Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть применено для получения штрипсов, используемых при строительстве магистральных нефтегазопроводов в районах Крайнего Севера.

Низколегированная сталь для магистральных нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, должна сочетать высокую прочность, свариваемость, коррозионную стойкость и стойкость к водородному растрескиванию (табл.1).

Известен способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1160-1190°С, черновую прокатку, чистовую прокатку с суммарным относительным обжатием не менее 70% при температуре конца прокатки не выше 820°С. После прокатки штрипсы подвергают закалке водой с температуры 900-950°С и отпуску при температуре 600-730°С. При этом низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкую хладостойкость. Кроме того, дополнительное термическое улучшение штрипсов удорожает их производство.

Известен также способ производства штрипсов категории прочности Х65 из низколегированной стали следующего состава, мас.%:

при этом

и .

Способ включает нагрев слябов до температуры 1170-1420°С, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку в температурном интервале 910-710°С с суммарным относительным обжатием 60-80% [2].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает требуемой хладостойкости штрипсов.

Наиболее близким аналогом по совокупности признаков и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:

Способ включает нагрев слябов до температуры аустенитизации 1220-1280°С, многопроходные черновую прокатку до промежуточной толщины, многопроходную чистовую прокатку с температурой конца прокатки 820-880°С и ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры 580-660°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает получения высокой хладостойкости штрипсов и стабильных механических свойств, что увеличивает их отбраковку и расходы на производство.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении хладостойкости штрипсов и снижения затрат на производство.

Для решения поставленной задачи в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали, включающем нагрев слябов до температуры аустенитизации, многопроходную черновую прокатку, многопроходную чистовую прокатку, ускоренное охлаждение штрипсов водой, согласно изобретению слябы нагревают до температуры 1100-1210°С, черновую прокатку ведут с суммарным относительным обжатием не менее 30%, чистовую прокатку завершают при температуре 720-820°С, а охлаждение штрипсов водой ведут до температуры 400-600°С.

Возможен вариант реализации способа, по которому чистовую прокатку осуществляют за два этапа с паузой между ними, при этом первый этап проводят в температурном интервале 780-920°С с суммарным относительным обжатием 35-80%, второй этап начинают при температуре 750-850°С и проводят с суммарным относительным обжатием 20-60%, продолжительность паузы устанавливают равной 20-80 с, а охлаждение штрипсов водой ведут со скоростью не менее 5°С/с.

Низколегированная сталь может иметь следующий химический состав, мас.%:

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Комплекс механических свойств штрипсов определяется микроструктурно-фазовым состоянием низколегированной стали, которое, в свою очередь, зависит от химического состава стали и режимов ее многоциклововой деформационно-термической обработки.

При известных способах производства штрипсов из низколегированной стали микроструктура штрипса представляет собой перлит с включениями феррита, следствием чего является недостаточная прочность штрипсов. Традиционно для повышения прочностных свойств увеличивают степень легированности стали и снижают температурный интервал горячей прокатки, однако при этом резко снижаются вязкостные свойства стали и показатели хладостойкости. Кроме того, увеличение степени легированности ухудшает свариваемость штрипсов, увеличивает затраты на производство.

Предлагаемые деформационно-термические режимы производства штрипсов и химический состав низколегированной стали обеспечивают формирование после многопроходной прокатки и охлаждения водой ферритной матрицы, упрочненной участками перлита, сорбита, включениями бейнита. Благодаря наличию ферритной матрицы штрипсы приобретают высокие вязкостные, пластические свойства и хладостойкость, а наличие в ней перлита, сорбита и бейнита повышает до заданного уровня прочностные свойства. Этим обеспечивается стабильное получение заданного комплекса механических свойств штрипсов с повышенной хладостойкостью, уменьшение количества некондиционной продукции, снижение степени легированности и затрат на производство.

Экспериментально установлено, что при температуре нагрева слябов под прокатку Т_а ниже 1100°С не достигается полного растворения карбидных частиц, упрочняющих низколегированную сталь, в аустените. В результате горячекатаные штрипсы имеют недостаточную прочность. Увеличение температуры нагрева Т_а выше 1210°С нерационально, т.к. помимо роста энергозатрат приводит к необходимости дополнительного подстуживания раскатов в линии прокатного стана для обеспечения заданных температурных интервалов горячей прокатки.

При черновой прокатке с суммарным относительным обжатием ε₁ менее 30% не обеспечивается полная проработка структуры слябов и имеет место формирование анизотропных механических свойств штрипсов.

Завершение чистовой прокатки при температуре Т_кп2 ниже 720°С приводит к снижению пластических свойств стали, росту соотношения σ_т/σ_в выше допустимого уровня. Повышение Т_кп2 сверх 820°С ведет к росту размеров ферритных зерен (номер балла уменьшается до 8-9). В результате снижается прочность и хладостойкость штрипсов, возрастает выход некондиционной продукции.

При охлаждении прокатанных штрипсов водой от температуры Т_кп2 До температуры конца ускоренного охлаждения Т_уо выше 600°С снижаются прочностные свойства и хладостойкость штрипсов, возрастает выход некондиционной продукции. Снижение температуры Т_уо менее 400°С не оказывает положительного влияния на механические свойства штрипсов, а лишь увеличивает расход электроэнергии, воды и затраты на производство.

Чистовая прокатка за два этапа с паузой между ними позволяет сформировать в готовых штрипсах более стабильный микроструктурно-фазовый состав и механические свойства, что дополнительно повышает выход годного и снижает затраты на производство. При этом во время двухэтапной чистовой прокатки и паузы проходит черновая прокатка последующего сляба, благодаря чему сохраняется высокая производительность процесса. Чистовая прокатка на первом этапе с суммарным относительным обжатием ε₂=35-80% в температурном интервале 780-920°С протекает с полной рекристаллизацией деформированного аустенита и последовательным диспергированием микроструктуры. Увеличение суммарного относительного обжатия ε₂ более 80% или снижение температуры прокатки на первом этапе ниже 780°С ухудшает равномерность микроструктуры, увеличивает нестабильность механических свойств и количество некондиционной продукции. При суммарном относительном обжатии менее 35% или температуре чистовой прокатки выше 920°С имеет место неконтролируемый рост зерен микроструктуры. Это снижает хладостойкость штрипсов.

Если температура начала второго этапа чистовой прокатки Т_нп2 превышает 850°С или суммарное относительное обжатие ε₃ меньше 20%, то не достигается требуемая степень диспергирования микроструктуры. Это снижает пластичность и хладостойкость штрипсов. При температуре начала второго этапа чистовой прокатки Т_нп2 ниже 750°С или суммарном относительном обжатии ε₃ более 60% в штрипсе формируется неблагоприятная текстура деформации. Это снижает вязкостные свойства, увеличивает отношение σ_т/σ_в выше допустимого уровня.

Пауза τ между двумя этапами чистовой прокатки позволяет завершить процессы рекристаллизации, выровнять температурное поле по сечению раската, стабилизировать характер деформированной зеренной микроструктуры аустенита и затем начать заключительный этап чистовой прокатки при строго заданной температуре в интервале Т_нп2=750-850°С. Сокращение продолжительности паузы τ менее 20 с не позволяет гомогенизировать состояние микроструктуры низколегированной стали и температурное поле раската. Это приводит к увеличению количества некондиционной продукции. Увеличение продолжительности паузы τ более 80 с не исключает возможности переохлаждения раската перед вторым этапом чистовой прокатки, что негативно сказывается на хладостойкости штрипсов.

Также экспериментально установлено, что при скорости охлаждения V менее 5°С от температуры Т_кп2=720-820°С до Т_уо=400-600°С количество упрочняющих ферритную матрицу фаз (бейнит, сорбит, перлит) мало, поэтому прочностные свойства штрипсов ниже допустимого уровня.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Однако увеличение содержания углерода сверх 0,12% ухудшает свариваемость, пластичность и хладостойкость штрипсов.

Кремний раскисляет сталь, упрочняет ферритную фазу. При содержании кремния менее 0,17% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,37% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, ухудшает ее пластичность и ударную вязкость.

Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,4% снижаются прочность стали, доля вязкой составляющей в изломе и вязкость при отрицательных температурах. Повышение концентрации марганца сверх 2,0% приводит к снижению пластичности и увеличению отношения σ_т/σ_в.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При концентрации алюминия менее 0,02% его положительное влияние не проявляется. Вместе с тем, увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к ухудшению хладостойкости и свариваемости штрипсов.

Хром, образуя карбиды, повышает прочность стали с ферритной матрицей. При концентрации хрома менее 0,01% его влияние не сказывается на свойствах штрипсов, их прочность при неблагоприятном сочетании концентрации легирующих элементов ниже допустимой. Увеличение содержания хрома более 0,30% приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств штрипсов.

Примесная медь способствует повышению прочностных свойств, но при концентрации более 0,30% имеет место снижение ударной вязкости и свариваемости штрипсов.

Ниобий образуют с углеродом карбиды NbC. Мелкие карбиды ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации, и, тем самым, упрочняют сталь. При содержании ниобия менее 0,04% его влияние недостаточно велико, прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ниобия более 0,09% вызывает дисперсионное твердение и охрупчивание границ зерен. Это приводит к увеличению отношения σ_т/σ_в и снижению выхода годного.

Ванадий является сильным раскисляющим и карбидообразующим элементом, благоприятно влияющим на комплекс механических свойств штрипсов. При концентрации ванадия менее 0,04% его положительное влияние на механические свойства не проявляется. Увеличение содержания ванадия более 0,12% нецелесообразно, т.к. ведет к ухудшению свариваемости штрипсов и хладостойкости, росту расходов на производство.

Молибден обеспечивает повышение прочности и вязкости штрипсов. При ускоренном охлаждении после многоциклового деформирования он стимулирует формирование в стали мелкодиспергированного бейнита, обеспечивающего упрочнение ферритной матрицы, и повышение вязкостных свойств. Однако молибден является дефицитным и дорогостоящим металлом, повышающим затраты на производство штрипсов. При строгом выполнении предложенных температурно-деформационных режимов и без введения в сталь молибдена можно получить требуемый комплекс механических свойств, близких к нижней допустимой границе. Увеличение содержания молибдена более 0,40% переупрочняет сталь, ухудшает свариваемость, ведет к увеличению расходов на легирующие материалы.

Сталь может содержать примеси (сера, фосфор, азот), снижающие пластические, вязкостные свойства и хладостойкость. Однако при обычных концентрациях, оговоренной в стандартных требованиях к химическому составу низколегированных сталей - ГОСТ 1050, ГОСТ 192282 (S≤0,040%, Р≤0,035%, N≤0,08%), их вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств штрипсов. В то же время более глубокое их удаление удорожает производство штрипсов и делает его нерентабельным.

Примеры реализации способа

Пример 1

Для изготовления штрипсов используют непрерывнолитые слябы толщиной 315 мм из низколегированной стали марки 17Г1С-У следующего химического состава, мас.%:

Слябы загружают в методическую печь полунепрерывного стана 2800/1700 и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1155°С. Очередной нагретый сляб выталкивают на печной рольганг, после чего прокатывают за 9 проходов в черновой клети дуо 2800 в раскат толщиной 90 мм с суммарным относительным обжатием ε₁, равным:

.

В процессе черновой прокатки раскат охлаждают до температуры Т_нп1=910°С.

Полученный после черновой прокатки раскат незамедлительно задают в чистовую реверсивную клеть кварто 2800 и осуществляют 1-й этап чистовой прокатки за 7 проходов в раскат толщиной 25 мм. В процессе 1-го этапа чистовой прокатки раскат охлаждают температуры от Т_нп1=910°С до температуры Т_кп1=870°С. Суммарное относительное обжатие ε₂ при чистовой прокатке на первом этапе составляет:

.

После завершения 1-го этапа чистовой прокатки раскат толщиной 25 мм выдерживают в течение времени τ=50 с на промежуточном рольганге для завершения процессов рекристаллизации деформированного аустенита и снижения температуры до значения Т_нп2=800°С.

По истечении заданного времени выдержки раскат при температуре Т_нп2=800°С задают в валки клетей кварто 1700 для осуществления 2-го этапа чистовой прокатки. Чистовую прокатку на 2-м этапе ведут до конечной толщины штрипса 15,0 мм с суммарным относительным обжатием ε₃, равным:

.

В процессе прокатки на 2-м этапе штрипс охлаждают до температуры конца прокатки Т_кп2=770°С.

На отводящем рольганге стана 2800/1700 производят ускоренное охлаждение прокатанного штрипса со скоростью V=10°C/c до температуры Т_уо=500°С ламинарными струями воды. По завершении ускоренного охлаждения штрипс в дальнейшем самопроизвольно охлаждается на воздухе.

В табл.2 приведены различные режимы производства штрипсов из низколегированной стали марки 17Г1С-У, а в табл.3 - механические свойства штрипсов и относительные затраты на производство Q одной тонны штрипсов по сравнению со способом-прототипом.

Из табл.3 следует, что при реализации предложенного способа (режимы №2-4) достигается повышение хладостойкости штрипсов (максимум значений KCV^-40 и ИПГ^-60), а также снижение затрат Q на производство. При запредельных значениях предложенных режимов (режимы №1 и №5), а также реализации способа-прототипа (режим №6) снижается хладостойкость штрипсов и возрастают относительные затраты на производство.

Пример 2

В кислородном конверторе производят выплавку низколегированных сталей с химическим составом, приведенным в табл.4. Стали всех составов подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 315 мм.

Непрерывнолитые слябы загружают в методическую печь полунепрерывного стана 2800/1700, производят их нагрев и горячую прокатку в штрипсы по температурно-деформационному режиму №3 в табл.2. После охлаждения штрипсов производят отбор проб и испытание их механических свойств, рассчитывают относительные затраты на производство Q с учетом выхода некондиционной продукции и затрат на легирующие материалы.

В табл.5 приведены результаты испытания механических свойств штрипсов из низколегированных сталей различных составов (табл.4), а также относительные затраты Q на производство 1 т штрипсов по сравнению со способом-прототипом.

Из табл.5 следует, что при использовании низколегированной стали предложенного состава (составы №2-4) после горячей прокатки по предложенному деформационно-термическому режиму одновременно достигаются наиболее высокие характеристики хладостойкости штрипсов при минимальных расходах на производство. Использование сталей с запредельным содержанием химических элементов (составы №1 и №5), а также известной стали по способу-прототипу (состав №6) приводит к снижению хладостойкости и увеличению затрат на производство штрипсов.

В качестве базового объекта при определении технико-экономической эффективности использования предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного технического решения позволит увеличить рентабельность производства штрисов для нефтегазопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, на 20-25%.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2255123, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, 2005 г.

2. Патент Российской Федерации №2241769, МПК C21D8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, 2004 г.

3. Патент Российской Федерации №2262537, МПК C21D 8/02, С22С 38/46, 2005 г. - прототип.