Способ производства штрипсов из низколегированной стали
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для электросварных обсадных труб, предназначенных для обустройства нефтяных и газовых скважин в северных сейсмических зонах. Способ включает нагрев слябов, прокатку в штрипсы с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой до температуры смотки. Техническим результатом изобретения является повышение качества штрипсов и выхода годного. Для достижения технического результата нагрев слябов производят до температуры 1220-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 820-880°С, а температуру смотки устанавливают в зависимости от содержания углерода в стали по соотношению ТСМ=[С]·103+(390±30), где ТСМ - температура смотки, °С; [С] - содержание углерода в стали, мас.%. Прокатку штрипсов осуществляют из низколегированной стали, содержащей, мас.%: 0,15-0,24 С; 0,20-0,70 Mn; 0,10-0,40 Si; 0,01-0,07 Al; 0,01-0,08 Nb; не более 0,4 Cr; не более 0,4 Ni; не более 0,4 Cu; не более 0,020 Р; не более 0,010 S; не более 0,012 N; остальное Fe. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах штрипсов для электросварных обсадных труб, предназначенных для обустройства нефтяных и газовых скважин в северных сейсмических зонах.
Для производства обсадных труб, работающих в сейсмических зонах при отрицательных температурах, необходимы горячекатаные штрипсы (полосы) толщиной 4-11 мм шириной 1000-1800 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических свойств (табл.1):
| Таблица 1 Механические свойства штрипсов (ТС 105-287-2004) | |||||
| σв, Н/ММ2 | σт Н/мм2 | σт/σв | δ4, % | KCU-40, Дж/см2 | KCV-20, Дж/см2 |
| не менее 520 | 355-470 | не более 0,80 | не менее 25,0 | не менее 50 | не менее 51 |
Примечания: 1. Все испытания проводятся на образцах, ось которых вдоль направления прокатки штрипса;
2. Разброс значений σт в пределах одного рулона не более 100 Н/мм2.
Помимо указанных механических свойств, штрипсы для обсадных труб должны иметь высокую свариваемость и коррозионную стойкость.
Известен способ производства стальных листов, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы низколегированной стали, содержащей мас.%:
| Углерод | 0,04-0,10 |
| Кремний | 0,01-0,50 |
| Марганец | 0,4-1,5 |
| Хром | 0,05-1,0 |
| Молибден | 0,05-1,0 |
| Ванадий | 0,01-0,1 |
| Бор | 0,0005-0,005 |
| Алюминий | 0,001-0,1 |
| Железо и примеси | Остальное |
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 штрипсы из этой стали имеют низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах, неудовлетворительную свариваемость. Это делает невозможным ее применение для изготовления обсадных труб северного исполнения, работающих в сейсмически опасных районах. Кроме того, необходимость проведения термического улучшения (закалки и отпуска) штрипсов после прокатки усложняет и удорожает производство.
Известен также способ производства листовой низколегированной стали, включающий отливку слябов следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,02-0,3 |
| Марганец | 0,5-2,5 |
| Алюминий | 0,005-0,1 |
| Кремний | 0,05-1,0 |
| Ниобий | 0,003-0,01 |
| Железо | Остальное |
Слябы нагревают до температуры 950-1050°С и прокатывают при температуре выше точки Аr3 с суммарным обжатием 50-70%. Прокатанные листы охлаждают на воздухе [2].
При таком способе производства листы имеют недостаточную прочность и пластичность при отношении σт/σв, превышающем 0,92. Такие листы не удовлетворяют требованиям по вязкости при отрицательных температурах, имеют недостаточную свариваемость и непригодны для изготовления обсадных труб северного исполнения для эксплуатации в сейсмически опасных районах.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали марки 17Г 1 С (по ГОСТ 19281) следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,15-0,20 |
| Марганец | 1,15-1,6 |
| Кремний | 0,4-0,6 |
| Хром | Не более 0,30 |
| Никель | Не более 0,30 |
| Медь | Не более 0,30 |
| Фосфор | Не более 0,035 |
| Сера | Не более 0,040 |
| Мышьяк | Не более 0,08 |
| Азот | Не более 0,008 |
| Железо | Остальное |
Слябы из низколегированной стали 17Г1С нагревают до температуры 1250°С, подвергают черновой прокатке на непрерывном широкополосном стане до промежуточной толщины 20-40 мм, чистовой прокатке с регламентированной температурой конца прокатки Ткп=830-880°С и охлаждают водой до температуры смотки Тсм=620-700°С [3].
Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие и нестабильные механические свойства, что снижает их качество и выход годного. Кроме того, штрипсы характеризуются недостаточной свариваемостью и коррозионной стойкостью.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества штрипсов и выхода годного.
Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали, включающем нагрев слябов, прокатку в штрипсы с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой до температуры смотки, согласно предложению нагрев слябов производят до температуры 1220-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 820-880°С, а температуру смотки устанавливают в зависимости от содержания углерода в стали по соотношению
Tсм=[C]·103+(390±30),
где Тсм - температура смотки, °С;
[С] - содержание углерода в стали, мас.%.
Кроме того, для производства штрипсов используют низколегированную сталь следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,15-0,24 |
| Марганец | 0,20-0,70, |
| Кремний | 0,10-0,40 |
| Алюминий | 0,01-0,07 |
| Ниобий | 0,01-0,08 |
| Хром | Не более 0,4 |
| Никель | Не более 0,4 |
| Медь | Не более 0,4 |
| Фосфор | Не более 0,020 |
| Сера | Не более 0,010 |
| Азот | Не более 0,012 |
| Железо | Остальное |
Сущность изобретения состоит в следующем. Нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава до температуры 1220-1280°С 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. Кроме того, поскольку в процессе прокатки происходит непрерывное падение температуры металла, при указанной температуре нагрева к моменту окончания прокатки температура раската снижается до заданного уровня.
Прокатка штрипса с температурой конца прокатки 820-880°С обеспечивает необходимую степень измельчения микроструктуры, полное выпадение из твердого раствора карбонитридных упрочняющих частиц, деформационное упрочнение металлической матрицы.
Поскольку механические свойства штрипсов зависят от содержания в стали углерода, то его колебания могут приводить к разбросу механических свойств. При прочих равных условиях увеличение концентрации углерода приводит к увеличению прочностных и снижению пластических и вязкостных свойств штрипсов и наоборот. Поэтому для повышения уровня и стабильности механических свойств штрипсов температуру смотки устанавливают в зависимости от содержания углерода в стали, а именно с повышением содержания углерода производят пропорциональное увеличение температуры смотки по предложенному соотношению. Благодаря тому, что снижение температуры смотки упрочняет сталь, а повышение разупрочняет, за счет изменения температуры смотки достигается получение высоких и стабильных механических свойств при колебаниях концентрации углерода в стали.
В результате микроструктура штрипсов с разной концентрацией углерода после охлаждения до температуры смотки представляет из себя ферритно-перлитную смесь с равномерными зернами 11-го балла, и механические свойства штрипса в горячекатаном состоянии полностью соответствуют предъявляемым требованиям (табл.1) без дополнительной термической обработки. Обсадные трубы из таких штрипсов хорошо противостоят сейсмическим смещениям участков грунта при отрицательных температурах без разрушения. Помимо этого, благодаря ограничению концентрации в стали углерода и других легирующих, низколегированной сталь, имея заданную прочность и высокую вязкость при отрицательных температурах, характеризуются высокой свариваемостью и коррозионной стойкостью.
Использование низколегированной стали предложенного состава при одновременном выполнении заявленных концентраций в ней легирующих элементов и примесей обеспечивает после горячей прокатки по упомянутым режимам стабильное получение заданных механических свойств штрипсов, повышение вязкостных свойств при отрицательных температурах, высокую свариваемость и коррозионную стойкость обсадных труб. Таким образом достигается повышение качества штрипсов и выхода годного.
Экспериментально установлено, что увеличение температуры нагрева слябов из низколегированной стали выше 1280°С не улучшает комплекс механических свойств штрипсов, а лишь увеличивает время нагрева и окисленность поверхности, требует снижения темпа прокатки, что снижает производительность процесса. Снижение этой температуры ниже 1220°С приводит к неполному растворению в аустените карбонитридных упрочняющих частиц, снижению технологической пластичности, переупрочнению стали, снижению вязкостных свойств штрипсов при отрицательных температурах.
При температуре конца прокатки Ткп выше 880°С не достигается требуемая степень упрочнения штрипса и измельчение его микроструктуры до оптимального уровня. Снижение температуры Ткп ниже 820°С приводит к чрезмерному измельчению микроструктуры, ухудшению механических свойств штрипсов.
Экспериментально установлено, что упрочняющее влияние от увеличения содержания углерода в стали полностью компенсируется при прямо пропорциональном повышении температуры смотки по зависимости: Тсм=[С]·103+(390±30)°С. Отклонение Тсм от оптимальной в пределах ±30°С является допустимым и не ухудшает качества штрипсов.
Если Тсм>[С]·103+(390+30)°С, то повышенная температура смотки в большей степени разупрочняет сталь, чем это необходимо. В результате снижаются качество и выход годных штрипсов.
Если Тсм<[С]·103+(390-30)°С, то прочностные свойства (σт) штрипсов выше допустимого значения, а пластические и вязкостные - ниже. Указанное снижение Тсм также приводит к невыполнению заданного соотношения σт/σв, что недопустимо.
Углерод в низколегированной стали предложенного состава определяет прочностные свойства штрипсов. Снижение содержания углерода менее 0,15% приводит к падению их прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,24% ухудшает вязкостные свойства штрипсов, их свариваемость и коррозионную стойкость.
Снижение содержания марганца менее 0,20% увеличивает окисленность стали, ухудшает прочность и свариваемость штрипсов. Повышение содержания марганца более 0,70% увеличивает отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву σт/σв сверх 0,8, что недопустимо.
При содержании кремния менее 0,10% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства штрипсов. Увеличение содержания кремния более 0,40% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость штрипсов, ухудшает показатель KCU-40 и свариваемость стали.
Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на качество штрипсов. При содержании алюминия менее 0,01% снижается комплекс механических свойств штрипсов. Увеличение его концентрации более 0,07% приводит к ухудшению вязкостных свойств штрипсов.
Ниобий измельчает зерно микроструктуры, повышает прочность и вязкость штрипсов, прокатанных по предложенным режимам. При ниобия менее 0,01% штрипсы имеют недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания ниобия сверх 0,08% оказалось нецелесообразным, так как не улучшало свойств штрипсов.
Хром, никель и медь являются примесными элементами. При концентрации хрома не более 0,4%, никеля не более 0,4%, меди не более 0,4% они не оказывают вредного влияния на качество и выход годных штрипсов для обсадных труб, но расширяют возможности использования металлического лома при выплавке стали, что удешевляет производство. При концентрации хрома более 0,4%, никеля более 0,4% и меди более 0,4% ухудшаются вязкостные, пластические свойства и свариваемость штрипсов.
Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,020% фосфора, не более 0,010% серы и не более 0,012% азота. 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, снижает выход годного.
Примеры реализации способа
В конвертерном производстве производят выплавку и разливку низколегированных сталей различного состава (табл.2).
Слябы толщиной 250 мм из низколегированной стали с содержанием углерода [С]=0,19% загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации Та=1250°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 970°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины 8 мм. Регламентированную температуру конца прокатки Ткп=850°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.
Прокатанный штрипс выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки. Заданное значение температуры смотки (без учета допустимых колебаний ±20°С) определяют по соотношению
Тсм={[С]·103+(390)}={0,19×1000+(390)}=580°С.
При этом фактически допустимое значение температуры смотки может составлять 580±30=550-610°С без снижения качества и выхода годного. Охлажденную до заданной температуры смотки 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 №2-4) достигается повышение качества и выхода годных штрипсов. В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5), при которых Тсм ниже или выше значений, рассчитанных по предложенному соотношению, качество и выход годных штрипсов снижаются. Также более низкие качество и стабильность свойств имеют штрипсы, произведенные согласно способу-прототипу (вариант №6).
Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава до температуры 1220-1280°С, последующая их горячая прокатка в штрипсы заданной толщины с температурой конца прокатки 820-880°С и охлаждение водой до температуры смотки, устанавливаемой в зависимости от содержания углерода в стали по соотношению Тсм=[С]·103+(390±30), обеспечивают формирование оптимальной мелкозернистой ферритно-перлитной микроструктуры стали. Изменение температуры смотки при этом компенсирует нестабильность содержания углерода в стали. За счет этого достигается повышение качества и выхода годных штрипсов.
Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства штрипсов для электросварных обсадных труб, предназначенных для обустройства нефтяных и газовых скважин в северных сейсмических зонах, на 10-12%.
Литература
1. Заявка Японии №61-163 210, МПК С 21 D 8/00, 1986 г.
2. Заявка Японии №61-223125, МПК С 21 D 8/02, С 22 С 38/54, 1986 г.
3. Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М., Металлургия, 1989 г., с.262-266 - прототип.
| Таблица 2 Химический состав низколегированных сталей | ||||||||||||
| № состава | Содержание химических элементов, масс.% | |||||||||||
| С | Mn | Si | Al | Nb | Cr | Ni | Си | Р | S | N | Fe | |
| 1 | 0,14 | 0,10 | 0,09 | 0,009 | 0,009 | 0,10 | 0,11 | 0,12 | 0,011 | 0,003 | 0,006 | Остальн. |
| 2 | 0,15 | 0,20 | 0,10 | 0,01 | 0,01 | 0,22 | 0,12 | 0,21 | 0,012 | 0,004 | 0,007 | -:- |
| 3 | 0,19 | 0,45 | 0,25 | 0,04 | 0,04 | 0,30 | 0,33 | 0,32 | 0,013 | 0,007 | 0,008 | -:- |
| 4 | 0,24 | 0,70 | 0,40 | 0,07 | 0,08 | 0,40 | 0,34 | 0,40 | 0,020 | 0,010 | 0,012 | -:- |
| 5 | 0,25 | 0,80 | 0,45 | 0,08 | 0,09 | 0,45 | 0,42 | 0,50 | 0,021 | 0,011 | 0,013 | -:- |
| 6 (прототип) | 0,19 | 1,20 | 0,50 | - | - | 0,28 | 0,25 | 0,27 | 0,032 | 0,036 | 0,007 | -:- |
| Примечание: состав 6 дополнительно содержит 0,07% As. |
| Таблица 3 Режимы производства штрипсов из низколегированной стали и их эффективность | |||||||||||
| № вари анта | № состава | Температурные режимы прокатки, °С | Механические свойства | Выход годного, % | |||||||
| Та | Ткп | Тсм | σв, Н/мм2 | σт Н/мм | σт/σв | δ4, % | KCU-40, Дж/см2 | KCV-20, Дж/см2 | |||
| 1 | 5 | 1210 | 810 | 600<{[0,25]·103+(390-30)=610} | 560 | 448 | 0,80 | 25 | 39-51 | 34-52 | 48,6 |
| 2 | 2 | 1220 | 820 | 510={[0,15]·103+(390-30)=510} | 590 | 450 | 0,76 | 30 | 58 | 59 | 97,5 |
| 3 | 3 | 1250 | 850 | 580={[0,19]·103+(390)=580} | 600 | 450 | 0,75 | 30 | 58 | 59 | 98,8 |
| 4 | 4 | 1280 | 880 | 660={[0,24]·103+(390+30)=660} | 590 | 455 | 0,77 | 29 | 58 | 59 | 97,9 |
| 5 | 1 | 1290 | 890 | 570>{[0,14]·103+(390+30)=560} | 520 | 416 | 0,80 | 28 | 45-51 | 44-52 | 46,1 |
| 6 | 6 | 1250 | 870 | 690 | 500 | 445 | 0,89 | 17 | 40-46 | 38-43 | - |
1. Способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов, прокатку в штрипсы с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение водой до температуры смотки, отличающийся тем, что нагрев слябов производят до температуры 1220-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 820-880°С, а температуру смотки устанавливают в зависимости от содержания углерода в стали по соотношению:
TСМ=[C]·103+(390±30),
где ТСМ - температура смотки, °С;
[С] - содержание углерода в стали, мас.%.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что штрипсы прокатывают из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,15-0,24 |
| Марганец | 0,20-0,70 |
| Кремний | 0,10-0,40 |
| Алюминий | 0,01-0,07 |
| Ниобий | 0,01-0,08 |
| Хром | Не более 0,4 |
| Никель | Не более 0,4 |
| Медь | Не более 0,4 |
| Фосфор | Не более 0,020 |
| Сера | Не более 0,010 |
| Фзот | Не более 0,012 |
| Железо | Остальное |
