Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ

Изобретение относится к прокатному производству, конкретнее к режимам прокатки и охлаждения штрипсов из низколегированной стали, используемых для изготовления сварных труб для магистральных нефтегазопроводов.

Известен способ производства полос из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1050-1220°С, выдержку, многопроходную черновую и чистовую прокатку с температурой окончания 800-900°С, охлаждение полос водой на отводящем рольганге до температуры 350-500°С и смотку в рулоны [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что горячекатаные полосы имеют низкие и нестабильные механические свойства. Это приводит к увеличению отбраковки и повышению себестоимости производства полос.

Известен также способ производства высокопрочных полос из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры не выше 1100°С, выдержку при температуре нагрева, многопроходную черновую и чистовую прокатку с температурой окончания 680-850°С, охлаждение полос водой до температуры 300-500°С и смотку в рулоны [2].

Известный способ также не обеспечивает высоких и стабильных по длине полос механических свойств, что увеличивает их отбраковку и себестоимость производства.

Наиболее близким аналогом по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ горячей прокатки полос из сталей с карбонитридным упрочнением. Способ включает нагрев слябов из стали следующего химического состава, масс.%: С 0,09; Si 0,59; Mn 0,66; P 0,007; S 0,003; Nb 0,036; Ti 0,016; V 0,075; N 0,06.

Слябы нагревают до температуры аустенитизации 1100-1250°С, производят черновую горячую прокатку, чистовую горячую прокатку с температурой окончания 820-870°С. Прокатанные полосы охлаждают водой до температуры 550-620°С и сматывают в рулоны [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что горячекатаные полосы имеют низкие эксплуатационные свойства, а именно при неблагоприятном сочетании содержаний химических элементов полосы имеют неудовлетворительную свариваемость и коррозионную стойкость. Кроме того, сталь известного состава требует вакуумирования перед разливкой и в ее химическом составе не допускается присутствия хрома, никеля и меди, что исключает возможность использования металлолома при выплавке. Все это повышает себестоимость производства полос.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в снижении себестоимости производства и повышении эксплуатационных свойств штрипсов.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипсов, включающем выплавку стали, непрерывную разливку в слябы, нагрев слябов до температуры 1190-1250°С, горячую прокатку с температурой окончания 820-870°С, охлаждение водой до температуры 500-580°С и смотку штрипсов в рулоны, согласно предложению смотанные рулоны охлаждают со скоростью 5-20°С/ч до температуры не выше 100°С, слябы разливают из стали следующего химического состава, мас.%:

причем суммарное содержание в стали углерода С, марганца Mn, хрома Cr, ванадия V, ниобия Nb, титана Ti, меди Cu, никеля Ni должно удовлетворять соотношениям: С_э=C+Mn/6+(Cr+V+Ti)/5+(Cu+Ni)15≤0,39%, а также Р_см=C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/15+V/10≤0,24%.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Высокий комплекс эксплуатационных свойств штрипсов для газонефтепроводных труб обеспечивается при одновременной оптимизации химического состава стали и температурных режимов производства и охлаждения рулонов.

В стали предложенного химического состава в процессе прокатки штрипсов в температурном интервале от 1190-1250 до 820-870°С обеспечивается полное выделение дисперсных карбонитридных частиц типа V (C, N) и измельчение в процессе прокатки аустенитных зерен микроструктуры. Охлаждение «свежедеформированного» мелкозернистого аустенита водой от температуры конца прокатки Т_кп=820-870°С до температуры смотки Т_см=500-580°С обеспечивает формирование в стали микроструктуры зернистого перлита с номером зерна не ниже 11 балла. Последующее охлаждение штрипса, смотанного в рулон, с регламентированной скоростью V=5-20°С/ч до температуры не выше Т_р=100°С обеспечивает высокие и равномерные механические и эксплуатационные свойства, несмотря на то, что сталь содержит в своем составе примесные элементы - хром, никель, медь, серу и фосфор. Регламентированное охлаждение рулонов со скоростью 5-20°С/ч до температуры не выше 100°С обеспечивает формирование стабильной микроструктуры и свойств штрипсов, что улучшает их эксплуатационные свойства, снижает отбраковку и себестоимость производства.

Высокая свариваемость штрипсов обеспечивается тем, что углеродный эквивалент С_э, характеризующий степень легированности стали, в том числе примесными металлами (Cr, Ni, Cu), ограничен величиной С_э≤0,39%. Это позволяет, помимо повышения такой эксплуатационной характеристики штрипсов, как свариваемость, использовать при выплавке стали металлический лом.

Кроме того, поскольку нефтегазопроводные трубы, изготовленные из штрипсов, при эксплуатации испытывают действие агрессивных компонентов (в частности, сероводорода), входящих в транспортируемые под давлением нефть и газ, то для исключения сероводородного растрескивания под напряжением содержание химических элементов в стали дополнительно ограничено параметром трещиностойкости Р_см≤0,24%.

Таким образом, использование для изготовления штрипсов для нефтегазопроводных труб стали предложенного состава с ограничением параметров С_э и Р_см при заданных значениях температур нагрева слябов, Т_кп, Т_см, скорости регламентированного охлаждения рулона V и температуры его окончания Т_р обеспечивает повышение эксплуатационных свойств штрипсов - свариваемость и трещиностойкость. Исключение необходимости вакуумирования расплава стали перед разливкой и возможность применения при выплавке металлолома снижают себестоимость производства штрипсов.

Экспериментально установлено, что при регламентированном охлаждении рулонов от температуры Т_см=500-580°С со скоростью менее 5°С/ч удлиняется период охлаждения, увеличивается время оборачиваемости оборотных средств предприятия и себестоимость штрипсов. Увеличение скорости охлаждения более 20°С/ч приводит к появлению неравномерности механических свойств внешних и внутренних витков рулонов, что ухудшает эксплуатационные свойства штрипсов. При температуре окончания регламентированного охлаждения выше 100°С ухудшается равномерность механических свойств по длине штрипсов. Помимо этого, по условиям безопасности персонала и технологического оборудования рулоны нельзя назначать на последующие операции (порезку, правку, отгрузку и др.).

Увеличение температуры нагрева слябов выше 1250°С приводит к росту аустенитного зерна, ослаблению границ зерен, разнобалльности микроструктуры стали. Снижение температуры нагрева менее 1190°С не позволяет полностью растворить крупные карбонитридные частицы в стали, что ухудшает ее механические и эксплуатационные характеристики.

При температуре Т_кп выше 870°С не достигается достаточная степень упрочнения штрипса, а при Т_кп ниже 820°С ухудшаются вязкостные свойства при отрицательных температурах. Это приводит к снижению эксплуатационных свойств штрипсов.

Охлаждение штрипсов водой до температуры Т_см выше 580°С приводит к росту размеров зернистого перлита, ухудшению трещиностойкости. При Т_см ниже 500°С ухудшается ударная вязкость штрипсов при отрицательных температурах и эксплуатационные свойства штрипсов.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,08% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,13% ухудшает пластичность и вязкость стали.

Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 0,50% снижается прочность стали и вязкость при отрицательных температурах, приводит к увеличению отбраковки. Повышение концентрации марганца сверх 0,70% ухудшает пластичность стали, снижает трещиностойкость.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,40% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,65% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее пластичность.

Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC, а с азотом - нитриды VN, NbN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и тем самым упрочняют сталь. При содержании ванадия менее 0,05% и ниобия менее 0,015% их влияние недостаточно велико, свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия более 0,09% или ниобия более 0,040% вызывает дисперсионное твердение проката и приводит к их выделению на границах зерен в виде интерметаллических соединений. Это ухудшает эксплуатационные свойства штрипсов.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Снижение концентрации титана менее 0,01% не оказывает благоприятного влияния на механические свойства горячекатаных штрипсов. Однако при сварке труб титан полностью выгорает, поэтому повышение его концентрации в стали выше 0,030% нецелесообразно.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При содержании алюминия менее 0,02% его воздействие проявляется слабо, сталь имеет низкие механические свойства. Увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к графитизации стали, потере прочности, ухудшению эксплуатационных свойств штрипсов.

Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,008% приводит к снижению вязкостных свойств при отрицательных температурах, что недопустимо.

Хром, никель и медь способствуют повышению прочностных свойств и стойкости против питтинговой коррозии, но при содержании хрома более 0,3%, никеля более 0,3% или меди более 0,2% имеет место ухудшение эксплуатационных свойств штрипсов. В то же время полное исключение этих элементов из состава стали приводит к ее удорожанию и повышению себестоимости штрипсов.

Сера является вредной примесью, снижающей пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,005% ее вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению эксплуатационных свойств штрипсов. В то же время более глубокое удаление серы удорожает сталь, увеличивает себестоимость производства штрипсов.

Фосфор в количестве не более 0,015% целиком растворяется в α-железе, что ведет к упрочнению металлической матрицы. Однако увеличение содержания фосфора более 0,015% вызывает охрупчивание стали и снижение эксплуатационных свойств штрипсов.

Углеродный эквивалент С_э определяет свариваемость стали. Если С_э=C+Mn/6+(Cr+V+Ti)/5+(Cu+Ni)/15>0,39%, то прочность сварного шва трубы, изготовленной из штрипса, будет меньше прочности основного металла. Это снижает эксплуатационные свойства штрипса.

Параметр трещиностойкости Р_см характеризует устойчивость стали к растрескиванию под действием механического напряжения, вызванного давлением в трубопроводе перекачиваемым продуктом, содержащим агрессивные компоненты. В случаях, когда имеет место неблагоприятное сочетание концентраций компонентов в стали, т.е. если Р_см=C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/15+V/10>0,24%, сталь имеет низкую стойкость против трещинообразования, что снижает эксплуатационные свойства штрипса.

Стали различных составов выплавляли в кислородном конвертере из передельного чугуна с использованием металлического лома. Расплавы раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррованадием, феррониобием, ферротитаном, вводили металлический алюминий. Проводили десульфурацию и дефосфорацию расплава, продувку аргоном.

Химический состав сталей для штрипсов приведен в таблице 1.

Выплавленную сталь подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 275 мм. Непрерывнолитые слябы садят в газовую печь с шагающими балками и производят их нагрев до температуры аустенитизации Т_а=1220°С. Нагретые слябы подвергают горячей прокатке в черновой и чистовой группах клетей непрерывного широкополосного стана 2000 в штрипсы толщиной 8,0 мм. Заданную температуру окончания прокатки Т_кп=845°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением раската.

Прокатанные штрипсы при транспортировании по отводящему рольгангу охлаждают ламинарными струями воды до температуры T_см=540°C, после чего сматывают в рулоны.

Горячекатаные рулоны подвергают регламентированному охлаждению со скоростью V=12,5°С/ч при обдуве воздухом. Регламентированное охлаждение ведут до температуры рулонов Т_р=90°С.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице 2.

Из данных, приведенных в таблицах 1 и 2, следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-6, химический состав сталей №2-6) обеспечиваются наиболее высокие механические и эксплуатационные свойства штрипсов. Одновременно с этим, поскольку в химическом составе предложенной стали допускается присутствие примесных элементов - хрома, никеля и меди, ее выплавка производится с применением металлического лома. Данная сталь не требует вакуумирования перед разливкой. Благодаря этому себестоимость штрипсов, произведенных согласно предложенному способу, снижается и составляет Q=85-88% от себестоимости производства полос по способу-прототипу (вариант №8), принятой за 100%.

В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №7) имеет место ухудшение эксплуатационных свойств штрипсов при росте себестоимости Q до 95% (вариант №1).

Помимо более высокой себестоимости производства Q, способ-прототип (вариант №8) также характеризуется низкими эксплуатационными свойствами полос по сравнению с предложенным способом.

Технико-экономические преимущества предложенного способа производства штрипсов состоят в том, что за счет одновременной оптимизации химического состава стали и температурных режимов ее горячей прокатки и охлаждения рулонов обеспечивается возможность присутствия в стали примесных элементов - хрома, никеля, меди. При ограничении величин углеродного эквивалента С_э≤0,39% и параметра трещиностойкости Р_см≤0,24% достигается повышение эксплуатационных свойств штрипсов, несмотря на наличие в стали этих примесных элементов.

Благодаря возможности использования металлического лома при выплавке стали и исключению необходимости проведения вакуумирования расплава перед непрерывной разливкой обеспечивается снижение себестоимости производства штрипсов.

В качестве базового объекта при оценке технико-экономической эффективности предложенного способа выбран способ-прототип. Использование стали предложенного состава позволит повысить рентабельность производства магистральных труб для нефте- и газопроводов на 12-15%.

Литературные источники

1. Патент США №4421573, МПК C21D 8/02, C21D 9/46, 1983.

2. Заявка Японии №57-29528, МПК C21D 8/00, С22С 38/12, 1982.

3. Патент Российской Федерации №2195505, МПК C21D 8/04, С22С 38/12, 2002.