Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛОС ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах полос для электросварных прямошовных обсадных труб, предназначенных для обустройства нефтяных и газовых скважин.

Для производства обсадных труб необходимы горячекатаные полосы (штрипсы) толщиной 6-11 мм шириной 1000-1800 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических свойств (табл.1).

Помимо указанных механических свойств, полосы для обсадных труб должны иметь высокую свариваемость.

Известен способ производства стальных листов, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы низколегированной стали, содержащей по массе, %:

Отлитые слябы нагревают до температуры 1250°С и прокатывают с суммарным обжатием не менее 75%. Прокатанные листы подвергают закалке из аустенитной области и высокотемпературному отпуску [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что полосы из этой стали имеют низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах, неудовлетворительную свариваемость. Это делает невозможным их применение для изготовления обсадных труб. Кроме того, необходимость проведения термического улучшения (закалки и отпуска) полос после прокатки усложняет и удорожает производство.

Известен также способ производства листовой низколегированной стали, включающий отливку слябов следующего химического состава, мас.%:

Слябы нагревают до температуры 950-1050°С и прокатывают при температуре выше точки А_r3 с суммарным обжатием 50-70%. Прокатанные листы охлаждают на воздухе [2].

При таком способе производства листы имеют недостаточную прочность и пластичность, не удовлетворяют требованиям по вязкости при отрицательных температурах, имеют недостаточную свариваемость и непригодны для изготовления обсадных труб.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства полос из низколегированной стали марки 17Г1С (по ГОСТ 19281) следующего химического состава, мас.%:

Слябы из низколегированной стали 17Г1С нагревают до температуры 1250°С, подвергают черновой прокатке на непрерывном широкополосном стане в полосы промежуточной толщины 20-40 мм, чистовой прокатке до конечной толщины в регламентированном температурном диапазоне от 980-1000°С до 830-880°С, после чего полосы охлаждают водой до температуры смотки 620-700°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что полосы имеют низкие механические свойства при отрицательных температурах, что снижает их качество и выход годного. Для повышения механических свойств полос требуется дополнительная термическая обработка. Кроме того, полосы характеризуются недостаточной свариваемостью: при испытаниях образцов на разрыв их разрушение происходит по сварному шву.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении механических свойств, выхода годного и исключении необходимости проведения дополнительной термической обработки полос.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства полос из низколегированной стали для изготовления прямошовных обсадных труб, включающем нагрев слябов, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку в регламентированном температурном диапазоне, охлаждение водой до температуры смотки, согласно предложению чистовую прокатку проводят в диапазоне от температуры не выше 970°С до температуры 820-880°С, полосы прокатывают из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:

при этом должно удовлетворяться следующее соотношение: Nb+V+Ti≤0,15, где Nb, V и Ti - содержание в стали ниобия, ванадия и титана соответственно, а температуру смотки определяют в зависимости от толщины полосы:

Т_см=500-580°С для полосы толщиной более 10,0 мм;

T_см=520-590°С для полосы толщиной от 9,1 до 10,0 мм;

Т_см=530-600°С для полосы толщиной от 6,0 до 9,0 мм.

Сущность изобретения состоит в следующем. Нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава перед прокаткой обеспечивает ее аустенитизацию, полное растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, нитридов, легирующих и примесных соединений, карбонитридных упрочняющих частиц. Благодаря этому повышается технологическая пластичность и деформируемость слябов при черновой прокатке до промежуточной толщины.

Последующая чистовая контролируемая прокатка полосы в регламентированном температурном диапазоне от температуры не выше 970°С до температуры конца прокатки T_кп=820-880°С обеспечивает необходимую степень измельчения аустенитных зерен за счет торможения их рекристаллазации и интенсификации α→γ превращения. Также благодаря эффекту торможения рекристаллизации в низколегированной стали предложенного состава достигается наиболее полное выпадение из твердого раствора карбонитридных упрочняющих частиц. В результате микроструктура полосы после многоцикловой деформации при чистовой прокатке представляет из себя ферритно-перлитную смесь с равномерными зернами 11-го балла, и механические свойства полосы в горячекатаном состоянии полностью соответствуют предъявляемым требованиям (табл.1) без дополнительной термической обработки. Обсадные трубы из таких полос хорошо противостоят сейсмическим смещениям участков грунта при отрицательных температурах без разрушения. Помимо этого, благодаря ограничению концентрации в стали суммарного содержания ниобия, ванадия и титана, низколегированная сталь, имея заданную прочность и вязкость при отрицательных температурах, характеризуется высокой свариваемостью: при испытании на разрыв разрушение образцов происходит не по сварному шву, а по основному металлу.

При душировании поверхности прокатанных полос водой их охлаждение неравномерно по толщине, причем с увеличением толщины полосы эта неравномерность увеличивается, что отрицательно сказывается на механических свойствах. Поэтому снижение температуры окончания охлаждения полосы водой по мере увеличения ее толщины обеспечивает повышение и выравнивание механических свойств полос различных толщин, что повышает их качество и увеличивает выход годного.

Экспериментально установлено, что при температуре начала чистовой прокатки выше 790°С в стали данного состава интенсивно протекает укрупнение аустенитных зерен за счет их рекристаллизации после каждого прохода. Это, в свою очередь, приводит к формированию крупнозернистой ферритно-перлитной микроструктуры в результате α→γ превращения, что снижает вязкостные свойства горячекатаных полос.

При температуре конца прокатки Т_кп выше 880°С не достигается требуемая степень упрочнения полосы и измельчение микроструктуры до оптимального уровня. Снижение температуры Т_кп ниже 820°С приводит к чрезмерному измельчению микроструктуры, ее наклепу, снижению пластических свойств горячекатаной полосы. Горячекатаные полосы с такой микроструктурой и свойствами требуют проведения улучшающей термической обработки.

Повышение температуры смотки Т_см выше 580°С для полос толщиной более 10,0 мм, выше 590°С для полос толщиной от 9,1 до 10,0 мм и выше 600°С для полос толщиной от 6,0 до 9,0 мм способствует формированию разнобалльности микроструктуры, снижению прочностных свойств ниже допустимых значений, формированию нестабильной микроструктуры и свойств в полосах различной толщины. Уменьшение Т_см ниже 500°С для полос толщиной более 10,0 мм, ниже 520°С для полос толщиной от 9,1 до 10,0 мм и ниже 530°С для полос толщиной от 6,0 до 9,0 мм ухудшает пластичность полос, вызывает ее нестабильность у полос различных толщин, что снижает выход годного.

Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет прочностные свойства горячекатаных полос. Снижение содержания углерода менее 0,16% приводит к падению их прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,22% ухудшает вязкостные свойства полос и их свариваемость.

При содержании кремния менее 0,1% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства полос. Увеличение содержания кремния более 0,3% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость штрипсов, ухудшает показатель KCU^-40 и свариваемость стали.

Снижение содержания марганца менее 1,0% увеличивает окисленность стали, ухудшает свариваемость полос. Повышение содержания марганца более 1,4% увеличивает предел текучести σ_т и снижает пластичность, что, в свою очередь, ведет к снижению выхода годного.

Хром повышает прочность стали за счет образования карбидов. При содержании хрома менее 0,10% прочность стали в горячекатаном состоянии недостаточна. Увеличение содержания хрома более 0,30% приводит к снижению пластических и вязкостных свойств, ухудшению качества горячекатаных полос.

Ванадий и ниобий, как каждый в отдельности, так и совместно, измельчают зерно микроструктуры, повышают прочность и вязкость полос, прокатанных по предложенным режимам. При содержании ванадия менее 0,07% или ниобия менее 0,01% полосы имеют недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания ванадия более 0,12% или ниобия сверх 0,04% оказалось нецелесообразным, так как не улучшало свойств полос, а лишь увеличивало затраты на легирующие.

Титан очищает металлическую матрицу от атомов внедрения. Карбидные и нитридные частицы типа TiC_1,0 и TiN упрочняют сталь, не снижая ее пластических свойств. При содержании титана менее 0,01% его влияние проявляется слабо. Увеличение содержания титана более 0,025% снижает вязкостные свойства стали в горячекатаном состоянии и выход годного.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая избыточный примесный азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства листов. При содержании алюминия менее 0,02% снижается комплекс механических свойств штрипсов. Увеличение его концентрации более 0,05% приводит к ухудшению вязкостных свойств листов.

Никель и медь являются примесными элементами. При концентрации никеля не более 0,3% и меди не более 0,1% они не оказывают вредного влияния на свариваемость штрипсов при производстве обсадных труб, но расширяют возможности использования металлического лома при выплавке, что удешевляет производство. При концентрации никеля более 0,3% или меди более 0,1% ухудшаются вязкостные, пластические свойства и свариваемость листов.

Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,008% серы, не более 0,015% фосфора. При указанных предельных концентрациях эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на качество штрипсов, тогда как их удаление из расплава стали существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс. Увеличение концентрации этих вредных примесей более предложенных значений ухудшает весь комплекс механических свойств штрипсов.

Свариваемость горячекатаной полосы из стали предложенного состава токами высокой частоты зависит от степени ее легированности и при Nb+V+Ti≤0,15 остается высокой. В противном случае, т.е. при Nb+V+Ti>0,15, не исключаются непровары в продольном шве обсадной трубы. Это приводит к снижению выхода годного.

Пример реализации способа

В конвертерном производстве производят выплавку и разливку низколегированных сталей различного состава (табл.2).

Слябы толщиной 250 мм загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации 1150°С. Разогретые слябы выдают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и подвергают прокатке в черновой группе клетей (черновая прокатка) до промежуточной толщины 40 мм. Затем раскат при температуре Т_нп=960°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины 9,5 мм. Регламентированную температуру конца прокатки Т_кп=850°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанную полосу выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки. Поскольку полоса имеет толщину 9,5 мм, попадающую в интервал толщин 9,1-10,0 мм, температуру смотки поддерживают равной T_см=555°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.

Варианты прокатки штрипсов по различным режимам из сталей различного состава приведены в табл.3.

Из табл.3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №3-5, №8-10 и №13-15) достигается повышение механических свойств и выхода годных горячекатаных полос без дополнительной термической обработки. Кроме того, полосы характеризуются удовлетворительной свариваемостью.

В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1, 2, 6, 7, 11, 12 и 16-17) механические свойства полос ухудшаются, что сопровождается снижением выхода годного. Также более низкие свойства при нулевом выходе годного имеют полосы, произведенные согласно способу-прототипу (вариант №18). Все горячекатаные полосы из низколегированной стали с низкими механическими свойствами требуют дополнительной термической обработки.

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава, последующая их горячая черновая и контролируемая чистовая прокатка в температурном интервале от температуры не выше 790°С до 820-880°С и охлаждение водой до температуры смотки, определяемой в зависимости от толщины полосы, обеспечивают формирование оптимальной мелкозернистой ферритно-перлитной микроструктуры стали. За счет этого достигается повышение механических свойств и выхода годного при удовлетворительной свариваемости полос. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства полос для обсадных труб на 20-35%.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения

1. Заявка Японии №61-163210, МПК С21D 8/00, 1986 г.

2. Заявка Японии №61-223125, МПК С21D 8/02, С22С 38/54, 1986 г.

3. Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М., Металлургия, 1989 г., с.262-268 - прототип.