Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБНОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству углеродистых и низколегированных сталей с повышенными механическими свойствами и стойкостью против различных видов общей и локальной коррозии.

Известны стали для проката труб по техническим условиям ТУ 14-3Р-91-2004 «Трубы стальные бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной стойкости против локальной коррозии и хладостойкие для месторождений ОАО «СУРГУТНЕФТЕГАЗ», которые содержат требования к химическому составу, механическим свойствам труб, загрязненности металла труб коррозионно-активными неметаллическими включениями (КАНВ) первого и второго типа, но не описывают способ производства данных марок стали (ТУ 14-3Р-91-2004, п.1.4, 1.5, 1.6; изменение №4 стр.2-3). Выплавку, внепечную обработку и разливку непрерывнолитых заготовок данных марок сталей производят в соответствии с технологическими инструкциями предприятий.

Известен способ производства углеродистых и низколегированных трубных сталей с повышенными механическими и коррозионностойкими свойствами, включающий выплавку полупродукта в ДСП, внепечную обработку стали на установке печь-ковш и разливку на МНЛЗ (Технологическая инструкция ОАО «Северский трубный завод» ТИ 162-СТ.М. - 15-2007. «Внепечная обработка стали на установке «печь-ковш» - Полевской: МЛ НИЦ, 2007, 56 стр.). Существенным недостатком данного способа является то, что при выплавке стали по данному технологическому регламенту не удается достичь высокой чистоты металла по неметаллическим включениям, вызывающим активное развитие общей и локальной коррозии при эксплуатации труб.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа производства трубной стали, обеспечивающего требуемую чистоту металла по коррозионно-активным неметаллическим включениям, а также повышение стойкости труб при эксплуатации в агрессивных средах.

Технический результат достигается за счет предлагаемого способа, включающего выплавку полупродукта в ДСП, выпуск полупродукта в сталеразливочный ковш с одновременной присадкой раскислителей, легирующих и части шлакообразующих материалов, доведение состава металла, в том числе по примесным элементам, а также окончательное раскисление и модифицирование на установках внепечной обработки стали и разливку металла на МНЛЗ, в котором модифицирование металла кальцием в количестве 4-8 ppm производится после перегрева металла, содержащего не более 0,003% серы и не более 0,01% алюминия, над температурой ликвидус не менее 120°C, и длительной, не менее 20 минут, продувки металла аргоном в условиях вакуума. При этом разливка металла на МНЛЗ осуществляется в условиях электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе при значениях силы тока 120-200 А и частотой 2,0-4,0 Гц, в зависимости от диаметра непрерывно-литой заготовки.

Известно, что коррозионную активность проявляют оксисульфидные включения размером более 10 мкм на основе алюминатов кальция - коррозионно-активные неметаллические включения первого типа (КАНВ I типа), а также комплексные включения на основе оксидов и избыточной фазы сульфидов кальция или их растворов с сульфидами марганца - коррозионно-активные неметаллические включения второго типа (КАНВ II типа). Использование традиционных технологий производства стали с раскислением алюминием и модифицированием глинозема кальцием при обычных регламентах десульфурации неизбежно связано с получением неблагоприятных указанных типов включений и повышенному уровню загрязненности металла КАНВ первого и/или второго типа.

Ограничение содержания серы в металле перед вакуумной обработкой (не более 0,003%), минимизация при этом содержания алюминия в стали (не более 0,01%) обусловлены выделением избыточных сульфидных фаз на алюминатных включениях, что в свою очередь приводит к повышенной загрязненности металла КАНВ первого и второго типа.

Перегрев металла над температурой ликвидус более 120°C решает задачу измельчения оксидных включений в жидкой и кристаллизующейся стали. В жидкой стали, по достижении требуемого содержания серы и алюминия на установке печь-ковш, оксидные включения представлены продуктами окисления алюминия по ходу обработки (глиноземом). Известно, что степень окисления алюминием зависит от температуры. Перегрев металла способствует смещению реакции в сторону исходных компонентов, при этом происходит частичное разрушение ранее образовавшихся оксидов (их растворение). При перегреве металла менее 120°C измельчение и растворение образовавшихся оксидов не происходит.

Задачу удаления из металла не растворившихся оксидов решает длительная продувка металла аргоном в условиях вакуума, при этом перегрев металла расширяет возможности продувки в силу ее охлаждающего эффекта. Этим определяется нижний предел величины перегрева - 120°C. Продолжительность продувки металла аргоном менее 20 минут приводит к недостаточной проработке металла с точки зрения удаления не растворившихся включений.

Введение в технологическую схему производства коррозионностойких марок стали в качестве обязательного элемента обработку металла в условиях глубокого вакуума преследует цель изменения морфологии и измельчения включений. Изменение морфологии включений связано с перерождением алюминатов и глинозема в шпинелиды в присутствии растворенного в металле магния. Вакуумная обработка металла в ковшах с периклазоуглеродистой рабочей футеровкой, покрытой шлаковым гарнисажем, решает задачу исключения высоких концентраций магния в металле.

Модифицирование металла кальцием после вакуумной обработки в количестве до 4-8 ppm, решает задачу ограничения образования сульфида кальция на подложке оксидных включений с возможностью их коагуляции и укрупнения в процессе кристаллизации. Получаемые при этом неметаллические включения по размеру значительно меньше традиционных включений. Достигаемое измельчение оксидных включений значительно повышает разливаемость стали на МНЛЗ. Модифицирование металла кальцием после вакуумной обработки менее 4 ppm приводит к затягиванию металлопроводки промежуточного ковша.

Физико-химический анализ процессов формирования коррозионно-активных неметаллических включений, в условиях предлагаемой технологии, позволяет считать, что выделение включений происходит на стадии кристаллизации металла в области двухфазного состояния. Использование электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе с силой тока 120-200 А и частотой 2,0-4,0 Гц в зависимости от диаметра непрерывно-литой заготовки, при разливке на МНЛЗ, позволяет сократить протяженность зоны двухфазного состояния и обеспечить частичное удаление образующихся неметаллических включений за счет вымывания их генерируемыми потоками металла.

Заявляемый способ был реализован при выплавке коррозионностойкой марки стали 20КТ с регламентируемым ТУ 14-3Р-91-2004 уровнем коррозионно-активных неметаллических включений более чем на 500 плавках.

Выплавка полупродукта производилась в ДСП-135. Окисленность полупродукта перед выпуском плавки из ДСП 500-800 ppm, температура 1640-1660°C. При выпуске полупродукта из ДСП производилось предварительное раскисление металла, путем отдачи гранулированного алюминия, в среднем 1,6 кг/т; наведение рафинировочного шлака путем отдачи в ковш шлаковой смеси, состоящей из алюмосодержащего материала и извести в соотношении (1:3) - 6,2 кг/т; отдача углеродсодержащих материалов и ферросплавов, с целью обеспечения содержания основных элементов на нижнем пределе марочного состава. Количество задаваемого гранулированного алюминия корректировалось в зависимости от окисленности металла, для обеспечения содержания алюминия в первой пробе на установке печь-ковш в пределах 0,010-0,020%. По приходу ковша на установку печь-ковш после усреднительной продувки отбиралась проба металла и шлака на хим. анализ, производился замер температуры и обязательный замер окисленности металла (окисленность металла не более 5 ppm). После получения результатов первой пробы хим. анализа, при необходимости, производилась однократная присадка алюминиевой катанки в количестве, обеспечивающем содержание алюминия перед вакуумной обработкой на нижнем пределе марочного состава. При внепечной обработке, с продувкой металла аргоном, наводился высокоосновный известково-глиноземистый шлак путем присадок извести и алюмосодержащего материала в соотношении 1:3. Количество отдаваемых шлакообразующих материалов обеспечивало наведение жидкоподвижного шлака, содержание Al₂O₃ во второй пробе шлака - 20-22%, основность 3,5-5,0. После наведения рафинировочного шлака производилось его раскисление алюминиевым концентратом, содержание (FeO+MnO) во втором шлаке не более 1%. После формирования шлака допускалось увеличить интенсивность продувки металла аргоном без дугового нагрева с целью увеличения скорости десульфурации металла. Отдача ферросплавов на корректировку химического состава производилась при температуре металла не ниже 1600°C порциями не более 150 кг. Во время дугового нагрева металла обеспечивался перегрев металла над температурой ликвидус более 120°C. Внепечная обработка металла на установке печь-ковш обеспечивала содержание серы в металле перед вакуумной обработкой не более 0,003%, алюминия - не более 0,01%. По окончании обработки металла на установке печь-ковш производилось частичное скачивание шлака, остаточная толщина шлакового слоя перед вакуумной обработкой - не более 50 мм. Время выдержки металла под глубоким вакуумом не менее 10 минут. При достижении разряжения менее 1 мбар, расход аргона максимально увеличивался. По окончании вакуумной обработки металла производилось модифицирование металла кальцийсодержащей проволокой. Количество задаваемой кальцийсодержащей проволоки обеспечивало содержание кальция перед непрерывной разливкой в пределах 4-8 ppm. После модифицирования металла производилась обязательная «мягкая» продувка металла с пониженным расходом аргона в течение 3-5 минут. Разливка металла производилась на 5-ручьевой МНЛЗ криволинейного типа в условиях электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе с величиной тока 140 А и частотой 3,5 Гц при производстве НЛЗ ⌀ 300-400 мм и 180 А и 2,5 Гц при производстве НЛЗ ⌀ 150-200 мм.

В приложении, в таблицах №1, №2 и №3 представлены результаты разлитого металла стали 20КТ, прошедшего внепечную обработку по различным технологическим вариантам, отличающиеся уровнем загрязненности металла коррозионно-активными неметаллическими включениями.

Из представленных данных видно, что:

1. Производство НЛЗ согласно ТИ 162-СТ.М.-15-2007 сопровождается повышенным уровнем загрязненности металла коррозионно-активными неметаллическими включениями - более 2 шт/мм (таблица 1).

2. Производство НЛЗ по технологии согласно формулы заявляемого изобретения обеспечивает существенно низкий уровень загрязненности металла коррозионно-активными неметаллическими включениями с выходом годного не менее 98% (таблица 2).

3. Производство НЛЗ по технологии, отличающейся от заявляемого в п.1, 2, 3 формулы изобретения, т.е. при содержании серы перед модифицированием более 0,003%, либо кальция более 8 ppm или при перегреве металла над температурой ликвидус менее 120°C, либо продувки металла аргоном менее 20 минут в условиях вакуума, отсутствием электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе, приводит к загрязненности металла коррозионно-активными неметаллическими включениями с выходом годного не более 68% (таблица 3).

Предлагаемый способ позволяет обеспечить требуемую чистоту металла по коррозионно-активным неметаллическим включениям, а также повысить стойкость труб при эксплуатации в агрессивных средах.

Приложение