в Т- образных и крестообразных сварных соединениях (Z-свойства) при обязательной устойчивости стали ее сварных соединений против коррозионного растрескивания в морской воде, высоком сопротивлении хрупкому разрушению при статических, циклических и динамических режимах нагружения конструкции.

Создание таких сталей требует высокой металлургической культуры, обеспечивающей выплавку стали с низким содержанием углерода (~ 0,07—0,08 %), с узкими пределами его содержания (< 0,02 %), высокой чистоты по вредным примесям (<0,003% S, <0,01% Р, <0,008% N) и по примесям цветных металлов (Pb, Sb, Zn, Sn и др.), узкими пределами по содержанию легирующих элементов (Сг, Мп) при минимальной ликвации легирующих и примесных элементов и др.

Необходимость достижения оптимальной для каждой марки и толщины проката микроструктуры (мартенсит, нижний бейнит и др.) требует применения сложной термической обработки готового проката (закалка в роликозакалочных машинах, отпуск в проходных печах).

Устойчивой тенденцией является повышение доли более высокопрочной стали в общем про-изводстве арматурных сталей (до <гв = = 1200-1300 Н/мм2) с 10 до 20-30% и разработка новых все более прочных сталей с прочностью до 1600—2000 Н/мм2 для уникальных строек XXI в.

Прогресс будет достигнут за счет дальнейшего совершенствования технологии закалки непосредственно с прокатного нагрева на металлургических заводах, разработки новых .композиций стали, основанных, как правило, на базе сверхнизкоуглеродистых микролегиро- ванных IF-сталей (без свободных атомов внедрения), производство которых начато и в России.

Особое место среди штампуемых сталей по-вышенной прочности занимают двухфазные стали, производство которых освоено в России, обладающие благоприятным сочетанием повы-шенной прочности, достаточной штампуемости и значительной упрочняемости в процессе штамповки и последующего старения при сушке лакокрасочных покрытий, что определяет их высокую конкурентоспособность с другими ма-териалами, потому что при исходной прочности 240—320 Н/мм2 и пластичности до 28—32% они позволяют получить столь высокую прочность (<*Ь2 ^ 500—550 МПа), что допустимое утонение детали покрывает расходы на изготовление новой штамповой оснастки.

Основные задачи в области создания сталей для деталей машин следующие: высокая обрабатываемость резанием; высокие усталостная прочность и износостойкость; стабильность свойств (прежде всего прокаливае- мости) от плавки к плавке; высокие прочностные свойства для тяжелой горнодобывающей и землеройной техники (предел текучести до* 1100—1200Н/мм2); минимальный уровень легирования дорогими и дефицитными элементами (Mo, Ni, Nb, Сг и др.).

Решение этих задач осуществляется путем оптимизации состава и структуры сталей, а также совершенствования собственно технологического процесса их производства и переработки (чистота по примесям, стабильность состава, оптимальная термическая обработка у изготовителя проката и/или потребителя и Т.П.).

Важным шагом в повышении потребительских свойств сталей для деталей машин было строительство в России Оскольского электро-металлургическое комбината (ОЭМК), являюще-гося единственным в России мощным заводом, где процесс восстановления железа из руды проводится не в доменных печах, а методом прямого восстановления рудных составляющих.

Основные тенденции повышения потреби-тельских свойств штампуемых холоднокатаных сталей диктуются, с одной стороны, растущими требованиями автомобилестроительной индустрии, а, с другой, — конкуренцией со стороны альтернативных материалов.

Среди этих тенденций на первом месте на-ходится интенсификация производства сталей с покрытиями (горячими, электролитическими) как важнейшее средство экономии невосполнимых ресурсов и увеличения долговечности автомобиля, далее — сужение разброса механических характеристик, необходимое в условиях растущей автоматизации процессов штамповки и сварки деталей автомобиля, развитие производства сталей повышенной, в том числе ультравысокой прочности, а также освоение поставок специальных видов полуфабрикатов (например, так называемых сэндвичей в качестве средств шумопоглощения или полученных путем лазерной сварки заготовок разной толщины или прочности).

Важное место среди различных направлений

занимает создание сталей с особо высокой штампуемостью — с более высокими характе-ристиками, чем у стали ВОСВ по ГОСТ 9045—80, а именно: 175 Н/мм2, *ол/*в<0>58> >40%, Л >1,8, п> > 0,20, HRB < 40. Необходимость производства подобных сталей диктуется усложнением конструкции автомобиля, а также стремлением иметь весьма высокую штампуемость стальной подложки под последующее покрытие. Помимо важности для ритмичной работы конвейеров и снижения отходов металла при штамповке, наличие высокоштампуемых сталей является в ряде случаев и фактором снижения толщины детали, когда при наличии запаса прочности необходимая жесткость обеспечивается при меньшей толщине за счет усложнения конфигурации детали.

Разрабатываются адаптированные к условиям конкретных металлургических заводов композиции и технологии производства особовы- сокоштампуемых холоднокатаных сталей раз-личных уровней прочности. Накопленный опыт производства и применения стилей из шихты прямого восстановления показал существенное повышение их эксплуатационных и технологических характеристик..

Ежегодные потери металла от коррозии только в России составляют от 7 до 10 млн.т. Проблема эта комплексная и решается различными путями, одним из которых является выпуск различных видов проката, защищенных от коррозии.

Анализ видов коррозионных повреждений сооружений, установок и машин показывает, что если в середине XX в. основная их доля приходилась на общую коррозию, то к концу века большая часть коррозионных повреждений — локальные виды коррозии. Самые опасные виды таких повреждений — коррозия под напряжением и питтинговая коррозия. Покрытия и биметаллы не защищают от этих повреждений, что ставит задачу создания новых коррозионно-стойких сталей и сплавов, не подверженных таким видам коррозии.

Расширяющееся производство и применение коррозионно-стойких сталей и сплавов является важным показателем технического прогресса экономики промышленно развитых стран в . XXI в., поскольку без них невозможно производство минеральных удобрений, гербицидов, синтетических материалов, целлюлозы, искусственных волокон, красителей, а также развитие таких отраслей как пищевая промыш-ленность, авиационная и космическая техника, тепловая, атомная и гидроэнергетика, водный и наземный транспорт и др.

В соответствии с прогнозами потребность в нержавеющих сталях в России и странах СНГ в начале XXI в. превысит современное производство в 2—3 раза.

Если в предыдущие годы главной тенденцией в разработке жаронрочных сплавов на никелевой основе был поиск новых композиций, то в настоящее , время пути повышения их ха-рактеристик все больше смещаются в техноло-гическую область. Так, например, применяется направленная кристаллизация, выплавка монокристаллических деталей, армирование тугоплавкими металлами или их оксидами и многие другие специфические приемы облаго- роживания металла в форме, близкой к конечным изделиям.

Теплоустойчивые углеродистые, низколеги-рованные и нержавеющие аустенитные и фер-ритные стали широко применяются в энергетике, нефтехимических и подобных производствах. Главными задачами в перспективе являются дальнейшее повышение характеристик длительной прочности и пластичности углеродистых и низколегированных сталей (увеличение срока службы трубопроводов до 200 тыс.ч). Более легированные стали, применяемые для теплообменников и парогенераторов, должны совершенствоваться в направлении повышения стойкости против локальных видов коррозии и коррозионного растрескивания под напряжением. Повышение эксплуатационных характеристик будет проводиться как за счет оптимизации легирования, так и за счет повышения чистоты сталей по примесям, оютдокзации микроструктуры, повышения однородности металлопродукции по сечению и T.IL

Исходя из изменения спроса ча металло-продукцию из жаростойких сталей и сплавов, прогнозируется повышение требований к этим материалам в следующих направлениях: разра-ботке экономичных жаростойких сталей с ми-нимальным содержанием никеля; повышении жа-ропрочности при сохранении высокого сопро-тивления окислению при температурах до 1200 °С; повышение стойкости против роста зерна в околошовной зоне: разработке материалов с высоким сопротивлением воздействию нейтронного облучения (флюенс до 1023 Н/см2).

Приведенный далеко не полный перечень проблем, стоящих перед металлургами на пороге XXI в., показывает основные задачи и направления совершенствования технологии, оборудования и, как итог, создание большой гаммы новых видов металлопродукции, обладающей высокой эффективностью, обеспечивающей прогресс во всех смежных отраслях экономики.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994