Thermomechanisches Walzen von Grobblechen : Sensibilität der mechanisch-technologischen Eigenschaften von thermomechanisch gewalzten Grobblechen hinsichtlich der Fertigungsparameter und der Legierungszusammensetzung unter besonderer Berücksichtigung der beschleunigten Kühlung

Abstract

Grobbleche aus Stahl sind Flachprodukte, die aus Brammen bzw. in seltenen Fällen auch aus Blöcken durch reversierendes Walzen bei Temperaturen im Bereich von ca. 700°C bis 1100°C hergestellt werden. Die typischen Blechdicken liegen bei voestalpine Grobblech GmbH. (im Folgenden VAGB genannt) im Bereich von 6mm bis ca. 100mm und die übrigen Abmessungen der Bleche betragen etwa 2.000mm - 4.000mm Breite bei einer Länge von bis zu 30m. Der Warmwalzprozess diente in früheren Zeiten vor allem der Formgebung und daher war man bestrebt, die Umformung zur Reduzierung der Formänderungsfestigkeit bei möglichst hohen Temperaturen durchzuführen.<br />Die ersten großen Grobblechgerüste mit Walzbreiten von 4000mm wurden in den fünfziger Jahren zur Herstellung von Schiffsblechen gebaut. Vor etwa 30 Jahren begannen Aktivitäten zur Entwicklung spezieller Walzverfahren, bei denen neben der Formgebung auch die Gefügeentwicklung und somit die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Bleche gezielt beeinflusst werden konnten. Neben dem normalisierenden Walzen führte vor allem das thermomechanische (TM)- Walzen zu hervorragenden Gebrauchseigenschaften. Eine der Voraussetzungen zur gesicherten Durchführung der thermomechanischen Walzung sind spezielle Legierungen, die sich im Besonderen durch einen niedrigen Kohlenstoffgehalt und einen geringen Gehalt an sogenannten Mikrolegierungselementen, auszeichnen. Zu diesen zählen vorrangig Niob, Vanadium und Titan. Durch Zugabe dieser Elemente in einigen hundertstel Masseprozent, wird einerseits das Kornwachstum und die Rekristallisation mit dem Ziel der Kornfeinung beeinflusst und anderseits über Ausscheidungshärtung eine Festigkeitssteigerung erzielt. Thermomechanisch gewalzte Grobbleche zeichnen sich durch hervorragende Zähigkeitseigenschaften und - im Verhältnis zum geringen Legierungsmittel¬einsatz - sehr hohe Festigkeitseigenschaften aus. Diese ideale Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit kann durch eine Wärmebehandlung alleine nicht reproduziert werden. Auf Grund des geringen Legierungsmitteleinsatzes und des Herstellweges, der keine nachfolgende Wärmebehandlung erfordert, sind thermomechanisch gewalzte Grobbleche besonders hochwertige Produkte, die sehr kostengünstig herstellbar sind. Darüber hinaus zeichnen sich TM- Bleche auf Grund des niedrigen Legierungsgehaltes und vor allem wegen des tiefen Kohlenstoffgehaltes durch eine hervorragende Schweißeignung aus.<br />Das Hauptanwendungsgebiet für diese Grobbleche liegt im Großrohrleitungsbau für Erdgas und Erdöl, wo hohe Zähigkeit und Festigkeit sowie hervorragende Schweißbarkeit und niedrige Herstellkosten eine wichtige Rolle spielen. Zur Erzielung hoher Festigkeiten (z.B. Dehngrenze Rp0.2 im Bereich von 500-550 MPa) müssen die Bleche während der Endumformung bei sehr tiefen Temperaturen (ca. 650°C - 700°C) im Zweiphasengebiet gewalzt werden.<br />Diese niedrigen Temperaturen führen zu einem hohen Anlagenverschleiß und anlagenbedingt zu einer Durchsatzminderung. Weiteres wirken sich derartig niedrige Walzendtemperaturen negativ auf die Zähigkeitseigenschaften aus. Stand der Technik ist die Stahlsorte X70 mit einer Kerbschlagarbeit von etwa 100J bei - 20°C. Diese Tatsachen zeigen die Grenzen der TM- Walzung mit Luftabkühlung auf.<br />Eine Alternative zur thermomechanischen Walzung mit Luftabkühlung ist die Anwendung einer nachfolgenden beschleunigten In-line Kühlung. Dieses Herstell¬verfahren ermöglicht eine weitere Reduzierung des Kohlenstoff¬gehaltes und die Einstellung höherer Festigkeitswerte über Umwandlungshärtung bei besserer Zähigkeit. Darüber hinaus ist die gesicherte Herstellung von sauergasbeständigen Röhrenstählen höherer Festigkeit ausschließlich über Verfahren mit beschleunigter Kühlung möglich. Wegen des ständig steigenden Anforderungsprofils für Röhrenbleche im Hinblick auf Festigkeit, Zähigkeit und, abhängig vom Einsatzgebiet auch Sauergasbeständigkeit, sind die Entwicklungsmöglichkeiten für den herkömmlichen TM-Herstellweg ohne beschleunigte Kühlung sehr stark eingeschränkt. Daher wurde vor etwa 6 Jahren bei VAGB die Entscheidung für die Modernisierung der Anlagen einschließlich Investition einer neuen Schnellkühlanlage getroffen. Die Erfahrungen aus Betriebsversuchen mit der alten Kühlanlage und die Möglichkeiten der neuen leistungsfähigen Anlage gaben Anlass zu einem groß angelegten Entwicklungsprogramm. Ziel des Programms waren Untersuchungen auf dem Gebiet des Legierungsdesigns und zur Entwicklung optimierter Prozessparameter für die Erzeugung beschleunigt gekühlter Grobbleche. Die umfangreichen Arbeiten wurden federführend vom Autor durchgeführt; die Ergebnisse sind Inhalt der vorliegenden Dissertation.

Heavy plates are flat products made from steel slabs or, in rare cases, from ingots. The production method is reversing rolling in a temperature range between 700°C and 1100°C. At voestalpine Grobblech GmbH (in the following abbreviated as VAGB) the plate dimensions are as follows: thicknesses of 6 mm to a maximum of 100 mm, widths from 2,000 to 4,000 mm and lengths of up to 30 m.<br />The original goal of the hot-rolling process was forming, which is why high temperatures were applied in order to reduce the deformation resistance. The first 4-high plate mills for a width of 4,000 mm were installed in the 1950s for the production of plates for shipbuilding.<br />Development activities for special rolling processes began roughly 30 years ago, which, in addition to forming, also allowed influencing the microstructure and the mechanical-technological properties of the plates. Normalized rolling and, above all, thermomechanical rolling resulted in outstanding material properties. One of the prerequisites of the thermomechanical rolling process is a special chemical composition characterized by low carbon content and microalloying elements. Such elements are niobium, vanadium and titanium. An addition of several hundredths mass percent of these elements influences both grain growth and recrystallization. The strength is also increased by precipitation hardening.<br />Special features of thermomechanically (TM) rolled plates are both excellent toughness properties and, in relation to the low percentage of alloying elements, high strength values. This ideal combination of strength and toughness cannot be achieved by any other rolling method and cannot be reproduced by a heat treatment process. The small proportion of expensive alloying elements and a process route that does not require any heat treatment is the basis for high-quality plates with low production costs. Because of their low carbon content, TM-rolled plates have excellent welding properties. The main field of application for such plates are large diameter pipelines for natural gas and oil, for which good weldability and low costs are very important aspects.<br />In order to achieve high strength properties (e.g. yield strengths Rp0.2 ranging between 500 and 550 MPa), the final rolling temperature must be roughly between 650 and 700°C in the two-phase region. Such low temperatures, however, cause a high degree of wear on the rolling mill and a reduction of the throughput rate. In addition, the low rolling temperatures have a negative influence on the toughness properties. The highest technical standard obtainable is steel grade X70, with an impact strength of 100 J at -20°C. These facts indicate the limits of thermomechanical rolling followed by air cooling.<br />An alternative to air cooling is TM rolling with inline accelerated cooling. This process permits a further reduction of the carbon content and yields even higher strength properties with better toughness by utilizing the mechanism of transformation hardening. The production of high quality plates for sour service applications is best obtained via a TM process with accelerated cooling.<br />The constantly increasing quality requirements for linepipe plates with respect to strength, toughness and HIC resistance has phased out the possibility of using the conventional TM process with air cooling. Since this process has no potential for development, VAGB decided six years ago to invest in a modernization of the equipment, including a new cooling line.<br />A research and development program was started based on operational experience gained with the old cooling system and the possibilities offered by the new cooling line with a much higher capacity. The objective of the program was the process development for the production of plates with accelerated cooling in combination with the optimization of the alloy design. The author of this thesis was given full responsibility for the program. The results of his investigations are outlined and explained in the thesis.