Способ термомеханической обработки труб
Изобретение относится к области металлургии, в частности технологии упрочнения труб нефтяного сортамента из углеродистых и микролегированных Nb, V, Mo и Cr сталей непосредственно в процессе горячей деформации. Техническим результатом изобретения является получение требуемых нормативными документами геометрических параметров труб по овальности и прямолинейности при одновременном повышении прочности, пластичности и хладостойкости стали. Для достижения технического результата осуществляют предварительную деформацию трубы, выдержку на воздухе, нагрев под окончательную деформацию до 800-870°С и ускоренное регулируемое охлаждение до температуры 720-760°С, которое производят в процессе многократной горячей деформации в заневоленном состоянии со средней скоростью охлаждения 40-60°С/с в очаге деформации и 20-30°С/с во время междеформационных пауз. 1 табл.
Изобретение направлено на совершенствование технологии упрочнения труб нефтяного сортамента из углеродистых и микролегированных Mb, V, Mo и Сr сталей непосредственно в процессе горячей деформации.
Известен способ термической обработки труб из углеродистых и низколегированных сталей, заключающийся в том, что трубу охлаждают водой по выходу из последней клети стана, при этом охлаждение наружной поверхности начинают с 800-840°С в течение 3-5 с со средней скоростью 30-40°С/с за 6-10 циклов, длительность интенсивного охлаждения в цикле составляет 0,2-0,3 с с паузами между циклами 0,15-0,2 с (патент РФ №2112052, М.кл. С 21 D 9/06, опубл. 27.05.1998 г.).
Недостатком этого способа является то, что он непригоден для упрочнения труб из сталей, микролегированных сильными карбидообразующими элементами, так как после интенсивного охлаждения в конечной структуре стали образуется верхний бейнит. Это приводит к сильному упрочнению, но одновременно резко снижаются пластические характеристики и ударная вязкость.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления труб из микролегированной V и/или Nb стали, по которому трубы после предварительной горячей деформации подвергают охлаждению на воздухе в течение 55-60 с до 735-770°С, нагрев под окончательную деформацию ведут до 800-850°С, а после деформации осуществляют охлаждение водой в течение 1,5-2 с со средней скоростью 20-25°С/с с дальнейшим охлаждением на воздухе (патент РФ №2163643, М.кл. С 21 D 8/10. опубл. 27.02.2001 г.).
Недостатком данного способа является то, что, как показала практика, при изготовлении труб, особенно диаметром более 73 мм, охлаждение водой после окончания деформации сопровождается появлением овальности, концевой кривизны и отклонением от прямолинейности выше допустимых для нарезных труб норм по ГОСТ 633-80, API5CT и АР15Д. На трубах диаметром 89 мм брак по овальности доходит до 100%, а брак по кривизне в зависимости от сортамента составляет 5-25%. Кроме того, при микролегировании молибденом и особенно комплексом Мb+Мо и Nb+Cr резко повышается устойчивость аустенита и в структуре появляются значительные объемы верхнего бейнита, что приводит к охрупчиванию стали.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа термомеханической обработки труб нефтяного сортамента из микролегированных ниобием, ванадием, молибденом и хромом сталей, который одновременно с повышением прочности, пластичности и хладостойкости стали обеспечивает получение требуемых нормативными документами геометрических параметров труб по овальности и прямолинейности.
Поставленная задача решается тем, что в способе термомеханической обработки труб, включающем предварительную деформацию, выдержку на воздухе, нагрев, окончательную деформацию и ускоренное охлаждение, согласно изобретению нагрев под окончательную деформацию ведут до 800-870°С, а ускоренное охлаждение до температуры 720-760°С производят в процессе многократной горячей деформации в заневоленном состоянии со средней скоростью охлаждения в очаге деформации 40-60°С/с, во время междеформационных пауз 20-30°С/с. При таких условиях горячей деформации стан является не только деформирующим, но и охлаждающим устройством, благодаря чему технологические возможности управления структурой и свойствами труб существенно возрастают. Во время многократной конечной деформации трубы охлаждают до температуры 720-760°С в заневоленном с помощью валков редукционного стана состоянии, что исключает овализацию и искривление труб. Скорость охлаждения труб в заданных пределах регулируется интенсивностью охлаждения валков, расходом и давлением воды, направленной на трубу. В очаге деформации трубы охлаждаются контактом с охлаждаемыми валками, потоками воды, которые поступают на ее поверхность после охлаждения валков, и потоками воды из установленных в клетях спрейеров, а во время междеформационных пауз трубы охлаждаются только водой.
Перед окончательной деформацией с ускоренным охлаждением трубы нагревают до температуры 800-870°С. Повышение верхней границы температурного интервала, по сравнению с прототипом, вызвано расширением состава используемых сталей. При таком нагреве под окончательную деформацию выделившиеся при предварительной деформации и во время последующей выдержки стабильные частицы карбидов и карбонитридов Mb не растворяются и тормозят рост зерен аустенита.
В результате ускоренного охлаждения многократная горячая деформация происходит при понижающихся на каждом последующем этапе температурах и температура конца деформации составляет 720-760°С. Деформация инициирует тенденцию Nb образовывать выделения уже в аустенитной области, поэтому его роль в процессе структурообразования ограничивается измельчением зерна. Находящиеся в твердом растворе микродобавки V, Мо и Сr понижают скорость диффузионного перераспределения углерода, снижают температуру YYY-AAA превращения, поэтому несмотря на измельчение зерна, снижающего устойчивость аустенита, доэвтектоидный феррит при деформации не образуется.
Охлаждение в процессе деформации до температуры ниже 720°С приводит к возрастанию нагрузок на прокатное оборудование выше допустимых и повышению износа валков. При повышении температуры конца деформации выше 760°С снижается степень измельчения аустенитного зерна, кроме того при последующем охлаждении на воздухе образуется до 20% доэвтектоидного феррита.
Скорость охлаждения 40-60°С/с в очаге деформации и 20-30°С/с во время междеформационных пауз взаимосвязаны между собой и согласуются с технологической скоростью прокатки таким образом, чтобы температура конца деформации труб всего сортамента составляла 720-760°С.
Понижение скорости охлаждения ниже указанных пределов потребует для достижения требуемой температуры конца деформации снижения скорости прокатки, а следовательно и снижения производительности стана. Повышение скорости охлаждения нецелесообразно, так как это при технологической скорости прокатки приведет к снижению температуры конца деформации ниже 720°С.
Предлагаемые параметры ускоренного охлаждения в процессе горячей деформации позволяют наряду с требуемой точностью геометрических параметров получить благоприятный комплекс свойств труб из микролегированной стали, то есть обеспечивается решение поставленной в изобретении задачи.
Предлагаемый способ термомеханической обработки труб осуществляется следующим образом.
Труба-заготовка после предварительной деформации в непрерывном стане и охлаждения на воздухе до 735-770°С нагревают в индукционных установках до 800-870°С. Окончательная деформация в многоклетьевом редукционном стане производится одновременно с ускоренным охлаждением труб в заневоленном состоянии, которое достигается с помощью обжимающих трубу валков. Охлаждение осуществляют контактом с поверхностью охлаждаемых валков, потоками воды, которые попадают на поверхность трубы после охлаждения валков и потоками воды, направленными с помощью спрейеров на трубу. Скорость охлаждения трубы регулируется интенсивностью охлаждения самих валков, давлением и удельным объемом воды, направленной на трубу. Охлаждение труб производится до температуры 720-760°С со средней скоростью в очаге деформации 40-60°С/с, а во время междеформационных пауз 20-30°С/с.
Предлагаемый и известный способ были опробованы в линии стана ТПА-80 Трубопрокатного цеха 3 № OAO “Синарский трубный завод” при изготовлении насосно-компрессорных труб размером 60×5,0 мм; 73×5,5 мм и 89×6,0 мм группы прочности "Е" по ГОСТ 632-80. В клетях редукционного стана, оснащенных системой охлаждения валков были установлены кольцевые спрейера для дополнительного охлаждения труб в процессе горячей деформации. Расход воды на систему охлаждения валков составлял 30-60 м3/час и 30-60 м3/час на спрейера. Расход воды и количество охлаждающих клетей подбирались таким образом, чтобы средняя скорость охлаждения в очаге деформации независимо от сортамента составляла 50-55°С/с и 20-25°С/с во время междеформационных пауз, а температура труб после выхода из стана 730-740°С.
Результаты опытных прокаток труб из стали, приведенные в таблице, показали, что по предлагаемому техническому решению можно получать механические свойства группы прочности "Е" и геометрические параметры по овальности и прямолинейности, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 633-80. При производстве труб по прототипу с охлаждением после деформации также достигается требуемый уровень свойств, но процент брака по овализации на трубах диаметром 89 мм доходит до 100%, а на трубах диаметром 60 мм, имеющих наиболее низкую продольную устойчивость, брак по концевой кривизне составляет 25-30%. Таким образом, предлагаемый способ термомеханической обработки позволяет получать недостигаемый при обработке по прототипу уровень точности труб по геометрическим параметрам.
| Таблица | ||||||||||||||
| Способ | Вид охлаждения | Диаметр труб, мм | Марки стали | Содержание элементов, % | Механические свойства | Брак по геометрическим размерам, % | ||||||||
| С | Mu | Cr | Nb | Мо | σв, кг/мм | σт кг/мм | δ5, % | Овальность | Концевая кривизна | Отклонения от прямолинейности | ||||
| Заявляемый | Охлаждение в процессе деформа ции в редукци онном стане | 89 | 48Г2Б | 0,45 | 1,25 | 0,038 | 0,08 | 93,5 | 66,5 | 22,0 | 2-3 | 2-3 | 2-3 | |
| 73 60 | 37ХГБ | 0,38 | 0,66 | 0,59 | 0,04 | - | 90,7 91,2 | 61,2 60,8 | 22,5 23,0 | 2-3 | 2-3 | 2-3 | ||
| 73 60 | 37Г2С | 0.36 | 1,42 | - | - | - | 81,2 82,5 | 54,2 56,8 | 23,5 24,0 | 2-3 | 2-3 | 2-3 | ||
| Прототип | Охлажде ние водой после деформа ции в редукци онном стане | 89 | 48Г2Б | 0,45 | 0,82 | - | 0,038 | 0,08 | 94,6 | 68,9 | 21,0 | 100 | 5-10 | 5-10 |
| 73 60 | 37ХГБ | 0,38 | 0,66 | 0,59 | 0,04 | - | 89,3 91,5 | 59,4 62,8 | 22,0 20,3 | 3-5 2-3 | 10-12 25-30 | 7-10 10-12 | ||
| 73 60 | 37Г2С | 0,36 | 1,42 | - | - | - | 79,3 81,5 | 52,4 55,8 | 23,0 22,5 | 3-5 2-3 | 10-12 25-30 | 7-10 10-12 |
Способ термомеханической обработки труб, включающий предварительную деформацию, выдержку на воздухе, нагрев, окончательную деформацию и ускоренное регулируемое охлаждение, отличающийся тем, что нагрев под окончательную деформацию ведут до 800-870°С, а ускоренное охлаждение до температуры 720-760°С производят в процессе многократной горячей деформации в заневоленном состоянии со средней скоростью охлаждения 40-60°С/с в очаге деформации и 20-30°С/с во время междеформационных пауз.
