Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для электросварных труб, предназначенных для строительства магистральных нефтепроводов северного исполнения в сейсмических зонах.

Для производства труб магистрального нефтепровода северного исполнения диаметром трубы 508 мм, работающих в сейсмических зонах при отрицательных температурах, необходимы горячекатаные листы (штрипсы) толщиной 7-9 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических свойств (табл.1):

Помимо указанных механических свойств штрипсы должны иметь высокую свариваемость.

Известен способ производства стальных листов, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы низколегированной стали, содержащей по массе, %:

Углерод 0,04-0,10

Кремний 0,01-0,50

Марганец 0,4-1,5

Хром 0,05-1,0

Молибден 0,05-1,0

Ванадий 0,01-0,1

Бор 0,0005-0,005

Алюминий 0,001-0,1

Железо и примеси Остальное

Отлитые слябы нагревают до температуры 1250°С и прокатывают с суммарным обжатием не менее 75%. Прокатанные листы подвергают закалке из аустенитной области и высокотемпературному отпуску [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что толстолистовая сталь имеет низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах, неудовлетворительную свариваемость. Это делает невозможным ее применение для изготовления труб нефтепроводов северного исполнения, работающих в сейсмически опасных районах. Кроме того, необходимость проведения термического улучшения (закалки и отпуска) листов после прокатки усложняет и удорожает производство.

Известен также способ производства толстолистовой низколегированной стали, включающий отливку слябов следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,02-0,3

Марганец 0,5-2,5

Алюминий 0,005-0,1

Кремний 0,05-1,0

Ниобий 0,003-0,01

Железо Остальное

Слябы нагревают до температуры 950-1050°С и прокатывают при температуре выше точки А_r3 с суммарным обжатием 50-70%. Прокатанные листы охлаждают на воздухе [2].

При таком способе производства листы имеют недостаточную прочность и пластичность при отношении σ_т/σ_в, превышающем 0,92. Такие листы не удовлетворяют требованиям по вязкости при отрицательных температурах, имеют недостаточную свариваемость и не пригодны для изготовления труб нефтепроводов северного исполнения для эксплуатации в сейсмически опасных районах.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали марки 17Г1С (по ГОСТ 19281) следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,15-0,20

Марганец 1,15-1,6

Кремний 0,4-0,6

Хром Не более 0,30

Никель Не более 0,30

Медь Не более 0,30

Фосфор Не более 0,035

Сера Не более 0,040

Мышьяк Не более 0,08

Азот Не более 0,008

Железо Остальное

Слябы из низколегированной стали 17Г1С нагревают до температуры 1250°С, подвергают черновой прокатке на непрерывном широкополосном стане до промежуточной толщины 20-40 мм, чистовой прокатке с регламентированной температурой конца прокатки Т_кп=830-880°C и охлаждают до температуры смотки T_cм=620-700°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах. Кроме того, штрипсы характеризуются недостаточной свариваемостью: при испытаниях образца на разрыв его разрушение происходит по сварному шву.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении вязкостных свойств при отрицательных температурах и свариваемости штрипсов.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали, включающем нагрев слябов, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение до температуры смотки, согласно предложению нагрев слябов производят до температуры 1230-1270°С, а температуры конца прокатки и смотки поддерживают в диапазонах 805-855°С и 520-580°С соответственно.

Кроме того, для производства штрипсов используют низколегированную сталь следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,05-0,08

Марганец 1,55-1,65

Кремний 0,15-0,25

Ванадий 0,03-0,04

Ниобий 0,05-0,06

Титан 0,01-0,02

Алюминий 0,02-0,05

Хром Не более 0,1

Никель Не более 0,1

Медь Не более 0,1

Сера Не более 0,005

Фосфор Не более 0,015

Бор Не более 0,005

Азот Не более 0,010

Железо Остальное

При этом должны удовлетворяться следующее соотношение содержаний химических элементов в стали: A1/N≥2,0.

Сущность изобретения состоит в следующем. Нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава до температуры 1230-1270°С обеспечивает ее аустенитизацию, полное растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, нитридов, легирующих и примесных соединений, карбонитридных упрочняющих частиц. Благодаря этому повышается технологическая пластичность и деформируемость слябов при прокатке до промежуточной толщины. Кроме того, поскольку в процессе прокатки происходит непрерывное падение температуры металла, при указанной температуре нагрева к моменту окончания черновой прокатки температура раската снижается до оптимального уровня, необходимого для обеспечения заданной температуры конца прокатки.

Последующая чистовая прокатка штрипса с температурой конца прокатки 805-855°С обеспечивает необходимую степень измельчения микроструктуры, полное выпадение из твердого раствора карбонитридных упрочняющих частиц, деформационное упрочнение металлической матрицы. В результате микроструктура штрипса после охлаждения до температуры смотки 520-580°С представляет из себя ферритно-перлитную смесь с равномерными зернами 11-го балла, и механические свойства штрипса в горячекатаном состоянии полностью соответствуют предъявляемым требованиям (табл. 1) без дополнительной термической обработки. Трубы нефтепроводов из таких штрипсов хорошо противостоят сейсмическим смещениям участков грунта при отрицательных температурах без разрушения Помимо этого, благодаря ограничению концентрации в стали углерода и других легирующих низколегированная сталь, имея заданную прочность и высокую вязкость при отрицательных температурах, характеризуется высокой свариваемостью: при испытании на разрыв разрушение образцов происходит не по сварному шву, а по основному металлу.

Использование низколегированной стали предложенного состава при одновременном выполнении заявленных соотношений в ней легирующих элементов и примесей обеспечивает после горячей прокатки по упомянутым режимам стабильное получение заданных механических свойств штрипсов, повышение вязкостных свойств при отрицательных температурах, высокую свариваемость труб и нефтепроводов.

Экспериментально установлено, что увеличение температуры нагрева слябов из низколегированной стали выше 1270°С не улучшает комплекс механических свойств штрипсов, а лишь увеличивает время нагрева и требует снижения темпа прокатки, что снижает производительность процесса. Снижение этой температуры ниже 1230°С приводит к неполному растворению в аустените карбонитридных упрочняющих частиц, снижению технологической пластичности, переупрочнению стали (σ_т>590 Н/мм²), снижению вязкостных свойств штрипсов при отрицательных температурах.

При температуре конца прокатки Т_кп выше 855°С не достигается требуемая степень упрочнения штрипса и измельчение его микроструктуры до оптимального уровня. Снижение температуры Т_кп ниже 805°С приводит к чрезмерному измельчению микроструктуры, ухудшению вязкостных свойств штрипсов.

Повышение температуры смотки Т_см выше 580°С способствует формированию разнобалльности микроструктуры, снижению прочностных свойств ниже допустимых значений. Снижение Т_см менее 520°С приводит к невыполнению заданного соотношения σ_т/σ_в, что недопустимо.

Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет прочностные свойства штрипсов. Снижение содержания углерода менее 0,05% приводит к падению их прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,08% ухудшает вязкостные свойства штрипсов и их свариваемость.

Снижение содержания марганца менее 1,55% увеличивает окисленность стали, ухудшает прочность и свариваемость штрипсов. Повышение содержания марганца более 1,65% увеличивает отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву σ_т/σ_в сверх 0,88, что недопустимо.

При содержании кремния менее 0,15% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,25% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость штрипсов, ухудшает показатель KV^-40 и свариваемость стали.

Ванадий измельчает зерно микроструктуры, повышает прочность и вязкость штрипсов, прокатанных по предложенным режимам. При содержании ванадия менее 0,03% штрипсы имеют недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания ванадия сверх 0,04% оказалось нецелесообразным, так как не улучшало свойств штрипсов.

Ниобий в стали при температуре конца прокатки Т_кп=805-855°С способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали, обеспечивающей сочетание высоких прочностных и вязкостных свойств штрипсов. При концентрации ниобия менее 0,05% механические свойства штрипсов в горячекатаном состоянии недостаточно высоки. Повышение его концентрации более 0,06% не приводит к дальнейшему повышению механических свойств штрипсов, поэтому нецелесообразно.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. При содержании титана менее 0,01% его упрочняющее влияние проявляется недостаточно, штрипсы имеют низкую прочность и вязкость. Увеличение концентрации титана сверх 0,02% не обеспечивает дальнейшего повышения свойств штрипсов, поэтому нецелесообразно.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства штрипсов. При содержании алюминия менее 0,02% снижается комплекс механических свойств штрипсов. Увеличение его концентрации более 0,05% приводит к ухудшению вязкостных свойств штрипсов.

Хром, никель и медь являются примесными элементами. При концентрации каждого из них не более 0,1% они не оказывают вредного влияния на свариваемость штрипсов при производстве труб, но расширяют возможности использования металлического лома при выплавке, что удешевляет производство. При концентрации каждого из этих элементов более 0,1% ухудшаются вязкостные свойства и свариваемость штрипсов.

Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,005% серы, не более 0,015% фосфора и не более 0,010% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипсов, тогда как их удаление из расплава стали существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс. Увеличение концентрации этих вредных примесей более предложенных значений ухудшает весь комплекс механических свойств штрипсов.

Бор способствует измельчению зерен микроструктуры при черновой горячей прокатке слябов в температурном интервале от 1230-1270°С и ниже. Однако увеличение содержания бора более 0,005% приводит к увеличению количества неметаллических включений и ухудшению вязкостных свойств штрипсов, что недопустимо.

Экспериментально установлено, что при отношении A1/N≥2, необходимый комплекс механических свойств штрипсов достигается при всех предложенных температурных режимах горячей прокатки штрипсов. Снижение рассматриваемого отношения менее 2 приводит к снижению вязкостных свойств и доли волокнистой составляющей в изломе при отрицательных температурах, ухудшению свариваемости штрипсов.

Пример реализации способа

В конвертерном производстве производят выплавку и разливку низколегированных сталей различного состава (табл. 2).

Слябы толщиной 250 мм загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1250°С. Разогретые слябы выдают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и подвергают прокатке в черновой группе клетей (черновая прокатка) до промежуточной толщины 45 мм. Затем раскат при температуре 970°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины 8 мм. Регламентированную температуру конца прокатки Т_кп=830°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанный штрипс выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки Т_см=550°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.

Варианты прокатки штрипсов по различным режимам из сталей различного состава приведены в табл. 3.

Из табл. 3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение вязкостных свойств при отрицательных температурах и свариваемости. В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5) вязкостные свойства при отрицательных температурах и свариваемость штрипсов ухудшаются. Также более низкие свойства и свариваемость имеют штрипсы, произведенные согласно способу-прототипу (вариант №6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава до температуры 1230-1270°С, последующая их горячая прокатка в штрипсы заданной толщины с температурой конца прокатки 805-855°С и охлаждение водой до температуры смотки 520-580°С обеспечивает формирование оптимальной мелкозернистой ферритно-перлитной микроструктуры стали. За счет этого достигается повышение вязкостных свойств при отрицательных температурах и свариваемости штрипсов.

Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства штрипсов для трубопроводов северного исполнения на 8-10%.

Литература

1. Заявка Японии №61-163210, МПК С 21 D 8/00, 1986 г.

2. Заявка Японии №61-223125, МПК С 21 D 8/02, С 22 С 38/54, 1986 г.

3. Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М., Металлургия, 1989 г., с. 262-266 - прототип.