Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО НИЗКОЛЕГИРОВАННОГО ПРОКАТА

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству листового проката на реверсивном толстолистовом стане, и может быть использовано при изготовлении толстых листов и штрипсов из низколегированных сталей с применением контролируемой прокатки.

Известен способ производства толстых стальных листов, включающий нагрев сляба до температуры 1200±20°С и его черновую прокатку до толщины промежуточного раската 70 мм с температурой конца деформации 900°С. Затем предусмотрена транспортировка раската в зону охлаждения вне линии прокатки и его охлаждение на воздухе до температуры ниже 800°С. После охлаждения раската проводят его чистовую прокатку до конечной толщины с температурой конца деформации 730°С и охлаждают полученный лист до температуры окружающей среды [1].

Однако толстый лист, полученный согласно известному способу, характеризуется сравнительно низким уровнем механических свойств, в особенности ударной вязкости при отрицательных температурах. Это связано с низкой скоростью охлаждения в естественных условиях полученного листа от температуры конца прокатки до температуры окружающей среды. Кроме того, фиксированная и сравнительно небольшая толщина промежуточного раската не всегда обеспечивает степень деформации при чистовой прокатке, достаточную для получения требуемого уровня механических свойств.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства хладостойкого листового проката, включающий получение заготовки из стали, содержащей, мас.%: C=0,04-0,l; Si=0,15-0,35; Мn=0,60-0,90; Ni=0,10-0,40; Al=0,02-0,06; Nb=0,02-0,06; V=0,03-0,05; остальное - железо и примеси. Способ предусматривает нагрев заготовки до температуры 1100-1150°С, предварительную деформацию (черновую прокатку) с суммарным обжатием 35-60% при температуре 900-800°С, последующее охлаждение промежуточной заготовки (подстуживание) на 50-70°С, окончательную деформацию (чистовую прокатку) с суммарной степенью обжатия 65-75% при температуре 830-750°С, ускоренное охлаждение листового проката до температуры 500-260°С и замедленное охлаждение до температуры не выше 150°С [2].

К недостаткам данного способа можно отнести то, что получаемый при его использовании толстый лист из низколегированной стали обладает недостаточно высокими прочностными свойствами. Значения предела прочности и предела текучести, заявленные для данного способа, составляют σ_т=300-320 МПа, σ_в=400-455 МПа, при относительном удлинении δ₅=29-34% и ударной вязкости KCV_-40=200-250 Дж/см². В то же время нормативные требования для штрипса категории прочности К60 достигают σ_т>460 МПа, σ_в>590 МПа, KCV_-40≥78,5 Дж/см². При этом установлена допустимая величина относительного удлинения δ₅≥20% [3].

Технический результат изобретения состоит в повышении прочностных свойств штрипса толщиной 23-40 мм до уровня К60, при сохранении достаточной пластичности и хладостойкости.

Технический результат достигается тем, что в способе производства низколегированного проката для изготовления прямошовных магистральных труб, включающем получение непрерывнолитой заготовки, ее нагрев, черновую прокатку, последующее охлаждение промежуточной заготовки, чистовую прокатку, ускоренное охлаждение готового проката до заданной температуры и его последующее замедленное охлаждение, согласно изобретению непрерывнолитую заготовку получают из стали со следующим соотношением элементов: 0,04-0,10% углерод, 0,15-0,40% кремний, 1,4-1,75% марганец, 0,31-0,60% никель, 0,05-0,22% молибден, 0,065-0,10% ниобий, 0,025-0,06% ванадий, не более 0,25% хром, не более 0,3% медь, не более 0,08% алюминий, не более 0,05% титан, железо и примеси, с содержанием каждого элемента примеси менее 0,03% - остальное, при этом суммарное содержание Nb+Ti+V≤0,18%, суммарное содержание Cr+Ni+Cu≤l,0%, а углеродный эквивалент составляет С_экв≤0,43, нагрев непрерывнолитой заготовки производят при температуре выше 1150°С в течение не менее 7,5 часов, черновую прокатку осуществляют с величиной относительного обжатия за проход не менее 8%, за исключением последнего прохода, на толщину промежуточной заготовки, равную 115-165 мм при толщине готового проката, меньше или равной 33 мм, и на толщину промежуточной заготовки, равную 166-195 мм при толщине готового проката более 33 мм, охлаждение промежуточной заготовки после черновой прокатки производят до температуры 730-765°С, а последующую чистовую прокатку осуществляют сначала в поперечном, а затем в продольном направлении с температурой конца прокатки 720-760°С, при этом температуру конца ускоренного охлаждения готового проката устанавливают не ниже 540°С.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Сначала получают непрерывнолитую заготовку из стали с заданным химическим составом. В целом приведенное содержание элементов обеспечивает необходимый фазовый состав и величину углеродного эквивалента, а также механические свойства штрипса при реализации предлагаемых технологических режимов.

Содержание углерода в низколегированной стали предложенного состава определяет ее прочность. Снижение содержания углерода менее 0,04% приводит к падению ее прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,10% сопровождается ухудшением пластических и вязкостных свойств штрипса, приводит к их неравномерности из-за ликвации.

При содержании кремния в рассматриваемой стали менее 0,15% ухудшается раскисленность металла, снижается прочность штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,40% приводит к возрастанию количества силикатных включений и негативно отражается на ударной вязкости металла.

В низколегированной штрипсовой стали добавки марганца способствуют твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Содержания марганца менее 1,4% недостаточно, чтобы обеспечить получение требуемого комплекса механических свойств, а превышение значения 1,75% приводит к необоснованному расходу дорогостоящих легирующих компонентов.

Никель в количестве 0,31-0,60% способствует твердорастворному упрочнению металла и, соответственно, повышению хладостойкости, прочности и коррозионной стойкости готового проката. При концентрации менее 0,31% он не оказывает существенного влияния на качество металла для данной легирующей композиции. В то же время при увеличении содержания никеля свыше 0,60% не наблюдается дальнейшего повышения указанных свойств, но заметен рост расходов на легирование.

Наличие хрома положительно сказывается на прочности и коррозионной стойкости металла и расширяет возможности использования металлического лома при выплавке, что способствует снижению себестоимости производства штрипсов. Однако содержание хрома более 0,25% негативно сказывается на свариваемости сталей.

Содержание молибдена 0,05-0,22% обеспечивает получение требуемых прочностных характеристик, способствует повышению коррозионной стойкости штрипсов. Однако выход за верхнюю границу указанного диапазона не сопровождается дальнейшим повышением качества штрипсов, а лишь увеличивает расходы на легирование, что нецелесообразно. При концентрации менее 0,05% не обеспечиваются прочностные свойства.

Медь способствует повышению прочностных свойств штрипса. Но если содержание этого элемента для данной композиции превышает 0,3%, то возможно снижение ударной вязкости стали при отрицательных температурах.

Алюминий является необходимым раскисляющим и модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает азот в нитриды. Однако увеличение содержания алюминия более 0,08% может приводить к графитизации стали, потере прочности и ухудшению свариваемости.

Введение в состав стали ниобия, ванадия и титана способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры металла при ускоренном охлаждении прокатанных штрипсов, обеспечивающей сочетание высоких прочностных и пластических свойств металла. Совместное легирование ниобием и ванадием в принятых пределах особенно эффективно для малоуглеродистой стали, т.к. температура растворения NbC на 50-70°С выше, чем VC, и в результате дисперсные карбиды VC выделяются при охлаждении, a NbC тормозит рост зерна аустенита при нагреве. Кроме того, такое совместное легирование повышает горячую пластичность (деформируемость) литых заготовок при прокатке. Однако общее количество ниобия, ванадия и титана в стали ограничено из-за того, что превышение их суммарного содержания более 0,18% может сопровождаться снижением ударной вязкости стали.

Ниобий применяют не только для дисперсионного упрочнения стали, но и для эффективного повышения ее прочности и вязкости за счет измельчения зерен. Снижение содержания ниобия ниже 0,065% не обеспечивает достаточного дисперсионного и зернограничного упрочнения. В то же время превышение уровня 0,10% ухудшает свариваемость стали и экономически не целесообразно ввиду повышения расходов на легирование.

Ванадий в меньшей степени, чем ниобий, способствует измельчению зерна. Тормозящее воздействие ванадия на процесс рекристаллизации наблюдается лишь при низких температурах. Снижение содержания ванадия ниже 0,025% не обеспечивает достаточного дисперсионного и зернограничного упрочнения. В то же время превышение заданного верхнего уровня 0,06% сопровождается ухудшением свариваемости стали.

Титан является одной из наиболее эффективных микролегирующих добавок в штрипсовых сталях, так как он способствует дисперсионному твердению, измельчению зерна и модифицированию сульфидных включений. Мелкодисперсные карбиды титана, выделившиеся в процессе горячей прокатки и охлаждения полос водой, обладают высокой устойчивостью к перегреву. Повышение содержания титана свыше 0,05% сопровождается снижением вязкостных свойств металла, что недопустимо для сталей данного сортамента.

В то же время суммарное содержание хрома, никеля и меди не должно превышать 1,0%, т.к. это негативно сказывается на свариваемости сталей. В то же время при увеличении суммарной концентрации этих элементов свыше указанного значения не наблюдается дальнейшего повышения механических свойств, но заметен рост расходов на легирование.

Для предложенного химического состава при величине углеродного эквивалента С_экв более 0,43% возможно холодное растрескивание металла в процессе сварки труб из полученного штрипса. Углеродный эквивалент рассчитывают по формуле C_экв=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, мас.%.

Для выполнения поставленной задачи повышения прочностных свойств штрипса до уровня К60, при сохранении пластичности и увеличении хладостойкости, необходимо получение равномерной и мелкодисперсной структуры готового проката.

Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем.

При нагреве непрерывнолитой заготовки до температуры выше 1150°С и ее выдержке при данной температуре не менее 7,5 часов происходит аустенизация низколегированной стали рассматриваемого химического состава, растворение дисперсных карбонитридных упрочняющих частиц.

Экспериментально установлено, что при нагреве непрерывнолитой заготовки до температуры ниже 1150°С не достигается гомогенизация аустенитной структуры, что препятствует получению требуемого уровня свойств готового проката. При продолжительности нагрева менее 7,5 часов непрерывнолитая заготовка не успевает равномерно прогреться, что приводит к существенной неравномерности деформации при прокатке и появлению поверхностных дефектов на готовом изделии.

Последующая реверсивная черновая прокатка в высокотемпературной области позволяет получать равномерную деформацию по всему сечению непрерывнолитой заготовки и способствует максимальной проработке ее структуры. Она обеспечивает получение мелкозернистой однородной структуры путем измельчения зерна аустенита при статической и динамической рекристаллизации, а также деформации. Черновую прокатку производят на толщину, составляющую 115-165 мм для толщины штрипса, меньше или равной 33 мм, и составляющую 166-195 мм для толщины штрипса больше 33 мм.

Из опыта установлено, что при чистовой прокатке штрипса толщиной, меньше или равной 33 мм, не удается обеспечить деформацию, достаточную для проработки структуры металла и получения мелкого зерна в готовом изделии, если толщина промежуточной заготовки составляет менее 115 мм. В то же время при толщине промежуточной заготовки более 165 мм заготовка слишком массивна и операция промежуточного подстуживания занимает слишком много времени. Иначе говоря, промежуточная заготовка остывает до заданной температуры чистовой прокатки слишком долго, что неоправданно замедляет процесс подстуживания и приводит к снижению производительности прокатки. Аналогичные явления происходят при прокатке штрипса толщиной более 33 мм. В этом случае при толщине промежуточной заготовки менее 166 мм степень деформации на стадии чистовой прокатки недостаточна для получения требуемого уровня механических свойств, а при толщине более 195 мм подстуживание слишком затягивается по времени.

Величину относительного обжатия заготовки за проход при черновой прокатке устанавливают не менее 8%, кроме последнего прохода. Относительно большая величина обжатий способствует равномерному измельчению зерна металла по всей толщине заготовки. При относительных обжатиях за проход в процессе черновой прокатки менее 8% деформация сосредотачивается в поверхностных слоях непрерывнолитой заготовки. Соответственно, в осевой зоне заготовки может сохраниться ликвационная полоса, что приведет к появлению брака по механическим свойствам. В последнем проходе обжатие должно обеспечивать получение заданной толщины промежуточной заготовки, необходимой для эффективного подстуживания, поэтому его величина не регламентируется и определяется непосредственно при прокатке в каждом конкретном случае.

Охлаждение на воздухе (подстуживание) промежуточной заготовки после черновой прокатки необходимо, чтобы избежать деформации в неблагоприятном температурном диапазоне.

Экспериментально определено, что для данного штрипса при охлаждении промежуточной заготовки в ходе подстуживания до температуры выше 765°С не всегда достигается требуемая степень измельчения микроструктуры в процессе чистовой прокатки. Это приводит к снижению комплекса механических свойств толстого листа. В то же время после подстуживания заготовки до температуры менее 730°С чистовая прокатка сопровождается уменьшением доли волокнистой составляющей в изломе и ухудшением хладостойкости толстых листов.

Разбивку ширины завершают на стадии чистовой прокатки и переходят к продольной схеме. Использование поперечной прокатки для разбивки ширины на чистовой стадии необходимо для получения анизотропии зерен в поперечном направлении, достаточной для обеспечения требуемого уровня механических свойств. Это способствует выравниванию уровня механических свойств в продольном и поперечном направлении в готовом штрипсе. Далее производят продольную чистовую прокатку с целью получения заданных размеров штрипса.

Упрочнение толстолистовой стали в процессе чистовой реверсивной прокатки в области затрудненной рекристаллизации аустенита характеризуется тем, что в первых проходах наиболее интенсивно упрочняются поверхностные слои промежуточной заготовки, в которых деформация максимальна. По мере упрочнения поверхностных слоев деформация начинает проникать вглубь и охватывает всю толщину раската. Наиболее глубоко пластическая деформация проникает в раскат, когда прокатку начинают в температурном интервале от 730-765°С, поэтому охлаждение на воздухе (подстуживание) промежуточной заготовки с толщиной, указанной ранее, производят именно до этой температуры.

Кроме того, начало прокатки в заданном интервале температур позволяет сохранить высокую растворимость легирующих элементов в твердом растворе и приводит к твердорастворному упрочнению материала проката. Контролируемая чистовая прокатка в двухфазной области к процессам дисперсионного упрочнения и измельчения зерен добавляет развитие текстуры и образование субзерен, которые помимо увеличения прочности повышают сопротивление хрупкому разрушению и усталости.

Чистовую прокатку заканчивают при температуре 720-760°С. Это позволяет начинать ускоренное охлаждение полученного штрипса после чистовой прокатки после его выхода из клети стана при сравнительно высокой температуре и приводит к повышению дисперсности структурных составляющих стали.

Экспериментально определено, что окончание чистовой прокатки при температуре ниже 720°С может сопровождаться появлением рекристаллизованных зерен феррита, что приводит к конечной разнозернистости и понижению вязко-пластических свойств готового штрипса. Однако, если эта температура превышает 760°С, то прочностные характеристики металла опускаются ниже допустимых пределов.

Ускоренное охлаждение листа завершают при температуре не ниже 540°С. Это позволяет обеспечить формирование требуемого однородного фазового состава металла и получение требуемых механических свойств на высокопрочном штрипсе для магистральных трубопроводов.

Ускоренное охлаждение полученного штрипса до температуры ниже 540°С в результате неблагоприятного характера фазовых превращений может приводить к снижению доли вязкой составляющей при испытаниях ИПГ и, соответственно, к снижению хладостойкости продукции.

Замедленное охлаждение штрипсов способствует снятию внутренних термических напряжений и достигается их штабелированием в стопу для остывания после ускоренного охлаждения.

Как следует из приведенных данных, при реализации предложенного технического решения требуемое качество штрипсового проката для труб большого диаметра достигается за счет выбора наиболее рациональных температурно-деформационных режимов для данного химического состава стали, а также за счет характера распределения поперечных и продольных деформаций заготовки при черновой и чистовой прокатке на толстолистовом реверсивном стане. Технология прокатки направлена на получение оптимального фазового состава и морфологии фаз, измельчение зерен, упрочнение твердого раствора, дисперсионное твердение, и дислокационное упрочнение. Однако в случае выхода варьируемых технологических параметров за установленные для этого способа границы не всегда удается обеспечить соответствие полученных штрипсов заданным требованиям по хладостойкости и категории прочности. Таким образом, полученные данные подтверждают правильность рекомендаций по выбору допустимых значений технологических параметров предложенного способа производства низколегированного штрипса для магистральных труб.

Применение способа поясняется примером его реализации при производстве штрипса размером 37,9×3800×11700 мм, категории прочности К60. Производят выплавку заготовок, содержащих: С=0,06%; Si=0,2%; Mn=l,6%; Ni=0,45%; Nb=0,07%; Cr=0,15%; Мо=0,08%; Cu=0,09%; Ti=0,01%; V=0,04%; Аl=0,03%; железо и примеси, с содержанием каждого элемента примеси менее 0,03% - остальное. С_экв=0,417%, т.е. соответствует заявленному диапазону. Суммарное содержание Nb+Ti+V=0,12%, а суммарное содержание Cr+Ni+Cu=0,69%, что соответствует заявленным признакам. Следует также отметить, что выплавленная сталь предложенного состава содержит в виде примесей не более 0,015% фосфора, не более 0,003% серы и не более 0,01% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипсов, тогда как их удаление из расплава существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс.

Осуществляют нагрев непрерывнолитых заготовок указанного химического состава размером 315×1850×2900 мм до температуры 1190°С в течение 7,5 часов. После выдачи из печи производят черновую прокатку заготовки, при этом первые проходы производят по продольной схеме (протяжка), а последние - поперечной (разбивка ширины). Черновую прокатку заготовки осуществляют на толщину 175 мм. Относительные обжатия за проход на стадии черновой прокатки составляют 9-12% а в последнем проходе при разбивке ширины - 2%, чтобы получить требуемые размеры промежуточной заготовки.

Затем производят подстуживание промежуточной заготовки толщиной 175 мм до температуры 750°С на рольганге стана за счет ее естественного охлаждения на воздухе.

После достижения указанной температуры промежуточной заготовки приступают к ее чистовой прокатке, в ходе которой завершают разбивку ширины и переходят к продольной схеме деформации. Заканчивают чистовую прокатку при температуре 730°С. После чистовой прокатки полученный штрипс подвергают ускоренному водяному охлаждению в специальной установке. Ускоренное охлаждение полученного штрипса начинают после выхода штрипса из клети стана и заканчивают при температуре 600°С. Последующее замедленное охлаждение металла осуществляют путем выдержки на воздухе штабелированной стопы горячекатаных штрипсов.

Механические свойства штрипса определяли на поперечных образцах. Испытания на статическое растяжение осуществляли на плоских пропорциональных полнотолщинных образцах по ГОСТ 1497, а на ударную вязкость на образцах с V-образным надрезом по ГОСТ 9454. Получены следующие механические свойства для поперечных образцов: временное сопротивление σ_в=650-670 Н/мм²; предел текучести σ_т=570-590 Н/мм²; относительное удлинение δ₅=22-23%; ударная вязкость KCV_-40=200-210 Дж/см². Указанный уровень свойств полностью соответствует требованиям, предъявляемым к штрипсу категории прочности К60.

Таким образом, применение предложенного способа прокатки обеспечивает достижение требуемого результата - получение на толстолистовом реверсивном стане штрипса для труб большого диаметра с уровнем механических свойств, соответствующим категории прочности К60.

Технико-экономические преимущества рассматриваемого изобретения состоят в том, что предложенные температурно-деформационные режимы производства позволяют в наибольшей степени использовать все механизмы упрочнения низколегированной стали данного химического состава: измельчение зерна, дислокационное упрочнение, дисперсионное твердение, анизотропия структуры и свойств. Использование предложенного способа для производства штрипсов категории прочности К60, толщиной 23-40 мм из низколегированной стали позволит повысить выход годного на данном сортаменте на 2-3%.

Литературные источники

1. Заявка №59-61504 (Япония), МПК В21В 1/38; В21В 1/22, 1984.

2. Патент РФ №2265067, МПК С21D 8/02, 2005.

3. Нестеров Г.В. и др. Трубы для строительства нефтепровода «БТС-2» (таблицы 3, 4). Технические требования. Территория НЕФТЕГАЗ, 2007, №10.