Valsningsförsök/Optimisation of hot rolling

Improving high strength steels with energy efficient process routes

Project leader: "Tadeusz Siwecki, Corrosion and Metals Research Institute"

Introduction
High strength steel products represent a strongly growing market segment and one that continues to show good profitability. These have a potential for cost reduction during both the processing of the steel and in its subsequent service. High strength steels with their increased load-bearing capacity mean that less steel can be used to achieve the same function and, therefore, an economy for the steel user.  Less steel production while maintaining the same quality of function gives many environmental benefits viz. less disturbance from mining, less waste products, less release of CO₂ into the atmosphere and lower energy consumption.Furthermore, during the continuous production of structural steels it is vital that the correct final condition is obtained directly since reprocessing is expensive or often impossible. The expected reduction in processing costs not only gives economic advantages but also an environmental gain due to the reduction in energy consumption by optimising TMCP processing and eliminating extra heat treatment. During the last decade the development of high strength steel has resulted in a wide variety of alloying and micro alloying combinations and processing technologies. The properties attained depend on the presence of small additions of vanadium, niobium, molybdenum, boron and/or titanium. Knowledge of the precipitation strengthening effect in the steels with different micro addition is very important for development of optimal rolling schedules with the aim of improving as-hot rolled mechanical properties and weld ability. A number of different steel families can be envisaged for improved strength according to the following outlines;

i.)  V-Nb-(Ti) and V-Nb-Mo steels, with or without B, suitable
     for high yield strength of both heavy and thin plates
ii.)  Ni, Cu and Si additions are useful for developing high strength steel 
     plates with Re>550MPa and excellent HAZ toughness after
     welding.

Goals

General 
The aim of the present project is therefore to improve the microstructure and mechanical properties of high strength micro alloyed steels by optimisation of the slab reheating temperature/time, TMCP-processing parameters (reduction, FRT, accelerated cooling rate) and steel chemistry. SSAB Oxelösund AB, SSAB Tunnplåt AB and others desire to decrease the slab reheating temperature, to reduce the energy consumption, and improve surface quality of flat product. The goal is to find optimal slab reheating parameters prior to hot rolling, not only for economic reasons but also in respect of several environmental gains, namely:

1. Energy reduction and less release of CO₂ into the atmosphere in
   slab reheating furnaces by optimising time-temperature schedules 
   for different products.

2. Optimisation of production security, rescue treatments and surface 
    quality during hot rolling (growth of oxide scales and its
    consequence in terms of material loss and increased pickling
    requirement) and for final product.

3. Optimisation of products properties for reducing the preheat
    treatment before welding and cutting.  Pre-heating is very energy-
    intensive. These developments place further technological demands
    such as: 

4. Modification of chemical composition of the steel for application the
    lower reheating temperatures.

5. Consequence for hydrogen cracks and other faults in the material
    as well as requirement for low hydrogen content / requirement for
    diffusion annealing of slab (energy demanding).  

Industrial
To propose production methods for high strength steels that are less energy consuming and more environmentally friendly.  

Environmental
To decrease the emissions of carbon dioxide by ca 6700 tons/year and the electricity consumption by 5600 MWh/year and provide new advanced high strength steels that    can be used for construction that in certain applications may be 20% lighter in weight. (Estimated effect +10 years from 2004, for Swedish steel- and scrap industry).

Work plan
 The project is planned to include:

• Simulation of slabs reheating treatment and hot rolling in laboratory scale to be carried out at KIMAB and some pilot-scale processing carried out at MEFOS.
• Full-scale processing at SSAB Oxelösund and SSAB Tunnplåt.
• Detailed studies of the microstructure and properties of slabs and plates that will be carried out at KIMAB and SSAB. 

Different grades of steels will be supplied by SSAB. The following grades of steels will be supplied with yield strength in the range of 700-1300MPa. TM-steel with lower yield strength than 700MPa will also be taken into consideration.Casting (full scale charges) and hot rolling of the two groups of special developed high strength (with Re>700MPa) steels with modified chemical composition for strips and plates have been carried out at SSAB Tunnplåt and SSAB Oxelösund.Two C-Mn steels with various C-Cr-Mo-Ti-Nb-Al-N contents originated from SSAB Oxelösund and three C-Mn steels with various Mn-Cr-Ni-Mo-Ti-Nb-V-B contents originated from SSAB Tunnplåt. In the case of heavy plate it is the special interest to study and characterise the microstructure through the plate thickness. Productivity aspects will be included relating to the effect of various slab-reheating treatments on the possibility of the thin and heavy plate hot rolling. These will be investigated and reported.

Deliverables for 2004-2008
The project will deliver to the recipients in the following form;

1.   Planned scientific deliverables;

• to describe the methods for optimisation of the energy efficient processing routes for improving high strength steels micro alloyed with different micro addition,
• to improve a knowledge about the role of different strengthening mechanisms and how these can be utilised in practice,
• consequence for hydrogen cracks and other faults in the material as well as requirement for low hydrogen content / requirement for diffusion annealing of slab (energy - demanding),
• the new knowledge will be disseminated through publications, conference presentations and seminars.'

2. Planned user deliverables;

• to certify processing conditions for providing maximum strength and toughness properties of strip and heavy plates to the steel industry,
• gives information to steels producers about the effect of various slab reheating treatments during processing on;
• i.) improving the environment aspects (less release of CO₂ into the atmosphere),
• ii.) energy reduction during processing,
• iii.) optimisation of production security, rescue treatments and surface quality during hot rolling (growth of oxide scales and its consequence in terms of material loss and increased pickling requirement) and for final product.
• iv.) productivity aspects for thin and heavy plates hot rolling,
• modification of chemical composition of the steel for application the lower reheating temperatures,
• optimisation of products properties for reducing the preheat treatment before welding and cutting.

Deliverables for 2004-2005

Fragmentering
/Shredding
... är en teknik som används för sönderdelning av skrot innan det smälts om till nytt stål. Genom att utveckla tekniken att finfördela skrotet kan variationerna i dess samman-sättning minskas och dess densitet ökas. Detta innebär att stålindustrin vid omsmältning av skrotet kan reducera både sitt elbehov och sina utsläpp av koldioxid.
Läs mer >>

Laseranalys
/Laser analysis
... är en teknik som nu utvecklas för snabb bestämning av skrotets metallinnehåll. Stålindustrin väntas här få tillgång till en teknologi som kan komma att reducera behovet av jungfruliga metaller vid användning av skrot för tillverkning av nytt stål.
Läs mer >>

Skrotflödet i samhället
/Recycling of steel
... är trots den höga återvinningsgraden föga dokumenterat. Med bättre kunskaper skapas förutsättningar för ökad återvinning och bättre styrning av skrotsorter för optimerad skrot-användning. Stålindustrin får möjlighet att effektivisera sin energianvänd-ning, stora ekonomiska värden tas till vara och miljöbelastningen minskar.
Läs mer >>

Ytrening av skrot
/Surface cleaning of scrap
... är en teknik som skall bredda användningen av färg- och metallbelagt skrot som råvara till ett ökat antal stålsorter.  För stålindustrin innebär användning av ytrenat och förvärmt skrot att både energi-användning och koldioxidutsläpp kan reduceras. Dessutom kan den avdrivna zinkbeläggningen komma att återanvändas inom zinkindustrin.
Läs mer >>

Vanadinutvinning
/Recovery of Vanadium
Det finns låga halter av vanadin i svensk järnmalm. Genom utveckling av metoder för utvinning av vanadinet får en redan exploaterad naturresurs ett ökat miljövärde.
Läs mer>>

Ökat metallutbyte vid smältning av stål/New melting processes EAF
... är teoretiskt möjligt genom  metallurgisk manipulering under smältförloppet. Målet är att skapa sådana förhållanden att metaller överförs till stålet i stället för till slaggen. Detta innebär minskat behov av jungfruliga metaller, samtidigt som slaggen kan ges nya användnings-områden.
Läs mer >>

Återvinning av slagg
/New slag systems EAF
... är tekniskt möjligt genom utveckling av nya metoder för lakning av olika metaller ur slagger, t.ex vanadin, och behandling av slagger så de kan användas som t.ex isoleringsmaterial eller cementråvara. Vissa slagger kan också användas som ny slaggbildare i stålprocessen, vilket minskar behovet av ny kalk. Återvinning av slagg miinskar både behovet av deponering och förbrukningen av nya naturresurser vid ståltillverkningen.
Läs mer >>

Bevarande av alla ämnen i skrotet
/Tolerance of recycled elements
... är en  teoretisk studie som skall söka klarlägga hur dessa kan nyttjas för att ge den färdiga stålproduktens önskade egenskaper. Om sådan "självlegering" blir praktisk möjlig kan de metalliska ämnen som finns i skrotet, och som normalt avlägsnas i processen, bevaras i det nya stålet. Detta innebär att förlusten av metaller ur stålets kretslopp kan reduceras.
Läs mer >>

Nya höghållfasta stålprodukter
/Optimisation of hot rolling
... är ett forskningsprojekt som skall identifiera de processparametrar som vid värmning och valsning har störst inverkan på materialegenskaperna. De nya rönen kan ge stålindustrin möjligheter att med ökad precision framställa nya avancerade stålsorter och samtidigt minska förbrukningen av fossila bränslen.
Läs mer >>

Metoder för lättare stålkonstruktioner
/High strength steel structures
...ska för avancerade höghållfasta stål utmynna i att stålets egenskaper kopplas till produkternas användning och återvinning ur ett livscykelperspektiv. Genom denna metodutveckling kan stål-, bygg- och verkstadsindustrin få nya infallsvinklar på användandet av stål som både kan minska behovet av jungfruliga metaller och reducera emissionerna vid såväl tillverkning som användning av produkterna.
Läs mer >>

Miljövärderingsanalyser
/Environmental evaluation

I. Methodology for evaluation of environmental impact
...ska påvisa Stålkretsloppets miljövärde med beaktande av ekologiska, tekniska och sociala faktorer. Miljövärderingar ger forskare, industri, användare och samhället i övrigt möjlighet att värdera såväl stålets nytta för miljön som dess belastning på miljön ur ett livscykelperspektiv. En metod som gör miljövärderingar tillgängliga för objektiva beslut.
Läs mer >>

II. Conjoint analysis as a decision tool for evaluation of environmental performance of for instance experts and consumers preferences
... tar fram en metod för att mäta olika experters och andra intressenters attityder till och värdering av komplexa miljöfrågor.
Läs mer>>