Способ производства полос для изготовления труб

Изобретение относится к области металлургии, в частности при изготовлении на непрерывных широкополосных станах полос из низколегированной стали для электросварных труб, предназначенных для строительства нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера. Технический результат изобретения состоит в повышении вязкостных свойств стальных полос при отрицательных температурах, придании им высокой свариваемости и пластичности. Для этого используют сталь следующего химического состава, мас.%: 0,05-0,09 С; 0,15-0,40 Si; 1,0-1,4 Mn; 0,01-0,06 Al; 0,01-0,04 Ti; 0,01-0,04 V; 0,02-0,06 Nb; 0,01≥Mo; 0,10≥Cr; 0,10≥Ni; 0,10≥Cu; 0,015≥P; 0,006≥S; 0,005≥Ca; 0,010≥N; остальное Fe. При этом содержание элементов в стали должно удовлетворять соотношению: C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Ti+Nb)/5+(Ni+Cu)/15<0,40. Нагрев слябов производят до температуры 1200-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 540-580°С. 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при изготовлении на непрерывных широкополосных станах полос из низколегированной стали для электросварных труб, предназначенных для строительства нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера.

Для производства нефте- и газопроводных труб, работающих в условиях Крайнего Севера, необходимы горячекатаные полосы (штрипсы) толщиной 4-8 мм шириной 1050 мм из низколегированной стали, обладающие следующим комплексом механических свойств (табл.1):

Таблица 1
Механические свойства штрипсов (ТС 105-430-2004)
σв, Н/мм2	σт Н/мм2	δ5, %	KCV-60, Дж/см2	В-60; %	Холодный загиб на 180°
540-660	не менее 380	не менее 23,0	не менее 40	не менее 50	выдержив.
Примечания: 1. Все испытания проводятся на образцах, ось которых поперек направления прокатки полосы;
2. В-60 - доля вязкой составляющей в изломе образца при -60°С.

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

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 листы из этой стали имеют низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах, неудовлетворительную свариваемость. Это делает невозможным ее применение для изготовления нефте- и газопроводных труб северного исполнения. Кроме того, необходимость проведения термического улучшения (закалки и отпуска) листов после прокатки усложняет и удорожает производство.

Известен также способ производства толстолистовой 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 А_r3 с суммарным обжатием 50-70%. Прокатанные листы охлаждают на воздухе [2].

При таком способе производства листы имеют недостаточную прочность и пластичность. Листы также не удовлетворяют требованиям по вязкости при отрицательных температурах, имеют недостаточную свариваемость и непригодны для изготовления труб нефте- и газопроводов северного исполнения.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства полос из низколегированной стали марки 17Г1С (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 Т_кп=830-880°С и охлаждают водой до температуры смотки Т_см=620-700°С [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что полосы имеют низкие вязкостные свойства при отрицательных температурах. Кроме того, полосы характеризуются недостаточной свариваемостью: при испытаниях образцов на разрыв их разрушение происходит по сварному шву, и обладают недостаточной пластичностью.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении вязкостных свойств стальных полос при отрицательных температурах, придании им высокой свариваемости и пластичности.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства полос для изготовления труб, включающем нагрев стальных слябов, черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки, согласно предложению сталь содержит следующее соотношение компонентов, мас.%:

Углерод	0,05-0,09
Кремний	0,15-0,40
Марганец	1,0-1,4
Алюминий	0,01-0,06
Титан	0,01-0,04
Ванадий	0,01-0,04
Ниобий	0,02-0,06
Молибден	не более 0,01
Хром	не более 0,10
Никель	не более 0,10
Медь	не более 0,10
Фосфор	не более 0,015
Сера	не более 0,006
Кальций	не более 0,005
Азот	не более 0,010
Железо	остальное

при этом содержание элементов в стали должно удовлетворять соотношению: C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Ti+Nb)/5+(Ni+Cu)/15≤0,40, нагрев слябов производят до температуры 1200-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 540-580°С.

Сущность изобретения состоит в следующем. Механические свойства и свариваемость горячекатаных полос определяются как химическим составом стали, так и температурными режимами их горячей прокатки. Поэтому для придания горячекатаным полосам наиболее высокой ударной вязкости при отрицательных температурах, свариваемости и пластичности необходимо одновременно оптимизировать химический состав стали, температурный диапазон нагрева и деформации слябов в полосы, а также температуру, при которой завершают охлаждение полос водой.

Углерод в стали предложенного состава определяет прочностные свойства полос. Снижение содержания углерода менее 0,05% приводит к падению их прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,09% ухудшает вязкостные свойства листов при отрицательных температурах и их свариваемость.

При содержании кремния менее 0,15% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства полос. Увеличение содержания кремния более 0,40% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает пластичность полос, ухудшает показатель KCV^-60 и свариваемость стали.

Снижение содержания марганца менее 1,0% увеличивает окисленность стали, ухудшает прочность и свариваемость листов. Повышение содержания марганца более 1,40% увеличивает прочность выше допустимого уровня, снижает пластические свойства горячекатаных листов.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства листов. При содержании алюминия менее 0,01% снижается комплекс механических свойств листов. Увеличение его концентрации более 0,06% приводит к ухудшению вязкостных свойств штрипсов.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Мелкодисперсные карбиды титана, выделившиеся в процессе горячей прокатки и охлаждения полос водой, обладают высокой устойчивостью к перегреву. В процессе сварки не происходит их растворения и разупрочнения зоны сварного шва. При содержании титана менее 0,01% снижается прочность горячекатаных листов. Повышение содержания титана сверх 0,04% приводит к снижению вязкостных свойств при температуре -60°С, что недопустимо.

Ванадий и ниобий, как каждый в отдельности, так и совместно, измельчают зерно микроструктуры, повышают прочность и вязкость горячекатаных полос, прокатанных по предложенным режимам. При содержании ванадия менее 0,01% или ниобия менее 0,02% полосы имеют недостаточную вязкость при отрицательных температурах. Увеличение содержания ванадия более 0,04% или ниобия более 0,06% оказалось нецелесообразным, так как ухудшало сваривания без дальнейшего повышения свойств горячекатаных полос.

Молибден в данной стали является примесным элементом, он попадает в сталь из металлолома при выплавке. Однако при увеличение концентрации молибдена более 0,01% ухудшается свариваемость горячекатаных полос.

Хром, никель и медь также являются примесными элементами. При концентрации каждого из них не более 0,10% 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 каждого из этих элементов более 0,10% ухудшаются вязкостные свойства при температуре -60°С, снижаются пластические свойства и свариваемость горячекатаных полос.

Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,015% фосфора, не более 0,006% серы и не более 0,010% азота. При указанных предельных концентрациях эти элементы в горячекатаных полосах из стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на механические свойства полос, 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 полос и в особенности ударную вязкость при температуре -60°С.

Кальций способствует модификации стали и измельчению зерен микроструктуры при горячей прокатке слябов в температурном интервале от 1200-1280°С до 830-880°С. Кальций попадает в сталь при ее выплавке из известняка и шлака. Однако увеличение содержания кальция более 0,005% приводит к увеличению количества неметаллических включений и ухудшению вязкостных и пластических свойств горячекатаных листов, что недопустимо.

Свариваемость стали определяется ее химическим составом, причем различные компоненты оказывают различное влияние. Во всех случаях повышение степени легированности обусловливает ухудшение свариваемости. Поэтому в стали предложенного состава для придания высокой свариваемости горячекатаных полос, как показали эксперименты, необходимо выполнение следующего соотношения:

C_э=C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Ti+Nb)/5+(Ni+Cu)/15≤0,40.

В случаях, когда указанное соотношение не выполняется, т.е.

C_э=C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Ti+Nb)/5+(Ni+Cu)/15>0,40,

свариваемость горячекатаных листов ухудшается.

Нагрев слябов из стали предложенного состава до температуры 1200-1280°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 при прокатке. Кроме того, поскольку в процессе прокатки происходит непрерывное падение температуры металла, при указанной температуре нагрева к моменту окончания черновой прокатки температура раската снижается до оптимального уровня, необходимого для обеспечения заданной температуры конца прокатки.

Последующая чистовая прокатка полосы с температурой конца прокатки 830-880°С обеспечивает необходимую степень измельчения микроструктуры, полное выпадение из твердого раствора карбонитридных упрочняющих частиц, деформационное упрочнение металлической матрицы. В результате микроструктура полосы после охлаждения до температуры смотки 540-580°С представляет из себя ферритно-перлитную смесь с равномерными зернами 11-го балла, и механические свойства полосы полностью соответствуют предъявляемым требованиям (табл.1). Трубы из таких полос хорошо противостоят образованию магистральных трещин при отрицательных температурах в условиях Крайнего Севера.

Помимо этого благодаря ограничению концентрации в стали конкретного состава углерода и других легирующих элементов:

С_э=C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Ti+Nb)/5+(Ni+Cu)/15≤0,40

горячекатаные полосы, имея заданную прочность и высокую вязкость при отрицательных температурах, характеризуются высокой свариваемостью: при испытании на разрыв разрушение образцов происходит не по сварному шву или зоне термического влияния от действия тепла электросварки, а по основному металлу.

Использование стали предложенного состава при одновременном выполнении заявленных соотношений в ней легирующих элементов и примесей обеспечивает после горячей прокатки по упомянутым режимам стабильное получение заданных механических свойств полос, повышение вязкостных свойств при отрицательных температурах, высокую свариваемость труб. Повышение механических свойств штрипсов за счет одновременной оптимизации химического состава стали и режимов горячей прокатки позволяет минимизировать расходы на легирующие материалы. В этом состоит дополнительное преимущество предложенного способа.

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 требует снижения темпа прокатки, что снижает производительность процесса. Снижение этой температуры ниже 1200°С приводит к неполному растворению в аустените карбонитридных упрочняющих частиц, снижению технологической пластичности, переупрочнению стали (σ_в>660 Н/мм²), снижению вязкостных свойств штрипсов при отрицательных температурах.

При температуре конца прокатки Т_кп выше 880°С не достигается требуемая степень упрочнения полосы и измельчение его микроструктуры до оптимального уровня. Снижение температуры Т_кп ниже 830°С приводит к чрезмерному измельчению микроструктуры, ухудшению механических свойств полосы.

Повышение температуры смотки Т_см выше 580°С способствует формированию разнобалльности микроструктуры, снижению прочностных свойств ниже допустимых значений. Снижение Т_см менее 540°С приводит к ухудшению пластических свойств: полоса не выдерживает испытания на холодный загиб.

Примеры реализации способа

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

Слябы толщиной 250 мм загружают в методические печи и нагревают до температуры аустенитизации Т_а=1240°C. 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 990°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу клетей, где обжимают до конечной толщины 6 мм. Регламентированную температуру конца прокатки Т_кп=855°С поддерживают изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением полосы.

Прокатанную полосу выдают на отводящий рольганг, где охлаждают водой до температуры смотки Т_см=560°C. 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 №2-4) достигается повышении вязкостных свойств стальных полос при отрицательных температурах, полосы имеют высокую свариваемость и пластичность. В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5) вязкостные свойства при отрицательных температурах, пластичность и свариваемость штрипсов ухудшаются. Также более низкие вязкостные свойства при температуре -60°С, пластичность и свариваемость имеют полосы, произведенные согласно способу-прототипу (вариант №6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из стали предложенного состава до температуры 1200-1280°С, последующая их горячая прокатка в полосы заданной толщины с температурой конца прокатки 830-880°С и охлаждение водой до температуры смотки 540-580°С обеспечивает формирование оптимальной мелкозернистой ферритно-перлитной микроструктуры стали. За счет этого достигается повышение ударной вязкости при -60°С и доли вязкой составляющей в изломе, свариваемости и пластичности горячекатаных полос.

Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства полос для нефте- и газопроводных труб Северного исполнения на 10-15%.

Источники информации

1. Заявка Японии №61-163210, 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 сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%	Cэ, %
С	Si	Mn	Al	Ti	V	Nb	Mo	Cr	Ni	Cu	Р	S	Са	N	Fe
1	0,04	0,14	0,9	0,009	0,009	0,009	0,01	0,001	0,08	0,05	0,06	0,010	0,003	0,002	0,005	ост.	0,22
2	0,05	0,15	1,0	0,010	0,010	0,010	0,02	0,003	0,07	0,04	0,04	0,011	0,004	0,003	0,006	-:-	0,24
3	0,07	0,27	1,2	0,035	0,025	0,025	0,04	0,005	0,06	0,07	0,07	0,013	0,004	0,004	0,008	-:-	0,31
4	0,09	0,40	1,4	0,060	0,040	0,040	0,06	0,010	0,10	0,10	0,10	0,015	0,006	0,005	0,010	-:-	0,38
5	0,10	0,42	1,5	0,070	0,050	0,050	0,07	0,012	0,12	0,11	0,11	0,016	0,007	0,006	0,011	-:-	0,42
6	0,19	0,50	1,2	-		-	-	-	0,28	0,25	0,27	0,032	0,036	-	0,007	-:-	-
Примечание: сталь состава 6 дополнительно содержит 0,07% As.

Таблица 3
Режимы производства полос и их эффективность
№ варианта	№ состава	Температурные режимы, С	Механические свойства	Свариваемость
Та, °С;	Ткп, °С	Тсм, °С	σв, Н/мм2	σт Н/мм2	δ5, %	KCV-60, Дж/см2	В-60, %	Холодный загиб на 180°
1	5	1190	820	530	690	650	19	27	38	не выдержив.	неудовл.
2	2	1200	830	540	660	480	31	44	54	выдержив.	удовл.
3	3	1240	855	560	590	420	32	58	66	выдержив.	удовл.
4	4	1280	880	580	540	390	31	52	58	выдержив.	удовл.
5	1	1290	890	590	470	375	22	32	47	не выдержив.	неудовл.
6	6	1250	870	690	500	445	18	24	44	не выдержив.	неудовл.

Способ производства полос для изготовления труб, включающий нагрев стальных слябов, черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой до температуры смотки, отличающийся тем, что сляб получен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

Углерод	0,05-0,09
Кремний	0,15-0,40
Марганец	1,0-1,4
Алюминий	0,01-0,06
Титан	0,01-0,04
Ванадий	0,01-0,04
Ниобий	0,02-0,06
Молибден	Не более 0,01
Хром	Не более 0,10
Никель	Не более 0,10
Медь	Не более 0,10
Фосфор	Не более 0,015
Сера	Не более 0,006
Кальций	Не более 0,005
Азот	Не более 0,010
Железо	Остальное

при выполнении соотношений:

C+Mn : 6+(Cr+Mo+V+Ti+Nb) : 5+(Ni+Cu) : 15<0,40, нагрев слябов производят до температуры 1200-1280°С, температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 540-580°С.