Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО ШТРИПСА ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к технологии прокатки высокопрочного штрипса для магистральных труб из низколегированной стали на реверсивном толстолистовом стане.

Известен способ производства хладостойкого листового проката, включающий аустенизацию непрерывнолитой заготовки, черновую прокатку этой заготовки на реверсивном толстолистовом стане до получения заданной толщины и ширины промежуточной заготовки, подстуживание полученной промежуточной заготовки естественным образом на воздухе, чистовую прокатку на реверсивном толстолистовом стане до получения заданной толщины готового штрипса, а также регламентированное ускоренное охлаждение готового штрипса за счет подачи воды на лицевые поверхности и его последующее замедленное охлаждение, которое производят на воздухе после штабелирования полученных штрипсов в стопу [1].

При реализации этого способа используют непрерывнолитую заготовку, характеризующуюся крупнозернистой структурой с наличием осевой ликвационной полосы. Получить мелкозернистую структуру на готовом прокате частично удается за счет оптимизации температурно-скоростного режима деформации заготовки на реверсивном толстолистовом стане. Важную роль играет также подстуживание полученной промежуточной заготовки (подката), осуществляемое во время специальной междеформационной паузы между черновой и чистовой прокаткой, позволяющее избежать деформации металла в неблагоприятном температурном диапазоне.

Однако данная технология не всегда обеспечивает получение требуемых прочностных и пластических свойств готового штрипса, соответствующих современным требованиям к материалу труб большого диаметра для магистральных трубопроводов. Это связано с недостаточной проработкой структуры стали, особенно при прокатке толстого штрипса. В этом случае повышается влияние исходной структуры непрерывнолитой заготовки и наличие ликвационной полосы по ее оси на свойства готового проката. Практика показывает, что чем меньше зерно исходной заготовки и чем менее явно выражена ликвационная полоса, тем выше уровень механических свойств штрипса.

Очевидно, что необходимость расширения производства новых видов штрипса для магистральных труб обуславливает целесообразность создания технических решений, способствующих повышению уровня механических свойств за счет получения мелкодисперсной структуры готового проката. К таким техническим решениям относится способ производства высокопрочного штрипса для магистральных труб из низколегированных сталей, обеспечивающий повышение уровня прочностных свойств рассматриваемого штрипса до категории прочности Х90(K70)-Х100.

Технический результат изобретения - повышение уровня прочностных свойств до категории прочности Х90(К70)-Х100 за счет улучшения исходной структуры непрерывнолитой заготовки.

Технический результат достигается тем, что в способе производства штрипса для магистральных труб из низколегированной стали, включающем аустенизацию непрерывнолитой заготовки, черновую прокатку, подстуживание раската на воздухе перед чистовой прокаткой, чистовую прокатку, ускоренное охлаждение штрипса до заданной температуры и последующее замедленное охлаждение штрипсов в стопе, согласно предложению перед аустенизацией непрерывнолитую заготовку подвергают перекристаллизационному нагреву до температуры выше Ar_з на 20÷60°C, выдержке при указанной температуре в течение 1÷3,5 часов после ее полного прогрева и охлаждению до температуры не выше 100°C со скоростью не более 50°C/час.

Технический результат достигается также тем, что штрипсы прокатывают из низколегированной стали с содержанием углерода не более 0,1% и марганца не более 1,9%, причем перекристаллизационный нагрев с регламентированным охлаждением осуществляют до получения средних размеров аустенитного зерна в непрерывнолитой заготовке не более 200 мкм при одновременном снижении развития ликвационной полосы или ее устранении, а средний размер действительного зерна феррита на штрипсе составляет 3÷6 мкм.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Перед аустенизацией непрерывнолитую заготовку нагревают до температуры, превышающей температуру Ar_з на 20÷60°C. Для получения равновесной структуры металла по всему сечению непрерывнолитой заготовки производят выдержку этой заготовки при указанной температуре в течение 1÷3,5 часов и последующее охлаждение со скоростью не более 50°C/час до температуры не выше 100°C. При этом происходит перекристаллизация крупного зерна. Затем заготовку извлекают из нагревательной печи, складируют в стопу с другими заготовками и выдерживают на воздухе, пока металл не остынет ниже 100°C. При такой предварительной обработке заготовки достигается получение равновесной литой структуры, измельчение исходного зерна аустенита и снижение развитости ликвационной полосы.

Затем производят аустенизацию прошедшей улучшение структуры непрерывнолитой заготовки, черновую прокатку этой заготовки на реверсивном толстолистовом стане до получения заданной толщины и ширины промежуточной заготовки, ее подстуживание естественным образом на воздухе, чистовую прокатку на реверсивном толстолистовом стане до получения заданной толщины готового штрипса, а также регламентированное ускоренное охлаждение полученного штрипса за счет подачи воды на лицевые поверхности и его последующее замедленное охлаждение, которое также производят на воздухе после штабелирования полученных штрипсов в стопу. Полученный штрипс из низколегированной стали характеризуется мелкодисперсной структурой, слаборазвитой ликвационной полосой или ее отсутствием и соответственно более высоким уровнем механических свойств.

Таким образом, применение способа прокатки по п.1 способствует получению требуемого технического результата, предусматривающего повышение уровня прочностных свойств до категории прочности Х90(К70)-Х100 высокопрочного штрипса для труб большого диаметра при прокатке на реверсивном толстолистовом стане за счет улучшения структурных характеристик используемой непрерывнолитой заготовки (измельчения структуры и снижения негативного влияния ликвационной полосы).

Штрипс прокатывают из низколегированной стали с содержанием углерода не более 0,1% и марганца не более 1,9%, причем перекристаллизационную термическую обработку осуществляют до получения средних размеров аустенитного зерна в непрерывнолитой заготовке не более 200 мкм при одновременном снижении развития ликвационной полосы. Такое зерно аустенита в исходной заготовке обеспечивает для данного химического состава максимальный размер аустенитного зерна в деформированном металле не более 50÷60 мкм. При этих условиях средний размер действительного зерна феррита на готовом штрипсе составляет 3÷6 мкм, что обеспечивает высокие прочностные и пластические характеристики металла.

Очевидно, что использование предложенного способа прокатки по п.2 также способствует повышению уровня прочностных свойств до категории прочности Х90(К70)-Х100 высокопрочного штрипса для труб большого диаметра при прокатке на реверсивном толстолистовом стане, поскольку размер зерен феррита, получаемых из непрерывнолитой заготовки с указанным размером зерна аустенита в результате прокатки и ускоренного охлаждения, обеспечивает максимальную долю вязкой составляющей при испытаниях на KV и ИПГ.

Сущность изобретения поясняется примером его реализации при производстве штрипса размером 23,2×3830×12000 мм, категории прочности K70. С целью экспериментального определения оптимальных параметров процесса использовали непрерывнолитые заготовки с размерами 310×1996×2226 мм, содержащие 0,07% углерода, 1,4% марганца, а также кремний, ниобий, молибден, никель, хром, медь, титан, ванадий. Перед началом прокатки производили предварительный перекристаллизационный нагрев указанных заготовок до температуры 930°C, соответствующей Ar₃+40°C. При этом после полного прогрева каждой заготовки производили ее выдержку при указанной температуре в течение 2 часов. Затем заготовки выгружали из печи, штабелировали в стопу и осуществляли охлаждение штабелированных заготовок в естественных условиях со скоростью 30÷35°C 7 час до температуры 50°C. При этом за счет перекристаллизации структуры стали получали более равновесную структуру со средней величиной аустенитного зерна, уменьшенной до 180-200 мкм. Одновременно происходило снижение развития или устранение ликвационной полосы в осевой зоне заготовки. Замедленное охлаждение обеспечивало снятие возможных внутренних напряжений в материале заготовки.

Затем заготовку с облагороженной структурой нагревали до температуры аустенизации 1200°C, при которой происходит растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц, и выдерживали при этой температуре до равномерного прогрева. После выдачи из печи осуществляли прокатку по заданному температурно-деформационному режиму, принятому для данного сортамента штрипса. Черновую прокатку заготовки производили до толщины 150 мм. Полученную промежуточную заготовку подстуживали на рольганге стана до температуры 800°C путем ее естественного охлаждения на воздухе.

Чистовую прокатку заготовки после подстуживания производили на размер готового штрипса 23,2×3830×12000 мм (после резки в меру). После чистовой прокатки полученный штрипс подвергали ускоренному водяному охлаждению в специальной установке. Эта операция направлена на повышение дисперсности структурных составляющих, соответствующих верхней области бейнитного превращения. Последующее замедленное охлаждение металла осуществляли путем выдержки на воздухе штабелированной стопы горячекатаных штрипсов до комнатной температуры. Указанное замедленное охлаждение способствовало снятию внутренних термических напряжений в материале штрипса. В результате был получен штрипс под трубу ⌀1220 мм и длиной 12000 мм со средним размером действительного зерна феррита на готовом прокате 3÷6 мкм.

Механические свойства определяли на поперечных образцах. Температурно-деформационный режим прокатки обеспечил получение мелкозернистой ферритобейнитной структуры с заметной поперечной и продольной анизотропией зерен. Отмечено наличие в структуре 70÷75 об.% глобулярного бейнита реечной морфологии, что позволило получить высокую прочность проката без снижения низкотемпературной вязкости. Испытания на статическое растяжение осуществляли на плоских пропорциональных полнотолщинных образцах по ГОСТ 1497. Получены следующие прочностные свойства для поперечных образцов: временное сопротивление σ_в=750÷780 Н/мм²; предел текучести σ_т=630÷675 Н/мм². Для штрипса категории прочности K70 нормативный уровень этих прочностных свойств составляет: временное сопротивление σ_в =690÷971 Н/мм²; предел текучести σ_т≥590 Н/мм² [2]. Указанный уровень свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к штрипсу категории прочности К70.

Таким образом, применение предложенного способа прокатки обеспечивает достижение требуемого результата - получение на толстолистовом реверсивном стане высокопрочного штрипса для труб большого диаметра за счет улучшения исходной структуры непрерывнолитой заготовки.

Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Экспериментально установлено, что при предварительном нагреве сляба до температуры ниже Ar_з+20°C не достигается перекристаллизация аустенитной структуры со снижением размера зерна, что препятствует получению требуемого уровня свойств готового проката. Увеличение температуры нагрева выше Ar_з+60°C приводит к интенсивному росту зерен аустенита и снижению прочностных свойств толстых листов.

Из опыта установлено, что если после полного прогрева заготовки выдержку при заданной температуре производят в течение менее 1 часа, то перекристаллизация аустенитной структуры на рассматриваемом сортаменте не успеет завершиться. В случае выдержки при заданной температуре более 3,5 часов можно отметить чрезмерный рост аустенитных зерен в металле непрерывнолитой заготовки, сопровождающийся снижением прочностных характеристик готового проката.

В ходе эксперимента варьировали скорость охлаждения заготовок после перекристаллизационного нагрева. Опытным путем установлено, что при скорости охлаждения штабелированных в стопу заготовок свыше 50°C/час сохраняется возможность появления внутренних напряжений в металле, что неблагоприятно сказывается на уровне механических свойств готового штрипса. Подобное явление было отмечено и при охлаждении заготовок до температуры выше 100°C.

Установлено, что если перекристаллизационный нагрев непрерывнолитых заготовок осуществлять до получения аустенитного зерна со средним размером более 200 мкм, то не всегда удается обеспечить требуемый уровень механических свойств готового проката, поскольку размер зерен феррита будет существенно превышать 3÷6 мкм. Однако если размер зерна феррита в готовом прокате превышает 6 мкм, повышается вероятность снижения прочностных свойств металла ниже допустимых значений. Кроме того, в этом случае в непрерывнолитой заготовке сохраняется явновыраженная ликвационная полоса, которая переходит в готовый штрипс и способствует снижению его коррозионной стойкости. В то же время, для штрипса с зерном феррита менее 3 мкм характерно существенное снижение пластических характеристик, что также недопустимо. Соответственно при предварительном нагреве с целью перекристаллизации необходимо получать размер аустенитного зерна в заготовке не более 200 мкм. Это позволяет обеспечить средний размер действительного зерна феррита на готовом прокате в диапазоне 3÷6 мкм.

В ходе эксперимента определено, что выявленные закономерности действуют при использовании низколегированной стали с содержанием углерода не более 0,1% и марганца не более 1,9%. При превышении содержания одного из указанных элементов выше допустимых пределов характер структурообразования при производстве штрипса меняется и не позволяет получать достаточно мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокие прочностные свойства.

Таким образом, полученные данные подтверждают правильность рекомендаций по выбору величины технологических параметров предложенного способа. Реализация данного технического решения позволяет повысить качество высокопрочного штрипса для магистральных труб из низкоуглеродистой стали за счет снижения негативного влияния ликвационной полосы и улучшения исходной структуры непрерывнолитой заготовки, используемой для прокатки на реверсивном стане.

Источники информации

1. Патент РФ №2265067, МПК C21D 8/02, 2005 г.

2. В.В.Рыбин, В.А.Малышевский, Е.И.Хлусова и др. Высокопрочные стали для трубопроводов. Вопросы материаловедения. Научно-технический журнал №3(59). Выпуск к 70-летию ФГУП ЦНИИ КМ «ПРОМЕТЕЙ», 2009 г., стр.128.